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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Indiz 4: Kohlenstoffisotope
Aussagekraft: sehr hoch

Während der CO₂-Gehalt der Atmosphäre steigt, sinkt dort der Anteil der Kohlenstoffisotope mit 13 und 14 Masseneinheiten. Der Kohlenstoff kann daher nur aus fossilen Brennstoffen stammen. Bild: Klimatopist

Nicht alle Kohlenstoffatome sind identisch. Abgesehen von den üblichen Kohlenstoffatomen mit der atomaren Masse von 12 u (geschrieben ¹²C) existieren auch Kohlenstoffatome, die ein Neutron zusätzlich und daher die Masse 13 u haben (¹³C), sowie welche, die zwei zusätzliche Neutronen und damit die Masse 14 u haben (¹⁴C). Solche Varianten von Atomen mit unterschiedlicher Masse bei gleichen chemischen Eigenschaften nennt man Isotope. Isotope sind in der Klimawissenschaft auf mehrere Weise nützlich, z.B. lässt sich etwas über die Meeresströmungen ableiten, indem man die Ausbreitung der Zerfallsprodukte von Atomtests beobachtet, oder es lässt sich auf die Temperatur vergangener Zeitalter der Erdgeschichte schließen, indem man die Häufigkeit bestimmter Isotope in Eisschilden, Korallen oder Bäumen bestimmt.

Auch bezüglich der Ursache des beobachteten CO₂-Anstiegs in der Atmosphäre helfen Isotope weiter, denn verschiedene Quellen von CO₂ lassen sich anhand ihres Isotopenverhältnisses unterscheiden. In fossilen Brennstoffen beispielsweise finden sich keine ¹⁴C-Atome (da dieses Isotop auf Dauer zerfällt, und diese Brennstoffe so alt sind), und Kohlenstoff aus Landvegetation (der z.B. nach Abholzung freigesetzt wird) enthält weniger ¹³C-Atome als die Atmosphäre. In aus Vulkanen oder dem Ozean ausgestoßenem CO₂ dagegen ist der Anteil von ¹³C-Atomen relativ hoch. Da der Anteil sowohl von ¹³C als auch von ¹⁴C in der Atmosphäre sinkt, kann die Quelle also weder der Ozean noch der Vulkanismus sein. Die Entwicklung passt stattdessen genau zum Isotopenverhältnis von fossilen Brennstoffen. Das zusätzlich in die Atmosphäre gelangte CO₂ birgt daher buchstäblich einen Fingerabdruck: den des Menschen.

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Indiz 5: Sinken des atmosphärischen Sauerstoffgehalts
Aussagekraft: sehr hoch

Der Sauerstoffgehalt (magenta) sinkt, während der CO₂-Gehalt (schwarz) steigt, wie es dem Verhältnis aus Verbrennungsprozessen entspricht. Aus 4. IPCC-Sachstandsbericht, Abb. 9.1. https://archive.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/figure-9-1.html

Bei der Verbrennung von Kohle, Öl, Gas oder Vegetation wird organisch gebundener Kohlenstoff zu CO₂ oxidiert. Für jedes Kohlenstoffatom C in diesem Verbrennungsprozess wird daher ein Sauerstoffmolekül (O₂) aus der Luft entfernt und in ein CO₂-Molekül eingebaut. Es ist möglich, nicht nur den CO₂-Gehalt der Atmosphäre zu messen, sondern auch den O₂-Gehalt. Das Ergebnis dieser Messungen: Die Anzahl an O₂-Molekülen in der Atmosphäre sinkt jedes Jahr um genau jene Anzahl von CO₂-Molekülen, die dazugekommen ist. Es liegt also äußerst nahe, dass diese zusätzlichen CO₂-Moleküle durch Verbrennung entstanden sind. Mit anderen Erklärungen (z.B. Ausgasen von CO₂ aus Vulkanen oder aus dem Ozean ohne Verbrennung) ist dieser Befund nicht vereinbar.

Und bevor jemand nun beginnt, panisch nach Luft zu schnappen: Es gibt viele Umweltprobleme auf der Welt, aber der Sauerstoff wird uns bestimmt nicht ausgehen. Die Reduktion um ein paar Millionstel Volumenanteile pro Jahr ist ein winziger Bruchteil des atmosphärischen Gesamtgehalts von 21% und entspricht in etwa dem Effekt, den man durch die geringfügig dünner werdende Luft erfährt, wenn man einfach nur vom Küchentisch aufsteht. Die Zunahme von atmosphärischem CO₂ in derselben Größenordnung ist nur deshalb so entscheidend, weil CO₂ ein Treibhausgas ist, d.h. auch in geringen Mengen einen riesigen Einfluss auf die Energiebilanz der Erde hat.

