Klima und Treibhauseffekt

UBA-Erkl?rfilm: Treibhausgase und Treibhauseffekt

UBA-Erkl?rfilm: Treibhausgase und Treibhauseffekt

Klima wird beschrieben durch den mittleren Zustand, charakteristische Extremwerte und H?ufigkeitsverteilungen meteorologischer Gr??en wie zum Beispiel Luftdruck, Wind, Temperatur, Bew?lkung und Niederschlag, bezogen auf einen l?ngeren Zeitraum und ein gr??eres Gebiet. Dabei spielt der Treibhauseffekt eine wichtige Rolle im Klimasystem.

Inhaltsverzeichnis

 

Grundlagen

Klima⁠ wird beschrieben durch den mittleren Zustand, charakteristische Extremwerte und H?ufigkeitsverteilungen meteorologischer Gr??en wie zum Beispiel Luftdruck, Wind, Temperatur, Bew?lkung und Niederschlag, bezogen auf einen l?ngeren Zeitraum und ein gr??eres Gebiet.

Aus eigenem Erleben, zum Beispiel von Urlaubsfahrten wissen wir, dass das Klima r?umlich variiert. Dass sich das Klima auch im Laufe der Zeit ?ndert, wissen wir mindestens aus der Kenntnis über die letzte Eiszeit, die gro?e Teile des heutigen Deutschlands unter einen Eispanzer setzte und bekannte katastrophale Folgen für das bis dahin hier vorhandene Leben hatte. Aus der pal?oklimatologischen Forschung (Untersuchung vergangener Klimaentwicklungen) sind Schwankungen der globalen Mitteltemperatur in den letzten Millionen Jahren zwischen 9 Grad Celsius und 16 Grad Celsius bekannt. Deshalb bewegte die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schon lange die Frage nach dem "Warum" der beobachteten Klima?nderungen. Vereinfacht lassen sich folgende Ursachen dafür anführen:

  • Ver?nderungen geoastrophysikalischer Parameter (zum Beispiel Solarkonstante, Erdbahnelemente),
  • Ver?nderungen der Erdoberfl?che (zum Beispiel Kontinentaldrift, ?nderung der ⁠Landnutzung⁠) und
  • ?nderungen des Stoffhaushaltes der ⁠Atmosph?re⁠ (zum Beispiel Gehalt an Treibhausgasen und kleinen, schwebenden Teilchen, den Aerosolen).

Mit Ausnahme der Variation geoastrophysikalischer Parameter k?nnen die Ver?nderungen sowohl natürliche (zum Beispiel Vulkanismus) als auch anthropogene (= durch den Menschen erzeugte) Ursachen haben.

Bis zum Beginn der Industrialisierung waren die Auswirkungen menschlicher Eingriffe lokal oder regional begrenzt. Seit der Industrialisierung werden jedoch deutliche überregionale und globale ?nderungen im Stoffhaushalt der Atmosph?re als Folge menschlichen Wirkens beobachtet. Ausdruck dafür ist der Anstieg der Treibhausgase. Die Konzentrationen der Treibhausgase nehmen seit 1750 in der gesamten Atmosph?re zu. So stiegen die Konzentrationen von Kohlendioxid (CO2) bis zum Jahr 2005 um über 35 Prozent, die des Methans (CH4) um 148 Prozent und die des Distickstoffmonoxids (N2O) um 18 Prozent weltweit gegenüber den Werten vorindustrieller Zeiten. Die Gründe hierfür sind vielf?ltig. Sie liegen im starken Anstieg der Verbrennung fossiler Energietr?ger wie Kohle, Erd?l oder Erdgas ebenso wie in der Ausweitung der industriellen Produktion, in ?nderungen bei der Landnutzung oder in der Ausweitung der Viehwirtschaft. Auch v?llig neue Stoffe wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (⁠FCKW⁠),? Halone (enthalten Bromatome im Molekül) vollfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW), teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (H-FKW), und Schwefelhexafluorid (SF6), die fast ausschlie?lich durch den Menschen erzeugt werden, gelangen in die Atmosph?re.

