Umweltbundesamt
Wenn es um weltweite Klimaänderungen geht, so liest und hört man zunehmend Widersprüchliches. Innerhalb von 5 Themenkomplexen haben wir uns mit den gewichtigsten Argumenten derjenigen auseinander gesetzt, die keinen Handlungsbedarf in Sachen Klimaänderung sehen.
Die Befriedigung immer weiter steigender Bedürfnisse der Menschen bringt einen wachsenden Energiebedarf (zum Beispiel für Heizung, Verkehr, Erzeugung von Strom) mit sich. Durch menschliche Aktivitäten wie die Verbrennung fossiler Rohstoffe oder Landnutzungsänderungen wird ständig CO2 freigesetzt. Teilweise wird das emittierte CO2 über längere Zeit in Ozeanen gespeichert und in der Biosphäre gebunden.
Aber noch knapp 50 Prozent verbleiben in der Atmosphäre und reichern sich aufgrund der langen Lebensdauer dort an. Dies führt zwangsläufig zu der seit Beginn der Industrialisierung festgestellten kontinuierlichen Zunahme der CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Auf der Grundlage unterschiedlicher Untersuchungsmethoden können folgende Aussagen über die Entwicklung der atmosphärischen CO2-Konzentrationen getroffen werden: Die 1958 am Observatorium Mauna Loa (Hawaii) begonnenen Direktmessungen des CO2 schließen sich mit einem Wert von 315 parts per million (ppm) nahtlos an die aus Eisbohrkernuntersuchungen rekonstruierte zeitliche Entwicklung der troposphärischen CO2-Konzentrationen an. Seit Beginn der Industrialisierung ist die mittlere CO2-Konzentration in der Atmosphäre von 275 auf circa 358 ppm (1994) gestiegen. Die stetige Zunahme der CO2-Konzentration zeigt sich nicht nur an der Messstelle auf Mauna Loa, sondern ist weltweit an den unterschiedlichen Messpunkten zu verzeichnen. Die kontinuierliche Zunahme der CO2-Konzentration, gemessen auf Mauna Loa, kann damit nicht mit dem in der Nähe tätigen Vulkan begründet werden. Bis Anfang der 90er Jahre betrug der mittlere Anstieg etwa 1,8 ppm pro Jahr. Während dieses Zeitraumes aufgetretene Abweichungen vom allgemeinen Trend konnten hauptsächlich auf El Niño - Ereignisse zurückgeführt werden.
El-Niño-Ereignisse werden circa alle 3-5 Jahre an der Westküste Südamerikas beobachtet. Dabei treten drastische Veränderungen der Ozeantemperaturen, der Passatwinde und Niederschlagsverhältnisse auf. Das pazifische Klimaphänomen hat weltweit Auswirkungen auf das Wetter. So kommt es nicht nur zu gewaltigem Fischsterben und zu Ernteverlusten in dieser Region, sondern zum Beispiel auch zu Dürren in Australien und Waldbränden in Indonesien.
Ein gewisses Problem liegt darin, dass zu Beginn der 90er Jahre zeitweise ein verlangsamtes Wachsen der CO2-Konzentrationen beobachtet wurde, dessen Erklärung noch unsicher ist. Es wird vermutet, dass diese geringere Zunahme in Zusammenhang mit dem Ausbruch des Pinatubo von 1991 und der damit gleichzeitig einhergehenden kurzzeitigen globalen Abkühlung (durch Zunahme des stratosphärischen Aerosols) steht: Die kurzzeitigen Abweichungen vom mittleren Anstieg der CO2-Konzentrationen können entweder infolge verstärkter CO2-Aufnahme durch die terrestrische Biosphäre und Ozeane oder infolge verringerter CO2-Emission durch abgeschwächte Mineralisation toter organischer Materie durch mikrobielle Aktivitäten hervorgerufen worden sein.
Jüngste Messungen zeigen seit etwa Ende 1993 wieder deutlich den steigenden Trend der CO2-Konzentrationen der letzten Jahrzehnte.
Dieses Phänomen kann bei jeder sich erwärmenden Sprudelflasche beobachtet werden. Die Stichhaltigkeit dieser Behauptung kann experimentell überprüft werden, indem der CO2-Gehalt in der Atmosphäre über dem Ozean und die im Wasser der Ozeane gelöste CO2-Menge parallel gemessen werden. Hierbei zeigt sich, dass letztere niedriger ist, als es den Gleichgewichtsbedingungen entsprechen würde, dass das Wasser der Ozeane also global untersättigt ist und somit CO2 von der Atmosphäre in die Ozeane übergeht, und diese als CO2-Senke wirken. Dieser Befund wird auch durch Messungen des Kohlenstoffisotops C14 bestätigt. C14-Messungen erlauben zwischen CO2 aus biogenen Quellen und fossilem CO2 zu unterscheiden, da das in der Atmosphäre als Folge der kosmischen Höhenstrahlung gebildete C14 bei fossilen Brennstoffen bereits zerfallen ist. Durchgeführte C14-Messungen von atmosphärischem CO2 belegen, dass tatsächlich dieses Isotop fehlt oder gemindert ist und der atmosphärische CO2-Anstieg auf Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe zurückzuführen ist.
Die Behauptung stimmt für die derzeit gesicherten Vorräte der gesamten fossilen Reserven, da diese bei ihrer Verbrennung zwar rechnerisch eine Verdopplung der Kohlendioxid-Konzentrationen gegenüber dem vorindustriellen Wert von 280 ppm in der Atmosphäre bewirken würden, das Kohlendioxid aber nur etwa zur Hälfte in der Atmosphäre verbleibt (rund ein Drittel des freigesetzten Kohlendioxids wird durch die Ozeane aufgenommen). Somit wäre eine Verdoppelung des Kohlendioxidgehaltes in der Atmosphäre eigentlich nicht möglich.
Zu bedenken ist jedoch, dass die tatsächlich vorhandenen Mengen an fossilen Brennstoffen weit größer sind als die heute sicher gewinnbaren Vorräte. Bei Kohle beispielsweise rechnet man aufgrund neuer Erkundungs- und Erschließungstechniken sowie zunehmender Energiepreise mit etwa der zehnfachen Menge sicher gewinnbarer Vorräte, und mit weiteren technischen Fortschritten wurde und wird dieser Wert ständig nach oben korrigiert. Langfristig kann deshalb mit wesentlich höheren sicher gewinnbaren Brennstoffmengen gerechnet werden, die ausreichen, um den Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre tatsächlich weit mehr als zu verdoppeln.
Auch ist zu bedenken, dass nur rund die Hälfte des Effekts anthropogener Treibhausgase auf Kohlendioxid beruht. Bei Mitberücksichtigung der übrigen "Klimagase", die in CO2-Äquivalenten ausgedrückt werden können, würde ohne Gegenmaßnahmen die Verdopplung wahrscheinlich bereits deutlich vor Mitte des nächsten Jahrhunderts erreicht werden. Darüber hinaus ist schwer voraussehbar, ob auch in Zukunft bei steigender Kohlendioxid-Konzentration und Erwärmung der Ozeane Kohlendioxid im gleichen Umfang wie bisher von den Ozeanen aufgenommen wird.
