Globaler Klimawandel, Klimamodellierung und internationale Klimapolitik

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der Abbildungen

Verzeichnis der Tabellen

Verzeichnis der Kastendarstellungen

Verzeichnis der Materialdarstellungen im Anhang

Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen

1 Das Problem, die Aufgabe und das Ziel - Einführung und methodische Vorbemerkungen

2 Der Klimawandel - physischgeographische, klimatologisch-meteorologische Grundtatsachen zum „globalen Klimaproblem“
2.1 Überblick über die Entwicklung des Erdklimas unter besonderer Berücksichtigung der Zeitskala
2.1.1 Grundbegriffe und methodologische Fragestellungen
2.1.2 Klimaschwankungen und Klimaänderungen im klimageschichtlichen Gesamtüberblick
2.1.3 Zusammenfassung
2.2 Veränderungen der atmosphärischen Spurengaskonzentration und „global warming“
2.2.1 Die Zusammensetzung und Gliederung der Erdatmosphäre
2.2.2 Der Treibhauseffekt
2.2.3 Wichtige atmosphärische, klimarelevante Treibhausgase und ihre Bedeutung im Überblick
2.2.3.1 Kohlendioxid
2.2.3.2 Methan
2.2.3.3 Fluorchlorkohlenwasserstoffe und Halone
2.2.3.4 Ozon
a) Stratosphärisches Ozon
b) Troposphärisches Ozon
2.2.3.5 Distickstoffoxid
2.2.3.6 Wasserdampf
2.2.4 Weitere atmosphärische Spurenstoffe
2.2.4.1Aerosole
2.2.4.2 Flüchtige organische Verbindungen (VOC)
2.2.4.3 Kohlenmonoxid
2.2.4.4 Stickoxide
2.2.5 Zusammenfassung
2.3 Regionale „Signale“ einer weltweiten Klimaänderung - global beobachtet Änderungen von Klimaparametern im 20. Jahrhundert
2.3.1 Extrem-Wetterereignisse im 20. Jahrhundert
2.3.2 El Niño - ein Klimaphänomen als Ursache für Wetterkapriolen und Naturkatastrophen

3 Klimamodellierung - Modelle und Simulationen zur Klimaprognose
3.1 Klimamodelle
3.1.1 Allgemeine Vorbemerkungen
3.1.2 Energiebilanzmodelle (EBMs)
3.1.3 Radiativ-konvektive Modelle (RCMs)
3.1.4 Zirkulationsmodelle (GCMs)
3.1.5 Statistische Klimamodelle
3.2 Prognosen und Szenarien zur Entwicklung des Weltklimas - Ergebnisse und Erkenntnisse aus EBM- und GCM-Studien
3.2.1 Beobachtete Trends und Entwicklungen des Weltklimas im 20. Jahrhundert
3.2.2 Thermische und hygrische Veränderungen in der terrestrischen wie marinen Sphäre
3.2.2.1 Thermische Veränderungen - der weltweite Temperaturanstieg
3.2.2.2 Hygrische Veränderungen - Niederschlagsmengen und Niederschlagsverteilung
3.2.2.3 Hygrische Veränderungen - der weltweite Anstieg des Meeresspiegels
3.2.2.4 Thermodynamische Veränderungen - Zunahme von tropischen wie ektropischen Sturmereignissen

4 Auswirkungen der hygrischen und thermischen Veränderungen im Zuge der globalen Erwärmung - der aktuelle Forschungsstand im Überblick
4.1 Allgemeine Vorbemerkungen
4.2 Anstieg des Meeresspiegels - die Gefährdung von Küstengebieten und Inselstaaten
4.3 Veränderung von Ökosystemen - Beeinträchtigung in der Nahrungsmittel- und Trinkwasserversorgung
4.3.1 Agrarwirtschaft - Auswirkungen auf den Pflanzenbau
4.3.2 Trinkwasserversorgung
4.4 Veränderung natürlicher Ökosysteme
4.4.1 Terrestrische Ökosysteme
4.4.2 Marine Ökosysteme
4.5 Beeinträchtigungen der menschlichen Gesundheit

5 Internationale Klimapolitik - ein Konfliktfeld zwischen Ökonomie und Ökologie
5.1 Stationen der internationalen Klimapolitik - eine Übersicht
5.2 Die Klimarahmenkonvention
5.2.1 Der Weg zur Klimarahmenkonvention
5.2.2 Die Klimarahmenkonvention von Rio de Janeiro - Vom Entwurf zum Inkrafttreten
5.3 COP 1 und das Berliner Mandat ´AGBM´
5.4 Das Protokoll von Kyoto (1997) - Ergebnisse und Bewertung
5.5 Der Kyoto-Nachfolgeprozess: Buenos Aires (1998) und Bonn (1999)
5.6 Zusammenfassung: Klimapolitische Weltkonferenzen - Rückschläge oder progressive Impulse?
5.6.1 Ergebnisse der Weltklimakonferenzen im Überblick
5.6.2 Klimapolitik als Ergebnis unterschiedlicher nationaler Interessen

6 Zusammenfassung und Ausblick

7 Literaturverzeichnis

8 Anhang

Verzeichnis der Abbildungen

Abb. 1 Temperaturschwankungen auf der Nordhalbkugel (Quelle: Pyritz, 1998)

Abb. 2 Temperaturkurve der letzten 750.000 Jahre unter Angabe der Kaltzeiten (Quelle: Malberg, 1997: 287)

Abb. 3 Vertikaler Aufbau der Erdatmosphäre (Quelle: v. Rudloff, 1989: 51)

Abb. 4 Strahlungsbilanz der Erde (Quelle: Brameier/v.d.Ruhren, 1995: 8)

Abb. 5 Anstieg der globalen Erdmitteltemperatur in Bodennähe bis 2030 infolge veränderter Treibhausgaskonzentrationen (Quelle: Lükenga, 1990: 79)

Abb. 6 Steigerungsraten der gegenwärtigen Treibhausgaskonzentrationen gegenüber der vorindustriellen Zeit (Quelle: eigener Entwurf)

Abb. 7 Zeitlicher Verlauf der atmosphärischen Spurengase CO2, CH4, N2O und FCKW seit 1750 (Quelle: Enquête-Kommission, 1992: 38)

Abb. 8 Der Kohlenstoff-Kreislauf (Quelle: eigener Entwurf)

Abb. 9Die Veränderung des CO2-Haushaltes von der vorindustriellen Zeit bis zur Gegenwart (Quelle: eigener Entwurf)

Abb. 10 Veränderung der Gesamtozonmenge in verschiedenen geographischen Regionen (Quelle: Bach et al., 1995: 97)

Abb. 11 Zusammenhang von Ozonloch und Treibhauseffekt (Quelle: Pyritz, 1998: 36)

Abb. 12 Berechnete Zunahme des Strahlungsflusses, der durch Sulfataerosole in den Weltraum reflektiert wird (in Watt pro m²) (Quelle:Graedel/Crutzen, 1996: 163)

Abb. 13 Änderungen in der atmosphärischen Spurengaskonzentration - Quellen, Senken und Folgewirkungen (Quelle: Frankenberg, 1991: 29)

Abb. 14 Anomalien der bodennahen Weltmitteltemperatur seit 1850 (Quelle: Graßl, 1999: 38)

Abb. 15 Temperaturentwicklung der letzten 1000 Jahre (Quelle: Münchner Rück, 2000: 106)

Abb. 16 Schematischer Ablauf einer ENSO-Entwicklung (Quelle: Hupfer, 1991: 149)

Abb. 17 El Niño - Strömungsverhältnisse und Meeresoberflächentemperatur im Pazifik (Quelle: Praxis Geographie, 1/2000, Folienbeilage)

Abb. 18 Globale Veränderungen durch das Klimaphänomen El Niño (Quelle: Claaßen, 1998: 41)

Abb. 19 Atmosphärische und ozeanische Komponente eines GCMs des Hadley Centres (Quelle: Dehn, 1999: 18)

Abb. 20 a) Klimamodellpyramide nach McGuffie und Henderson- Sellers: Modellkonstruktionen b) Klimamodellpyramide nach McGuffie und Henderson- Sellers: Autoren und Jahr der Publikation (Quelle: Henderson-Sellers, 1999: 599)

Abb. 21 Kombinierte Klimamodellpyramide nach McGuffie und Henderson-Sellers: Klimamodellierung und Klimaeinschätzung (Quelle: Henderson-Sellers, 1999: 601)

Abb. 22 Prognostizierte Temperaturentwicklung 1990 bis 2100 unter Berücksichtigung eines gleichbleibenden (Basis 1990) bzw. sich verändernden Aerosolgehalts (Quelle: IPCC-Bericht 1995: 322)

Abb. 23 Prognostizierte Temperaturentwicklung 1990 bis 2100: verschiedene Prognosewerte der IS92-Szenarien (Quelle: IPCC-Bericht 1995: 323)

