Faktoren der Klimaerwärmung
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Mensch und Klima Beat Seiler Januar 2010 © myblueplanet Beat Seiler Mensch und Klima Ein Beitrag zum Verständnis von Klimafragen Inhaltsübersicht Einleitung 3 Modell und Wirklichkeit – die Landkarte ist nicht das Land 3 Die stationäre Temperatur der Erde 4 Energietransport durch Strahlung 5 Die Transmission (Durchlässigkeit) der Atmosphäre 7 Der natürliche Treibhauseffekt ..8 Der anthropogene Treibhauseffekt ..9 Das Strahlungsgleichgewicht der Erde 10 Sekundäreffekte des Treibhauseffektes 13 Der Kohlenstoff-Kreislauf der Erde 14 Ein Blick zurück 16 Entscheiden trotz Unsicherheiten 18 Anhang 20 Quellen 21 Text: © myblueplanet / [email protected] Titelbild: © ReinhardT – Fotolia.com 3 myblueplanet Einleitung Von wenigen Ausnahmen abgesehen herrscht in der Wissenschaft Konsens, dass an der aktuellen Klimaerwärmung sowohl natürliche wie auch vom Menschen verursachte (anthropogene) Prozesse beteiligt sind. Man ist sich auch einig, dass die Zusammenhänge komplex sind und dass sich verschiedene Faktoren gegenseitig beeinflussen. Kontroverser ist die Beurteilung der Anteile natürlicher und anthropogener Prozesse, deren Folgen, sowie der erforderlichen Massnahmen. Zwar zeigte sich in den letzten Jahren eine zunehmende Konvergenz in der Interpretation aktueller Forschungsresultate, vor allem im Rahmen des Weltklimarates (Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC), doch wächst zurzeit gegenläufig der Einfluss einer kleinen, aber in den Medien und im Internet stark präsenten Gruppe von sogenannten Klimaskeptikern oder Klimakritikern. Das ist durchaus auch positiv zu sehen, weil es die Forscher zu erhöhter Sorgfalt und Redlichkeit zwingt. Problematisch ist hingegen, dass von der komplexen Materie überforderte Politiker und Unternehmer nur zu gerne die „Allesnicht-halb-so-schlimm“-Rufe vernehmen. Für ernsthaftere Diskussionen reicht das „Standardwissen“ bezüglich Treibhauseffekt und Klimaerwärmung meist nicht aus. Dieser Text enthält aktuelles Datenmaterial 1 sowie Erklärungen zu den wichtigsten Zusammenhängen. 2 Modell und Wirklichkeit – die Landkarte ist nicht das Land Vergangene Klimaschwankungen zu beobachten und zu beschreiben ist das Eine, sie zu verstehen ein Zweites, aber zukünftige Klimaänderungen vorauszusagen ist noch einmal etwas ganz Anderes. Die Klimaforschung war bis ca. 1960 ausschliesslich eine beschreibende Wissenschaft, in der vergangene Klimazustände anhand von Beobachtungen der Umwelt, vor allem mit geologischen, geographischen und botanischen Methoden rekonstruiert wurden. Ende der 50er Jahre wurden wichtige physikalische Messmethoden entwickelt. Die Messung von stabilen Isotopen des Wassers erlaubte die Entwicklung eines "Thermometers“, das weit in die Vergangenheit zurück reicht. Die Bestimmung der Konzentration von Spurengasen eröffnete die Möglichkeit, eine genaue Bestimmung der Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre über die letzten 800'000 Jahre vorzunehmen. Zusammen mit der Erschliessung von verschiedenen urzeitlichen Archiven (zum Beispiel Eisbohrkerne, Sedimente, Baumringe, usw.) wurde so der wichtige Schritt von einer beschreibenden zu einer quantitativen Forschung vollzogen. [2] Aus den ermittelten Daten wurden nun quantitative Hypothesen über die Mechanismen vergangener Klimaveränderungen abgeleitet. Hier beginnt die Klimamodellierung. Ein Klimamodell ist eine mathematische Nachbildung des untersuchten natürlichen Systems, mit dem Ziel, aus den beobachteten Ursachen deren Wirkungen vorherzusagen. Da bei der Untersuchung vergangener Zeiten auch die Wirkungen beobachtbar sind, können die Modelle schrittweise überprüft und verfeinert werden. So erhält man schliesslich Modelle, die tatsächlich auch in die Zukunft weisen können. Hier wird es jedoch schwieriger, denn je weiter der Vorhersagehorizont ist, desto mehr nicht voraussagbare Ereignisse können während dieser Zeit eintreten. Alle Modelle, die in die Zukunft weisen, basieren zwangsläufig auf Annahmen über die dann herrschenden Randbedingungen. Und über diese Annahmen kann man sich natürlich mit Fug und Recht streiten, ohne dass damit aber die Brauchbarkeit des Modells in Frage steht. Die Stärke moderner Klimamodelle liegt also darin, dass sie an der Vergangenheit „geeicht“ worden sind. Man kann zum Beispiel eine Modellsimulation im Jahr 1850 1 Echte Diskussionen gibt es nur, wenn wesentliche Daten beidseitig anerkannt werden. So ist z.B. die Behauptung „Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre war noch nie so tief wie heute“ nicht diskutierbar. 2 Das Schwergewicht liegt dabei auf dem CO2; andere Einflussgrössen werden knapper dargestellt. 4 myblueplanet starten und bekommt dann recht genau das heutige Klima. Das ist ein starkes Indiz für die Brauchbarkeit des Modells. Man kann nun gewisse Parameter in diesem Zeitraum ändern, zum Beispiel die Verbrennung fossiler Energieträger weglassen, und ersieht dann, wie empfindlich das modellierte Klimasystem darauf reagiert. Wenn zum Beispiel für den heutigen Zeitpunkt wiederum das gleiche Resultat herauskommen würde, so hiesse das, dass die Verbrennung von fossilen Energieträgern im Zeitraum 1850 bis heute keinen Einfluss auf das Klima hätte. Tatsächlich führt aber das Nichtberücksichtigen der Verbrennung fossiler Energieträger im Modell zu Voraussagewerten für CO2 und Temperatur, die signifikant unter den heutigen Messwerten liegen, was ein sehr deutliches Indiz für die Klimawirksamkeit menschlicher Tätigkeiten ist. Das Klimasystem ist äusserst komplex, und das bedeutet, dass auch die Klimamodelle komplex und rechenintensiv sind. Nicht immer ist das aber notwendig. Häufig interessiert nur ein Teilaspekt, und dann kann man ein viel einfacheres Modell wählen. Modelle sind nicht richtig oder falsch, sondern mehr oder weniger brauchbar für eine bestimmte Aufgabe. Aber auch das kompletteste Klimamodell ist nur ein sehr unvollkommenes und vereinfachtes Abbild der Wirklichkeit. Kein Modell kann sämtliche Wechselwirkungen korrekt nachbilden. Eine wichtige Aufgabe der Klimaforschung besteht deshalb darin, mit mathematischen Methoden die Zuverlässigkeit der Modelle, resp. die Unsicherheiten zu bestimmen. So kann man trotz unvollkommener Modelle Aussagen über die Wahrscheinlichkeit bestimmter zukünftiger Ereignisse machen. Auch Wetterprognosen beruhen auf Modellen ähnlich den Klimamodellen, und das macht uns vielleicht nicht besonders zuversichtlich. Aber Wetter ist nicht Klima! Wetterprognosen sollen Voraussagen über das richtige Wetter, zur richtigen Zeit, am richtigen Ort liefern. Klimamodelle haben diesen Anspruch nicht. Zeit und Ort werden durch Zeiträume und Gegenden ersetzt. Eine bestimmte Jahresdurchschnittstemperatur zum Beispiel kann mit ganz verschiedenen Wetterverläufen übereinstimmen, und nur der Durchschnitt, resp. der Trend vieler Jahre ist klimatisch relevant. Die stationäre Temperatur der Erde Für die einfachsten Klimamodelle wird die Erde als eine Kugel mit gleichmässiger Oberfläche und weitgehend homogener Temperatur betrachtet. Diese Temperatur wird als stationäre Temperatur der Erde bezeichnet. Sie kommt dadurch zustande, dass sich erwärmende und abkühlende Faktoren über einen längeren Zeitraum gemittelt die Waage halten. Der mit Abstand wichtigste erwärmende Faktor ist die Strahlung der Sonne, die auf die Erde auftrifft. 3 Damit sich die Erde durch die Sonnenstrahlung nicht immer weiter erhitzt, muss sie die eingestrahlte Wärme irgendwie wieder los werden. Weil die Erde im luftleeren Weltall schwebt, kann dies nur wiederum durch Strahlung geschehen. Da die Erde aber viel kälter ist als die Sonne, ist das eine andere Art von Strahlung. Sie heisst Infrarotstrahlung (IR) und ist im Gegensatz zum Sonnenlicht unsichtbar. Wenn die abgestrahlte Wärmeleistung im Mittel gleich gross ist wie die eingestrahlte, so stabilisiert sich die Temperatur der Erdoberfläche. Die Erde befindet sich dann thermisch in einem stationären Zustand. Dieser stationäre Zustand ist jedoch nur relativ, denn die Sonneneinstrahlung auf die Erde ist nicht konstant. Zwar ist die Strahlung der Sonne nahezu gleichbleibend (die Sonnenfleckenzyklen verursachen Schwankungen unter 0,1% 4 , und die langfristige Veränderung der Strahlungsintensität der Sonne liegt bei 1% pro 100 Millionen Jahre), 3 Geringfügig trägt daneben auch die Wärme aus dem Erdinneren zur Erwärmung bei. Wie in [1] gezeigt, können aber bereits so geringe Schwankungen erstaunlich klimaaktiv sein. Die „Kleine Eiszeit“ im 15. bis 19. Jahrhundert wird auf eine Kombination von minimaler Sonnenfleckenaktivität und hoher vulkanischer Tätigkeit zurückgeführt. 