Es ist richtig, dass bei der Atmung Kohlendioxid freigesetzt wird. Um die Problematik korrekt beurteilen zu können, ist es jedoch wichtig, zu wissen, dass sich der auf der Erde vorhandene Kohlenstoff in einem biogeochemischen Kreislauf bewegt. Die Entstehung von CO2 bei der Atmung von Mensch und Tier beschreibt einen winzigen Bruchteil des gesamten Kohlenstoffkreislaufs, dessen wichtigste Zirkulationsmechanismen die Einbindung von CO2 durch die Photosynthese und die Veratmung von Kohlehydratmolekülen unter Abgabe von CO2 darstellen. Der Mensch ist in diesem Teil des natürlichen Kreislaufes eingebunden, er atmet CO2 aus, welches das Oxidationsprodukt der im Körper erfolgenden Verbrennung von Nahrungsmitteln ist.
Dieses über die Atmung freigesetzte CO2 wird jedoch der Atmosphäre durch die Photosynthese landwirtschaftlicher Nutzpflanzen, die der Ernährung dienen, wieder entzogen. Damit schließt sich das, im Übrigen völlig willkürlich herausgegriffene, Teilstück des großen C-Kreislaufes. Die Veratmung von Kohlenstoff setzt also nur CO2 frei, welches der Atmosphäre durch Photosynthese entzogen wurde. Folglich entsteht kein CO2, welches "zusätzlich" emittiert wird und zu einer Anreicherung von CO2 in der Atmosphäre führen könnte. Die CO2-Bilanz ist, über einen längeren Zeitraum betrachtet, selbst unter der Voraussetzung einer wachsenden Weltbevölkerung, ausgeglichen.
Ähnlich verhält es sich bei der Verbrennung von Holz. Holz ist kein fossiler Rohstoff, welcher im Laufe von Jahrmillionen gebildet wurde. Wir bezeichnen Holz als nachwachsenden Rohstoff. Der Baum nimmt im Laufe seines Lebens durch Assimilation (Photosynthese) CO2 aus der Atmosphäre auf und setzt es in Biomasse um. Stirbt der Baum oder wird er abgeholzt, wird der jetzt in Kohlenhydraten gebundene Kohlenstoff entweder über einen längeren Zeitraum durch Atmung und Verwesung oder aber sofort durch Verbrennung wieder zu CO2 umgesetzt und an die Atmosphäre abgegeben. Der Kohlenstoff durchläuft aber in beiden Fällen Teile des natürlichen Kreislaufs (Bindung durch Assimilation, Freisetzung durch mikrobielle Veratmung).
Wird nun immer genauso viel Holz aufgeforstet wie eingeschlagen und verbrannt, trägt die Holzverbrennung nicht zum zusätzlichen Treibhauseffekt bei, da das durch die Verbrennung freiwerdende CO2 wieder durch die Photosynthese in aufwachsenden Bäumen in Form von Biomasse (Holz) gebunden wird. Die Bilanz von verbrannter und aufwachsender Biomasse ist daher über die Jahre hinweg ausgeglichen, es kommt nicht wie bei der Verbrennung fossiler Rohstoffe zu einer langfristigen Anreicherung von CO2 in der Atmosphäre. In diesem Kontext ist auch das immer wieder vorgebrachte Argument zu sehen, die fossilen CO2-Emissionen betragen nur wenige Prozent der natürlichen biogenen Emissionen. Letztere stellen nur einen ständigen Austausch von Kohlenstoff hauptsächlich zwischen Biosphäre und Atmosphäre ohne Trend dar, erstere führen zu steter Zufuhr und damit Konzentrationszunahme der Atmosphäre.
Pflanzen benötigen CO2, um es mittels der Photosynthese in Biomasse (hauptsächlich Kohlenhydrate) umzusetzen. Eine höhere CO2-Konzentration begünstigt tendenziell die Photosyntheseleistung der Pflanzen. Zur Schätzung der Größenordnung dieses CO2-Düngeeffekts werden Labor- und Felduntersuchungen sowie Modellstudien durchgeführt.
In der Regel wird dabei eine künstliche Atmosphäre mit zum Beispiel doppeltem CO2-Gehalt erzeugt oder den Modellen zugrunde gelegt. Meist versorgt man die Pflanzen in diesen Untersuchungen optimal mit den notwendigen Nährstoffen und Wasser. Alle bekannten Studien, meist Kurzzeitexperimente mit isolierten Pflanzen, weisen auf ein breites Spektrum von Reaktionen einzelner Spezies hin. Abhängig von der Pflanzenart wird sowohl von mehr als verdreifachtem als auch fast halbiertem Pflanzenwachstum berichtet.
In mehreren Fällen wurde zunächst eine Zunahme der Biomasseproduktion beobachtet, die sich in den Folgejahren aber abschwächte und sich teilweise auch ins Gegenteil verkehrte. Untersuchungen einiger weniger Ökosysteme wurden durchgeführt. Diese ergaben für gemäßigte Feuchtgebiete stärkere und für Tundragebiete sehr geringe Steigerungen der Nettoproduktion des Ökosystems. Untersuchungen für Forstgebiete fehlen bisher. Modelluntersuchungen weisen darauf hin, dass während der 80er Jahre durch den CO2-Düngeeffekt jährlich etwa 1,8 bis 7,3 Milliarden Tonnen Kohlendioxid zusätzlich durch die Biosphäre aufgenommen wurden. Da durch den Menschen jährlich etwa 26 Milliarden Tonnen Kohlendioxid emittiert werden, könnten im günstigsten Fall durch den Düngeeffekt 28 Prozent der anthropogenen Emissionen in der Biosphäre gespeichert werden. Im ungünstigeren Fall sind es jedoch nur 5 Prozent.
Viele Fragen im Zusammenhang mit dem CO2-Düngeeffekt sind noch ungeklärt - so zum Beispiel die Frage, wie sich dabei die Zusammensetzung der Ökosysteme ändert, da aufgrund physiologischer Unterschiede nicht alle Pflanzen in gleicher Weise vom CO2-Düngeeffekt profitieren können. Darüber hinaus ist wahrscheinlich, dass der Effekt deutlich geringer ausfällt in Regionen, in denen Nährstoff- oder Wassermangel oder Wetter- und Klimafaktoren das Wachstum begrenzen. Große Unsicherheiten bestehen auch im Hinblick auf Langzeitreaktionen der Pflanzen auf einen erhöhten CO2-Gehalt der Atmosphäre. So erbrachten Untersuchungen von Pflanzen in der Nähe natürlicher CO2-Quellen weder erhöhte Wachstumsraten, noch eine verstärkte Biomasseproduktion.
Als Fazit lässt sich zusammenfassen, dass die erwartete, jedoch schnell vorübergehende Erhöhung der gespeicherten Kohlenstoffmenge in der Biomasse infolge des CO2-Düngeeffektes in keinem Fall ausreichen wird, die Zunahme der CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu stoppen.
Es steht außer Frage, dass dem Wasserdampf beim natürlichen Treibhauseffekt das mit Abstand größte Gewicht zukommt. Circa 66 Prozent des natürlichen Treibhauseffektes sind auf den Wasserdampf zurückzuführen. Wasserdampfemissionen tragen dagegen praktisch nicht zur Verstärkung des anthropogenen Treibhauseffektes bei, weil hierdurch keine bleibende Erhöhung der Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre bewirkt wird. Während Kohlendioxid in der Atmosphäre über 100 Jahre verbleiben kann, kehrt Wasserdampf meist nach wenigen Tagen in Form von Niederschlägen zur Erde zurück. Eine Zunahme des Wasserdampfgehaltes ist jedoch möglich, wenn infolge einer globalen Temperaturerhöhung die Verdunstung zunimmt und sich das potentielle Aufnahmevermögen der Atmosphäre für Wasserdampf erhöht. Dies ist der Wirkungsvollste der verschiedenen Rückkopplungsprozesse, und er wird auch bei den Modellrechnungen berücksichtigt.