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Indiz 6: Ausschluss anderer Ursachen (Sonne und Vulkane)
Aussagekraft: sehr hoch

Heutiger Einfluss des Menschen, der Sonnenaktivität und des Vulkanismus auf das Klima. Quelle: 2017 US Climate Science Special Report, https://www.esrl.noaa.gov/csd/assessments/climate/2017/keyfindings.html © NASA Public Domain, modifiziert von Gregor Hagedorn, Franz Bauer und Sebastian Bathiany; Lizenz: CC BY 4.0

Nicht selten verweisen Skeptiker auf natürliche Ursachen für Klimaänderungen, um die derzeitige Erwärmung zu erklären. Ein beliebtes Thema ist dabei vor allem die Strahlungsleistung der Sonne. Dabei ist im modernen Satellitenzeitalter nichts leichter, als die auf die Erde treffende Sonnenenergie zu messen, und deren Schwankungen mit dem Einfluss der vom Menschen ausgestoßenen Treibhausgase zu vergleichen. Das Maß dafür ist der sogenannte Strahlungsantrieb. Dabei handelt es sich um eine Art Heizleistung in Watt pro Quadratmeter Erdoberfläche (W/m²), mit der die Erde erhitzt wird. Die Einheit Watt kennt man vermutlich am ehesten von technischen Geräten wie einer Mikrowelle. Man kann sich die Berechnung also so vorstellen, als packten wir die Erde in einen Mikrowellenofen und sähen zu, welche Einflüsse wieviel am Regler drehen. Die Strahlungsmessgeräte an Bord der Satelliten können die Heizleistung seit 1978 direkt messen. Für weiter in der Vergangenheit liegende Zeiträume kann sie aus Aufzeichnungen der Sonnenfleckenaktivität rekonstruiert werden.

Es zeigt sich, dass der Strahlungsantrieb der Sonne sich seit Beginn der Industrialisierung nur um etwa 0,05 W/m² geändert hat. Der Strahlungsantrieb aller menschlichen Aktivitäten zusammengenommen (Emission von Treibhausgasen und Aerosolen, Landnutzung u.a.) liegt dagegen bei etwa 2,3 W/m² (mit einem minimal möglichen Wert über 1 W/m²). Allein dieser Vergleich macht wohl deutlich, dass die Sonne die derzeitige Erwärmung unmöglich erklären kann.

Auch Veränderungen der Erdumlaufbahn um die Sonne, welche die Eiszeiten der vergangenen zwei Millionen Jahre stark geprägt haben, sind nur auf sehr langen Zeiträumen von vielen tausend bis hunderttausend Jahren relevant. Etwas anderes lässt die Himmelsmechanik einfach nicht zu, es sei denn vielleicht, es kollidieren plötzlich zwei riesige Himmelskörper im Sonnensystem. Und das wäre vermutlich allen aufgefallen.

Auch für die Auswirkung von Vulkanen lässt sich der Strahlungsantrieb bestimmen. Es sollte gesagt sein, dass ein Vulkanausbruch zwar CO₂ in die Atmosphäre befördert, insgesamt aber eine Abkühlung zur Folge hat. Das ist auf die vielen Partikel (vor allem Schwefelaerosole) zurückzuführen, die in die hohe Atmosphäre geschleudert werden und dann dort für ein paar Jahre lang Sonnenlicht ins All zurückreflektieren, bevor sie wieder zu absinken und vom Regen ausgewaschen werden. Hypothetisch denkbar wäre natürlich, dass die Häufigkeit solcher kühlender Vulkanausbrüche seit der Industrialisierung zufällig abgenommen hat. Das hätte dann tatsächlich einen Erwärmungstrend zur Folge (dass dieser ein ganz anderes räumliches Muster hätte als andere Ursachen, darauf komme ich noch in Indiz Nr. 11). Allerdings hat sich die Aktivität von Vulkanen nur sehr wenig verändert, und ergibt bezogen auf das Jahr 1750 einen Strahlungsantrieb von ungefähr -0,1 W/m². Das negative Vorzeichen macht deutlich, dass Vulkane einen abkühlenden Einfluss hatten. Als Erklärung für die derzeitige Erwärmung fallen sie also weg.

