Kitabı oxu: «Klimawandel - Klimakrise - Klimakollaps»

Klimawandel: Fakten und Ursachen Eine naturwissenschaftliche Perspektive
Reinhard Zellner

Das Klima der Erde ist nicht konstant. Es hat sich in der Erdgeschichte vielfach geändert und wird sich weiter ändern. Allerdings sind die Zeiträume, über die sich solche Änderungen vollziehen, extrem unterschiedlich und die Ursachen verschieden. Unter den natürlichen Ursachen dominieren die zyklischen Änderungen der Erdbahnparameter, die sog. Milankovic-Zyklen, die uns alle 40.000–100.000 Jahre eine Eiszeit beschert haben und die uns sicherlich in ca. 10.000 Jahren in eine neue Eiszeit führen werden. Diese Zyklen erzeugen eine Änderung der Sonneneinstrahlung um ±100 W/m². Mit etwa +2,3 W/m² ist der heute beobachtete menschengemachte Beitrag zu den Klimaänderungen klein im Vergleich zu dem durch die Erdbahnparameter. Was ihn aber bedrohlich macht, ist die Geschwindigkeit des heutigen Wandels. Seit Ende der letzten Eiszeit, dem Holozän, vor gut 10.000 Jahren hat sich die globale Temperatur der Erde praktisch nicht verändert. Allein erkennbar war ein moderates mittelalterliches Klimaoptimum, gefolgt von einer sog. kleinen Eiszeit im 16. und 17. Jahrhundert. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts aber wächst die globale Temperatur ständig an. Was ist passiert?

Das Wachstum der Weltbevölkerung

Der vielleicht wichtigste Grund ist das Wachstum der Weltbevölkerung. Die Spezies Mensch existiert auf der Erde seit etwa 200.000 Jahren, also erst seit sehr kurzer Zeit im Vergleich zum Alter der Erde von ca. 5 Mrd. Jahren. Vor etwa 10.000 Jahren, dem Ende der letzten Eiszeit, lebten auf der Erde erst ca. 1 Mio. Menschen. Mit den lebens- und siedlungsfreundlicheren Bedingungen der beginnenden Warmzeit nahm die Weltbevölkerung langsam aber – abgesehen von Kriegen, größeren Naturkatastrophen oder Pandemien – stetig zu; um 1800 waren es bereits 1 Mrd. Menschen. Mit den zivilisatorischen Ereignissen der landwirtschaftlichen und wissenschaftlichen bzw. medizinischen Revolution sowie der beginnenden Industrialisierung setzte sich das Wachstum der Weltbevölkerung fort. Um 1960, einer Zeit also, die viele der heute Lebenden noch persönlich kennen, waren es bereits 3 Mrd. Bis heute (2020) hat sich die Bevölkerung auf 7,5 Mrd. erhöht, sich also während der Lebenszeit eines Menschen mehr als verdoppelt. Jährlich wächst die Weltbevölkerung heute um etwa 80 Mio. Menschen, die Gesamteinwohnerzahl Deutschlands. Der positive Trend hält weiter an. 2050 werden wir vermutlich bereits 9 Mrd. sein. D. h. wir erleben seit einigen Jahrzehnten einen starken und ungebrochenen Bevölkerungszuwachs, wobei sich die besonders hohen Wachstumsraten von ehemals Südostasien nunmehr auf Afrika verlagert haben. Der Bevölkerungsdruck löst auch einen enormen Nachfrageprozess aus, in dem immer mehr Menschen den Bedarf an Wasser, Nahrungsmitteln, Landoberfläche, Transport und Energie erhöhen und damit die natürlichen Ressourcen unserer Erde, seine geologischen Energiereserven, seine natürliche Produktivität, aber auch die Aufnahmefähigkeit für unsere zivilisatorischen und industriellen »Abfälle« strapazieren. Bereits in den 1960ern hat der Club of Rome erstmals mit dem Buch über »Die Grenzen des Wachstums« auf dieses Problem aufmerksam gemacht. Allerdings hatten die damaligen Autoren mehr das Ende der Ressourcenverfügbarkeit bei Wasser und den fossilen Energieträgern im Blick als z. B. den Klimawandel. Heute wissen wir, dass aufgrund der gestiegenen Emissionen von CO₂ und anderen Klimagasen die Menschheit eher durch den Klimawandel bedroht wird als durch die Endlichkeit unserer fossilen Energieträger. Wir dürfen es uns längst nicht mehr leisten, alle verbliebenen Energiereserven zu explorieren, zu fördern oder jemals zu nutzen.

Die Veränderung der globalen Lufttemperaturen

Die Temperatur der bodennahen Luft hat sich seit Beginn der Industrialisierung, also seitdem Menschen fossilen Kohlenstoff in verstärktem Maß verbrennen, erhöht – in Deutschland z. B. um 1,3 °C. Ähnlich stark wie in Deutschland sieht der Temperaturtrend auch im global gemittelten Maßstab aus, nämlich +1,2 °C seit Ende des 19. Jahrhunderts. Allerdings verläuft die Temperaturzunahme nicht linear mit der Zeit oder mit der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre, da sich natürliche Phänomene und anthropogene Ursachen überlappen, und sie ist auch nicht gleich über Land- und Ozeanflächen ( Abb. 1).