Es wird darauf abgehoben, dass entscheidend für die Steuerung der globalen klimatischen Gegebenheiten nicht der Treibhauseffekt ist, sondern dass dies die Bahnparameter der Erdumlaufbahn sind. Wie in der Einleitung bereits festgestellt, sind die Variationen der Erdbahnparameter eine wichtige, aber nicht die einzige Ursache von Klimaänderungen. Es geht hier um die Beantwortung der Frage, ob eine schnelle Variation der Zusammensetzung der Atmosphäre eine einschneidende Klimaänderung auslösen kann, selbst wenn der Betrag dieser Klimaänderung schwächer ist, als jener, der durch eine Veränderung der Bahnparameter ausgelöst werden kann.
Die These zielt darauf ab, dass sich zwei gegensätzliche, durch unterschiedliche Ursachen (nämlich Veränderungen geoastrophysikalischer Größen und Treibhauseffekt) hervorgerufene klimatische Trends gegeneinander aufheben. Bei der Behauptung, dass ohnehin eine neue Eiszeit bevorstehe, und es keinen Grund zur Sorge vor einer Erwärmung gäbe, wird jedoch völlig außer Acht gelassen, dass sich beide Prozesse in grundlegend verschiedenen Zeiträumen abspielen. Aufgrund von Erkenntnissen der Paläoklimatologie, insbesondere aus Analysen von Sedimentkernen der Tiefsee, gilt es inzwischen als gesichert, dass die (Orbital)-Parameter des Erdumlaufs um die Sonne den Hauptschrittmacher für die quartären Eiszeit-Warmzeit-Zyklen bilden (10000 bis 2 Millionen Jahre vor unserer Zeit), genauso wie für die Klimazyklen der vorangehenden geologischen Zeitalter. Diese Erdumlaufparameter variieren jedoch in Zyklen von etwa 20-, 40- und 100-tausend Jahren Dauer. Klimaänderungen aufgrund veränderter Konzentrationen von Treibhausgasen in der Atmosphäre werden sich aber in einem wesentlich kürzeren Zeitrahmen von 50-100 Jahren und vor allem mit einer sehr hohen Geschwindigkeit abspielen. Es ist schlichtweg unbegründet, darauf zu hoffen, dass sich die Auswirkungen dieser klimatischen Veränderungen durch eine bevorstehende Eiszeit vermeiden lassen, da sich hier die steuernden Prozesse in sehr langen Zeitskalen bewegen. Unabhängig vom Langzeitverhalten einer System steuernden Größe können kurzfristige Schwankungen, welche die Anpassungsfähigkeit eines Systems überfordern, durchaus zum Kollaps desselben führen. Und zwar auch dann, wenn der Langzeittrend der Einflussgröße eine Anpassung des Systems gewährleistet hätte.
Wenn man die Verläufe des CO2-Gehaltes der Atmosphäre und der mittleren Temperaturen über die letzten 160tausend Jahre vergleichend betrachtet, so ist die weitgehende Parallelität beider nicht zu übersehen. Daraus auf eine Kausalität zu schließen, ist indes wissenschaftlich nicht vertretbar, unter andenerm weil man a priori nicht weiß, welche Größe die andere ursächlich beeinflusst, ob beide gemeinsam von einer weiteren 3. Größe gesteuert werden oder ob die Übereinstimmung rein zufällig ist. Um hier Klarheit zu erzielen, müssen die Prozesse und Mechanismen selbst betrachtet werden.
Der Mechanismus, der bei einem Anstieg der Konzentration von Treibhausgasen zur Temperaturzunahme führt, ist durch Naturgesetze bestimmt und damit zwangsläufig. Veränderungen der Lebensbedingungen auf der Erde, natürliche wie anthropogene, können eine Veränderung in der Zusammensetzung der Spurengase der Atmosphäre bewirken und damit Veränderungen klimatischer Parameter auslösen. Umgekehrt können aber auch klimatische Änderungen die Lebensvorgänge auf der Erde (Aktivität der Biosphäre) beeinflussen. Dies wiederum könnte Veränderungen des Gehaltes an CO2 oder anderer Gase in der Atmosphäre nach sich ziehen, und dann abermals zu zusätzlichen Modifizierungen des Klimas führen. Beide Faktoren sind über nichtlineare Wechselwirkungen zwischen allen Teilsystemen des Klimasystems miteinander verknüpft. Es handelt sich also um eine Henne-Ei-Fragestellung, die nicht zu lösen ist. Die Diskussion um Wechselwirkungen prähistorischer Spurengaskonzentrationen mit dem Paläoklima ist wissenschaftlich wichtig, berührt die Frage nach Wirkungsweise und Ausmaß des Treibhauseffektes im Kern aber nicht.
Da die Sonne, als einzige Energiequelle der Erde, den Motor des Wetters und damit auch des Klimageschehens darstellt, ist es nahe liegend, dass Änderungen ihrer Parameter Klimaänderungen bewirken können (siehe Einleitung). Strittig ist, ob die heute beobachteten Klimaänderungen, wie einige Skeptiker der Theorie anthropogener Klimaänderungen behaupten, einzig auf diese Ursache zurückzuführen sind. Es werden von den Zweiflern vor allem zwei Thesen aufgestellt, die im Folgenden untersucht werden:
Im Zentrum der Diskussion steht dabei die Solarkonstante, ein Maß für die von der Sonne eingestrahlte Energie, deren Werte, wie die moderne Forschung zeigte, nicht so konstant sind, wie der Name erwarten lässt. Allerdings ist es sehr schwierig, die Wirkung der Schwankungen der Sonneneinstrahlung auf das Klima zu quantifizieren, weil nur wenige zuverlässige Daten über die Höhe der Solarkonstanten vorliegen. Aus indirekten Beobachtungen kann man Änderungen der Sonneneinstrahlung bis in das 17. Jahrhundert zurück ableiten. Nach diesen Werten wird in den Klimamodellen von einer seit 1850 um 0,3 Wm-2 (circa 0,1 Prozent) erhöhten Sonneneinstrahlung ausgegangen, wobei zu beachten ist, dass die abgeleiteten Werte noch mit Unsicherheiten behaftet sind.
Direkte Messungen liegen seit 1978 vor und zeigen eine Änderung der Strahlungskraft zwischen Maximum und Minimum des elfjährigen Sonnenfleckenzyklus von circa 0,24 Wm-2. Da diese Änderungen aber zyklisch auftreten, können sie zyklische Änderungen des Klimas bewirken, die sich im Mittel über den elfjährigen Zyklus nahezu aufheben. Die Treibhausgase dagegen akkumulieren in der Atmosphäre und tragen so zu einer stets gleichgerichteten Änderung eines Klimafaktors bei. Mithin können die zyklischen Änderungen der Sonneneinstrahlung nur eine vernachlässigbare bzw. modulierende Rolle bei der diskutierten globalen Erwärmung spielen.
