Klimawandel

Für menschengemachte Gründe der gegenwärtigen Erwärmung gibt es nicht nur das Ausschlussargument, dass natürliche Faktoren den aktuellen Klimawandel nicht hinreichend erklären. Positiv sprechen für einen menschlichen Einfluss auf das Klima vor allem die räumlichen und zeitlichen Muster der Erwärmung, der ‚Fingerabdruck' der Klimaänderungsursache. Von einem Antrieb durch Treibhausgase ist eine Erwärmung der Troposphäre und eine Abkühlung der Stratosphäre zu erwarten, und in Bodennähe wegen der größeren Landmassen eine etwas größere Erwärmung auf der Nordhalbkugel als auf der Südhalbkugel. Ein solarer Antrieb resultiert dagegen in einer generellen Erwärmung der gesamten Atmosphäre, bei allerdings am Boden ähnlichem Erwärmungsmuster wie bei den Treibhausgasen.

Abb. 1: Modellsimulation der Temperaturveränderung 1890-1999 in ^oC pro Jahrhundert durch solaren Antrieb (oben) und durch den Antrieb langlebiger Treibhausgase (Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid, FCKW)¹

Computermodellsimulationen bestätigen diese Annahmen. Die Veränderung der Sonneneinstrahlung von 1890 bis 1999 führt nach Modellsimulationen zu einer nahezu gleichmäßigen Erwärmung der Atmosphäre bis in die Stratosphäre hinein (Abb. 1 oben). Eine minimale Abkühlung zeigt sich nur in der Höhe über den Polen (wegen der im Winter fehlenden Einstrahlung), während in den höheren Breiten der Nordhalbkugel aufgrund der Eis-Albedo-Rückkopplung eine stärkere Erwärmung in Bodennähe zu sehen ist.

Die Erwärmung durch Treibhausgase 1890-1999 zeigt im Modell in Bodennähe ein ähnliches Muster wie bei der solaren Ursache, allerdings mit einem deutlich höheren Temperaturanstieg (Abb. 1 unten). Die Troposphäre wird wie bei der Erwärmung durch solaren Einfluss wegen der Eis-Albedo-Rückkopplung vor allem in den höheren Breiten der Nordhalbkugel, aber auch in der mittleren tropischen Troposphäre erwärmt. In größerer Höhe weicht das Erwärmungsmuster allerdings deutlich von dem des solaren Musters ab. In der Stratosphäre zeigt sich anders als dort eine mit der Höhe zunehmende Abkühlung. Diese stratosphärische Abkühlung wird durch Satellitenmessungen seit 1958 bestätigt (Abb. 2), wobei daran nicht nur die zunehmende Treibhausgaskonzentration in der Troposphäre, sondern auch das abnehmende stratosphärische Ozon beteiligt ist.

Abb. 2: Temperaturänderungen der unteren Stratosphäre 1958 bis Juni 2007 als Abweichung vom Mittel der Jahre 1979-1997²

Neben dem räumlichen zeigt sich auch ein zeitlicher ‚Fingerabdruck', der für eine Erwärmung durch Treibhausgase und nicht durch die Sonne spricht. So hat der Unterschied zwischen Tag- und Nachttemperaturen (bzw. Maximum- und Minimumtemperaturen) über die letzten 50 Jahre um 0,4 ^oC im globalen Mittel abgenommen. Der Grund liegt in der stärkeren Erwärmung der Nacht- im Vergleich zu den Tagestemperaturen (Abb. 3). Eine höhere Treibhausgaskonzentration verringert nachts die Ausstrahlung. Bei einer Erwärmung durch eine höhere Sonneneinstrahlung wäre eher das umgekehrte Ergebnis zu erwarten. Hinzu kommt eine Zunahme der Bewölkung, die nachts ebenfalls die Ausstrahlung bremst. Die stärkere Bewölkung lässt sich sowohl durch die Treibhauserwärmung erklären, die zu einer höheren Verdunstung führt, wie durch eine Zunahme von (anthropogenen) Aerosolen, die ebenfalls die Wolkenbildung verstärken.