4 5 myblueplanet aber die Einstrahlung auf die Erde ist verschiedenen Einflüssen unterworfen. Im Jahresgang schwankt die Sonneneinstrahlung um etwa ±3%, weil die Bahn der Erde um die Sonne elliptisch ist und sich dadurch der Abstand von der Sonne laufend ändert. Die jährlich auf die Erde einfallende Energiemenge ändert sich dadurch aber nicht, das heisst, dieser Effekt ist für sich allein betrachtet wenig klimawirksam. Daneben gibt es aber längerfristige Veränderungen, die in ihren Auswirkungen deutlich klimawirksam sind (siehe Kapitel „Ein Blick zurück“). Jede länger dauernde Veränderung der Sonneneinstrahlung verändert auch die stationäre Temperatur der Erde: Wenn sich die Sonneneinstrahlung beispielsweise abschwächt, so bleibt die Abstrahlung zunächst noch konstant; die Abstrahlung ist deshalb grösser als die Einstrahlung, und die Erde kühlt sich ab. Dadurch reduziert sich aber auch die Abstrahlung, bis sich auf einer tieferen Temperatur wieder ein stationärer Zustand einstellt. Wie später genauer dargestellt, liefert das einfache Modell einer im luftleeren Weltraum schwebenden Erdkugel aber eine rechnerische stationäre Temperatur, die weit von der Realität entfernt ist. Es ist deshalb unbedingt notwendig, die Beeinflussung der Ein- und Abstrahlung durch die Erdatmosphäre zu berücksichtigen. Zunächst aber noch ein paar Worte zur Strahlung. Energietransport durch Strahlung Strahlung ist ein elementares physikalisches Phänomen für den Energietransport. Allgemein spricht man von elektromagnetischen Wellen und charakterisiert diese durch die Frequenz oder durch die Wellenlänge 5 Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen ist sehr breit; es reicht von den längsten Radiowellen im Kilometer-Bereich über die kürzeren Radiowellen im Meterbereich zu den Mikrowellen im Zentimeter- und Millimeterbereich, dann zum Infrarot im Mikrometerbereich (µm), zum sichtbaren Licht zwischen 780 und 380 Nanometer (nm), zum Ultraviolett im Nanometerbereich und schliesslich zu den Röntgen- und Gammastrahlen. Im Zusammenhang mit der Klimaerwärmung interessieren uns hauptsächlich die infrarote Strahlung (IR) und das sichtbare Licht. Gemäss der Quantentheorie kann elektromagnetische Strahlung statt als Welle auch als ein Strom von kleinsten Teilchen betrachtet werden. Diese „Teilchen“ sind die Träger der Energie und heissen Energiequanten. Je kürzer die Wellenlänge, resp. je höher die Frequenz, desto höher ist die Energie eines Quants. Beim Licht nennt man die Quanten auch Photonen. Mit dem Quantenmodell kann man sehr gut die Interaktionen 5 Frequenz und Wellenlänge sind fest miteinander verknüpft, es spielt deshalb keine Rolle, welche der beiden physikalischen Grössen man wählt. Hier wird eher die Wellenlänge verwendet. Grosse Wellenlängen entsprechen tiefen Frequenzen und umgekehrt. 6 myblueplanet zwischen Strahlung und Materie beschreiben, also zum Beispiel die Absorption von Strahlung an Oberflächen oder in Gasen. Wenn Strahlung absorbiert wird, so gibt sie ihre Energie an das absorbierende Medium ab. Bei Infrarot und sichtbarem Licht wird die absorbierte Strahlung meist in Wärmeenergie umgewandelt. 6 Infrarot und sichtbares Licht werden von warmen bis heissen Oberflächen erzeugt. Dies heisst Abstrahlung oder Emission und ist der umgekehrte Prozess zur Absorption: Wärmeenergie wird in Strahlung umgewandelt 7 . Das passiert beispielsweise auf der Sonne, am heissen Wolframdraht einer Glühlampe, in den glühenden Gasen eines Feuers oder im heissen Gasplasma eines Blitzes - grundsätzlich an jeder warmen Oberfläche. Die Strahlung wird durch physikalische Gesetze beschrieben: Das Gesetz von Stefan-Boltzmann gibt an, welche Leistung bei welcher Temperatur abgestrahlt wird, und das Planck’sche Strahlungsgesetz beschreibt das Wellenlängenspektrum, nach dem abgestrahlt wird. Die Strahlungsleistung steigt mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur. So strahlt zum Beispiel ein schwarzes Blech von einem Quadratmeter Fläche bei 20°C eine Leistung von 400 Watt ab, bei 100°C 1100 Watt und ein Quadratmeter Sonnenoberfläche (rund 6000°C heiss) strahlt sogar 63 Megawatt ab. Das Strahlungsgesetz von Planck sagt aus: (1) Die Abstrahlung von einer heissen schwarzen Oberfläche erfolgt weder gleichmässig noch bei einer bestimmten Wellenlänge, sondern in einem breiten Spektrum verschiedener Wellenlängen. (2) Dieses Spektrum ist glockenförmig verteilt und sein Maximum liegt bei einer Wellenlänge, die von der Temperatur abhängig ist; je höher die Temperatur, desto kürzer diese Wellenlänge 8 . (3) Die Amplitude der Spektralverteilung ist Infrarot-Abstrahlung eines schwarzen Körpers bei stark von der Temperatur abhängig. (4) verschiedenen Temperaturen (Planck’sche Verteilung) Die Fläche unter der jeweiligen Spektralkurve entspricht der Strahlungsleistung gemäss dem Gesetz von Stefan-Boltzmann. 9 Bei 20°C liegt das Abstrahlungsmaximum bei 10 Mikrometer (µm), also im Bereich des langwelligen Infrarots, bei 6000°C (Temperatur der Sonne) hingegen bei 0.5 µm (oder 500 nm), also im Bereich des sichtbaren Lichtes. 10 Fazit: Die Sonneneinstrahlung auf die Erde (erwärmend) erfolgt zur Hauptsache im Bereich des sichtbaren Lichtes und des kurzwelligen Infrarot, die Abstrahlung der Erde (abkühlend) hingegen im langwelligen Infrarot. 6 Eine Ausnahme ist zum Beispiel die photovoltaische Energiewandlung Strahlung in Elektrizität. Im Gegensatz dazu wird das Licht von Leuchtdioden (LED) durch Quanteneffekte in einem Halbleiter erzeugt, ohne den „Umweg“ über heisse Flächen. Auch Laser erzeugen Licht auf ähnliche Weise. Ferner kann sichtbares Licht auch in Leuchtstoffschichten (z.B. Leuchtstofflampen) „kalt“ erzeugt werden. Alle diese Formen von Licht weisen aber nicht das kontinuierliche Spektrum eines Wärmestrahlers auf, sondern einzelne oder mehrere diskrete Spektrallinien. 8 Die Wellenlänge des Maximums lässt sich einfach aus dem Wien’schen Verschiebungsgesetz berechnen: Es gilt λmax = W/T , wobei W die Wien’sche Konstante 2897.8 µm·K und T die absolute Temperatur in K sind. Die absolute Temperatur in Kelvin [K] berechnet sich aus der Celsius-Temperatur + 273 9 Planck entdeckte 1900, dass das Strahlungsgesetz nicht im Rahmen der klassischen Physik formulierbar ist. Das gilt als die Geburtsstunde der Quantentheorie. Energie wird demnach nicht kontinuierlich abgestrahlt, sondern in „Energieportionen“, Quanten genannt. 10 Die Abstrahlung gemäss dem Planck’schen Spektrum gilt exakt nur für „Schwarze Körper“ und annähernd für viele natürliche und technische Oberflächen bei mässigen bis tiefen Temperaturen. Sie gilt nicht für Stoffe – insbesondere Gase –, die nur bestimmte Wellenlängen absorbieren können. Diese werden auch nur in diesen Wellenlängen Strahlung aussenden (Strahlungsgesetz von Kirchhoff). Die Planck’sche Verteilung bildet dann eine Art „Hüllkurve“ über die betreffenden Spektralbereiche (Näheres siehe [1]). 7 7 myblueplanet Die Transmission (Durchlässigkeit) der Atmosphäre Die Erdatmosphäre ist die gasförmige Hülle der Erde und besteht aus einer Mischung verschiedener Gase, insbesondere aus 78% Stickstoff und 21% Sauerstoff. Weitere Bestandteile der Luft sind Edelgase (knapp 1%), CO2, Methan, Ozon, verschiedene Spurengase sowie Wasserdampf. 11 Die Konzentration von CO2 betrug im Jahr 1900 etwa 0.03% (oder 300 ppm [Parts per Million]), heute etwa 0.039% (390 ppm). Die Konzentration von Methan liegt aktuell bei knapp 2 ppm (vor 1900 unter 1 ppm), diejenige von Ozon schwankt zeitlich und in Abhängigkeit von der Höhe stark (die höchste Konzentration von einigen ppm herrscht in der Ozonschicht der Stratosphäre). Der Wasserdampf nimmt in der Lufthülle eine besondere Stellung ein. Während die meisten übrigen Gase mehr oder weniger gleichmässig in der ganzen Atmosphäre verteilt sind 12 , ist die Konzentration von Wasserdampf örtlich sehr unterschiedlich. 13 In Bodennähe schwankt sie zwischen 0.1% an den Polen und 3% in den Tropen. Die Fähigkeit der Luft, Wasserdampf aufzunehmen, ist stark temperaturabhängig, deshalb ist Wasserdampf in nennenswerter Konzentration praktisch nur in der untersten Atmosphärenschicht (Troposphäre) zu finden. Die verschiedenen Gase der Atmosphäre sind für die Sonnenstrahlung und für Infrarot unterschiedlich durchlässig. Sauerstoff und Stickstoff sind für fast alle Wellenlängen weitgehend durchsichtig. An den Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen findet jedoch, insbesondere bei den kurzen Wellenlängen (blau und violett), eine gewisse Streuung des Sonnenlichtes in alle Richtungen statt. Ein Teil des gestreuten Lichtes erreicht als diffuse Himmelsstrahlung ebenfalls die Erdoberfläche. Deshalb können wir auch im Schatten etwas sehen. Und weil kurze Wellenlängen (blaues Licht) stärker gestreut werden, erscheint der Himmel blau. Ein anderer Teil des gestreuten Lichtes wird jedoch in den Weltraum zurück gestrahlt, deshalb schwächt die Streuung (Scattering) die einfallende Sonnenstrahlung um etwa 10 - 20%. 