mini|Keeling-Kurve aus Messwerten der Kohlenstoffdioxid-Konzentration der Erdatmosphäre am Mauna Loa (Hawaii) seit 1958|399x399px
Die Keeling-Kurve ist die grafische Darstellung des mittleren Konzentrationsverlaufs des Spurengases Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Erdatmosphäre seit dem Jahr 1958 am hawaiianischen Mauna Loa und ist repräsentativ für den globalen Konzentrationsverlauf. Sie ist nach Charles David Keeling von der Scripps Institution of Oceanography benannt worden. Dieser konnte erstmals zeigen, dass die Konzentration des Treibhausgases durch Änderung der Landnutzung und Verbrennung fossiler Brennstoffe ansteigt. Die Kurve zeigt einen charakteristischen, schwankenden Jahresverlauf, der den Vegetationszyklus der Nordhemisphäre widerspiegelt. Im (Nord-)Frühling und Sommer überwiegt die pflanzliche Aufnahme von CO2, was sich in einem – abhängig vom Ort der Messung zeitverzögerten – Konzentrationsrückgang zeigt. Im Herbst und Winter gibt die Vegetation netto CO2 ab, es kommt zu einem Konzentrationsanstieg.
Die Keeling-Kurve nimmt in der Forschungsgeschichte des Klimawandels eine besondere Stellung ein, da sie als wichtiger Beleg für die – damals nur als Hypothese formulierte – menschlich verursachte globale Erwärmung galt. Aus den Messdaten sowie aus dem Kurvenverlauf konnten bedeutende wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen werden. 2015 wurde sie von der American Chemical Society durch die Ernennung zum National Historic Chemical Landmark geehrt.Scripps Institution of Oceanography (Hrsg.): American Chemical Society Honors Keeling Curve and NOAA Observatory. Pressemeldung vom 24. April 2015, abgerufen am 23. Februar 2020
Der Physiker und Umweltwissenschaftler Charles Kennel würdigte im Jahr 2005 Keelings wissenschaftliche Leistungen mit den Worten:
Vorgeschichte
Sowohl Guy Stewart Callendar (1938) wie auch Gilbert Plass (1956) stützten durch neue, exaktere Berechnungen die erstmals 1895 von Svante Arrhenius formulierte Theorie einer globalen Erwärmung durch einen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe resultierenden Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration. Es gab aber weder einen Beleg für einen Konzentrationsanstieg, noch kannte man seinerzeit den Anteil des in der Atmosphäre verbleibenden Kohlenstoffdioxids. Auch kannte man die Art und Geschwindigkeit nicht, mit der sich Ozeanwasser durchmischt.
Schon seit dem 19. Jahrhundert wurde immer wieder versucht, den atmosphärischen Kohlenstoffdioxidgehalt zu bestimmen,Dr. Max Pettenkofer: Ueber eine Methode, die Kohlensäure in der atmosphärischen Luft zu bestimmen. In: Journal für Praktische Chemie, 1862, 85, S. 165–184.M. J. Reiset: Recherches sur la proportion de l’acide carbonique dans l’air in Comptes Rendus 90, 1144-1150 (1880) jedoch variierten die Ergebnisse so stark, dass von der Mehrheit der Forscher angenommen wurde, eine genaue Messung sei nicht möglich. Noch 1954 versuchte eine Forschergruppe um Stig Fonselius, mit Hilfe von 16 in Skandinavien installierten Messstationen die atmosphärische CO2-Konzentration zu bestimmen. und Das Projekt wurde jedoch bald aufgegeben, da die Messergebnisse derart stark voneinander abwichen, dass darin keinerlei Systematik erkennbar war.Money for Keeling. American Institute of Physics Viele Wissenschaftler gingen somit davon aus, dass die CO2-Konzentrationen von Ort zu Ort stark variierten, eine „Hintergrundkonzentration“ nicht existierte und alle vom Menschen durch Verbrennung emittierten Gasmengen von den Weltmeeren absorbiert würden.
