Die menschengemachte Masse – Darf‘s ein bisschen mehr sein?

 

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Ende des letzten Jahres gingen anlässlich des Erscheinens einer spannenden neuen Studie etliche Meldungen durch die Presse wie „Menschengemachtes Zeug überwiegt jetzt alles Leben auf der Erde“ (Scientific American), „Menschengemachte Materialien wiegen nun mehr als die gesamte Biomasse der Erde“ (The Guardian) oder „Von Menschen produzierte Masse übersteigt 2020 erstmals Biomasse“ (Bayerischer Rundfunk). Tatsächlich trug die neue, in der renommierten Wissenschaftszeitschrift Nature am 9.12.2020 erschienene Studie auch den Titel „Global human-made mass exceeds all living biomass“ (Elhacham et al. 2020).

Zwischenzeitlich wurde ich mehrfach darauf angesprochen, ob die Anthropocene Working Group (AWG) (und damit auch ich) nicht schon Ende 2016 mit ganz anderen, um Größenordnungen höheren Werten für die Masse der „Technosphäre“ aufwarteten und wie dazu diese neuen Studie passt. Solche Fragen, sowie die in meinen letzten Scilogs-Blogposts häufig verwendete Metabolismus-Metapher für den Vergleich von Biosphäre und Technosphäre, aber auch die Erstellung einiger neuer zahlenbasierter Grafiken für Vorlesungen, aktuelle Vorträge sowie ein in Vorbereitung befindliches Paper nehme ich zum Anlass, die verschiedenen Ansätze in diesem Beitrag näher zu vergleichen.

 

1. Menschengemachte Masse sensu Elhaham et al. (2020)

 

 

Die „human made mass“ von Elhacham et al. (2020) listet nur Materialien auf, die aktuell in Gebrauch sind. Die Haupteinheiten sind Beton (bestehend aus Zement und Betonaggregat, also Kies und Sand), sonstige Aggregate (v.a. Kies, Sand), Ziegel, Asphalt, Metalle und Rest (Abb. 1). Zum Rest (der in der Berechnung aber nur gut 2% der Gesamtmasse ausmacht) gehören insbesondere Glas, Plastik und Industrieholz (Rundholz als Maßgröße für verbaute Holzprodukte). Überall wurde nur gezählt, was derzeit in Gebrauch ist, also auch nicht der Plastikmüll, Industrieschutt, abgerissene Häuser, ausrangierte Geräte usw. Im Unterschied zu anderen Technosphären-Ansätzen wurde also nur „unbelebte“, „sichtbare“ und derzeit in Gebrauch befindliche Materialien berücksichtigt. Holzprodukte werden wegen ihres toten Charakters als einziges Produkt der Biosphäre mitberücksichtigt, Nutztiere und lebende Nutzpflanzen jedoch nicht. In einem Anhang werden alternativ auch weitere Berechnungen, etwa unter versuchsweise Einbeziehung von Nutztieren in menschlich veränderte Masse mit verücksichtigt, was aber wegen des geringen Anteils von Wirbeltieren an der Gesamtbiomasse eher vernachlässigbar ist.

 

2. Globale Biomasse sensu Elhacham et al. (2020) 

Die Zahlen zur Biomasse stammen aus einer ebenfalls bemerkenswerten Studie der eigenen Arbeitsgruppe (Bar-On et al. 2018). Allerdings wurden sie nun im Unterschied zur Arbeit von 2018, welche die Biomasse basierend auf dem Kohlenstoffgehalt berechnete (sog. energetische Biomasse) für das aktuelle Paper in trockene Biomasse umgerechnet. Dazu wurden sie mit einem Konversionsfaktor von 2,25 multipliziert. Zum weiteren Vergleich wurde z.T. auch die Feuchtbiomasse verwendet, wozu ein weiterer Konversionsfaktor dry/wet von eins zu zwei verwendet wurde (zur Berechnung siehe Elhacham et al. 2020). Eine weitere Änderung der Zahlen zur Originalarbeit (Bar-On et al 2018), basiert auf einer Kritik von Flemming & Wuertz (2019), deren Berechtigung überwiegend konzidiert wurde (Bar-On & Milo 2019). Abb. 2 zeigt die kohlenstoffbasierten Biomassezahlen von Bar-On et al. (2018) in dieser korrigierten Form.