Abb. 24 Prognostizierte Temperaturentwicklung 2000 bis 2500 (Quelle: IPCC-Bericht 1995: 45)

Abb. 25 Prognostizierter Anstieg des Meeresspiegels 1990 bis 2100 a) unter Berücksichtigung eines sich ändernden Aerosolgehalts ab 1990 b) auf Basis eines konstant bleibenden Aerosolgehalts (Basis: 1990) (Quelle: IPCC-Bericht 1995: 383)

Abb. 26 Verschiedene prognostizierte Entwicklungen des globalen Meeresspiegelanstiegs (Quelle: IPCC-Bericht 1995: 384)

Abb. 27 Prognostizierte Entwicklung des Meeresspiegelanstiegs 2000 bis 2500 (Quelle: IPCC-Bericht 1995: 45)

Abb. 28 Auswirkungen der globalen Erwärmung im Überblick (Quelle: eigener Entwurf)

Abb. 29 Auswirkungen der globalen Erwärmung auf den Agrarsektor (Quelle: eigener Entwurf)

Abb. 30 Einfluss der Klimaveränderung auf die menschliche Gesundheit (Quelle: eigener Entwurf)

Abb. 31 Grundstrategien der internationalen Klimapolitik (Quelle: eigener Entwurf)

Einige der Abbildungen Abb.1 bis Abb. 31 befinden sich in diesem Dokument (z.T auch im Anhang) in gescannter Form. Sollte die Lesequalität zu schlecht sein, so kann auf Anfrage eine Kopie der jeweiligen Abbildung beim Verfasser angefordert werden.

E-Mailadresse : puntopower1@uboot.com

Verzeichnis der Tabellen

Tab. 1 Zusammensetzung trockener, wasser- und aerosolfreier Luft in Bodennähe (Quelle: eigener Entwurf)

Tab. 2 Veränderung des atmosphärischen CO2-Gehalts (Quelle: eigener Entwurf)

Tab. 3 Zusammenstellung wichtiger klimarelevanter Treibhausgase und ihrer spezifischen Eigenschaften (Quelle: eigener Entwurf)

Tab. 4 Klimaparameter im Überblick (Quelle: eigener Entwurf)

Tab. 5 Dekadenvergleich der großen Naturkatastrophen 1950 bis 1999 (Quelle: eigener Entwurf)

Tab. 6 Stationen der internationalen Klimapolitik im Überblick (Quelle: eigener Entwurf)

Tab. 7 Ausgewählte Industriestaaten und ihre Reduktionspflichten gegenüber den Werten von 1990 gemäß Kyoto-Protokoll (Quelle: eigener Entwurf)

Verzeichnis der Kastendarstellungen

Kasten 1 Übersicht über Extremwetter-Ereignisse für das Jahr 1999 (Quelle: eigener Entwurf)

Kasten 2 Kriterien zur Bestimmung einer Anomalie (Quelle: eigener Entwurf)

Verzeichnis der Materialdarstellungen im Anhang

Material 8-1 Schwankungsspektrum meteorologisch-klimatologischer Phänomene und ihre charakteristische Zeit (Quelle: Schönwiese, 1979: 11)

Material 8-2 Übersicht über Klimaveränderungen und Klimaschwankungen seit der letzten Kaltzeit bis zur Gegenwart (Quelle: eigener Entwurf)

Material 8-3 Schema des atmosphärischen Strahlenflusses (Quelle: eigener Entwurf)

Material 8-4 Kohlendioxid-Gehalt der Erdatmosphäre in den letzten 220.000 Jahren (Quelle: WWF-Journal 4/1997: 22)

Material 8-5 Übersicht über bedeutende Naturkatastrophen im Jahr 1999 (Quelle: eigener Entwurf)

Material 8-6 Übersicht über bedeutende Naturkatastrophen im 20. Jahrhundert (Quelle: eigener Entwurf)

Material 8-7 Neueste wissenschaftliche Erkenntnisse zum Klimaphänomen „El Niño“(Quelle: eigener Entwurf)

Material 8-8 Regionale Veränderungen bis zum Jahr 2030 - Ergebnisse aus Klimamodellberechnungen (Quelle: eigener Entwurf)

Material 8-9 Klimaschutz und Klimapolitik im Internet (Quelle: eigener Entwurf)

Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Das Problem, die Aufgabe und das Ziel - Einführung und methodische Vorbemerkungen

Beinahe täglich wird man mit Meldungen oder Bildern von Naturkatastrophen aus aller Welt konfrontiert. Die Zahl von sintflutartigen Regenfällen, Überschwemmungen, ausgeprägten Hitze- und Dürreperioden, vermehrt auftretenden Wirbelstürmen, der Anstieg des Meeresspiegels oder die Vergrößerung des Ozonlochs haben in den letzten Jahren evident zugenommen. Globale Klimaveränderungen sind angesichts dieser weltweit beobachteten Signale mittlerweile nicht mehr zu übersehen und werden aller Voraussicht nach in diesem Jahrhundert noch deutlicher hervortreten. Seit etwa 15 Jahren dominiert die Frage, ob der Mensch das Erdklima verändert, die internationale Umwelt- und Klimadiskussion.

Obwohl Klimaforschung und Klimapolitik innerhalb der Geo- und Politikwissenschaften noch sehr junge und sich erst noch entwickelnde Teildisziplinen sind, wurden in den vergangenen Jahren zum Themenkreis «Anthropogen bedingte Klimaveränderungen und Folgewirkungen» zahlreiche Untersuchungen angestellt und viele Publikationen vorgelegt. Der rezente Klimawandel ist zunehmend in das Forschungsinteresse vieler geowissenschaftlicher Institute gerückt, welche sich in aktuellen Forschungsprojekten damit befassen. Außerdem beschäftigen sich immer mehr nationale wie internationale Institutionen, Konferenzen und Diskussionsforen in Politik und Wirtschaft mit der globalen Erwärmung.

Trotz der weltweit registrierten Veränderungen, die auf einen anthropogen bedingten Klimawandel hindeuten, und obwohl sogar vom „[...] drohenden Zusammenbruch der Ökosysteme [...]“ (Wünschmann, 1997: 6) die Rede ist, wird mancherorts beschwichtigend von „Treibhaushysterie“ (Müller, 1997: 21) oder der „[...] Gemeinde der Klima-Apokalyptiker [...]“ (Müller, 1997: 5) gesprochen. In welchem Umfang die Änderung der atmosphärischen Spurenstoff- und Treibhausgaskonzentration tatsächlich Einfluss auf die Lebensbedingungen auf der Erde nehmen und diese verändern wird, ist nach wie vor Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion. Gerade weil die Modellberechnungen und Zukunftsprognosen früherer Jahre fehlerhaft waren und z.T. zu falschen Schlussfolgerungen führten, gibt es immer noch Wissenschaftler, die antropogen induzierte Klimaeffekte und Wirkungen völlig ausschließen oder für kaum relevant halten. Die Mehrheit der Klimaforscher allerdings vertritt die Ansicht, dass man auf eine endgültige Klärung aller offenen Fragen nicht warten könne, denn dann könnte es bereits zu spät sein. Die These vom Eintritt einer schwerwiegenden Klimaveränderung konnte bis dato weder hinreichend bestätigt noch wissenschaftlich widerlegt werden. Solange ein solches Risiko nicht vollständig ausgeschlossen ist, muss das Handeln des Menschen von einer entsprechenden Risikovorsorge geleitet sein und die These der globalen Erwärmung weiter intensiv diskutiert werden.

Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, eine eingehende Untersuchung zu den aktuellen Ergebnissen und neuesten Erkenntnissen der Klimaforschung und den bislang erzielten Erfolgen der internationalen Klimapolitik anzustellen. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen somit zwei Kernbereiche. Zum einen soll der aktuelle Stand der Wissenschaft zur globalen Klimaveränderung aufgearbeitet und bewertet werden. Zum anderen soll die internationale Klimapolitik mit ihrer Mittlerposition im Konfliktfeld zwischen nationalen wie supranationalen ökonomischen Interessen und ökologisch notwendigem Handeln und den sich daraus ergebenden Konsequenzen, Möglichkeiten und Grenzen näher beleuchtet werden.

In Kapitel 2 werden die wichtigsten physiogeographischen und klimatologisch-meteorologischen Grundtatsachen der globalen Erwärmung vorgestellt. Danach wird ein Überblick über die Entwicklung des Erdklimas gegeben und herausgearbeitet, in welchen zeitlichen Rahmen Klimaänderungen generell einzuordnen sind und wie das gegenwärtige Klimaproblem dimensional zu bewerten ist. Der aktuelle Stand der Forschung zum Treibhauseffekt und die damit verbundenen atmosphärischen Veränderungen stehen im Mittelpunkt des sich anschließenden Abschnitts. Auch wenn es sich dabei nur um einen Kompromiss zwischen Vollständigkeit und Übersichtlichkeit handeln kann, erscheint eine Einführung in diese Materie dennoch unablässlich, da nur so die Dringlichkeit eines nachhaltigen Handelns im internationalen Gefüge verdeutlicht werden kann. Schließlich diskutiert der nächste Abschnitt die beobachteten Signale einer Klimaänderung und welche Schlussfolgerungen sich daraus ableiten lassen.

