Wir beginnen unsere große Artikelserie mit zwei Schlüsselfragen: Was ist der Unterschied zwischen Wetter und Klima?Und was hat ein Hockey-Schläger mit dem Klima zu tun?
Nun, wie Mark Twain es formuliert haben soll:
Klima ist das, was man erwartet, Wetter ist das, was man bekommt. Klima ist der statistische Durchschnitt des Wetters über längere Zeiträume, und das Klima beinhaltet das Verhalten des gesamten komplexen Systems der Erde, die Kopplung von Ozean und Atmosphäre und den Eisschilden und der Biosphäre, dem Leben auf der Erde.
Ja, das Bild oben ist ein echtes Foto, aufgenommen am 11. März 2021 in Berlin. Diese erstaunlichen Wolken sind Mammatus, „ein Phänomen, das mit dem Zusammentreffen eines kalten Bereichs einer Wolke mit einem anderen, wärmeren Bereich zusammenhängt: ein Teil der Wolke steigt auf und ein anderer fällt ab, wodurch diese originelle Form entsteht“, so Météo France.
Das Verhalten des Klimasystems variiert im Laufe der Zeit aus natürlichen Gründen, zum Beispiel sind El-Niño-Jahre tendenziell feuchter im Winter in Kalifornien und schneereicher im Südosten der USA.
Wenn sich das sich das Klima immer ändert, wird dann der Klimawandel per Definition immer stattfinden?
Irgendwie ja und irgendwie nein. Als Beispiel werfen wir einen Blick auf die Kreidezeit.
Die Kreidezeit ist ein Zeitabschnitt der Erdgeschichte, der vor rund 145 Millionen Jahren mit dem Ende des Juras begann und vor etwa 66 Millionen Jahren mit dem Beginn des Paläogens endete.
Vor einhundert Millionen Jahren, als die Dinosaurier auf der Erde lebten, war es wärmer als es heute ist und es gab damals kein Eis an den Polen.
Und was ist der Grund, dass die Erde zu dieser Zeit wärmer war?
Einen Hinweis darauf gibt diese Darstellung, wie die Erde während des Zeitalters der Dinosaurier ausgesehen haben könnte. und warum die frühe Kreidezeit so warm war:
Wenn Sie bei diesem Bild an Vulkanausbrüche gedacht haben, dann hatten Sie recht. Vulkanausbrüche sind ein natürlicher Faktor, der das Klima der Erde beeinflusst und schon immer beeinflusst hat. Über kürzere Zeiträume hinweg können sie das Klima tatsächlich zunächst abkühlen, indem sie Partikel in die Atmosphäre pumpen, die die Sonne für einige Jahre blockieren, aber über längere Zeiträume hinweg spielen sie eine andere Rolle: Vulkanausbrüche pumpen grosse mengen Kohlendioxid (Co2) in die Atmosphäre und verstärken damit den Treibhauseffekt.
In der erdgeschichtlichen Vergangenheit kam es aufgrund des Einflusses von Naturkräften, wie diesen Vulkanausbrüchen, zu Veränderungen des Klimas, die sich jedoch über einenZeitraum von Dutzenden von Millionen von Jahren hinzogen.
Wenn aber der Klimawandel doch ein natürlicher Vorgang ist, warum sollten wir uns dann solche Sorgen um den Klimawandel machen, der heute stattfindet?
Achtung, hier gibt es ein wichtiges Missverständnis: Viele glauben, die Bedrohung durch den Klimawandel habe mit der absoluten Erwärmung der Erde zu tun. Das ist nicht unbedingt der Fall, es ist vielmehr die Geschwindigkeit der Veränderung, die die Wissenschaftler beunruhigt. Wie schnell verändert sich das Klima heute? Ändert es sich mit einer Geschwindigkeit, an die wir uns anpassen können, die wir verkraften können? Die es auch anderen Lebewesen ermöglicht, damit zurechtzukommen? Das ist die eigentliche Frage, und sie wird von einer Grafik beantwortet, die der Klimawissenschaftler Michael E. Mann vor etwa zwei Jahrzehnten veröffentlicht hat, dem sogenannten Hockey-Schläger:
Mit viel Vorstellungskraft, ähnelt diese Kurve einem Sportgerät, dem Hockey-Schläger und die moderne Erwärmung ist die Klinge des Hockeyschlägers. Sie führt uns deutlich außerhalb des Bereichs, den der Griff des Hockeyschlägers für die letzten tausend Jahre darstellt.
Um zu rekonstruieren, wie sich das Klima in der ferneren Vergangenheit verändert hat, als noch vor den etwa 100 bis 150 Jahren, in denen wir umfassende historische Messungen von Klimavariablen haben, müssen wir uns an sogenannte Klima-Proxy-Daten halten.
Klima-Proxy-Daten sind Dinge wie Baumringe und Korallen, Eiskerne und Seesedimente. Natürliche Archive in unserer Umwelt also, die uns etwas darüber sagen können, wie sich das Klima in der fernen Vergangenheit verändert hat. Und indem wir die Informationen aus solchen natürlichen Archiven auf der ganzen Welt kombinieren, können wir uns ein Bild davon machen, wie sich im Vergleich dazu das Klima in der jüngeren Vergangenheit verändert hat.
Aus dem Eis der Gletscher, der Arktis und der Antarktis, erhalten Wissenschaftler wichtige Hinweise auf die Klimaentwicklung über tausende von Jahren auf unserem Planeten.
Vor etwa zwei Jahrzehnten veröffentlichten der Klimaforscher Michael E. Mann und seine Koautoren Raymond S. Bradley und Malcolm K. Hughes eine Studie in der Zeitschrift Nature, und ein Jahr später eine Folgestudie in der Zeitschrift Geophysical Research Letters, in der sie solche indirekten Klima-Proxy-Daten verwendeten, um globale Temperaturmuster über die letzten tausend Jahre zu rekonstruieren. Und am Ende erlaubten die Daten, eine Kurve zu definieren, die die Durchschnittstemperatur unseres Planeten darstellt, speziell der gesamten nördlichen Hemisphäre. Die Kurve zeigt relativ warme Bedingungen vor etwa 1.000 Jahren während der so genannten mittelalterlichen Warmzeit, und eine langsame Abkühlung als wir in die „Kleine Eiszeit“ des 17., 18. und 19. Jahrhunderts gerieten. Und dann kommt die sogenannte Industrielle Revolution in den letzten zwei Jahrhunderten und die Temperaturen steigen plötzlich sprunghaft an. Dieser Anstieg ist über die Länge der vergangenen 1.000 Jahre gesehen beispiellos.
Man muss nicht die komplexe Funktionsweise des Klimasystems der Erde verstehen, um zu begreifen, was uns das sagt: Nämlich dass sich etwa seit den 50iger Jahren des vergangenen Jahrhunderts etwas Tiefgreifendes in unserem Klima abspielt und dass dies wahrscheinlich mit uns zu tun hat, mit dem Effekt, den wir Menschen auf den Planeten haben indem wir fossile Brennstoffe verbrennen und die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre erhöhen.
So wurde der Hockeystick zu einem Symbol in der Debatte um den Klimawandel, weil er eine einfache Geschichte erzählt, die eigentlich jeder Mensch verstehen können sollte, eine Geschichte über die tiefgreifenden Auswirkungen, die unsere Handlungen auf unseren Planeten haben.
Seither gibt es nicht nur einen einfachen Hockeystick. Inzwischen gibt es eine wahre Hockey-Liga, das heißt, es gibt viele Rekonstruktionen dieser Art von den Temperatur-Daten vergangener Zeiten, die von verschiedenen Teams von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt mit unterschiedlichen Daten und Methoden durchgeführt wurden.
Aber tatsächlich kommen sie alle zu dem gleichen Ergebnis, nämlich, dass die jüngste Erwärmung in tausenden von Jahren kein Beispiel findet.
Klimaforscher Michael E. Mann gilt als der Erfinder des sogenannten „Hockeysticks“. Michael E. Mann (55) ist Distinguished Professor für Meteorologie und Direktor am Zentrum für Geowissenschaften der Pennsylvania State University.
Es besteht Einigkeit darüber, dass alle Lebewesen, einschließlich der Menschen, sich im Prinzip auch an starke Veränderungen des Klimas anpassen können. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Veränderungen langsam über Tausende oder Hunderttausende von Jahren stattfinden.
Die Anpassung an Veränderungen die in Zeiträumen von nur einigen Jahrzehnten stattfinden, ist weitaus schwieriger. Meist sogar unmöglich.
Nun ist es aber so, dass die Daten und Messungen der Klimaforscher zeigen, dass der Klimawandel innerhalb von weniger als 100 Jahren eingetreten ist. Die gleichen Daten zeigen auch ganz klar, dass er nur durch menschliche Aktivitäten verursacht sein kann. In den vergangenen etwa 100 Jahren gab es keine grossen und über Jahre andauernden Vulkanausbrüche oder andere Naturereignisse, die eine so hohe Zunahme der Konzentration an Treibhausgasen in unserer Atmosphäre erklären könnten.
Wir sehen uns vor ernsthafte Herausforderungen und Probleme gestellt, allein bei der Suche nach der Antwort auf die Frage: Was können wir tun, um den Klimawandel zu stoppen und seine Auswirkungen abzufedern?
Die gerade gestellten Fragen führen zu immer weiteren Fragen: Was können wir tun, um die anhaltende Emission von Kohlenstoffen und anderen Treibhausgasen in die Atmosphäre zu stoppen, die die Erwärmung des Planeten und den damit verbundenen Klimawandel verursacht?
Erinnern wir uns, es gibt bereits das historische Pariser Klima Klimaabkommen, das vor einigen Jahren unterzeichnet wurde und in dem sich alle Länder der der Welt verpflichtet haben, ihre Kohlenstoffemissionen drastisch zu reduzieren.
Wenn man die Menge des Co2s aus allen diesen Verpflichtungen zusammenzählt, dann kommt man zu dem Schluss, dass wir auf eine Erwärmung unseres Planeten um etwa fünf Grad Celsius bis zum Ende des Jahrhunderts zusteuern würden, würden wir nichts unternehmen.
Das Pariser Abkommen bedeutet allerdings auch nur den halben Weg zu den Werten, die die meisten Klimawissenschaftler als notwendig erachten, um einem wirklich gefährlichen und potenziell irreversiblen Klimawandel bei einer Erwärmung von etwa zwei Grad Celsius, abwenden zu können.
Das Pariser Abkommen bringt uns also nur halb soweit voran, als es eigentlich notwendig wäre, um gefährliche Naturkatastrophen zumindest teilweise abwenden zu können.
Das heisst im Klartext: Wir müssen die Kurve der Co2-Emissionen noch schneller nach unten bringen, wenn wir einen für uns katastrophalen Klimawandel vermeiden wollen. Und das bedeutet auch, dass das Pariser Abkommen nur ein Ausgangspunkt ist. Auf den kommenden internationalen Konferenzen müssen sich die Länder der Welt auf eine noch stärkere Reduzierung ihrer Kohlenstoffemissionen einigen, denn wir müssen uns dieser Herausforderung stellen, damit unsere Gesellschaft überleben kann und nicht in immer stärkeren Umweltkatastrophen irgendwann komplett untergeht.
Wir machen zwar deutliche Fortschritte, aber wir haben noch einen weiten Weg vor uns.
Der erste Schritt, um tatsächlich etwas gegen den Klimawandel zu tun, ist das Verstehen des Klimas, und deshalb wollen wir jetzt mit euch über die Details die Funktionsweise des Klimasystems sprechen.
Lasst uns zunächst betrachten, wie es aufgebaut ist.
Das Klimasystem ist ein interagierendes System, das mehrere wichtige Bereiche miteinander vereint:
die Ozeane oder die Hydrosphäre, alles Wasser auf der Erde,
die Atmosphäre,
die Kryosphäre, das ist das ganze Eis auf der Erde, und
die Biosphäre, das Leben auf der Erde.
Das alles nimmt am Klimasystem teil und bestimmt die Entwicklung unseres Klimas.
Natürlich wird dieses System auch von außen durch andere Faktoren beeinflusst, wie etwa die Leistung der Sonne, die die Ozeane und die Atmosphäre aufheizt.
In diesem Zusammenhang werden später die sogenannten Treibhausgase interessant werden, die eine sehr wichtige Rolle bei der Entwicklung der Erdtemperatur spielen.
Aber betrachten wir zunächst die Grundlagen der globalen Wärmeentwicklung.
Da gibt es zuerst die Ozeane mit ihren Wassermassen und es gibt Wasser in Flüssen und Seen, und ein Teil dieses Wassers verdunstet in die Atmosphäre in Form von Wasserdampf, der auch ein Gas ist. Und Wasserdampf ist sogar auch ein Treibhausgas, denn auch Wasserdampf hindert Wärmeenergie daran, von der Oberfläche der Erde in den Weltraum zu entweichen. Und zwar in Form von Wolken, die sich in der Atmosphäre bilden und die Wärme auf die Erde reflektieren.
