Klimaforschung Menschliche Spuren im antiken Methan

Mit 1800 ppb (parts per billion) beträgt die Konzentration von Methan in der Erdatmosphäre gerade einmal ein Zweihundertstel der des Kohlendioxids. Doch der Treibhauseffekt des Kohlenwasserstoffs ist bis zu fünfundzwanzigmal so stark. Da ist es wenig erfreulich, dass sein Gehalt sich seit Beginn der industriellen Ära verdreifacht hat. Der Grund dafür ist bekannt: Vor allem der Verbrauch von fossilen Energieträgern setzte enormen Mengen an Methan frei. Allerdings entsteht das Gas auch auf natürliche Weise. So werden etwa aus tropischen und arktischen Feuchtgebieten große Mengen freigesetzt. Die anaeroben Bedingungen in den stehenden Gewässern begünstigen dort Fäulnisprozesse.

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Umgehrter Effekt

Die Art und Weise aber, wie die zunehmende Temperatur in Folge des Klimawandels auf die Quellen wirkt, ist längst nicht vollständig verstanden. Ein Indiz dafür lieferte Anfang der neunziger Jahre ein rätselhaftes Phänomen: Die bis dahin starke Methanzunahme verlangsamte sich, dann stagnierte die Konzentration sieben Jahre lang, bis sie vor ein paar Jahren wieder anstieg. Die Gründe für den Stillstand sind bis heute nicht völlig geklärt. Studien haben aber gezeigt: Die steigenden Temperaturen drosselten die Aktivitäten in den Feuchtgebieten, anstatt diese zu erhöhen (“Nature“, Bd. 443, S. 439) - was die antropogenen Emissionen ausglich. Es ist somit wenig vorhersehbar, wie sich Klimaveränderungen auf die natürlichen Methan-Emissionen auswirken. Um mehr darüber in Erfahrung zu bringen, suchen einige Forscher Antworten in der Vergangenheit - in den Eisschichten Grönlands und der Antarktis, wo seit Jahrtausenden Luftblasen von den niedergehenden Schneeflocken eingefangen und zwischen den Eiskristallen eingeschlossen werden.

Fingerabdrücke im Bohrkern

Im Juli 2010 wurde nach drei Jahren Bohrungsarbeit der Fels unter dem 2,5 Kilometer dicken nordgrönländischem Eisschild am NEEM-Camp (“International North Greenland Eemian Ice Drilling Program“) erreicht. Forscher aus 14 Nationen hatten sich zum Ziel gesetzt, das Klima bis in das Eem-Interglazial zu erforschen - die letzte Warmzeit vor unserem heutigen Holozän, die vor etwa 115 000 Jahren endete. Eine der Wissenschaftler war Célia Sapart vom Institut für Meeres- und Atmosphärenforschung in Utrecht. Die dreißig Jahre alte Schweizerin nahm Teile aus dem oberen Eisbohrkern unter die Lupe, um die Entwicklung der Methan-Emissionen in den vergangenen zweitausend Jahren zu verfolgen. Dazu bestimmte sie den Gehalt an dem Isotop Kohlenstoff-13 (C-13). Denn dadurch können die Forscher Schlüsse auf den Ursprung von Methan ziehen: Je nachdem, wie das Treibhausgas erzeugt wurde, ist auch sein C-13-Gehalt anders - eine Art isotopischer Fingerabdruck, der die Emissionsquelle ziemlich eindeutig kennzeichnet. So enthält zum Beispiel Methan, das aus der Verbrennung von Biomasse oder Holzkohle entsteht - sogenannte pyrogene Quellen -, wesentlich mehr C-13 als Gas, das aus der Zersetzung von organischem Material in Feuchtgebieten durch Mikroorganismen (sogenannte biogene Quellen) produziert wird. Anhand der C-13-Konzentrationen konnte die Gruppe von Sapart die jeweiligen Beiträge von pyrogenen und biogenen Quellen am atmosphärischen Methan-Volumen zwischen 100 v. Ch. und 1600 n. Ch. rekonstruieren (“Nature“, Bd. 490, S. 85).

Erhöhte menschliche Aktivität

Ein klarer Einfluss des Klimas auf die biogenen Emissionen stach in den Daten nicht heraus. Vielmehr entdeckten die Forscher, dass sich in dieser Zeit die menschliche Aktivität in den erhöhten pyrogenen Ausstößen widerspiegelte. So um das Jahr 1100, als die Entwaldung in den nördlichen Breiten wohl ihren Höhepunkt erreichte. Um der stark wachsenden Bevölkerung des frühen Mittelalters neuen Ackerboden zu verschaffen, erfolgte die Brandrodung auf breiter Front, was große Mengen an C-13 reichem Methan freisetzte. Dabei spielte das Klima aber auch vermutlich eine Rolle, betonen die Autoren: Um diese Zeit - die sogenannte mittelalterliche Warmzeit, die sich von 800 bis 1200 erstreckte - sollen lange Dürreperioden den Ausbruch natürlicher Waldbrände begünstigt, und somit zum hohen pyrogenen Gehalt beigetragen haben.