Alle diese Stoffe und Gase, zu denen auch Wasserdampf und Ozon geh?ren, haben eine besondere Eigenschaft. Sie lassen die von der Sonne (vor allem im sichtbaren, kurzwelligen Bereich) auf die Erde gelangende, energiereiche Strahlung relativ ungehindert passieren, absorbieren teilweise aber die im Gegenzug von der erw?rmten Erdoberfl?che abgegebene langwellige Strahlung. Hierdurch werden die Moleküle dieser Gase in einen so genannten energetisch angeregten Zustand versetzt, um nach kurzer Zeit unter ⁠Emission⁠ (Aussendung) infraroter Strahlung wieder in den ursprünglichen Grundzustand zurückzukehren. Die Emission von W?rmestrahlung erfolgt in alle Raumrichtungen, das hei?t zu einem erheblichen Anteil auch zurück zur Erdoberfl?che ("thermische Gegenstrahlung"). Damit diese zus?tzlich zugeführte Energiemenge dennoch abgestrahlt werden kann (dies muss aus Gründen der Energieerhaltung bzw. des dynamischen, energetischen Gleichgewichts erfolgen, in dem sich Erde und Atmosph?re im Mittel befinden), muss die Erde eine entsprechend h?here Temperatur aufweisen. Dies ist, kurz und vereinfacht gesagt, die Natur des Treibhauseffektes. Die dabei beteiligten Gase werden allgemein als "Treibhausgase" bezeichnet.

Die Wirkung des Treibhauseffektes ist erheblich. Ohne die natürlicherweise vorkommenden Treibhausgase w?re ein Leben auf unserem Planeten gar nicht m?glich. Statt der vorherrschenden globalen, bodennahen Mitteltemperatur von circa 15 Grad Celsius, h?tten wir ohne natürlichen ⁠Treibhauseffekt⁠ eine mittlere Temperatur von etwa - 18 Grad Celsius und die Erde w?re vereist. Der natürliche Treibhauseffekt sichert also unser irdisches Leben.

Durch die Zunahme der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosph?re kommt es zu einem zus?tzlichen Treibhauseffekt und zu einem Anstieg der bodennahen Lufttemperatur. Der natürliche Treibhauseffekt ist also lebensnotwendig - seine Verst?rkung durch menschlichen Eingriff aber gibt Anlass zur Sorge. Jede Ver?nderung eines Klimafaktors (hier der Zusammensetzung der Atmosph?re) kann über vielseitige Wechselwirkungen zu weit reichenden und raschen ?nderungen im gesamten ⁠Klimasystem⁠ führen. Da die ?kosysteme und auch unsere Zivilisation an die derzeitigen Klimabedingungen angepasst sind, k?nnen solche ?nderungen bedrohliche Folgen haben.

Welche Auswirkung die Zunahme der atmosph?rischen Treibhausgaskonzentrationen auf das Klima hat, ist nicht so einfach zu beantworten. Da es keine einfachen Ursache-Wirkungsketten im Klimasystem gibt, hat die ?nderung eines Parameters (zum Beispiel der Strahlung) die ?nderung vieler Parameter (zum Beispiel Temperatur, Luftdruck, ⁠Verdunstung⁠, Bew?lkung) zur Folge. Darüber hinaus kommt es auch noch zu positiven und negativen Rückkopplungen (Verst?rkungen und Abschw?chungen der Wirkungen von Prozessen). Deshalb ist es n?tig, Klimamodelle einzusetzen und mit Hilfe hochleistungsf?higer Computer m?gliche künftige Klima?nderungen zu simulieren.

 

Geschichtliche Eckdaten der Erforschung des Treibhauseffektes

Wissenschaftliche Erkenntnisse im Zusammenhang mit der Natur des Treibhauseffektes gibt es schon recht lange.

Bereits 1824 erl?uterte Jean-Baptiste Fourier, wie Spurengase in der ⁠Atmosph?re⁠ das ⁠Klima⁠ erw?rmen. Der schwedische Nobelpreistr?ger Svante Arrhenius berechnete im Jahre 1896 erstmals, dass eine Verdopplung des Kohlendioxidgehaltes der Atmosph?re zu einer Temperaturerh?hung um vier bis sechs Grad Celsius führen würde (Rahmstorf und Schellnhuber 2007). Im Jahre 1933 beschrieb der amerikanische Meteorologe Kincer in der Zeitschrift Monthly Weather Review (Kincer 1933) ungew?hnliche Erw?rmungstrends. Der britische Ingenieur Callendar vermutete, dass diese Trends mit einer erh?hten Kohlendioxidkonzentration in der Atmosph?re in Verbindung stünden (Callendar 1938).