Nach der Analyse des gegenwärtigen Ist-Zustandes des Weltklimas stellt Kapitel 3 dann das Instrumentarium für Prognosen zur künftigen Entwicklung vor. Dabei wird zunächst in einem Überblick gezeigt, welche Methoden bei der Klimadiagnose und -prognose angewandt werden und welche Bedeutung den einfachen wie komplexen Klimamodellen zukommen. Daran schließt sich in Kapitel 4 eine Zusammenschau der verschiedenen Erkenntnisse über die zu erwartenden Auswirkungen der globalen Erwärmung an. Den Kernpunkt dabei bilden mögliche hygrische und thermische Auswirkungen, wobei ökologische und sozioökonomische Folgewirkungen ebenfalls kurz thematisiert werden.

Kapitel 5 beleuchtet das komplexe Gefüge der internationalen Klimapolitik und zeigt diese als das Ergebnis innenpolitischer wie grenzüberschreitender Interessenskonflikte zwischen Ökologie und Ökonomie, wobei sich die Hauptschwierigkeit darin zeigen wird, dass Klimaschutzpolitik versuchen muss, im Sinne der Nachhaltigkeit ökologische, ökonomische und soziale Belange gleichermaßen zu berücksichtigen. Eine eingehende Analyse der Entstehungshintergründe, des Verlaufs, der Ergebnisse und davon ausgehende mögliche Folgewirkungen, Impulse oder weitere Aktionen der bisher stattgefundenen Weltklimakonferenzen erfordert eine interdisziplinäre Vorgehensweise. Im Zentrum dieses Abschnittes steht nach einem einführenden Überblick über die Entwicklung der internationalen Klimapolitik der Weg von der Idee bis zur Ausgestaltung und praktischen Umsetzung einer Klimarahmenkonvention mit den damit verbundenen diversen Problemen bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt der politischen Verhandlungen.

Zur weiteren Veranschaulichung und Vertiefung einzelner Aspekte, die im Verlauf der Ausführungen nur knapp gehalten werden können, dienen dann Ergänzungen, Abbildungen, weiterführende Literaturverweise und Internetadressen im Anhang.

2 Der Klimawandel - physischgeographische, klimatologisch- meteorologische Grundtatsachen zum „globalen Klimaproblem“

2.1 Überblick über die Entwicklung des Erdklimas unter besonderer Berücksichtigung der Zeitskala

2.1.1 Grundbegriffe und methodologische Fragestellungen

Ist das Erdklima durch langfristige Beständigkeit gekennzeichnet oder kündigen bereits extreme Wetterereignisse Klimaänderungen an?

Beide Meinungen werden in der Öffentlichkeit vertreten und diskutiert. Um die in den letzten Jahren beobachteten weltweiten Veränderungen des atmosphärischen Geschehens in das gesamte System klimatologisch-meteorologischer Erscheinungen einordnen und diesen eine bestimmte Position hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Größenordnung zuschreiben zu können, sind vorab zunächst einige systemtheoretisch-statistische, axiomatische Grundbegriffe und methodologische Fragestellungen zu klären.

Das Klima der Erde unterliegt zeitlich-dynamisch wie räumlich betrachtet zwar einem stetigen Änderungsprozess, weist gesamt-klimageschichtlich betrachtet aber dennoch ein erstaunlich konstantes Verhalten auf. Eine kurzfristige Klimavariation ist immer in einen Rahmen langfristiger Veränderungen eingebettet (vgl. Lauer, ³1999: 208). Zur Einordnung von Klimaphänomenen in entsprechende zeitliche und räumliche Dimensionen gibt es in der Klimatologie unterschiedliche Erfassungs- und Datierungsmethoden, die sich zu drei Gruppen zusammenfassen lassen.

Klimaänderungen in der geologischen Vorzeit, dem sog. Paläoklima, werden ausschließlich mit Hilfe fossiler organischer wie anorganischer Zeugnisse rekonstruiert, während man für das historische Klima bereits „[...] zusätzlich auf Witterungsbeobachtungen und auf erfaßbare Auswirkungen des klimatischen Geschehens [...]“ (Lauer, ³1999: 208) zurückgreifen und diese hinzuziehen kann. Erst für das Neoklima, dem Klima der vergangenen 200 Jahre, gründen sich Untersuchungen der Klimaentwicklung auf Messdaten, mit Hilfe derer Aussagen über Vergangenheit und Zukunft gemacht werden können.

Der klassische Klima begriff umfasst, trotz aller Unterschiedlichkeit der verschiedenen Definitionsansätze in der Klimatologie^[1], die Gesamtheit sämtlicher meteorologischer Erscheinungen einschließlich deren räumliche wie zeitliche Variabilitäten. Davon ausgehend ist im Wesentlichen der mittlere Zustand und gewöhnliche Witterungsverlauf für einen bestimmten geographischen Ort gemeint. Die Frage, ob sich für das Erdklima gegenwärtig die Tendenz einer globalen Veränderung abzeichnet, ist eng mit der Frage nach dem zeitlichen Rahmen und der Größenordnung auftretender Phänomene verbunden. Letztere lassen sich, je nach ihrer mittleren Lebensdauer oder Zykluslänge, nach ihrer charakteristischen Zeit^[2] ordnen - vgl. auch Material 8-1 (Anhang). Dementsprechend unterscheidet man drei unterschiedliche Maßstabsebenen: zwischen Klima als dem langjährigen Mittel, Witterung als der Aufeinanderfolge von Wetterzuständen und Wetter als dem augenblicklichen Zustand der Atmosphäre. Unter Einbezug dieser drei Ebenen lässt sich dann eine reelle Änderung des Ist-Zustandes gegenüber einem früheren Zustand feststellen, wenn man der Position von Gates (1981) folgt, der den Begriff der Variabilität auf einen bestimmten Klimazustand begrenzt sieht. Klimavariationen sind für Gates „[...] statistisch signifikante Änderungen von Klimazuständen [...]“ (Schönwiese, 1994: 303). Schönwiese bestimmt den Begriff der Variation statistisch noch präziser, nämlich als „[...] jede definitive Änderung eines Klimaelementes [...]“(Schönwiese, 1994: 303) und den Begriff der Variabilität als „[...] die daraus errechneten statistischen Kenngrößen [...] z.B. Varianz, Häufigkeitsverteilungen von Extremwerten usw. [...]“ (Schönwiese, 1994: 303).

Für die Einordnung von atmosphärischen Phänomenen, deren Auftreten sowie Veränderungen innerhalb eines bestimmten zeitlichen Rahmens ist es sinnvoll, ein Klassifikationsschema von Klimavariationstypen heranzuziehen. Diesem Ordnungsprinzip (vgl. Schönwiese, 1994: 304) folgend unterscheidet man bei Klimavariationen zwischen:

- Trend: Ein Trend kann fallend oder steigend, linear oder nicht linear (progressiv oder depressiv) sein.
- Sprünge: Ein Sprung nach oben oder unter bedeutet eine abrupte Klimaänderung, der sich aber bei genauerer zeitlicher Auflösung meist als relativ rasch ablaufender Trend herausstellt.
- Wenden: In der Praxis sind sog. Trendumkehrungen von Klimaschwankungen kaum zu unterscheiden.
- Schwankungen: weisen mindestens zwei relative Maxima und ein relatives Minimum auf bzw. umgekehrt.

Schönwiese betont, dass es echt periodische Klimaschwankungen, also Schwankungen mit einer zeitlich exakt konstanten Periode und Amplitude, de facto nicht gibt, sondern Übergänge zwischen zyklischen, also Schwankungen mit variierender Amplitude und einer relativ geringen Periode, und stochastischen Schwankungen, bei denen sich Amplitude wie Periode unsystematisch ändern, für das Klimaverhalten charakteristisch sind (vgl. Schönwiese, 1994: 303-304). Schwankungen, die sich besonders häufig um einen bestimmten Mittelwert konzentrieren, bezeichnet man als Fluktuationen oder bei besonders sprunghaftem Verhalten auch als Vakillationen (vgl. Schönwiese, 1994: 304). Anstelle des Begriffs Variation wird eher häufig der Begriff Änderung synonym verwendet. Als Anomalien bezeichnet man generell die Abweichungen vom Mittelwert eines Referenz-Zeitintervalls (vgl. Schönwiese, 1994: 305).