Damit überschritt die „human made mass“ die trockene Biomasse der gesamten Biosphäre nach der Berechnung der Elhacham-Gruppe nun im Jahr 2020. Unter Zugrundelegung kohlenstoffbasierter Biomassezahlen betrüge das Biomassegewicht allen heutigen Lebens allerdings weniger als die Hälfte der in Gebrauch befindlichen Technikmasse, bei Zugrundelegung des Feuchtgewichts bereits das Doppelte (vgl. Abb. 4d).

 

3. Durch Berg- und Tiefbau anthropogen veränderte Lithosphärenmaterialien sensu Cooper et al. (2018)

Ganz andere Zahlen der menschengemachten Masse ergeben sich unter erweiterten jedoch konsequenten Annahmen, wie sie eine andere Arbeitsgruppe, zu der auch Mitglieder der AWG gehörten. im Jahr 2018 veröffentlichten (Cooper et al. 2018). Sie berücksichtigen folgende Grundkategorien:

1. Aufsummierte Masse produzierter und verwendeter Technomaterialien über den Zeitraum von 1925-2015;
2. Masse der zur Rohstoffgewinnung zusätzlich bewegten Materialien wie etwa überlagernde und im Tagebau großflächig abzuräumende Deckgesteine sowie beim Herauslösen der Ressourcen anfallendes, nicht weiter verwendbares Taubgestein. Dies wurde für folgende Mineralstoffe berücksichtigt: Bauxit, Arsen, Asbest, Baryt, Bentonit/Bleicherde, Brom, Cadmium, Chromerze, Diamant, Kieselgur, Feldspat, Flussspat, Graphit, Gips, Jod, Kaolin, Lithiummineralien, Magnesit, Manganerze, Quecksilber, Glimmer, Phosphatgesteine, Selte Erden-Mineralien, Salze, Sillimanit-Mineralien, Talk, Tantal- und Niobmineralien, Titan-Mineralien, Zirkon-Mineralien, Beryll, Borate, Nephelinsyenit, Pottasche, Perlit, Strontium-Mineralien, Vermiculit, Wollastonit, natürliches Natriumkarbonat und die Minenproduktion von Antimon, Wismut, Kobalt, Kupfer, Gold, Blei, Molybdän, Nickel, Platingruppenmetalle, Silber, Zinn, Wolfram, Uran, Vanadium und Zink, sowie Kohle (s.u.).
3. Berücksichtigung der beim Tiefbau, etwa für Tunnels, U-Bahn-Röhren, Tiefgaragen, Unterkellerungen, Fundierungen etc. abzutransportierenden Materialien.
4. Masse der zur Gewinnung, Transport, Produktion und Betrieb der technischen Produkte notwendigen fossilen Energieträger (nur Kohle), ohne gasförmige und flüssige Energieträger, also ohne Öl und Gas, hierzu siehe unten Abschnitt 5). 

Insbesondere die Hinzunahme des Abbaugewichts nicht weiter genutzter Materialien zu Erzen/Mineralien und zur Kohlegewinnung fällt gewaltig ins Gewicht. Abb. 3 zeigt einen Extremfall: die Goldgewinnung zur heutigen Zeit. Da frei herumliegende oder leicht aus Gewässern auswaschbare Goldnuggets schon längst eingesammelt sind, müssen heute zur Gewinnung von vier Gramm Gold – dem durchschnittlichen Goldanteil in einem Ehering – 4-12 Tonnen (Schnitt ca. 12 Tonnen)  Gestein abgebaut werden, aus denen 1-4 Tonnen (Schnitt ca. 2,5 Tonnen) goldhaltiges Erz selektiert werden können, welches dann weiter zerkleinert und mit giftigen Chemikalen wie Cyaniden oder Quecksilber sowie gewaltigen Wassermassen die Gewinnung von insgesamt 4 Gramm Gold ermöglichen (Cooper et al. 2018).