In Deutschland geh?rte der Meteorologe Hermann Flohn zu den Pionieren dieses Forschungszweiges. Er diskutierte schon 1941 die globale ⁠Klimawirkung⁠ von durch den Menschen verursachten erh?hten CO2-Konzentrationen in der Atmosph?re (Flohn 1941).

Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts gab es jedoch noch keinen Beleg dafür, dass die CO2-Konzentration der Atmosph?re wirklich steigt. Diese Feststellung gelang den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern erst w?hrend des internationalen geophysikalischen Jahres 1957/1958 (Rahmstorf, Schellnhuber 2007). 1958 initiierte der Chemiker Charles Keeling den Beginn der kontinuierlichen Messungen der atmosph?rischen CO2-Konzentration auf dem Mauna Loa auf Hawaii, die bis in die Gegenwart fortgeführt werden.

1965 warnte der wissenschaftliche Beirat des Pr?sidenten der USA vor einer m?glichen, vom Menschen verursachten ⁠Klima?nderung⁠ und deren m?glichen, bedeutenden Folgen (Agrawala 1998).

1979 fand die erste Weltklimakonferenz statt, der in den Jahren 1980, 1983 und 1985 Arbeitstreffen in Villach, ?sterreich folgten. In Villach 1985 kam eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern zu dem Schluss, dass in der ersten H?lfte des folgenden Jahrhunderts ein Anstieg der globalen Mitteltemperatur auftreten würde, der beispiellos in der Geschichte der Menschheit w?re. Diese Expertengruppe empfahl zugleich eine enge Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Politikern zur Ausarbeitung von Ma?nahmen gegen die drohende Klima?nderung (Agrawala 1998).

Seit dem Expertentreffen in Villach 1985 war die Problematik der durch den Menschen verursachten Klima?nderung auf der internationalen politischen Agenda verankert.

Literatur:

  • Agrawala, S. 1998: “Context and early origins of the Intergovernmental Panel on Climate Change.” Climatic Change 39, S.605-620
  • Callendar, G. S., 1938: “The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature”. Quart. J. R. Met. Soc.,64, S. 223-241
  • Flohn H., 1941: Die T?tigkeit des Menschen als Klimafaktor. Z. f. Erdkunde, , S. 13-22
  • Kincer, J. B., 1933: “Is our climate changing? A study of long-time temperature trends. Monthly Weather Review 61 (Nr. 9), S. 251 – 259
  • Rahmstorf, S., Schellnhuber, H. J., 2007: ?Der ⁠Klimawandel⁠.“ Verlag C. H. Beck oHG, München, 144 S.
 

Die Sonne und das Klima

Die Sonne ist der Energielieferant für das ⁠Klima⁠ der Erde. Deshalb hat die ?nderung der Strahlungsintensit?t der Sonne, also ver?nderte Energiezufuhr, unmittelbare Auswirkungen auf das Klima. Ein Ma? für die Strahlungsintensit?t der Sonne ist die Solarkonstante. Sie gibt die Strahlungsleistung der Sonne an, die oberhalb der ⁠Atmosph?re⁠ bei mittlerem Abstand zwischen Erde und Sonne senkrecht auf eine Fl?che von einem Quadratmeter trifft. Die Bezeichnung ?Solarkonstante” ist jedoch nicht exakt, denn der Wert ist nicht konstant. Ursache dafür sind unter anderem kurzfristig-periodische und langfristige ?nderungen der Sonnenstrahlung.

Im Hinblick auf die globale Erw?rmung der jüngsten Vergangenheit und der Gegenwart sind die kurzfristig-periodischen ?nderungen von besonderem Interesse. Sie h?ngen mit der Sonnenaktivit?t zusammen: einer zu bestimmten Zeiten verst?rkten Sonnenstrahlung, die durch Sonnenfackeln und Protuberanzen (Materiestr?me auf der Sonne) verursacht wird. Die Sonnenaktivit?t variiert in einem markanten elfj?hrigen Zyklus, der mit einer Zunahme der Strahlungsintensit?t von etwa 0,1 Prozent verbunden ist. Bekannt sind darüber hinaus ein 80-j?hriger Zyklus sowie weitere Variationen in l?ngeren Zeitr?umen.

