Der Klimawandel

Im Jahre 2006 wurde in manchen Medien unter dem Thema Klimawandel von einer zuvor noch nicht da gewesenen Ausdehnung des Ozonloches über der Antarktis berichtet. Aus physikalischer Sicht ist dies nicht korrekt. Von der Entstehung her hat der Klimawandel nichts mit dem „Ozonloch“ zu tun, denn der Klimawandel basiert auf den durch Treibhausgase beruhenden Treibhauseffekt und das Ozonloch auf der Ozonzerstörung durch den Eintrag von ozonzerstörenden Gasen, wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs), in die Atmosphäre. Obwohl zwischen den Ausdrücken differenziert werden sollte, gibt es Zusammenhänge zwischen beiden Prozessen, die in Kapitel 2.5 noch genauer erläutert werden. Korrekterweise müsste man nach THIEL (1999) von „Global Change“ sprechen, möchte man beide Prozesse mit einem Wort beschreiben. Allerdings fallen unter den „Global Change“-Begriff auch Prozesse wie der Landschaftswandel oder die schwindende Artenvielfalt, weshalb er in diesem Zusammenhang zu unpräzise ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher konventionell vom (stratosphärischen) Ozonabbau und dem Klimawandel gesprochen.

Das Klima unterliegt seit der Entstehung der Erde Veränderungen und einer ausgeprägten Variabilität in Raum und Zeit. Die inzwischen relativ gut nachweisbaren Warm- und Kaltzeiten der Vergangenheit sind ein Beleg für diese Variabilität. Die historischen Schwankungen des Klimas basieren auf zahlreichen Prozessen. Die Prozesse lassen sich in terrestrische und extraterrestrische gliedern, wobei unter den terrestrischen beispielsweise die Kontinentaldrift, die Orogenese (Gebirgsbildung), der Vulkanismus, die Veränderung von Bewölkung und Albedo (Verhältnis von Einstrahlung zu Ausstrahlung in Abhängigkeit der Oberfläche) oder die veränderte Zirkulation des Ozeans fallen. Zu den extraterrestrischen Einflüssen zählt beispielsweise die Veränderung der Solarkonstante oder die Variabilität der Erdumlaufbahn um die Sonne (z.B. Milankowitch-Zyklus). Zu all diesen sich überlagernden und gegenseitig beeinflussenden Prozessen ist seit etwa 100 Jahren – einhergehend mit der Industrialisierung – der anthropogene Einfluss auf das Klima dazugekommen.

Ist von dem anthropogenen Einfluss auf das Klima die Rede, so ist der vom Menschen verursachte Treibhauseffekt gemeint. „Vom Menschen verursacht“ ist insofern hervorzuheben, da es auch einen natürlichen Treibhauseffekt gibt, der erst das Leben auf der Erde ermöglicht. Der natürliche Treibhauseffekt beruht vor allem auf dem Vorhandensein von Wasserdampf in der Atmosphäre, ohne den die Temperatur auf der Erdoberfläche etwa –18 °C beträge. In Form von Wasserdampf gilt Wasser in der Atmosphäre somit als natürliches Treibhausgas und bewirkt 62 % des Treibhauseffektes.

Der Treibhauseffekt entsteht, indem kurzwellige solare Strahlung in die Atmosphäre eindringt und von der Erdoberfläche absorbiert wird, d.h. Strahlungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Fortan emittiert die Erde nicht kurzwellige, sondern auch langwellige Strahlung. Diese kann aufgrund ihrer veränderten Wellenlänge die Atmosphäre nicht ungehindert verlassen, da sie von Wasserdampf und atmosphärischen Spurengasen wie CO2 (22 %), N2O (4 %), O3 (7 %) (SCHÖNWIESE, 1994) oder CH4 (18 %) (HÄCKEL, 1999) absorbiert wird. Die Konsequenz ist, dass sich die Temperatur in den Luftschichten bzw. in der Atmosphäre erhöht, da die Strahlungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Dies ist grundsätzlich ein natürlicher Prozess. Erst der verstärkte Eintrag dieser Gase durch den Menschen verursacht den so genannten anthropogenen Treibhauseffekt. CO2 ist dabei ein sehr wirksames Treibhausgas, das eindrucksvoll am Beispiel der Venus gezeigt werden kann. Nach HÄCKEL (1999) enthält die Atmosphäre der Venus über 95 % CO2 und bewirkt damit einen so großen Treibhauseffekt, dass die Oberflächentemperatur über 460 °C beträgt. Der Effekt auf der Venus ist sicherlich ein Extrem, macht aber die potentielle Wirkung dieses Gases deutlich.