Obwohl damit die Verursachung der beobachteten Klimaänderungen durch Änderungen der Solarkonstanten unwahrscheinlich ist, haben Klimaforscher fiktive Änderungen der Solarkonstanten in die Klimamodelle eingegeben und gleichzeitig angenommen, dass es keinen anthropogenen Treibhauseffekt gibt. Die mit diesen Annahmen gewonnenen Ergebnisse weichen deutlich von dem beobachteten dreidimensionalen Muster der Temperaturveränderungen ab. Insbesondere wird abweichend von den Beobachtungen keine Abkühlung der unteren Stratosphärentemperatur mit diesen Klimaszenarien wiedergegeben, während die unter der Annahme eines anthropogenen Treibhauseffektes erhaltenen Ergebnisse gut mit den Temperaturbeobachtungen auch in den höheren Schichten der Atmosphäre übereinstimmen (siehe Themenkomplex 4). Dies ist ebenfalls ein deutlicher Hinweis darauf, dass die erhöhten Treibhausgaskonzentrationen und nicht die Änderungen der Sonneneinstrahlung wesentlich die derzeitigen Klimaänderungen hervorrufen.
Diese Hypothese wird von dem Dänen Friis-Christensen mit Nachruck aufgeworfen. Sie geht davon aus, dass der kosmische Strahlenfluss, der mit dem Sonnenfleckenzyklus schwankt, über die Ionisierung die Bildung von Aerosolen und damit die Wolkenbildung anregt. Die Korrelationskurven zwischen dem kosmischen Strahlenfluss und der Bewölkung, die Friis-Christensen zeigen kann, sind sehr gut. Der aufgezeigte Mechanismus ist aber physikalisch noch sehr umstritten. (Aber auch die statistische Methode ist nicht unumstritten. Schönwiese et al. 1992 stellten fest, dass eine statistisch unzulässige Glättung der Sonnenfleckenzykluslänge vorgenommen wurde, dass sich 35 Prozent der beobachteten Temperaturänderungen aus der Änderung der solaren Zykluslänge erklären lassen und dass die Korrelation mit der Sonnenfleckenrelativzahl ähnliche Ergebnisse liefert.)
Zur These von Friis-Christensen ist weiter zu bemerken, dass die vorliegenden Beobachtungsdaten mit 17 Jahren nur etwas länger sind als ein Sonnenfleckenzyklus. Außerdem zeigen kosmische Strahlung und die Bewölkung nach Friis-Christensen 1987 und 1986 ein Maximum und liegen 1990 am niedrigsten. Diese Beobachtung lässt sich in keiner Weise mit der globalen Mitteltemperatur korrelieren, die 1985 ein Minimum aufweist, seitdem aber kontinuierlich ansteigt. Selbst wenn sich auf der Basis längerer Beobachtungsreihen die These von Friis-Christensen erhärten würde, wäre damit der steigende Temperaturtrend der letzten 100 Jahre nicht erklärbar, da der kosmische Strahlenfluss, der die Bewölkung beeinflussen soll, um einen Mittelwert schwankt und keinen Trend aufweist.
Insgesamt widerlegt diese Hypothese nicht die Wirksamkeit des Treibhauseffektes auf das Klima, sondern schlägt einen weiteren möglichen Mechanismus einer Ursache für Wetteränderungen vor. Ob dieser Mechanismus real ist, gilt es jedoch noch zu belegen, da es bis auf die statistischen Zusammenhänge bisher keine befriedigende physikalische Erklärung für die angesprochene These gibt. In den Beobachtungsdaten finden sich bisher nur schwache Hinweise auf einen 11-Jahresrhythmus der Wetterelemente.
Das Argument spielt auf die Tatsache an, dass ein Effekt wie der Treibhauseffekt den Naturgesetzen nicht widersprechen darf, sonst kann es ihn nicht geben. Der Treibhauseffekt kann nicht den 2. Hauptsatz der Thermodynamik verletzen, da dieser in seiner strengen Form nur für abgeschlossene Systeme gilt, und - wie im Argument selbst behauptet - die Erde ist kein abgeschlossenes System in diesem Sinne. Also können der Treibhauseffekt - als Phänomen im offenen System Erde/Atmosphäre - und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik nicht im Widerspruch zueinander stehen.
Selbstverständlich ist das System Erde/Atmosphäre zum Weltall und damit natürlich auch zur Sonne offen. Die Atmosphäre und die Erdoberfläche werden ja durch die von der Sonne kommende elektromagnetische Strahlung erwärmt. Gleichzeitig senden aber die Erdoberfläche und die in der Atmosphäre enthaltenen Gase eine ihrer Temperatur entsprechende Wärmestrahlung in den Weltraum aus. Im langzeitlichen Mittel ist der Strahlungshaushalt des Systems Erde/Atmosphäre ausgeglichen. Es befindet sich energetisch in einem dynamischen Gleichgewichtszustand, der durch eine Energiebilanzgleichung exakt beschrieben werden kann.
Zur Wahrung des dynamischen energetischen Gleichgewichts findet durch die Atmosphäre hindurch eine von konvektiven Energietransportvorgängen (zum Beispiel thermische Auf- und Abtriebskräfte) begleitete langwellige Abstrahlung von der Erdoberfläche zum Atmosphärenrand statt. Diese Strahlung wird teilweise von den in der Atmosphäre befindlichen optisch aktiven Gaskomponenten, den so genannten Treibhausgasen, absorbiert und entsprechend den Gesetzen der Quantenphysik in gleichem Maße wieder re-emittiert. Wegen der isotropen, d. h. in allen Richtungen gleichstarken Abstrahlung sind etwa 50 Prozent dieser Strahlung als so genannte "Gegenstrahlung" zur Erdoberfläche gerichtet. Die Atmosphäre wird also zu einem passiven thermischen Sekundärstrahler, dessen Energie anteilig der Erdoberfläche zugute kommt und dessen Wirksamkeit von der Konzentration der optisch aktiven Gase gesteuert ist. Diesem, einem Treibhaus vergleichbaren Vorgang (wobei dort allerdings ein Glasdach und nicht so genannte Treibhausgase die optisch aktive 'Rolle' übernehmen), verdanken wir auch die wirkliche Erdoberflächentemperatur von durchschnittlich + 15 Grad Celsius. Wir haben hier den Treibhauseffekt mit ' Gasdach' anstelle ' Glasdach'.
Die Tatsache, dass das System Erde/Atmosphäre zur Aufrechterhaltung der physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse des ständigen Eintrages von Solarstrahlung bedarf, wird von niemandem angezweifelt. Eine Verletzung des Energieerhaltungssatzes liegt übrigens nicht vor, denn neben der Erwärmung der Troposphäre ist bei zunehmender atmosphärischer Treibhausgaskonzentration eine Abkühlung der Stratosphäre zu erkennen. Insbesondere entspricht im zeitlichen Mittel die eingestrahlte der abgestrahlten Energie.
Die im System permanent stattfindende Energieentwertung (durch Entropiezunahme) schränkt im Zeitverlauf natürlich die verfügbare freie Energie ein. Es ergibt sich jedoch auch daraus kein Widerspruch zum energetischen Gleichgewichtszustand des Systems Erde/Atmosphäre, da die Energiezufuhr aus 'hochwertiger' kurzwelliger Solarstrahlung besteht und die Energieabgabe aus 'entwerteter' langwelliger Thermalstrahlung. Die Entwertung der Energie im System spiegelt sich in der Wellenlängendifferenz zwischen diesen beiden Strahlungen wider.
