Anthropogene und natürliche Methan-Emissionen — Ein vergleichender Überblick

Kurven, die gleichmäßig nach oben zeigen, sind in der Klimaforschung fast schon Gewohnheit. Die Kurve des Methans gehört nicht dazu. Sie steigt zwar, aber sie tut es launisch: mit Pausen, Rucken und Sprüngen, für die es bis heute keine allgemein akzeptierte Erklärung gibt. Genau darin liegt der Reiz dieses Gases — und das Problem.

Methan ist nach Kohlendioxid das zweitwichtigste vom Menschen verursachte Treibhausgas, und seine Menge in der Atmosphäre hat sich seit 1850 mehr als verdoppelt. Anders als beim stetig kletternden CO2 verlief dieser Anstieg jedoch in Schüben. Die Messreihen des Beobachtungsnetzes der NOAA zeigen eine Phase der Stabilisierung in den frühen 2000er-Jahren, ein erneutes Wachstum nach 2007 und seit 2014 eine Beschleunigung: Zwischen 2014 und 2018 nahm die Konzentration im Mittel um 0,50 Prozent pro Jahr zu, zwischen 2007 und 2013 waren es 0,32 Prozent.

Den vorläufigen Höhepunkt markieren zwei Jahre. Die von der NOAA gemeldeten Wachstumsraten für 2020 (15,19 ppb) und 2021 (18,12 ppb) übertreffen alle Werte, seit die systematischen Messungen 1983 begannen. Ppb steht dabei für „parts per billion“, also Milliardstel-Anteile in der Luft.

Woher dieser Schub kommt, ist umstritten, und zwar heftig. Die vorgeschlagenen Erklärungen für Stillstand wie Wiederanstieg reichen von tropischen Feuchtgebieten über Viehhaltung, fossile Brennstoffe und Biomasseverbrennung bis zu Veränderungen der Methansenke, also des Abbaus des Gases in der Atmosphäre. Für den Sprung von 2020 machen manche Studien einen Rückgang des Hydroxylradikals OH verantwortlich — jenes Molekül, das Methan in der Luft zerstört; es sei infolge pandemiebedingter Industriestilllegungen und der damit gesunkenen Stickoxidmengen seltener geworden. Widersprüchlich bleiben die Hypothesen vor allem deshalb, weil das heutige Beobachtungsnetz die Methanschwankungen nicht eindeutig einzelnen Quellen zuordnen kann.

Dieser Streit ist kein Randthema, er strukturiert die gesamte Forschung. Hält man das erneute Wachstum für den Ausreißer, sucht man nach einer Quelle, die 2007 zu sprudeln begann. Hält man dagegen die Ruhephase von 2000 bis 2007 für die Anomalie, sucht man nach dem, was damals die Quellen bremste oder die Senke stärkte. Beide Sichtweisen führen zu ganz unterschiedlichen Forschungsschwerpunkten — und damit zu unterschiedlichen Antworten auf die Frage, wie viel Methan woher stammt.

Wer wissen will, wie viel Methan der Mensch in die Luft bringt und wie viel die Natur beisteuert, braucht zuerst eine Buchhaltung. Klimaforscher führen sie tatsächlich wie ein Haushaltsbuch: Auf der einen Seite stehen alle Quellen, die Methan an die Atmosphäre abgeben, auf der anderen alle Senken, die es wieder herausholen. Was zwischen beiden Seiten nicht aufgeht, sammelt sich in der Luft an. Diese Bilanz heißt globales Methanbudget, und sie ist der Rahmen, in den sich jede Einzelzahl der folgenden Kapitel einfügen muss.

Die maßgebliche Aufstellung für das Jahrzehnt von 2008 bis 2017 nennt eine Gesamtsumme von 576 Teragramm Methan pro Jahr. Teragramm, abgekürzt Tg, ist die übliche Einheit solcher Bilanzen; ein Teragramm entspricht einer Million Tonnen, 576 Tg sind also rund 576 Millionen Tonnen. Die beteiligten Modelle spannen dabei einen Bereich von 550 bis 594 Teragramm auf.