Abb. 3: Änderung der Maximum- und Minimumtemperaturen 1950 bis 2004 relativ zu 1961-1990³

Als zeitlicher ‚Fingerabdruck' kann auch die Temperaturentwicklung im 20. Jahrhundert angesehen werden, deren Trend eher der Zunahme der Treibhausgase als der Veränderung der Sonneneinstrahlung entspricht, vor allem was die Entwicklung der letzten Jahrzehnte betrifft. Seit Beginn der Industrialisierung ist der atmosphärische Konzentrationsgehalt der durch den Menschen emittierten Treibhausgase nachweislich deutlich angestiegen. Die CO2-Konzentration ist um mehr als ein Drittel, die Methankonzentration um mehr als das Doppelte und die Distickstoffoxidkonzentration um fast ein Fünftel angestiegen. Diese Zunahme verändert den Strahlungshaushalt der Atmosphäre. Seit 1750 beläuft sich der Antrieb durch anthropogene Treibhausgase, wozu außerdem auch das bodennahe Ozon und die FCKWs gehören, auf 2,9 W/m2, wogegen der solare Antrieb in dieser Zeit nur 0,12 W/m2 beträgt. Allerdings muss man auf der anthropogenen Seite die abkühlende Wirkung der Aerosole von -1,3 W/m2 berücksichtigen, so dass ein Nettowert von 1,6 W/m2 bleibt.⁴

Abb. 4: Temperaturanstieg und CO2-Konzentration in der Atmosphäre seit Mitte des 19. Jahrhunderts

Allerdings liefert die Zunahme der Treibhausgaskonzentration keine ausreichende Erklärung für den Verlauf der Temperaturzunahme. Die beiden deutlich unterschiedenen Phasen der Erwärmung im 20. Jahrhundert finden in dem Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre (wie auch der anderen anthropogenen Treibhausgase, die einen ähnlichen Verlauf zeigen) keine Entsprechung (s. Abb. 4). Auch die starken Schwankungen von Jahr zu Jahr sind aus der Zunahme der Treibhausgase nicht ableitbar.

Erstens ist die Temperaturentwicklung selbstverständlich auch weiterhin von den natürlichen internen wie externen Faktoren abhängig. So hat eine Zunahme der Sonneneinstrahlung den Temperaturanstieg zwischen 1910 und 1945 mitbedingt. Die starke Erwärmung 1998 ist teilweise das Ergebnis der internen Klimaschwankung ENSO. Und die kühlen Jahre 1991/92 sind durch den Ausbruch des philippinischen Vulkans Mt. Pinatubo verursacht.

Zweitens wirken auch andere anthropogene Faktoren auf das Klima wie die Veränderung der Albedo durch Änderungen in der Landnutzung und durch Rußablagerungen und die Emission von Aerosolen, z.B. bei der Verbrennung fossiler Energien. So wird die leichte Abkühlung der globalen Temperatur zwischen den 1940er und den 1970er Jahren den anthropogenen Aerosolen, die eine abkühlende Wirkung haben, zugeschrieben.⁵ In der Zeit danach kam es durch Filtermaßnahmen und den Zusammenbruch der Industrie in den ehemaligen sozialistischen Staaten zu einer Abnahme der Aerosolemissionen. So hat sich nach einer aktuellen Berechnung die globale Emission von Sulphataerosolen zwischen 1980 und 2000 von 73 auf 54 TgS pro Jahr verringert. Die Erwärmung durch Treibhausgase wurde damit sichtbarer, da sie seit den 1980er Jahren weniger durch die Wirkung der Aerosole maskiert wird.

Nicht zuletzt liefern Klimamodellsimulationen ein gewichtiges Argument für den Menschen als den Hauptverursacher der gegenwärtigen Klimaänderung. Mit Klimamodellen werden das Klima des 20. Jahrhunderts und seine Veränderungen nachgerechnet. D.h. man geht von dem Zustand des Klimas zu Beginn des 20. Jahrhunderts aus, berechnet seine Veränderung bei Eingabe bestimmter Antriebe und vergleicht das Ergebnis mit der tatsächlichen, durch Beobachtung festgestellten Klimaänderung.