Abb. 1: Entwicklung der globalen Lufttemperaturen über Land- und Ozeanflächen seit 1860 (Quelle: nach BerkeleyEarth.com 2020).

Natürliche Effekte, wie etwa der Vulkanismus, modifizieren die Temperaturentwicklung und auch deren Zuwachs. So wird der Anstieg in den Jahren 1900–1950 im Wesentlichen auf den Rückgang des globalen Vulkanismus zurückgeführt. Besonders stark ist die Erwärmung seit den 60er-Jahren des vorangehenden Jahrhunderts. Die seither beobachtete Temperaturzunahme übersteigt die Erwartungen bekannter natürlicher Effekte. Dies gilt u. a. für den Beitrag durch die variierende Leuchtkraft der Sonne, die sich periodisch im 11-jährigen Zyklus der Sonnenflecken ändert, deren Auswirkung auf die langfristige Temperaturänderung aber nur gering ist. Seit 1990 häufen sich darüber hinaus Jahre mit immer höherer Jahresmitteltemperatur. Während diese z. B. in Deutschland vor 100 Jahren noch bei 8,5 °C lag, erleben wir seit gut 20 Jahren mittlere Temperaturen von 9,5–10,5 °C. Mit 10,5 °C war das Jahr 2018 das bisher wärmste in Deutschland in dieser Dekade, gefolgt von 2014 und 2019 mit je 10,3 °C.

Der Temperaturanstieg wird von der Klimawissenschaft eindeutig auf die zunehmende CO₂-Konzentration in der Atmosphäre zurückgeführt. Damit verbunden sind Folgeeffekte wie das Schmelzen der Kontinentalgletscher, der Rückgang des arktischen Polareises, die Änderung und Verteilung der Niederschlagsintensität oder die Zunahme der Wirbelstürme. Hinzu kommt der Anstieg des Meeresspiegels. Dieser steigt heute mit einer Rate von 3,3 mm pro Jahr und hat sich seit Beginn der 1990er um etwa 8 cm erhöht. Davon ist etwa ⅓ auf die thermische Ausdehnung und ⅔ auf das Schmelzen von Gletschern und Eisschilden zurückzuführen.

Es steht deshalb außer Zweifel, dass sich unser Klima ändert, und zwar menschengemacht. Eine solche Änderung nimmt der Einzelne allerdings vor allem durch die indirekten Folgeeffekte wahr, etwa durch Überschwemmungen, Hitzewellen oder Dürren. Der Temperaturanstieg selbst bleibt praktisch unbemerkt. Je nach persönlicher Befindlichkeit mindert oder verstärkt dies das Problembewusstsein gegenüber dem Klimawandel und manchmal auch das Vertrauen in die Klimaforschung sowie die Glaubwürdigkeit ihrer z. T. unbequemen Voraussagen.

Klimaänderung ist keine regionale Besonderheit, sondern es ändert sich überall. Regional differenzierte Analysen haben jedoch gezeigt, dass sich der Globus keinesfalls einheitlich erwärmt. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Erwärmungsraten besteht zwischen Land- und Ozeanoberflächen. Die Kontinente erwärmen sich schneller als die Ozeane. Dies wird im Wesentlichen verursacht durch die hohe Wärmekapazität und die Dynamik der Ozeane, die dafür sorgen, dass die Erwärmung der Luft gedämpft und verzögert wird. Besonders auffällig ist dieser Effekt in Regionen mit bekannter Tiefenwasserbildung wie im Nordatlantik, wo sich die Luft deutlich weniger stark erwärmt hat als in der Umgebung.

Ein weiterer Unterschied besteht zwischen den Polarregionen. Während sich die Südpolarregion kaum von dem globalen Temperaturtrend unterscheidet, zeigt die Nordpolarregion mit etwa +2,5 °C einen etwa doppelt so hohen Temperaturzuwachs wie der Globus insgesamt. Dies hatte bedeutende Auswirkungen auf die Kryosphäre, also das Vorkommen von Schnee und Eis, in der Nordhemisphäre. Das Meereis der Arktis ist in relativ kurzer Zeit geschwunden, und zwar sowohl in den Wintern (–8 %), besonders stark aber in den Sommern (–40 %) der letzten 40 Jahre. Größere Eisverluste werden auch bei den kontinentalen Gebirgsgletschern und beim grönländischen Eisschild, die gemeinsam mit der Antarktis 99 % der globalen Süßwasserreserve darstellen, beobachtet. Eine besondere Besorgnis stellen die sog. Permafrostböden dar, die sich in Nordamerika (Kanada, Alaska) und im gesamten Norden Russlands einschließlich Sibiriens befinden. Diese Böden sind u. a. Speicher von Methan, das im Falle des Abtauens aufgrund der Temperaturerhöhung freigesetzt wird und den Klimawandel verstärkt.

