15 Jahre CO -Messung in Hessen
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WILMA TRAVNICEK, STEFAN JACOBI & MARIA SCHMITT 15 Jahre CO2-Messung in Hessen 15 Jahre CO2-Messung in Hessen I2 WILMA TRAVNICEK, STEFAN JACOBI & MARIA SCHMITT 1 Einleitung Die Erde besteht zu einem großen Teil aus Kohlen- technisch erfasste und dokumentierte. Später folgten stoff, der meist in gebundener Form in Sedimenten, weltweit weitere Messstationen, die den Verlauf der Carbonatgesteinen, Kohle, Erdgas, Erdöl oder in atmosphärischen CO2-Konzentration noch heute Organismen vorkommt. Durch Verbrennungspro- weiterverfolgen. Da CO2 ein globales Problem dar- zesse mit ausreichender Sauerstoffzufuhr, aber auch stellt, werden diese Messungen bevorzugt an mög- bei der Atmung von Organismen, entsteht Kohlen- lichst unbeeinflussten Messstellen durchgeführt, um dioxid (CO2). CO2 ist ein Gas, das mit 380 ppmv das „Hintergrundsignal“ zu erfassen und langfristige (entspricht 0,038 Vol.-%) einen zumindest teilweise Trendbetrachtungen durchführen zu können. natürlichen Bestandteil der Erdatmosphäre bildet. Für den Menschen ist das Gas in diesen Konzentra- An zwei Messstationen des hessischen Luftmess- tionen gesundheitlich unbedenklich. Sein enormes netzes werden seit 1995 (Linden) bzw. seit 2002 Treibhauspotential jedoch, bedingt durch die relativ (Wasserkuppe) Messungen der atmosphärischen ausgeprägten Absorptionsbanden im langwelligen CO2-Konzentrationen durchgeführt, um genauere Infrarotbereich und die lange Verweilzeit in der Informationen zur Entwicklung dieser CO2-Konzen- Atmos phäre, fördert die Erderwärmung und stellt ein tration auch regional auf Hessen bezogen zu erhalten. erhebliches Risiko für das Klima dar. Die Station Linden weist insofern eine Besonder- heit auf, da dort in Kooperation mit der Universität Die mittlere vorindustrielle CO2-Konzentration der Gießen auch die sogenannte Umweltbeobachtungs- Atmosphäre lag weitestgehend konstant bei Werten und Klimafolgenforschungsstation betrieben wird. von unter 280 ppmv. Mit Beginn der Industrialisie- Auf dem Versuchsgelände wird unter anderem das rung stieg nicht nur der Verbrauch und die Verbren- Pflanzenwachstum bei künstlich erhöhter CO2- nung von fossilen Energieträgern, sondern auch die Konzentration in der Atmosphäre untersucht. Dazu atmosphärische CO2-Konzentration der Erde konti- wurden mehrere ringförmig angelegte CO2-Bega- nuierlich an. Die anthropogenen Einflussgrößen spie- sungsflächen angelegt [1]. Die Station Wasserkuppe be- len eine große Rolle für den CO2-Anstieg und damit findet sich im Gipfelbereich der Wasserkuppe (930 m die Erderwärmung. Gerade die Umwandlung und über NN) und stellt damit den am höchsten ge- Freisetzung von Kohlenstoff, der für Jahrtausende legenen Messpunkt in Hessen dar. Die Lage der in der Erde als fossiler Energieträger gebunden war, Standorte ist Abbildung 1 zu entnehmen. Die nach- ist zum großen Teil verantwortlich für diesen Trend. folgenden Auswertungen wurden im Rahmen einer Charles David Keeling war der erste Wissenschaftler, durch das HLUG mitbetreuten Bachelor-Arbeit an der auf dem Mauna Loa (Hawaii) ab 1958 den An- der Hochschule RheinMain erstellt [2]. stieg der atmosphärischen CO2-Konzentration mess- 81 Jahresbericht 2011 Bad Arolsen Kassel-Mitte Kassel- Fünffensterstr. Witzenhausen Kellerwald Bebra Marburg-Universitätsstr. Burg Herzberg Marburg Gießen-Westanlage Wetzlar Fulda-Petersberger-Str. Linden Fulda-Mitte Wasserkuppe Limburg Kl. Feldberg Ffm.