Dann gibt es da die Vegetation und die Landoberfläche und die Eigenschaften der Erdoberfläche. Alles das beeinflusst, was mit dem einfallenden Sonnenlicht passiert. Die Fähigkeit der Böden, Kohlendioxid in die Atmosphäre abzugeben, die Fähigkeit der Böden und der Vegetation, Feuchtigkeit an die Atmosphäre abzugeben: All diese Systeme interagieren miteinander in physikalischer Weise in Bezug auf die Thermodynamik und den Gasaustausch.
Alle diese Prozesse sind wichtig für das Verständnis für die Dynamik des Klimasystems auf der Erde. Lasst uns nun näher auf das zweite Teilsystem, die Atmosphäre, eingehen.
Die Atmosphäre ist in verschiedene Schichten unterteilt, die unterste Schicht nennen wir Troposphäre. Tropos kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet „Wendung“oder „Art und Weise“. In der Troposphäre findet das Wetter statt, das wir erleben. Die Troposphäre ist gleichzeitig auch der dynamischste Teil der Atmosphäre und erstreckt sich bis zu einer Höhe von etwa 10 bis 14 Kilometern über der Erdoberfläche. Sie ist also die Atmosphärenschicht, in der wir leben und in der das Wetter, das wir erleben, stattfindet. Ein wichtiges Merkmal der Troposphäre ist, dass die Temperaturen mit zunehmender Höhe abnehmen, was zu einem instabilem Verhalten dieser Atmosphärenschicht beiträgt. Das ist auch der Grund dafür, warum das sichtbare und spürbare Wetter ausgerechnet in diesem Teil der Atmosphäre stattfindet.
Oben, über der Troposphäre trifft man dann auf die nächsthöhere Schicht, die Stratosphäre, und in der Stratosphäre fangen die Temperaturen an, sich wieder zu erwärmen. Ob man es glauben mag oder nicht, es wird tatsächlich wärmer, je höher man in die Stratosphäre vorstösst. Daher ist die Stratosphäre viel stabiler und dient im Wesentlichen als ein Deckel für die Wettersysteme.
Wir konzentrieren uns in unserem täglichen Leben auf die Troposphäre, die ersten 10 bis 14 Kilometer, weil dort das Wetter stattfindet. Dort leben wir, die meisten Dinge, die uns interessieren, passieren in der Troposphäre. Die meisten der Klimaveränderungen und der tägliche Wetterbericht finden in der Troposphäre statt.
Aber auch die Stratosphäre spielt eine wichtige Rolle, denn dort befindet sich die Ozonschicht. In der Stratosphäre wird der Sauerstoff durch einfallendes Sonnenlicht, durch ultraviolette Strahlung zerlegt, und daraus bildet sich die Ozonschicht.
Die Ozonschicht ist wichtig, sie absorbiert einen Teil der einfallenden hochfrequenten Strahlung von der Sonne, die wir als ultraviolette Strahlung bezeichnen, die ansonsten für das Leben auf der Erde schädlich wäre. Die Ozonschicht schirmt uns vor dieser schädlichen Strahlung ab.
Auch die Ozonschicht spielt eine wichtige Rolle beim Klimawandel und bei den Auswirkungen durch eine steigende Treibhausgaskonzentration.
Wie wir später sehen werden, erwärmt sich die Troposphäre, wenn man die Treibhausgaskonzentrationen erhöht, aber die Stratosphäre kühlt ab, und das bedeutet, wenn wir das Signal des menschlichen Einflusses auf das Klima erkennen wollen, wenn wir nach einem Fingerabdruck suchen wollen, der uns beweist, dass die Erwärmung tatsächlich vom Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen herrührt, wäre dieser Fingerabdruck eine sich erwärmende Troposphäre einerseits und eine sich abkühlende Stratosphäre andererseits.
Kurz noch ein paar Worte über die atmosphärische Zusammensetzung. Die Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff, etwa 99% der Atmosphäre bestehen aus Stickstoff und Sauerstoff, und nur 1% besteht aus allen anderen Spurengasen, einschließlich aller Treibhausgase. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Wirkung dieser Treibhausgase sehr stark sein kann, selbst in so geringen Konzentrationen können sie einen tiefgreifenden Einfluss auf die Eigenschaften unserer Atmosphäre haben.
Hier nun einige Schlüsseleigenschaften der atmosphärischen Zusammensetzung.
Sie ist im Allgemeinen gut durchmischt, die verschiedenen Bestandteile der Atmosphäre sind rund um den Globus ziemlich gleichmäßig verteilt, und das liegt an der Durchmischung der Atmosphäre durch Wettersysteme und Turbulenzen. Außerdem können wir voraussetzen, dass sich die Atmosphäre im Großen und Ganzen wie ein ideales Gas verhält, eine wichtige Eigenschaft, die uns hilft, die physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre zu beschreiben. Nun gibt es einige Ausnahmen von dieser Regel, einige Gase wie Methan, ein wichtiges Treibhausgas, kennen starke Unterschiede, was bedeutet, dass in manchen Regionen die Konzentrationen dieser Gase höher oder niedriger als in anderen Regionen sein können.
Auch kann atmosphärischer Wasserdampf eine Herausforderung darstellen, weil er das Unidealste tut, was ein Gas tun kann: Wasserdampf kann zu Wasser kondensieren, und dieses Wasser kann gefrieren und zu Eis werden. Wasserdampf kommt in der Atmosphäre in allen drei Phasen vor: gasförmig, flüssig und fest. Und dabei müssen wir berücksichtigen, dass Wasserdampf, die gasförmige Form von Wasser, ein sehr wichtiges Treibhausgas ist denn er trägt zum Treibhauseffekt bei, er ist ein verstärkender Faktor, wenn es um den Klimawandel geht.
Hier noch einmal das Wichtigste zusammengefasst: Die Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Sauerstoff und Stickstoff, aber etwa 1% der Atmosphäre besteht aus all diesen anderen Spurengasen: Ozon, Methan, Kohlendioxid, Wasserdampf.
Und jetzt hören wir schon die Zweifler, die sagen: Das so sehr verteufelte Kohlendioxid kommt doch nur in Konzentrationen von einem Bruchteil eines Prozents in der Atmosphäre vor, warum also hat es einen so großen Einfluss?
Deshalb müssen wir an dieser Stelle ein paar Momente über das Konzept des Treibhauseffekts sprechen, ein absolut kritischer Teil der Geschichte über den Klimawandel.
Es stimmt: Treibhausgase machen zwar weniger als 1% der Atmosphäre aus, aber sie haben aufgrund ihrer starken Eigenschaften einen großen Einfluss auf die Atmosphäre. Die wichtigsten vom Menschen emittierten Treibhausgase sind Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid.
Wir nennen diese Gase Treibhausgase wegen der Art und Weise, wie diese Gase mit der Wärmeenergie interagieren, der Strahlung, die von der Sonne kommt und die die Erde reflektiert und versucht, zur Abkühlung wieder ins All zu schicken. Und hier ist der ausschlaggebende Punkt: Diese Treibhausgase fangen einen Teil der Wärmeenergie auf und halten sie in der Atmosphäre fest und schicken sie wieder zur Erde hinunter, statt sie in den Weltraum entweichen zu lassen.
Das ist zwar nicht ganz die Art und Weise, wie ein echtes Treibhaus funktioniert. Ein echtes Gewächs- oder Treibhhaus blockiert einfach Wind- und Luftströme, die die Wärme, die durch das Sonnenlicht, das durch das Glas des Gewächshauses kommt, erzeugt wird, wegtragen würden.
In der Atmosphäre jedoch passiert etwas viel unangenehmeres: Die Sonne erwärmt den Planeten, der Planet versucht, sich abzukühlen, indem er Wärmeenergie in den Weltraum abgibt, aber die Treibhausgase fangen diese Wärmeenergie teilweise ein, und lassen nur einen Teil der Wärme ins All entweichen. Den abgefangenen Teil der Wärme schicken sie wieder zurück auf die Oberfläche der Erde. Das bedeutet, dass die Erde noch mehr von dieser Wärmeenergie abgeben muss, um genug abzukühlen und die Erwärmung durch die Sonne auszugleichen. Und da ihr das bedingt durch die Aktionen der Treibhausgase nicht gelingen kann, steigt die Temperatur der Erdoberfläche stetig weiter an.
Durch Industrie, Massentierhaltung und Transport setzen wir Menschen immer mehr Co2, Methan und andere Treibhausgase frei und dadurch baut sich über uns ein Deckel aus Treibhausgasen auf, der die Wärmeenergie, die die Sonne zu uns schickt auf der Erde festhält. Vergleichbar mit einem Glasdach, dass sich immer weiter schliesst …
Das ist der von uns Menschen gemachte Treibhauseffekt.
Und, wie wir in den kommenden Artikeln sehen werden, ist das Erkennen des Treibhauseffekts und seiner Wirkungsweise grundlegend für ein Verständnis des menschlichen Einflusses auf unser Klima.
Denn, wie sagt man so schön: Einsicht ist der erste Weg zur Besserung …
In dem vorliegenden Artikel wollen wir über den Ausgleich des Energiehaushalt innerhalb des Klimasystems sprechen.
Vor einigen Tagen sassen wir mit Freunden bei einem gemütlichen Grillabend mit gutem Wein beisammen und philosophierten über Gott und die Welt. Und natürlich kamen wir immer wieder auf die beiden grossen Krisen der Gegenwart zu sprechen: Corona (wer kann sich schon einen Abend vorstellen, ohne über dieses blöde Virus zu sprechen?), und natürlich die Flutkatastrophe in Deutschland und damit verbunden der Kimawandel.
Und einer meiner Freunde fragte mich Folgendes: Wie geht das eigentlich mit der Erderwärmung? Wenn sich die Erde wegen der Sonnenstrahlung aufwärmen kann, dann muss sie sich auch abkühlen können, oder kommt die Wärme zwar rein, aber nicht mehr raus? Wie soll das gehen und wer soll das denn glauben?
In diesem Augenblick wurde mir klar, dass uns kaum jemand die Entstehung des „global warmings“ erklärt, obwohl die ganze Welt inzwischen über seine Auswirkungen spricht.
Der Grund für die mangelnde Information ist einfach zu erklären: Der Mechanismus hinter der globalen Erderwärmung ist relativ komplex und liegt nicht offensichtlich auf der Hand. Die Erderwärmung entsteht nicht etwa, weil wir Menschen auf der Erde zu viel Wärme erzeugen, sie entsteht, weil Wärmestrahlung von aussen, von der Sonne die Erdoberfläche erreicht und nicht, was zur Abkühlung notwendig wäre, vollständig wieder in den Weltraum abgegeben werden kann.
Die kurzwellige Strahlung der Sonne erreicht immer nur etwa ein Viertel der Oberfläche der Erde.
Und hier kommt der Grund für die ansteigende Erwärmung: Die Wärmeenergie auf unserer Erde besteht aus zwei grundlegend verschiedenen Formen von Strahlung, die wir kurzwellige und langwellige Strahlung nennen. Kurzwelle bedeutet kurzwelliges Licht, das sichtbare Licht von der Sonne und die ultraviolette Strahlung, die von der Sonne kommt. Um die Erwärmung durch die Sonne auszugleichen, produziert die Erde eine niederfrequentere Form der Strahlung, die wir langwellige Strahlung nennen. Wegen ihrer größeren Wellenlänge können wir sie nicht sehen, sie ist nicht im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Stattdessen befindet sie sich im so genannten infraroten Teil des Spektrums, den wir oft auch in unserem täglichen Leben mit Wärme in Verbindung bringen.
Wir haben also die kurzwellige Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche aufheizt, und um das auszugleichen, versucht die Erde, eine langwellige Infrarotstrahlung in den Weltraum abzustrahlen.
Schauen wir also, wie wir dieses Streben nach Gleichgewicht im Detail verstehen können. Beginnen wir damit, die kurzwellige Strahlung zu betrachten, die von der Sonne auf die Erde trifft. Wissenschaftler haben gemessen, dass auf jeden Quadratmeter Oberfläche von dieser kurzwelligen Strahlung, die von der Sonne kommt, etwa 1.370 Watt an Energieleistung abgegeben werden. Das ist ein bisschen mehr Energie, als ein leistungsstarker Föhn abgibt, und das auf jedem Quadratmeter Erdoberfläche. Aber zum Glück ist die Erde eine rotierende Kugel, und zu jeder Zeit ist nur ein Teil, nämlich etwa ein Viertel, ihrer Oberfläche der Strahlung ausgesetzt. (Siehe unten *1)
Um uns die Sache etwas einfacher zu machen, setzen wir kurzerhand fest, dass die durchschnittliche Wärmeenergie von 370 (etwa ein Viertel von den oben genannten 1.370) Watt, die im Schnitt jeden Quadratmeter unseres Planeten trifft, hundert Einheiten sind, hundert Einheiten an Sonnenenergie also, die auf die Erdoberfläche treffen und diese erwärmen. Was passiert mit diesen hundert Einheiten? Am Ende müssten sie idealerweise durch hundert Einheiten, die zurück ins All gehen, ausgeglichen werden, sodass wir zu einem Energiegleichgewicht kommen. Sodass die Menge an Strahlung, die hereinkommt, gleich der Menge an Strahlung ist, die hinausgeht, und die Erde eine ungefähr konstante Oberflächentemperatur beibehalten kann.