Dem von einigen 'Experten' befürchteten 'Wärmetod' des Systems 'Erde/Atmosphäre' durch Mangel an frei wandelbarer Energie wirkt die permanente Zufuhr hochwertiger Energie in Form kurzwelliger Solarstrahlung entgegen. Sie versorgt das System ständig mit gut wandelbarer (freier) Energie. Dadurch wird die durch Entropiezunahme während aller möglichen (irreversiblen) Energiewandlungen (z. B. bei Wetterprozessen und anderen dynamischen Vorgängen innerhalb der Atmosphäre) vollzogene "Energieentwertung" kompensiert. Die entwertete Energie wird in gleicher Menge wieder an das Weltall abgegeben, jetzt allerdings in Form der thermischen, langwelligen Eigenstrahlung des Systems. Die für die Aufrechterhaltung eines 'dynamischen Gleichgewichts' in der von konvektiven Wetterprozessen gekennzeichneten Troposphäre notwendige hochwertige Energie wird also im Rahmen des 'Strahlungsgleichgewichts' verfügbar gemacht.
Die reale Natur des Treibhauseffektes wurde bereits eingangs behandelt. Ist das Klima aber real? Natürlich wurde der abstrakte Begriff des Klimas von Menschen geschaffen, wie auch der des Wetters, um beobachtete Naturphänomene besser begreifen und beschreiben zu können (das Vermögen des Menschen zur Abstraktion öffnete ihm ja erst die Wege zu Wissenschaft, Kunst und Technik). Die Abstraktheit des Begriffs Klima spricht deshalb nicht a priori gegen ihn. Ob die kreierten Begriffe, hier das Klima, sinnvoll sind, ist eine andere Frage, die nur die Praxis beantworten kann.
Der Begriff Klima beinhaltet Aussagen über den mittleren Zustand meteorologischer Elemente sowie über Häufigkeiten ihres Auftretens und Extremwerte, ein Integral über das Wetter sozusagen. Finden wir in der Natur Phänomene vor, die real "abstraktes" Klima widerspiegeln? Ja, die Pflanzen- und Tierwelt zeigt an, dass es "Klima" gibt. Zum Beispiel integrieren Pflanzen über ihre Lebenszeit alle Wettererscheinungen wie Wind, Regen, Sturm, Frost, Flut und Hitze, und es haben sich für die unterschiedlichen Klimate unterschiedliche Pflanzen- und Tierarten in langen evolutionären Prozessen entwickelt.
Es wird hierbei auf die Tatsache angespielt, dass das Wetter nur über einen kurzen Zeitraum von maximal 4-7 (10) Tagen mit ausreichender Güte vorhersagbar ist. Die Skeptiker wollen mit dieser Aussage auch nicht die Wettervorhersagen in den Medien abschaffen. Sie schlussfolgern vielmehr, dass, wenn schon das Wetter nicht länger vorhersagbar ist, Aussagen über künftige Klimaentwicklungen schon gar nicht möglich sind. Aber die Schlussfolgerung ist fehlerhaft, da nicht, was im Kleinen gilt, auch für das Große gelten muss.
Es verhält sich hier wie mit der Quantenphysik und der klassischen Mechanik. Bewegt man sich im makroskopischen Raum (in Analogie dazu im Klima), gelten die Gesetze der klassischen Mechanik (in Analogie dazu die Ergebnisse der Klimaszenarienrechnungen). Niemand hält etwa die Berechnungen der Planetenbahnen (in Analogie dazu Klima) wegen der quantenmechanischen Heisenbergschen Unschärferelation (Wetter) für falsch.
Ein ähnliches Phänomen haben wir auch in der Statistik. Hier ist es durchaus möglich, sinnvolle Aussagen über das Auftreten und die zukünftige Entwicklung von Krankheiten einer Population zu machen, obwohl es unmöglich ist vorherzusagen, ob die Person x betroffen sein wird.
Jeder Körper emittiert Wärmestrahlung. Die Wellenlängen, in denen diese Wärmestrahlung erfolgt, sind von der Temperatur des Körpers abhängig und lassen sich mit Hilfe des Wien'schen Verschiebungsgesetzes berechnen. Bei einer mittleren Temperatur der Erde von circa 15 Grad Celsius ergibt das eine Wellenlänge von circa 10 µm. Die Skeptiker gehen offensichtlich bei obiger Behauptung von der Annahme aus, dass die Erde nur in der Wellenlänge von 10 µm strahlt, und die teilweise Absorption der Wärmestrahlung der Erde mithin nur möglich wäre, wenn eine Absorptionsbande eines der atmosphärischen Gase genau in dieser Wellenlänge läge. Nur dann könnte dieses Gas treibhauswirksam werden.
Abgesehen davon, dass die 15 Grad Celsius nur einen Mittelwert darstellen und die aktuellen Temperaturwerte (und damit auch die Wellenlängen der Wärmestrahlung) erheblich davon abweichen können, strahlt jeder warme Körper tatsächlich über einen größeren Spektralbereich, wobei die Verteilung der Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge durch das Planck'sche Gesetz beschrieben wird. Das Wien'sche Gesetz gibt nur die Wellenlänge der maximalen Strahlungsintensität wieder (für - 20 Grad Celsius: 11,4 µm, für + 15 Grad Celsius: 10,1 µm und für + 30 Grad Celsius: 9,6 µm). Der Spektralbereich, in dem die Erde Strahlung abgibt, reicht dabei von etwa 5 µm bis 80 µm. In diesem Bereich liegen zahlreiche Absorptionsbanden der Treibhausgase.
Dieser Sachverhalt ist nur für Teilbereiche des Spektrums zutreffend, so für die 15 µm Bande des CO2. In anderen Banden, so zum Beispiel um 10 µm und 5 µm, ist die Absorption schwächer und kann durch zusätzlich in die Atmosphäre gelangendes CO2 noch erhöht werden. Der weitgehenden Sättigung der CO2-Absorptionsbanden wird dadurch Rechnung getragen, dass im Vergleich mit anderen Treibhausgasen CO2 das geringste Erwärmungspotential besitzt, nämlich 1. Der Beitrag anderer Treibhausgase - zum Beispiel CH4, N2O, SF6 - zum Treibhauseffekt ist deutlich höher. Ihr globales Erwärmungspotential beträgt jeweils 21, 310 und 23900.
Der hohe Beitrag des CO2 zum anthropogenen Treibeffekt von circa 50 Prozent beruht auf der großen freigesetzten Menge.
Das Klima der Erde wird von der Sonnenstrahlung angetrieben und durch eine Vielzahl komplexer, untereinander gekoppelter Prozesse kontrolliert, an denen die Atmosphäre, die Biosphäre (Pflanzen- und Tierwelt), die Hydrosphäre (Ozeane und Binnengewässer) und die Kryosphäre (polare Eisschilde, Meereis, Gletscher, Schnee) beteiligt sind. Die vielseitigen, meist nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen genannten Komponenten des Klimasystems führen zu ständigen internen Änderungen, wobei die stark unterschiedlichen Zeitkonstanten der in den einzelnen Subsystemen ablaufenden Prozesse eine große Rolle spielen: Wie in gekoppelten mechanischen Systemen entstehen Überlagerungen, Schwebungen und Interferenzen, die nur mit Hilfe mathematisch-physikalischer Methoden ermittelt werden können. Lineares Denken führt hier nicht zum Ziel.