Interessant wird die Summe erst, wenn man sie teilt. Von den 576 Teragramm entfallen 359 Teragramm pro Jahr auf anthropogene Quellen, also auf Emissionen, die unmittelbar auf menschliches Handeln zurückgehen. Das sind etwa 60 Prozent des Gesamtausstoßes; die übrigen rund 40 Prozent stammen aus natürlichen Quellen. Eine andere Auswertung derselben Jahre kommt zum gleichen Bild: knapp 60 Prozent menschengemacht, gut 40 Prozent Natur. Der Mensch stellt also etwas mehr als die Hälfte, aber eben nur etwas mehr — beide Hälften der Bilanz sind ähnlich gewichtig.

Auf der Abflussseite dominiert ein einziger Vorgang: In der unteren Atmosphäre reagiert Methan mit dem Hydroxyl-Radikal OH. Diese Reaktion entfernt jedes Jahr 520 bis 600 Teragramm Methan aus der Luft und macht rund 90 Prozent der gesamten Methansenke aus; Abbau in der Stratosphäre und Aufnahme durch Böden spielen daneben eine kleine Rolle.

Woher die Zahlen kommen, ist für ihr Verständnis wichtig. Zwei Wege führen zu ihnen: Bottom-up rechnet einzelne Punktmessungen auf die Welt hoch, Top-down nutzt Satelliten- und Befliegungsmessungen der Luft und ordnet das Gemessene möglichen Quellen zu. Die 576 Teragramm stammen aus dem zweiten Weg, aus sogenannten atmosphärischen Inversionen. Dass dieser Rahmen trägt, zeigt eine neuere Auswertung mit dem Satelliteninstrument TROPOMI: Sie beziffert die weltweiten Emissionen für das Jahr 2024 auf 575 Teragramm — praktisch derselbe Wert. Gewachsen ist das Budget dennoch: Das Jahrzehnt 2008 bis 2017 liegt im Mittel 29 Teragramm pro Jahr über dem vorangegangenen Jahrzehnt 2000 bis 2009.

Die Hälfte des Budgets, die auch ohne Menschen entstünde, ist kein gleichmäßig verteiltes Sammelsurium. Sie hat eine klare Hauptquelle und daneben Posten, die zwar unstrittig existieren, deren Größe sich aber nur grob eingrenzen lässt. Wer sie neben die menschliche Hälfte legen will, muss zweierlei im Blick behalten: die Mengen und die Güte ihrer Vermessung.

Ganz oben stehen die Feuchtgebiete — Sümpfe, Moore, Mangrovenwälder und überschwemmte Flächen, in denen Mikroorganismen organisches Material unter Luftabschluss zersetzen und dabei Methan bilden. Sie gelten mit 40 Prozent als größte natürliche Methanquelle. Für 2008 bis 2017 kommen die beiden Rechenwege des Budgets auf 181 Millionen Tonnen Methan pro Jahr, von der Atmosphäre zurückgerechnet, und auf 149 Millionen Tonnen, aus Einzelquellen aufsummiert — Werte, die sich statistisch nicht widersprechen. Im Erdsystemmodell des Max-Planck-Instituts für Meteorologie entfallen rund 90 Prozent aller natürlichen Nettoemissionen auf Feuchtgebiete, wobei tropische mehr als doppelt so viel abgeben wie jene in hohen Breiten.

Oft werden Feuchtgebiete gemeinsam mit Flüssen und Seen geführt; zusammen entweichen aus ihnen etwa 210 Millionen Tonnen pro Jahr, ein Drittel der Gesamtemissionen. Genau hier sitzt die größte Schwachstelle: Die natürlichen Quellen, besonders Feuchtgebiete und übrige Binnengewässer, sind der wichtigste Unsicherheitsposten des Budgets. Wie sehr die Abgrenzung wackelt, zeigt eine Korrektur: Weil Feuchtgebiete und offene Gewässer sauberer getrennt wurden, fiel die Feuchtgebietsschätzung um 35 Millionen Tonnen pro Jahr niedriger aus als zuvor, die für geologische Quellen um 7 Millionen Tonnen. Innerhalb der Binnengewässer entfallen grob 70 Prozent auf Seen und Teiche, 17 Prozent auf Flüsse und Bäche und 13 Prozent auf Stauseen und geflutetes Land.