Weitere mögliche natürliche Ursachen zu finden, an die keiner gedacht hat, ist natürlich nie wissenschaftlich unmöglich. Aber man müsste hier vorsichtig gesagt extrem kreativ werden. Denn alles, was das Klima in der Erdgeschichte verändert hat (Sonne, Vulkane, Erdumlaufbahn, Plattentektonik), und die irdische Strahlungsbilanz beeinträchtigen könnte, scheidet offenkundig aus.

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Indiz 7: Langwelliger Strahlungseinfall am Erdboden
Aussagekraft: mittel

Zusätzliche Treibhausgase erhöhen die einfallende (langwellige) Infrarotstrahlung am Erdboden. Bild: Klimatopist

Tyndalls Laborversuch (siehe Indiz 2) und einfache Modelle des Treibhauseffekts postulieren, dass die atmosphärische CO₂-Zunahme die einfallende Infrarotstrahlung am Erdboden erhöhen sollte. Diese Zunahme an Einstrahlung ist es auch, was die Erwärmung in Bodennähe verursacht.
Da wärmere Körper mehr Infrarotstrahlung („Wärmestrahlung“) abgeben, strahlt die aufgeheizte Erdoberfläche dann entsprechend stärker nach oben zurück. Allerdings gelangt von dieser Strahlung ein immer kleinerer Anteil auch tatsächlich ins All, denn die gestiegene Anzahl von CO₂-Molekülen in der Luft absorbiert diese Strahlung. Erde und Atmosphäre zusammengenommen strahlen dadurch nicht mehr Energie ab als zuvor – sie balancieren damit nach wie vor die Einstrahlung von der Sonne. Der Unterschied ist nur, dass die Erdoberfläche wärmer geworden ist und die Atmosphäre mit einer geringeren Temperatur strahlt.
Es sind daher sehr charakteristische Merkmale eines verstärkten Treibhauseffekts, dass 1. die aus der Atmosphäre kommende Wärmestrahlung am Erdboden steigt, und 2. die am Oberrand der Atmosphäre von der Erde ausgehende Wärmestrahlung nicht steigt.
Der Nachweis, dass dies genau so auf der Erde stattfindet, ist sehr viel komplizierter als im Laborversuch, da die starken natürlichen Schwankungen der Strahlungsflüsse und der komplexe Aufbau der Atmosphäre, sowie die Anwesenheit von Wasserdampf, Wolken und Aerosolen den langfristigen Trend überlagern können. Außerdem sind Strahlungsmessungen in der erforderlichen Genauigkeit sehr schwierig und die Messreihen nicht besonders lang.
Es gibt jedoch mittlerweile Anzeichen dafür, dass die Strahlungsflüsse sich tatsächlich so verändern, wie man es der Theorie nach erwartet. Je nach Fachpublikation wird diese Zunahme als statistisch signifikant (belastbar) angesehen, oder als noch nicht aussagekräftig genug. Signifikante Abnahmen der einfallenden Strahlung wurden dagegen nicht gefunden.

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Indiz 8: Veränderung des Infrarotspektrums
Aussagekraft: mittel

Strahlungsspektrum der Sonne (rot) und der Strahlung von der Erdoberfläche (blau). Graue Spektren darunter: Je nach Wellenlänge absorbieren verschiedene Treibhausgase diese Strahlung oder lassen sie passieren. Bild von Robert A. Rohde für das Global Warming Art project. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atmospheric_Transmission_de.png

Wir haben gesehen, dass der Treibhauseffekt auf sehr grundlegenden physikalischen Gesetzen beruht, dass der Mensch diesen durch Treibhausgasemissionen verstärkt, und dass das Ausmaß der gemessenen Erwärmung zu dem Effekt passt, den man durch die ausgestoßenen Treibhausgase auch erwarten würde. Was man allerdings nur schwer beobachten kann, ist der instantane, allein auf die Zunahme an Treibhausgasen stammende Strahlungseffekt (im wissenschaftlichen Jargon Forcing genannt). Das liegt daran, dass die einzelnen Glieder der Kausalkette (mehr Treibhausgase, mehr Einstrahlung am Erdboden, steigende Temperatur, Anpassung anderer Größen an die Temperatur), d.h. Ursache und Folge nicht zeitlich nacheinander ablaufen, sondern, aufgrund der permanent stattfindenden Emissionen, alle gleichzeitig. Die Zunahme der Einstrahlung am Erdboden besteht daher nicht nur aus dem direkten Effekt der Treibhausgase (Forcing), sondern ist zu einem Teil auch die Folge der dadurch angestoßenen Veränderungen in der Atmosphäre.

