Neue Erkenntnisse über die Klimaerwärmung

Medial sieht sich der wissenschaftliche Laie täglich der Vermischung aus politischen Interessen, wissenschaftlichen Aussagen und geopolitischen Motivationen ausgesetzt, die sich oft nur schwer trennen lassen. Letztlich bleibt ihm nichts anderes übrig, als sich auf die Aussagen führender Politiker und Wissenschaftler zu verlassen und diese Aussagen dann folglich auch zu glauben. Eine Überprüfung der wissenschaftlichen Grundlagen ist nur wenigen ausgebildeten Experten möglich, wobei deren Erkenntnisse nicht unbedingt übereinstimmen müssen. Häufig endet eine Pro- und Kontra-Diskussion von Nichtwissenschaftlern in einem Glaubenskampf mit fatalen Folgen. Man denke nur an den Dreißigjährigen Krieg, in dem sich zwei kontroverse Glaubensparteien bis fast bis zur Vernichtung von Zentraleuropa bekriegten. Später kam die Aufklärung, die den vernunftbegabten Menschen in den Vordergrund stellte. In der Idealvorstellung soll dieser Mensch durch eigenständiges und kritisches Denken zu seinen eigenen Schlüssen kommen. Er sollte dabei nicht in das bequeme Nachsprechen des ihm Vorgebetete verfallen, sondern sich der Mühe des eigenständigen Denkens unterziehen. In der Realität haben wir es aber oft mit Menschen zu tun, denen der Prozeß des unabhängigen Nachdenkens mehr oder weniger gut gelingt.

Wissenschaftliche Erkenntnis zeichnet sich dadurch aus, daß sie von jedem, wobei eine gewisse Befähigung vorausgesetzt ist, nachvollzogen werden kann. Experimente werden mehrfach von anderen wiederholt und damit verifiziert oder falsifiziert. Aus einer Hypothese, eine Annahme, kann nur über diesen wissenschaftlichen Weg eine tragfähige Theorie werden, wenn sie widerspruchsfrei die Realität beschreibt und mit dieser Idee dann zutreffende Vorhersagen gemacht werden können. Auf der Faktenlage bildet sich ein wissenschaftlicher Konsens heraus. Erfolgreiche Theorien sagen neue Experimente und neue Beobachtungen sogar voraus. Ein verifiziertes Experiment kann eine Theorie zu Fall zu bringen. Wissenschaftler, die eine solche Theorie mit gelungenen Experimenten zu Fall bringen, sind hochangesehen, weil sie die wissenschaftliche Erkenntnis weiter vorbringen. Deshalb wird von Wissenschaftlern immer auch nach Gegenbeispielen gesucht.

Auch in der Klimawissenschaft ist dieser Prozeß ausgesprochen notwendig, um das allgemeine Wissen weiter zu entwickeln. Jemand mit einer konträren Erkenntnis ist damit nicht gleichzeitig ein Gegner, sondern ein neuer Wissensträger. Bildet sich eine Gegnerschaft heraus, wird aus einem wissenschaftlichen Disput eine politische Diskussion, bzw. ein politischer Kampf. Sobald der politische Kampf einsetzt, endet jede freie Wissenschaft und es kann zu keiner neuen Erkenntnis kommen, denn diese ensteht nur aus dem Ringen um die Realität.

Begrifflichkeiten

Ausblick

Aus den verschiedenen Vorträgen und Publikationen unterschiedlicher Wissenschaftler sind von mir die wesentlichen Erkenntnisse extrahiert und zusammengefaßt worden. Daraus ergibt sich, sehr vorsichtig betrachtet, ein neues Gesamtbild über klimatische Vorgänge, die über sehr große Zeiträume in der Vergangenheit reichen. Aus dem Gesamtbild läßt sich daher besser die eigene aktuelle Lage erfassen und auch eine tendenzielle Richtung der Zukunft vermuten. Eine Vorhersage ist jedoch aufgrund der Ungewißheit der Zukunft nicht möglich.

Kurzzusammenfassung von Erkenntnissen über die Klimaerwärmung

Dipl.-Meteorologe Klaus-Eckart Puls:

