Читать книгу Klimawandel - Klimakrise - Klimakollaps - Группа авторов - Страница 12

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.