14 Andere Gase der Atmosphäre zeigen hingegen eine ausgeprägte Interaktion mit der Strahlung, vor allem ausserhalb des sichtbaren Bereiches, was zur teilweisen oder sogar vollständigen Absorption bestimmter Wellenlängenbereiche führt. Der kurzwellige, lebensfeindliche Ultraviolett-Anteil der Sonnenstrahlung wird in einer Höhe von 15 – 50 km durch das dort gebildete Ozon weitgehend (UV-B) bis vollständig (UV-C) absorbiert und gelangt nicht auf die Erdoberfläche. Nur unter dieser Voraussetzung konnte sich Leben auf der Erde überhaupt entwickeln. Im Infrarotbereich sind es vor allem der Wasserdampf und das CO2, welche bestimmte Wellenlängenbereiche absorbieren. Auch verschiedene Spurengase absorbieren charakteristische Wellenlängen (Methan, Stickoxide usw.). Wie früher gezeigt, führt die Absorption zu einer Erwärmung der Atmosphäre, weil die absorbierte Strahlungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Gase, die im langwelligen Infrarot (3 - 70µm) nennenswert Strahlung absorbieren, werden als Treibhausgase bezeichnet. Die Beeinflussung der Ein- und Abstrahlung durch die Atmosphäre wird zusammenfassend in einem Transmissionsdiagramm (nächste Seite) dargestellt: 11 Wasserdampf ist ein durchsichtiges, unsichtbares Gas. Wolken und Nebel enthalten hingegen nebst Wasserdampf auch kleinste Wassertröpfchen. Diese streuen und reflektieren das Licht, deshalb sind Wolken und Nebel sichtbar. 12 Damit sind die relativen Anteile der verschiedenen Gase (in % oder ppm) gemeint. Die Menge pro Kubikmeter nimmt hingegen mit zunehmender Höhe rasch ab, und zwar bei allen Gasen. In der untersten Atmosphärenschicht, der Troposphäre, die nur etwa 10 km dick ist, befinden sich über 90% der gesamten Luftmasse. Eine Ausnahme ist das Ozon, das in der Stratosphäre aus Sauerstoff gebildet wird und dort die höchste Konzentration aufweist. 13 Ausser bei Stickstoff, Sauerstoff und den Edelgasen ist die Konzentration der Atmosphären-Bestandteile mehr oder weniger stark ortsabhängig, beim Wasserdampf jedoch besonders ausgeprägt. 14 Eine weitere Schwächung durch Streuung und Absorption erfolgt an natürlichen und künstlichen Schwebepartikeln in der Luft (z.B. Wassertröpfchen, Staub oder Partikel der Luftverschmutzung). 8 myblueplanet Das Diagramm zeigt oben mit den durchgezogenen Linien das theoretische Strahlungsspektrum der Sonne (rot), sowie der Erde bei 15°C (blau). Ferner die Abstrahlung eines schwarzen Körpers von 37°C (lila) und von -60°C (schwarz). 15 www.globalwarmingart.com/wiki/Image:Atmospheric_Transmission.png Die theoretischen Spektren werden durch die Gase der Atmosphäre verändert. Die ausgefüllten Flächen zeigen das Resultat dieser Einflüsse: links (rot) das reale Spektrum der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche, und rechts (blau) die reale Abstrahlung der Erde direkt in den Weltraum. Deutlich erkennbar ist die starke Einschränkung der Einstrahlung im kurzwelligen Ultraviolettund der Abstrahlung im Infrarot-Bereich. 16 Im untersten Teil des Diagramms sind die wichtigsten Faktoren dargestellt, welche das theoretische Strahlungsspektrum beeinflussen: Die einfallende Sonnenstrahlung wird im UV-Bereich begrenzt durch die Ozonschicht; im kurzwelligen Infrarot (0.8 – 3 µm) bewirken Wasserdampf und CO2 mehrere kräftige Einbrüche in der Durchlässigkeit. Die Infrarot-Abstrahlung der Erde (blaue Kurve) wird insbesondere von Wasserdampf und CO2, ferner von Ozon, Stickoxid und Methan absorbiert. 17 Im mittleren Teil des Diagramms sind alle die Strahlung schwächenden Einflussfaktoren addiert zum totalen Absorptionsspektrum der Erdatmosphäre. Grosse Teile der Infrarot-Rückstrahlung werden so von der tiefen Atmosphäre absorbiert. Direkte IRAbstrahlung in den Weltraum ist im Wesentlichen nur im „atmosphärischen Fenster“ zwischen 8 und 13 µm möglich. 18 Der natürliche Treibhauseffekt Die Wirkung der Gase, die langwelliges Infrarot absorbieren, wird Treibhauseffekt genannt. Der Name kommt daher, weil diese Gase ganz ähnlich wirken wie das Glas eines Treibhauses: Im Treibhaus ist es wärmer als ausserhalb. Wie die Treibhausgase 15 Die vertikale Achse des obersten Diagramms ist normiert: Der Maximalpunkt aller Spektralkurven ist auf den gleichen Wert festgelegt. Absolut gesehen ist die Maximalintensität jedoch stark temperaturabhängig. 16 Hinweis: In diesem Diagramm ist die Wellenlänge im Gegensatz zum vorstehenden (Planck’sche Verteilung) in logarithmischem Massstab aufgetragen. 17 Gase, die schon bei sehr geringen Konzentrationen und kurzen Strahlungswegen viel IR-Strahlung absorbieren, werden als „starke Treibhausgase“ bezeichnet. Voraussetzung für eine hohe Absorptionsfähigkeit ist ein veränderbares Dipolmoment des Moleküls. Wasserdampf, Methan oder FCKW zeigen diese Eigenschaft ausgeprägt und sind deshalb starke Treibhausgase. CO2 hingegen ist ein gestrecktes, symmetrisches Molekül und weist im Ruhezustand kein Dipolmoment auf. Deshalb wird gelegentlich behauptet, CO2 könne gar kein IR absorbieren, was aber allen Messungen widerspricht. Aufgrund der thermischen Anregung führt das CO2-Molekül nämlich eine Art Knickschwingung aus, die ein variables Dipolmoment erzeugt. Allerdings ist der Dipoleffekt nicht sehr ausgeprägt und CO2 deshalb ein eher schwaches Treibhausgas. Aber obwohl zum Beispiel Methan ein viel stärkeres Treibhausgas ist als CO2, ist der Beitrag von CO2 an der Gesamtabsorption trotzdem wesentlich grösser als der von Methan. Dies wegen der rund 200-mal höheren Konzentration und der wirksameren Lage des Absorptionsbandes beim CO2. Man muss also mit dem Begriff „starkes Treibhausgas“ vorsichtig umgehen! 18 Das atmosphärische IR-Fenster wird hauptsächlich vom Wasserdampf bestimmt. CO2 engt das Fenster weiter ein. 9 myblueplanet lässt Glas sichtbares Licht passieren, während es für Infrarot weitgehend undurchsichtig ist. Man nennt ein Treibhaus deshalb auch eine Strahlenfalle: Die Energie der Sonnenstrahlung kommt zwar ins Treibhaus hinein, aber nur noch teilweise heraus. Der von der Sonnenstrahlung erwärmte Boden im Treibhaus gibt Energie in Form von langwelligem Infrarot ab, und diese Strahlung kann das Glas nicht durchdringen. 19 Das „Treibhaus Erde“ ist statt mit Glas mit einer Schicht Treibhausgase abgedeckt. Der Treibhauseffekt an sich ist kein vom Menschen verursachtes Schreckensszenario, sondern ein natürliches und sehr nützliches Element des Wärmehaushaltes der Erde. Sein Einfluss ist beträchtlich. Er sorgt für eine erträgliche mittlere Temperatur auf der Erde und für einen Ausgleich zwischen Tag und Nacht. Berechnet man die stationäre Temperatur der Erde mit Hilfe der Strahlungsgesetze, aber ohne den Einfluss der Treibhausgase, so kommt man auf eine Durchschnittstemperatur von -15 bis -18°C. Die effektive mittlere Temperatur der Erdoberfläche beträgt jedoch +15°C, ist also 30°C höher als die vorher berechnete Temperatur. Diese Temperaturerhöhung um 30°C wird als der natürliche Treibhauseffekt bezeichnet und entsteht durch die Absorption von Infrarot-Strahlung an den Treibhausgasen, überwiegend in der tiefen Atmosphäre. An der Gesamtabsorption der IR-Abstrahlung ist Wasserdampf im Mittel zu etwa 62%, CO2 zu 22%, Ozon zu 7%, Stickoxid zu 4% und Methan zu 2.5% beteiligt 20 . Etwa 18°C der natürlichen Temperaturerhöhung gehen demnach auf das Konto von Wasserdampf, etwa 6°C auf das Konto von CO2. Wasserdampf ist aufgrund seiner hohen IR-Absorptionsfähigkeit und der hohen Konzentration in der tiefen Atmosphäre mit Abstand das bedeutendste Treibhausgas, gefolgt von CO2. Der anthropogene Treibhauseffekt Durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern sowie Brandrodung der Wälder wird zusätzliches CO2 freigesetzt, und die CO2-Konzentration in der Atmosphäre wird erhöht. Die IR-Absorption an CO2-Molekülen in den untersten Luftschichten steigt dadurch an, was den natürlichen Treibhauseffekt verstärkt. Dies wird als der anthropogene (vom Menschen verursachte) Treibhauseffekt bezeichnet. Die Konzentration von CO2 in der Erdatmosphäre wird direkt durch menschliche Tätigkeiten erhöht 21 , während sich die Wasserdampfkonzentration zunächst kaum ändert. 