Die Zunahme der langwelligen Einstrahlung am Erdboden allein infolge des Forcings (direkte Wirkung der zusätzlichen Treibhausgase) erfolgt nicht in allen Bereichen des Spektrums gleichermaßen, sondern in jenen Wellenlängenbereichen, in denen die durch den Menschen forcierten Treibhausgase Strahlung absorbieren, z.B. CO₂ bei 15 µm, N₂O bei 4,5 µm und 8 µm, und CH4 bei 3 µm und 8 µm (siehe Abbildung).

Man kann sich das vorstellen wie ein Radio, welches man erst auf eine bestimmte Frequenz einstellen muss, um ein Signal zu hören. Die physikalischen Grundlagen des Treibhauseffekts sagen gewissermaßen voraus, auf welchem Sender man ein zunehmendes Signal hören sollte, wenn diese Grundlagen auch im komplexen Erdsystem von Bedeutung sind.

In den letzten Jahren ist es nun gelungen, dieses Forcing und den daraus folgenden Erwärmungseffekt durch geschickte Messungen und Berechnungsverfahren zu trennen. Sowohl Messstationen an bestimmten Punkten auf der Erdoberfläche als auch Satellitendaten zeigen den menschlichen Fingerabdruck, d.h. das Strahlungsspektrum hat sich so verändert, wie man es durch die Zunahme an Treibhausgasen erwarten würde. Da immer bessere und zahlreichere Strahlungsmessgeräte eingesetzt werden (am Boden und auf Satelliten), dürften die Resultate in den nächsten Jahren und Jahrzehnten noch klarer werden.

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Indiz 9: Menschlicher Fingerabdruck im räumlichen Muster der Erwärmung
Aussagekraft: hoch

Die Erde erwärmt sich nicht überall gleich. Bild: Earth Institute, Columbia University; Daten: NASA; https://csas.earth.columbia.edu/our-work/climate-data

Woher die Klimaforschung weiß, dass der Mensch hinter der Erderwärmung steckt, hat sehr viel mit den Leistungen der Physiknobelpreisträger Syukuro Manabe und Klaus Hasselmann zu tun.

Manabe war einer der ersten, die bereits in den 1960er Jahren ein globales Klimamodell bauten und die Erwärmung prognostizierten, die aus Treibhausgasemissionen folgt. Die Vorhersagen sind noch immer korrekt und werden heute von Beobachtungen bestätigt. Dazu mehr in einem folgenden Post.

Den ersten Nachweis, dass der Mensch hinter der Erwärmung steckt, erbrachte dann in den 1990er Jahren der Gründungsdirektor des Max-Planck-Instituts für Meteorologie, Klaus Hasselmann.

An einem einzelnen Ort der Erde wird das Erwärmungssignal anfangs nämlich noch stark von natürlichen Schwankungen des Wetters überlagert. Wenn man allerdings Beobachtungen von vielen verschiedenen Orten miteinander kombiniert und mit Modellen vergleicht, lässt sich der menschliche Fingerabdruck statistisch nachweisen.

Beispielsweise erwärmt sich die Erde nicht überall gleich stark. Über Land ist die Erwärmung deutlich größer als über dem Ozean (was auch bedeutet, dass das 2°C-Ziel in Wahrheit eher ein 2,7°C-Ziel ist, da wir Menschen nun mal an Land wohnen). In der Arktis ist die Erwärmung sogar 2-3 mal so hoch wie im globalen Mittel. Bereits heute liegt sie bei mehreren Grad, während die globale Erwärmung gerade die 1°C-Marke überschreitet.

