Klimaforschung Die Luft muss möglichst rein sein

Mit ihren Masten, Schläuchen, Antennen und Containern wirkt die Meßstation inmitten der endlos erscheinenden Wüste aus rauhem Lavagestein eher wie ein havariertes außerirdisches Raumschiff als eine Wetterwarte. In fast 3400 Meter Höhe am Hang des Mauna Loa auf Hawaii gelegen hat die Station etwas Unwirkliches. Sie ist ein Fremdkörper in einer leblosen Welt, in der die Stille nur vom ununterbrochenen Pfeifen des Nordwestpassats und dem monotonen Brummen kleiner Pumpen und Generatoren gestört wird.

Aber die Lage in der Einsamkeit des größten Schildvulkans der Welt ist bewusst gewählt, denn dort ist die Luft so sauber wie sonst kaum mehr irgendwo auf der Welt. Die Insel ist nämlich mehr als 3700 Kilometer vom amerikanischen Festland entfernt, nach Japan und Fernost ist es sogar noch weiter. Das einzige Stück Land, das der Besucher vom Gipfel des Mauna Loa sehen kann, ist Haleakala, der heilige Berg des polynesischen Sonnengottes auf der Nachbarinsel Maui. Weil es am „langen Berg“, wie Mauna Loa übersetzt heißt, zudem weder Autobahnen noch Industriebetriebe gibt, fehlt auch jede örtliche Luftverschmutzung. Damit ist der Berg der ideale Ort, die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre, besonders den Anteil des Treibhausgases Kohlendioxid, aufs Genauste zu messen.

„Infrarot Gasanalysator“

Bis der amerikanische Forscher David Keeling im Jahre 1958 am Mauna Loa zu messen begann, schwankten die Angaben über die Konzentration von CO2 in der Luft zwischen 0,2 und 0,6 Kubikzentimeter je Liter. Das entspricht 200 bis 600 Teilen Kohlendioxid je einer Million Teile Luft (parts per million, ppm). Einer der Gründe für diese Schwankungsbreite war, dass es damals keine koordinierten Messungen dieses Spurengases der Erdatmosphäre gab. Stattdessen evakuierten Forscher in ihren Laboratorien Glaskolben, in die sie anschließend Luft strömen ließen - irgendwo draußen, im Vorgarten des Laboratoriums, im Wald, auf See oder in Städten. Zur Analyse dieser Proben wendete jeder Forscher ein anderes Verfahren an. Es war also kein Wunder, dass die Ergebnisse nicht übereinstimmten.

Keeling entwickelte für seine Dauermessungen aber ein Verfahren, bei dem kontinuierlich Luft von außen in ein Gefäß gepumpt und dort eine kurze Zeit lang mit infrarotem Licht bestrahlt wird. Gemessen wird anschließend, wie stark sich die Luft erwärmt hat. Aus dem Vergleich mit einem parallel laufenden identischen Experiment in einem Zylinder, der eine genau bekannte Menge CO2 enthält, konnte er dann den Gehalt an Kohlendioxid in der Luftprobe berechnen. Inzwischen ist die ursprüngliche Apparatur des amerikanischen Forschers durch einen gewerblichen „Infrarot Gasanalysator“ ersetzt worden, der von Siemens geliefert wurde.

Kontinuität ist die wichtigste Randbedingung

Auch in diesem Gerät wird Luft mit Infrarotlicht bestrahlt. Etwa ein halber Liter Luft wird dazu je Minute aus fünf Schlauchöffnungen angesaugt, die sich an Masten in 7 und 27 Meter Höhe über dem Erdboden befinden. Bevor diese Luft in die Messkammer des Analysators gelangt, wird sie so stark gekühlt, dass sämtlicher Wasserdampf ausfriert. Wasser würde nämlich die Messungen verfälschen, weil es ebenso wie das CO2-Molekül Infrarotstrahlung absorbiert. Gefriergetrocknet fließt die Luft schließlich in die Messkammer und wird dort mit Infrarotlicht von einer Wellenlänge von 4,3 Mikrometer bestrahlt.

Das simuliert gleichsam den Treibhauseffekt, denn in diesem Frequenzband absorbiert Kohlendioxid besonders effektiv. Ein Detektor erfasst schließlich, wie stark die Intensität der Strahlung abgenommen hat, nachdem sie vom Kohlendioxid absorbiert wurde. Die Abnahme wiederum ist ein Maß für den Anteil von CO2 in der Luftprobe. Über mehrere Stunden gemittelte Werte fließen schließlich zur Datenverarbeitung in einen kleinen Computer. Obwohl es mittlerweile modernere Geräte gibt, bleiben die Techniker des amerikanischen Wetterdienstes Noaa der Anlage von Siemens treu, denn Kontinuität ist die wichtigste Randbedingung für solche Langzeitmessungen.