Niedergang antiker Epochen

Doch der menschliche Fingerabdruck ließ sich auch früher nachweisen, so die Forscher. In der Blütezeit der römischen Kaiserzeit zwischen Christi Geburt und 200, als die nicht nur in Europa sondern auch in Asien weitverbreitete Metallurgie enormen Gebrauch von Holzkohle machte, sollen große Mengen an pyrogenem Methan in die Atmosphäre gelangt sein. Das glauben die Forscher in ihren erhöhten pyrogenen Werten zu sehen. „Sedimentanalysen aus Seen in Zentralchina und Schweden zeigen Schwermetall-Ablagerungen, die sich um diese Zeit mit unseren Daten praktisch überlappen“, sagt Sapart. Um 200 n. Ch. waren das römische Imperium in Europa und in China die vergleichbar mächtige Han Dynastie im Niedergang begriffen- das zeigen auch die Daten von Sapart.

Die skeptische Stimme

Von den Korrelationen zeigt sich Martin Heimann vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena wenig überzeugt. „Plausibel sind die Hypothesen schon, allerdings sind sie kein Beweis für einen kausalen Zusammenhang“. Dass die Römer, die schlussendlich nur ein begrenztes Gebiet des europäischen Kontinents besetzten, globale Auswirkung auf pyrogene Emissionen verursacht hätten, hält er für fraglich. Die Stärke der Studie liege aber woanders: Den Forschern sei es gelungen, eine seit langem bestehende Hürde zu überwinden: „Das Luftvolumen, das im Eisbohrkern gespeichert ist, ist äußerst gering“ erklärt Heimann. Das verhinderte bis jetzt, den ohnehin extrem geringen Gehalt an C-13-Methan mit großer Genauigkeit zu bestimmen. Die Gruppe von Sapart benutzte eine neues Verfahren: Anstatt wie üblich das Eis aufzutauen, um die darin gespeicherten Luftblasen freizusetzen - wodurch mit dem Wasser ein Teil des wertvollen Methans verloren ging - wurde es in seiner soliden Form fast vollständig zerrieben. Dieses Vorgehen steigerte die Methan-Ausbeute deutlich. „Hinzu kommt, dass die Proben aus Grönland grundsätzlich mehr Eis enthalten als jene aus anderen Bohrungsstandorten“, sagt Sapart. Denn die Schneemenge, die jedes Jahr dort das Eisschild bedeckt, ist meistens viel größer als an anderen Stätten wie in der Antarktis. So wurde nicht nur die Bestimmung der C-13-Methan-Werte genauer, auch die Zeitauflösung verbesserte sich drastisch - was zur Aufdeckung der Schwankungen in den pyrogenen Emissionen während der Römerzeit und des Mittelalters führte.

Menschlicher Einfluss vor 5000 Jahren?

Dass die kurzzeitigen und ohnehin geringen Steigerungen sich auf das Klima hätten auswirken können, ist jedoch auszuschließen, sagt Heimann. „Wir sprechen hier von Variationen von maximal zehn bis 20 ppb, die verglichen mit der geschätzten damaligen globalen Konzentration von mehr als 600 ppb kaum relevant sind.“ Ganz anders als die aktuelle Situation, wo 60 Prozent des 1800 ppb hohen Methan-Gehalts, die dem Menschen zugerechnet werden. Und dennoch: Die Hypothese, dass die Menschheit das Klima lange vor der Industrie-Revolution schleichend beeinflusste, ist nicht ganz abwegig. Im Jahr 2001 führte der Paläoklimatologe William Ruddiman seine These eines „frühen Anthropozäns“ ein, laut dessen der Einfluss des Menschen auf das Klima nicht erst vor 200 Jahren sondern schon vor 5000 Jahren angefangen habe.

Reisanbau als Quelle von Methan

Er bezieht sich dabei unter anderem auf die seitdem geringe aber stetige Steigerung des globalen Methan-Gehalts. Laut Ruddiman geht diese Zunahme mit dem Ausbau der Landwirtschaft einher. Weniger durch die vorher erwähnte Verbrennung von Holz und Pflanzenresten, als vielmehr durch die Viehzüchtung und den in Asien schon damals weit verbreiteten Nassreisanbau. Vor allem letzterer produziert große Mengen des biogenen Methans. Denn die ständige Überschwemmung der Felder begünstigt die Zersetzung von organischem Material durch anaerobe Bakterien - ein ähnlicher Mechanismus wie in den Feuchtgebieten. Dass der Nassreisanbau am globalen Methan-Gehalt nicht unbeteiligt ist, zeigt ebenfalls die Stagnation zu Beginn des 21. Jahrhunderts: Neben einer verminderten Aktivität in den Feuchtgebieten und einer Reduzierung des Verbrauchs an fossiler Energie, sollen neue Anbautechniken, wie die temporäre Trockenlegung der Felder oder die Verwendung von Kunstdünger an der Stagnation beteiligt gewesen sein (“Nature“, Bd. 476, S. 194).

Computer liefern natürliche Erklärung

Ob allerdings ausschließlich die Landwirtschaft für die bis um das Jahr 1800 kontinuierliche gesteigerten Methan-Ausstoß verantwortlich ist, wird kontrovers diskutiert. Vor kurzem haben Computersimulationen eine andere - völlig natürliche - Erklärung ins Spiel gebracht: Eine erhöhte Aktivität in den Feuchtgebieten Südamerikas in Folge eines veränderten Einfalls der Sonnenstrahlung könnte ebenfalls einen solchen Effekt gehabt haben (“Nature“, Bd. 470, S. 82). Doch das belegen die von Sapart rekonstruierten biogenen Emissionen nicht: Sie folgen im Gegenteil der Ausbreitung des genutzten Ackerlands - und bestätigen damit die These, dass der Mensch, wenn auch nicht allein, doch zumindest wesentlich seit mindestens 2000 Jahren die Emissionen an Methan prägt.