22 Zudem liegt die bedeutendste IR-Absorption von CO2 im Wellenlängenbereich 13-17 µm, wo die IRAbstrahlung der Erde nahe dem Maximum ist. Deshalb gilt CO2 als der Hauptverursacher („Treiber“) des anthropogenen Treibhauseffektes. Bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration von 300 ppm auf 600 ppm ist nach einer groben Überschlagsrechnung mit einer weiteren Temperaturerhöhung von 4-6°C zu rechnen. 23 Um den Treibhauseffekt aber wirklich zu verstehen, müssen die Strahlungsverhältnisse zwischen Erde, Atmosphäre und Weltall genauer beschrieben werden. 19 Dieses Prinzip nutzen übrigens auch die thermischen Sonnenkollektoren. (Der Effekt von Glas ist allerdings stärker als der der Treibhausgase, denn es gibt bei Glas kein „Fenster“ für gewisse Wellenlängen im langwelligen IR-Bereich.) 20 Nach [1]. Dabei sind die Breite, die Höhe und die Lage der Absorptionsbänder berücksichtigt. 21 Methan (Viehwirtschaft, Reisanbau) und Spurengase (Industrie, z.B. FCKW) werden ebenfalls erhöht. Man schätzt, dass diese Gase zusammen etwa einen Drittel des anthropogenen Treibhauseffektes ausmachen. 22 Zwar entstehen bei der Verbrennung von Erdölprodukten und Erdgas ähnlich grosse Mengen an Wasser wie an CO2, aber weil die natürliche Wassermenge in der tiefen Atmosphäre sehr viel höher ist als die Menge CO2, verändert sich die Wasserdampfkonzentration dadurch kaum merklich, während die natürliche CO2-Konzentration durch menschliche Aktivitäten problemlos verdreifacht werden kann. Alle Treibhausgase mit einer tiefen natürlichen Konzentration sind aus diesem Grund besonders kritisch hinsichtlich des anthropogenen Treibhauseffektes. Siehe auch „Sekundäreffekte“. 23 Nach Gehrtsen/Vogel: Physik (Schon Arrhenius (1859 – 1927) schätzte den anthropogenen Treibhauseffekt in dieser Grösse). Dem wird aber entgegen gehalten, dass die CO2-Absorption gemäss Transmissionsdiagramm bereits 100% betrage und durch eine Konzentrationserhöhung nicht mehr gesteigert werden könne. Im folgenden Kapitel wird gezeigt, dass dieses Argument nicht stichhaltig ist. Bei steigender CO2-Konzentration erfolgt die vollständige IR-Absorption einfach schon in tieferen Atmosphärenschichten, und diese sind für den Treibhauseffekt vor allem entscheidend. 10 myblueplanet Das Strahlungsgleichgewicht der Erde Ein einfaches Modell, das nur gerade aus den zwei Strahlern Sonne (Einstrahlung) und Erde (Rückstrahlung) besteht, kann den Treibhauseffekt nicht ausreichend erklären. Genauere Modelle arbeiten mit einem dritten Strahler, nämlich mit der tiefen Atmosphäre (Troposphäre), also mit dieser rund 10 km dicken Luftschicht, die praktisch die gesamte Wassermenge und über 90% des CO2 enthält. In dieser Schicht werden grosse Bereiche der Infrarot-Rückstrahlung absorbiert, wobei die absorbierte Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt wird – die tiefe Erdatmosphäre wird erwärmt. Wie weiter vorne beschrieben, wird die so erwärmte Atmosphäre dadurch selbst zu einem strahlenden Körper und emittiert IR-Strahlung gemäss ihrer aktuellen Temperatur. Diese Abstrahlung geht zum Teil in den Weltraum, zum grösseren Teil aber zurück auf die Erde, und dieser Teil heisst atmosphärische Gegenstrahlung. Die atmosphärische Gegenstrahlung ist die eigentliche Ursache des Treibhauseffektes. So wie die Sonnenstrahlung, so erwärmt auch die atmosphärische Gegenstrahlung die Erdoberfläche, bis sich schliesslich bei der stationären Temperatur der Erdoberfläche ein globales Strahlungsgleichgewicht einstellt. Die IR-Abstrahlung der Erdoberfläche und die atmosphärische Gegenstrahlung stehen in einem Strahlungsaustausch, und dessen Bilanz ist gemittelt über die ganze Erde - von der Erdoberfläche zur Atmosphäre gerichtet. 24 Das nachstehende Bild zeigt die Verhältnisse qualitativ und quantitativ. 25 Das Bild sieht schon recht kompliziert aus, trotzdem ist es eine starke Vereinfachung. Strahlung und Temperatur sind in Wirklichkeit lokale Grössen, die sich zudem tagesund jahreszeitlich stark ändern. In dieser Darstellung wurden alle Unterschiede über die ganze Erde und über das ganze Jahr gemittelt, so dass homogene Temperaturen und homogene Strahlungsverhältnisse entstehen. Die Sonneneinstrahlung ausserhalb der Atmosphäre, die senkrecht zur Strahlungsrichtung gemessen 1367 W/m2 beträgt (die sog. Solarkonstante) reduziert sich durch Mittelung über den Tages- und Jahresgang und über alle Breitengrade auf 342 W/m2. Dieser Wert entspricht den 100% im 24 Wie schon erwähnt, sind die Strahlungsverhältnisse in Wirklichkeit orts- und zeitabhängig. Die Strahlungsbilanz ist z.B. in einer Tropennacht weitgehend ausgeglichen; nachts in der Wüste ist hingegen die atmosphärische Gegenstrahlung wegen des geringen Wassergehaltes der Luft schwach und damit die nächtliche Abkühlung stark. Auch in unseren Breitengraden ist der Tagesgang der Temperatur bei klarem Wetter ausgeprägter als bei hoher Luftfeuchtigkeit. 25 Solche Strahlungsbilanz-Diagramme werden seit mehr als 50 Jahren in ähnlicher Form erstellt. Das hier gezeigte hat fast schon historischen Wert (o.O.). Die Zahlenwerte schwanken bei den verschiedenen Autoren, aber nur geringfügig. 11 myblueplanet Diagramm. Ferner wird angenommen, dass wolkenloser und bewölkter Himmel gleichmässig über die Erdkugel verteilt sei. Und die Erdoberfläche habe überall eine mittlere Temperatur von +15°C. Mit diesem stark vereinfachten Modell können wichtige Aussagen zum globalen Strahlungs- und Wärmehaushalt gemacht werden. 26 Das Strahlungssystem besteht aus vier Aggregaten: Der Sonne, der Erdoberfläche, der Atmosphäre und dem Weltraum. Dabei ist die Sonne die primäre Strahlenquelle und der Weltraum die finale Strahlensenke. Die Atmosphäre wird unterteilt in die gasförmige Phase (Luft) und die wässrige Phase (Wolken und Nebel, bestehend aus kleinsten Wassertröpfchen). Die gasförmige Phase wird gedanklich unterteilt in die Hauptbestandteile Stickstoff und Sauerstoff einerseits 27 , sowie in die Treibhausgase andererseits, von denen hier nur Wasserdampf und CO2 explizit aufgeführt sind. Auf der linken Seite ist die einfallende Sonnenstrahlung dargestellt; sie ist ausserhalb der Atmosphäre auf 100% festgelegt. Alle weiteren Prozentangaben beziehen sich auf diesen Wert. 30% davon werden an Wolken, Luftmolekülen, Meer, Eis und Erdoberfläche reflektiert und in den Weltraum zurück gestrahlt (Albedo). Weitere rund 20% werden in der Atmosphäre absorbiert, so dass etwa 50% von der Erdoberfläche absorbiert werden und diese erwärmen. 70% der einfallenden Sonnenstrahlung (oder umgerechnet durchschnittlich 239 W/m2) verbleiben also im System Erde (Boden, Wasser und Atmosphäre) und müssen, um die Erde thermisch stationär zu halten, schliesslich in Form von Infrarot-Strahlung in den Weltraum rückgestrahlt werden (mittlerer Bereich des Diagramms). Eine Leistung von 239 W/m2 entspricht einem Schwarzen Strahler der Temperatur -18°C. 28 Diese Temperatur herrscht im Mittel in 6000m Höhe. Die Wärmeabstrahlung der Erde (Durchschnittstemperatur 15°C) beträgt im Mittel 390 W/m2 und entspricht 112% der mittleren Sonneneinstrahlung ausserhalb der Atmosphäre. Ein Teil dieser Strahlung geht, wie im Transmissionsdiagramm auf Seite 8 dargestellt, direkt durch das „atmosphärische Fenster“ in den Weltraum. Dies sind global jedoch weniger als 10% der Gesamtabstrahlung. 106% werden von den Treibhausgasen der tiefen Atmosphäre absorbiert und erwärmen diese. Auch die direkt absorbierte Sonnenstrahlung (rund 20%) erwärmt die tiefe Atmosphäre. Schliesslich (rechts im Diagramm) wird die Atmosphäre noch durch weitere Transportphänomene erwärmt, nämlich durch Wärmetransport ohne Strahlung. Warme Luft steigt von der Erdoberfläche in die Atmosphäre auf (Konvektion). Diese Luft ist feucht (vor allem über den Ozeanen); beim Aufsteigen kühlt sie sich ab und die Feuchtigkeit kondensiert bei einer bestimmten Temperatur zu Wassertröpfchen (Wolken). Dabei wird die Energie, die zum Verdunsten aufgewendet wurde, als Latentwärme an die Wolken übertragen. Der Anteil der Latentwärme ist fast dreimal grösser als der Anteil an fühlbarer Wärme in der aufsteigenden warmen Luft. Interessant und eher unerwartet ist, dass die Erde stärker von der atmosphärischen Gegenstrahlung erwärmt wird als von der Sonnenstrahlung (91 zu 51%). Das ist kein Perpetuum mobile 2. Art, wie von einigen Klimakritikern behauptet 29 , sondern beruht 26 In einem solchen homogenen Modell gibt es aber kein Wetter, denn das Wetter entsteht aus lokalen und grossräumigen Strahlungs- und Temperaturunterschieden (z.B. zwischen Nord- und Südhemisphäre). 