Cooper et al. (2018) summierten all diese Materialien (Kategorien 1-4) über einen Zeitraum von 1925-2015, also etwas mehr als der bisherigen Dauer des Anthropozäns. Hieraus ergab sich eine menschenveränderte Lithosphärenmasse von 7 Teratonnen über diesen Zeitraum (Abb. 4a, also etwa das siebenfache der von Elhacham et al. (2020) errechneten, derzeit in Produktnutzung befindlichen Masse (Abb. 4d). In ihrem Anhang verweisen Elhacham et al. (2020) kurz auf diese Arbeit und konzidieren, dass unter Berücksichtigung des zusätzlichen Abraumanteils das Gewicht der Technosphäre schon 1975 das der Biosphäre überschritten hätte (vgl. Cooper et al. 2018; Colin Waters, mündl. Mitteilung).

 

4. Das Gesamttechnosphärengewicht sensu Zalasiewicz et al. (2017)[1].

In dieser auch medial vielbeachteten Arbeit versuchten Mitglieder der AWG das Gesamtgewicht aller vom Menschen durch Kulturtechniken veränderten Naturmaterialien über den gesamten Menschheitszeitraum abzuschätzen. Dazu zählen die Autoren neben den oben bereits genannten Materialien auch Umwandlung von Natursedimenten durch Schleppnetzfischerei, landwirtschaftlicher Bodenveränderung (u.a. durch Pflügen, Setz- und Erntemaschinen sowie Düngerzugabe) und der Generierung anthropogener Sedimente (etwa Stauseesedimente durch Wasserregulierung). Da ebenfalls anthropogen veränderte Materie darstellend, wurden auch Nutztiere, Nutzpflanzen und vom Menschen gepflanzte „Plantagenwälder“ mitberücksichtigt, wobei nur Wälder wegen ihrer hohen Stamm-Biomasse einen detektierbaren Anteil an der Gesamtmasse ausmachen. Auch der gesamte unverrottbare Anteil ausgesonderter Materialien („Technikmüll“) ging in die Berechnungen mit ein[2]. Ziel war, dadurch das quantifizierbare und auch geologisch dokumentierbare Ausmaß der anthropogenen Eingriffe ins Erdsystem zu bewerten und ggf. auch zur Definition des Anthropozäns mitzuverwenden.

Naturgemäß sind aufgrund der unterschiedlichen Ansätze auch die quantitativen Berechnungsmethoden unterschiedlich.

• Für die derzeit in Gebrauch befindliche Abschätzung der Techomasse verwenden Elhacham et al. (2020) die Produktionszahlen ihrer sechs Grundkategorien ab 1900. Sie schätzen die davon noch in Gebrauch befindlichen Materialien in einer Art sozioökonomischen Lifecycle-Analyse ab (insb. unter Verwendung von Krausmann et al. 2017). Wieviele, insbesondere vor 1900 gebaute, aber noch in Nutzung befindliche Objekte, also insbesondere Gebäude damit unter den Tisch fielen, bleibt etwas unklar – die Autoren berücksichtigten dafür einen Gewicht von etwa 3% der damaligen globalen Biomasse, das wären in etwa  40 Gigatonnen.
• Cooper et al. (2018) verwenden neben Produktionsdaten insbesondere Daten zum bergmännischen Abbau (Zeitraum 1925-2015), wie sie von nationalen geologischen Diensten zusammengetragen werden.
• Zalasiewicz et al. (2017) versuchten, basierend auf archäologischen, historischen und städtebaulichen Studien, sowie Zusammenstellungen zu Landnutzungsänderungen sowohl die flächige Ausdehnung, als auch mittlere Dicken (geologisch „Mächtigkeiten“) für vom Menschen veränderte und resedimentierte Materialien abzuschätzen. Verändert meint sowohl „bewegt und wieder abgelagert“ als auch die Abschätzung einer mittleren Dicke des Schutts von theoretisch eingeebneten und resedimentierten Städten. Bei sehr alten Städten, etwa römischen Ursprungs, ist bereits jetzt ein mächtiger Baureliktuntergrund vorhanden, kaum eine dieser Städte zeichnet sich jedoch durch heutige mächtige Hochbauten ab. Im Unterschied dazu sind etwa US-amerikanische Städte jung, d.h. haben kaum Stadtmaterialien im Untergrund, sind dafür jedoch heute besonders von Hochhäusern geprägt. Gemittelten Resedimentationsmächtigkeiten – für Städte im Schnitt ca. 200 cm, für ländliche Siedlungen ca. 100 cm, für Ackerland ca. 15 cm usw. wurde deren flächige Ausdehnung (Stadtregionen ca. 3,7 Millionen km2) sowie mittlere Materialdichten – etwa basierend auf Untersuchungen von Bauschuttdeponien zugeordnet (ca. 1,5 g/cm2), um das Gewicht zu berechnen (näheres hierzu siehe hier und hier in diesem Blog).