Beim Permafrost — Boden, Sediment oder Gestein, das mindestens zwei Jahre in Folge null Grad oder kälter bleibt — gehen die Angaben auseinander. Unstrittig ist die Fläche: Auf der Nordhalbkugel bedeckt er rund 14 Millionen Quadratkilometer oder 15 Prozent der freien Landoberfläche. Wie viel Kohlenstoff darin lagert, beziffern die Quellen dagegen sehr unterschiedlich: Für die arktischen Permafrostböden werden über 1000 Gigatonnen genannt, für die gesamte nördliche Hemisphäre bis zu rund 15.000 Gigatonnen organischen Kohlenstoffs. Diese Zahlen lassen sich nicht zu einem Wert verrechnen; einig sind die Schätzungen allein darin, dass der Vorrat gewaltig ist. In der Luft angekommen ist er bislang nicht: Die Emissionen der nördlichen Permafrostregionen zeigen gegenwärtig keine eindeutige Zunahme, und atmosphärische Messungen belegen für die letzten 30 Jahre keine Methantrends.

Natürlich heißt in dieser Buchhaltung nicht unberührt. Als natürlich gelten Emissionen vorlandwirtschaftlichen Ursprungs, selbst wenn der menschengemachte Klimawandel sie stört. Und er stört sie: Zwischen 2007 und 2021 hat er die jährlichen Emissionen aus Feuchtgebieten um 8 bis 10 Millionen Tonnen erhöht.

Die andere Hälfte des Budgets ist die, die wir selbst verursachen. Sie zerfällt in wenige große Blöcke — und anders als bei den natürlichen Quellen liegt die Schwierigkeit hier seltener im Verständnis der Prozesse als in der Qualität der Zahlen: Zwei Posten sind gut vermessen, die übrigen erscheinen bislang nur als grobe Summen.

Am besten beziffert ist das Vieh. Wiederkäuer wie Rinder, Büffel, Schafe, Ziegen und Kamele erzeugen Methan als Nebenprodukt der anaeroben mikrobiellen Zersetzung in ihrem Verdauungstrakt — das ist die enterische Fermentation. Im Pansen, bei konstant rund 39 Grad Celsius, bauen methanbildende Archaeen die Pflanzenkost ab; etwa 87 Prozent des Gases entweichen wieder über das Maul. Rinder tragen wegen ihrer großen Zahl und Körpergröße den Löwenanteil bei; weltweit gab es 2017 rund 1,5 Milliarden von ihnen. Dazu kommt die Gülle: In Lagunen, Teichen oder Gruben zersetzt sie sich unter Luftabschluss und setzt Methan frei, während fest gelagerter Mist kaum welches produziert. Für die Jahre 2008 bis 2017 kommen enterische Fermentation und Güllewirtschaft zusammen auf 111 Millionen Tonnen Methan pro Jahr — etwa ein Drittel aller menschengemachten Emissionen.

Der zweite gut vermessene Block ist die fossile Kette. Ebenfalls rund ein Drittel der anthropogenen Emissionen entweicht bei Förderung und Transport von Kohle, Öl und Gas, überwiegend durch gezieltes Ablassen — das sogenannte Venting — und durch Lecks an aktiver Infrastruktur wie an verwaisten Bohrlöchern. Auf den Kohleabbau allein entfiel im vergangenen Jahrzehnt schätzungsweise ein Drittel der fossilen Methanemissionen. Wie groß der Block insgesamt ist, hängt jedoch von der Methode ab: aus der Atmosphäre zurückgerechnet ergeben sich 111 Millionen Tonnen pro Jahr für die fossile Kette, aus Inventaren aufsummiert 128.