So hat eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Erdatmosphäre (beispielsweise durch anthropogene Emissionen strahlungswirksamer Gase) Auswirkungen auf den Strahlungshaushalt der Erde und damit auf die Lufttemperatur. Eine Veränderung der Lufttemperatur wiederum wirkt sich u.a. auf die dynamischen Prozesse in der Atmosphäre, auf die Verdunstung und die Wolken- und Niederschlagsbildung aus, wobei die Wolken stark mit der Strahlung wechselwirken. Die Dynamik und die Niederschläge beeinflussen ihrerseits die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre, womit sich der Kreis schließt. Neben den wenigen genannten Effekten lassen sich als Folge einer veränderten chemischen Zusammensetzung der Erdatmosphäre prinzipiell Wechselwirkungen und Rückkopplungen zwischen allen Subsystemen des Klimasystems aufzählen. Wegen dieser Komplexität ist die Schätzung der Folgen der Variation eines Klimafaktors (beispielsweise auch veränderter Solarstrahlung oder veränderter Beschaffenheit der Erdoberfläche) für die bodennahe Lufttemperatur, den Niederschlag und den Wind usw. grundsätzlich nur über den Einsatz von Klimamodellen, die gemäß den systeminternen Kopplungen aus nichtlinearen gekoppelten Differentialgleichungen bestehen, durchführbar.
Insofern ist die Frage, ob Klimamodelle prinzipiell zur Beschreibung des Klimasystems geeignet sind, wenig zielführend. Eine bessere Untersuchungsmethodik existiert nicht. Auch in anderen Wissensgebieten (nicht nur in Naturwissenschaften, sondern auch in sozioökonomischen Bereichen) wird mit Modellen gearbeitet, unter zweifelloser Anerkennung der Tatsache, dass Modelle ein Hilfsmittel zur Beschreibung oder näherungsweisen Widerspiegelung der Realität sind. Es gibt keinen Grund, Klimamodelle, die dem gegenwärtigen Stand der Kenntnis entsprechen, in der Klimatologie nicht einzusetzen. Es kommt allerdings dabei auf eine sehr sorgfältige und durchdachte Interpretation der Ergebnisse von Klimamodellen an, wie im Folgenden noch zu sehen sein wird.
Als Basis für Entscheidungen kann grundsätzlich immer nur der gegenwärtige Erkenntnisstand herangezogen werden. Insofern müssen, wie zuvor bereits angesprochen, für Untersuchungen der im Klimasystem ablaufenden Prozesse konsequenterweise Klimamodelle genutzt werden, welche, wie bereits mehrfach ausgeführt wurde, alle gesicherten, das Klima betreffende Erkenntnisse der Naturwissenschaften beinhalten.
Entscheidend ist in diesem Zusammenhang die Frage, welche Ergebnisse von derzeitigen Klimamodellen erwartet werden können. So sollten die Simulationsergebnisse von diesen Modellen nicht als Prognosen interpretiert werden, auch wenn sie das in strenger mathematischer Hinsicht sind. Bei den gegenwärtigen Simulationen unter Vorgabe anthropogener Emissionen handelt es sich vielmehr um Szenarienrechnungen, mit denen ganz konkret der Einfluss unterschiedlich erhöhter Konzentrationen treibhauswirksamer Gase in der Atmosphäre auf die Lufttemperatur und die weiteren Klimaelemente für einen bestimmten Zeitabschnitt untersucht wird. Liegt dieser Zeitabschnitt in der Zukunft, werden Klimafaktoren wie beispielsweise die Solarstrahlung konstant gehalten oder etwa Vulkanismus nicht mit berücksichtigt. Diese Faktoren, ebenso Veränderungen in der Beschaffenheit der Erdoberfläche sind nicht vorhersagbar, und schon aus diesem Grunde sind Vorhersagen über Jahrzehnte und mehr nicht möglich, sondern es können nur Simulationen im Sinne der oben genannten Szenarienrechnungen durchgeführt werden.
Die Modelle zur Simulation des Einflusses erhöhter Konzentrationen treibhauswirksamer Gase werden am heutigen Klima hinreichend gut validiert. Es gibt keinen stichhaltigen Grund, die damit erzielten Ergebnisse anzuzweifeln, vorausgesetzt, die Resultate werden in oben beschriebener Weise sowie unter Schätzung von Fehlern in Folge der jeweiligen zugrunde liegenden vereinfachenden Annahmen interpretiert. Im Gegenteil, die gegenwärtig erzielten Simulationsergebnisse sind auf der Grundlage der Vorsorge für die Umwelt Anlass zu Besorgnis und zu raschem Handeln. Das in der Überschrift stehende Argument wird man auch in 100 Jahren noch hervorzaubern können, denn auch dann werden Klimamodelle noch auf Annahmen basieren und gewisse Prozesse nicht berücksichtigen. Wenn man jedoch auf der Grundlage eines solchen Arguments nur abwartet, anstatt zu handeln, kann es für Maßnahmen gegen schädigende Auswirkungen für das menschliche Leben sehr schnell zu spät sein.
Moderne Ozean-Atmosphäre-Klimamodelle benötigen auf Grund ihrer Komplexität auch auf heutigen Höchstleistungsrechnern hohe Rechenzeiten. Deshalb ist die räumliche Auflösung der Modelle auf einige hundert Kilometer beschränkt. Alle Prozesse, deren charakteristischer Raumbereich unterhalb dieser räumlichen Modellauflösung liegt, können nicht ausdrücklich formuliert werden. Sie fallen, bildlich gesprochen, durch die Maschen des Rechengitters und müssen parametrisiert, das heißt in Abhängigkeit der im Modell aufgelösten Prozesse größeren charakteristischen Raumbereiches, formuliert werden. Dazu gehören beispielsweise die Bildung von Wolken und Niederschlag, die turbulenten Austauschprozesse in den Grenzschichten Ozean-Atmosphäre und Landoberfläche-Atmosphäre, die Tiefenwasserbildung im Ozean und viele andere kleinskalige Prozesse, die die Energetik der großskaligen atmosphärischen und ozeanischen Zirkulationssysteme mitbestimmen.
Die Parametrisierung der subskaligen Prozesse in Klimamodellen ist in Teilen ein kompliziertes Gebiet, in dem eine Reihe von Verbesserungen möglich und erforderlich ist. Kritische Prozesse, die weiterhin intensiver Forschungsarbeiten bedürfen, sind dabei die Entstehung und die Strahlungseigenschaften von Wolken, die Bildung von Meereis und Tiefenwasser im Ozean sowie verschiedene Prozesse im hydrologischen Kreislauf wie Verdunstungsprozesse von der Erdoberfläche in Abhängigkeit von der jeweiligen Bedeckung (zum Beispiel Vegetation, Bebauung usw.).
Eine besondere Problematik der gegenwärtigen Klimamodelle ist die Darstellung der Kreisläufe von Spurenstoffen wie des Kohlendioxid-, Methan-, Distickstoffoxid-, des Ozonkreislaufs u.a. Es bestehen hier noch Unklarheiten, so dass bestimmte Spurenstoffkonzentrationen nicht berechnet werden können, sondern auf der Grundlage der bisherigen Erkenntnisse (zum Beispiel Trendentwicklung, vorhandene Kenntnisse über Quellen und Senken) vorgegeben werden müssen.