-Friedb.- Spessart CO2-Messstellen Landstr. Ffm.-Höchst Hanau Wiesbaden- Ringkirche Ffm.-Ost Ffm.-Sindlingen Wiesbaden-Süd Raunheim Ballungsräume Luftmessstationen Darmstadt- Kassel in Städten Hügelstr. Darmstadt Rhein-Main temporäre Messung Riedstadt Reinheim Gebiete an Verkehrsschwerpunkten Michelstadt temporäre Messung Heppenheim- Lahn-Dill im ländlichen Raum Lehrstr. Mittel- und Nordhessen Fürth/Odenwald Südhessen Abb. 1: Geografische Lage der hessischen Luftmessstationen. 2 Ergebnisse Im Folgenden werden charakteristische Eigenschaf- 2.1 Mittlerer Tagesgang ten der an den beiden hessischen CO2-Messstellen zu findenden Konzentrationsverhältnisse gezeigt. Um einen möglichst repräsentativen mittleren Tages- Des Weiteren wird ein Vergleich mit CO2-Messstel- gang zu erzeugen, wurde der Verlauf der CO2-Kon- len des Umweltbundesamtes (UBA) sowie mit inter- zentration eines Tages über mehrere Jahre gemittelt. nationalen Messstellen dargestellt. Da jedoch davon auszugehen ist, dass sich Tagesgänge 82 WILMA TRAVNICEK, STEFAN JACOBI & MARIA SCHMITT 15 Jahre CO2-Messung in Hessen 390 im Sommer und im Winter deutlich 02.01. unterscheiden, wurden die Auswer- 385 30.06. tungen entsprechend differenziert. Ab bildung 2 zeigt die an der Station 380 Wasserkuppe zu findenden mittleren Tagesgänge exemplarisch für einen Som- 375 mertag (30. Juni) und für einen Winter- [ppmv] tag (2. Januar). Konzentration 370 365 Im Sommer werden die höchsten CO2- Konzentrationen spät in der Nacht bis früh am Morgen erreicht. Das Maximum 360 0:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 liegt bei 378 ppmv (ca. fünf Uhr mor- Zeit [h] gens). Danach fällt die Konzentration Abb. 2: Mittlerer CO2-Tagesgang an der Messstation Wasserkuppe, exemplarisch mit Einsetzen der pflanzlichen Fotosyn- für Winter: 2. Januar, exemplarisch für Sommer: 30. Juni, Mittelungszeit- these deutlich ab, bis sie gegen 16 Uhr raum 2002–2010. ihr Minimum von 364 ppmv erreicht. 550 Gegen Nachmittag und Abend hin, Wasserkuppe wenn die Helligkeit wieder abnimmt 500 Linden und damit die Fotosynthese sowie die Aufnahme von CO2 durch die Pflanzen zurückgeht, steigt auch die atmosphä- 450 rische CO -Konzentration wieder an, bis 2 [ppmv] sie in der Nacht ihr Maximum erreicht. 400 Konzentration Im Tagesverlauf schwankt die atmosphä- rische CO2-Konzentration im Sommer 350 dadurch um ungefähr 15 ppmv. 300 Im Winter (beispielhaft dargestellt am Dez. 03 Jan. 04 Feb. 04 Mrz. 04 Apr Mai 04 Jun. 04 Jul. 04 Aug. 04 Sep. 04 Okt. 04 Nov Dez. 04 . 04 . 