Die reine Klimasensitivität von CO₂ liegt laut IPCC-Bericht 2007 bei 1,2°C bei Verdopplung des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre. Wasser ist ein viel häufigeres Spurengas in der Atomsphäre als CO₂. Die Absorptionsbanden von CO₂ und H₂O überlappen, so daß die Klimawirksamkeit von CO₂ physikalisch stark begrenzt ist (1. Abbildung). Da die CO₂-Absorptionsbanden bereits weitestgehend gesättigt sind, nimmt der Treibhauseffekt durch zusätzliches CO₂ nur noch mit dem Logarithmus der CO₂-Konzentration zu, so daß sich die Temperatur der Erde bei jeder Verdopplung des CO₂-Gehalts der Atmosphäre jeweils nur um den gleichen Betrag erhöht. Die Sättigung tritt bereits mit den ersten 20 ppm an CO₂ ein (2. Abbildung), so daß weiteres CO₂ nur noch mit der logarithmischen Funktion zur Temperaturerhöhung beiträgt. Jedes neue CO₂-Molekül bewirkt weniger als das vorherige. CO₂ kann in den Klimamodellen aus physikalischen Gründen nicht den wesentlichen Teil für die Klimaerwärmung beitragen, sondern es ist laut IPCC die Wasserdampf-Rückkopplung, die den Klimaeffekt von CO₂ verstärkt. Wie groß der Verstärkungseffekt ist, ist dabei die Kernfrage der Klimaforschung (Wasserdampfverstärkung). Durch die Erwärmung der Atmosphäre kann mehr Wasserdampf in der Atmosphäre aufgenommen werden. Als hochwirksames Klimagas läßt Wasserdampf die Temperatur der Luft weiter ansteigen und kann daher auch als Maß für die Klimaerwärmung angesehen werden kann. Genauso ist allerdings auch die negative Rückkopplung möglich: Mehr Wasserdampf in der Atmosphäre löst eine verstärkte Wolkenbildung aus, die zum einen den Albedo der Erde erhöht und zum anderen durch Niederschlag eine Abkühlung bewirkt. Über einen Zeitraum von ca. 40 Jahren Datenerfassung von Wetterballons in der Troposphäre zeigen die Feuchtigkeitsprofile einen deutlichen Negativtrend (3. Abbildung), d.h., daß die Wasserdampfrückkopplung negativ ist, wenn die beobachtete Temperaturerhöhung mit dem steigenden CO₂ korreliert wird. Damit sind die Klimamodelle des IPCC falsifiziert. Satellitenmessungen bestätigen den rückläufigen Gehalt des Wasserdampfes der Stratosphäre. Dabei wird ein 10%iger Rückgang des Wasserdampfgehalts seit dem Jahr 2000 festgestellt.

Die IPCC Klimamodelle (CMIP-5) simulieren den Verlauf historischer Klimadaten und berechnen zukünftige Szenarien. Dabei ist zu beobachten, daß in den Modellvorhersagen der Anstieg der globalen Temperatur signifikant überschätzt wird, wie die obige Abbildung mit realen Meßdaten verdeutlicht.

Luftspurengase — d.) Spurengase der Luft ohne CO₂ und H₂O.

Ergänzung: H₂O und CO₂ sind die wesentlichen Spurengase, die hauptsächlich zum Treibhauseffekt beitragen. Dabei überwiegt H₂O das CO₂ etwa um Faktor 10 im Volumenanteil, siehe Abbildung b.). Aufgrund der sehr viel breiteren Absorptionsbanden ist es im Vergleich zu CO₂ viel wirksamer. Häufig wird bei der Luftzusammensetzung das H₂O aufgrund seiner Variabilität in der Luft (Wetter) ausgelassen, wie in Abbildung c.) gezeigt ist. So erscheint CO₂ dann als viel bedeutender.

Prof. Hermann Harde:

Der Treibhauseffekt von CO₂ existiert. Aus den Strahlungstransfer-Rechnungen von ca. 900.000 Spektrallinien der Treibhausgase ergibt sich eine Klimasensitivität (bei Verdopplung der CO₂-Konzentration) von 1,09°C ohne Rückkopplungseffekte. Unter Berücksichtung auch der kurzwelligen Absorptivität ergibt sich bei 66% Wolkenbedeckung eine Wasserdampfrückkopplung von 14% (Faktor 1,14) der Klimasensitivität von CO₂. Rechnungen ergeben, daß bei wolkenfreier Erde die Wasserdampfrückkopplung nur 57% (Faktor 1,57) beträgt. Das IPCC geht hingegen von einer Wasserdampfrückkopplung von 100% (Faktor 2) aus und rechnet außerdem mit einem wolkenfreien Himmel.

Die Gleichgewichtsklimasensitivität (ECS) von CO₂ ist vom IPCC mit 3,2°C deutlich zu hoch angesetzt. Nach neuen Rechnungen (2LCM-Modell) ist der ECS mit 0,7°C (statt 3,2°C) anzusetzen. Der Temperaturanstieg durch den CO₂-Antieg von 90 ppm würde damit eine Temperaturerhöhung von 0,26°C ergeben. Das ist weit weniger als das IPCC mit 0,92°C angibt.

Es gibt klare Anzeichen für einen solaren Anteil an der Klimaerwärmung, siehe linke Abbildung.

Die Wolkenbedeckung ist der größte Unsicherheitsfaktor. Klimabeobachtungen gelegten, daß eine erhöhte Sonnenaktivität die Bewölkung reduziert. Die globale Erwärmung der letzten 100 Jahre von 0,74°C sind ca. zu 35% durch den Anstieg des CO₂ um 90 ppm bedingt und zu ca. 65% von der Solaranomalie (ΔTSI=0,3%).