In der Abbildung 4 ist die atmosphärische CO2-Konzentration der Erde dargestellt. Die Abbildung zeigt die beobachtete CO2-Konzentration zwischen 1850 und 2000 sowie den berechneten Anstieg auf Basis der SRES-Szenarien (SRES = Second Report on Emission Szenarios) bis 2100. Die SRES-Szenarien lassen sich nach Bevölkerungswachstum, soziale- und ökonomische Entwicklung, technologische Veränderungen, Nutzung von Ressourcen und Umweltmanagement in vier Hauptgruppen (A1, A2, B1, B2) gliedern.

Grundsätzlich sind die A-Szenarien eher ökonomisch, die B-Szenarien eher umweltorientiert; die 1er-Szenarien global und die 2er-Szenarien eher regional orientiert.

Die A1-Szenarien basieren auf der Annahme einer weiter stark wachsenden Wirtschaft und Weltbevölkerung bis etwa 2050, einer schnellen Einführung neuer und effizienter Technologien sowie einer zunehmenden Globalisierung (Entwicklungsdisparitäten gleichen sich aus). Die Szenarien lassen sich zusätzlich nach der Nutzung von

Nutzung nicht-fossiler Energieträger), A1B (Mischung aus fossilen und nicht-fossilen Energieträgern). Das A2-Szenario geht von einer weiter wachsenden Weltbevölkerung bis etwa 2050 und einem entsprechend steigenden Energieverbrauch aus, wobei der technologische Fortschritt bzw. Wandel nur langsam einsetzt und auch regional begrenzt ist. Wie das A1-Szenario geht auch das B1-Szenario von einer wachsenden Weltbevölkerung mit entsprechendem Rohstoffverbrauch aus, allerdings wird die Energie nicht mehr überwiegend aus fossilen Rohstoffen, sondern aus einem Energiemix gewonnen. Zudem tritt global die Dienstleistungs- und Informationsökonomie mit einer verstärkten Einführung sauberer und ressourcenschonender Technologien in den Vordergrund. Das B2-Szenario orientiert sich prinzipiell am A2-Szenario, setzt aber auf eine geringere Zunahme der Weltbevölkerung, eine mäßigere Wirtschaftsentwicklung sowie einen weniger schnell einsetzenden technologischen Wandel als im A1- und B1-Szenario (MEEHL et al., 2007). Die Abbildung 4 zeigt, dass die CO2-Konzentration in der Atmosphäre mit der Industrialisierung stark angestiegen ist, dies gilt vor allem für die Mitte des 20. Jahrhunderts. Je nach Szenario, ist eine in der Ausprägung unterschiedlich starke Zunahme des CO2 im 21. Jahrhundert erkennbar. Entsprechend der Annahme im A2-Szenario, fällt diese besonders hoch aus.

Abbildung 4: Beobachtete und modellierte (nach IPCC-Szenarien) Entwicklung der CO2-Konzentration zwischen 1850 und 2100. Quelle: MPI, 2006.

Nach FEICHTER et al. (2007) betrug die vorindustrielle CO2-Konzentration 280 ppmv (ppmv

= Parts per Million als Volumenmischungsverhältnis). Bis ins Jahr 2006 ist sie auf 378 ppmv angestiegen und wird je nach Szenario mit ca. 550 bis über 800 ppmv für 2100 berechnet. Die Methankonzentration (CH4) stieg im selben Zeitraum von 0,7 auf 1,78

ppmv, das N2O von 0,27 auf 0,32 ppmv. Im Vergleich zum CO2 erscheint diese Zunahme relativ gering, allerdings handelt es sich bei Methan um ein sehr wirksames Treibhausgas.

Methan ist im Vergleich zum CO2 (ca. 120 Jahre Lebensdauer) um den Faktor 25 wirksamer, hat aber eine wesentlich geringere Lebensdauer (ca. 10 – 15 Jahre) in der Atmosphäre.

Entsprechend den Szenarien in Abbildung 4 wird deutlich, wie sich die CO2-Konzentration in der Zukunft entwickeln kann. Der bisherige Verlauf der CO2-Konzentration war nach SCHÖNWIESE (1994) ein unzweifelhafter Beleg dafür, dass der stark ansteigende Eintrag des Treibhausgases anthropogen bedingt sein muss. Diese Annahme wird inzwischen kaum noch bestritten. Der zeitliche Verlauf der CO2-Konzentration kann gut in Zusammenhang mit dem in Abbildung 5 erkennbaren Temperaturverlauf gebracht werden.

Obwohl dem CO2 Eintrag die Hauptrolle zugeschrieben wird, sei nochmals erwähnt, dass das Gas nicht die alleinige Ursache für eine Temperaturerwärmung ist, sondern weitere Gase wie Methan oder Stickoxide beachtet werden müssen.