Wir haben also einhundert Einheiten, die nach unten kommen, und tatsächlich werden sofort etwa dreiundzwanzig dieser Einheiten, also 23% des einfallenden Sonnenlichts, von den Bestandteilen der Atmosphäre reflektiert und direkt zurück ins All geschickt. 19% dieser hundert Einheiten werden von der Atmosphäre absorbiert, 4% werden von Wolken absorbiert, und es stellt sich heraus, dass nur 47%, weniger als die Hälfte der kurzwelligen Strahlung also, die von der Sonne zu uns gesendet wird, tatsächlich auf die Erdoberfläche trifft und diese erwärmen kann.
Damit die Oberflächenwärme im Gleichgewicht bleibt, müssen also diese 47 Einheiten kurzwelliger Strahlung, die die Oberfläche erwärmen, durch 47 Einheiten Wärmeenergie, langwellige Infrarotstrahlung, die die Erdoberfläche zurück ins All sendet, ausgeglichen werden.
Sonnenenergie wird zum Teil direkt in der Atmosphäre von Wolken und anderen Bestandteilen reflektiert und erreicht so niemals die Erdoberfläche.
Und jetzt stossen wir auf das grosse Problem:
Ein erheblicher Teil der Infrarotstrahlung, also der langwelligen Strahlung, die die Erdoberfläche in den Weltraum sendet, wird von den Treibhausgasen abgefangen, die einen großen Teil dieser langwelligen Strahlung zurück an die Erdoberfläche schicken. Das verkompliziert die Dinge, denn es bedeutet, dass, wenn wir einen ausgeglichenen Wärmehaushalt erhalten wollen, die Oberfläche mehr langwellige Strahlung produzieren müsste, um die Wirkung der Treibhausgase auszugleichen.
Und um zusätzliche langwellige Strahlung zu erzeugen, muss sich die Erdoberfläche weiter erwärmen, und schon kommt es zu einem Treibhauseffekt.
Es gibt aber noch andere Möglichkeiten, wie die Erdoberfläche Energie über die Atmosphäre zurück in den Weltraum schicken kann. Zum Beispiel über ein Gewitter: Bei gewittrigem Wetter steigen warme Luft und Feuchtigkeit nach oben, es bildet sich Wasserdampf, der zu Regentropfen kondensiert. Ein Teil der Wärme der Luft und des Wassers wird an die Atmosphäre abgegeben, und das ist eine weitere der Möglichkeiten, wie die Erdoberfläche Wärme zunächst in die Atmosphäre und schlussendlich in den Weltraum abgeben kann. Etwa 24 unserer Einheiten gelangen durch diese latente Wärmeabgabe in die Atmosphäre. Und dann gelangen etwa 5% der Einheiten in die Atmosphäre in Form von dem, was wir „sensible Wärme“ nennen. Das sind Luftströmungen, die einfach die warme Luft in höhere Bereiche der Atmosphäre transportieren, von wo sie in den Weltraum abgegeben werden kann.
Wie wir sehen, bleiben etwa 18 Einheiten übrig und werden zum Spielball der Treibhausgase. Die Erde sendet sie in Form von Infrarotstrahlung aus, die Treibhausgase schicken einen grossen Teil wieder zurück, die Erde erwärmt sich weiter und schickt mehr langwellige Strahlung, von der wiederum ein grosser Teil zurückkommt und so weiter und so weiter …
Offensichtlich ist es also ein ziemlich komplexes Bild, aber letztendlich ist es die Systematik dieser Strahlungsbilanz in der Atmosphäre, die die Klimaforscher in Formeln giessen, wenn sie ihre Klimamodelle aufbauen.
Klimamodelle sollen die ganze Systematik darstellen und uns helfen zu berechnen, wie jeweils die Oberflächentemperatur der Erde sein wird, je nach Energiebilanz.
Infrarotstrahlung – in diesem langwelligen Bereich liegt die Strahlung, die die Erde abgibt, um sich abzukühlen.
Das Wichtigste allerdings ist: Wir haben gesehen, dass die Menge an kurzwelliger Strahlung, die von der Sonne herunterkommt und die Erde erwärmt, von der ausgehenden Wärmeenergie, die die Erde in den Weltraum zurückschickt, ausgeglichen werden muss.
Bei der Berechnung ihrer Klimamodelle haben die Wissenschaftler festgestellt, dass dieses Gleichgewicht auch in Abhängigkeit von der geografischen Breite erheblich variiert. In der Nähe der Pole etwa, wo wir große Eisschilde oder Meereis vorfinden, wird ein größerer Teil der nach unten gerichteten Sonnenenergie (kurzwellige Strahlung) direkt von dem Schnee und Eis auf der Erdoberfläche reflektiert. Die Komponente der direkten Reflexion variiert also mit dem Breitengrad. In der Nähe des Äquators sind die Temperaturen üblicherweise wesentlich wärmer als in der Nähe der Pole, was bedeutet, dass die Erde mehr von dieser langwelligen Wärmeenergie vom Äquator ausstrahlt als in der Nähe der Pole. Hier gibt es natürlich auch mehr Sonnenlicht, also findet man auch mehr von der einfallenden kurzwelligen Strahlung am Äquator und weniger davon in der Nähe der Pole.
Daraus folgt: Es wird mehr langwellige Strahlung aus den warmen tropischen Regionen abgegeben als aus den kalten Polarregionen, es gibt hier also ein Missverhältnis. Und tatsächlich übersteigt die ausgehende Strahlung die eingehende und absorbierte Strahlung in der Nähe der Pole. Es besteht ein Strahlungsdefizit. Umgekehrt gibt es in Äquatornähe mehr einfallende Strahlung als ausgehende langwellige Strahlung.
Man könnte also fragen, wenn es in Äquatornähe einen Überschuss an Strahlung gibt, warum erwärmt sich der Äquator dann nicht weiter? Wenn es an den Polen ein Strahlungsdefizit gibt, warum kühlen sie sich nicht weiter ab?
Nun, es hat sich herausgestellt, dass das Klimasystem, insbesondere der Ozean und die Atmosphäre, die Wärme von den niedrigen Breiten, wo ein Überschuss herrscht, in die höheren Breiten transportieren, wo ein Defizit herrscht. Eine Schlüsselrolle der Meeres- und Luftströmungen besteht also darin, diese Instabilität eines Strahlungsüberschusses in Äquatornähe und eines Strahlungsdefizits in Polnähe auszugleichen.
Ein weiterer Aspekt kommt hinzu: Die eintreffende Strahlung variiert auch zeitlich, basierend auf der Tageszeit und der Jahreszeit, und diese Verteilung wird durch die tägliche Rotation der Erde um ihre Achse und die jährliche Umlaufbahn der Erde um die Sonne beeinflusst. Der Hauptgrund für die Jahreszeiten ist die Neigung der Rotationsachse der Erde relativ zur Sonne. Dies führt dazu, dass die nördliche Hemisphäre und die südliche Hemisphäre je nach Jahreszeit entweder zur Sonne hin oder von ihr weg ausgerichtet sind. Es lässt sich also sagen, dass die Menge an kurzwelliger Strahlung, die von der Sonne auf die Erde trifft, sowohl in Abhängigkeit von der Tages- als auch von der Jahreszeit variiert.
Das wichtigste Ergebnis des hier beschriebenen Energiehaushalts unseres Planeten ist jedoch die Erkenntnis, dass die zum Wärmeausgleich notwendige Aussendung der langwelligen Strahlung von einer Haube, bestehend aus den sogenannten Treibhausgasen, in der Atmosphäre abgefangen und auf die Erde zurückgespiegelt wird.
Zum Schluss zur Verdeutlichung noch ein Bild aus dem Sport: Stelle dir vor, du schlägst Tennisbälle in ein Fussballtor. Viele davon werden einfach durch das grobmaschige Netz des Tores hindurchfliegen. Die Tennisbälle symbolisieren hier die kurzwellige Strahlung, die von der Sonne kommend die Erde trifft. Jetzt stelle dir vor, du machst das Gleiche nochmals mit Fussbällen. Und richtig, die Bälle werden im Netz hängen bleiben. In diesen Beispiel symbolisieren die Fussbälle die langwellige Strahlung, die die Erde aussendet, um sich abzukühlen…
Tja, das war mal wieder ein Beispiel dafür, was man mit einer unschuldigen Frage lostreten kann. Mein Freund jedenfalls war auf eine solch lange Antwort nicht gefasst. Aber, man muss den Ursprung der Dinge kennen, um mit ihnen umgehen zu können, oder?
In der nächsten Folge werden wir die atmosphärische Zirkulation betrachten. Das heisst wir reden über Bewegungen in den Ozeanen und in der Atmosphäre, die weltweit die Wetter- und Klimaströme am Laufen halten.
*1: Es ist nämlich nur eine Querschnittsfläche, die der Formel pi r zum Quadrat entspricht, also ein Viertel der Erdoberfläche, die die einfallende kurzwellige Strahlung von der Sonne abbekommt, und nicht die gesamte Oberfläche der Erde, die 4 pi r zum Quadrat beträgt. Also rechnen wir nur mit einem Viertel der oben genannten Wattzahl. Wir nehmen die 1370 Watt pro Quadratmeter, teilen sie durch 4 und erhalten so ungefähr 370 Watt pro Quadratmeter an kurzwelliger Strahlung, der die gesamte Erdoberfläche im Durchschnitt ausgesetzt ist.
Wie wir in unserem vorherigen Artikel erwähnt haben, gibt es eine ungleiche Verteilung der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche. Und da die Natur auf unserem Planeten stets nach Gleichgewicht sucht, muss diese ungleiche Verteilung irgendwie ausgeglichen werden. Wärme muss vom Äquator zu den Polen transportiert werden – um es mal knapp und anschaulich auszudrücken.
Eine wichtige Rolle dabei wird von einem „Christkind“ aus Südamerika übernommen.
Wie funktioniert dieser Ausgleich? Nun, da müssen wir etwas weiter ausholen:
Wärmere Luft ist weniger dicht und damit leichter als kalte Luft, und die Erwärmung der Luft durch die Erd- oder Wasseroberfläche erzeugt eine instabile Situation, in der leichtere warme Luft unter schwererer kalter Luft liegt. Dabei kommt es immer zu einer aufsteigenden Bewegung. Die warme Luft steigt von der Erdoberfläche auf und kühlt weiter oben wieder ab.
Dieses Phänomen beschert uns sowohl auf der nördlichen als auch auf der südlichen Halbkugel vertikale Zirkulationen. Unsere Atmosphäre kennt drei große Zirkulationszellen in jeder Hemisphäre, die erste Zelle steigt in der Nähe des Äquators auf und in den Subtropen wieder ab, die zweite steigt in den subpolaren Breiten auf und schließlich sinkt die dritte Zelle über den Polen wieder ab.
Hier eine Darstellung der drei zirkulierenden Zellen:
Wo die Luft aufsteigt, sehen wir niedrigen Oberflächendruck = Tiefdruckgebiet. Wo wir eine absteigende Luftbewegung haben, haben wir hohen Oberflächendruck = Hochdruckgebiet.
Aufsteigende Luft und Niederschlag erleben wir üblicherweise in einer Zone mit niedrigem Druck wie der ITCZ, der intertropischen Konvergenzzone (auch bekannt als Äquatoriale Tiefdruckrinne – siehe Illustration oben), das ist der Bereich in den Tropen, in dem die Erdoberfläche am direktesten von der Sonne erwärmt wird. Die ITCZ ist am Äquator angesiedelt, aber sie verschiebt sich mit der Wanderung der Sonne im Laufe der Jahreszeiten wie eine Wellenband nach Norden und Süden.
Die Erwärmung durch die Sonne wandert im Laufe des Jahres von den Tropen ein wenig nach Norden und dann wieder nach Süden, und das bringt atmosphärische Bewegung an verschiedene Orte der Erde.
Die Verschiebung der Sonnenerwärmung und damit der Luftzirkulationen ist über den Ozeanen etwas träger und dafür über großen Landmassen deutlich ausgeprägter, denn die Erwärmung der Luft ist über der Erdoberfläche stärker als über der Wasseroberfläche. Und das führt in tropischen Breiten regelmässig zu dramatischen Wind- und Niederschlagsmustern wie dem indischen Monsun.