Das Klimasystem und seine Subsysteme

Das Klima der Erde wird – anders als das Wetter – nicht nur durch die Atmosphäre bestimmt, sondern auch durch die Kompartimente der Erdoberfläche wie Hydrosphäre, Kryosphäre, Landoberfläche und die Biosphäre. Allein die Lithosphäre, also der steinerne Teil des Erdmantels mit z. B. den Carbonatgesteinen, nimmt nicht am Klimageschehen teil, zumindest nicht auf der Zeitskala von einigen zehn bzw. hundert Jahren, die uns hier interessieren.

Das Klimasystem ( Abb. 2) wird durch die Strahlung der Sonne aufgeheizt und angetrieben und durch die Abstrahlung von terrestrischer Wärmestrahlung gekühlt (s. u. Treibhauseffekt und Strahlungsgleichgewicht). Die Wechselwirkung der einzelnen Subkompartimente untereinander modifiziert die jeweiligen Energieströme. Von ganz wesentlicher Bedeutung ist der Wasserkreislauf. Dieser wird durch die Verdunstung an der Meeresoberfläche und – in geringerem Ausmaß – auch an den Landoberflächen angeregt. In den kälteren Schichten der Troposphäre, wo der Wasserdampf den Sättigungsdruck übersteigt, kondensiert der Wasserdampf und bildet Wolken. Dabei wird Kondensationswärme freigesetzt und die umgebende Luft heizt sich auf. Durch den Niederschlag schließlich gelangt das Wasser zurück auf die Oberfläche. Die Atmosphäre enthält zwar nur 0,001 % des gesamten auf der Erde verfügbaren Wassers, für die Energiebilanz der unteren Atmosphäre ist der Wasserkreislauf allerdings von großer Bedeutung. Die tropischen Wirbelstürme beispielsweise gewinnen ihre Energie allein aus der Kondensation des zuvor an der Ozeanoberfläche verdunsteten Wassers.

Abb. 2: Vereinfachtes Schema des Klimasystems der Erde und seiner Subsysteme (eigene Darstellung).

Wasserdampf selbst ist ein starkes klimawirksames Gas, das die terrestrische Wärmestrahlung absorbiert, ihre Abstrahlung in den Weltraum blockiert und die Atmosphäre erwärmt. Wolken dagegen reflektieren auch die Sonnenstrahlung und kühlen. Wasser als Gas oder als Tröpfchen ist daher bezüglich seiner Klimawirkung ambivalent. Seine Netto-Wirkung im Klimasystem ist am Tage anders als in der Nacht. Während am Tage und bei tieferliegender Bewölkung der kühlende Effekt der Wolken dominiert, ist es während der Nacht, wenn die Sonne nicht scheint, genau umgekehrt: jetzt wärmen die Wolken. Unter einem wolkenbedeckten Himmel ist es nachts immer wärmer als unter einem wolkenlosen.

Allein mit Wasserdampf und Wolken ist das Klimasubsystem Hydrosphäre allerdings längst nicht vollständig beschrieben. Die Ozeane lösen und speichern atmosphärisches CO₂ in Form von Hydrogencarbonat (HCO₃^–). Entsprechend dem Henry’schen Gesetz wächst mit steigendem CO₂-Partialdruck in der Luft auch die gelöste Menge. Diese Mengen sind beträchtlich: Von den 43 Mrd. Tonnen CO₂ (1 Mrd. t = 1 Gigatonne, Gt), die jährlich global anthropogen emittiert werden, werden etwa 23 % in den Ozeanen gespeichert. Insgesamt sind die Ozeane die Giganten unter den Kohlenstoffreservoiren der Erde. Die Speicherung von CO₂ in den Ozeanen verringert einerseits die atmosphärische Erwärmung durch den CO₂-Anstieg. Durch Reaktion des gelösten CO₂ mit dem Wasser werden aber neben den Hydrogencarbonat-Ionen auch Wasserstoff-Ionen (Protonen, H⁺) gebildet, die das Wasser versauern und den pH-Wert senken. Ein saurer werdender Ozean aber behindert die Biomineralisation von Korallen und führt zu deren Absterben. Auch die Aufnahmefähigkeit der Ozeane für künftiges CO₂ wird mit wachsender Versauerung verringert.

Wasser existiert auf der Erde auch in Form von Schnee und Eis. Bezüglich der einfallenden Sonnenstrahlung haben eis- und schneebedeckte Oberflächen eine kühlende Wirkung, da sie die Solarstrahlung viel stärker als dunklere Oberflächen reflektieren und damit die Bodenerwärmung verringern. Schwindende Eisflächen – wie im Nordpolarbereich – verringern diesen Effekt und heizen die Erwärmung weiter an. Anthropogene Veränderungen der Eisflächen, z. B. durch die Ablagerung von Rußteilchen, verstärken diesen Effekt weiter. Dies gilt z. B. für einige der großen Eisflächen der Himalaya-Gletscher, die durch die verschmutzte, rußhaltige Luft aus Nordindien verändert werden.

