Klima und Treibhauseffekt

Klima wird beschrieben durch den mittleren Zustand, charakteristische Extremwerte und Häufigkeitsverteilungen meteorologischer Größen wie zum Beispiel Luftdruck, Wind, Temperatur, Bewölkung und Niederschlag, bezogen auf einen längeren Zeitraum und ein größeres Gebiet.

Aus dem Urlaub wissen die meisten Menschen, dass das Klima räumlich variiert. Dass sich das Klima aber auch im Laufe der Zeit ändert, zeigte besonders deutlich das Ende der letzten Eiszeit, die große Teile des heutigen Deutschlands unter einem Eispanzer verborgen hatte. Aus der paläoklimatologischen Forschung (also der Untersuchung vergangener Klimaentwicklungen) sind Schwankungen der globalen Mitteltemperatur in den letzten 3 Millionen Jahren zwischen 8 °C und 16 °C bekannt. Vereinfacht lassen sich folgende Ursachen dafür anführen:

• Veränderungen geoastrophysikalischer Parameter (zum Beispiel Solarkonstante, Erdbahnparameter)
• Veränderungen der Erdoberfläche (zum Beispiel Änderungen der Landnutzung) und
• Änderungen des Stoffhaushaltes der Atmosphäre (zum Beispiel der Gehalt an Treibhausgasen und kleinen, schwebenden Teilchen, den Aerosolen).

Mit Ausnahme der Variation geoastrophysikalischer Parameter können die Veränderungen sowohl natürliche (zum Beispiel Vulkanismus) als auch anthropogene (= durch den Menschen erzeugte) Ursachen haben.

Bis zum Beginn der Industrialisierung waren die Auswirkungen menschlicher Eingriffe lokal oder regional begrenzt. Seit der Industrialisierung werden jedoch deutliche überregionale und globale Änderungen im Stoffhaushalt der Atmosphäre als Folge menschlichen Wirkens beobachtet. Ausdruck dafür ist der Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen, die seit 1750 in der gesamten Atmosphäre zunehmen. So stiegen die Konzentrationen von Kohlendioxid (CO2) bis zum Jahr 2019 um über 48 Prozent, die des Methans (CH4) um 160 Prozent und die des Distickstoffmonoxids (N2O) um 23 Prozent weltweit gegenüber den Werten vorindustrieller Zeiten an (WMO 2020). Die Gründe hierfür sind vielfältig. Sie liegen im starken Anstieg der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas ebenso wie in der Ausweitung der industriellen Produktion, in Änderungen bei der Landnutzung oder in der Ausweitung der Viehwirtschaft. Auch völlig neue Stoffe wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW),  Halone, vollfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW), teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (H-FKW), und Schwefelhexafluorid (SF6), die fast ausschließlich nur durch den Menschen erzeugt werden, gelangen in die Atmosphäre.

Alle diese Stoffe und Gase, zu denen auch Wasserdampf und Ozon gehören, haben eine besondere Eigenschaft: Sie lassen die von der Sonne (vor allem im sichtbaren und kurzwelligen Bereich) auf die Erde gelangende, energiereiche Strahlung relativ ungehindert passieren, absorbieren teilweise aber die im Gegenzug von der erwärmten Erdoberfläche , entsprechend ihrer Temperatur, abgegebene langwellige Strahlung. Hierdurch werden die Moleküle dieser Gase in einen energetisch angeregten Zustand versetzt, um nach kurzer Zeit unter Emission (Aussendung) infraroter Strahlung wieder in den ursprünglichen Grundzustand zurückzukehren. Diese Emission von Wärmestrahlung erfolgt in alle Raumrichtungen gleichermaßen, das heißt zu einem erheblichen Anteil auch zurück zur Erdoberfläche ("thermische Gegenstrahlung"). Bis diese so zurück gehaltene Wärmeenergie wieder abgestrahlt wird und sich dadurch wieder ein ausgeglichener Strahlungshaushalt zwischen Erde und umgebendem Weltraum einstellt (und damit ein stabiles Klima), erwärmt sich die Erdoberfläche. Dies ist, kurz und vereinfacht gesagt, die Natur des Treibhauseffektes, der auch mit einer teilweise wärmeisolierenden Decke verglichen werden kann, die im Laufe der Zeit dicker wird. Die dabei beteiligten Gase werden allgemein als "Treibhausgase" bezeichnet (obwohl in einem Garten-Treibhaus aus Fensterglas andere Effekte eine viel größere Rolle spielen).