Aufsteigende Warmluft in der Nähe des Äquators erzeugt Tiefdruckgebiete, was wiederum dazu führt, dass sich sogenannte Konvergenzzonen bilden, in denen es regelmässig zu starken Regenfällen kommt.
Die in den Tropen aufsteigende Luft sinkt in den Subtropen ab und bildet ein Band hohen Oberflächendrucks, das uns den Wüstengürtel beschert. Dieses Muster der Zirkulation von aufsteigender Luft und Niederschlag in der Nähe des Äquators und absteigender trockener Luft in den Subtropen, ist bekannt als die Hadley-Zellen-Zirkulation. Luft steigt in Äquatornähe auf, die in der warmen Luft gebundene Feuchtigkeit regnet ab, die trocknere und kühlere Luft breitet sich in Richtung der Subtropen aus und sinkt ab.
Auf diesem Bild sieht man sehr schön die Hadley-Zellen-Zirkulation über der Sahara.
Am Nordrand der Hadley-Zelle sinkt die abgekühlte Luft über den Subtropen ab, aber in den dazwischenliegenden Breiten, wärmt sich Luft auf, die den nächsten Schenkel der atmosphärischen Zirkulationszellen bildet und aufsteigt, um schließlich in der Nähe der Polarregionen abzusinken (Ferrel-Zelle). Die dritte Zelle der atmosphärischen Zirkulation wird von aufsteigender Luft in Mittel-Europa gebildet, die über der Polarregion abkühlt und absinkt.
In den mittleren Breiten unter der Ferrel-Zelle findet das Aufsteigen der Luft üblicherweise innerhalb von Gewitter- und Sturmsystemen statt. Die Sturmsysteme in den mittleren Breiten werden durch die Kontraste der Temperaturen angetrieben, wenn warme subtropische Luft auf kalte polare Luftmassen trifft.
Wissenschafter nennen diese Region, an der sich kalte und warme Luftmassen mischen, die Polarfront. Hier sehen wir eine aufsteigende Bewegung und viele Tiefdrucksysteme.
Spannend wird es auch, wenn wir weiter nach oben in die Atmosphäre blicken. Dort finden wir die Westwinde, die in den subpolaren Regionen immer stärker werden, je höher wir in die Troposphäre steigen, bis wir auf die Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre treffen, die sogenannte Tropopause. Und an dieser Stelle in der Atmosphäre, zwischen 10 und 14 Kilometern über der Oberfläche, und in den subpolaren Breiten, haben wir den sogenannten Jetstream, ein Band sehr starker westlicher Winde, begrenzt im Süden durch den Subtropical Jet und im Norden durch den Polar Jet. Diese Winde wehen, bedingt durch die Drehbewegung der Erde, immer von Westen nach Osten.
Der Jetstream bewegt die Wettersysteme in den mittleren Breiten zwischen den Subtropen und der Polarregion. Die in den mittleren Breiten, und dazu gehört auch Europa, auftretenden Stürme und Wettersysteme sind sehr eng mit den Bewegungen des Jetstreams verbunden. Der Jetstream entscheidet, wie sie sich entwickeln, wie sehr sie sich intensivieren und wo sie auftreten.
Und das ist der Grund, warum die Wissenschaft und auch unsere Fernsehmeteorologen in den vergangenen Monaten und Jahren so gebannt auf die Temperaturentwicklung in den polaren Regionen wie Sibirien, Grönland und dem Norden Kanadas schauen:
Sollte nämlich wegen des Klimawandels die Wärme über den Polarregionen dauerhaft ansteigen und dadurch die zum Wärmeaustausch notwendigen Luftzirkulationen ins Stocken geraten, weil einfach der Temperaturunterschied zwischen dem Äquator und den Polarregionen zu gering geworden ist, dann fehlt auch dem Jetstream der Antrieb. In diesem Fall wäre er nicht mehr dazu in der Lage, die entstehenden Hoch- und Tiefdruckgebiete zu bewegen. Diese verharren dann über längere Zeiträume auf einer Stelle, über einer Region, und bringen im Fall eines Tiefs langanhaltenden, ausdauernden und starken Regen und im Falle eines Hochs lange Hitze- und Trockenperioden.
Die Folgen solcher Wetterlagen sehen wir derzeit mit Hitzerekorden und Dürre im Westen der USA (Hoch) und in Deutschland und Teilen Europas mit Überschwemmungen durch langanhaltende sintflutartige Regenfälle (Tief).
Der Jetstream bewegt Tiefdruck- und Hochdruckgebiete rund um die nördliche Erdhalbkugel. Kommt er zum Erliegen, bewegen sich die Gebiete nicht mehr oder nur noch sehr langsam.
Die dynamischen Eigenschaften der Atmosphäre, die wir hier beschrieben haben, helfen dem Klimasystem der Erde, die instabile Situation eines warmen Äquators und einer kühlen Polarregion aufzulösen. Die Atmosphäre versucht, einen Wärmeüberschuss vom Äquator zum Pol zu transportieren, und das tut sie in Form dieser für uns so wichtigen atmosphärischen Zirkulationen. Gäbe es einen solchen Wärmeunterschied nicht mehr, dann kämen auch die hier beschriebenen dynamischen Eigenschaften der Atmosphäre zum erliegen.
Aber da ja in der Natur und damit auch in der Atmosphäre nicht alles nach einfachen und schnell zu verstehenden Mustern abläuft, gibt es nun noch eine kleine Überraschung: Die seitlichen Windmuster, die wir der Vollständigkeit halber nicht verschweigen wollen. Die seitlichen Winde werden hauptsächlich durch die so genannte Druckgradientenkraft und die Corioliskraft, eine Kraft, die dadurch entsteht, dass die Erde sich dreht, bestimmt.
Unter Beteiligung der Corioliskraft entsteht ein Hurrikan
Die Stärke der Corioliskraft hängt von der geographischen Breite ab. Sie verschwindet am Äquator und ist am stärksten an den Polen. Sie tritt im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung der Erde, nämlich 90 Grad nach rechts auf der Nordhalbkugel und 90 Grad nach links auf der Südhalbkugel, auf.
Die Druckgradientenkraft dagegen verursacht eine Strömung der Luft von Regionen mit hohem Oberflächendruck zu Regionen mit niedrigem Oberflächendruck.
Das Gleichgewicht zwischen der Druckgradienten- und der Corioliskraft wird als geostrophisches Gleichgewicht bezeichnet.
Das geostrophische Gleichgewicht führt zu Winden in den mittleren Breiten. Zwischen dem subtropischen Hochdruckgürtel und dem subpolaren Tiefdruckgürtel wehen sie von West nach Ost. Wir nennen diese Winde Westwinde. Die Westwinde werden in der Höhe stärker und führen zu den intensiven Starkwindgebieten, die als Jetstream in der oberen Troposphäre der mittleren Breiten bekannt sind (siehe oben). Umgekehrt wehen die Winde südlich des Äquators von Osten nach Westen und werden Ostwinde oder manchmal auch Passatwinde genannt.
In der nördlichen Hemisphäre führt das geostrophische Gleichgewicht dazu, dass sich die Winde gegen den Uhrzeigersinn um Tiefdruckgebiete und im Uhrzeigersinn um Hochdruckgebiete drehen. Auf der Südhemisphäre sind die Richtungen entgegengesetzt.
Aber natürlich spielen auch die Ozeane eine Schlüsselrolle bei der Auflösung des Wärmeungleichgewichts, indem sie Wärme aus niedrigen, äquatorialen, in hohe, polare, Breiten transportieren.
Eine Art der Zirkulation in den Ozeanen ist die horizontale Zirkulation, das sind windgetriebene Ozeanwirbel an der Oberfläche. Die wichtigsten Oberflächenströmungen, die warmen, polwärts gerichteten westlichen Ströme, sind der Golfstrom, der mit dem Nordatlantischen Wirbelstrom verbunden ist, und der Kuroshio-Strom, der mit dem Nordpazifischen Wirbelstrom verbunden ist.
Diese Wirbel enthalten aber auch kalte äquatorwärts gerichtete östliche Ströme, wie den Kanarenstrom im östlichen Nordatlantik und den Kalifornienstrom im westlichen Nordpazifik.
Ähnliche Strömungssysteme finden sich auch auf der Südhalbkugel. Die horizontalen Muster der Ozeanzirkulation werden von den wechselnden Windmustern in Abhängigkeit von der geografischen Breite angetrieben, insbesondere von der Tendenz zu westlichen Winden in den mittleren Breiten und östlichen Winden in den Tropen, wie oben bereits erwähnt.
Der zweite Typ der Ozeanzirkulation ist die vertikale Zirkulation, und insbesondere das, was wir die meridiane Umwälzzirkulation nennen, oder manchmal auch einfach die Förderbandzirkulation.
Die Förderbandzirkulation ist in den hohen Breiten des Nordatlantiks mit einer Tendenz zum Absinken kalten Wassers und zu aufsteigender Bewegung warmen Wassers in den Tropen und Subtropen des Indischen und Pazifischen Ozeans verbunden. Die Förderbandzirkulation wird durch Wärmeunterschiede und Unterschiede in der Wasserdichte angetrieben, die wiederum weitgehend auf Schwankungen der Temperatur und des Salzgehalts des Meerwassers zurückzuführen sind. Daher kommt auch der Begriff, der manchmal zur Beschreibung dieser Zirkulation verwendet wird: Die thermohaline Zirkulation.
Die Sinkbewegung wird hervorgerufen von relativ kaltem, salzhaltigem Oberflächenwasser des subpolaren Nordatlantiks, und die aufsteigende Bewegung von dem relativ warmen und weniger salzigem Wasser im tropischen und subtropischen Pazifik und Indischen Ozean.
Die nordwärts gerichtete Ausdehnung der thermohalinen Zirkulation im Nordatlantik wird als Nordatlantikdrift bezeichnet.
Dieses Strömungssystem stellt den Transport von warmem Oberflächenwasser zu höheren Breiten des Nordatlantiks sicher und ist ein wichtiges Mittel, mit dem das Klimasystem Wärme polwärts von den niedrigeren Breiten in höhere Breiten transportiert. Es wird angenommen, dass Veränderungen in diesem Strömungssystem eine Schlüsselrolle bei vergangenen und potenziellen zukünftigen Klimaveränderungen spielen.
Genauso wie die Atmosphäre natürliche interne Veränderungen aufweist, die wir Wetter nennen, weist auch das Klimasystem selbst, wenn auch auf längeren Zeitskalen, immer wiederkehrende Veränderungen auf.
Die wichtigste und bekannteste dieser Formen der natürlichen Veränderungen im Klimasystem ist die sogenannte El Niño Southern Oszillation oder ENSO.
Im Fall von El Niño sehen wir sehr gut, dass und in welcher Form eine Interaktion zwischen dem Ozean und der Atmosphäre stattfindet. Der tropische Pazifische Ozean hat dynamische Strömungssysteme und auch die Passatwinde der tropischen Atmosphäre sind dynamisch. Diese beiden Dinge können miteinander interagieren, denn die Stärke der Passatwinde beeinflusst die Meeresströmungen und damit auch, wie viel kaltes Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche kommt. Wenn die Passatwinde im östlichen Äquatorialpazifik schwächer werden, wird der Auftrieb der kalten Gewässer an die Oberfläche gestoppt, und das Wasser in dieser Region wärmt sich dramatisch auf. Typischerweise passiert das alle paar Jahre um die Weihnachtszeit – daher der Name El Niño, das Christkind, weil die Ureinwohner Südamerikas erkannten, dass dieses Phänomen immer um Weihnachten herum im Winter auftritt.
Bei El Niño erwärmt sich also das Wasser im Pazifik, und das verändert das relative Ost-West-Muster der Temperatur entlang des äquatorialen Pazifiks. Das Ost-West-Muster der Temperatur treibt eine vertikale Zirkulation in der Atmosphäre an, die Walker-Zirkulation, und die Veränderung dieser Walker-Zirkulation verändert wiederum die Stärke der Passatwinde. Und so schließt sich der Kreis.
Wenn sich die Passatwinde verändern, verändert sich der Auftrieb von kaltem Wasser im tropischen Pazifik, und wenn sich der Auftrieb von kaltem Wasser verändert, verändert sich das Temperaturmuster, das wiederum das atmosphärische Zirkulationsmuster beeinflusst, welches die Passatwinde überhaupt erst bestimmt.
Dies ist ein Beispiel von einer gekoppelten Ozean-Atmosphären-Variabilität – man kann El Niño nicht verstehen wenn man nur die Atmosphäre betrachtet. Man kann die El Niño Southern Oscillation aber auch nicht verstehen, wenn man nur den Ozean betrachtet. Man muss verstehen, wie sie miteinander interagieren, um die Veränderungen, die auf einer Zeitskala von drei bis sieben Jahren stattfinden, zu erkennen.