Die Landbiosphäre ist genau wie die Ozeane eine Senke für atmosphärisches CO₂. Der jährliche natürliche CO₂-Austausch zwischen stehender Biomasse und der Atmosphäre durch Photosynthese einerseits und Veratmung andererseits ist mit ca. 450 Gt CO₂ einer der größten Kohlenstoffkreisläufe der Erde. Nur etwa 12,5 Gt CO₂ – oder 31 % der anthropogenen CO₂-Emission in 2019 – bleiben allerdings längerfristig in Stamm und Wurzelwerk gespeichert ( Abb. 3).

Anthropogene CO₂-Emissionen entstehen auch durch Änderung der Landnutzung. Während die Umwandlung von Waldgebieten in Ackerland in Europa und Nordamerika ursprünglich die Hauptquelle der CO₂-Emissionen war, hat sich die Ackerfläche hier in den letzten Jahrzehnten kaum noch ausgeweitet, und ist – teilweise auch durch Wiederaufforstung – zurückgegangen. Dafür hat die Abholzung der tropischen Regenwälder zugenommen. Sie hat mit 14 % oder 5,7 Gt CO₂ pro Jahr in der letzten Dekade zu den anthropogenen Emissionen beigetragen. Die Emissionen aus Abholzung sind absolut leicht gewachsen, aufgrund des stärkeren Zuwachses der CO₂-Emissionen aus anderen Quellen ist ihr Anteil aber gesunken. In den 60er-Jahren z. B. betrug der Anteil noch 39 %.

Abb. 3: Quellen und Senken des anthropogen produzierten CO₂ (Quelle: eigene Darstellung nach The Global Carbon Project 2020).

Strahlung in der Atmosphäre und der Treibhauseffekt

Die Erde wird von der Sonne (UV-VIS Strahlung) erwärmt und durch die Abstrahlung von Wärme (IR-Strahlung) in den Weltraum gekühlt. Energetisch gesehen müssen beide Prozesse gleich sein, denn sonst könnte die Temperatur auf der Erde längerfristig nicht konstant sein. An diesem Austausch nimmt aber nicht nur die Erdoberfläche, sondern auch die Atmosphäre aufgrund des Treibhauseffektes teil. Der Treibhauseffekt wird erzeugt durch sog. Klimagase wie H₂O, CO₂, N₂O, Ozon, FCKW u. a., die die terrestrische Wärmestrahlung, die eigentlich den Globus kühlt, in der Atmosphäre zurückzuhalten und teilweise zurückzustrahlen. Dafür verantwortlich ist eine besondere Eigenschaft der Moleküle der Klimagase: Ihre inneren Bewegungen (Schwingungen und Rotationen) können durch IR-Strahlung angeregt werden, sodass diese Strahlung aufgenommen und der terrestrischen Wärmestrahlung entzogen wird. Umgekehrt können solche Moleküle die absorbierte Strahlung aber auch wieder abgeben. Die Hauptgase der Atmosphäre, Stickstoff und Sauerstoff, haben diese Eigenschaft nicht und sind deshalb keine Treibhausgase. Die Rückstrahlung von Wärme durch die Klimagase verstärkt den Energiefluss in Richtung Boden und erhöht dessen Temperatur ( Abb. 4).

Die Sonne strahlt außerhalb der Atmosphäre mit einer in etwa konstanten Strahlungsleistung von 340 W/m². Auf einer (hypothetischen) Erde ohne Klimagase würde dies zu einer absorbierten Leistung in der Atmosphäre und am Boden von 161+79 = 240 W/m² führen. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz für die Beziehung zwischen Strahlungsleistung und Temperatur (L = σ·T⁴), entspricht diese Leistung einer Temperatur von 255 K, also –18 °C. Die tatsächliche mittlere Temperatur des Erdbodens ist aber 288 K oder +15 °C. Den Temperaturunterschied zwischen –18 °C und +15 °C, also 33 °C, verursacht der »natürliche« Treibhauseffekt. Der Treibhauseffekt ist deshalb ein Segen für die Erde und die Menschheit. »Natürlich« nennt man ihn deshalb, weil die verursachenden Treibhausgase auch in der ungestörten Atmosphäre bereits vorhanden sind. Das bei weitem stärkste Treibhausgas ist der Wasserdampf; danach folgen Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Ozon (O₃) und Distickstoffoxid (N₂O).