Dieses charakteristische räumliche Muster birgt einen Fingerabdruck, der Rückschlüsse über die Ursache der Erwärmung zulässt. Wäre diese Ursache natürlicher Art, z.B. ein Resultat von internen Klimaschwankungen, dann müsste das Muster einem oder der Summe von mehreren solcher natürlicher Schwankungen entsprechen, z.B. dem El Nino-Phänomen im Pazifik, oder anderen langfristigen Oszillationen, die mit dem An- und Abschwellen von Meeresströmungen verbunden sind. Allerdings passt das beobachtete Erwärmungsmuster überhaupt nicht zu solchen internen Klimaschwankungen. Außerdem könnten diese internen Schwankungen Energie nur räumlich umverteilen, so dass es an manchen Orten zwar wärmer würde, an anderen dagegen kälter. Beobachtungen zeigen aber, dass der gesamte Ozean deutlich an Energie aufgenommen hat, und auch die untere Atmosphäre fast überall wärmer wurde. Diese Energie muss irgendwoher kommen und kann nicht durch natürliche Schwankungen erklärt werden.

Auch eine zunehmende Sonnenstrahlung beispielsweise hätte ein anderes räumliches Muster zur Folge als es beobachtet wird. Vor allem die starke Erwärmung an den Polen (und das in den dunklen Wintermonaten), wäre eine untypische Reaktion. Dagegen ist die starke Erwärmung der Kontinente und der Arktis genau das, was man durch eine Erwärmung der Erde durch Treibhausgase erwarten würde. Die stärkere Erwärmung der Landoberfläche beispielswiese resultiert daraus, dass die Erwärmung dort weniger durch Verdunstungskälte gehemmt wird als über offenen Wasserflächen. Dass die Arktis sich so stark erwärmt, hat mehrere Gründe. Meistens wird hier die so genannte Eis-Albedo-Rückkopplung genannt: Weniger Eisfläche bedeutet eine dunklere Erdoberfläche und somit mehr Absorption von Sonnenlicht, was das Schmelzen beschleunigt. Dies allein ist jedoch noch keine ausreichende Erklärung. Daneben spielt auch eine Rolle, dass kalte Gebiete sich stärker erwärmen müssen, um einen bestimmten Energieüberschuss auszugleichen (Stefan-Bolzmann-Gesetz), und dass die vertikale Schichtung der Temperatur in hohen Breiten stabiler wird, so dass weniger heiße Luft nach oben hin abgeführt werden kann.

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Indiz 10: Abkühlung der mittleren und hohen Atmosphäre
Aussagekraft: hoch

Räumliches Erwärmungsmuster (in Nord-Süd-Richtung und vertikal) durch Sonne, Vulkanaktivität und Treibhausgasemissionen, sowie Muster der Erwärmung aus der Gesamtheit der tatsächlichen Klimaantriebe. Quelle: 4. IPCC-Sachstandbericht; basierend auf Santer et al. (2003a).

Während Indiz 9 die horizontale Verteilung der Erwärmung an der Erdoberfläche betrifft, geht es hier um das vertikale Profil der Temperaturänderung vom Erdboden bis in die hohe Atmosphäre.

Dieses Profil ist ganz besonders aussagekräftig bei einer Erwärmung durch CO₂. Denn eine direkte CO₂-bedingte Erwärmung findet nur am Erdboden und in den untersten paar Kilometern der Atmosphäre statt. In höheren Schichten wirkt CO₂ stark abkühlend. Diese CO₂-bedingte Abkühlung hat mehrere Gründe. Einer davon hängt mit der bereits beschriebenen Trübung der Atmosphäre in den Absorptionsbereichen von CO₂ zusammen (den Wellenlängenbereichen, in denen CO₂ Strahlung absorbiert): Da in den oberen Luftschichten der Atmosphäre bei gestiegenem CO₂-Gehalt weniger Strahlung von der warmen Erdoberfläche ankommt, und mehr aus erdferneren (und damit kälteren) Schichten, wird weniger Strahlung absorbiert und die Luft kühlt sich ab.

Von den möglichen Kandidaten einer globalen Klimaänderung kann allein die Zunahme von CO₂ ein solches Muster erzeugen. Andere erwärmende Einflüsse wie z.B. eine höhere Sonnenaktivität oder reduzierter Vulkanismus hätten ein anderes räumliches Erwärmungsmuster zur Folge als beobachtet.