Bei gekoppelten Ozean-Atmosphäre-Modellen muss an der Meeresoberfläche ein Austausch von Energie (Strahlung, Wärme), Wasser (Niederschlag, Verdunstung) und Impuls (reibungsbedingter Windschub) stattfinden. Vor der Kopplung werden jedoch beide Teilmodelle zunächst einzeln bis zu einem gewissen Gleichgewichtszustand integriert, wobei als Randbedingung an der Trennungsfläche der beiden Medien jeweils Beobachtungsdaten vorgegeben werden.
Bei der Kopplung müssen nun der obere Rand des Ozeanmodells und der untere Rand des Atmosphärenmodells aufeinander abgestimmt werden. Diese Abstimmung kann nicht vollständig konsistent erfolgen, so dass das gekoppelte System nun einem neuen Gleichgewichtszustand zustrebt. Wegen der großen Trägheit des Ozeans erfolgt das nur langsam, und es resultieren im Atmosphärenmodell außerhalb des Gleichgewichtszustandes Abweichungen, die sich in der so genannten Klimadrift äußern. Die Klimadrift in gekoppelten Modellen kann durch die Methode der Flusskorrektur verhindert werden. Die Idee besteht darin, die im Zusammenhang mit der Kopplung auftretende Drift der Variablen dadurch zu eliminieren, dass entsprechend große Korrekturterme (z.B. für Wärmeflüsse) in die Modellgleichungen des gekoppelten Systems eingeführt werden. Diese Terme werden räumlich variabel, aber zeitlich konstant gehalten, so dass die Klimavariabilität des Modells erhalten bleibt.
Gekoppelte Modelle ohne Flusskorrektur müssen die in der Natur ablaufenden Prozesse sehr gut abbilden, damit die Drift in unrealistische Klimazustände vermieden werden kann. Wenn beide Einzelmodelle sehr realistische Ergebnisse bringen, dann sind auch die Ränder beider Modelle besser aufeinander abgestimmt. Am NCAR (National Center for Atmospheric Research in Boulder, USA) kann ein gekoppeltes Modell ohne Flusskorrektur gerechnet werden, weil die Parametrisierung der ozeanischen Wirbel verbessert wurde. Das Modell driftet nicht von einem realistischen Klimazustand weg, selbst für Rechnungen über 300 Jahre nicht. Die Simulation ergab für CO2-Verdopplung einen Anstieg der globalen Mitteltemperatur um 2 Grad Celsius. Für einen 300-Jahreslauf ohne Treibhausgase ergab das Modell eine natürliche Variabilität der Temperatur von 0,5 Grad Celsius.
Als Startzeitpunkt von Modellsimulationen zur Schätzung der globalen Erwärmung im Zusammenhang mit den anthropogenen Emissionen treibhauswirksamer Gase wird das heutige Klima gewählt, das als Gleichgewichtsklima vorausgesetzt wird. Dadurch entsteht der so genannte Kaltstartfehler, denn das heutige Klima ist insofern nicht im Gleichgewicht, da es unter anderem durch den bereits erfolgten Anstieg der Konzentrationen von treibhauswirksamen Gasen einer Erwärmung unterliegt. Durch die Trägheit der Ozeane wirkt sich dieser Erwärmungsprozess, der bereits eingesetzt hat, auch im zukünftigen Temperaturanstieg aus. Dieser Fehler lässt sich jedoch nachträglich weitgehend korrigieren. Bei den neueren Rechnungen ist zudem der Startzeitpunkt in die Mitte des vergangenen Jahrhunderts verlegt worden.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass - trotz der genannten Schwierigkeiten bei der Klimamodellierung - die wichtigsten Eigenschaften der beobachteten atmosphärischen und ozeanischen Zirkulationssysteme mit gegenwärtigen Zirkulationsmodellen befriedigend simuliert werden können. In der Atmosphäre sind dies beispielsweise die Westwindsysteme der mittleren Breiten, die Monsune, das Passatwindsystem sowie der Jahresgang und die natürliche Variabilität sämtlicher Klimagrößen. Ozeanische Zirkulationsmodelle bilden die großen Strömungssysteme (Golfstrom, Humboldtstrom, Antarktischer Zirkumpolarstrom usw.) sowie die dreidimensionalen Verteilungen der Temperatur und des Salzgehaltes in guter Näherung ab. Auch die beobachtete Zunahme der global gemittelten Temperaturen, des Feuchtigkeitsgehaltes und des Niederschlages in den Tropen während der letzten dreißig Jahre wird von gekoppelten Ozean-Atmosphäre-Modellen unter Berücksichtigung der zunehmenden Konzentrationen treibhauswirksamer Gase in der Atmosphäre recht gut wiedergegeben. Das gibt keinesfalls Anlass dazu, Klimamodellierung als Untersuchungsmittel in Frage zu stellen.
Häufig wird die Frage aufgeworfen, warum Klimaänderungen vergangener Zeiträume noch nicht simuliert werden konnten. Beobachtungsmaterial aus Messreihen und Paläoklimadaten liegt ja bereits vor. Diese Daten müssen jedoch in aufwendiger Weise aufbereitet werden, bevor sie als Startwerte für Modellsimulationen benutzt werden können. In der Regel ist das Beobachtungsmaterial hinsichtlich der Vergangenheit lückenhaft und fehlerbehaftet. Des Weiteren ist es nur regional verfügbar. Es sind nicht sämtliche Größen vorhanden, die zur Modellinitialisierung benötigt werden. Meist liegen nur Angaben über eine Größe, zum Beispiel die Temperatur vor. Die aufwendige Rekonstruktion und Bearbeitung historischen Datenmaterials als Eingangsdaten für Klimamodelle ist ein Grund dafür, dass Untersuchungen zur Simulation vergangener Klimaänderungen noch nicht in größerem Umfang begonnen haben.
Ein weiteres Problem kommt hinzu: Neben vollständigen Zeitreihen meteorologischer Daten fehlen auch für historische Zeiträume (wie für die Zukunft) Angaben über die Änderung der Solarstrahlung, Angaben über Änderungen im stratosphärischen Aerosolgehalt durch Vulkanausbrüche, Informationen über die Beschaffenheit der Erdoberfläche (Vegetation, Eisbedeckung, usw.) und viele andere. Diese fehlenden Daten, die aufwendig rekonstruiert oder vorgegeben werden müssen, limitieren die Modellierbarkeit von Klimaänderungen in der Vergangenheit.
Die Übereinstimmung zwischen den gemessenen und berechneten Daten der bodennahen Lufttemperatur hat sich in den letzten Jahren wesentlich verbessert. Die charakteristischen Muster von Temperatur und Niederschlag werden nicht nur global und im Jahresmittel, sondern auch jahreszeitlich, räumlich und vertikal gut wiedergegeben. Insbesondere die jahreszeitliche Temperaturverteilung wird sehr gut von den Modellen widergespiegelt. Die Verbesserungen gegenüber den ersten Modellen wurden erreicht, in dem die Ozeane als voll interaktive Bestandteile berücksichtigt wurden. Weitere Verbesserungen wurden durch Einbeziehung der abkühlenden Wirkung der Sulfataerosole erzielt, so dass der Versuch nach dem Pinatubo-Ausbruch die Auswirkung der in die Atmosphäre geschleuderten Gase und Partikel auf die globale Temperatur vorherzusagen, sehr erfolgreich war. Dies verdeutlicht die Güte der Klimamodelle.