Je nach Länge der charakteristischen Zeit einer Variation klimatologischer Phänomene unterscheidet man zwischen Mikroturbulenzen, Mesoturbulenzen und Makroturbulenzen. Veränderte meteorologische Erscheinungen, die den Tagesgang betreffen, bezeichnet man als Zirkulationsschwankungen - bei langer Dauer spricht man dann von Witterungsanomalien. Veränderungen im Jahresgang dagegen führen bereits in die Kategorie der Klimaschwankungen. In diesem Zusammenhang taucht unweigerlich die Frage auf, ab welchem Zeitpunkt klimatologische Phänomene als Anomalie einzustufen sind. Dabei sind die Begriffe aus der statistisch-klimatologischen Methodik heranzuziehen, allenvoran das Klimasignal und das Rauschen^[3].

Unter einem Klimasignal versteht man den Variations- bzw. Trendanteil im Klimaverhalten, der auf eine bestimmte Ursache zurückgeführt wird. „Die Signalstärke, zugleich die Signifikanz, lässt sich aus dem Vergleich mit dem Klimarauschen (z.B. Standartabweichung der Daten) abschätzen, von dem sich das Signal deutlich genug abheben sollte [...]“ (Schönwiese, 1994: 278). Roedel definiert die „[...] Differenz zwischen Ausgangszustand und dem späteren Zustand [...]“ als Klimasignal. (Roedel, 1992: 425). Es gilt dann die Frage hintenan zu stellen, ob dieses Klimasignal als Autovariation, eine Variation „ [...] ohne besonderen äußeren Antrieb [...]“ (Schönwiese, 1979: 105), zu werten ist, oder ob externe Einflüsse verantwortlich zu machen sind. Selbstvariationen unterlegene Vorgänge im Klimasystem sind immer zufällig und ungeordnet vorhanden und durchaus in der Lage, Klimaschwankungen zu induzieren.

Um nun Trends einer möglichen Veränderung des gegenwärtigen Klimazustands gegenüber einem früheren festzustellen und diese dann den eben genannten Kategorien zuordnen zu können, ist es zunächst erforderlich, sich einen kurzen Gesamtüberblick über die Entwicklung des Erdklimas zu verschaffen.

Es sei an dieser Stelle besonders darauf hingewiesen, dass in dieser Untersuchung der Schwerpunkt auf den Fragestellungen nach rezenten Klimaschwankungen bzw. -änderungen liegt. Der Untersuchungszeitraum für in Frage kommende Phänomene erstreckt sich lediglich über die letzten 100 bis 150 Jahre. Obgleich das Paläoklima nicht Gegenstand dieser Untersuchung ist, so muss dennoch der Verweis gemacht werden, dass die Kenntnis der Vergangenheit eine wichtige Voraussetzung ist, um gegenwärtige oder künftige Klimaänderungen verstehen und erklären zu können, wie auch Malberg betont (vgl. Malberg, 1985: 242). Das Material 8-2 (Anhang) dient dazu, sich einen Überblick über die Entwicklung des Klimas seit der letzten Kaltzeit bis zur Gegenwart verschaffen und die gegenwärtigen Klimaschwankungen dimensional auf der Zeitskala einordnen zu können.

2.1.2 Klimaschwankungen und Klimaänderungen im klimageschichtlichen Gesamtüberblick

Wie bereits herausgestellt, versteht man unter Klimaänderungen langandauernde Phasen, welche die atmosphärischen Verhältnisse grundlegend verändern. Dagegen bezeichnet man Phasen von kürzerer Dauer und geringerem Wechsel der Klimaelemente als Klimaschwankungen. Im Laufe der Erdgeschichte hat sich das Weltklima immer wieder einschneidend geändert, was durch fossile Tier- bzw. Pflanzenreste sowie Eiszeitzeugen belegt und mit Hilfe unterschiedlicher Methoden^[4] erschlossen werden kann. Wenn man sich heute angesichts des global beobachteten konstanten Temperaturanstiegs um zirka 0,7° C seit etwa 1850 - vgl. hierzu auch Abb. 5 - die Frage stellt, ob es sich bei dieser Entwicklung nun um erste Anzeichen einer dauerhaften Klimaerwärmung mit weitreichenden Folgen handelt, sprechen Klimatologen mittlerweile von einem Ereignis mit großer Eintrittswahrscheinlichkeit. Eine zuverlässig sichere Antwort könne aber gegenwärtig noch nicht gegeben werden. Auch in der Vergangenheit hat sich das Erdklima ohne menschliche Einflussgrößen erheblich verändert, wie der Blick in die Klimageschichte zeigt. Einen Gesamtüberblick über den Verlauf der Durchschnittstemperaturen während der letzten 1.000.000 Jahre vermitteln Abb. 1 und Abb. 2. Dabei ist festzustellen, dass

- der Beginn des Eiszeitalters deutlich vor etwa 750.000 Jahren erkennbar ist.
- die Durchschnittstemperaturen bis in die jüngste Erdgeschichte mehrfach um 6 bis 8° C abgesunken sind.
- das Erdklima überwiegend durch Warmzeiten geprägt ist.
- seit etwa 1 Mio. Jahren eine Kaltzeit mit einem ständigen Wechsel von Eiszeiten und wärmeren Interglazialen dominiert.
- die Höhepunkte der Wärmewellen von recht kurzer Dauer (etwa rund 10.000 Jahre) sind und die Eiszeiten um ein Vielfaches länger andauern.
- der Übergang vom Glazial zum Interglazial rasch erfolgt und nur wenige tausend Jahre andauert.
- die gesamte globale Temperaturänderung zwischen dem Höhepunkt einer zwischeneiszeitlichen Wärmewelle und der vollentwickelten Eiszeit rund 10° C beträgt.
- für die letzten 1000 Jahre in Europa relativ starke natürliche Klimaschwankungen festzustellen sind.
- es bereits im Mittelalter eine Periode der Temperaturerhöhung um durchschnittlich 0,8° C mit ihrem Höhepunkt zwischen 900 und 1050 n. Chr. gab.
- für den Zeitraum 1650 bis etwa 1850 ein deutlicher Temperaturrückgang zu verzeichnen ist, den man als ´Little Ice Age´ bezeichnet.

Mit Hilfe von Abb. 1 und 2 lässt sich belegen, dass Schwankungen der Temperaturkurve für alle Zeiträume der Klimageschichte zu verzeichnen sind. Deshalb könnte die gegenwärtige Klimaerwärmung auch als eine Fortsetzung der durch natürliche Faktoren bedingten Klimageschichten mit ständigem Wechsel zwischen kälteren und wärmeren Phasen interpretiert werden. Trotz der theoretischen Richtigkeit dieser These besteht kein Zweifel, dass das Wirken des Menschen das Weltklima erheblich beeinflusst hat und weiterhin beeinflussen wird. Lediglich über Eintrittszeitpunkt, Ablauf und Intensität der zu erwartenden Folgen bestehen noch Unsicherheiten.

Betrachtet man den Gesamtverlauf der Klimakurve, bleibt zu konstatieren, dass innerhalb von Kalt- und Warmzeiten immer mehr oder weniger starke Schwankungen auftreten, sodass man daraus für die gegenwärtige Situation noch keine unmittelbaren Rückschlüsse auf den Beginn einer neuen Klimaära ziehen kann. Als bestes Beispiel hierfür fungiert der beobachtete Temperaturrückgang von durchschnittlich 0,3° C auf der Nordhalbkugel für die Zeit von 1940 bis 1970, was aus Abb. 15 hervorgeht. In den 1970er Jahren sprach man gleich von einem offensichtlichen Beweis für eine unmittelbar bevorstehende neue Eiszeit. Diese These hat sich aber schnell als falsch herausgestellt, da seit den 1970er Jahren die Erdmitteltemperatur kontinuierlich angestiegen ist.

Das Weltklima hat sich im Verlauf der Erdgeschichte meistens in großen Zeitintervallen von etwa 100.000 Jahren geändert, was hinsichtlich der Zeitdimension geologischen Zeitmaßstäben gleichkommt (vgl. Kirstein, in Borsch/Hake, 1998: 31). Daneben sprechen neuere Erkenntnisse allerdings auch von Indizien für abrupt erfolgte Klimawechsel. Es war durchaus möglich, dass „[...] die Lufttemperaturen innerhalb von nur 10-20 Jahren [...] um über 10 Grad geschwankt haben. [...] Für abrupte Klimaänderungen sind [...] insbesondere die Übergangszeiten zwischen Kalt- und Warmzeiten in den Mittelpunkt der Diskussion gerückt. [...] Beim deutlich schnelleren Übergang von einer Kaltzeit zur folgenden Warmzeit kann ein regelrechtes «Klimaflattern» auftreten. In dieser Phase sind bis zu 14 Grad Temperaturdifferenz nachgewiesen worden.“ (Kirstein in: Borsch/Hake, 1998: 31-32). Aufgrund dieses Sachverhalts gestaltet sich die Einordnung der gegenwärtigen Temperaturänderung bezogen auf ihre Zeitdimension, in der sie sich vollzogen hat bzw. vollzieht, in den gesamt-klimageschichtlichen Rahmen als äußert problematisch.