Wenn wir uns das globale Muster des Einflusses von El Niño, dem „Christkind“, ansehen, sehen wir, dass das, was im tropischen Pazifik passiert, nicht im tropischen Pazifik bleibt.
Diese Änderungen der Meeresoberflächentemperatur im östlichen tropischen Pazifik beeinflussen die Jetstreams in beiden Hemisphären, und wenn sich der Jetstream der nördlichen Hemisphäre und der der südlichen Hemisphäre verändert, verändern sich die Wettermuster auf der ganzen Welt mit manchmal dramatischen Folgen (siehe weiter oben die Beschreibung des Jetstreams).
Auswirkungen eines sich kaum bewegenden Tiefdruckgebietes, dass über Stunden und Tage hinweg feuchte Warmluft aus dem Mittelmeer heranführte, die über Belgien, dem Westen Deutschlands und Holland zu schweren Regenfällen führte.
El Niño und sein Gegenpart, La-Niña, haben also einen globalen Einfluss auf unser Klima. In gewisser Hinsicht sind sie das stärkste richtungsgebende Signal in unserem Klima. Ein Großteil der jährlichen Klimaschwankungen auf der ganzen Welt wird durch El Niño beeinflusst.
Jetzt liegt natürlich die Vermutung nahe, dass der derzeitige Klimawandel auf die Auswirkungen von El Niño zurückzuführen sein könnte.
Aber, es gibt auch die Möglichkeit, dass im Gegenteil der Klimawandel den Jetstream der südlichen Hemisphäre und dadurch die Passatwinde und im nächsten Schritt die eben geschilderten Muster der Wärmezirkulation und damit auch das Verhalten von El Niño verändert. Und wenn man das Verhalten von El Niño verändert, wird das das Wetter rund um den Globus beeinflusst.
Es werden die Hurrikansaisonen im tropischen Atlantik und im tropischen Pazifik beeinflusst. Es werden die Intensität und Häufigkeit der Stürme und Gewitter in den mittleren Breiten verändert – und ihre Beweglichkeit.
Es gibt eine grosse Anzahl von Wetterphänomenen, die von El Niño beeinflusst werden, und wenn der Klimawandel El Niño verändert, wird sich das auf alle diese Phänomene auswirken.
Niemand weiss bisher genau, wie diese Auswirkungen aussehen werden, und daher gibt es Ungewissheit bei der Vorhersage der regionalen Auswirkungen des Klimawandels.
Aber klar ist auf alle Fälle das: Ungewissheit ist nicht unser Freund, denn man kann nicht für Veränderungen planen oder sich an sie anpassen, von denen man nicht weiß, wann und wie sie kommen.
Hurrikan über Florida
Noch ein Hinweis zum Schluss: Unsere Artikelserie über den Klimawandel erhebt keinerlei Anspruch auf wissenschaftliche Genauigkeit. Wir wollen lediglich eine Basis zum Verständnis dessen legen, was immer häufiger unter der Bezeichnung „Klimawandel“ diskutiert wird. Und zwar oft auch von Personen, die noch nicht einmal über ein solches Basiswissen verfügen.
Unser Motto ist: Nur was man verstehen kann, kann man auch beeinflussen! Und etwas tun müssen wir – das ist uns klar.
Zum Abschluss der ersten 6 Artikel über den Klimawandel wollen wir heute noch einige Grundlagen ansprechen, die man kennen muss, um die Mechanismen in unserer Atmosphäre und damit auch die Mechanismen hinter dem Klimawandel verstehen zu können.
In unserem ersten Artikel haben wir über einige der natürlichen Kräfte gesprochen, zum Beispiel Vulkanausbrüche die Partikel in die Atmosphäre blasen, die einerseits einen Teil des einfallenden Sonnenlichts blockieren und andererseits unser Klima auf die gleiche Weise beeinflussen können, wie fahrende Autos, die tonnenweise CO2 in die Atmosphäre emittieren.
Woher wissen wir also, welche Veränderungen tatsächlich den beobachteten Klimawandel verursachen?
Dafür ist diese Abbildung aus dem IPCC*-Bericht hilfreich, die die relativen Auswirkungen verschiedener natürlicher und menschlicher Einflüsse auf das Klima der Erde zusammenfasst.
Wie kann man dieses Diagramm lesen? Nun, es gibt Erwärmungsfaktoren und kühlende Faktoren, sowohl natürliche als auch menschliche. Zum Beispiel ist der Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe ein erwärmender Faktor. Andererseits bilden sich durch die Verschmutzung mit Feinstäuben, die in die Atmosphäre gelangen, Aerosole, die einen Teil des Sonnenlichts zurück ins All reflektieren. Letzteres ist auch eine vom Menschen verursachte Umweltbelastung, die hinsichtlich des Klimawandels aber einen kühlenden Faktor darstellt, der die Erwärmung durch Treibhausgase ein wenig ausgleicht. Ein natürlicher Faktor sind Vulkanausbrüche, die einen Staubmantel in hohen Luftschichten erzeugen und damit die Erdoberfläche abkühlen können, und Veränderungen in der Sonneneinstrahlung. Wenn die Sonne heller wird, ist das ein wärmender Einfluss auf die Erdoberfläche. Wenn die Sonne weniger hell ist, hat das einen kühlenden Einfluss auf die Oberfläche.
Das alles zusammen nennen die Wissenschaftler Strahlungsantriebe, und einige von ihnen sind wärmende und einige von ihnen sind kühlende Faktoren.
Was wir aber aus dieser Grafik mitnehmen können ist, dass die anthropogenen Einflüsse, also die menschliche Beeinflussung unseres Klimas, der dominierende Faktor ist. Und er wirkt hauptsächlich in Richtung Erwärmung.
Emissionen von Feinstäuben und Aerosolen können auch einen kühlenden Einfluss auf unser Klima haben.
Neben den Strahlungsantrieben gibt es als zweite wichtige Grundlage der Klimaveränderungen die sogenannten Rückkopplungsmechanismen.
Ohne den Einfluss dieser Rückkopplungsmechanismen wäre die Reaktion des Klimas auf die als Strahlungsantriebe bezeichneten Erwärmungs- oder kühlenden Faktoren viel schwächer. Rückkopplungsmechanismen sind Mechanismen innerhalb des Klimasystems, die entweder eine negative Rückkopplung abschwächen oder eine positive Rückkopplung verstärken.
Eine positive Rückkopplung ist eine, die die Wirkung der Einflüsse verstärkt. Ein Beispiel dafür ist die Wasserdampf-Rückkopplung. Eine sich erwärmende Atmosphäre kann größere Mengen an Wasserdampf und Feuchtigkeit aufnehmen. Da Wasserdampf aber, wie wir bereits gesehen haben, ein starkes Treibhausgas ist, führt dies zu einer weiteren Erwärmung – eine Spirale beginnt. Dies ist eine der wichtigsten positiven Rückkopplungen im Klimasystem der Erde.
Eis und Schnee der Gletscher reflektieren die Sonneneinstrahlung direkt zurück in den Weltraum
Ein weiteres Beispiel ist die Eis Albedo-Rückkopplung. Wenn sich die Oberfläche der Erde erwärmt, tauen Eis und Schnee immer stärker ab, was zu weniger Reflexion und größerer Absorption der einfallenden kurzwelligen Sonnenstrahlung führt, eine weitere wichtige positive Rückkopplung.
Wo Eis und Schnee abgetaut sind, erwärmt sich die Erdoberfläche schneller und stärker.
Je wärmer die Erdoberfläche, desto weniger Eis und Schnee reflektieren die Sonneneinstrahlung – und die einfallende Strahlung kann die Erdoberfläche stärker erwärmen. Auch hier setzt sich eine Art Spirale in Gang…
Dann gibt es noch die Strahlungsrückkopplung der Wolken. Hier gibt es, auch das haben wir schon gesehen, verschiedene konkurrierende Effekte, die sowohl positiv als auch negativ sein können. Zum Beispiel, wenn eine wärmere Atmosphäre mehr niedrige Wolken produziert, ist die primäre Auswirkung dieser größeren Wolkendecke, dass mehr Sonnenstrahlung ins All reflektiert wird. Ein kühlender Effekt also, der eine negative Rückkopplung darstellt. Auf der anderen Seite, wenn eine wärmere Atmosphäre mehr hohe Wolken produziert, wie z.B. Zirruswolken, besteht die primäre Auswirkung dieser dünnen, hohen Wolken darin, einen Großteil der ausgehenden langwelligen terrestrischen Strahlung abzufangen während sie für die einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung weitgehend transparent bleiben – und dadurch den Treibhauseffekt zu verstärken. Ein wärmender Effekt also, der eine positive Rückkopplung darstellt.
Der Nettoeffekt all dieser Rückkopplungen ist laut IPCC* insgesamt positiv und führt dazu, die Erwärmung der Erdoberfläche zu erhöhen.
Und warum ist das alles so wichtig?
Die Klimawissenschaft befasst sich mit der Frage, wie viel Erwärmung passiert, wenn man die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre erhöht. Jedoch, wie wir gesehen haben: Wie viel Erwärmung passiert hängt eben nicht nur von der Erhöhung der Treibhausgaskonzentration ab, sondern auch von all den Rückkopplungsmechanismen, die wir gerade betrachtet haben.
Nun müssen wir noch über die Rolle des sogenannten Kohlenstoffkreislaufs sprechen. In der Vergangenheit haben die Klimamodellierer Experimente durchgeführt, bei denen sie die Konzentration von Treibhausgasen in ihren Modellen erhöhten und dann die erwartete Erwärmung berechneten. Aber diese Konstruktion ist künstlich und ungenau, weil Aktivitäten wie das Verbrennen fossiler Brennstoffe nicht direkt die Konzentration von Kohlendioxid oder anderen Treibhausgasen beinflussen, sondern sie beeinflussen stattdessen die atmosphärischen Emissionen, die mit dem Klimasystem interagieren.
Wie wir hier sehen können, interagieren der Ozean, die terrestrische Biosphäre und die marine Biosphäre – das Leben auf der Erde – alle mit der Atmosphäre im so genannten globalen Kohlenstoffkreislauf.
Für unsere Zwecke ist wichtig zu wissen, dass, wenn wir Kohlendioxid in die Atmosphäre einbringen indem wir fossile Brennstoffe verbrennen, zumindest ein Teil dieses Kohlendioxids vom Klimasystem absorbiert wird, entweder durch Bäume und Wälder an Land oder durch Meereslebewesen wie Plankton und Algen im Ozean. Und es stellt sich heraus, dass der Ozean, die marine Biosphäre und die terrestrische Biosphäre bisher fast die Hälfte des CO2 absorbiert haben, das wir in die Atmosphäre abgegeben haben. Das führt dazu, dass die CO2 Konzentrationen nicht so schnell gestiegen sind als es der Fall gewesen wäre, wenn das gesamte Kohlendioxid in der Atmosphäre verblieben wäre.
Aber, und das ist der Haken an der Sache, die Aufnahme des Kohlenstoffs im Ozean und an Land bleibt nicht unbedingt konstant. Es könnte eine Sättigung eintreten und Ozeane und Wälder könnten irgendwann nicht mehr in der Lage sein, weiter die bisherige Menge an Kohlenstoff aufzunehmen. Und wenn das passiert, dann wird die Anreicherung der Atmosphäre mit Kohlenstoff plötzlich in die Höhe schnellen.
Ausserdem schieben wir noch ein weiteres grosses Risiko vor uns her: Wenn die Permafrost-Böden tauen, wenn wir die eisigen Tiefen der Weltmeere erwärmen, dann wird das Methan, das das dort eingeschlossen ist, in die Atmosphäre entweichen.
In Permafrost-Böden und den eisigen Tiefen der Weltmeere sind riesige Mengen Methan eingeschlossen, die bei Erwärmung entweichen werden.
Und Methan ist ein noch stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid. Wenn das also passiert, wenn die Erwärmung der Erdoberfläche die Freisetzung von grossen Mengen Methan auslöst, dann wird das den Treibhauseffekt dramatisch verstärken.
Das also sind die so genannten Kohlenstoffkreislauf-Rückkopplungen, bei denen CO2 oder Methan durch die Erwärmung des Klimasystems selbst freigesetzt wird, was den Treibhauseffekt verstärkt und und die Erwärmung weiter in die Höhe treibt.
Die Kohlenstoffkreislauf-Rückkopplungen sind allerdings noch nicht ausreichend erforscht. Es gibt immer noch große Unsicherheit darüber, wie viel von diesem Kohlenstoff freigesetzt und in die Atmosphäre zurückgeführt werden könnte, wenn es zu einer zusätzlichen Erderwärmung kommt.