Und sogar andere Treibhausgase als CO₂ haben nicht diesen kühlenden Einfluss. Die stark treibhauswirksamen und ozonzerstörenden FCKW beispielsweise wirken unten wie oben erwärmend. Der Unterschied zwischen den verschiedenen Treibhausgasen hängt damit zusammen, in welchem Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums sie Strahlung absorbieren. CO₂ absorbiert vor allem in Bereichen, die bereits eine teilweise Sättigung erfahren, d.h. sie machen die „trüben“ Bereiche des Spektrums noch trüber. FCKW dagegen absorbieren in Bereichen, in denen die Strahlung bisher ungehindert ins Weltall abgestrahlt werden konnte. Diese Gase machen daher das so genannte atmosphärische Fenster kleiner.

Obwohl das Muster der vertikalen Temperaturänderung also sehr charakteristisch ist, ist der Nachweis des CO₂-Fingerabdrucks in Beobachtungen kompliziert. Das hat damit zu tun, dass die stattfindende Abkühlung der mittleren und oberen Atmosphäre von mehreren Effekten geprägt ist, die sich überlagern, darunter der (ebenfalls menschengemachte) Abbau der Ozonschicht. Außerdem sind Messungen in so großen Höhen besonders schwierig und die Messreihen sind kurz. Dennoch ist eindeutig festzustellen, dass das vertikale Temperaturprofil sich so verhält, wie es durch einen CO₂-getriebenen Klimawandel erklärbar ist, aber nicht durch natürliche Einflüsse.

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Indiz 11: Erwärmungsraten von Tag und Nacht
Aussagekraft: mittel

Eine Zunahme der Sonnenaktivität würde sich vor allem tags bemerkbar machen. Ein Klimawandel durch Treibhausgase betrifft dagegen auch die nachts einfallende Infrarotstrahlung. Bild: Klimatopist.

Der erwärmende Effekt von Treibhausgasen hat damit zu tun, dass diese Gase die aus der Atmosphäre Richtung Erdboden gerichtete langwellige Strahlung (Infrarotstrahlung) verstärken. Dieser Effekt ist am Tag und in der Nacht aktiv, und führt zu einer Erwärmung. Würde man dagegen die Strahlungsleistung der Sonne erhöhen (kurzwellige Strahlung im sichtbaren Bereich), so wäre die Erwärmung vor allem tagsüber zu beobachten, wenn die Sonne scheint. Dies gilt jedenfalls dann, wenn man zusätzliche Effekte, vor allem Änderungen der Bewölkung, vernachlässigt.

Beobachtungszeitreihen der Temperatur zeigen, dass die Tagesminimumtemperatur seit den 1950ern an vielen Orten (vor allem über Land) schneller gestiegen sind als die Tagesmaximumtemperaturen. Die Temperaturamplitude (Unterschied zwischen Tag und Nacht) ist also kleiner geworden. In einer Welt ohne Wolken oder Aerosolpartikeln wäre dies bereits ein sehr starkes Indiz dafür, dass die globale Erwärmung durch Treibhausgase verursacht wird. Mit der Behauptung, dass eine stärkere Sonne hinter der Erderwärmung stecke, sind die Beobachtungen dann nicht zu vereinbaren.

Um zu zeigen, dass dies auch in der realen Welt tatsächlich der Fall ist, müssen allerdings einige verkomplizierende Effekte berücksichtigt werden. Insbesondere hat die Bewölkung einen enormen Einfluss auf den Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht. Wolken wirken tagsüber kühlend und nachts erwärmend, wie man anhand des Wetters oft am eigenen Leib erleben kann. Auch die Emission von Aerosolen, die z.B. bei der Verbrennung von Kohle als Nebenprodukt entstehen, führt zu mehr Reflexion von Sonnenlicht zurück ins All und damit einem abkühlenden Effekt am Tag.

Ein wesentlicher Teil der beobachteten Angleichung zwischen Tag und Nachttemperaturen ist der Zunahme der Bewölkung und der Emission von Aerosolen geschuldet. Zusätzlich hängt es stark von der vertikalen Durchmischung der Luft ab, wie schnell nachts die Temperaturen fallen; und an heißen Sommertagen hängt die Tagesmaximumtemperatur stark von der Bodenfeuchte ab, da die Verdunstung von Wasser kühlend wirkt. All diese Prozesse genau zu messen und auf eine Ursache zurückzuführen, ist mit derzeitigen Methoden nicht zu leisten. Letztlich ist der Nachweis des reinen Treibhausgaseffekts auf den Unterschied zwischen Tag- und Nachttemperaturen daher noch nicht mit ausreichender Genauigkeit erbringbar.