Prof. Nicola Scafetta:

Am Beispiel Chinas wird deutlich, wie die Verstädterung der Landschaft zu lokalen Erwärmungseffekten führt, lokalisiert in den Zentren der Bevölkerungsentwicklung. Meßdaten werden dadurch verzerrt, weil Wetterstationen, die zuvor in ländlichen Regionen lagen, durch die Verstädterung in Vorstädte eingeschlossen wurden, wodurch sie die städtische Erwärmung mit messen, siehe linke Abbildung. Die Methoden des IPCC zum Herausrechnen des städtischen Effekts können diese Verzerrung der Daten nur ungenügend korrigieren und werden eine Restverzerrung beinhalten. Die rechte Abbildung zeigt die Erwärmung, die vom CMIPS-Modell berechnet wurde. Die städtischen Erwärmungseffekte bleiben unberücksichtigt. Entsprechend tragen die Daten im städtischen Umfeld scheinbar zu einer Erhöhung zur berechneten globalen Temperatur bei. Diese Erhöhung wird dem CO₂-Effekt dann zugeschrieben. Vergleiche aus Ozeandaten zeigen daher eine deutlich kleinere globale Temperaturerhöhung.

Das linke Bild ist von mir ergänzt, das die Kohlenstoffmonoxid-Konzentration über China zeigt. In den hochbesiedelten Gebieten wird besonders viel Kohle verbrannt, was zu erhöhten Kohlenstoffmonoxid-Werten führt und die hohe Besiedlungsdichte im Land verdeutlicht, in denen die Temperaturanomalien beobachtet wurden. Die Daten können über nullschool.net live abgerufen werden.

Die beiden Bilder in der Mitte und rechts zeigen die globale Bevölkerungsexplosion der Menschheit in zwei Zeitskalen. Aus dem bisher ungebremsten exponentiellen Wachstum ergibt sich eine starke Verstädterung der Landschaft, die nach Scafetta Verzerrungen in den Temperaturmessungen verursacht und diese so fälschlich dem CO₂-Effekt zugeordnet werden.

Die untere Karte zeigt die Verteilung der Wetterstationen, die sich überwiegend in dichtbesiedelten Gebieten befinden. Zu den Polregionen hin verringert sich die Dichte der Wetterstationen sehr stark. An den Polen selbst gibt es am Nordpol nur sehr wenige Stationen, am Südpol keine, sondern nur am Rande des Eises.

Nicolas Caillon et al.:

Jasper Kirkby:

Kirkby: Sunspotlength — a.) Korrelation der Länge der Sonnenzyklen und der Temperaturanomalie.

Kirkby: Sunspot — a.) Korrelation der Länge der Sonnenzyklen und der Temperaturanomalie.

Kirkby: Solarmaxima — d.) Variation der Sonnenfleckenanzahl von 1610 bis 2001. Die kleine Eiszeit (Maunder und Dalton Minimum) zwischen 1450 und 1890.

Kirkby: ice-debris — e.) Abhängigkeit der Solaraktivität und der Sedimentabscheidung aus Treibeis.

Beobachtungen zwischen der Sonnenaktivität, der kosmischen und galaktischen Strahlung deuten auf Zusammehänge hin, die Einflüsse auf das Erdklima haben. Die Abbildung a.) verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Dauer eines Sonnenzyklus und der beobachteten Temperaturanomalie.

Die kosmische Strahlung von hochenergetischen Teilchen (meist Protonen und Alpha-Teilchen) wirkt wie in einer Nebelkammer als Lieferant von Kondensationskeimen, die für die Wolkenbildung von Bedeutung sind. Die Bildung von Tropfen ist aufgrund des sehr hohen Innendruckes sehr kleiner Tropfen (Oberflächenspannung) gehemmt. Durch Kondensationskeime wird der Tropfenbildungsprozeß erleichtert, wonach anschließend der Tropfen erst wachsen kann. Kondensationskeime können dabei kleine Staubteilchen sein oder aber Teilchen kosmischer Strahlung, die mit den Luftmolekülen kollidieren, diese dabei ionisieren und so die Tropfenbildung erleichtern. Wenn mehr kosmische Strahlung auf die Erde trifft, nimmt vermehrt die Wolkenbildung zu. Dadurch erhöht sich der Albedo, wodurch mehr Strahlung von der Sonne in hohen Schickten reflektiert wird und es zu einer Abkühlung der Erdeoberfläche kommt. Bei geringer kosmischer Strahlung verringert sich daher die Wolkenbildung (blauer Himmel) und mehr Strahlung der Sonne erreicht den Erdboden, der sich dann erwärmt.