Ins Kreuzfeuer der Kritik sind inzwischen die offensichtlich nicht gleichlaufenden Trends der am Boden und der von Satelliten (Schichtmittel 0-6 Kilometer Höhe) aus gemessenen Temperaturen geraten. Die bodennahen Werte zeigen eine Zunahme von circa 0,5 bis 0,7 Grad Celsius über die letzten 100 bis 130 Jahre, während die allerdings nur über 17 Jahre verfügbaren Satellitendaten eine Abnahme von 0,06 Grad Celsius zeigen.
Zunächst ist fraglich, ob die beiden durch verschiedene Methoden (die Bodenmessungen sind direkte Messungen der Lufttemperatur, die Satelliten messen die Temperatur indirekt über die Strahlung) gewonnenen Datensätze untereinander überhaupt vergleichbar sind. Auf die sehr unterschiedliche zeitliche Dimension beider Messreihen wurde bereits verwiesen. Dies bedeutet auch, dass die Erfahrung in der Erhebung der Bodendaten viel größer und die Entwicklung und Vereinheitlichung der Messtechnik viel weiter fortgeschritten ist als bei den Satellitenmessungen, wo z.B. sehr verschiedene Messgeräte und -verfahren zum Einsatz kamen und kommen.
Es bedeutet weiterhin, dass der schwache Trend der Satellitendatenreihe weniger aussagekräftig ist, als der der Bodendatenreihe, da bei kurzen Reihen vorübergehende Störungen wie z.B. der Pinatubo-Ausbruch den Trend stärker beeinflussen als bei längeren Datenreihen. Sehr gravierend sind auch die Unterschiede des Messgutes: Die bodennahen Messungen sind Punktmessungen in einer Höhe von 2 Meter über dem Boden, bei den Satelliten dagegen wird ein Integral der Temperatur über die untersten 6 Kilometer der Troposphäre erfasst (die Temperaturen können in diesem Höhenbereich eine Bandbreite von über 30 Grad Celsius überstreichen).
Für Aussagen über einen langjährigen Temperaturtrend sind aus all diesen Gründen die Bodendaten deutlich besser geeignet. Ob es noch andere Gründe für die Unterschiede der beiden Datenreihen gibt, die über die oben genannten hinausgehen, bedarf noch weiterer wissenschaftlicher Untersuchungen. Allerneueste Veröffentlichungen in der renommierten Wissenschaftszeitschrift "Nature" zeigen, dass die Satellitendaten inkorrekt berechnet worden sind, da man den Höhenverlust von 1,2 Kilometer pro Jahr nicht berücksichtigt hatte. Nach dieser Korrektur berechneten die Autoren einen geringen Anstieg der Satellitendaten. Andere Veröffentlichungen so zum Beispiel vom Max-Planck-Institut Hamburg geben als Trend der Satellitendaten "nahe Null" an.
In der Tat gibt es bei der Erstellung eines globalen Temperaturdatensatzes, der bis ins letzte Jahrhundert zurückreicht, eine Zahl von Problemen. So haben die Messstationen oft ihren Ort gewechselt, die Beobachtungspraxis hat sich verändert und auch die Aufstellung und die Art der Messinstrumente haben gewechselt. Weiterhin ist die räumliche Verteilung der Stationen unregelmäßig und variiert stark von Kontinent zu Kontinent und im Zeitverlauf. Nicht zuletzt ist auch die Stationsumgebung Veränderungen unterworfen, insbesondere durch die zunehmende Verstädterung.
Alle diese Probleme sind bekannt und wurden insbesondere im ersten IPCC-Bericht ausführlich behandelt. Es wurde sehr genau dargestellt, wie die sich aus der Veränderung des Stationsortes und der Beobachtungspraxis ergebenden Sprünge in den Temperaturreihen korrigiert wurden (dazu existieren langjährige Erfahrungen aus der meteorologischen Praxis).
Um den Einfluss der Dichte des Messnetzes auf die Bestimmung der globalen Mitteltemperatur zu ermitteln, wurden Testrechnungen mit variierenden Stationsdichten vorgenommen. Es wurde festgestellt, dass der Einfluss unterschiedlicher Stationsdichten auf die Werte der mittleren Lufttemperaturen der Nord- und Südhemisphäre sehr gering ist. Nur vor 1900 muss (bei insgesamt geringerer Stationsdichte) mit einem Effekt auf die mittlere hemisphärische Lufttemperatur von bis zu 0,1 Grad Celsius pro Dekade gerechnet werden. Die Frage der Vortäuschung eines Temperaturanstiegs durch die zunehmende Verstädterung wurde von mehreren Klimaforschern untersucht. Für den Zeitraum der letzten 100 Jahre ist der Einfluss dieses Effektes auf die globale mittlere Lufttemperatur geringer als 0,05 Grad Celsius.
Zusammenfassend ist der Schluss zu ziehen, dass der vorhandene Datensatz zur Bestimmung der mittleren globalen Lufttemperatur eine verlässliche Grundlage zur Abschätzung des globalen Temperaturtrends an der Erdoberfläche darstellt.
Seit den 50er Jahren bis Ende der 80er Jahre war die gemessene Erwärmung auf der Südhemisphäre stärker als auf der Nordhemisphäre. Diese Beobachtung war zunächst überraschend, weil die Ozeane, die einen großen Teil der Südhemisphäre ausmachen, die Temperaturerhöhung infolge des anthropogenen Treibhauseffektes dämpfen. Die Ursache für die geringere Erwärmung der Nordhemisphäre liegt in der kühlenden Wirkung der Sulfataerosole. Sulfataerosole werden in der Atmosphäre aus dem bei der Verbrennung von fossilen Rohstoffen und Biomasse emittiertem Schwefeldioxid (SO2) gebildet. Die Hauptquellen für SO2 liegen auf den Kontinenten der Nordhemisphäre. Wegen der kurzen Verweilzeit der Sulfataerosole in der Atmosphäre werden höhere Konzentrationen nur in der Nähe des jeweiligen Emissionsortes (also vor allem über den nordhemisphärischen Industriegebieten) erreicht und damit beschränkt sich auch die abkühlende Wirkung der Sulfataerosole auf die Nordhemisphäre.
Seit Ende der 80er Jahre ist jedoch eine stärkere Erwärmung der Nordhemisphäre zu beobachten. Das liegt daran, dass sich die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre erhöht hat, und die Treibhauswirkung jetzt stärker zum Tragen kommt. Möglicherweise wird aber gleichzeitig durch die starke stratosphärische Ozonabnahme über der Südhemisphäre, die zu einer Abkühlung der Stratosphäre führt, die Erwärmung der Südhemisphäre gedämpft. Nimmt man in den Klimamodellen eine Übertragung der stratosphärischen Abkühlung auf die oberen Schichten der Troposphäre an, so spiegeln die Modellergebnisse die Realität besser wider.
„Für Mensch und Umwelt“ ist der Leitspruch des UBA und bringt auf den Punkt, wofür wir da sind. In diesem Video geben wir Einblick in unsere Arbeit.
