Klimawandel - Klimakrise - Klimakollaps. Группа авторов

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.