Die Treibhausgase verhindern, dass Wärmestrahlung vom Boden direkt in den Weltraum entweicht. Ab einer bestimmten Höhe wird die Konzentration der Treibhausgase aber so klein, dass sie die aus niederen Schichten kommende IR-Strahlung nicht mehr absorbieren können und diese ungehindert ins Weltall entweicht. Diese Höhe nennt man die effektive Strahlungshöhe der terrestrischen Abstrahlung. Sie beträgt etwa 5 km. Auf dieser Höhe beträgt die Durchschnittstemperatur der Atmosphäre tatsächlich die nach Stefan-Boltzmann für eine Strahlung von 240 W/m² berechneten –18 °C. Die Erde sieht von außen – per Satellit im IR-Bereich betrachtet – wie ein strahlender Körper eben dieser Temperatur aus. Wenn die Konzentration der Treibhausgase zunimmt, so wandert die effektiv strahlende Schicht zu größeren Höhen, wo es kälter ist und weniger Energie abgestrahlt wird. Um dieses Defizit wieder auszugleichen, muss die Bodentemperatur weiter ansteigen. Dies passiert beim anthropogenen Treibhauseffekt. Wie wir heute wissen, kann der Treibhauseffekt dadurch auch zum Fluch werden, dann nämlich, wenn wir menschengemachte Treibhausgase wie CO₂, CH₄, N₂O oder FCKW ungebremst in die Atmosphäre entlassen und damit deren Temperatur und die des Bodens weiter erhöhen. Dieser sog. anthropogene Treibhauseffekt produziert derzeit eine zusätzliche Strahlungsleistung von etwa 3 W/m². Dies ist nur gut 1 % der gesamten Strahlungsleistung, allerdings ist die dadurch verursachte Temperaturerhöhung dennoch besorgniserregend.

Abb. 4: Solare und terrestrische Strahlungsflüsse in der Atmosphäre (Quelle: IPCC 2014 und Wild et al. 2018). Helle Pfeile sind solare UV-VIS-Flüsse, dunkle Pfeile sind IR-Flüsse. TOA = Top of Atmosphere. In der Klimaforschung wird die Strahlungsleistung in der Atmosphäre auch als Strahlungsantrieb (Radiative Forcing, RF) bezeichnet.

Dass ein anthropogener Treibhauseffekt existiert und die Temperaturerhöhung anthropogen verursacht ist, wird immer noch von einigen Klimaskeptikern bezweifelt. Allerdings ist allein auf der Basis eines einfachen Strahlungsgleichgewichtsmodells eine bodennahe mittlere Temperatur von +18 °C ein Beweis dafür. Ein unabhängiger Beleg kommt aus der Beobachtung der mittleren Temperatur der unteren Stratosphäre in etwa 15 km Höhe. Diese nimmt seit einigen Jahrzehnten stetig ab, was ebenfalls mit dem Treibhauseffekt erklärbar ist. Kohlendioxid ist in diesem Teil der Atmosphäre aufgrund seiner starken IR-Emission das bedeutendste kühlende Gas. Wenn seine Konzentration steigt, nimmt die Abkühlung zu und die Temperatur wird kleiner.

Eine wesentliche Aufgabe der Klimamodellierung der vorangehenden Jahre war, die beobachtete Temperaturzunahme den eigentlichen Verursachern zuzuordnen. Dies dient insbesondere der Erkenntnis, ob der Klimawandel tatsächlich vom Menschen verursacht ist oder ggf. andere Gründe hat. Im Zeitraum 1951–2010 hätten die anthropogenen Klimagase einen Anstieg von fast 0,9 °C, deutlich mehr als die Beobachtungen (0,6 °C), zeigen müssen ( Abb. 5). Der Unterschied wird zurückgeführt auf die gleichzeitig wirkende Abkühlung des Globus durch das anthropogene Aerosol. Hierbei handelt es sich um Schwebteilchen menschlichen Ursprungs wie Ruß, Sulfat-, Nitrat- und organische Teilchen, die aus Verbrennungsprozessen (Wald- und Buschfeuer, Automobil- und Luftverkehr, Schifffahrt) sowie in Landwirtschaft und Industrie oder bei der Energiegewinnung entstehen.

Abb. 5: Verursacher des anthropogenen Klimawandels nach Modellanalysen des Temperaturanstiegs im Zeitraum 1951–2010 (eigene Darstellung nach IPCC 2014)

Diese Aerosole reflektieren das Sonnenlicht und kühlen den Globus. Dies ist der sog. direkte Aerosoleffekt, der bei Kenntnis der Aerosolart und deren Verteilung einigermaßen gut abgeschätzt werden kann. Darüber hinaus existiert aber auch noch ein sog. indirekter Aerosol-Effekt oder Twomey-Effekt. In diesem Fall agiert das Aerosol in Form eines Kondensationskeimes bei der Wolkenbildung. Je mehr Keime in einer Luftmasse enthalten sind, umso mehr Tröpfchen werden gebildet. Bei einem vorgegebenen Feuchtigkeitsgehalt bedeutet dies, dass sich der kondensierbare Wassergehalt auf mehr kleinere Tröpfchen verteilt. Diese haben eine größere Rückstreuwirkung als weniger größere Tröpfchen. Die entstehende Wolke ist deshalb weißer und führt zu einer stärkeren Kühlung. Die Unsicherheit der Wirkung der Aerosole ist allerdings hoch. Dennoch: Die Aussage der Abb. 5 ist insofern von großer Bedeutung, dass sie die Ursache des Temperaturanstiegs mit über 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit der menschlichen Tätigkeit zurechnet.