Das Klima der Vorzeit

Als Keeling seine Messungen am Mauna Loa begann, betrug der CO2-Gehalt der Luft 315 ppm. Inzwischen zeigen die Messinstrumente einen Wert von 381 ppm. Dieser 49 Jahre lange, ununterbrochene Datensatz ist inzwischen ohne Zweifel die wichtigste umwelttechnische Messreihe des 20. Jahrhunderts, denn sie zeigt den unaufhaltsamen Anstieg des Kohlendioxids und war überhaupt der Auslöser der Diskussion um den Klimawandel. Inzwischen wird der CO2-Gehalt der Luft an vielen Stellen der Welt überwacht, darunter auch in den Reinluftgebieten der Antarktis und Alaskas.

Während Messungen des gegenwärtigen Anteils von CO2 in der Luft technisch heute kein Problem sind, bereitet es Forschern ungleich mehr Schwierigkeiten, Informationen über das Klima der Vorzeit zu sammeln. Das Kohlendioxid aus vergangenen Zeiten hat sich nämlich nur in Luftblasen erhalten, die tief in den uralten Eisschilden in Grönland und der Antarktis verborgen sind. Um diese Luftblasen mit Gasanalysatoren zu untersuchen, muss das Eis in sogenannten Kernbohrungen beprobt werden.

Tiefster Einblick in die Vergangenheit

Wenn heutzutage in Gestein oder Eis gebohrt wird, kommen meist Bohrköpfe zum Einsatz, die aus drei oder mehr mit gehärtetem Stahl oder sogar Industriediamanten bestückten Rollenmeißeln bestehen. Sie zerspanen in der Bohrlochsohle das Gestein in sogenanntes Bohrklein, das dann mit einer Flüssigkeit oder mit Pressluft aus dem Bohrloch gespült wird. Bei diesem Verfahren würden die im Eis enthaltenen Luftblasen aber unweigerlich „platzen“ und das darin enthaltene Kohlendioxid entweichen. Deshalb wird mit Bohrkronen gebohrt, ähnlich wie sie der Heimwerker in seine Bohrmaschine spannt, wenn er eine Hohlwanddose in einer Wand installieren will. Anstatt Bohrklein spant eine Bohrkrone einen Zylinder aus, der zusammen mit dem Bohrgestänge ans Tageslicht befördert werden kann. So lange dort die Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts liegen, bleiben die zylindrischen Bohrkerne aus Eis intakt und können später in Tiefkühllaboratorien auf ihren CO2-Gehalt analysiert werden.

Den tiefsten Einblick in die Vergangenheit liefert inzwischen ein Eiskern, der in einem europäischen Gemeinschaftsprojekt (Epica) aus dem Inlandeisplateau des dem Indischen Ozean zugewandten Sektors der Ostantarktis erbohrt wurde. Weil am Dome Concordia bei etwa 75 Grad südlicher Breite die jährliche Schneefallrate geringer als in anderen Gegenden der Antarktis ist, sind die jährlich entstehenden Eisschichten verhältnismäßig dünn. Deshalb können am Dome Concordia ältere Eisschichten mit erheblich weniger Bohraufwand erreicht werden als anderswo im Südpolargebiet.

Riesige Tiefkühltruhe

Anhand dieses „Epica-Kerns“ lässt sich die Klimageschichte etwa 650 000 Jahre lang zuverlässig zurückverfolgen. In dieser Zeit ereigneten sich acht Eiszeiten mit den dazugehörigen Interglazialen, den Warmzeiten. Zwischen 650 000 und 440 000 Jahre vor heute überstieg die Konzentration an Kohlendioxyd selbst in den wärmsten Epochen nie den Wert von 250 ppm. In der jüngeren Erdgeschichte dagegen lag der Höchstwert innerhalb der Warmzeiten bei etwa 300 Teilen pro Million. Zu keiner Zeit innerhalb der vergangenen 650 000 Jahre war er aber höher als der gegenwärtige Betrag von mehr als 380 ppm.

Damit diese Eiskerne auch künftig zur wissenschaftlichen Untersuchung erhalten bleiben, werden sie in Tiefkühllagern aufbewahrt. Das Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven betreibt eine solche riesige Tiefkühltruhe, in der auf Metallregalen Kisten über Kisten, gefüllt mit in Folie eingeschweißten Eisstangen lagern. Die konstante Lagertemperatur von minus 23 Grad ist kälter als so mancher Sommertag in der Antarktis.