27 Stickstoff und Sauerstoff sind symmetrische Doppelmoleküle (N2 und O2) und haben kein Dipolmoment, auch unter der thermischen Schwingung nicht. Sie absorbieren deshalb praktisch keine Strahlung. 28 Dies ist eine sog.„Schwarzkörper-Approximation“ der wirklichen Verhältnisse. Diese 70% IR-Leistung setzen sich aus verschiedenen Strahlern aus unterschiedlichen Höhen zusammen, die von der Erde, vom Wasserdampf, vom CO2, von den Wolken usw. stammen. Gase wie CO2, die nur bestimmte Wellenlängen absorbieren, können auch nur in diesen Wellenlängen emittieren. Näheres siehe [1]. Flüssiges Wasser (Wolken) ist hingegen praktisch ein Schwarzer Strahler. Alle Anteile zusammengenommen können durch die Strahlung eines schwarzen Körpers von -18°C angenähert werden. 29 Damit wird die Tatsache angesprochen, dass mit der atmosphärischen Gegenstrahlung scheinbar Energie von einem kälteren Ort (der Atmosphäre) zu einem wärmeren Ort (der Erdoberfläche) transportiert wird, was nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik unmöglich ist. Weil aber die atmosphärische Gegenstrahlung mit der Abstrahlung der Erdoberfläche im Strahlungsaustausch steht, und letztere grösser ist, ist der Nettofluss vom Erdboden zur Atmosphäre gerichtet und der 2. Hauptsatz somit nicht verletzt. 12 myblueplanet auf der fundamentalen Tatsache, dass jeder Körper – fest, flüssig oder gasförmig –, welcher Strahlung absorbiert, auch in der Lage ist, Strahlung zu emittieren. Wäre das nicht so, so müsste sich die Atmosphäre unter der gewaltigen Menge absorbierter Strahlung zunehmend erhitzen und würde schliesslich einfach in den Weltraum davonfliegen. Das tut sie aber offensichtlich nicht. Aber warum ist die atmosphärische Gegenstrahlung grösser als die Abstrahlung der Atmosphäre in den Weltraum? Strahlende Gase strahlen rundherum gleichmässig, und deshalb würde man erwarten, dass die Abstrahlung „nach unten“ und „nach oben“ gleich gross wäre. Das stimmt auch für jeden Punkt der Atmosphäre, nicht aber für die Atmosphäre als Ganzes. Denn in der untersten Atmosphärenschicht (Troposphäre) nehmen Dichte und Temperatur nach oben hin kontinuierlich ab. In Bodennähe sind Absorption, Erwärmung und atmosphärische Gegenstrahlung am grössten. Die Bodenstrahlung wird beim Durchgang durch die Troposphäre kontinuierlich absorbiert und damit geschwächt, dadurch nimmt die Intensität der nach oben gerichteten Strahlung laufend ab. Zudem nimmt mit der Dichte auch die Absorptionsfähigkeit der Atmosphäre mit zunehmender Höhe ab. Deshalb kann laufend weniger Strahlung absorbiert werden; die Erwärmung der höheren Luftschichten ist deutlich geringer. Und irgend einmal ist die IR-Abstrahlung der Erde vollständig absorbiert (mit Ausnahme der das atmosphärische Fenster passierenden Strahlung). Die atmosphärische Gegenstrahlung – die Eigenstrahlung der erwärmten tiefen Atmosphäre – umfasst zwar Beiträge aus allen Höhenlagen, sie wird aber dominiert durch die Abstrahlung der bodennahen, relativ warmen Atmosphärenschichten 30 . Die Abstrahlung in den Weltraum geht demgegenüber hauptsächlich von den bodenfernen, kalten Atmosphärenschichten aus (-18°C auf 6000 m Höhe im gezeigten Modell). Weil die Strahlungsintensität stark temperaturabhängig ist, kommt es zur Unsymmetrie zwischen atmosphärischer Gegenstrahlung und Abstrahlung in den Weltraum. Sobald man jedoch die Abstrahlung der Erdoberfläche und die atmosphärische Gegenstrahlung bilanziert, verschwindet die Unsymmetrie, wie man im Strahlungsdiagramm leicht nachprüfen kann. Nun führen wir in Gedanken der Erdatmosphäre zusätzliches CO2 zu. Wenn die CO2Konzentration ansteigt, so wird die zunächst noch konstante Strahlung der Erdoberfläche stärker absorbiert, vor allem in Bodennähe. Die unterste Luftschicht erwärmt sich dadurch weiter und damit erhöht sich auch die atmosphärische Gegenstrahlung (anthropogener Treibhauseffekt). Durch die erhöhte atmosphärische Gegenstrahlung erwärmt sich nun auch die Erdoberfläche zusätzlich, und deren Infrarot-Abstrahlung nimmt ihrerseits zu. Der wechselseitige Prozess pendelt sich ein, bis sich schliesslich bei höherer Temperatur ein neues Gleichgewicht zwischen Bodenabstrahlung und atmosphärischer Gegenstrahlung einstellt. Beide sind nun erhöht, aber die Bilanz verändert sich nur geringfügig. Weiterhin werden 70% der Sonneneinstrahlung als langwelliges Infrarot in den Weltraum zurück gestrahlt (Schwarzkörper-Approximation von -18°C, entsprechend 239 W/m2) 31 . Das muss so sein, denn an der Erwärmung der Erde durch Sonneneinstrahlung (70%) hat sich ja nichts geändert – und genau diese Energie muss auch wieder weg. Und deshalb merkt man vom Weltraum aus gesehen praktisch nichts vom anthropogenen Treibhauseffekt. 32 Ausserhalb der Erdatmosphäre ist die Strahlungsbilanz immer gleich: 100% Sonnenstrahlung hinein, 30% kurzwelliges Albedo in den Weltraum, und 70% langwelliges Infrarot in den Weltraum. Der Treibhauseffekt ist im Wesentlichen eine Interaktion zwischen der Erde und der tiefen Atmosphäre – wenigstens in erster Näherung 33 . 30 Ein Beispiel: In einer wolkenlosen März-Nacht beträgt die atmosphärische Gegenstrahlung in Davos etwa 190 W/m2, auf dem 1000 m höher gelegenen Weissfluhjoch noch 160 W/m2. [1] 31 Die mittlere Höhe, auf der -18°C herrscht, wird sich durch die Erwärmung der tiefen Atmosphäre etwas verschieben. 32 Einzig das atmosphärische Fenster wird durch die steigende CO2-Konzentration etwas weiter eingeengt. Der Effekt ist eher geringfügig, und die Fensterstrahlung macht ohnehin nur einen kleinen Teil der Abstrahlung aus. 33 Ohne Berücksichtigung der Sekundäreffekte (nächstes Kapitel) 13 myblueplanet Sekundäreffekte des Treibhauseffektes Die Erwärmung der Erde führt jedoch sekundär zu verschiedenen Effekten im globalen Haushalt, welche teils verstärkend, teils abschwächend auf den Treibhauseffekt einwirken. Insbesondere betroffen ist der Wasserhaushalt. Verstärkend auf den Treibhauseffekt wirkt, dass der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre durch die Temperatur bestimmt ist. Je höher die Temperatur, desto höher ist der Wasserdampfgehalt und desto höher die Absorption. Diese positive Temperatur-Wasserdampf-Mitkopplung ist die wichtigste Rückkopplung in der Atmosphäre. Abschwächend wirkt hingegen eine verstärkte Wolkenbildung, womit die einfallende Sonnenstrahlung geschwächt wird. 34 Ähnlich wie beim Wasserhaushalt gibt es weitere Sekundäreffekte bei allen klimarelevanten Phänomenen. Grundsätzlich gilt: Falls durch die Sekundäreffekte ein positiver Mitkoppelungseffekt entsteht, so wird der Treibhauseffekt verstärkt, bei einem negativen Rückkopplungseffekt hingegen abgeschwächt. So verändern zum Beispiel der erwärmungsbedingte Gletscherschwund, das Auftreten von Schmelzwasser auf Eisflächen und der Rückgang der durchschnittlichen Schneebedeckung die Reflexionsverhältnisse an der Erdoberfläche und reduzieren damit die Albedostrahlung. Dadurch absorbiert die Erdoberfläche mehr Sonnenstrahlung, und der Wärmeeintrag der Erde wird erhöht, was wiederum zu einem weiteren Schmelzen von Schnee und Eis führt. Solche Aufschaukelungen können zu eigentlichen Kipp-Prozessen („Tipping“) führen, die nach menschlichen Massstäben irreversibel sind. Mit Klimamodellen wird versucht, diese komplexen Verhältnisse rechnerisch nachzubilden. Nach den aktuellen Klimamodellen geht man mehrheitlich davon aus, dass die verstärkenden Einflüsse die abschwächenden überwiegen. Die Klimaforscher kamen ferner durch die Untersuchung früherer Klimaphänomene zum Schluss, dass die Fähigkeit des Klimasystems, durch negative Rückkopplungen Veränderungen abzufangen, sehr begrenzt ist [4]. Das untenstehende Diagramm aus [1] zeigt die Temperaturentwicklung der letzen 400 Jahre und die rekonstruierte Solarkonstante. In diesem Zeitraum schwankte die Solarkonstante um ±1.2 Promille (jahreszeitliche Schwankung ausgemittelt). Im gleichen Zeitraum wurden Schwankungen der Durchschnittstemperatur um fast ±0.5°C beobachtet. Die Temperaturschwankungen von 1600 bis 1800 können zu 75% mit Schwankungen der Solarkonstante erklärt werden, die Erwärmung nach 1850 noch zu 50%. Die gegenläufige Entwicklung um 1820 ist wahrscheinlich auf eine verstärkte vulkanische Tätigkeit zurück zu führen. Es erstaunt aber, dass die Durchschnittstemperatur so stark auf die recht geringfügige Änderung der Solarkonstante reagiert. Offenbar wirken hier Verstärkungsfaktoren mit, die noch nicht wirklich geklärt sind. 35 Auch der Temperaturverlauf in paläontologischen Zeiträumen (Bild im Kapitel „Ein Blick zurück“) deutet eher auf Mitkopplungseffekte als auf ein wirksam gepuffertes Klimasystem hin. Es könnte sich als verhängnisvoll erweisen, zu sehr auf natürliche Ausgleichsvorgänge gegenüber anthropogenen Eingriffen zu vertrauen. 