Der damalige Leiter des Scripps-Instituts, Roger Revelle, war ein Experte in der Chemie der Ozeane. Auch er wusste nicht, wie schnell und in welcher Menge vom Menschen zusätzlich eingebrachtes, atmosphärisches CO2 im Meer gelöst würde. American Institute of Physics In den 1950er Jahren wurde Revelle auf die Forschungsergebnisse von Hans E. Suess aufmerksam. Dieser versuchte, die Genauigkeit von Radiokarbondatierungen zu verbessern, und entdeckte dabei im Jahr 1955 den nach ihm benannten Suess-Effekt. Der Suess-Effekt war nur damit zu erklären, dass sich Kohlenstoffdioxid, das aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe stammte, in der Atmosphäre anreichert. Revelle sah in der Auswertung des Kernwaffen-Effekts eine Möglichkeit, den Anteil des von den Ozeanen aufgenommenen Kohlenstoffdioxids zu bestimmen, um auf diese Weise einen möglicherweise stattfindenden Konzentrationsanstieg des Treibhausgases zu ermitteln. Daneben wollte er damit neue Erkenntnisse über die Durchmischung der Ozeane gewinnen; die beiden arbeiteten fortan zusammen. Nach Auswertung der 14C-Messungen errechnete Revelle, dass sich von in die Atmosphäre eingebrachtem Kohlenstoffdioxid nur 20 % im Meer löst. Ein Konzentrationsanstieg in der Atmosphäre müsste sich also messtechnisch nachweisen lassen.
Als Post-Doktorand entwickelte und perfektionierte Charles Keeling ab 1953 Messanordnungen, mit denen er die CO2-Gleichgewichtskonzentrationen zwischen Atmosphäre, Kalkstein und Oberflächengewässern untersuchte.Scripps CO2 Program: The Early Keeling Curve. Er führte mit Hilfe von Flugzeugen, Wetterballons und Schiffen erste Messungen durch. In Pasadena fielen ihm die regional stark schwankenden Gaskonzentrationen auf; in einem Waldgebiet von Big Sur zeigte die atmosphärische CO2-Konzentration im Tagesgang starke Schwankungen. Die Luft enthielt nachts immer mehr CO2 als tagsüber, nachmittags jedoch stets ca. 310 ppm.
Im Gegensatz zur Gruppe um Fonselius postulierte Keeling aufgrund seiner gewonnenen Daten, dass die atmosphärische CO2-Konzentration weit abseits störender Quellen und Senken weitgehend konstant sein müsse. 1956 schlug er Harry Wexler vom US Weather Bureau (heute: National Weather Service) und Roger Revelle vom Scripps Institution of Oceanography ein globales Messprogramm vor. Da Revelle und Suess ebenfalls an genauen CO2-Messungen interessiert waren, bewarb sich das Scripps-Institut schließlich erfolgreich für das Internationale Geophysikalische Jahr 1957/58 mit dem groß angelegten Messprogramm, und Keeling wurde mit der Leitung des Projekts betraut.
Die Messungen 417x417px|mini|Das Mauna-Loa-Observatorium Mit der zusätzlichen finanziellen Unterstützung konnte Keeling vier Gasanalysatoren beschaffen, und er errichtete im Jahr 1958 auf dem auf Hawaii gelegenen Vulkan Mauna Loa die erste Messstation. Dort begann er im März 1958 mit systematischen Messungen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid. Die übrigen drei Gasanalysatoren platzierte er in der Antarktis, in Kalifornien und in seinem Labor. Mit letzterem Gerät wertete er an unterschiedlichen Orten gesammelte Proben aus, die z. B. mit Hilfe von Flugzeugen gewonnen wurden. Der erste, für die spätere Keeling-Kurve verwendete Messwert lag bei 313 ppm CO2.
Im Jahre 1948 von Kurt Buch (1881–1967) veröffentlichten Messungen zufolge lagen typische Konzentrationen des Treibhausgases zwischen (Arktis) und (Tropen). 2005.Geophysica, vol. 3, 1948, S. 63–79 Die von Keeling erstmals im Jahr 1962 publizierten Werte waren deutlich präziser. Er gab für die Arktis einen Bereich zwischen und für den äquatorialen Pazifik zwischen an. Bisherige Messungen hatten auf nasschemischen Verfahren basiert, während Keeling einen genauer messenden nichtdispersiven Infrarotsensor vom Uras-Typ verwendete und den störenden Einfluss wechselnder Feuchte eliminierte.Scripps CO2 Program: Keeling Curve Lessons Keeling reduzierte mit den IR-Messungen den Fehler von ±3 ppm auf zunächst ±1 ppm. Durch das Gerät von Applied Physics Corp. und/mit verbesserte Kalibrierung konnte der Fehler hinsichtlich der Kalibrierung auf 0,1 ppm gesenkt werden. Der Gesamtfehler beträgt danach 0,2 ppm.