Danach wird das Bild grob. Der größte Teil des Reises wächst in gefluteten Feldern — funktional künstliche Feuchtgebiete, in denen unter Luftabschluss dieselben Fäulnisprozesse ablaufen; nicht geflutete Hochlandfelder sind kaum eine Quelle. Reis, Deponien und Abfall stecken in der Buchhaltung aber meist in einer einzigen Sammelposition: Landwirtschaft und Abfall zusammen ergeben für 2008 bis 2017 rund 206 Millionen Tonnen pro Jahr, 56 Prozent aller anthropogenen Emissionen. Die Einzelposten darin sind nur als Blockschätzungen mit weiten Spannen bekannt. Noch dünner ist die Lage bei der Verbrennung von Biomasse und Biobrennstoffen: Sie stützt sich auf sehr wenige Schätzungen, und die Autoren des globalen Budgets halten die Datenbasis ausdrücklich für zu schmal, um die Unsicherheit sauber zu beziffern.

Die menschliche Hälfte steht damit auf zwei festen Beinen und drei ungefähren.

Die Zahlen der letzten Abschnitte wirken präzise. Doch niemand hat je das Methan der Welt gewogen: Jede von ihnen ist ein Rechenergebnis, dessen Belastbarkeit am Weg hängt, auf dem es entstand. Zwei solche Wege gibt es — und sie kommen nicht zur selben Summe.

Der erste heißt Bottom-up, von unten nach oben: Aus Inventaren und Prozessmodellen wird hochgerechnet, wie viel jede Quellenart ausstoßen müsste. Sein Schwachpunkt: Kein Messwert aus der Luft deckelt die Gesamtsumme. Der zweite Weg, Top-down, geht umgekehrt vor: Aus dem gemessenen Methangehalt der Atmosphäre rechnen Transportmodelle zurück, welche Emissionen ihn erzeugt haben müssen. Dieses Rückrechnen nennt man Inversion. Auch es gilt als schlecht gestelltes Problem, denn sehr verschiedene Verteilungen von Quellen am Boden können dieselben Messwerte in der Luft gleich gut erklären.

Der Abstand ist beträchtlich. Für 2008–2017 kommt der Bottom-up-Weg auf 737 Millionen Tonnen pro Jahr und damit fast 30 Prozent mehr als die 576 Millionen Tonnen der Inversionen; die beiden Spannen überlappen sich nicht einmal. Die Lücke sitzt bei den natürlichen Quellen: 371 Millionen Tonnen von unten gegen 218 von oben. Am größten wird sie bei allem, was kein Feuchtgebiet ist — Binnengewässer, geologische Quellen, Termiten, Ozeane, Permafrost —, wo 222 Millionen Tonnen bottom-up nur 37 top-down gegenüberstehen. Die menschengemachte Summe dagegen deckt sich: 359 gegenüber 366 Millionen Tonnen.

Als dritter Zeuge treten Isotope auf. Methan mit schwererem Kohlenstoff oder Wasserstoff verhält sich anders als gewöhnliches; jede Quellenart hinterlässt ein charakteristisches Mischungsverhältnis, ihre Isotopensignatur. Nur überlappen die Signaturen fossiler und nichtfossiler Quellen stark, auch weil über 20 Prozent der Erdgasreserven mikrobiell entstanden sind. Wie sehr das durchschlägt, zeigt eine Inversion, die die Signaturen einmal als exakt bekannt annahm: Die fossilen Emissionen stiegen um 24 Prozent, die der Feuchtgebiete sanken um 14 Prozent. Eine andere Untersuchung legt nahe, dass der bei Förderung und Nutzung von Erdgas, Erdöl und Kohle entstehende Anteil um 25 bis 40 Prozent unterschätzt worden sein könnte.