Hierbei spielt der Sonnenwind eine entscheidende Rolle, der mit der kosmischen Strahlung aus der Galaxie kollidiert und sie abschirmt, bzw. verringert. Die Abbildungen b.) und c.) zeigen in unterschiedlichen Höhen, und damit unterschiedlicher Abschirmung durch die Atmosphäre, die Wechselwirkung zwischen Sonnenaktivität und der gemessenen kosmischen Strahlung. Die Maxima des Sonnenzyklus sind als Pfeile angedeutet, in denen der Sonnenwind am stärksten ist. In diesen Fällen nimmt im Sonnenwindmaximum die kosmische Strahlung ab. In der Abbildung d.) ist die Sonnenfleckenanzahl aufgetragen, die mit der Sonnenaktivität korreliert. Deutlich ist die kleine Eiszeit im Mounder und Dalton Minimum zu erkennen. Diese Abkühlung der Erde führte zu Hungersnöten in Europa.

Die hochenergetische kosmische Strahlung stammt überwiegend von Supernovaexplosionen in unserer Galaxie. Unsere Atmosphäre schirmt den größten Teil der kosmischen Strahlung ab, die dabei mit den Luftmolekülen und Atomen kollidiert. Daneben kommt es auch zu Kernreaktionen (Spallation), wodurch weiterhin noch Neutronen, Pionen und Myonen enstehen. Aufgrund der hohen Energie bilden sich ganze Schauer aus einem einzigen hochenergetischen Teilchen. In zwei wichtigen Kernreaktionen werden dabei ¹⁴C und ¹⁰Be gebildet:

¹⁶O+p →¹⁰Be+³He+3p+n (T_½[¹⁰Be]= 1.51 Millionen Jahre)
¹⁴N+n →¹⁴C+p (T_½[¹⁴C]= 5730 Jahre)

Diese radioaktiven Isotope der Elemente Beryllium und Kohlenstoff haben, in erdgeschichtlichen Zeiträumen betrachtet, kurze Halbwertszeiten, so daß sie nach ca. 10 Halbwertszeiten weitestgehend zerfallen sind. Sie sind in der Umwelt nur deshalb vorhanden, weil sie durch die kosmische Strahlung ständig nachgebildet werden. Werden sie eingeschlossen, so daß kein Austausch mit der Umwelt mehr stattfindet, sinkt ihre Konzentration im Einschluß. Dies wird als radioaktive Uhr genutzt, um Altersbestimmungen vorzunehmen. Gleichzeitig kann damit aber auch auf die Sonnenaktivität rückgeschlossen werden.

Das wird in Abbildung e.) veranschaulicht, indem die solare Aktivität mit Sedimenten aus Eisbergen in Verbindung gebracht wird: Sinkt die Temperatur, treiben mehr Eisberge in Richtung des Äquators und es lagern sich beim Schmelzen ihre in ihnen eingeschlossenen Sedimente auf dem Weg ab. Zu erkennen ist in den Abbildungen von e.), daß gleichzeitig die Aktivität von ¹⁰Be und ¹⁴C steigt. Das deutet auf eine verringerte Sonnenaktivität hin und damit auf eine Abkühlung der globalen Temperatur.

In Abbildung f.) findet sich in sehr langsam wachsenden Stalagmiten eine ähnliche Korrelation, wobei hier die Regenänderung über δ¹⁸O bestimmt wird. Ein hoher Wert für galaktisch-kosmische Strahlung korreliert mit verringertem Regen. Die Ursache des Regenrückgangs erklärt sich wie folgt: Gibt es sehr viele Kondensationskeime, konkurrieren die vielen kleinen Tropfen um den kondensierbaren Wasserdampf der Atmosphäre. Sie wachsen daher nur wenig und sie bleiben zu leicht, um abregnen zu können. Gibt es nur wenige Kondensationskeime, so haben die kleinen Tropfen mehr kondensierbaren Wasserdampf zur Verfügung und sie können auf die Größe eines Regentropfens wachsen. Dieser Mechanismus erklärt auch weiter unten, weshalb die Sahara in der letzten Kaltzeit (Eiszeit) ihre größte Ausdehnung erreichte und mit der Erwärmung nach dem Ende der Kaltzeit ergrünte.

Zusammengefaßt ergibt sich eine deutliche Abhängigkeit der Sonnenaktivität und kosmischen Strahlung mit der Temperaturänderung und dem Klima der Erde.

F. Stefani et al.:

Milutin Milanković:

Bereits 1864 veröffentlichte Milanković seine Untersuchungen über den Einfluß der Planeten auf die Erdbahn und verknüpfte es mit dem Eiszeitproblem, der Ursache von Eiszeiten. Die elliptische Erdbahn wird durch die anderen Planeten des Sonnensystems beeinflußt und ändert dabei ihre Exzentrizität. Zusätzlich führt die Erdachse noch eine Präzession aus (wie eine Kreisel) und hat zusätzlich noch eine Nutation, eine Neigungsänderung der Achse. Durch die damit verbundene Abstandsänderung zur Sonne und mit der Präzession und Nutation verschiedene Bestrahlung unterschiedlicher Landflächen verändert sich der Energiehaushalt der Erde. Die Milanković-Zyklen stimmen zum Teil gut mit den Warm- und Kaltphasen überein, sagen jedoch nichts über ihre Intensität aus. Ferner erklären sie nicht die starken Temperaturanstiege, bei denen innerhalb von 50 Jahren die globale Temperatur um 10°C steigt. Aus der Arbeit von Stefani et al. ergeben sich noch zusätzliche Einflüsse des Planetensystems mit der sich daraus ändernden Sonnenaktivität. Aktualisierungen des Milanković-Zyklus sind damit in kürze zu erwarten.