Jedoch – und das haben wir schon in früheren Artikeln betont – Ungewissheit ist kein Grund zur Freude, Ungewissheit ist durchaus nicht unser Freund, denn die Klimawissenschaft stellt zunehmend fest, dass alle diese Mechanismen eine weitaus stärkere Erwärmung ermöglichen, als man es in den vergangenen Jahrzehnten angenommen und berechnet hat.
Am kommenden Mittwoch werden wir hier eine Zusammenfassung der ersten 6 Artikeln geben, die kurz und knackig die nicht ganz einfachen Zusammenhänge hinter der Erderwärmung und dem Klimawandel schildern soll.
Ausserdem werden wir für interessierte Leser, die ihr Wissen noch weiter vertiefen möchten, eine Liste wissenschaftlicher Veröffentlichungen zu den bisher angesprochenen Problematiken und Informationen liefern.
Denn: Unwissen und Halbwissen werden uns nicht helfen, der Klimakrise, die bereits in vollem Gang ist, entgegen zu wirken.
In diesem Sinne: Sonnige Grüsse aus dem (fast zu heissen) Süden Frankreichs,
Andreas M. Brucker, Redaktionsleitung Nachrichten.fr
Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ist ein Gremium der Vereinten Nationen, das die wissenschaftlichen Erkenntnisse zum Klimawandel bewertet.
Inzwischen sprechen alle Politiker und viele lokale Verantwortliche über den Klimawandel – lange genug hat es gedauert. Aber was heisst eigentlich Klimawandel? Und wieso sind starke Regenfälle und ein durchwachsener Sommer 2021 in Deutschland und gleichzeitige Hitzerekorde mit riesigen Waldbränden in Italien, Griechenland und der Türkei ein Zeichen des Klimawandels? Wurden doch die zu heissen deutschen Sommer der vergangenen Jahre auch als eine Folge des Klimawandels bezeichnet…
Um Antworten auf diese naheliegenden Fragen zu geben, haben wir uns zu unserer Artikelserie über den Klimawandel entschlossen. In den ersten Artikeln (es werden noch viele weitere folgen) wollten wir die Grundlagen für ein Verständnis der komplexen Abläufe legen, die unsere Atmosphäre bestimmen.
Zunächst wollten wir aufzeigen, dass das Klimasystem ein komplexes Zusammenspiel zwischen mehreren Subsystemen darstellt, der Atmosphäre, den Ozeanen, der Kryosphäre und der Biosphäre. Wir haben gesehen, dass sich das Klima aufgrund von natürlichen Einflüssen schon immer verändert hat. Allerdings waren diese Einflüsse relativ klein und fanden über sehr lange Zeiträume hinweg statt.
In diesem Zusammenhang kam die Frage auf: Wie schnell verändert sich das Klima heute? Ändert es sich mit einer Geschwindigkeit, an die wir uns anpassen können, die wir verkraften können?
Und die Antwort war der Hockey-Schläger:
Der Hockey-Schläger zeigt uns, dass sich etwa seit den 50iger Jahren des vergangenen Jahrhunderts etwas Tiefgreifendes in unserem Klima abspielt und dass dies wahrscheinlich mit uns zu tun hat, mit dem Effekt, den wir Menschen auf den Planeten haben indem wir fossile Brennstoffe verbrennen und die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre erhöhen.
Die vom Menschen verursachten Einflüsse des letzten Jahrhunderts haben eine Geschwindigkeit in den Veränderungen erzeugt, die alles übertrifft, was die Erde in den vergangenen Jahrtausenden erlebt hat, und die letztlich unsere Anpassungsfähigkeit und die Anpassungsfähigkeit anderer Lebewesen bei weitem übersteigt.
Wir sehen uns vor ernsthafte Herausforderungen und Probleme gestellt, allein bei der Suche nach der Antwort auf die Frage: Was können wir tun, um den Klimawandel zu stoppen und seine Auswirkungen abzufedern?
Das Pariser Abkommen ist ein grossartiger Meilenstein in dem Versuch der Menschheit, die Emissionen der für unseren Fortbestand so gefährlichen Treibhausgase zu verringern und irgendwann sogar zu stoppen. Nach Meinung der Klimawissenschaftler bedeutet es allerdings nur den halben Weg zu den Werten, die notwendig sind, um einem wirklich gefährlichen und potenziell irreversiblen Klimawandel bei einer Erwärmung der Erdoberfläche von etwa zwei Grad Celsius, abwenden zu können. Wir müssen schneller handeln und mehr tun.
Die wichtigsten vom Menschen emittierten Treibhausgase sind Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid.
Und das bewirken diese Treibhausgase in der Atmosphäre: Die Sonne erwärmt den Planeten, der Planet versucht, sich abzukühlen, indem er Wärmeenergie in den Weltraum abgibt, aber die Treibhausgase fangen diese Wärmeenergie teilweise ein, und lassen nur einen Teil der Wärme ins All entweichen. Den abgefangenen Teil der Wärme schicken sie wieder zurück auf die Oberfläche der Erde. Das bedeutet, dass die Erde noch mehr von dieser Wärmeenergie abgeben muss, um genug abzukühlen und die Erwärmung durch die Sonne auszugleichen. Und da ihr das bedingt durch die Aktionen der Treibhausgase nicht gelingen kann, steigt die Temperatur der Erdoberfläche stetig weiter an.
Durch Industrie, Massentierhaltung und Transport setzen wir Menschen immer mehr Co2, Methan und andere Treibhausgase frei und dadurch baut sich über uns ein Deckel aus Treibhausgasen auf, der die Wärmeenergie, die die Sonne zu uns schickt auf der Erde festhält. Vergleichbar mit einem Glasdach, dass sich immer weiter schliesst …
Das ist der von uns Menschen gemachte Treibhauseffekt.
Die Erdoberfläche wird durch die kurzwellige Sonnenstrahlung aufgeheizt, und um das auszugleichen, versucht die Erde, eine langwellige Infrarotstrahlung in den Weltraum abzustrahlen.
Treibhausgase wie Wasserdampf, Co2, Methan und andere schicken einen Teil der langwelligen Infrarotstrahlung zurück zur Erde, um zusätzliche langwellige Strahlung zu erzeugen, muss sich die Erdoberfläche weiter erwärmen, und schon kommt es zu einem Treibhauseffekt.
Das wichtigste Ergebnis des in diesem Artikel beschriebenen Energiehaushalts unseres Planeten ist die Erkenntnis, dass die zum Wärmeausgleich notwendige Aussendung der langwelligen Strahlung von einer Haube, bestehend aus den sogenannten Treibhausgasen, in der Atmosphäre abgefangen und auf die Erde zurückgespiegelt wird.
Wie wir in diesem Artikel sehen, gibt es eine ungleiche Verteilung der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche. Und da die Natur auf unserem Planeten stets nach Gleichgewicht sucht, muss diese ungleiche Verteilung irgendwie ausgeglichen werden. Dazu muss Wärme vom heissen Äquator zu den kalten Polen transportiert werden – um es mal knapp und anschaulich auszudrücken.
Angetrieben durch Winde, die dem Wärmeausgleich dienen, entsteht sehr weit oben in der Atmosphäre, zwischen 10 und 14 Kilometern der sogenannte Jetstream, ein Band sehr starker westlicher Winde, begrenzt im Süden durch den Subtropical Jet und im Norden durch den Polar Jet.
Der Jetstream bewegt die Wettersysteme in den mittleren Breiten zwischen den Subtropen und der Polarregion. Die in den mittleren Breiten, und dazu gehört auch Europa, auftretenden Stürme und Wettersysteme sind sehr eng mit den Bewegungen des Jetstreams verbunden. Der Jetstream entscheidet, wie sie sich entwickeln, wie sehr sie sich intensivieren und wo sie auftreten.
Unter bestimmten Umständen verlangsamt sich der Jetstream. In diesem Fall ist er nicht mehr dazu in der Lage, die entstehenden Wettersysteme, die Hoch- und Tiefdruckgebiete zu bewegen. Diese verharren dann über längere Zeiträume auf einer Stelle, über einer Region, und bringen im Fall eines Tiefs langanhaltenden, ausdauernden und starken Regen und im Falle eines Hochs lange Hitze- und Trockenperioden.
Die Folgen solcher Wetterlagen sehen wir derzeit mit Hitzerekorden und Dürre im Osten Südeuropas (Hoch) und in Deutschland und Teilen des nördlichen Europas mit Überschwemmungen durch langanhaltende sintflutartige Regenfälle (Tief).
Änderungen der Meeresoberflächentemperatur im östlichen tropischen Pazifik beeinflussen die Jetstreams in beiden Hemisphären, und wenn sich der Jetstream der nördlichen Hemisphäre und der der südlichen Hemisphäre verändert, verändern sich die Wettermuster auf der ganzen Welt mit manchmal dramatischen Folgen…
In diesem Artikel betrachten wir etwas, das die Wissenschaftler Strahlungsantriebe nennen, mit wärmenden und einigen kühlenden Faktoren.
Was wir aus diesem Artikel mitnehmen können ist, dass die anthropogenen Einflüsse, also die menschliche Beeinflussung unseres Klimas, ein dominierender Faktor ist. Und er wirkt hauptsächlich in Richtung Erwärmung.
Ausserdem haben wir das Konzept der Rückkopplungsmechanismen, die Erwärmungsrate, kennen gelernt. Und wir haben feststellen müssen: Die Erwärmungsrate ist tatsächlich höher, als sie sich allein aus den Emissionen errechnen würde.
Darüber hinaus sprachen wir über das Interagieren der Ozeane, der terrestrischen Biosphäre und der marinen Biosphäre – des Lebens auf der Erde – mit der Atmosphäre im so genannten globalen Kohlenstoffkreislauf. Als besonderes Risiko lauert hier die Gefahr, dass durch das Auftauen von Permafrost-Böden und einer Erwärmung der kalten Meerestiefen die Treibhausgase Methan und Kohlenstoff, die dort über Millionen von Jahren eingelagert wurden, plötzlich wieder freigesetzt werden. Mit schlimmen Folgen für den Klimawandel…
Und das sind die Erkenntnisse und Lehren, die wir aus all dem bisher Betrachteten ziehen müssen:
Co2, Methan und andere Treibhausgase verhindern, dass die Erdoberfläche in genügendem Mass Wärme ins Weltall abgeben kann. Dadurch kommt es zu einer stetigen Erwärmung der Erde.
Die Erwärmung der Erde führt zu einer Abschmelzung der Eiskappen auf den Polen, wodurch diese sich deutlich erwärmen. Dadurch wird der Temperaturunterschied zwischen dem heissen Äquator und den kalten Polen geringer, was den Temperaturausgleich verlangsamt oder gar zum Erliegen bringt.
Daraus wiederum resultiert eine Veränderung der ozeanischen Systeme, wie dem bekannten El Niño und den Windsystemen in der Atmosphäre.
Und das kann zu einer Verlangsamung des Jetstreams in etw 10 bis 14 Kilometern Höhe führen und dazu, dass der Jetstream die entstehenden Hoch- und Tiefdruckgebiete nicht mehr vorantreibt, wodurch diese wochenlang auf der Stelle verharren können und entweder Stürme und Unwetter (Tief) über immer den gleichen Regionen erzeugen oder andere Regionen unter einer Hitzeglocke (Hoch) ausdörren, was zu unerträglichen Temperaturen und Bränden führt.
Unser Redaktionsteam würde sich sehr freuen, wenn ihr in der Familie, mit euren Freunden oder anderen Menschen, denen der Klimawandel inzwischen ein Begriff und wichtig geworden ist, über das hier Gelesene sprechen würdet.
Information ist der erste Weg zu positiver Veränderung!
In diesem Sinne: Bleibt gesund und schaut positiv in die Zukunft!
Andreas M. Brucker, Redaktionsleitung Nachrichten.fr
In den kommenden Artikeln werden wir die Grundlagen der Beobachtung und Messung des Einflusses unserer menschlichen Gesellschaft auf den Klimawandel besprechen. Und da fängt es dann an, richtig spannend zu werden…
Und nun noch ein wenig Lektüre für das Hintergrundwissen:
IPCC 2014: Climate Change Synthesis Report, Summary for Policymakers
Citation: IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, 1-31.
IPCC 2014: Future Climate Changes, Risk and Impacts: Table 2.3
Citation: IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, 71-72.
The Earth-Atmosphere Energy Balance
Citation: The National Weather Service. (n.d.). The Earth-Atmosphere Energy Balance. Retrieved from Weather.gov: https://www.weather.gov/jetstream/energy
Climate and Earth’s Energy Budget
Citation: Lindsey, R. (2009, January 14). Climate and Earth’s Energy Budget. Retrieved from Earth Observatory: https://earthobservatory.nasa.gov/features/EnergyBalance
Greenhouse Effect
Citation: North Carolina State University Climate Office. (n.d.). Greenhouse Effect. Retrieved from North Carolina Climate Office: https://climate.ncsu.edu/edu/GreenhouseEffect
Immer wieder taucht die Frage auf: Woher wissen wir eigentlich, dass ein Klimawandel stattfindet oder dass sich die Faktoren selbst verändern, von denen wir glauben, dass sie das Klima ändern, etwa die Treibhausgaskonzentration?