Wegen der vielfältigen Effekte, die ein Temperaturanstieg durch Klimagase in den anderen Klimakompartimenten auslösen kann, ist der Klimawandel nicht ausreichend durch den Strahlungseffekt der Klimagase allein beschrieben. Die Klimaforschung spricht von Rückkopplungen, die entweder positiv oder negativ sein können, je nachdem ob sie den Temperatureffekt der Klimagase verstärken oder schwächen. Die weitere Erhöhung der Temperatur aufgrund der Zunahme der Konzentration des Wasserdampfes ist eine positive, also den Klimawandel verstärkende Rückkopplung. Die begleitende Erhöhung der Wolkenhäufigkeit ist ambivalent: Sie ist positiv bezüglich der IR-Wirkung der Wolken und negativ bezüglich der UV-VIS-Rückstreuung. Das Schmelzen der Eisflächen reduziert die Rückstreukraft des Bodens und ist deshalb ebenfalls positiv usw. In Gänze ist die kombinierte Erwärmungswirkung von Klimagasen und Rückkopplungen deutlich größer als die durch die Klimagase allein. Die genauere Berechnung dieser Effekte oder auch nur deren Abschätzung erfordert eine extrem gute Kenntnis aller Klimakompartimente und erschwert die Klimamodellierung.

Zunahme der Klimagaskonzentrationen

Die längste Zeitreihe von direkten CO₂-Konzentrationmessungen in der Atmosphäre stammt vom Mauno-Loa-Observatorium auf Hawaii in 3400 m Höhe. Sie wurde durch C. Keeling 1958 begonnen und gilt heute als die zuverlässigste Messreihe der Nordhemisphäre in Reinluft ( Abb. 6). Danach liegt die heutige CO₂-Konzentration bei 415 ppm, also 0,0415 %. Sie hat sich damit seit Beginn der Industrialisierung mit einem damaligen Wert von 280 ppm um knapp 50 % erhöht. Deutlich erkennbar ist auch die starke jährliche Periodizität mit Maxima im frühen Frühjahr und Minima im frühen Herbst. Dies ist der Einfluss der Biosphäre mit dem periodischen Aufbau und Abbau von stehender Biomasse. In der Südhemisphäre ist dieser Effekt um 6 Monate phasenverschoben und deutlich schwächer wegen der insgesamt geringeren Biomasse. Die hier gezeigten CO₂-Konzentrationen gelten für die Reinluft. Lokale Konzentrationen wie in Ballungsgebieten oder Industriezentren der Kontinente können deutlich höher sein.

Die Signale eines Einflusses des Menschen auf das Klima sind aber nicht nur in der Konzentrationsentwicklung des CO₂ erkennen. Spätestens seit Mitte des letzten Jahrhunderts hat der Mensch auch begonnen, die Zusammensetzung der Atmosphäre bezüglich anderer Spurengase zu ändern. Die Konzentrationen von Methan, Distickstoffoxid und bodennahem Ozon haben seither um 12, 20 und 25 % zugenommen. Die Ursachen sind die Emissionen aus Reisfeldern, Mülldeponien, Rindermägen, Feuchtgebieten und bei der Erdgasgewinnung (CH₄), natürliche und landwirtschaftlich genutzte Böden (N₂O) und die Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoff-Abgase aus dem Kfz-Verkehr (bodennahes O₃). Hinzu kommen die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die bekanntlich das Ozonloch verursachten. Sie wurden als Aerosoltreibgase, Kälte- und Lösungsmittel weltweit verwendet und waren zuvor in der Atmosphäre nicht vorhanden. Die FCKW-Konzentration nahm in den letzten Dekaden des 20. Jahrhunderts stark zu; sie befindet sich aber im Abklingen, seit das Montrealer Protokoll 1989 in Kraft trat, um die Ozonschicht in der Stratosphäre zu schützen.

Wie stark die einzelnen Treibhausgase im Klimasystem der Erde wirken, hängt davon ab, welche physikalisch-chemischen Strahlungseigenschaften sie jeweils haben und wie hoch ihre Konzentration und Lebensdauer in der Atmosphäre sind. Je länger ein Treibhausgas sich in der Atmosphäre aufhält umso länger ist auch der Zeitraum, über den es seine Klimawirkung entfalten kann. Dies gilt für Kohlendioxid mit einer Lebensdauer von ca. 120 Jahren, Distickstoffoxid (114 Jahre) und die FCKW (65 bzw. 120 Jahre). Methan dagegen hat eine relativ kurze Lebensdauer von nur zehn Jahren. Die Erwärmungswirkung eines Klimagases über einen bestimmten Zeitraum wird durch den sog. GWP-Wert (Greenhouse Warming Potential) beschrieben. Die Menge eines Treibhausgases mit dem GWP-Wert gewichtet ergibt dann die sog. CO₂-Äquivalent-Menge (CO₂)_e. Sie ist eine Maßeinheit, die die Klimaeffekte aller Klimagase zusammenfasst und damit den Einfluss verschiedener Sektoren (Energieerzeugung, Mobilität, Land- und Viehwirtschaft) gleichzeitig auf das Klima abbildet.