Wikipedia-Artikel:
Milanković-Zyklen
(Geophysiker und Mathematiker, Universität Belgrad)
Bildquelle: Wikipedia

Prof. Horst Lüdecke

¹⁴C und ¹⁰Be werden durch kosmische Strahlung ständig in der Atomsphäre erzeugt und sie befinden sich im ständigen Fließgleichgewicht. Ihre Produktionsrate ändert sich mit der Intensität der kosmischen Strahlung. Nimmt man die historischen Daten der kombinierten Konzentrationen von ¹⁴C und ¹⁰Be, die über viele Meßpunkte auf der Erde gemittelt wurden, so kann man diese einer Fourier-Analyse unterziehen, um wiederkehrende Ereignisse zu finden, siehe linke Abbildung. Offenbar wiederholen sich Klimaereignisse mit bestimmten Frequenzen. Die Ursache dieser wiederkehrenden Ereignisse ist zur Zeit noch unbekannt. Wendet man nun die umgekehrte Fourier-Analyse mit den gefundenen Frequenzen an, so kann man den bisherigen Temperaturverlauf der letzten 2000 Jahre mit einer Übereinstimmung von 85% nur aus diesen Frequenzen simulieren. Dies deutet auf einen sehr starken Zusammenhang zwischen Klima und kosmischer Strahlung hin.

Nir J. Shaviv:

Aktuell befinden wir uns in einer Eiszeit, bzw. einem Eiszeitalter. Das zeigt sich an der Vereisung der Polkappen oder zumindest eines Poles. Innerhalb des Eiszeitalters gibt es Warmphasen, in denen das Eis sich zurückzieht; in dieser leben wir zur Zeit. Dazu gibt es Kaltphasen, in den sich das Eis weit in Richtung Äquator ausdehnt, wie es zuletzt vor 12.000 Jahren der Fall war, das allgemein als Eiszeit bezeichnet wird.

Wodurch entstehen Eiszeitalter überhaupt? Die Arbeit von Shaviv gibt erstmals einen tiefen Einblick in die großen Zusammenhänge: Die Sonne umrundet das Zentrum unserer Galaxie mit einer Umlaufzeit von ca. 230 Millionen Jahren und in einem Abstand vom Zentrum von 25.000 Lichtjahren, etwa dem halben Galaxieradius. Dabei durchläuft die Sonne verschiedene Galaxiearme, siehe rechte Abbildung. Innerhalb eines Galaxiearmes ist die Sonnendichte (Anzahl der Sonnen im Volumen) deutlich erhöht. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit von Supernovaexplosionen größer, was zu einer Erhöhung der galaktisch-kosmischen Strahlung um Faktor 2,5 führt. Erhöht sich die kosmische Strahlung, führt die dadurch verstärkte Wolkenbildung zur Abkühlung der Erde. Sinkt die kosmische Strahlung, erwärmt sich die Erde aufgrund rückläufiger Wolkenbildung. Gelangt die Sonne in einen Galaxiearm, tritt mit Verzögerung die Vereisung der Erde ein, was auf Laufzeiten der kosmischen Strahlung innerhalb der Heliosphere begründet liegt.

Betrachtet man die Zeiträume ohne und mit Vereisung, so ist deutlich zu erkennen, daß die Erde in ihrer überwiegenden Zeit eisfrei war. In diesen Zeiten lag die Durchschnittstemperatur relativ stabil bei etwa 22°C. Innerhalb der Eiszeitalter kam es hingegen zu größeren Schwankungen der Vereisung, wie wir es aus unserer letzten Kaltphase kennen, die vor 12.000 Jahren endete und einen Meeresspiegelanstieg von 130 Meter verursachte (Sintflut). Der Meeresspiegelanstieg wurde dabei nur von Eis verursacht, daß auf Landflächen lag. Schwimmendes Eis verdrängt das gleiche Volumen, das es als geschmolzenes Wasser einnimmt.

Aktuell haben wir den letzten Galaxiearm verlassen, so daß erwartet werden kann, daß die nächsten Eiszeiten milder ausfallen werden und die Erde langfristig wieder eisfrei werden wird.