Insgesamt ergibt sich aus diesem Proxy-Ansatz ein Gesamtgewicht der Technosphäre von etwa 30 Billionen Tonnen (Abb. 4c), also dem dreißigfachen des von Elhacham et al.(2020) unter anderen Annahmen berechneten Gewicht ihrer human made mass (Abb. 4d). Die Masse der Städte nimmt trotz ihres geringen Flächenanteils von ca. 2,5% der Landoberfläche fast 40% der Technosphärenmasse, nämlich 11,1 Tt ein. Zalasiewicz et al. (2017) weisen darauf hin, dass die 30 Billionen Tonnen vom Menschen bewegter und anderweitig veränderter Naturmaterie nur die Größenordnung der menschlichen Eingriffe angibt, sie sind eher konservativ gewählt, könnten dennoch ohne weiteres auch nur 25 Billionen, vielleicht aber auch 40 Billionen Tonnen betragen, zumal nur durchgängige flächige Anteile des Untergrunds stark menschenbeeinflusster Anthrome, aber keine nur als isolierte Komponenten auftretenden menschengemachten Partikel in Natursedimenten (etwa Plastikpartikel in den Ozeanböden) berücksichtigt wurden.

 

5. Nicht zu vergessen – die benötigte Energie

In zwei früheren Scilog-Beiträgen (hier und hier) habe ich bereits eine weitere aktuelle Arbeit der Anthropocene Working Group thematisiert, zum gigantischen Energieverbrauch der Menschheit vom Ende der letzten Eiszeit bis heute (Syvitski et al. 2021). Wir versuchten hierbei zusammenzutragen, was hierbei an Energieverbrauch zusammenkam. Der Energieverbrauch der frühholozänen Jagd- und beginnenden Agrargesellschaften durch menschliche Muskelkraft und Holzverfeuerung lässt sich auf 6,2 Gigajoule pro Kopf und Jahr abschätzen. Im mittleren Holozän kam die Muskelkraft von Transportnutztieren dazu, die Agrargesellschaften entwickelten sich langsam weiter, der Energieverbrauch stieg auf 7,1 GJ pro Kopf und Jahr. Im späten Holozän wurde zusätzlich Torf, später auch Kohle, Walöl, Wasserkraft und Erdöl genutzt. Die Agrargesellschaften entwickelten sich weiter, später gründeten sich Stadtstaaten, Nationen und imperiale Reiche. Der Energieverbrauch stieg im Schnitt auf 8,3 GJ, im vorindustriellen Zeitraum (ca 1670 – 1850) auf 18,4 GJ, in der Industrialisierung (1850-1950) auf 27,2 GJ pro Kopf und Jahr. Seit dem vorgeschlagenen Beginn des Anthropozäns um 1950 kamen Erdgas, Kernenergie und zu einem noch geringen Anteil auch weitere erneuerbare Energien dazu, der Energieverbrauch stieg auf 61 GJ pro Kopf und Jahr. Insgesamt verbrauchte die Menschheit im Zeitraum des Holozäns 14,6 Zettajoule an Energie, davon allein von 1670 -1950, also in 280 Jahren fast 8 Zettajoule. Seit 1950, also dem postulierten Beginn des Anthropozäns verbrauchte die Menschheit jedoch bereits die unvorstellbare Menge von 22 Zettajoule Energie – in den letzten 70 Jahren also fast das Eineinhalbfache dessen, was die Menschheit in den knapp 12.000 Jahren zuvor insgesamt verbraucht hatte (Abb. 5). Dabei stieg die Produktivität pro Kopf in letzter Zeit sogar noch an (Syvitski et al. 2020).