34 Ein weiterer Gegeneffekt zur anthropogenen Erwärmung ist die abkühlende Wirkung von Schwefelemissionen (Verstärkung der Albedo-Strahlung). In Industriegebieten kompensiert diese die CO2-Erwärmung weitgehend, aber nur kurzzeitig. (Es gibt tatsächlich Vorschläge, der Klimaerwärmung mit gezielten Schwefelemissionen zu begegnen! Angesichts der negativen Auswirkungen von Schwefel im Ökosystem sind solche Vorschläge kritisch zu beurteilen.) 35 Berechnet nach Stefan-Boltzmann sollte eine Veränderung der Solarkonstanten von 1 Promille eine Temperaturerhöhung von weniger als 0.1°C bewirken. Ein wichtiger Verstärkungsfaktor wird in den tropischen Ozeanen vermutet. 14 myblueplanet Ein Sekundäreffekt, der noch nicht ausreichend ins Bewusstsein von Politik und Bevölkerung gerückt ist, ist das drohende Auftauen der Permafrostböden, besonders in den arktischen Tundren und submarin. Diese Böden setzen beim Auftauen riesige Mengen von Methan und CO2 frei, und es droht ein Mitkoppelungseffekt dramatischen Ausmasses. Die Aktivität der Methan bildenden Bakterien ist stark temperaturabhängig, und sie setzt schon unterhalb des Gefrierpunktes ein. Dies führt bereits heute zu einer verstärkten Freisetzung von Methan. Ähnliches gilt für die am Meeresboden lagernden Methanhydratspeicher 36 der Kontinentalschelfs. Wegen der sehr hohen Klimaaktivität von Methan müssen diese Entwicklungen mit grosser Sorge beobachtet werden. Der Kohlenstoff-Kreislauf der Erde Wie gezeigt, gilt CO2 als der primäre „Treiber“ des anthropogenen Treibhauseffektes, auch wenn die Sekundäreffekte möglicherweise gravierender sind. Deshalb soll die Rolle des CO2 im globalen Ökosystem noch näher betrachtet werden. Mengenmässig ist CO2 mit Abstand der bedeutendste gasförmige Kohlenstoff-Träger. Methan und andere gasförmige Kohlenwasserstoffe spielen beim Treibhauseffekt ebenfalls eine Rolle, werden hier aber nicht separat behandelt. Kohlenstoff ist das zentrale Element der Biosphäre und in allen Lebewesen als wichtiger Baustoff enthalten. Der globale Kohlenstoffkreislauf ist nachstehend dargestellt.37 Legende: Schwarz: Speicher (alle Mengen in Gigatonnen [Gt]) Violett: Kohlenstoff-Flüsse (in Gigatonnen pro Jahr [Gt/a]) 1 Gt Kohlenstoff entspricht etwa 3.67 Gt CO2 in der Atmosphäre http://earthobservatory.nasa.gov/Library/CarbonCycle/Images/carbon_cycle_diagram.jpg Der Kreislauf im Bild umfasst aber nur einen sehr kleinen Teil des gesamten Kohlenstoffs der Erde, nämlich nur etwa einen Tausendstel. Der grösste Teil des Kohlenstoffs ist anorganisch in Karbonatgesteinen gebunden (Kalkstein, Dolomit, Marmor, usw.), nämlich etwa 100 Millionen Gigatonnen. 36 Methanhydrate sind Feststoffe, die beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur spontan in Methan und Wasser zerfallen. Man schätzt, dass weltweit mehr als 8'000 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von Methanhydraten gebunden sind. (Vor etwa 55 Millionen Jahren kam es zu einer raschen, weltweiten Temperaturerhöhung um 5-6°C. Als Ursache wird ein Zerfall von Methanhydraten diskutiert, ausgelöst durch die hohen Temperaturen am Ende des Paläozäns. Der Hinweis von Klimaskeptikern, dass solches offenbar auch natürlicherweise vorkomme, ist zum Mindesten zynisch.) 37 In diesem Bild der NASA ist der Kohlenstoffkreislauf sehr schön dargestellt. Es gibt viele ähnliche solcher Darstellungen. Die numerischen Angaben variieren etwas je nach verwendeten Quellen, ohne dass aber die wesentlichen Aussagen verändert werden. Auch die Zahlen im Text weichen von den Zahlen im Diagramm zum Teil geringfügig ab. 15 myblueplanet Im Kreislaufdiagramm ebenfalls nicht eingezeichnet sind die Kohlenstoffspeicher der fossilen Brennstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas, weil sie natürlicherweise nicht am Kohlenstoffkreislauf teilnehmen (die entsprechenden aktuellen anthropogenen Flüsse sind jedoch aufgeführt). Bei der Bildung der fossilen Lagerstätten wurde dem Kohlenstoffkreislauf zwischen Atmosphäre und Biosphäre grosse Mengen an Kohlenstoff entzogen. Der fossil gebundene Kohlenstoff wird auf 4'000 Gigatonnen geschätzt. Kohlenstoff, der am Kohlenstoffkreislauf teilnimmt, befindet sich in den Ozeanen, in der Atmosphäre, in den Böden und in den Pflanzen auf der Erde. Der grösste Teil liegt in den Ozeanen, nämlich 39'000 Gigatonnen. Dieser Kohlenstoff ist teilweise organisch gebunden, teilweise als Kohlensäure gelöst. In der Atmosphäre befinden sich rund 750 Gigatonnen Kohlenstoff, hauptsächlich in Form von CO2 (Jahr 2000). In den Böden (1'500 Gt) ist fast dreimal mehr Kohlenstoff gebunden als in den Pflanzen (560 Gt). Mit violetten Pfeilen sind die Kohlenstoffflüsse angegeben. Dabei interessieren uns hier nur die CO2-Flüsse zwischen Erde und Atmosphäre. Ohne menschliche Aktivitäten sind diese Flüsse weitgehend im Gleichgewicht 38 : Pro Jahr fliessen je etwa 220 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von CO2 von der Erde zur Atmosphäre, resp. von der Atmosphäre zurück auf die Erde. Die grössten Flüsse Richtung Atmosphäre stammen aus dem Meer, aus der Atmung von Pflanzen und Tieren sowie aus den Böden. Die grössten CO2-Flüsse Richtung Boden gehen in die Photosynthese der Pflanzen (Bildung von Biomasse aus CO2 und Wasser, unter Abgabe von Sauerstoff) sowie ins Meer. Nun zu den menschlichen Aktivitäten: Durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern gelangen pro Jahr über 6 Gt zusätzlicher Kohlenstoff in Form von CO2 in den Kreislauf. 39 Dazu kommen weitere 2 Gt/a durch die Brandrodung von Wäldern. Weil brandgerodete Wälder in der Regel nicht mehr nachwachsen, entspricht die Brandrodung der Verbrennung von fossilen Energieträgern (dies im Gegensatz zu einer nachhaltigen Waldwirtschaft, die auf Substanzerhaltung ausgerichtet ist). Durch menschliche Aktivitäten werden also jährlich über 8 Gt Kohlenstoff, entsprechend rund 30 Gt CO2, freigesetzt. Gemessen am Gesamtfluss von 220 Gt/a erscheinen diese 8 Gt/a anthropogener Kohlenstofffluss unbedeutend, aber diese Rechnung ist irrelevant. Für den Treibhauseffekt entscheidend ist die CO2-Konzentration in der Atmosphäre, und deshalb muss man frawww.globalwarmingart.com/wiki/ gen, was mit diesen 8 Gigatonnen zusätzFile:Mauna_Loa_Carbon_Dioxide_png lichem Kohlenstoff pro Jahr geschieht. Eine genaue Analyse der Stoffflüsse zeigt, dass rund die Hälfte davon (4 Gt Kohlenstoff pro Jahr) von der Erde (Meer und Pflanzen) aufgenommen wird, während die andere Hälfte in Form von CO2 langfristig in der Atmosphäre verbleibt, also die CO2-Konzentration erhöht. 750 Gigatonnen Kohlenstoff in der Atmosphäre entsprechen einer CO2Konzentration von 365 ppm, das ergibt also 0.49 ppm/Gt Kohlenstoff. Das heisst, die CO2-Konzentration der Atmosphäre steigt um 2 ppm pro Jahr an. 38 Dieses Gleichgewicht hat sich in Jahrmillionen eingestellt. Es handelt sich dabei um ein dynamisches Gleichgewicht, das sich als Mittelwert über ein Jahr und über die ganze Erde einstellt. Lokal und kurzzeitig sind diese Flüsse nicht im Gleichgewicht. So überwiegt z.B. am Tag die Photosynthese (CO2-Fluss Richtung Boden), nachts die Atmung (CO2Fluss Richtung Atmosphäre). Und die CO2-Konzentration weist eine typische jahreszeitliche Schwankung von ±3ppm auf (siehe obenstehendes Diagramm). Langfristig betrachtet schwankt auch die stationäre Temperatur der Erde, und entsprechend stellen sich die Kohlenstoffflüsse neu ein. In den Übergangsphasen sind die Flüsse nicht im Gleichgewicht (siehe Kapitel „Ein Blick zurück“ und Anhang). 39 Dazu kommt noch geschätzte 65 Megatonnen Kohlenstoff in Form von Methan aus der Viehwirtschaft, aus dem Reisanbau, aus technischen Prozessen und aus Leckverlusten bei der Erdgasförderung und -Verteilung. 