Die Abbildung 5 zeigt den Verlauf der jährlich gemittelten, globalen Temperaturanomalie (linke Ordinate) sowie die geschätzte globale Mitteltemperatur (rechte Ordinate). Die Daten entstammen einer Reanalyse des HadCRUT3-Modells. Das Modell wurde am Hadley-Centre (U.K.) entwickelt. Beim Modell handelt um ein globales, gekoppeltes Klimamodell, d.h. es wird ein Atmosphärenmodell mit einem Ozeanmodell gekoppelt. Die Auflösung des Modells beträgt 0,5°; die Reanalyse wird bis 1850 berechnet. Bei Reanalysen handelt es sich prinzipiell um Modellierungen der Vergangenheit, um etwa die Validität des Modells mit Beobachtungen prüfen zu können, oder um vollständige Datenreihen zu erhalten. Die schwarzen Punkte zeigen die jährlichen Mittelwerte, die dünne graue Linie den geglätteten Verlauf der Temperatur. Die eingefügten farblichen Geraden kennzeichnen die Temperaturentwicklung einzelner Zeitperioden. Dabei ist deutlich der zunehmende Anstieg der globalen Jahresmitteltemperatur zu erkennen, was vor allem für die kurzen Perioden (25, 50 Jahre) gilt. Die Abbildung 5 zeigt – wie auch der Anstieg der CO2-Konzentration in Abbildung 4 – einen deutlichen Anstieg seit der Industrialisierung und belegt den Zusammenhang zwischen den Eintrag von Treibhausgasen und einer steigenden Temperatur.

Abbildung 5: Verlauf der jährlich gemittelten, globalen Temperaturanomalie (1850 – 2010) (HadCRUT3).

Quelle: JNCC, 2008.

Entsprechend der steigenden Emissionen von Treibhausgasen wird sich die Erdmitteltemperatur je nach Emissionsszenario bis zum Ende des Jahrhunderts verändern. Abgesehen von regionalen Ausnahmen kann global von einer Temperaturzunahme ausgegangen werden.

Abbildung 6: Beobachtete und modellierte (nach IPCC-Szenarien) globale jährliche Erdmitteltemperatur in Erdbodennähe in °C. Referenzzeitraum 1961 – 1990. Quelle: MPI, 2006.

Die Abbildung 6 zeigt den nach ausgewählten IPCC-Szenarien modellierten Temperaturverlauf (globale jährliche Erdmitteltemperatur) bis ins Jahr 2100. Je nach Szenario wurden für das Jahr 2100 Temperaturen zwischen 2,5 °C und 4,1 °C (positive Anomalie) im Vergleich zum langjährigen Mittel (1961 – 1990) berechnet. Verglichen mit

der Abbildung 4 wird der enge Zusammenhang der modellierten Temperatur mit dem CO2 -Anstieg deutlich. Auch wenn der Grund für die Temperaturerhöhung nicht alleine im CO2 -Eintrag zu suchen ist, so nimmt das Treibhausgas eine zentrale Rolle hinsichtlich des Temperaturanstieges ein.

Zum Abschluss dieses Kapitels und zur Überleitung zum nächsten Kapitel zeigt die Abbildung 7 die Climate Forcings (W/m²) nach Schätzungen von HANSEN (2000).

Abbildung 7: Geschätzte klimawirksame Kräfte zwischen 1850 und 2000. Quelle: HANSEN, 2000.

Der Begriff „Climate Forcings“ beschreibt Kräfte, die das Klimasystem in ein neues Gleichgewicht „zwingen“. Aufgeteilt ist die Abbildung 7 in Treibhausgase und andere anthropogene Kräfte sowie natürliche Einflüsse (Sonne oder Vulkanismus). Zudem zeigt die Y-Achse den Beitrag zur Energiebilanz. Deutlich wird, dass den Treibhausgasen direkt oder indirekt sowie den anderen anthropogenen Einflüsse (v.a. CO2) eine starke Bedeutung als Climate Forcings zukommt. Es wird ebenfalls deutlich, dass der Einfluss der Sonne keineswegs zu vernachlässigen ist. Zwar ist er deutlich kleiner als der Einfluss der Treibhausgase (in Summe), doch wird sich im nächsten Kapitel zeigen, welche klimawirksamen Prozesse die Sonne beeinflussen kann.

Kernaussagen: Das Klima

• Trennung zwischen Klimawandel (Treibhauseffekt) und Ozonloch (Eintrag von ozonzerstörenden Substanzen)

• Je nach Szenario unterschiedlich stark prognostizierter CO2-Anstieg (von 550 bis 800 ppmv) der Treibhausgase bis 2100

• Je nach Szenario prognostizierter Anstieg der Erdmitteltemperatur zwischen 2,5 °C und 4,1 °C bis 2100