2.1.3 Zusammenfassung

Es bleibt festzuhalten, dass die zeitliche Dynamik natürlicher Klimaschwankungen^[5] generell ein wesentliches Charakteristikum des Erdklimas darstellt. Neben den natürlichen Variationen, die es immer gab und zukünftig auch weiterhin geben wird, besteht nun die berechtigte Annahme, dass der Mensch durch sein Wirken das globale Klima nachhaltig beeinflusst.

Daher gilt es nun zu prüfen, inwieweit der natürliche Treibhauseffekt zunehmend anthropogen verstärkt bzw. überlagert wird und welches Ausmaß die stofflichen wie energetischen Zustandsveränderungen im komplexen Klimasystem erreichen.

„Die Gratwanderung zwischen einer potentiell langfristigen Tendenz zu einer neuen Kaltzeit einerseits und einer kurzfristigeren antropogenen Erwärmung andererseits kann nach Meinung vieler Klimatologen zu einer Epoche hoher Instabilität des globalen Klimas führen.“ (Kirstein, in: Borsch/Hake, 1998: 40).

Der Blick in den Gesamtverlauf der Klimageschichte hat gezeigt, dass es in der Vergangenheit zahlreiche Klimavariationen gegeben hat. Mittlerweile haben sich die Anzeichen verdichtet, dass sich in den letzten 100 Jahren tendenziell eine Erwärmung des Erdklimas vollzogen hat. Manche Klimatologen versuchen diese Entwicklung in den Rahmen von natürlichen Schwankungen einzuordnen und spielen die Diskussion um die globale Erwärmung zur „Klimalüge“ (vgl. Müller, 1997) herunter. Die Mehrheit allerdings führt den anthropogen bedingten Treibhauseffekt als Ursache an. Die Streitfrage, welche der wissenschaftlichen Positionen korrekt ist, lässt sich gegenwärtig mit letzter Gewissheit nicht entscheiden, zumindest wohl aber diskutieren. Um generell abschätzen zu können, ob das Erdklima mittlerweile den oft zitierten «menschlichen Fingerabdruck» trägt und um davon ausgehend Prognosen über die künftige Entwicklung des Weltklimas aufstellen zu können, ist es erforderlich, sich einen Überblick über Veränderungen im wichtigsten klimarelevanten Teilsystem Atmosphäre zu verschaffen.

Abb. 1 : siehe hierzu Anhang ab S. 140

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 Veränderungen der atmosphärischen Spurengaskonzentration und „global warming“

2.2.1 Die chemische Zusammensetzung und Gliederung der Erdatmosphäre

Veränderungen in den thermischen und hygrischen Regimen des Klimasystems sind auf atmosphärische Vorgänge zurückzuführen. Daher ist es sinnvoll und für das weitere Verständnis notwendig zugleich, sich einen Überblick über Aufbau und Gliederung der Erdatmosphäre zu verschaffen.

Bei der Erdatmosphäre handelt es sich um den etwa 1000 Kilometer bis zur Exosphäre reichenden Raum. Sie umfasst nicht nur den Lebensraum des Menschen einschließlich Biosphäre, sondern ist vielmehr als „[...] Träger der Klimaphänomene [...]“ (Schönwiese, 1994: 19) der Ort, wo sich Wetter- und Klimaprozesse abspielen. Die Atmosphäre setzt sich, wie aus Tab. 1 ersichtlich ist, aus einem Gemisch unterschiedlich hoch konzentrierter Gase, Wasser in flüssigem, festem oder gasförmigem Aggregatzustand sowie verschiedenen Aerosolen zusammen und wird durch die Gravitationskraft am Erdkörper gehalten.

Für die energetischen und dynamischen klimatologisch-meteorologischen Prozesse sind im Wesentlichen nur die unteren beiden Stockwerke Troposhäre und Stratosphäre bis etwa 20-30 Kilometer Höhe von Bedeutung, wobei sich die Stratosphäre nur mittelbar als klimarelevant erweist. Die Troposphäre erstreckt sich bis zur Tropopause in etwa 10 km Höhe, an die sich die Stratosphäre mit der dort befindlichen Ozonschicht angliedert. An die Stratosphäre wiederum schließen sich nach Stratopause in rund 50 km Höhe die Mesosphäre und in rund 80 km Höhe die Thermosphäre an. Über die sehr unterschiedlichen Temperaturverhältnisse in den einzelnen Schichten gibt Abb. 3 Auskunft. Die atmosphärische Luft ist im natürlichen Zustand geruchs- und geschmacksneutral, im trockenen Zustand bleibt der Volumenanteil der Gase konstant und weist in Bodennähe die in Tab. 1 angegebenen Werte auf.

Zusammensetzung trockener, wasserfreier und aerosolfreier Luft in Bodennähe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1: Zusammensetzung trockener, wasser- und aerosolfreier Luft in Bodennähe Quelle: eigener Entwurf, nach Brauch, 1997: 4 und Schönwiese, 1994: 24

Die Hauptbestandteile der Erdatmosphäre lassen sich zu drei Gruppen zusammenfassen:

- unsichtbare Gase (vorwiegend Stickstoff und Sauerstoff), die man in ihrer Gesamtheit als Luft bezeichnet und entweder direkt oder indirekt klimabeeinflussend wirken.
- Hydrometeore, d.h. Wasser oder Wasserbestandteile in flüssigem oder festem Aggregatzustand (sichtbar als Wolken- und Niederschlagstropfen, Schnee oder Eiskristalle).
- Aerosole, d.h. feste, z.T. auch flüssige Substanzen, die nicht aus Wasser bestehen und sich als meist sehr kleine anorganische (z.B. Salzkristalle, Staub) oder organische (z.B. Pflanzenreste) Schwebepartikel in der Atmosphäre aufhalten (vgl. Schönwiese, 1994: 23). Hupfer/Kuttler definieren Aerosole als „feindisperse Stoffsysteme [...] in einem gasförmigen Medium“ (Hupfer/Kuttler, 1998: 100). Die Klimarelevanz der Aerosole wird noch in Kap. 2.2.4.1 genauer erörtert.

Obgleich die Gase dabei den Hauptbestandteil stellen, „[...] ist es eigentlich nicht korrekt, nur von einer Gashülle der Erde zu sprechen [...]“ (Schönwiese, 1994: 25). Die Atmosphäre besteht zum größten Teil aus Stickstoff, molekularem Sauerstoff, Kohlenstoff und dem Edelgas Argon. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Spurengase, die zwar einen verhältnismäßig geringen Volumenanteil aufweisen, jedoch aufgrund ihrer Strahlungseigenschaften von enormer Bedeutung für klimatologisch-meteorologische Prozesse sind. Einige bestimmte davon zeigen sich besonders klimawirksam verantwortlich, nämlich dadurch „[...] daß diese Gase die Sonneneinstrahlung weitgehend ungehindert zur Erdoberfläche hindurchlassen, jedoch die Wärmeabstrahlung der Erde [...] durch Absorption dieser Strahlung [...] verringern [...]. Nehmen solche Gase in ihrer atmospärischen Konzentration zu, so muss es in der unteren Atmospäre wärmer, in der oberen (Stratosphäre) - wegen des verringerten Wärmetransports nach oben - kälter werden [...]“ (Brauch, 1996: 15), was zum sog. Treibhauseffekt führt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4 : siehe hierzu Anhang ab S. 140

2.2.2 Der Treibhauseffekt

Die Erde ist als ein energetisches System zu begreifen, dem Energie zugeführt und wieder entzogen wird und sich dann im Gleichgewicht befindet, wenn die Menge des Energie-Inputs gleich dem Energie-Output ist.

Erde und Atmosphäre empfangen von der Sonne UV-Strahlung, sichtbares Licht und Wärmestrahlung. Beim Auftreffen auf die Erdoberfläche wird die vereinnahmte, kurzwellige solare Strahlung umgewandelt und als langwellige Wärmestrahlung zurück in den Weltraum emittiert. Wie durch ein Glasfenster in einem Treibhaus kann durch das System Atmosphäre die Sonneneinstrahlung nahezu ungehindert nach unten passieren, während ein Teil der Wärmerückstrahlung abgehalten wird. So erwärmt sich die Erdoberfläche auf heute etwa 15° C. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt würde die Erdoberfläche gemäß dem Kirchhoff´schen Strahlungsgesetz in den Weltraum abstrahlen und die bodennahe Erdmitteltemperatur auf ungefähr -18° C absinken. Die Erdoberfläche wäre zu Eis erstarrt. Die zur ausgeglichenen Energiebilanz notwendige Erwärmung um etwa 33° C wird im Wesentlichen durch das Wirken von klimarelevanten, natürlich in der Atmosphäre vorkommenden Spurengasen, Wasserdampf und Wolken ausgeglichen. Der Temperaturunterschied ist durch die Absorptionsvorgänge der langwelligen Rückstrahlung durch Gase, Wolken und Wiederabstrahlung mit niedrigerer Temperatur bzw. höherer Wellenlänge zu erklären. Durch diesen Mechanismus ist letztlich Leben auf der Erde möglich geworden, wodurch sich die Erde klimatologisch wesentlich von anderen Planeten unterscheidet. Die Temperatur der Erdoberfläche wird also durch die Energiebilanz zwischen Absorption der Solarstrahlung und Emission der Wärmestrahlung bestimmt. Die verschiedenen Strahlungsflüsse sowie die Strahlungsbilanz der Erde sind in Abb. 4 bzw. in Material 8-3 im Anhang dargestellt.