Bleibt die Senke. Abgebaut wird Methan vor allem vom Hydroxyl-Radikal OH, einem extrem kurzlebigen Molekül der unteren Atmosphäre. Gerade das macht seine weltweite Konzentration schwer bestimmbar, und die Modelle sagen dafür sehr unterschiedliche Werte voraus. Eingegrenzt wird seine Schwankung bislang praktisch nur über Methylchloroform-Messungen mit unsicheren Emissionsschätzungen. Ohne belastbare Grenzen für OH erlaubt das Bodenmessnetz keine eindeutige Zuordnung der Trends — zumal der Anstieg nach 2007 einem Ungleichgewicht zwischen Quellen und Senke von nur drei Prozent entspricht.

Die Bilanz ist damit kein Ablesen, sondern ein Abgleich von Modellen: Die Summe der natürlichen Quellen steht aus Sicht der Inversionen fester als ihre Aufteilung auf die einzelnen Posten.

Nach so viel Unschärfe bei der Zuordnung der Emissionen lohnt der Blick auf das, was unstrittig ist. Wer wie viel ausstößt, ist die eine Hälfte der Frage. Die andere ist, was ein Kilogramm dieses Gases in der Atmosphäre überhaupt anrichtet — und hier ist die Beweislage vergleichsweise fest.

Methan verschwindet verhältnismäßig schnell wieder. Seine Verweilzeit — die Zeit, die ein Molekül im Mittel in der Luft bleibt, bevor es chemisch abgebaut wird — liegt bei rund neun Jahren. Kohlendioxid dagegen bleibt nach Einschätzung des Weltklimarats mehrere hundert Jahre wirksam. Methan prägt das Klimageschehen deshalb vor allem auf kurzen Zeitskalen, Kohlendioxid auf langen.

Kurzlebig heißt aber nicht harmlos. Um Gase vergleichbar zu machen, nutzt die Klimaforschung das Treibhauspotenzial, kurz GWP: Es gibt an, wie viel Wärme dieselbe Masse eines Gases über einen festgelegten Zeitraum zusätzlich zurückhält, gemessen in Vielfachen von Kohlendioxid. Genau dieser Zeitraum entscheidet über die Zahl. Über 20 Jahre gerechnet wirkt Methan etwa 84-mal so stark wie CO2, über 100 Jahre nur noch rund 28-mal — dieselbe Masse, eine ganz andere Größe. Der Grund ist die kurze Verweilzeit: Auf dem längeren Horizont ist der größte Teil der Wirkung längst abgeklungen und verteilt sich rechnerisch über die vollen hundert Jahre. Andere Auswertungen liegen in derselben Größenordnung; für den 100-Jahre-Horizont nennt der Weltklimarat eine 28- bis 34-fache Wirkung. Weil aber sehr viel weniger Methan in der Luft ist, ist es am bisherigen Klimawandel mit etwa 16 Prozent beteiligt, Kohlendioxid mit 66 Prozent.

Aus der Kurzlebigkeit folgt der eigentliche Hebel. Sinken die Emissionen, geht auch die Konzentration binnen weniger Jahrzehnte zurück und mit ihr der wärmende Effekt in der Strahlungsbilanz. Methanminderung gilt deshalb als wirksame Option, um kurzfristig etwas am Klima zu bewegen.

Politisch ist das angekommen. Auf der Weltklimakonferenz COP27 im ägyptischen Sharm El-Sheikh unterzeichneten 2022 mehr als 150 Staaten ein Methan-Abkommen, das die Emissionen zwischen 2020 und 2030 um 30 Prozent senken soll. Als kostengünstig gelten dabei längst erprobte Techniken: das Aufspüren und Abdichten von Lecks, besseres Güllemanagement und das Auffangen von Deponiegas. Allein bei Öl und Gas ließen sich die Methanemissionen nach Schätzung der Internationalen Energieagentur um 40 bis 50 Prozent zu netto null Kosten senken.

Ob daraus tatsächlich sinkende Kurven werden, ist offen. Sicher ist nur das eine: Bei kaum einem anderen Treibhausgas zahlt sich eine Anstrengung so schnell aus.