Die Antwort lautet: Von den Beobachtungsdaten, die wir einigen neugierigen Mitmenschen zu verdanken haben.
In diesem und den folgenden Artikeln betrachten wir die Messungen, die die Veränderungen in den Eigenschaften unserer Atmosphäre im Laufe der Zeit dokumentieren. Ziel dieser Messungen ist es zu beurteilen, ob es Trends bei den Faktoren, die das Klima bestimmen, zu geben scheint und ob die Trends mit der Reaktion des Klimasystems auf menschliche Einflüsse übereinstimmen. Diese Messungen stammen aus einer Vielzahl von Quellen, von Messungen der Veränderungen des CO2-Gehalts in der Atmosphäre bis hin zu Beobachtungen und Aufzeichnungen von extremen Wetterereignissen.
Beginnen wir mit der ersten, grundlegenden Frage:
Gibt es Beweise dafür, dass sich die Konzentration der Treibhausgase, die angeblich für die beobachtete Erwärmung verantwortlich ist, überhaupt verändert? Gibt es Beweise dafür, dass es tatsächlich mehr CO2 in der Atmosphäre gibt als zu Beginn des 20. Jahrhunderts?
Ja, die gibt es: Roger Revelle und sein Schüler Charles David Keeling machten über Jahrzehnte hinweg direkte Messungen der CO2-Werte in der Atmosphäre. Immer am gleichen Standort, nämlich dem Mauna Loa-Observatorium in Hawaii.
Von 1958 an führten sie kontinuierliche Messungen des atmosphärischen CO2 durch, und das Ergebnis ist die wahrscheinlich berühmteste Kurve in der gesamten Atmosphärenforschung, die sogenannte Keelingkurve:
Die Keelingkurve
Die Keelingkurve zeigt einen stetigen Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration in der Atmosphäre von etwa 315 ppm (= Teilen pro Million) in 1958, als die Messungen begannen, bis zu über 400 ppm heute. Und der Anstieg geht weiter…
Im Jahr 2002 wurde Keeling von Präsident George W. Bush mit der National Medal of Science ausgezeichnet, der höchsten amerikanischen Auszeichnung für das Lebenswerk in der wissenschaftlichen Forschung.
Langzeit-Aufzeichnungen wurden auch an anderen Orten, über den ganzen Globus verteilt, gemacht. Und in einem bestimmten Fall ist es die Natur selbst, die als Urheberin dieser Aufzeichnungen gelten darf.
Es gibt nämlich so eine Art Gedächtnis in Gletschern und dicken Eisdecken in Grönland und über den Polen. Dieses Gedächtnis kann man anzapfen, indem man sogenannte Kernbohrungen unternimmt. Dabei erhält man Eisbohrkerne, die uns ausgesprochen viel über den Zustand der Atmosphäre in vergangenen Zeiten mitteilen können. Bei entsprechenden Untersuchungen sagen sie uns etwa, dass die CO2-Werte zu Beginn des Industriellen Zeitalters, also etwa Mitte des 18. Jahrhunderts, niedriger als 280 ppm waren. Und auch die etwa 410 CO2-Teile pro Million in der Atmosphäre, die wir heute sehen, wird von Untersuchungen von Eisbohrkernen bestätigt. Das in diesen Eisbohrkernen eingeschlossene Wasser und der Kohlenstoff sind allerdings zum Teil noch viel älter: Sie können Millionen von Jahren alt sein und bieten den Wissenschaftlern unschätzbar wertvolle Erkenntnisse über die Zusammensetzung der Atmosphäre in längst vergangenen Zeiten.
Der CO2-Wert in der Atmosphäre ist heute also buchstäblich der höchste, den es seit Millionen von Jahren gibt.
Solche Eisbohrkerne liefern den Wissenschaftlern Daten aus Millionen von Jahren – bis heute.
Woher aber wissen wir, dass der Anstieg von CO2 in der Atmosphäre vom Menschen verursacht und nicht natürlichen Ursprungs ist?
Nun, es gibt einen unumstösslichen Beweis, vergleichbar mit einem Fingerabdruck, dafür, dass dies der Fall ist. Kohlenstoff, der seit Jahrtausenden in der Erde vergraben lag und vom Absterben organischer Materie stammt, verwandelt sich irgendwann in Kohle, Gas oder Öl – in fossile Brennstoffe also. Dieser Kohlenstoff weist ein typisches Merkmal auf: Er ist reich an dem leichteren Kohlenstoff-12-Isotop. Das ist sein unverwechselbarer Fingerabdruck.
Klimaforscher stellten fest, dass auch Co2 einen unverwechselbaren Fingerabdruck besitzt.
Kohlenstoff aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist stärker mit dem leichteren Kohlenstoff-12–Isotop gesättigt.
Im Gegensatz dazu besteht natürliches CO2, das etwa durch die Atmung erzeugt wird, vorwiegend aus dem schwereren Kohlenstoff, dem Kohlenstoff-13-Isotop. Wenn das CO2 in der Atmosphäre aus natürlichen Quellen stammen würde, würde daher das Verhältnis des schweren Kohlenstoff-13-Isotops zum leichten Kohlenstoff-12-Isotop mit der Zeit immer höher werden, aber das Gegenteil ist der Fall. Der Anteil des Kohlenstoff-13-Isotops wird immer geringer, je mehr CO2 sich in der Atmosphäre anreichert. Übrigens sind die meisten anderen Kohlenstoff-Isotope nicht stabil und zerfallen in sehr kurzer Zeit.
Das heisst: Das aus natürlichen Quellen stammende Kohlenstoff-13-Isotop wird im Gesamtverhältnis des CO2 in der Atmosphäre immer geringer und das aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe stammende Kohlenstoff-12-Isotop wird immer dominanter.
Das Verhältnis der beiden Kohlenstoff-Isotope zeigt daher ganz deutlich, dass der Mensch durch die Verbrennung von Erdöl und Kohle in Industrie und Verkehr der Urheber der steigenden CO2-Konzentration in unserer Atmosphäre ist.
Zusammengefasst: Die Konzentration von CO2 aus der Verbrennung von Öl, Gas und Kohle in der Atmosphäre nehmen dramatisch zu, und dieser heftige und schnelle Anstieg ist über Millionen von Jahren beispiellos.
Kohlekraftwerke blasen täglich Tonnen von Kohlenstoff-12 in die Atmosphäre…
Und um jetzt die Antwort auf die Frage im Titel zu geben: Nein, wir Menschen sind nicht unschuldig! Die Art des Kohlenstoffs (Kohlenstoff-12) beweist, dass der Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre durch menschliche Aktivitäten verursacht ist.
Seit über 60 Jahren gibt es den in der Keelingkurve verdeutlichten Anstieg der Konzentration des Treibhausgases CO2, und weitere Messungen beweisen ausserdem, dass das Kohlenstoff-12-Isotop in der Atmosphäre immer dominanter wird und daher ein immer grösserer CO2-Anteil durch Menschen verursacht wurde. Was bitte hält uns jetzt noch davon ab zu versuchen, diesen Trend zu stoppen oder gar umzukehren?
In unserem nächsten Artikel werden wir über die Frage sprechen, ob – und wenn ja wie – sich die Erdoberfläche erwärmt: Klimawandel: Unten warm und oben kalt…
Bleiben wir zuversichtlich!
Andreas M. Brucker, Redaktionsleitung, Nachrichten.fr
Wie oft haben wir schon diese anscheinend so einfache Frage gehört: Woher wissen wir eigentlich, dass eine Erwärmung der Erde wirklich stattfindet?
Und meist verteidigen diejenigen, die uns diese Frage stellen, mit allem Nachdruck die These, dass die Welt doch gar nicht wärmer geworden sei. Wer hat denn nun eigentlich recht?
Im vorherigen Artikel haben wir die CO2-Messungen in der Atmosphäre betrachtet und festgestellt, dass die Neugier der Wissenschaftler, die sie dazu bringt, Daten zu sammeln und zu vergleichen, handfeste Beweise hervorbringen kann. Und natürlich finden diese Wissenschaftler auch Beweise für steigende Oberflächentemperaturen aus mehr als einem Jahrhundert gesammelter Messungen und Daten rund um den Globus.
Rund um den Globus werden seit etwa 140 Jahren ununterbrochen Temperaturen gemessen und aufgezeichnet
Wir verfügen über eine grosse Datenmenge von Temperaturaufzeichnungen, die über ein Jahrhundert hinweg von Landstationen, auf Inseln und auf Schiffen an der Meeresoberfläche gesammelt wurden. Diese Daten versorgen uns mit einem globalen Protokoll der Oberflächentemperaturveränderungen beginnend in den 80er Jahren des 19. Jahrhunderts bis zum heutigen Tag.
Als Beispiel sei das Goddard-Institut der NASA for Space Studies genannt. Die Mitarbeiter dieses Instituts beobachten globale Temperaturveränderungen im Laufe der Zeit. Zur Verdeutlichung der gefundenen Resultate erstellt das Goddard-Institut regelmässige Animationen aus den Daten, die im Laufe der vergangenen etwa 140 Jahre gesammelt wurden.
Diese Animationen zeigen uns ein sehr dynamisches Klimasystem, man erkennt warme Flecken und Kaltflecken im tropischen Pazifik, man kann bei genauem Hinsehen deutlich das El-Niño-Phänomen ausmachen, das kommt und geht, und seinen Gegenpart, das La-Niña-Phänomen, die beide den tropischen Pazifik erwärmen und kühlen, was, wir wir bereits gesehen haben, Auswirkungen auf das Klima in der ganzen Welt hat.
Man kann in dem Film auch deutlich erkennen, dass die Erwärmung in höheren Breitengraden stärker ist und sich die Polkappen, insbesondere die Arktis, schneller erwärmen, als der Rest des Planeten.
Der zu erwartende Teufelskreis tritt ein: Die Polkappen schmelzen ab, die Gletscher und Eiskappen verschwinden immer mehr. Und dann setzt das Eis-Albedo-Feedback ein, dieses Feedback, das zu weiterer Erwärmung führt, da an vielen Stellen kein Eis oder Schnee mehr die Strahlung der Sonne reflektiert – denn es gibt diesen natürlichen Spiegel nicht mehr. Der freigelegte Erdboden oder die jetzt eisfreie Meeresoberfläche nimmt das Sonnenlicht mit seiner Wärmeenergie fast ungebremst auf.
Der Eis-Albedo-Effekt
Was aber in der Animation besonders auffällt sind die erkennbaren Schwankungen von Jahr zu Jahr, die uns zeigen, dass das Klimasystem an und für sich dynamisch ist. Einige Gebiete sind kalt, andere sind warm. Und diese Dynamik ist, wie wir bereits wissen, die Lebensgarantie für das Klima und ein erträgliches Wetter.
Der Jetstream variiert von Jahr zu Jahr, die El Niños kommen und gehen. Es gibt eine große natürliche Variabilität, aber mit der Zeit, so erkennt man in der Animation, überwiegt die Erwärmung, sie überwältigt die natürliche Variabilität und bringt sie zum Erliegen.
Und tatsächlich, wenn wir nun die Durchschnittstemperaturen rund um den Globus betrachten, so wie sie jeweils über viele Jahre aufgezeichnet wurden, dann können wir unschwer erkennen, dass die globalen Temperaturen wirklich mit der Zeit zunahmen. Die Erde hat sich um ein wenig mehr als ein Grad Celsius seit Mitte des 19. Jahrhunderts, dem Beginn der Temperaturbeobachtungen, erwärmt.
Aber können wir beweisen, dass wirklich und insbesondere der Anstieg des CO2 in der Atmosphäre Ursache für diese Erwärmung ist?
Allein aus der Tatsache, dass eine Erwärmung beobachtet wird, kann man nicht ohne weiteres auf die Gründe dafür schliessen. Wie auch immer, wir können und müssen nach möglichen Hinweisen suchen. Genau wie Forensikexperten suchen Klimawissenschaftler nach Anhaltspunkten, die sie als Fingerabdrücke bezeichnen (in unserem vorherigen Artikel sprachen wir schon über den Fingerabdruck des in der Atmosphäre gemessenen CO2).
Und bei der Suche nach den Hinweisen und Anhaltspunkten, den Fingerabdrücken, stellen wir Folgendes fest: Natürliche Quellen der Erwärmung führen zu anderen Mustern der Temperaturveränderung als menschliche Quellen, wie z.B. zunehmende Treibhausgase. Dies gilt insbesondere dann, wenn wir die vertikalen Muster der Erwärmung in der Atmosphäre untersuchen.
Wetterballons messen die Temperaturen bis in die obersten Schichten der Atmosphäre.