Patrick Frank:

Die Aussagekraft eines physikalischen Wertes ist immer mit seinem Fehlerwert verknüpft, der die Genauigkeit des Wertes angibt. Werte ohne Fehlerangabe haben somit keine Aussagekraft. Fehler pflanzen sich in mathematischen Formeln fort zusammen mit den Fehlern anderer Parameter.

In Klimamodellen wird selten die Fehlerfortpflanzung diskutiert und betrachtet. Die Wolkenbedeckung der Erde stellt für Klimamodelle den größten Unsicherheitsfaktor dar. Wolken reflektieren das Sonnenlicht in höheren Schichten, so daß weniger Strahlung den Erdboden erreicht, wodurch es zu einer Abkühlung der Luft am Boden kommt. Andererseits reflektieren Wolken vom Boden ausgesandte Strahlung zum Teil zurück und reduzieren die Auskühlung. Das ist besonders gut in den Wintermonaten zu beobachten: Wolkenfreie Nächte sind deutlich kälter als bewölkte. Weiterhin werden Wolken durch die Sonneneinstrahlung erwärmt und strahlen Energie im langwelligen Bereich auf die Erdoberfläche ab. Dieser Effekt variiert auch in Abhängigkeit von der Wolkendicke. Aus Meßdaten wird die Unsicherheit der langwelligen Wolkenverstärkung auf ±4 W/(m²a) ermittelt. Dies ist ±114 Mal größer als der durch den jährlich durchschnittlich ansteigenden Energiefluß von ~0,035 W/(m²a) aufgrund des ansteigenden CO₂-Gehalts. Angewendet auf das generalisierte Zirkulationsklimamodell (GCM) ergebt sich durch die Fehlerfortpflanzung eine Ungenauigkeit, die die Vorhersagen aufgrund der Klimaerwärmung von anthropogenen CO₂ überdeckt: „Diese Tatsache allein läßt jeden globalen Effekt anthropogener CO₂-Emissionen für die aktuellen Klimamodelle unsichtbar erscheinen.“

Klimageschichte

Während des 230 Millionen Jahre dauernden Umlaufs der Sonne um das galaktische Zentrum durchkreuzt die Sonne verschiedene Spiralarme unserer Galaxie. Innerhalb der Galaxiearme ist die kosmische Strahlung um Faktor 2,5 höher, was zu einer verstärkten Wolkenbildung führt. Wie Abbildung 1 verdeutlicht besteht für eine Milliarde Jahre eine gute Korrelation zwischen dem Durchtritt eines Galaxiearms und der Vereisung der Pole der Erde, dem Eiszeitalter. Durch das Verlassen des letzten Spiralarms ist zu erwarten, daß die Kaltzeiten milder werden und sich schließlich ein Warmzeitalter einstellen wird, in denen die Pole eisfrei sein werden.

Mit Rückblick auf die letzten 600 Millionen Jahre zeigt die Abhängigkeit der Temperatur und des CO₂-Gehalts der Atmosphäre keine signifikante Korrelation, siehe Abbildung 2. In den überwiegenden Zeiträumen bestand ein warmes Erdklima mit einer globalen Durchschnittstemperatur von ca. 22°C. Abkühlungen treten signifikant auf, enden aber auch so. Vor rund 550 Millionen Jahren betrug der CO₂-Gehalt der Atmosphäre etwa 7000 ppm, rund 17 Mal mehr als heute und fiel dann im Laufe der Zeit stetig ab. Die Rückgangsursache des CO₂-Gehalts findet in der Biologie seinen wesentlichen Ursprung, da zum einen durch die Photosynthese beim Aufbau von Biomasse Sauerstoff aus dem CO₂ in die Atmosphäre abgegeben wurde und andererseits, weil besonders in den Meeren Kleinstlebewesen mit Kalkschalen zu Boden sanken und der Kalk dicke Ablagerungen bildete, aus denen sich dann Kalkgesteine formten (z.B. die weißen Kreidefelsen von Dover). Flüsse spülen von den Bergen Mineralien ins Meer, die ebenfalls noch heute dort ausfallen und zu Boden sinken. Werden die Meeresböden durch Plattentektonik zusammengeschoben, enstehen Kalkgebirge, wie die Alpen, die Dolomiten oder wie der Elm. Dieses im Kalk gebundene CO₂ ist weitestgehend dem biologischen Kreislauf entzogen, was langfristig zu einer Verarmung des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre führt. An den Subduktionszonen sinken die Meereserdplatten in den Erdmantel und werden aufgeschmolzen. Das dabei freiwerdende CO₂ tritt durch die Vulkane wieder in die Atmosphäre aus. Dieser geologische CO₂-Kreislauf erhält das Leben auf der Erde. Die unterschiedlich starken Vulkanausbrüche können je nach Intensität durch Staub- und SO₂-Emissionen den Wärmehaushalt der Erde stören, was dann zu einer Abkühlung führt. Diese Prozesse treten chaotisch auf. Wie Abbildung 2 veranschaulicht, war erdgeschichtlich betrachtet der CO₂-Gehalt der Atmosphäre selten so gering wie heute. Über 1000 ppm sind daher eher die Norm.