Die Wirkung des Treibhauseffektes ist erheblich. Ohne die natürlicherweise vorkommenden Treibhausgase (insbesondere Wasserdampf) wäre ein Leben auf unserem Planeten gar nicht möglich. Statt der jetzt herrschenden globalen, bodennahen Mitteltemperatur von knapp 15 Grad Celsius, hätten wir ohne natürlichen Treibhauseffekt eine mittlere Temperatur von etwa -18 Grad Celsius und die Erde wäre vereist. Der natürliche Treibhauseffekt sichert also unser irdisches Leben.

Durch die Zunahme der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre kommt es zu einem zusätzlichen Treibhauseffekt und zu einem Anstieg der bodennahen Lufttemperatur. Der natürliche Treibhauseffekt ist also lebensnotwendig - seine Verstärkung durch menschlichen Eingriff ist aber mit großen Gefahren verbunden. Jede Veränderung eines Klimafaktors (hier der Zusammensetzung der Atmosphäre) kann über vielseitige Wechselwirkungen zu weit reichenden und raschen Änderungen im gesamten Klimasystem führen. Da die Ökosysteme und auch unsere Zivilisation an die bisherigen Klimabedingungen angepasst sind, führen solche Änderungen zu bedrohlichen Folgen.

Welche Auswirkung die Zunahme der atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen auf das Klima hat, ist im Detail nicht ganz einfach zu beantworten. Da es keine einfachen Ursache-Wirkungsketten im Klimasystem gibt, hat die Änderung eines Parameters (zum Beispiel der Strahlung) die Änderung vieler anderer Parameter (zum Beispiel Temperatur, Luftdruck, Verdunstung, Bewölkung) zur Folge. Darüber hinaus kommt es auch noch zu positiven und negativen Rückkopplungen (Verstärkungen und Abschwächungen der Wirkungen von Prozessen). Deshalb ist es notwendig, umfangreiche, numerische Klimamodelle einzusetzen und mit Hilfe hochleistungsfähiger Super-Computer mögliche künftige Klimaänderungen zu berechnen.

Wissenschaftliche Erkenntnisse im Zusammenhang mit der Natur des Treibhauseffektes gibt es schon recht lange.

Bereits 1824 erläuterte Jean-Baptiste Fourier, wie Spurengase in der Atmosphäre das Klima erwärmen. Mitte der 1850er Jahre konnte die amerikanische Wissenschaftlerin Eunice Foote in ihren Experimenten nachweisen, dass Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid Wärmestrahlung viel stärker aufnehmen als normale Luft. Sie schlussfolgerte, dass diese Gase zu einer Erwärmung der Erdatmosphäre führen. Der irische Physiker John Tyndall kam in seinen detaillierteren Studien drei Jahre später zu dem gleichen Ergebnis. Im Jahre 1896 berechnete der schwedische Nobelpreisträger Svante Arrhenius erstmals, dass eine Verdopplung des Kohlendioxidgehaltes der Atmosphäre zu einer Temperaturerhöhung um vier bis sechs Grad Celsius führen würde. 1933 beschrieb der amerikanische Meteorologe Kincer in der Zeitschrift Monthly Weather Review ungewöhnliche Erwärmungstrends. Der britische Ingenieur Callendar vermutete, dass diese Trends mit einer erhöhten Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre in Verbindung stünden (Callendar 1938).

In Deutschland gehörte der Meteorologe Hermann Flohn zu den Pionieren dieses Forschungszweiges. Er diskutierte schon 1941 die globale Klimawirkung von durch den Menschen verursachten erhöhten CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre (Flohn 1941).

Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts gab es jedoch noch keinen Beleg dafür, dass die CO2-Konzentration in der Atmosphäre wirklich steigt. Diese Feststellung gelang den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern erst während des internationalen geophysikalischen Jahres 1957/1958 (siehe Rahmstorf, Schellnhuber 2007). 1958 initiierte der Chemiker Charles Keeling den Beginn der kontinuierlichen Messungen der atmosphärischen CO2-Konzentration auf dem Mauna Loa (Hawaii), die bis in die Gegenwart fortgeführt werden.

Bereits 1965 warnte der wissenschaftliche Beirat des Präsidenten der USA vor einer möglichen, vom Menschen verursachten Klimaänderung und deren möglichen, bedeutenden Folgen (siehe Agrawala 1998).