16 myblueplanet Schwieriger ist die Frage, wie sich diese Halbierung des anthropogenen Kohlenstoffeintrages, die man seit etwa 1960 beobachtet, weiter entwickeln wird. 40 Wird die Erde bei steigenden Temperaturen in der Lage sein, in Zukunft mehr als die Hälfte des zusätzlichen Kohlenstoffes zu binden? Dies würde den Temperaturanstieg natürlicherweise reduzieren. Mehrere neue Forschungsresultate scheinen dieser hoffnungsvollen Hypothese zu widersprechen. Zum Einen sinkt der pH-Wert des Oberflächenwassers der Ozeane, was deren CO2-Aufnahmefähigkeit reduziert. Ganz neu ist die Erkenntnis, dass die als selbstverständlich scheinende Annahme, dass Wälder CO2-Senken seien, nur begrenzt gilt. In Wäldern besteht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen CO2- Aufnahme und CO2-Produktion, und dieses Gleichgewicht lag bisher in der Regel im Bereich Senke. Bei steigenden Temperaturen www.globalwarmingart.com/wiki/ scheint sich der Gleichgewichtspunkt aber in File:Carbon_History_and_Flux_Rev_png Richtung Quelle zu verschieben. Bereits ab einer Temperaturerhöhung von 2.5°C besteht offenbar ein grosses Risiko, dass viele Wälder zu CO2-Quellen werden. In grossen Waldgebieten Kanadas ist dies bereits eingetreten [5]. Ein Blick zurück Wie einleitend gezeigt, begann Klimaforschung mit der Rekonstruktion vergangener Klimazustände, zunächst beschreibend, dann mit der Entwicklung exakter Methoden immer weiter zurück reichend und zunehmend auf die Erhellung der Ursachen dieser Zustände ausgerichtet. Heute reichen die relativ genauen, quantitativen Forschungsresultate etwa 800'000 Jahre zurück, also etwa die 8 letzten Kaltzeiten des Känozischen Eiszeitalters. 41 Ein umfassendes Verständnis der Mechanismen früherer Klimaveränderungen ist das wichtigste Element bei der Entwicklung leistungsfähiger Klimamodelle, die dann auch in der Lage sein sollen, die zukünftige klimatische Entwicklung in Form von Szenarien zu prognostizieren. Die Modellierung vergangener Klimazustände und deren Veränderungen kann auch wichtige Beiträge zur Frage liefern, inwieweit die aktuell beobachteten Klimaveränderungen natürliche Ursachen haben und inwieweit sie auf menschliche Aktivitäten zurück zu führen sind. 40 41 Dies ist ein bedeutender Unsicherheitsfaktor in den Klimamodellen Die weiter zurück liegenden Zeiten sind mit wesentlich grösseren Unsicherheiten behaftet (siehe Anhang). 17 myblueplanet Ein erster Blick auf das Diagramm S. 16 unten zeigt eine recht übereinstimmende Tendenz in der Entwicklung der Temperatur sowie der Konzentrationen von CO2 und Methan in den letzten 650'000 Jahren 42 . Eine genauere Analyse der Datenreihen zeigt, dass sich immer zuerst die Temperatur verändert hat und erst in deren Folge die CO2Konzentration 43 . Diese Entdeckung war ein grosser Triumph für die Klimakritiker, schien sie doch zu beweisen, dass CO2 nicht die Ursache der Klimaveränderungen ist. Tatsächlich gehen die meisten Klimaforscher davon aus, dass sich die Temperaturen innerhalb eines Eiszeitalters primär aufgrund von Schwankungen der Solarkonstanten verändert haben, und dass dies eine Folge von Wechselwirkungen innerhalb unseres Planetensystems sei. Diese Schwankungen werden als Milanković-Zyklen bezeichnet und umfassen drei Phänomene: (1) Die Präzession der Erdachse (dies ist die Taumelbewegung eines Kreisels) mit einer Zykluszeit von 25'750 Jahren. (2) Die Veränderung der Schrägstellung der Erdachse (obliquity) mit einer Zykluszeit von 41'000 Jahren. (3) Die Veränderung der Exzentrizität der Erdbahn mit einer Zykluszeit von etwa 100'000 Jahren. Diese und noch weitere Einflussgrössen überlagern sich auf eine komplizierte, aber berechenbare Weise, so dass die Sonneneinstrahlung im Jahresgang im Extremfall www.globalwarmingart.com/wiki/Image:Milankovitch_Variations_png um bis zu 25% schwanken kann. 44 Die Klimawirksamkeit dieser Faktoren (ausgedrückt durch die schwarze Kurve im Diagramm) kann aber mit dem einfachen Modell einer Erde als homogene Kugel nicht ausreichend erklärt werden; dazu müssen die Abplattung der Erde und die Verteilung von Meer, Land und Eis berücksichtigt werden. Denn die Sonnenstrahlung wird wie gezeigt auf der Erde nicht vollständig in Wärme umgewandelt, sondern ein Teil wird in den Weltraum zurück reflektiert (Albedo). Die am Boden reflektierte Strahlung ist unterschiedlich gross, je nachdem ob die Sonnenstrahlung auf Erde, Wasser oder Eis fällt. Und da Erde, Meer und Eis auf der Nordhalbkugel deutlich anders verteilt sind als auf der Südhalbkugel, wirken sich die beschriebenen Effekte auf den Wärmehaushalt der Erde und damit auf das Klima aus. Diesen zyklischen Veränderungen, deren Ursachen ausserhalb der Erde liegen, sind stochastische Phänomene auf der Erde überlagert, zum Beispiel eine erhöhte vulkanische Tätigkeit. Zurück zur Beobachtung, dass in den letzten 650'000 Jahren sich stets zuerst die Temperatur verändert hat, gefolgt von der CO2-Konzentration. Für diesen zeitlichen Zusammenhang von Temperatur und CO2-Konzentration gibt es aber eine entscheidende Ausnahme. Innerhalb des Beobachtungszeitraumes von rund 650'000 Jahren hat man nur eine einzige Erwärmungsphase gefunden, in welcher zuerst die CO2Konzentration und erst in deren Folge die Temperatur angestiegen ist: Die Zeit seit 42 Aus [4]. Man beachte, dass die Konzentration von Methan in ppb (parts per billion) angegeben ist, also rund 500mal geringer ist als diejenige von CO2. Die Temperatur wird abgeleitet aus der Konzentration von Deuterium und wird in wissenschaftlichen Publikationen meist mit dem Symbol δD bezeichnet. (In [3] sind die entsprechenden Verläufe für die letzten 800'000 Jahre gezeigt, ergänzt noch um das Stickoxid.) 43 Dies gilt aber offenbar nur für die Abfolge von Kalt- und Warmzeiten innerhalb eines Eiszeitalters. Für die Abfolge der Eiszeitalter, also für Zyklen von vielen Millionen Jahren, werden andere Ursachen und andere Mechanismen angenommen. 44 Eine solche Extremsituation ergibt sich zum Beispiel, wenn gleichzeitig die Erdachse sehr schief steht, die Exzentrizität der Erdbahn maximal ist und die Erdachse infolge der Präzession im sonnennächsten Punkt der Erdbahn gegen die Sonne geneigt ist. Weil die entsprechenden Zykluszeiten unterschiedlich sind, kommt das nur sehr selten vor. Die Veränderung der Exzentrizität der Erdbahn und der Schiefstellung der Erdachse kommen wahrscheinlich hauptsächlich durch Einflüsse von Jupiter und Saturn zustande. Vieles, was uns selbstverständlich und gleichbleibend erscheint, ist in grossen Zeiträumen veränderlich. So bleibt zum Beispiel der Polarstern ist nicht immer Polarstern… 18 myblueplanet etwa 1900, also seit Beginn der Verbrennung fossiler Energieträger im grossen Stil. Die Zeit seit 1900 stellt aber noch in einer anderen Hinsicht eine Singularität dar: In den letzten 800'000 Jahren wurde bei der CO2-Konzentration der Atmosphäre der Wert von 300 ppm nie überschritten. 45 Seit 1900 liegt er nun dauernd darüber, mit einem kontinuierlichen Anstieg (S. 16). Auch dies ist mit der Freisetzung von zusätzlichem CO2 durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern plausibel zu erklären. Während für den zeitlichen Zusammenhang von Temperatur und CO2-Konzentration, sowie für die CO2-Konzentration selbst recht klare Aussagen gemacht werden können, ist dies für die Temperatur weit weniger eindeutig. Die Temperatur ist eine wesentlich lokalere und eine rascher schwankende Grösse als die CO2-Konzentration. Innerhalb der letzten 1000 Jahre gab es zwei deutliche Temperaturanomalien, die mittelalterliche Warmzeit um das Jahr 1000 und die „Kleine Eiszeit“ vom 15. bis zum 19. Jahrhundert (siehe Anhang). Beide Anomalien sind fast weltweit nachweisbar, deutlich ausgeprägt waren sie aber vor allem in Mittel- und Nordeuropa. Bei einer globalen Mittelwertsbildung werden diese Anomalien stark geglättet. Es ist aber anzunehmen, dass in Teilen der Nordhemisphäre (v.a. Skandinavien, Island und Grönland) die Temperaturen in der mittelalterlichen Warmzeit zeitweise über der heutigen Temperatur lagen. Die Ursachen dieser Anomalien können zum grösseren Teil aus Schwankungen der Solarkonstante erklärt werden, weitere natürliche Ursachen werden diskutiert. Das Vorhandensein solcher Temperaturanomalien im Mittelalter stellt aber kein Argument gegen die anthropogenen Ursachen der aktuellen Klimaerwärmung dar. Einerseits gibt es keine ausreichenden natürlichen Gründe für eine so starke Erwärmung, andererseits ist der Eingriff des Menschen in die Zusammensetzung der Atmosphäre so gravierend, dass eine Reaktion des Klimasystems fast zwangsläufig zu erwarten ist. Die Schwierigkeit liegt in der Überlagerung von natürlichen und anthropogenen Prozessen. Eine solche Überlagerung ergibt sich aus der speziellen Lage der industriellen Revolution am Ende der Kleinen Eiszeit, also in einer natürlichen Erwärmungsphase. Die aktuelle Erwärmung begann entsprechend auf einem recht tiefen Niveau, und ist dann sehr rasch angestiegen – um 0.8°C in 100 Jahren! Diese Erwärmung ist deutlich stärker und rascher, als am Ende einer relativen Kaltphase natürlicherweise zu erwarten. 