Beobachtungen und Klimamodelle zeigen jedoch eindeutig, dass die bisherigen Veränderungen der Temperaturamplitude bereits zu stark sind, um mit natürlichen Klimaschwankungen noch erklärbar zu sein. Insofern zeigt die Veränderung der Temperaturamplitude, dass ein Eingriff ins Klimasystem stattfindet. Es ist (anhand dieses Indizes allein) lediglich unklar, welchen Anteil die verschiedenen Einflüsse (Aerosole, Treibhausgase, Sonneneinstrahlung) haben. Messungen mit Satelliten zeigen, dass die Sonnenleistung nicht zugenommen hat (siehe Indiz 6). Da die Aerosole tags abkühlend wirken, und nachts wenig Einfluss haben, die Temperaturen jedoch sowohl tags als auch nachts gestiegen sind, bleiben Treibhausgase als einzig plausible Erklärung übrig.

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Indiz 12: Menschlicher Fingerabdruck in veränderten Jahreszeiten
Aussagekraft: mittel

Eine Veränderung der Jahreszeiten in der Troposphäre findet vor allem in den mittleren Breiten statt, wie es auch Klimamodelle als Folge des verstärkten Treibhauseffekts prognostizieren. Quelle: Science. https://science.sciencemag.org/content/361/6399/eaas8806

 

Wie bereits der Physik-Nobelpreisträger Klaus Hasselmann gezeigt hat, ist die globale Erwärmung von Ort zu Ort unterschiedlich, woraus sich ein menschlicher “Fingerabdruck” im Erwärmungsmuster nachweisen lässt.

Bei den räumlichen Unterschieden spielt beispielsweise eine Rolle, dass sich in der Nordhemisphäre mehr Landmassen befinden. Land erwärmt sich beim Einfluss von CO₂ stärker als der Ozean, da die kühlende Verdunstungskälte aufgrund des Wassermangels nur begrenzt wirken kann. Zwischen 30°N und 60°N erwärmt sich die bodennahe Luft daher stärker als im globalen Mittel. Die stärkste Erwärmung weltweit findet man jedoch in der Arktis, was an mehreren Rückkopplungen liegt, z.B. der Eis-Albedo-Rückkopplung.

Unterschiede der Erwärmung gibt es aber wie oben erwähnt nicht nur räumlich, sondern auch zwischen den Jahreszeiten. Genau das hat sich ein Forscherteam zunutze gemacht, um einen weiteren, jahreszeitlichen, menschlichen Fingerabdruck nachzuweisen (Santer et al., 2018): https://www.science.org/doi/10.1126/science.aas8806

Beispielsweise erwärmt sich die bodennahe Luft der Arktis im Winter stärker als im Sommer, unter anderem deshalb, weil im Sommer viel Energie in die Eisschmelze gesteckt wird und damit in dieser Jahreszeit nicht zur Erwärmung beiträgt. Das jahreszeitliche Muster der Erwärmung in verschiedenen Regionen ist also ebenfalls charakteristisch für eine treibhausgasbedingte Erwärmung und unterscheidet sich von natürlichen Klimaschwankungen.

Der Nachweis des Fingerabdrucks in der Studie von Santer et al. erfolgte jedoch nicht anhand der bodennahen Erwärmung, sondern unter Einbezug der gesamten Troposphäre (Atmosphäre bis ca. 10 km Höhe). Hier zeigt sich eine Zunahme der Unterschiede zwischen Winter- und Sommertemperaturen, vor allem über den mittleren nördlichen Breiten.

Interessanterweise zeigt sich dieses Muster sowohl in Klimamodellen als Reaktion auf steigende Treibhausgaskonzentrationen als auch in Beobachtungen. Der beobachtete Klimawandel ist insofern vereinbar mit der Erklärung eines durch den Menschen verursachten Klimawandels, aber nicht mit natürlichen Klimaschwankungen. Auch die biologischen Folgen des sich verändernden Jahresgangs am Erdboden lassen sich in der Realität bereits beobachten, z.B. in der sich ändernden Verbreitung von Tier- und Pflanzenarten.

Ungeklärt ist bislang allerdings, welche Mechanismen zu dem stärkeren Jahresgang in der Troposphäre führen, und warum sich die Änderungen am Erdboden und in der Höhe unterscheiden. Das Indiz ist daher schwächer als die meisten bereits vorgestellten.

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