Abb. 6: Zeitreihen der atmosphärischen CO₂-Konzentrationen seit 1960 (oben) bzw. seit 2015 (unten) als Monatsmittelwert (Quelle: NOAA Global Monitoring Project 2021). Die Konzentrationen sind angegeben als Mischungsverhältnisse in ppm (parts per million).

Die derzeitige weltweite CO₂-Emission aus fossilen Quellen (Kohle, Öl, Gas und Zementproduktion) beträgt gut 36 Gt pro Jahr ( Abb. 7). Hinzu kommen ca. 14 Gt CO₂-Äquivalentmengen an anderen Klimagasen. Seit 1990 hat sich die CO₂-Menge um gut 50 % erhöht und wächst weiter. Eine Stabilisierung der jährlichen globalen Emissionen ist z. Zt. noch nicht zu erkennen.

Abb. 7: Entwicklung der globalen CO₂-Emissionen aus fossilen Quellen seit 1990 (Quelle: Global Carbon Project).

Für Deutschland beträgt die (CO₂)_e-Emission seit vielen Jahren fast unverändert ca. 0,85 Gt, also gut zehn Tonnen pro Kopf pro Jahr ( Abb. 8). 2018 und 2019 war diese Menge aufgrund des wachsenden Anteils der Windenergie und der geringeren Produktion von Kohlestrom aber rückläufig. Das angestrebte Ziel der Bundesregierung im Rahmen der Bekämpfung des Klimawandels ist eine CO₂-Neutralität bis 2050.

Abb. 8: Entwicklung der Treibhausgas-Emissionen in Deutschland seit 1990 in Mio. t CO₂-Äquivalenten (Quelle: eigene Darstellung nach Umweltbundesamt 2020).

Eine ungewöhnliche Rolle hat das Corona-Jahr 2020 gespielt. Für dieses Jahr sind die CO₂-Emissionen aufgrund des Rückgangs von Industrieproduktion und Mobilität (speziell Flugverkehr) global schätzungsweise um 6,7 % ( Abb. 7), regional (EU27 bzw. USA) gar um gut 11 % bzw. 13 % gefallen. In Deutschland betrug der CO₂-Emissionsrückgang vermutlich gut 12 % oder ca. 80 Mio. t. Damit beträgt die absolute CO₂-Emission 2020 ca. 750 Mio. t oder – 40 % bezogen auf die 1990er Emission. Dies entspricht ziemlich genau dem ursprünglichen politischen Ziel der Bundesregierung, das ohne die Pandemie als verfehlt galt.

Die zukünftige Entwicklung des Klimas und der Handlungsbedarf

Die Veränderung unseres Klimas durch menschliche Aktivität – insbesondere die ungebremste CO₂-Emission – ist spätestens seit Anfang der 80er-Jahre des letzten Jahrhunderts ins breitere Bewusstsein der Regierenden gerückt. Auf Initiative des Umweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP) und der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) wurde bereits 1988 das International Panel on Climate Change (IPCC) – auf Deutsch kurz »Weltklimarat« – in Genf gegründet mit dem Ziel, für die politischen Entscheidungsträger die wissenschaftliche Forschung zum Klimawandel zusammenzufassen und die Grundlagen für wissenschaftsbasierte Entscheidungen zu erarbeiten. Heute sind 195 Regierungen Mitglied des IPCC. Bereits 1990 hat der IPCC seinen ersten Sachstandsbericht vorgelegt; es folgten regelmäßige Updates im Abstand von 5–7 Jahren, der 5. und bisher letzte 2013. Der 6. Bericht ist seit einiger Zeit in Bearbeitung und wird für 2022 erwartet. Der Weltklimarat trifft keine Entscheidungen. Diese sind der Klimarahmenkonvention der UN (UNFCCC) vorbehalten, die in regelmäßigen Abständen rechtsgültige internationale Vereinbarungen zu Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels zwischen den Parteien beschließt. Wichtige Stationen waren das Kyoto-Protokoll von 1997 oder das Pariser Klimaabkommen von 2015. In Letzterem wurde ein globaler Rahmen festgelegt, mit dem die Welt einem gefährlichen Klimawandel entgegenwirken kann. Dafür müsse die Erderwärmung deutlich unter 2 °C gehalten werden und es sollten weitere Anstrengungen unternommen werden, um den Temperaturanstieg auf 1,5 °C zu begrenzen.