Durch menschliche Aktivitäten kommt es jedoch seit Beginn des Industriezeitalters zu einer Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre und Umgestaltung der Erdoberfläche, was unweigerlich zu einer Beeinflussung des Klimasystems führt, das sich wiederum in merklichen Änderungen der Energieflüsse innerhalb des Klimasystems zeigt und signifikante Veränderungen des globalen wie lokalen Klimas zur Folge hat. Durch anthropogene Emissionen kommt es zu einem Anstieg der Spurengaskonzentrationen, wodurch sich deren Wirkungspotenziale auf den Strahlungshaushalt erhöhen. Dieser zusätzliche, anthropogen bedingte Treibhauseffekt wird durch industriell produzierte, nicht natürlich vorkommende Stoffe, sowie regional durch das bodennahe Ozon verstärkt. Die Veränderung der atmosphärischen Konzentration klimarelevanter Stoffe muss langfristig zu einer Veränderung der Energiebilanz der Erde führen.

Bereits vor etwa 100 Jahre erkannte der schwedische Chemiker Svante Arrhenius den Zusammenhang zwischen steigender CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre und der Erwärmung Erdtemperatur. Doch die wissenschaftliche Erhärtung dieser These und die Einsicht zur Notwendigkeit global und effektiv zu handeln, folgte erst in unseren Tagen.

Schon im „[...] Jahre 1827 hatte der französische Physiker [...] Jean-Baptiste-Joseph Fourier erstmals die Analogie vom Wärmeverhalten in einem Treibhaus benutzt. Die Theorie, dieser Effekt könne durch einen Anstieg der atmosphärischen Konzentration von Kohlendioxid (CO2) verstärkt werden, präsentierte 1896 der schwedische Chemiker Svante Arrhenius. Er schätzte, daß die Temperatur der Erde um 4 bis 6 Grad Celsius ansteigen werde, wenn die atmosphärische CO2-Konzentration sich verdopple. [...] Die Vorstellung, der Mensch könne etwas so Großartiges wie das Klimageschehen durch sein Wirken beeinflussen, lag außerhalb der Vorstellungskraft der damaligen Zeitgenossen.“ Seine Erkenntnisse blieben ungehört. „Auch die Arbeiten des englischen Wissenschaftlers G.D. Callendar in den späten 30er Jahren, der die These von Arrhenius stützte, stießen auf Desinteresse oder Skepsis. Eine Ausnahme hiervon bildete Hermann Flohn.“ (Loske, 1996: 34)

2.2.3 Wichtige atmosphärische klimarelevante Treibhausgase und ihre Bedeutung im Überblick

Entsprechend ihrer unterschiedlichen Eigenschaften und Wirkungsweisen unterteilt man die atmosphärischen klimarelevanten Spurengase in direkt und indirekt klimawirksame Gase. Zur Gruppe der direkt klimawirksamen Gase gehören zunächst die natürlich vorkommenden Gase Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Distickstoffoxid (N2O), sowie die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW-11 und FCKW-12 u.a.) synthetischen Ursprungs und das photochemisch gebildete troposphärische Ozon (O3), weil diese direkt zur Verstärkung des anthropogen bedingten Zusatztreibhauseffekts beitragen. FCKW und O3 nehmen innerhalb der klimarelevanten Spurengase eine Sonderstellung ein, die an späterer Stelle noch erläutert wird.

Darüber hinaus gibt es noch zahlreiche weitere gasförmige Verbindungen, die das atmosphärische Geschehen ebenfalls beeinflussen, indem sie durch weitere Prozesse die Konzentration anderer Gase verändern, zur Bildung von Aerosolen beitragen oder generell dafür verantwortlich sind, dass ein anderes Treibhausgas in die Atmosphäre gelangt. Allen diesen indirekt klimawirksamen Gasen ist die relativ kurze atmosphärische Verweildauer von höchstens drei Monaten und die sich daraus ergebenden entsprechenden zeitlichen wie räumlichen Variationen ihrer Konzentrationen gemeinsam. Zu dieser Gruppe zählen Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffdioxide (NO und NO2), flüchtige organische Verbindungen (VOC), sowie die Gruppe der schwefelhaltigen Gase, zu denen man Schwefeldioxid (SO2), Dimethylsulfid ((CH3)2S), Schwefelwasserstoff (H2S), Karbonylsulfid (COS) und Schwefelhexaflourid (SF6) rechnet.

Eine Synopse über die zeitliche Veränderung der Anteile einzelner Treibhausgase und ihre Temperatureffekte bieten Abb. 5, 6 und 7.

Abb. 5: siehe hierzu Anhang ab S. 140

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2.2.3.1 Kohlendioxid (CO2)

Während Wasserdampf (vgl. Abschnitt 2.2.3.6) die Rolle des wichtigsten natürlich vorkommenden Treibhausgases einnimmt, ist Kohlendioxid dagegen das wichtigste anthropogene klimarelevante Spurengas und hat mit etwa 50 Prozent den größten Anteil an der globalen Erwärmung - vgl. auch Abb. 5. Im Gegensatz zu den weiteren Treibhausgasen ist CO2 in einen komplexen Kreislauf, den Kohlenstoffkreislauf, eingebunden. Abb. 8 zeigt schematisch vereinfacht die verschiedenen gegenwärtigen Austauschvorgänge zwischen den einzelnen Kohlenstoffreservoiren Atmosphäre, Ozeane, terrestrische wie marine Biosphäre und Pedosphäre.

Das atmosphärische CO2 befindet sich durch den ständigen Austausch mit Biosphäre und Hydrosphäre in einem Fließ-Gleichgewicht. Die Pflanzen binden beim Vorgang der Photosynthese den in der Luft enthaltenen Kohlenstoff in ihrer Biomasse und entziehen ihn so dem Kreislauf. Die großen Waldflächen der Erde bilden dabei das größte Kohlenstoffreservoire innerhalb der pflanzlichen Biosphäre. Beim Abbau von Biomasse durch Verwesung oder durch Rodung bzw. Abbrennen von Waldflächen und die darauf folgende beschleunigte Oxidation der Humusschicht wird der gebundene Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre freigesetzt.

Neben der Biosphäre nehmen auch die Ozeane CO2 aus der Atmosphäre auf. Sie binden es entweder durch direkte Einmischungsprozesse in den Wasserkörper, oder es gelangt über den Weg der „biologischen Pumpe“^[7] (Houghton, 1997: 30) als organisches Material in die Tiefsee, wo es sich in Form von Carbonatsedimenten ablagert, bzw. es wird über die Wasseroberfläche wieder emittiert. Die Ozeane können allerdings keinesfalls eine angenommene Kompensationsfunktion für die erhöhte Menge an atmosphärischem CO2 übernehmen. Dazu ist einerseits ihre Aufnahmekapazität zu gering, andererseits dauert die ozeanische CO2-Bindung länger als in den übrigen Reservoiren. Generell bleibt festzuhalten, dass die jährlich freigesetzten CO2-Emissionen die von Atmosphäre und Ozeane aufgenommene Menge übersteigen und sich daher langfristig ein Ungleichgewichtszustand im Kohlenstoffkreislauf einstellt, der nicht ohne Folgen bleiben kann.

