Woher die Klimaforschung weiß, dass der Mensch das Klima verändert – eine forensische Spurensuche

Unter Klimaaktivistinnen und ihren Anhängern mache ich gelegentlich ein Experiment: Ich frage sie, warum sie eigentlich überzeugt sind, dass wir Menschen das Klima beeinflussen. Häufig bekomme ich dann Aussagen zu hören wie „Weil das ja klar ist“, „Ich traue es den Menschen eben zu“, „Es passt ins Bild“, oder „Person X meines Vertrauens sagt, dass es so ist“ (wobei X meist ein Buchautor, Filmstar, Journalist oder politischer Aktivist ist). Einerseits finde ich das verständlich, denn nicht jeder hat die Zeit und Geduld, dicke Physikbücher durchzuarbeiten. Andererseits sind diese Antworten leider kaum überzeugender als die Argumentationsweise der Skeptiker, denen man sich kognitiv so überlegen fühlt.

Denn der Mechanismus ist derselbe: Man glaubt am ehesten jenen Aussagen, die dem eigenen Standpunkt im politischen Koordinatensystem entsprechen. Auch 200 Jahre nach der Entdeckung des Treibhauseffekts ist bei vielen Menschen noch immer die Vorstellung verbreitet, die Aussagen der Wissenschaft wären im Prinzip nur eine Meinung unter vielen. Unter dem Deckmantel der Wissenschaft streuen so genannte Skeptiker Zweifel daran, ob „das mit dem Klimawandel“ denn so sicher sei. Das hängt auch damit zusammen, dass viele nicht genau wissen, wie die Klimaforschung zu ihren Erkenntnissen kommt. Um etwas mehr Licht ins Dunkel zu bringen, bin ich daher der Frage nachgegangen: Was sind eigentlich die wissenschaftlichen Belege dafür, dass der Mensch die Erde erwärmt? Wie spielen verschiedene Indizien zusammen, und welche Aussagekraft haben sie für sich genommen? In insgesamt 13 Folgen stelle ich jeweils ein Indiz vor, um dann ein abschließendes Fazit ziehen.

Indiz 1: Die Erde wird wärmer
Aussagekraft: sehr hoch

Graphik: Ed Hawkins, National Centre for Atmospheric Science, University of Reading. Daten: Berkeley Earth, NOAA, UK Met Office, MeteoSwiss, DWD, SMHI, UoR, Meteo France & ZAMG. Quelle: https://showyourstripes.info/. Lizenz: CC BY 4.0

Dank tausender Thermometermessungen pro Tag in Wetterstationen, Wetterballons, Flugzeugen, Bojen im Ozean und Satelliten steht das Klima heute fast überall auf der Welt unter nie dagewesener Beobachtung. Allein 40.000 autonom gesteuerte, systematisch platzierte Messroboter im Ozean senden regelmäßig Temperaturdaten aus verschiedenen Tiefen. Zusätzlich zum Aufbau dieser Infrastruktur ist es Aufgabe der Wissenschaftler, die vielen Messungen um verschiedene ortsspezifische Artefakte zu bereinigen und somit vergleichbar zu machen um eine globale Temperaturveränderung abzuleiten. Dazu gehören z.B. die Behebung von plötzlichen Sprüngen, die beim Austausch eines Geräts entstehen können, oder die Korrektur des Wärmeinseleffektes in Städten. Nahezu alle der vielen tausend Messstellen aus dutzenden verschiedener Datenquellen zeigen: Es wird systematisch wärmer. Und zwar in der unteren Atmosphäre (zur oberen kommen wir noch), an Land und im Ozean. Das heißt, hier wird nicht einfach Energie räumlich umverteilt wie es bei natürlichen Schwankungen der Fall wäre, sondern Energie sammelt sich auf der Erde an. Hätten Aliens die Erde vor der Industrialisierung schon beobachtet und kehrten jetzt nur für einen einzigen Tag zurück, könnten sie aus Messungen dieses einen Tages sofort erkennen, dass etwas nicht stimmt. So robust ist die Statistik.
Gleichzeitig sind längst auch die Auswirkungen der Erwärmung zu beobachten, z.B. der Rückzug der Gletscher, der polaren Eisschilde und des arktischen Meereises, die Zunahme bestimmter Wetterextreme, der Meeresspiegelanstieg und das Korallensterben; Entwicklungen, die ebenfalls alle außerhalb der natürlichen Schwankungsbreite liegen.
Das Indiz der Erwärmung allein sagt selbstverständlich noch nichts über die Ursache der Erwärmung aus, bis auf die Tatsache, dass sie um ein Vielfaches stärker ist als natürliche Klimaschwankungen es erklären können.