Abb. 5: Modellsimulationen des globalen Klimas im 20. Jahrhunderts ohne (links) und mit (rechts) Berücksichtigung der anthropogenen Antriebskräfte⁶

In Abb. 5 zeigt die dunkelblaue Kurve die beobachtete Temperaturänderung im Vergleich zum Mittel 1901-1950. Das grüne Band in der linken Abb. zeigt Modellsimulationen, die nur den natürlichen Klimaantrieb (Solaraktivität und Vulkanausbrüche) im 20. Jahrhundert berücksichtigen. Vor allem in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten kann die Zunahme der globalen Temperatur auf diese Weise nicht wiedergegeben werden. Die natürlichen Antriebsfaktoren würden seit 1980 sogar eine leichte Abkühlung bewirkt haben. Wenn neben den natürlichen auch die anthropogenen Antriebsfaktoren, d.h. die vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen, berücksichtigt werden (rechte Abb.), geben die Modellsimulationen die beobachtete Klimaänderung gut wieder. Das belegt, dass die globale Erwärmung im 20. Jahrhundert größtenteils durch den Menschen verursacht ist.

Inzwischen sind nicht nur sehr viele solcher Modellrechnungen mit stets ungefähr den gleichen Ergebnissen durchgeführt worden. Sie wurden auch auf kontinentaler Ebene angewandt und zeitigten dort dieselben Ergebnisse (Abb. 6): Klimamodelle können die tatsächlichen Temperaturveränderungen auch für die einzelnen Kontinente nur dann richtig berechnen, wenn sie neben den natürlichen auch die anthropogenen Antriebsfaktoren berücksichtigen.

Abb. 6: Temperaturänderungen relativ zum Mittel der Jahre 1901-1950 zwischen 1906 und 2000. Schwarze Linie: beobachtet; blaues Band: Modellberechnungen nur mit natürlichen Antriebsfaktoren; rotes Band: Modellberechnungen mit natürlichen und anthropogenen Antriebsfaktoren⁷

Eine aktuelle Untersuchung, die aus der Änderung der natürlichen und anthropogenen Antriebsfaktoren den zusätzlichen Energie-Input in das Klimasystem und daraus die Temperaturveränderung berechnet, bestätigt im wesentlichen die bisherigen Ergebnisse.⁸ Aus der Energiezunahme zwischen 1850 und 2010 resultiert danach eine Temperaturerhöhung um ca. 0,8 °C. Die langlebigen Treibhausgase allein haben eine Temperaturzunahme von 1,31 °C bewirkt, das troposphärische Ozon und die etwas zugenommene Solarstrahlung von je 0,2 °C. Diese Erwärmung von zusammen ca. 1,7 °C wurde durch anthropogene Aerosole um ca. 0,85 °C reduziert. Hinzu kommen kleinere Abkühlungseffekte durch die Abnahme des stratosphärischen Ozons und Vulkanausbrüche. Der größte Anteil der Nettoerwärmung von 0,8 °C seit Beginn der Industrialisierung, nämlich 0,55 °C, vollzog sich seit den 1950er Jahren. Während in der ersten Hälfte des Jahrhunderts die Sonne noch einen gewissen Anteil an der Erwärmung hatte, ist der Anteil der natürlichen externen Antriebe seit 1950 nahezu Null. Die Sonne bewirkte seit der Mitte des 20. Jahrhunderts zwar einen kleinen Erwärmungseffekt von 0,07 °C, der aber durch Vulkanausbrüche ausgeglichen wurde. Maximal ein Viertel der Erwärmung seit der Mitte des 20. Jahrhunderts könnte allerdings auch durch die interne Variabilität des Klimasystems verursacht sein.

Anmerkungen:
1. verändert nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure 9.11
2. verändert nach Met Office Hadley Centre (http://hadobs.metoffice.com/hadat/images.html)
3. verändert nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure 3.2
4. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 9.2.1.1
5. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 9.4.1.2
6. Abb. verändert nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Technical Summary, Figure TS-23
7. verändert nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, FAQ 9.2, Figure 1
8. Huber, M., and R. Knutti (2012): Anthropogenic and natural warming inferred from changes in Earth’s energy balance, Nature Geoscience 5, 31-36