Die tages- wie jahreszeitlichen natürlichen Konzentrationsschwankungen, die hauptsächlich mit Aktivität und Intensität der Photosynthese einhergehen, reichen in ihrem Umfang nicht aus, um die konstatierte kontinuierliche Zunahme des CO2-Gehalts in der Atmosphäre zu erklären. Bis zu Beginn des Industriezeitalters waren die Austauschraten zwischen den einzelnen Kohlenstoffreservoiren nahezu konstant. Mit der einsetzenden Industrialisierung ab dem 19. Jahrhundert hat sich, v.a. durch die Verbrennung fossiler Energieträger, die globale Emissionsmenge auf 22,3 Mrd. Tonnen CO2 im Jahr 1992 (vgl. Loske, 1996: 42) verglichen mit den vorindustriellen Werten um ein 60faches erhöht. Diese Steigerung führt zwangsläufig zu veränderten CO2-Flüssen im Kohlenstoffkreislauf. „Damit ist ein Wert erreicht worden, der zu keinem Zeitpunkt in den vergangenen 160.000 Jahren aufgetreten ist [...]“ (Enquête-Kommission, 1992: 39). Von besonderer Beachtung ist die Tatsache, dass die CO2-Zunahme innerhalb der letzten 100 Jahre über 30 Prozent beträgt. Die heutige Kohlendioxid-Konzentration von 367 ppmv (1998) wird ohne wesentliche Reduktionsmaßnahmen jährlich um etwa 1,6 ppmv weiter ansteigen, was dazu führt, dass der CO2-Gehalt in der Mitte des 21. Jahrhunderts die Konzentration auf über 500 ppmv, also auf nahezu den doppelten Wert der vorindustriellen Zeit von 280 ppmv, anwachsen wird - vgl. auch Tab. 2. Ein Beweis dafür, dass diese quasi-exponentielle CO2-Zunahme der letzten 50 Jahre auf anthropogene Aktivitäten zurückzuführen sein muss, findet sich bei der Luftblasenanalyse bei Eiskernbohrungen^[8]. Diese haben ergeben, dass der CO2-Gehalt immer gewissen Schwankungen unterlag, wobei die Minima im Bereich von 180 bis 200 ppmv lagen, die Maxima aber nie den Wert von 280 ppmv überschritten. Revelle/Suess (vgl. Revelle/Suess, 1957) konstatieren bereits vor über 40 Jahren:

„Die Menschheit führt jetzt ein großskaliges geophysikalisches Experiment durch, in einer Form, wie es weder in der Vergangenheit möglich war, noch in Zukunft wiederholt werden kann. Innerhalb weniger hundert Jahren entlassen wir in die Atmosphäre und den Ozean den organischen Kohlenstoff, der sich über hunderte von Millionen Jahren in den Sedimenten angesammelt hat.“ (Joos/Sarmiento, 1995: 405)

Die Verweildauer des anthropogen emittierten CO2 wird mit etwa 5 bis 120 Jahren insgesamt als sehr unterschiedlich lange angenommen und ist im Wesentlichen abhängig von den oben bereits zitierten CO2-Senken. Bei der Verweilzeit eines Gases meint man dessen mittlere Abbauzeit, also die Zeit, welche „[...] die Zerstörung des betreffenden Gases [...]“ (Roedel, 1992: 337) charakterisiert.

Veränderung des atmosphärischen CO2-Gehaltes

Datengrundlage: Eiskernbohrungen und ab 1959 direkte Messungen

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Tab.2: Veränderung der atmosphärischen CO 2 -Konzentrationen

Quelle: eigener Entwurf, nach Frankenberg (1991), Enquête-Kommission (1992), Trenberth (1997), Kontradyev/Cracknell (1998) und Edmonds (1999)

„CO2 wird dagegen nicht im eigenen Sinne abgebaut, seine Verweilzeit wird durch den Austausch zwischen der Atmosphäre und den anderen Reservoiren bestimmt [...]“ (Roedel, 1992: 337), der unterschiedlichen Reaktionszeiten unterliegt. So erklärt sich die extreme Spannbreite der Verweildauer. Die Klimawirksamkeit von CO2 besteht v.a. in dessen Absorptionsleistung. Dies hat zur Folge, dass die Oberflächentemperatur der Erde erheblich auf eine Veränderung der atmosphärischen CO2-Konzentration reagiert.

„Bei Verdopplung (560 ppmv) des atmosphärischen CO2-Gehalts (ohne andere Treibhausgase) schätzt man, daß langfristig die globale mittlere Temperatur um 1.5 - 4.5 °C zunimmt. Zum Vergleich: Der globale Temperaturunterschied zwischen Eiszeit und Warmzeit betrug etwa 5°C.“ (Joos/Sarmiento, 1995: 408).

Die Rodungen tropischer Regenwälder und des borealen Nadelwaldes verursachen etwa 20% des weltweiten CO2-Ausstoßes, während 75% auf die Verfeuerung von fossilen Energieträgern und der Rest auf Maßnahmen der Bodenbearbeitung in der Landwirtschaft und einer damit verbundenen Oxidation des kohlenstoffhaltigen Humus zurückzuführen sind (vgl. Brauch, 1996: 17). Ein Problem stellt insbesondere die Brandrodung von Wäldern dar, weil auf diesem Weg durch Verbrennungsvorgänge nicht nur große Mengen von CO2 freigesetzt werden, sondern die Waldflächen auch als natürliche CO2-Senken durch Photosynthese verloren gehen. Der Ersatz des Waldes durch Kulturpflanzen vermindert die in der Biosphäre gespeicherte Menge an Kohlenstoff, die sich dann in Form von Kohlendioxid in der Atmosphäre befindet. Neuere Forschungsansätze aus den 1990er Jahren rücken allerdings von der These einer so entstandenen „missing sink“ (Joos/Sarmiento, 1995: 407) ab. Es werden nämlich Prozesse angenommen, welche die CO2-Emissionen bei der Abholzung in den Tropen kompensieren. Grundlage für diese noch nicht eindeutig gesicherte Hypothese ist die Erkenntnis, dass erhöhte CO2-Werte bei vielen Pflanzen eine verstärkte Photosyntheseaktivität induzieren, dass allerdings noch Unklarheit besteht, „[...] in welchem Ausmaß dieser Effekt zu einer Nettozunahme der Gesamtmenge an Kohlenstoff in Vegetation und Böden führt [...]“ (Houghton, 1997: 32). Houghton bezeichnet diesen Sachverhalt als „CO2-Düngungseffekt“:

„Höhere CO2-Konzentrationen erhöhen die Photosyntheserate der Pflanzen und somit auch die CO2-Fixierung. [...] Der Effekt wirkt sich vor allem auf die sogenannten C3-Pflanzen [...] aus [...]. (Houghton, 1997: 118).

Verschiedene Szenarienberechnungen zeigen, dass im Zeitraum 1000 bis 1800 n. Chr. die CO2-Werte nur um etwa 10 ppmv geschwankt haben (vgl. Joos/Sarmiento, 1995: 406). Für kürzere Zeitspannen, so Joos/Sarmiento, sind eine Schwankungsbreite von einem ppmv belegbar. Unter dem gegenwärtigen Klimaregime werden die natürlichen CO2-Variationen als relativ klein angenommen.

Der Kohlenstoff-Kreislauf

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die verschiedenen Kohlenstoffreservoire sind vertikal bezüglich der Zeitspanne angeordnet, über der sie den CO2-Gehalt der Atmosphäre beeinflussen. Alle Angaben sind in Mrd t C / a. Der gegenseitige jährliche Austausch zwischen den einzelnen Reservoiren ist mit dunklen Pfeilen (­) gekennzeichnet, während die hellen Pfeile (Ý) die anthropogen induzierten Kohlenstoffflüsse darstellen. Bei letzteren handelt es sich um Mittelwerte für den Zeitraum 1980 bis 1989.

Abb. 8: Der Kohlenstoff-Kreislauf

Quelle: eigener Entwurf, nach Enquête-Kommission (1994)

Die Veränderung des CO 2 -Haushaltes von der vorindustriellen Zeit bis zur Gegenwart

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

alle Angaben in GtC

* In neuen Modellrechnungen wird auch die Biosphäre als CO2-Senke berücksichtigt. Für die oben ausgewiesenen Zeiträume liegen allerdings noch keine verlässlichen Daten vor. Für den Zeitraum 1980 bis 1990 wird die Zerstörung von Biomasse mit 1,6 ±1,0 GtC/a beziffert, die CO2-Aufnahme in die Biosphäre mit 1,8 ± 1,6 GtC/a angegeben (Graßl, 1999).

** Für die Senkenstärke der Ozeane liegen nach Sundquist (1993) zwei Untersuchungsergebnisse vor. Die linke Zahl bezieht sich auf eine Untersuchung von Keeling (1989) und die rechte Zahl auf Sarmiento et al. (1992).

*** Differenz bedeutet Quellen (gesamt) abzüglich Senken (gesamt)

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Abb. 9: Die Veränderung des CO 2 -Haushaltes seit 1750

Quelle: eigener Entwurf, nach Enquête-Kommission (1994) und Graßl (1999)

Die Tatsache der geringen Schwankungsbreite in früheren Zeiten ist ebenfalls ein deutliches Indiz dafür, dass für den festgestellten CO2-Anstieg um 1,6 ppmv pro Jahr hauptsächlich anthropogene Emissionsquellen verantwortlich zu machen sind. Abb. 9 zeigt dabei die Veränderungen im gestörten Kohlenstoffkreislauf, die für die 1980er Jahre nachgewiesen sind.