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Indiz 2: Existenz des Treibhauseffekts + Höhe menschlicher Emissionen
Aussagekraft: sehr hoch

Aufbau von Tyndalls Laborversuch. Bild aus Philosophical Transactions. Quelle: https://www.bbc.com/news/science-environment-15093234

Bereits vor 200 Jahren beschrieb Joseph Fourier den Treibhauseffekt der Erde, auf dessen Existenz er aufgrund der Temperatur der Erde schlussfolgerte. Allerdings wusste man damals noch nicht, welche Bestandteile oder Eigenschaften der Luft dafür verantwortlich sind. Das änderte sich durch einen wichtigen Laborversuch von John Tyndall im Jahr 1859. Den Versuch kann noch heute jeder nachbauen, der die geeigneten Instrumente zur Hand hat. Dazu bestrahlt man Kohlendioxid (CO₂) mit Infrarotstrahlung, das heißt langwelliger Strahlung, wie sie praktisch von allen festen Gegenständen und Flüssigkeiten, also auch von der Erde, abgegeben wird. Im Gegensatz zu anderen Gasen, wie Sauerstoff und Stickstoff, den Hauptbestandteilen der Atmosphäre, lässt CO₂ diese Strahlung nicht einfach passieren, sondern absorbiert sie, und strahlt die aufgenommene Energie wieder selbst in alle Richtungen ab, also auch zur Quelle zurück.
Diese Eigenschaft eines Gases heißt heute „Treibhausgas“. Warum CO₂ eines ist, kann dank der im 20. Jahrhundert entdeckten quantenmechanischen Gesetze erklärt werden und hat damit zu tun, dass es aus drei Atomen besteht, bei denen zwei verschiedene Elemente im Spiel sind. Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂) dagegen bestehen aus zwei Atomen desselben Elements. CO₂ kann so durch Strahlung zu Schwingungen angeregt werden, welche einen sich verändernden Dipol erzeugen, der wie eine Art Antenne wirkt.
Da der Treibhauseffekt also auf sehr grundlegenden physikalischen Gesetzen beruht, ist seine Existenz wissenschaftlich so sicher wie die Schwerkraft (man könnte sogar argumentieren, dass der Treibhauseffekt besser verstanden ist als die Schwerkraft, aber soweit will ich mich als Nicht-Physiker nicht vorwagen). Auf die Erde übertragen bedeutet das: Mehr CO₂ in der Luft erhöht die Rückstrahlung von der Atmosphäre zum Erdboden und wirkt daher global erwärmend.
Aus der Tatsache, dass pro Jahr ca. 35 Milliarden Tonnen CO₂ aus der Verbrennung von Öl, Kohle und Gas freiwerden, und dass der CO₂-Gehalt der Atmosphäre zunimmt, folgt also zwangsläufig, dass dies erwärmend auf die Erde wirken muss. Damit allein ist natürlich noch nichts dazu gesagt, wie stark diese Erwärmung ist und welche Rolle andere Faktoren (zum Beispiel natürliche Quellen von CO₂) im Vergleich damit spielen. Dazu sind weitere Indizien nötig.

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Indiz 3: Budgetrechnungen zum Kohlenstoffkreislauf
Aussagekraft: sehr hoch

Die Zunahme des atmosphärischen CO₂-Gehalts deckt sich mit dem netto-Budget aus fossilen Emissionen und Abholzung, minus Aufnahme durch Wälder und Ozeane. Bild: Klimatopist. Daten: Global Carbon Project

Bereits seit der Mitte des 20. Jahrhunderts wird beobachtet, dass die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre steigt. Der Nachweis geschah anfangs durch direkte Messungen auf entlegenen Berggipfeln, mittlerweile wird der CO₂-Gehalt der Luft auch durch Satelliten gemessen. Die Quellen und Senken von CO₂, d.h. der Austausch zwischen Atmosphäre und anderen Bestandteilen des Erdsystems, und deren räumliche Verteilung lassen sich aus mit Messdaten gestützten Modellrechnungen ableiten. Jedes Jahr wird so von über 70 führenden Wissenschaftlern eine globale Kohlenstoffbilanz (Global Carbon Budget) erstellt.

Es zeigt sich, dass die Wälder und Ozeane nicht die Ursache des CO₂-Anstiegs sind. Im Gegenteil: Im Zeitraum 2009-2018 beispielsweise nahm die Landvegetation pro Jahr ca. 3,2 GtC (Gigatonnen Kohlenstoff) aus der Atmosphäre auf, die Ozeane 2,5 GtC. Dennoch wuchs die in der Atmosphäre befindliche Menge um 4,9 GtC. Insgesamt 10,6 GtC müssen demnach also durch CO₂-Quellen in die Atmosphäre gelangt sein. Diese Summe deckt sich mit der dokumentierten Menge an Öl, Kohle und Gas, die die Menschheit verbrannt hat (ca. 9.5 GtC), sowie der Emissionen, welche aus der Abholzung von Wäldern entstanden sind (1,5 GtC). Bis auf einen kleinen Rest von 0,4 GtC, welcher verbleibenden Ungenauigkeiten der Messungen und Berechnungen geschuldet ist, geht die Bilanz also auf.

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