Das Pflanzenwachstum ist bei C3-Pflanzen besonders stark von der CO₂-Konzentration abhängig, wie Abbildung 3 veranschaulicht. Bei etwa einem CO₂-Gehalt von 100 ppm veratmet die Pflanze genausoviel wie sie gerade durch die Photosynthese bindet. Dann findet kein Pflanzenwachstum mehr statt. In der Natur liegt der Wert bei 150-160 ppm, weil Energie für die nächtlichen Dunkelphasen gespeichert werden muß und daher das Tagesmittel angewendet werden muß. C4-Pflanzen erreichen durch Vorfixierung von CO₂ unterhalb von 800 ppm eine bessere CO₂-Aufnahme. Sie haben dadurch einen biologischen Vorteil. Weil die meisten Pflanzen C3-Pflanzen sind, wird in Gewächshäusern deshalb häufig eine CO₂-Begasung auf etwa 800 ppm vorgenommen, um das Wachstum zu steigern. Durch den globalen Anstieg des CO₂-Gehalts wurde von Satelliten ein Zuwachs der Biomasse auf der Erde beobachtet. Zaichun Zhu et al. beschreibt, daß der Blätterflächenindex (LAI) bei 25-50% der globalen Vegetationsfläche zugenommen hat, während nur 4% einen Rückgang zeigen. CO₂ soll dabei etwa 70% des Effektes ausmachen.

In Abbildung 4 ist der globale Temperaturverlauf der letzten 400 Tausend Jahre dargestellt. Etwa alle 100-120 Tausend Jahre ist es zu sehr starken Temperaturanstiegen gekommen (Warmzeiten), die nur relativ kurz anhielten. Dafür waren die Kaltzeiten (landläufig Eiszeiten) sehr ausgedehnte Perioden. Vor rund 12.000 Jahren endete unsere letzte Kaltzeit. Seit dem Holozän-Klimaoptimum, siehe Abbildung 6, ist die Temperatur wieder gesunken. Wird dieses Muster sich weiter fortsetzen, so ist mit einer kommenden Eiszeit zu rechnen. (Das CO₂ wird nach den obigen Erkenntnissen nicht das Potential haben, die kommende Eiszeit zu verhindern.) Beschrieben wird dieser Verlauf zum Teil mit den Milanković-Zyklen, siehe oben. Die kleineren Schwankungen werden zusätzlich noch von den Sonnenzyklen beeinflußt, die wiederum von der Planetenmechanik maßgeblich gesteuert werden, siehe oben. Größere Leistungschwankungen der Sonne, die im Inneren begründet sind, sind Teil aktueller Forschung.

Das Legen einer globalen Temperaturlinie ist dabei willkürlich, weil in Abbildung 4 nur die Temperatur zu einem beliebig gewählten Zeitpunkt verglichen wird. Sinnvoller sind daher nur Abbildungen mit absoluten Temperaturen. Im Vergleich dazu zeigen die Milanković-Zyklen eine gute Übereinstimmung mit den plötzlich auftretenden Warmphasen. Jedoch sagen die Intensitäten der Milanković-Zyklen nicht die verschieden intensiv auftretenden Warmphasen voraus. Hier scheint noch ein weiterer Mechanismus darüber zu liegen. Das Ende unserer letzten Kaltphase ist schön zu erkennen. Von der Datenanalyse der Intensität historischer kosmischer Strahlung finden wir in kurzen Zeiträumen (ca. 2000 Jahre) wiederkehrende Zyklen, deren Ursache jedoch bisher nicht bekannt ist. Sie erklären im kurzfristigen Zeitverlauf mit 85% Wahrscheinlich jedoch die kleineren Klimaveränderungen.

Abbildung 5 zeigt die aus den Eisbohrkernen der Antarktis gewonnenen CO₂ Konzentrationen (eingefrohrene Gasblasen) und die aus dem ¹⁸O/¹⁶O Verhältnis des Wasser gewonnene Temperatur über einen Zeitraum von 400.000 Jahren. Bei genauer Betrachtung der Daten stellt man fest, daß die CO₂-Konzentration sich mit der Temperatur ändert, jedoch deren Verlauf dem der Temperatur etwa 800 ±200 Jahre verzögert folgt. Die Löslichkeit von CO₂ in Wasser ist temperaturabhängig. Steigt die Temperatur, nimmt die Löslichkeit von CO₂ in Wasser ab und das CO₂ gast aus dem Wasser aus. Bei Abnahme der Temperatur läuft der umgekehrte Vorgang ab. Die 800-jährige Verzögerung hängt mit der Umwelzzeit der Ozeane zusammen, weil die Ausgasung nur an der Wasseroberfläche stattfinden kann. Das ozeanische Tiefenwasser steigt mit den Meeresströmungen auf, um sich dann mit der Atmosphäre auszutauschen. Die Temperatur steuert daher zu einem wesentlichen Anteil die CO₂-Konzentration der Atmosphäre.