Es bleibt festzuhalten, dass die CO2-Emissionen in den nächsten Jahren weltweit noch weiter ansteigen werden. Um sagen zu können, in welchem Umfang dies geschehen wird, sind Klimamodelle und mathematische Simulationen heranzuziehen, die in Kap. 3 noch näher vorgestellt werden. Für diese erstellten Zukunftsszenarien muss man eine Vielzahl von Prämissen und unterschiedlichen Faktoren (z.B. Bevölkerungswachstum, Energieverbrauch, Nahrungsmittelerzeugung, Umweltschutzmaßnahmen) zugrunde legen, deren Genauigkeit sich allerdings nur schwer voraussagen lässt. Internationale Organisationen, wie das IPCC und der WEC haben verschiedene Prognosen über mögliche zukünftige Entwicklungen der CO2-Emissionen vorgelegt, die im Kap. 3.2 noch näher betrachtet werden. Das sog. Szenario IS92a - vgl. Abb. 22 - basiert auf der Annahme, dass sich bis zum Ende des 21. Jahrhunderts die Weltbevölkerung verdoppelt, das Weltwirtschaftswachstum nur mäßig ausfällt und nur geringe Anstrengungen zur CO2-Emissionsreduktion erreicht werden. Unter Zurechtlegung dieser Prämissen - ´business as usual´ - ist mit einer Verdreifachung der CO2-Emissionswerte für das 21. Jahrhundert zu rechnen.

2.2.3.2 Methan (CH4)

Nach CO2 ist Methan das zweitwichtigste Treibhausgas, das sowohl direkt als auch indirekt klimarelevant wirksam ist, unter anaeroben Bedingungen entsteht und freigesetzt wird, wenn organisches Material durch Mikroorganismen abgebaut wird. Man spricht auch von Sumpfgas oder Faulgas. Die atmosphärische CH4-Konzentration hat seit Beginn der Industrialisierung stark zugenommen. Wie schon in Kapitel 2.2.3.1 (CO2) herausgestellt wurde, liefert die Methode der Analyse von eingeschlossenen Luftblasen in polaren Eismassen bei Eiskernbohrungen aufschlussreiche Erkenntnisse über den Konzentrationsgehalt verschiedener chemischer Substanzen in früheren Zeiten. Für CH4 wurde dabei festgestellt, dass sich die Konzentration „[...] in 200 Jahren verdoppelt hat, und zwar von 0,8 auf 1,7 ppm, und weiterhin mit einer jährlichen Rate von 1% ansteigt [...]“ (Jousseaume, 1996: 116). Ähnlich wie für das Kohlendioxid kann der Anstieg der CH4-Konzentration nicht durch natürliche Variationen alleine erklärt werden. Für die mit etwa einem Prozent bezifferte Zunahme werden weltweit anthropogen verursachte Emissionen aus landwirtschaftlichen Produktionsformen (z.B. großflächiger Nassreisanbau, Rinderhaltung oder Biomasseverbrennung), der Abfallwirtschaft (z.B. Entgasungen aus offenen Mülldeponien) und der Gewinnung (v.a. Abfackeln von Erdgas bei der Erdölförderung) und Verteilung von Brennstoffen, insbesondere Gasverteilungsnetze und Steinkohlebergbau verantwortlich gemacht. Überflutete terrestrische Flächen wie tropische Regen- und Mangrovenwälder sowie die moorigen Tundra-Flächen der Subarktis stellen die natürlichen Hauptquellen von Methan. Bei einer globalen Temperaturerhöhung wird ein Auftauen der subarktischen Permafrostböden erwartet. Durch so entstehende neue Sumpfflächen ist mit einer zusätzlichen Erhöhung der atmosphärischen CH4-Konzentration zu rechnen. Auf einen weiteren interessanten Aspekt verweist Holzapfel: „Methan [...] ist selbst ein Treibhaus, greift aber auch in die chemischen Prozesse der Troposphäre ein und wird zu CO2 abgebaut.“ (Holzapfel in: Borsch/Hake, 1998: 53). Das bedeutet also, dass CH4 sich in Anwesenheit von Sauerstoff über chemische Prozesse in CO2 umwandelt und als Abbauprodukt so indirekt Einfluss auf den CO2-Anstieg ausübt.

Die Klimarelevanz von in die Atmosphäre freigesetztem Methan besteht v.a. im Einfluss auf das Oxidationspotenzial der Troposphäre bei der photochemischen Ozonbildung, was sich wiederum auf Konzentration und Verteilung weiterer Treibhausgase und letztlich indirekt auf den Strahlungshaushalt auswirkt. Durch stratosphärische Oxidationsvorgänge trägt CH4 auch wesentlich zur Wasserdampfbildung in der Troposphäre bei und nimmt so ebenfalls Einfluss auf den Treibhauseffekt. Aufgrund seiner Molekularstruktur liegt das Absorptionsvermögen von CH4 für langwellige Strahlung etwa 32mal so hoch wie das von CO2, während die mittlere Verweildauer in der Atmosphäre mit 8 bis 12 Jahren ähnlich lang ist wie bei Kohlendioxid. Eine Verdopplung der CH4-Konzentration in der Erdatmosphäre dürfte zu einer globalen Erwärmung um 0,3 K beitragen (vgl. Enquête-Kommission, 1992: 40-41 und Frankenberg, 1991: 38).

[...]

^[1] Einen Überblick über die unterschiedlichen Positionen und Ansätze zur Definition des Klimabegriff geben Köppen (1923), Rubinstein/Drosdow (1956), Blüthgen (1964), Lamb (1972), Gates (1977), WMO (1979), Hantel/Krause/Schönwiese (1987) et al.

^[2] Eine ausführlichere Darstellung findet sich bei Schönwiese (1994: 51-58) und Schönwiese (1979: 4-6): Die Periode der Schwankung eines Klimaelementes, z.B. die globale Erdmitteltemperatur, kann als zeitlicher Abstand der Maxima und Minima aufgefasst werden, wobei der sich ergebende Mittelwert die charakteristische Zeit der Schwankung ausdrückt. Vgl. auch Material 8-1 (Anhang).

^[3] Auf eine fundierte Darstellung der statistischen Begriffe und Datenerhebungsmethodik muss hier leider verzichtet werden. Es kann nur der Verweis auf die weiterführende Literatur gemacht werden, v.a. vgl. Schönwiese (1979) oder Bortz (1993).

^[4] Zu den wichtigsten paläoklimatischen Datenerhebungs- und Datierungsmethoden gehören die Radiokarbon-Methode, die Thermolumineszenz, das Sauerstoff-Isotopen-Verfahren, die Kalium-Argon-Methode, die Protacinium-Ionium-Methode, die Warven-Chronologie, die Dendrochronologie sowie die Pollenanalyse. Für eine überblicksartige Darstellung vgl. Lauer (³1999): 208-209 und dortige Literaturverweise.

^[5] Unweigerlich stellt sich auch die Frage nach den Ursachen der natürlichen Klimaänderungen. Da dies mit dem hier diskutierten Thema einerseits nur noch bedingt zu tun hat, andererseits aber zum Verständnis von Verlauf und Ausmaß der Klimaschwankungen notwendig ist, erscheint ein kurzer Verweis darauf dennoch notwendig. Neben klimasysteminternen Einflussgrößen - z.B. Einfluss der atmosphärischen Spurengase auf den Strahlungshaushalt der Erde - werden hauptsächlich zwei extraterrestrische Faktoren dafür verantwortlich gemacht: Erstens eine Änderung der Solarkonstante und dem damit verbundenen langfristigen Variieren der abgestrahlten Energiemenge. Zweitens eine Änderung der Erdbahnelemente und der daraus resultierenden veränderten Einstrahlungsverhältnisse, die in den 1930er Jahren zur sog. Milankovich-Theorie geführt haben. Für eine umfassende Darstellung dieser Theorie muss auf die weiterführende Literatur verwiesen werden: vgl. Milankovich (1920, 1941), vgl. Frijs-Christensen (1991), vgl. Calder (1998) und Kap. 3.2.2.1 dieser Arbeit.

^[6] Dieser Abschnitt folgt den Ausführungen von Malberg, Schönwiese und Weischet. Aus Platzgründen kann dieser zum Verständnis der Treibhausproblematik sehr wichtige Aspekt nur kurz andiskutiert werden, für detaillierte Informationen muss auf die weiterführende Literatur verwiesen werden. Vgl. Malberg (1985): 4-6 und 18-26 , vgl. Schönwiese (1994): 19-31 und vgl. Weischet (1995): 39-43.

^[7] Houghton bezeichnet die Zersetzungsvorgänge im oberflächennahen Ozeanwasser durch Phytoplankton und Zooplankton und die damit verbundenen Sedimentationen als biologische Pumpe. Vgl. Houghton, 1997: 30, Kasten 3.1.

^[8] Bei Eiskernbohrungen (z.B. Greenland Icecore Project. Vgl. Fraedrich, 1995) werden Luftblasen, die in polare Eismassen eingeschlossen sind, bezüglich ihres CO2-Gehalts untersucht. Mit dieser Methode können Rückschlüsse auf frühere Zeiten und ihre Konzentrationen gezogen werden.