1979 fand die erste Weltklimakonferenz statt, der in den Jahren 1980, 1983 und 1985 Arbeitstreffen in Villach, Österreich folgten. Hier kam 1985 eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern zu dem Schluss, dass in der ersten Hälfte des folgenden Jahrhunderts ein Anstieg der globalen Mitteltemperatur auftreten würde, der beispiellos in der Geschichte der Menschheit wäre. Diese Expertengruppe empfahl zugleich eine enge Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Politikern zur Ausarbeitung von Maßnahmen gegen die drohende Klimaänderung.

Seit dem Expertentreffen in Villach 1985 war die Problematik der durch den Menschen verursachten Klimaänderung auf der internationalen politischen Agenda angekommen.

Literatur:

• Agrawala, S. 1998: “Context and early origins of the Intergovernmental Panel on Climate Change.” Climatic Change 39, S.605-620
• Callendar, G. S., 1938: “The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature”. Quart. J. R. Met. Soc.,64, S. 223-241
• Flohn H., 1941: Die Tätigkeit des Menschen als Klimafaktor. Z. f. Erdkunde, , S. 13-22
• Kincer, J. B., 1933: “Is our climate changing? A study of long-time temperature trends. Monthly Weather Review 61 (Nr. 9), S. 251 – 259
• Rahmstorf, S., Schellnhuber, H. J., 2007: „Der Klimawandel.“ Verlag C. H. Beck oHG, München, 144 S.
• WMO, 2021: WMO statement on the state of the global climate in 2020. WMO-1264, World Meteorological Organization, 52 pp.

Die Sonne ist der Energielieferant für das Klima der Erde. Deshalb hat die Änderung der Strahlungsintensität der Sonne, also eine veränderte Energiezufuhr, unmittelbare Auswirkungen auf das Klima. Ein Maß für die Strahlungsintensität der Sonne ist die Solarkonstante. Sie gibt die Strahlungsleistung der Sonne an, die oberhalb der Atmosphäre bei mittlerem Abstand zwischen Erde und Sonne senkrecht auf eine Fläche von einem Quadratmeter trifft. Die Bezeichnung „Solarkonstante” ist jedoch nicht ganz treffend, denn der Wert ist nicht konstant. Ursache dafür sind unter anderem kurzfristig-periodische und langfristige Änderungen der Sonnenstrahlung.

Im Hinblick auf die globale Erwärmung der jüngsten Vergangenheit und der Gegenwart sind die kurzfristig-periodischen Änderungen von Interesse. Sie hängen mit der Sonnenaktivität zusammen, das heißt mit einer zu bestimmten Zeiten verstärkten Sonnenstrahlung, die durch Sonnenfackeln und Protuberanzen (Materieströme auf der Sonne) verursacht wird. Die Sonnenaktivität variiert in einem elfjährigen Zyklus, der mit einer Zunahme der Strahlungsintensität von nur etwa 0,1 Prozent verbunden ist. Bekannt sind darüber hinaus ein 80-jähriger Zyklus sowie weitere Variationen in längeren Zeiträumen.

Eine systematische Beobachtung von Sonnenaktivitäten erfolgte nach der Entdeckung des Fernrohrs seit Beginn des 17. Jahrhunderts. Messungen der Sonnenstrahlung von Satelliten aus liegen seit 1980 vor.

Die auf der Grundlage dieser Beobachtungen geschätzte Zunahme der Strahlungsintensität bei erhöhter Sonnenaktivität um 0,1 Prozent ist allerdings viel zu gering, um sich im Witterungs- und Klimageschehen unmittelbar bemerkbar zu machen. Denkbar wäre höchstens, dass dieser geringe Effekt durch bestimmte Prozesse im Klimasystem verstärkt wird (positive Rückkopplungen). Die Wissenschaft hat jedoch keine Indizien für ausreichende Rückkopplungsmechanismen gefunden. Im 5. Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) kommen die Klimatologinnen und Klimatologen zu dem Schluss, dass der seit 1750 durch Änderungen der Sonneneinstrahlung verursachte Klimaeffekt nur höchstens ein Zehntel des anthropogenen (durch den Menschen verursachten) Effektes betragen kann. Die auf der Erde ankommende Sonnenstrahlung unterliegt zudem Schwankungen, wenn sich Parameter der Erdbahn um die Sonne ändern. Diese Schwankungen sind langfristiger Natur und nicht mit Änderungen der Solarkonstante verbunden. Sie vollziehen sich in Perioden von einigen 10.000 bis zu einigen 100.000 Jahren und verursachten nach heutigem Kenntnisstand die Eiszeitzyklen.