 

6. Fazit

Alle Berechnungsweisen haben ihre Berechtigung und ihre Vorteile und ergänzen sich gegenseitig (Abb 4, 5):

• So ist es beeindruckend zu sehen, dass die von uns geschaffenen „unbelebten“ Materialien und Produkte, die derzeit von uns verbaut und genutzt werden genausoviel wie die gesamte lebende Biosphäre wiegen.
• Kaum bedacht wird dabei, wieviel bergmännischen und tiefbaumäßigen Aufwand wir dazu betreiben und welche immensen Massen an Lithosphärenmaterialien dazu bewegt werden, um überhaupt an das zu gelagen, was wir dann tatsächlich nutzen wollen.
• Noch weniger bekannt ist, wieviel der Erdoberfläche wir dazu sehr stark insgesamt verändern und dadurch auch neue anthropogene Sedimentschichten, die der physischen Technosphäre schaffen.
• Die Energiezahlen unterstreichen, welchen extremen Energieaufwand wir inzwischen betreiben, um all diese Materialien zu gewinnen, zu verarbeiten und dann als Produkte zu nutzen.

Oder einfacher, und in Analogie mit der Biosphäre ausgedrückt:

• Das Verhältnis von gewonnener Materie zu tatsächlich genutzten Materialien könnte man als Futterverwertung („feed conversion ratio“) der Technik bezeichnen. Abschätzbar wäre diese ggf. mit 7:1. Zum Vergleich: bei Raubfischen wie dem Lachs beträgt das Futter zu Fleischproduktrate etwa 5:1, bei Rindern meist über 6:1, bei Insekten etwa 1-2:1.
• Die Gesamttechnosphäre zeigt an, welcher Anteil der natürlichen Litho- und Pedosphäre zu einer anthropogenen Sphäre, der Technosphäre umgewandelt wurde und wie ausgedehnt dieser Prozess ist. Dies kann mit der anthropogenen Landnutzung im biologischen Bereich verglichen werden.
• Aus all dem haben wir dann unsere kulturtechnischen Helfer erstellt, die uns das Leben nun so sehr erleichtern. Die dafür notwendige Energie zur Gewinnung der Ausgangsmaterialien, zur Erstellung der Gebäude, Maschinen und Geräte, sowie zu deren Betrieb bringen wir aber schon längst nicht mehr selbst mit unserer eigenen Muskelkraft oder der Muskelkraft von Nutztieren auf, sondern holen sie uns – in Form fossiler, endlicher Brennstoffe – ebenfalls aus der Lithosphäre.

Die Evolution und zunehmende Vielfalt der Biosphäre über Milliarden von Jahren ist also ein wunderbares Beispiel und Betriebsanleitung dafür, was alles möglich ist, wenn alle notwendigen Bausteine in einem Kreislaufsystem verbleiben und immer wieder genutzt werden und wenn die zum Wiederzusammenfügen notwendige Energie von der Sonne stammt. Warum lernen wir von diesem wunderbaren Lehrmeister nicht auch für unsere weitere kulturelle Evolution? 

Es bleibt zu hoffen, dass diese diese Zahlenbeispiele ein bisschen dazu beitragen mögen, besser zu verstehen, dass wir nicht nur Probleme (wie Überdüngung, Wasserverbrauch, Insektensterben, Teller-Tank-Konkurrenzen etc) bei nachwachsenden landwirtschaftlichen Ressourcen haben, sondern insbesondere auch bei nicht bei nachwachsenden Ressourcen, was aufgrund der gigantischen Eingriffe in die Natur und dem damit verbundenen Ausstoß von Treibhausgasen nicht weiter vernachlässigt werden darf.