Störungen der Messergebnisse Im Gegensatz zu dem kurz zuvor gescheiterten Projekt in Skandinavien wurden die Messstationen von Keeling fernab von störenden Kohlenstoffdioxid-Quellen platziert. So war die Messstation auf dem Mauna Loa in großer Höhe auf der windzugewandten Seite aufgestellt worden. Auch die Messstation in der Antarktis befand sich weit weg von CO2-Quellen und -Senken. Trotzdem wurden an allen Messorten von Beginn an die festgestellten Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen bisweilen durch Verunreinigungen verfälscht. Am Südpol war beispielsweise einmal ein Verbrennungsmotor ursächlich, der in der Nähe zur Messstation lief. Am Mauna Loa waren dies Ausgasungen des Vulkans, die in seltenen Fällen bis zur Messstation gelangen konnten. Die Störungen waren in den Aufzeichnungen jedoch stets deutlich erkennbar, denn sie waren nur von kurzer Dauer und hoher Amplitude, so dass diese Messwerte auf einfache Weise erkannt und verworfen werden konnten.
Neuere Entwicklung Neben der bis heute aktiven Station auf Hawaii betreibt das Scripps-Institut weitere Anlagen, u. a. in Alert (Nunavut) und Barrow (Alaska), außerdem am Trinidad Head Observatory in Kalifornien, auf der Insel Tutuila (Amerikanisch-Samoa) und am Südpol;Messstationen des Scripps-Instituts die NOAA nimmt an über 60 Messstationen zweimal pro Woche Proben. Seit 2009 wird die regionale Verteilung von Treibhausgaskonzentrationen auch aus dem All mit dem Satelliten GOSAT erfasst.Japan launches satellite to monitor greenhouse gases. Reuters.com, 23. Januar 2009; abgerufen am 23. Februar 2020.
Die Überwachung der Messreihe auf Hawaii, die der im Jahr 2005 verstorbene Charles Keeling begann, wurde von seinem Sohn Ralph F. Keeling übernommen, der ebenfalls Professor für Ozeanografie ist und die Messreihe um die des atmosphärischen Sauerstoffgehalts erweiterte.
Ergebnisse und Auswirkungen Keelings Messungen legten den Grundstein für weitere Messreihen anderer atmosphärischer Gase. Wissenschaftler wurden durch Keelings Erfolge angeregt, die Konzentrationsverläufe der Treibhausgase Methan und Distickstoffmonoxid zu bestimmen und Messungen der Ozon-Konzentration wurden initiiert. Dennoch war das Messprogramm immer wieder gefährdet und mehrfach sollten die kontinuierlichen Messungen eingestellt werden, da argumentiert wurde, dass stichprobenartige Messungen dieselben Ergebnisse wie kontinuierliche Messungen zeigen würden.
Frühe Ergebnisse mini|CO2-Anstieg und Spektren der Konzentrationsänderungen; die Fourieranalyse offenbart einen ausgeprägten Jahresgang (erste und zweite Kurve von oben); glättet man diesen Jahresgang, ist ein kontinuierlicher Anstieg erkennbar (3. und 4. Kurve von oben); Kurve 5: die Messdaten|362x362px
In den ersten Monaten seiner Messungen zweifelte Keeling, ob seine Theorie einer Hintergrundkonzentration korrekt sein könne, da die Werte für einige Monate anstiegen, um dann zu fallen. Da er jedoch nicht aufgab und die Messungen über mehrere Jahre laufen ließ, konnte er zeigen, dass die Schwankungen eine jährliche Periode aufwiesen, was er auf die jahreszeitlich wechselnde Wachstumsperiode der Vegetation zurückführte. Auf der Nordhalbkugel, mit ihrer größeren Landfläche, befinden sich erheblich mehr Pflanzen als auf der Südhalbkugel. Während des nördlichen Frühlings wird daher mehr CO2 aus der Atmosphäre gebunden als während des nördlichen Herbstes, wenn südlich des Äquators das stärkste Wachstum auftritt.
Nach wenigen Jahren war erkennbar, dass die Messwerte von Jahr zu Jahr auch ansteigen. Keeling konnte damit messtechnisch belegen, dass die atmosphärische Kohlenstoffdioxid-Konzentration von Jahr zu Jahr zunimmt und so die Theorie einer möglichen von Menschen verursachten globalen Klimaerwärmung von Svante Arrhenius stützen. Der gemessene Konzentrationsanstieg entsprach ziemlich genau dem durch Verbrennung fossiler Brennstoffe erwarteten Wert.