04 02. Januar) hingegen liegen die CO2- Konzentrationen im Mittel vegetations- Abb. 3: Verlauf der CO2-Tagesmittelwerte der Messstationen Wasserkuppe und bedingt über den Sommerwerten (30. Linden im Bezugsjahr 2004. Juni). Der Tagesverlauf zeigt, dass die CO2-Konzentration über den Tag verteilt langsam Abbildung 3 zeigt den jahreszeitlichen Verlauf der ansteigt während sie in der Nacht ihr Minimum er- CO2-Tagesmittelwerte an den Stationen Linden und reicht. Dieser Anstieg der CO2-Konzentrationen wird Wasserkuppe für das ausgewählte Jahr 2004. Am durch vermehrtes Heizen während des Tages in der Kurvenverlauf der Station Wasserkuppe (untere rote kalten Jahreszeit erklärt. Kurve) ist deutlich zu erkennen, dass die CO2-Kon- zentration in den Wintermonaten höher ist als in den Sommermonaten. Mit Einsetzen der Vegeta- 2.2 Jahreszeitlicher Verlauf – tionsphase im Frühjahr (März/April) nimmt die CO2- Beispieljahr 2004 Konzentration ab. Die Pflanzen nehmen CO2 aus der Atmosphäre auf und wandeln es in Biomasse um. Im Um den jahreszeitlichen Verlauf der Messergebnisse Herbst hingegen, wenn die Vegetationsphase zu Ende zu untersuchen, wurden die Tagesmittelwerte am geht, verringert sich die pflanzliche CO2-Aufnahme Beispiel des Jahres 2004 zur Auswertung herange- erheblich und kommt bei Pflanzen die ihr Laub ab- zogen. Das Jahr 2004 bildet das vollständigste Da- werfen völlig zum Erliegen. Gleichzeitig erhöhen tenkollektiv der beiden Messstationen Linden und sich die CO2-Emissionen und erreichen durch die Wasserkuppe und wurde von daher beispielhaft aus- zusätzlich einsetzende Heizperiode im Winter ihr gewählt. Maximum. 83 Jahresbericht 2011 510 Der jahreszeitliche Verlauf an der Sta- Linden Neuglobsow 490 tion Linden (blau) unterscheidet sich Wasserkuppe Schauinsland deutlich von dem auf der Wasserkuppe. 470 Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, lie- gen die Konzentrationen in Linden ca. 450 8 % höher und weisen größere tägliche 430 Schwankungen auf. Ein eindeutiger jah- [ppmv] reszeitlicher Verlauf ist in Linden nicht Konzentration 410 ersichtlich. Die Messstation in Linden 390 liegt etwa 760 m niedriger als der 370 Standort auf der Wasserkuppe. Nahein- flüsse und anthropogene Störfaktoren 350 Dez. 03 Jan. 04 Feb. 04 Mrz. 04 Apr Mai 04 Jun. 04 Jul. 04 Aug. 04 Sep. 04 Okt. 04 Nov Dez. 04 (Verkehr, Verbrennung von fossilen En- . 04 . 04 ergieträgern) haben dort einen größeren Jahreszeitlicher Verlauf der CO -Tagesmittelwerte von vier Messstationen Einfluss. Auch die Hauptwindrichtung Abb. 4: 2 im Bezugsjahr 2004. an der Messstelle (Südwest) unterstützt den Antransport von Luftmassen aus Richtung der tägliche Schwankungen auf, wobei die von Linden nahe gelegenen Ansiedlungen. Ein weiterer Unter- noch ausgeprägter sind. Ein jahreszeitlicher Verlauf schied zwischen den Messstellen liegt darin, dass lässt sich für beide Stationen nicht klar erkennen. Die die Umgebung in Linden überwiegend landwirt- Ergebnisse in Linden und Neuglobsow weisen Ähn- schaftlich geprägt ist, während rund um die Was- lichkeiten auf, sie unterscheiden sich jedoch deutlich serkuppe Wälder zu finden sind, die offenbar eine von den Messungen an den Stationen Wasserkuppe besser CO2-Senke darstellen. und Schauinsland. Das Umweltbundesamt (UBA) betreibt seit Jahr- zehnten CO2-Messungen an einer Reihe der UBA- 2.3 Mittlerer Jahresgang Hintergrundmesstationen [3]. Um einen Vergleich mit anderen Regionen in Deutschland anzustellen, wur- Um allgemeinere Aussagen über den jahreszeitlichen den die Messstationen Schauinsland und Neuglob- Verlauf treffen zu können, müssen jedoch langfris- sow des UBA herangezogen [4]. Die Konzentrations- tigere Zeiträume