Zitierte Literatur:

Bar-On, Y.M. & Milo, R. (2019): Towards a quantitative view of the global ubiquity of biofilms. Nature Reviews Microbiology, 17, 199-200, doi: 10.1038/s41579-019-0162-0

Cooper, A.H., Brown, T.J., Price, S.J., Ford, J.R. & Waters, C.N. (2018): Humans are the most significant global geomorphological driving force of the 21st century.-The Anthropocene Review 1– 8, doi:10.1177/2053019618800234

Elhacham, E., Ben-Uri, L, Grozovski, J., Bar-On, Y.M. & Milo, R. (2020): Global human-made mass exceeds all living biomass.- Nature, vol. 588, 442-444, doi: 10.1038/s41586-020-3010-5

Flemming, H.-C. & Wuertz, S. (2019): Bacteria and archaea on Earth and their abundance in biofilms. Nature Reviews Microbiology, 17, 247-260, doi:10.1038/s41579-019-0158-9

Krausmann, F. et al. Global socioeconomic material stocks rise 23-fold over the 20th century and require half of annual resource use. Proc. Natl Acad. Sci. USA 114, 1880–1885 (2017).

Leinfelder, R. (2021, im Druck): „Auch Maschinen haben Hunger“ – Biosphäre als Modell für die Technosphäre im Anthropozän (Arbeitstitel).- In: Sippl & Rauscher (eds) „Kulturelle Nachhaltigkeit lernen und lehren“, „Pädagogik für Niederösterreich“ , Innsbruck/Wien (StudienVerlag).

Syvitski, J., Colin N. Waters, John Day, John D. Milliman, Colin Summerhayes, Will Steffen, Jan Zalasiewicz, Alejandro Cearreta, Agnieszka Galuszka, Irka Hajdas, Martin J. Head, Reinhold Leinfelder, John R McNeill, Clement Poirier, Neil Rose, William Shotyk, Michael Wagreich & Mark Williams (2020): Extraordinary human energy consumption and resultant geological impacts beginning around 1950 CE initiated the proposed Anthropocene Epoch. Communications Earth & Environment, doi: 10.1038/s43247-020-00029-y, open access)

Zalasiewicz, J., Williams, M., Waters, C.N., Barnosky, A.D., Palmesino, J., Rönnskog, A.S., Edgeworth, M., Neil, C., Cearreta, A., Crutzen, E., Fairchild, I.J., Grinevald, J., Haff, P., Ivar do Sul, J.A., Jeandel, C., Leinfelder, R., McNeill, J.R., Odada, E., Oreskes, N., Price, S.J., Revkin, A., Steffen, W., Summerhayes, C., Vidas, D., Wing, S., & Wolfe, A.P. (2017 /online first Nov. 28, 2016): Scale and diversity of the physical technosphere: A geological perspective. The Anthropocene Review, 4 (1), 9-22 doi:10.1177/2053019616677743

Fußnoten:

[1] Hinweis: Diese Arbeit erschien online first bereits Ende 2016, so dass sie öfters auch unter diesem Erscheinungsdatum zitiert wird, so auch in Anthropozäniker-Blogbeiträgen, die direkt anlässlich des Erscheinens hier gepostet wurden. Die gedruckte Version erschien dann Anfang 2017, was laut Verlag auch das formelle Erscheinungsdatum darstellt, weswegen sie nun als Zalasiewicz et al. (2017) aufgeführt ist.

[2] Zur Definitition, aus Zalasiewicz et al. 2017 (übersetzt) „… physische Technosphäre, hier definiert als die Summe des materiellen Outputs des zeitgenössischen menschlichen Unternehmens. Sie umfasst aktive urbane, landwirtschaftliche und marine Komponenten, die zur Aufrechterhaltung des Energie- und Materialflusses für das gegenwärtige menschliche Leben verwendet werden, sowie eine wachsende Schicht von Rückständen, welche derzeit nur zu einem kleinen Teil wieder in den aktiv genutzen Teil zurückgeführt wird.“

Version 0: 1st Draft vom 14.3.2021, 22:30 Uhr, Version 1 vom 15.3.2021, 11:15; 
Version 2: kleine Änderungen am 7.6.2021

27. Sep 2021: upload of english version (pdf); cite as: Leinfelder, R. (2021): The human made mass – “Would you like a little more?”. Der Anthropozäniker, 9 pp, http://reinhold-leinfelder.de/pdfs/humanmade.pdf  Also deposited under: https://www.researchgate.net/publication/354866369_The_human-made_mass_-Would_you_like_a_little_more