46 Die Zuführung von zusätzlichem Kohlenstoff in den Kohlenstoffkreislauf durch die Verbrennung fossiler Energieträger mag die jüngsten Entwicklungen hingegen plausibel und mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zu erklären. 47 Trotzdem bleibt die Tatsache, dass die aktuelle Temperaturentwicklung noch weitgehend im Rahmen der natürlichen Variabilität der letzten 2000 Jahre liegt. 48 Dies ist der Hauptgrund für die meisten klimaskeptischen Positionen. Entscheiden trotz Unsicherheit Sichere Vorhersagen für die Zukunft gibt es nicht und kann es nicht geben. Deshalb gehören Vorhersagen über klimatische Auswirkungen und Unsicherheit zwangsläufig zusammen. In dieser Situation stellen sich zwei grundsätzliche Fragen: a) Wie gross sind die Unsicherheiten? Und b) Wie entscheidet man trotz Unsicherheiten? 45 Wenn man zeitlich jedoch sehr viel weiter zurückgeht, steigt die CO2-Konzentration stark an (siehe Anhang). Bedingt durch den tiefen Startpunkt der aktuellen Erwärmung ist die heutige Temperatur statistisch gesehen noch nicht extrem hoch. Ohne die Kleine Eiszeit sähe das wohl anders aus. Klimaskeptiker führen gerne die mittelalterliche Warmzeit ins Feld, während die Kleine Eiszeit weniger Beachtung findet. So sieht jeder das am liebsten, was ihm passt. 47 Die Klimamodelle sind prinzipiell in der Lage, den anthropogenen Anteil annähernd zu modellieren. Dabei ist zu beachten, dass in der Klimatologie Temperaturen über mindestens 20-30 Jahre gemittelt werden müssen, um von klimatischen Trends sprechen zu können. Kurzzeitige Temperaturschwankungen gelten als „Rauschen“. Wie früher gezeigt, gelten Schwankungen der Solarkonstante als wichtigste natürliche Ursache für eine globale Temperaturerhöhung. Dies ist zurzeit nicht festzustellen. Die Sonne ist seit vielen Jahren aussergewöhnlich „ruhig“. Aber selbstverständlich können bisher unbekannte Ursachen nie ganz ausgeschlossen werden. 48 Die Temperatur folgt der CO2-Konzentration mit einer gewissen Verzögerungszeit, bedingt durch die Pufferwirkung der Ozeane. Der aktuellen CO2-Konzentration würde „eigentlich“ eine höhere mittlere Temperatur der Erde entsprechen. Deshalb würde die Temperatur auch dann noch weiter steigen, wenn die CO2-Zufuhr gestoppt werden könnte. 46 19 myblueplanet Um die Unsicherheiten zu quantifizieren, muss man zuerst wissen, woher sie kommen. Bei Klimaprognosen gibt es drei Klassen von Unsicherheiten, die unabhängig voneinander sind: Unsicherheiten in den Daten, Unsicherheiten in den Modellen und Unsicherheiten in den Annahmen über die zukünftigen Randbedingungen. Während aktuelle Daten – zum Beispiel die mittlere Jahrestemperatur oder die CO2Konzentration – mit hoher Sicherheit messtechnisch erhoben werden können, müssen die Klimadaten früherer Zeiten rekonstruiert werden. Es wurde viel Forschungsaufwand betrieben, um aus lückenhaften und divergierenden Messreihen zuverlässige Aussagen zu gewinnen. Denn wenn die Datenbasis ungenügend oder fehlerhaft ist, so können keine zuverlässigen Prognosen erwartet werden („garbage in – garbage out“). Bei den Modellen liegen die Unsicherheiten vor allem bei den Sekundäreffekten des Treibhauseffektes, während der Primäreffekt wahrscheinlich ausreichend modelliert ist. Insbesondere dort, wo mehrere Effekte in ihren Auswirkungen gegenläufig sind, ist die Modellierung mit grösseren Unsicherheiten behaftet. Die Reduktion solcher Unsicherheiten ist das aktuelle Hauptforschungsgebiet. Dazu gehören Modelle der Wolkenbildung, der Veränderung von Meeresströmungen oder der Reaktion von Ökosystemen. Unsicherheiten in den Daten und in den Modellen können mathematisch beschrieben werden, und daraus lassen sich mit wahrscheinlichkeitstheoretischen Methoden Aussagen über die Zuverlässigkeit der Resultate erarbeiten. Die dritte Klasse von Unsicherheiten ist anders geartet: Für Prognosen, die in die Zukunft gerichtet sind, müssen Annahmen über die dann geltenden Randbedingungen getroffen werden. Zum Beispiel darüber, wie sich der Verbrauch fossiler Energieträger entwickeln wird. Das sind politische, wirtschaftliche und gesellschaftliche Fragen, die zwar klimarelevant sind, aber ausserhalb der Klimaforschung beantwortet werden müssen. Um sie trotzdem in die Klimamodelle einführen zu können, werden verschiedene solcher Annahmen zu Szenarien zusammengefasst und dann parallel untersucht. So erhält man für jedes Szenario eine zugehörige Prognose der klimatischen Leitgrössen. Damit zur zweiten Hauptfrage. Voraussagen zur zukünftigen Entwicklung sind wichtige Entscheidungshilfen. Soll man erneuerbare Energien fördern? Soll man in Klimaschutzprojekte investieren? Soll man globale Lenkungssysteme entwickeln? Aber wie entscheiden, wenn die Prognosen mit Unsicherheiten behaftet sind? Zwei Strategien stehen zur Wahl: Entweder fokussiert man auf die Unsicherheiten und verlangt die Ausräumung dieser Unsicherheiten, bevor über Massnahmen entschieden wird. Denn es darf aus Gründen der Wettbewerbsfähigkeit nicht sein, dass Geld in den Sand gesetzt werden könnte. Oder man fokussiert auf die Tragweite der befürchteten Entwicklung, auch wenn diese nicht mit Sicherheit eintreten wird. Die erste Strategie orientiert sich vorwiegend an wirtschaftlichen Prinzipien, die zweite basiert auf ethischen Wertprinzipien, speziell auf dem Vorsorgeprinzip, das heisst auf der Verantwortung gegenüber folgenden Generationen. Genau genommen sind es aber drei mögliche Strategien, und die dritte ist die Beliebteste: die Vogel-Strauss-Politik. Kopf in den Sand und abwarten, bis das Ungemach vorbei ist. Es ist natürlich schon wahr, dass sich in sehr grossen Zeiträumen auch gravierende ökologische Veränderungen und sogar globale Katastrophen irgendwie und irgendwann wieder ausgleichen. Aber ob uns das Vertrauen darauf gut bekommt? Nach menschlichen Massstäben drohen beim Klimawandel irreversible Folgen, auch wenn diese nach Massstäben der Erde nur kurze, vorübergehende Episoden sind. 20 myblueplanet Anhang Veränderung der CO2-Konzentration über 500 Millionen Jahre Vor 300 bis 400 Millionen Jahren wurden die fossilen Lagerstätten gebildet und die CO2-Konzentration sank stark, weil dem Kohlenstoffkreislauf grosse Mengen Kohlenstoff entzogen wurde. (Auf dem Bild nicht zu sehen: Die maximale CO2-Konzentration betrug etwa 10%, in der „ersten Atmosphäre“ vor etwa 4 Milliarden Jahren. Ein Grossteil davon wurde später in Karbonatgesteinen gebunden.) Temperaturentwicklung der letzten 12'000 Jahre Das Bild zeigt 8 verschiedene Messreihen von unterschiedlichen Orten, sowie der daraus berechnete Mittelwert (dicke Kurve). Auffällig ist die Diskrepanz zwischen der Trendlinie und der aktuell gemessenen Durchschnittstemperatur 2004 Temperaturentwicklung der letzten 2000 Jahre (Zeitpfeil umgekehrt!) Deutlich sichtbar ist die mittelalterliche Warmzeit um das Jahr 1000 sowie die „Kleine Eiszeit“ im 15. – 19. Jh. Die Auswirkungen dieser Anomalien waren regional recht unterschiedlich (rot: nördliche Hemisphäre). Auffällig der sehr rasche Temperaturanstieg am Ende der Kleinen Eiszeit. Die farbigen Linien sind rekonstruiert, die schwarze instrumentell gemessen. 21 myblueplanet Quellen [1] Vorlesung Klima und Wasserkreislauf (Teil Klima) Geographisches Institut Universität Zürich Stephan Bader Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz, Zürich Frühlingssemester 2009 http://www.meteoschweiz.admin.ch/nccr/users/bader-unizh/vorlesung_klima.html [2] Vorlesung Einführung in die Klimamodellierung Prof. Thomas Stocker Physikalisches Institut Universität Bern Frühlingssemester 2008 http://www.climate.unibe.ch/~stocker/papers/skript0405-1.pdf [3] Adrian Schilt, Matthias Baumgartner, Thomas Blunier, Jakob Schwander, Renato Spahni, Hubertus Fischer, Thomas F. Stocker Glacial–interglacial and millennial-scale variations in the atmospheric nitrous oxide concentration during the last 800,000 years Quaternary Science Reviews 29 (2010) 182–192 doi:10.1016/j.quascirev.2009.03.011 [4] Thomas Stocker, 650,000 Years of Climate History from Polar Ice Cores: Greenhouse Gases and Abrupt Climate Change Latsis-Symposium 2006 ETH Zürich vdf Hochschulverlag [5] Felix Würsten Eine beunruhigende Entwicklung ETH Life http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/090522_Waldbericht_fw/index [6] Simone Ulmer Wie das „2°C-Ziel“ erreicht werden kann ETH Life http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/090430_Knutti_Nature_su/index [7] ETH Klimablog, insbesondere http://blogs.ethz.ch/klimablog/klimawissen/nachgefragt/ Die Quellen der Abbildungen sind im Text angegeben (Bilder im Anhang: http://www.globalwarmingart.com )