Wenn die Sonnenaktivit?t erh?ht ist, ist auch die Anzahl der Sonnenflecken – das sind dunkle Gebiete auf der Sonnenoberfl?che – gr??er. Die Sonnenflecken kommen zustande, weil starke lokale Magnetfelder den Aufstieg der hei?en Materie aus dem Inneren der Sonne bis an die Oberfl?che behindern. Dadurch bleibt es in diesen Bereichen k?lter und es wird weniger Licht abgestrahlt - daher dunkle Flecken. Die Auspr?gung der lokalen Magnetfelder h?ngt mit der Dynamik der Materiestr?mungen und der au?erhalb des inneren Kernes nicht einheitlichen Winkelgeschwindigkeit der Drehung der Sonne um sich selbst (in Polbereichen langsamer als am ?quator) zusammen. Dass die Intensit?t der Sonnenstrahlung gerade gr??er ist, wenn viele Sonnenflecken vorhanden sind, liegt daran, dass dann auch besonders viele hei?e Fackeln und Protuberanzen auftreten. In diesen hei?en Zonen der Sonnenoberfl?che findet eine erh?hte Energieabstrahlung statt, die das Strahlungsdefizit der Sonnenflecken mehr als ausgleicht. Auch die Fackelgebiete h?ngen mit speziellen Auspr?gungen des Magnetfeldes zusammen. Die Sonnenflecken wurden bereits im Alten China vor 2000 Jahren beobachtet. Eine systematische Beobachtung erfolgte nach der Entdeckung des Fernrohrs seit Beginn des 17. Jahrhunderts. Messungen der Sonnenstrahlung von Satelliten aus liegen erst seit 1980 vor.

Die auf der Grundlage dieser Beobachtungen gesch?tzte Zunahme der Strahlungsintensit?t bei erh?hter Sonnenaktivit?t um 0,1 Prozent ist zu gering, um sich unmittelbar im Witterungs- und Klimageschehen ernsthaft bemerkbar zu machen. Denkbar w?re, dass dieser geringe Effekt durch bestimmte Prozesse im ⁠Klimasystem⁠ verst?rkt wird (positive Rückkopplungen). Die Wissenschaft hat jedoch keine gesicherten Erkenntnisse über derartige Rückkopplungsmechanismen. Im 4. Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klima?nderungen kommen die Klimatologinnen und Klimatologen zu dem Schluss, dass der seit 1750 durch ?nderungen der Sonneneinstrahlung verursachte Klimaeffekt nur etwa ein Zehntel des anthropogenen (durch den Menschen verursachten) Effektes betr?gt (siehe Klima?nderung 2007: Wissenschaftliche Grundlagen).

Die auf der Erde ankommende Sonnenstrahlung unterliegt zudem Schwankungen, wenn sich Parameter der Erdbahn um die Sonne ?ndern. Diese Schwankungen sind langfristiger Natur und nicht mit ?nderungen der Solarkonstante verbunden. Sie vollziehen sich in Perioden von einigen 10.000 bis zu einigen 100.000 Jahren und verursachen nach heutigem Kenntnisstand die Eiszeitzyklen.

Zusammenfassung der geschichtlichen Eckdaten der Erforschung des Treibhauseffektes

Geschichtliche Eckdaten

  • 1824

    Jean-Baptiste Fourier erl?utert, wie Spurengase in der Atmosph?re das Klima erw?rmen.

  • 1860

    Der Physiker John Tyndall untersucht die Wirkung verschiedener Treibhausgase in der Atmosph?re.

  • 1896

    Der schwedische Nobelpreistr?ger Svante Arrhenius berechnet den Effekt einer Verdopplung des CO2-Gehaltes der Atmosph?re.

  • 1938

    Guy Stewart Callendar interpretiert die zur damaligen Zeit beobachtete Klimaerw?rmung als Folge einer erh?hten CO2-Konzentration der Atmosph?re.

  • 1941

    Der deutsche Klimatologe Hermann Flohn weist auf eine – durch die T?tigkeit des Menschen bedingte – globale Klima?nderung hin.

  • 1965

    Der wissenschaftliche Beirat des Pr?sidenten der USA warnt vor einer m?glichen, vom Menschen verursachten Klima?nderung und deren bedeutenden Folgen.

  • 1979

    Erste Weltklimakonferenz in Genf.

  • 1985

    W?hrend des Expertentreffens in Villach (?sterreich) projizieren die Wissenschaftler einen Anstieg der globalen Mitteltemperatur für die erste H?lfte des kommenden Jahrhunderts und empfehlen eine enge Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Politikern zur Ausarbeitung von Ma?nahmen gegen die drohende Klima?nderung