Was dies bedeutet und welche Anstrengungen unternommen werden müssen, um solche Ziele zu erreichen, kann nur anhand der Klimamodellierung erkannt werden. Klimamodelle sind hoch komplexe mathematische Modelle, die für bestimmte Randbedingungen wie die wachsende CO₂-Konzentration und unter Berücksichtigung der Kopplung der Atmosphäre mit allen Kompartimenten die globale Mitteltemperatur und deren regionale Verteilung berechnen. Die Ergebnisse sind keine Klimaprognosen, sondern Klimaszenarien, d. h. sie sind nur gültig für die gewählten Randbedingungen. Ein Beispiel ist in Abb. 9 dargestellt. Gezeigt ist die historische und weitere Entwicklung der CO₂-Emission für verschiedene Endtemperaturen. Die Kurven mit RCP 8,5 bzw. RCP 3-PD reflektieren Emissionsszenarien, die Strahlungsantrieben von 8,5 bzw. 3,0 W/m² und damit Erwärmungen von 4–6 bzw. 1,3–1,9 °C entsprechen (RCP = Responsive Concentration Pathway). Die RCP 8,5-Kurve entspricht in etwa einem business-as-usual-Szenario mit einer Fortsetzung der derzeitigen CO₂-Emission ohne Rücksichtnahme auf den Klimawandel. Die RCP 3-PD-Kurve dagegen, die eine Umkehr des Wachstumstrends der CO₂-Emissionen beinhaltet, führt langfristig auf eine Stabilisierung des Klimas.

Im Nachgang zum Pariser Klimaabkommen hat der IPCC 2018 einen Spezialbericht zur Begrenzung des globalen Temperaturanstiegs auf 1,5 °C, bezogen auf die vorindustrielle Temperatur, veröffentlicht. Im Kontext einer Verstärkung der globalen Antwort auf die Bedrohung durch den Klimawandel, die nachhaltige Entwicklung und der Bekämpfung von Armut erhöht damit der IPCC den Druck auf die Regierenden. Als Antwort darauf haben u. a. die Bundesrepublik und die EU (green deal) ihre Klimaziele verschärft und größere Einsparziele bei den CO₂-Emissionen angekündigt. Erreicht werden sollen diese Ziele durch den Ausbau der regenerativen Stromerzeugung durch Windkraft, Photovoltaik und Biomasse, Einsparungen im Energieverbrauch sowie den mittelfristigen Rückbau des Kohlestroms. Längerfristig wird aber auch der Wasserstoff zum Betrieb von Brennstoffzellen und zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe (e-fuels) eine notwendige Technologie werden müssen.

Abb. 9: Entwicklung der historischen und weiteren CO₂-Emissionen pro Jahr, die für zwei verschiedene Temperaturziele in 2050 zu erwarten bzw. einzuhalten sind (siehe Text). Die Daten sind angegeben in Petagramm Kohlenstoff (PgC; 1 PgC = 1 Mt C = 1/3,66 Mt CO₂) (Quelle: eigene Darstellung nach Global Carbon Project 2012).

Die Basis stringenter Szenarien einer Klimastabilisierung in den kommenden Jahrzehnten ist die Gesamtmenge an CO₂, die insgesamt global noch emittiert werden darf, das sog. CO₂-Budget ( Abb. 10). Angenommen sind in diesem Fall zwei verschiedene Budgets, nämlich 600 bzw. 800 Gt CO₂. Dies entspricht 15- bzw. 20-Mal der derzeitigen jährlichen globalen Emission.

Abb. 10: CO₂-Reduktionswege für eine Klimastabilisierung bis 2050 (Quelle: eigene Darstellung nach Global Carbon Project 2020)

Das CO₂-Budget kann unterschiedlich über die Zeit eingeteilt werden. Eine entscheidende Rolle dabei spielt das Jahr der Emissionswende, also der Zeitpunkt, an dem ein Rückgang der Emissionen eingeleitet wird. Wird dieser Zeitpunkt verzögert, ist der Weg der Emissionsreduktion steiler und damit wirtschaftlich deutlich schwieriger. Das Ziel muss also sein, die CO₂-Emissionen praktisch ohne jegliche Verzögerung zurückzufahren. Dies gilt global. Ein Land wie Deutschland mit hoher Wirtschaftskraft muss und kann eine Vorreiterrolle einnehmen. Sein Anteil an der global emittierten Menge beträgt nur knapp 2,5 %. Die deutschen Bemühungen allein sind deshalb kaum klimarelevant. Nur wenn die anderen mitmachen, kann eine globale Klimakrise noch abgewendet werden. Sollte einem Land wie Deutschland die Energiewende allerdings nicht gelingen, wird es kaum Nachahmer finden und der Klimawandel könnte ungebremst weitergehen.

Literatur

Buchal, Christoph/Schönwiese, Christian-Dietrich (2010): Klima. Die Erde und ihre Atmosphäre im Wandel der Zeiten. Berlin: Helmholtz-Gemeinschaft.

Hamburger Bildungsserver, Themenschwerpunkt »Klimawandel und Klimafolgen«. https://bildungsserver.hamburg.de/klimawandel [Zugriff: 15.02.2021].

Helm, Dieter (2012): The Carbon Crunch. New Haven: Yale University Press.

IPCC (2018): Summary for Policymakers. In: Global Warming of 1.5 °C. An IPCC Special Report on the Impacts of Global Warming of 1.5 °C Above Preindustrial Levels. https://www.ipcc.ch/sr15/chapter/spm/ [Zugriff: 15.02.2021].

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