In Abbildung 6 sind die globalen Temperaturschwankungen seit dem Ende der Eiszeit aufgetragen. Sie zeigen deutlich das Holozän- und das Römische Klimaoptimum. In diese Zeiten fallen die Hochkulturen Ägyptens und des Römischen Reiches, weil aufgrund des warmen Klimas die Nahrungsmittelproduktion gesteigert war und eine bessere Versorgung für die Menschen bestand. Der Niedergang Roms fällt mit dem Ende des Römischen Klimaoptimums zusammen. Ebenso findet sich für die mittelalterliche Warmzeit eine Überlappung mit der Hochkultur des Mittelalters. Ein wärmeres Klima war für die Menschen und ihre kulturelle Entwicklung, aus der Geschichte betrachtet, vorteilhaft.

Dr. Stefan Kröpelin:

Die Sahara hatte während der letzten Kaltphase (Eiszeit) für rund 100.000 Jahre ihre größte Ausdehnung. Die Kaltphase endete einer starken Erwärmung der Erde vor rund 12.000 Jahren. Auf dem Höhepunkt des Holozän vor 9.000 bis 6.000 Jahren führten die deutlich höheren Temperaturen als heute zu einer Erhöhung des Wasserdampf-Gehalts der Atmosphäre. In der Folge kam es zu Monsunregen in der Sahara, die die über Jahrtausende ausgetrockneten Grundwasserstände wieder auffüllten und die Sahara ergründen ließen. Mit dem Ende des Holozän vor rund 6.000 Jahren zogen sich die Menschen aufgrund erneuter Trockenheit, die mit der Abkühlung der Erde einherging, aus der Sahara zurück. Am Nil entstand in der Folge die ägyptische Hochkultur, während die Sahara weiter austrocknete. Die geologischen und archäologischen Daten belegen, daß die Erwärmung der Erde nicht zu einer Vergrößerung der Sahara führte sondern zu deren Ergrünen.

Spurengase im Januar 2020

Aus der Verteilung der drei Spurengase SO₂, CO und CO₂ kann sehr gut die Verbrennung von Kohle und Biomasse (Holz, Stroh, Zuckerrohr, etc.) örtlich beobachtet werden. Die Verbrennung ist dabei meist unvollständig, so daß CO emittiert wird, das als Marker von Brandherden (Heizung, Kohlekraftwerk, freies Feuer) genutzt werden kann. Die Emission von SO₂ erfolgt hauptsächlich bei der Kohleverbrennung (Stein- und Braunkohle), weil in den fossilen Kohlen oft erhebliche Schwefelanteile vorhanden sind. Diese Anteile können jedoch von Art zu Art der Kohle stark schwanken, so daß sich die Aussagekraft über die verbrannte Menge pro Zeit einschränkt. Die SO₂-Emission ist jedoch ein starker Hinweis auf Kohleverbrennung. Auch bei Waldbränden ist der Anstieg gut zu erkennen, wird aber meist nicht so intensiv ausfallen, wie bei der Kohleverbrennung.

In den Abbildungen wird das Auftreten dieser Spurengase auf der Nord- und Südhalbkugel verglichen. Dabei wird deutlich, daß die größten Konzentrationen dieser Gase auf der Nordhalbkugel zu beobachten sind. Die Südhalbkugel spielt keine maßgebliche Rolle.

Im Regionalvergleich zeigt sich, daß über China diese Spurengase in sehr hohen Konzentrationen zu beobachten sind. Dies läßt sich zum einen darauf zurückführen, daß in China die Kohle als Energieträger von großer Bedeutung ist und die gewachsene Wirtschaft durch die Industrialisierung Chinas einen großen Energiebedarf benötigt. Anzumerken ist auch, daß in China und Indien etwa 40% der Weltbevölkerung leben. In China heizen die meisten Menschen im kalten Winter mit Kohle. In Europa wird hingegen weniger mit Kohle geheizt. Vergleicht man Europa mit China, sind die Emissionen bei uns vernachlässigbar wenig. Der Rückgang der Kohlenutzung in Europa und die Umstellung auf Heizöl und Erdgas führte zur deutlichen Verbesserung der Luft. Dazu kommen die strengen Richtlinien für Heizungen und Kraftwerke. In den Ostländern wie Polen oder wie Tschechien ist eine deutlich höhere Kohlenutzung zu beobachten. Auch in England wird noch intensiv mit Kohle geheizt, wie die CO₂-Konzentrationen über Europa zeigen.

Auch in den USA sind die Konzentrationen der Spurengase geringer als vom hohen Energieverbrauch der US-Amerikaner allgemein erwartet wird. Die Emissionen konzentrieren sich auf den Osten der USA.