Wir sprachen in einem unserer ersten Artikel bereits über die verschiedenen Schichten der Atmosphäre, nämlich die Troposphäre und die Stratosphäre. Die Troposphäre ist der untere Teil der Atmosphäre, in dem wir leben, die Stratosphäre die darüber liegende Schicht.
Nun gibt es eine Reihe von Messungen der Lufttemperatur, durchgeführt mit Hilfe von Wetterballons und Satelliten. Messungen, die die Temperaturen sowohl in der Troposphäre als auch in der Stratosphäre dokumentieren. Und siehe da, diese Messungen offenbaren ein bemerkenswertes Muster: Der untere Teil der Atmosphäre, die Troposphäre, hat sich zusammen mit der Oberfläche erwärmt. Schauen wir jedoch in die Stratosphäre, dann sind die Temperaturen tatsächlich zurückgegangen. Haben wir da einen Fingerabdruck gefunden?
Diese Graphik zeigt sehr schön die gemessene Erwärmung der Troposphäre und die gleichzeitige Abkühlung der Stratosphäre
Könnt ihr erraten, welche andere Veränderung in der Atmosphäre mit diesem vertikalen Muster von Temperaturänderungen nahezu konsistent ist?
Wenn ihr vermutet, dass es sich um den Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen handelt, dann habt ihr Recht. Die durch die Treibhausgase verursachte Rückspiegelung der langwelligen Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche führt zwangsläufig auch zur Abkühlung der obersten Atmosphärenschichten.
Und tatsächlich haben wir da einen eindeutigen Fingerabdruck gefunden, der belegt, dass die Veränderungen der Temperaturen in der Atmosphäre mit der von uns Menschen zu verantwortenden Emission von Treibhausgasen in Zusammenhang gebracht werden müssen!
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Daten, die über etwa 140 Jahre gesammelt wurden, belegen, dass sich die Erdoberfläche erwärmt. Und in bestimmten Regionen wie der Arktis schreitet die Erwärmung noch schneller voran als in anderen. Das vertikale Muster der Erwärmung zeigt, dass sich die Oberfläche und die untere Atmosphäre erwärmen, während die Stratosphäre sich in der Höhe abkühlt, was wiederum den Treibhauseffekt belegt: Die Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche erreicht nicht mehr die obersten Schichten der Atmosphäre und kann deshalb auch nicht in den Weltraum entweichen.
Da liegt schon eine gewisse Ironie in der Sache: Unten, da, wo wir leben, wird es immer heisser – und ganz weit oben, wo es keinem mehr etwas nützt, wird es immer kühler.
Und wieder gelangen wir zu der gleichen Erkenntnis: Wir müssen die CO2-Emissionen, die offensichtlich das natürliche Gleichgewicht auf eine gefährliche Art und Weise durcheinanderbringen, schnellstmöglich stoppen.
Lasst uns damit beginnen!
In diesem Sinne grüsst das Autorenteam von Nachrichten.fr
Wie wir im vorigen Artikel gesehen haben, hat sich die Erdoberfläche im vergangenen Jahrhundert um etwa 1 Grad Celsius erwärmt. In diesem Artikel wollen wir ansprechen, wie es ich in dieser Hinsicht mit den Ozeanen verhält.
Auch die Ozeane sind natürlich wärmer geworden, wenn auch etwas weniger als das Land. Da stellt sich natürlich die Frage: Warum erwärmt sich der Ozean langsamer als das Land? Dahinter steht die sogenannte thermische Trägheit.
Aufgrund der Tiefe des Ozeans und der thermischen Trägheit, verteilt sich die Wärme nur relativ langsam nach unten durch die unterschiedlich kalten Schichten der Weltmeere. Sonneneinstrahlung, die die Erdoberfläche unmittelbar erwärmt, wird in den oberen Wasserschichten des Meeres erst einmal „zwischengelagert“ und dringt erst später in die tieferen Wasserschichten vor. Wärme hat nun mal die Tendenz, oben zu bleiben und nicht nach unten zu sinken.
Erwärmung der Ozeane
Die langsamere Erwärmung des Ozeans, diese langsamere Reaktionsgeschwindigkeit auf die Sonneneinstrahlung, führt uns jedoch zu einem weiteren wichtigen Punkt, dem „nicht mehr vermeidbaren Klimawandel“. Und diesen Punkt werden hier mal etwas genauer betrachten.
Der nicht mehr vermeidbare Klimawandel in den Ozeanen ist bereits eingetreten, aber noch nicht in seinen vollständigen Auswirkungen messbar. Er ist bedingt durch den Prozess einer lang anhaltenden, allmählichen Durchmischung warmen Oberflächenwassers mit dem kalten Wasser in der Tiefe. Wärme, die den Ozean langsam nach unten durchdringt. Dieser Prozess ist nicht mehr aufhaltbar oder gar umkehrbar, wenn die Wärmeenergie, die Strahlung der Sonne einmal im Wasser gespeichert wurde. Es setzt etwas ein ein, von dem wir schon oft gehört haben: Der langsame Anstieg des Meeresspiegels.
Der Meeresspiegel wird in den kommenden Jahrhunderten unaufhaltsam ansteigen.
Wie funktioniert das? Eigentlich ganz einfach: Da Meerwasser sich, wie wir schon in der Schule gelernt haben, bei Erwärmung ausdehnt, steigt der Meeresspiegel langsam an. Und das immer mehr, je weiter die Wärme in die Tiefsee nach unten dringt. Kaltes Wasser wird erwärmt und dehnt sich aus. Das Meer dehnt sich aus, fast wie ein Hefekuchen in der Backröhre…
Dieses Phänomen übertrifft übrigens bei weitem den Anstieg der Meeresspiegel durch Abtauen von Gletschern an Land.
Resultat des nicht mehr vermeidbaren Klimawandels:Selbst wenn wir jetzt sofort alle CO2-Emissionen stoppen, wird der Meeresspiegel weltweit noch mehrere Jahrhunderte lang weiter ansteigen. Solange, bis alle bis jetzt bereits gespeicherte Wärmeenergie abgegeben wurde und keine weitere Erwärmung des Meerwassers mehr stattfindet.
Und die Klimaforscher vermuten zu recht, dass es noch mehr Veränderungen geben könnte, die bereits unumkehrbar eingeläutet sind, deren Auswirkungen wir aber heute noch nicht klar erkannt haben.
In diesem Zusammenhang ist es wichtig, immer wieder daran zu erinnern, dass unsere Ozeane nicht passiv sind, sie sind aktive dynamische und weltumspannende Systeme. Sie transportieren Wärme von den niedrigen in die hohen Breiten, um die Ungleichgewichte der Sonnenerwärmung durch zwei primäre Mechanismen auszugleichen: Ozeanwirbel in der Meeresströmung und das sogenannte Förderband der thermohalinen Ozeanzirkulation.
Die thermohaline Zirkulation, umgangssprachlich auch globales Förderband (englisch ocean conveyor belt), ist ein ozeanografischer Ausdruck für eine Kombination von Meeresströmungen, die vier der fünf Ozeane miteinander verbinden und sich dabei zu einem globalen Kreislauf vereinen. (Wikipedia)
Der Antrieb für diesen umfangreichen Massen- und Wärmeaustausch ist thermohaliner Natur. Das bedeutet: Er wird durch Temperatur- und Salzkonzentrationsunterschiede innerhalb der Weltmeere hervorgerufen, welche beide für die unterschiedliche Dichte des Wassers verantwortlich sind. Verursacht wird der Temperaturunterschied wiederum durch die Abhängigkeit des Umfangs der Sonneneinstrahlung von der geographischen Breite.
Sind auch bei diesen Mechanismen schon irgendwelche Änderungen als Hinweis auf den Klimawandel zu erkennen?
Sprechen wir zunächst über die Ozeanwirbel. Die Wirbel, die horizontalen Meeresströmungen, werden in erster Linie von den Richtungsschwankungen der Oberflächenwinde bestimmt.
Nun kann der Klimawandel die vorherrschenden Windverhältnisse ändern, und das könnte bei diesen Ozeanwirbeln zu Veränderungen führen, aber die Wirbel sind ziemlich robust. Unabhängig davon, wie sich Temperaturmuster und Windmuster ändern, diese horizontalen Wirbel und Strömungen werden wohl weiterhin unbeirrt Wärme zu den Polen transportieren.
Aber das globale Förderband, die thermohaline Ozean-Zirkulation, ist eine andere Sache. Da ist es nicht nur der Fall, dass sich das Zirkulationsmuster eventuell irgendwann wegen des Klimawandels schwächen könnte, es schwächt sich tatsächlich bereits heute ab. Die thermohaline Zirkulation ist eine Kombination aus salzigen und kalten Eigenschaften des Oberflächenwassers im subpolaren Nordatlantik. Hoher Salzgehalt und Kälte führen zu einer hohen Dichte des Wassers und eine sinkende Bewegung setzt ein. Diese Sinkbewegung bildet das wichtige absteigende Glied der thermohalinen Zirkulation. Jede, auch eine geringe Erwärmung dieser Gewässer könnte dieses Absinken hemmen.
Weltkarte mit Darstellung der thermohalinen Zirkulation. Blau: Kaltes, salziges Wasser in der Tiefe. Rot: Wärmere Strömungen in den oberen, leichteren Wasserschichten.
Es wurde lange vermutet, dass die globale Erwärmung durch den verstärkten Zustrom von Süsswasser in den Nordatlantik, insbesondere durch das Abschmelzen des Grönlandeises, den thermohalinen Umlauf bremst. In der Vergangenheit hat es viele Diskussionen darüber gegeben, die jüngsten Beobachtungen scheinen nun darauf hinzudeuten, dass wir jetzt wirklich eine Abschwächung dieses Ozeanzirkulationsmusters beobachten müssen, und es sieht tatsächlich so aus, dass es eine Folge des von Grönland abschmelzenden Eises sein könnte: Schmelzwasser, das in den Nordatlantik fließt und das Oberflächenwasser mit Süsswasser versetzt. Verstärkt wird die Abschwächung der Sinkbewegung zusätzlich durch die Erwärmung der oberen Wasserschichten des Nordatlantiks.
Und das wiederum führt dazu, dass die Oberflächentemperatur langsamer abnimmt. Und was das bedeuten kann, sehen wir im Folgenden.
Zyklon Winston wütet über den Fidschi-Inseln
Nach der Erwärmung der Weltmeere müssen wir jetzt aber auch von extremem Wetter sprechen, insbesondere von Hurrikanen und tropischen Stürmen. Denn beides ist untrennbar miteinander verbunden.
In den letzten Jahren haben wir die stärksten Stürme weltweit aufgezeichnet. Als Beispiele seien genannt der Hurrikan Patricia Oktober 2015 im Nordpazifik und kurz darauf im Frühjahr 2016 der stärkste Sturm, der je in der südlichen Hemisphäre zu messen war, nämlich der Zyklon Winston. Und der stärkste Sturm, der jemals auf dem offenen Atlantik gemessen wurde, das war Irma im Spätsommer 2017.
Es gibt also einen Trend zu extremeren, intensiveren Stürmen und Wissenschaftler haben geschätzt, dass für jedes Grad Celsius Erwärmung der Oberflächentemperaturen der Ozeane die maximalen Windgeschwindigkeiten und die Häufigkeit dieser Stürme insgesamt um etwa sieben Prozent ansteigen können.
Irma wütet in der Karibik
Was bedeutet das für uns Menschen?
Man berechnet das zerstörerische Potenzial eines Hurrikans als dritte Potenz der Windgeschwindigkeit, 7% Zunahme der Windgeschwindigkeit bedeuten also gleichzeitig etwa 23% Zunahme des zerstörerischen Potentials eines solchen Sturmes. Es ist also wahrscheinlich kein Zufall, dass wir in den vergangenen Jahren einen Trend zu intensiveren und zerstörerischeren Stürmen beobachten, da sich die Temperaturen der Ozeanoberfläche erwärmen.
Wenn man das Maß des destruktiven Potentials von Stürmen, mit den Meeresoberflächentemperaturen im Nordatlantik vergleicht, gibt es eine bemerkenswerte Korrelation zwischen diesen beiden Größen. Als sich die Meeresoberflächentemperaturen über der Hauptentwicklungsregion für Wirbelstürme im tropischen Atlantik erwärmt haben, hat gleichzeitig auch der Energieausstoss, die Zerstörungskraft dieser Stürmen dramatisch zugenommen.
Allerdings gibt es noch Uneinigkeit unter den Wissenschaftlern darüber, ob die Zahl der Tropenstürme sowohl weltweit als auch in Regionen wie dem Nordatlantik mit der globalen Erwärmung zunehmen wird.
Aber es scheint jetzt innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft einen ziemlichen Konsens zu geben, dass wenn sich die Oberflächentemperaturen erwärmen, wir intensivere und zerstörerische Wirbelstürme erleben werden.
Also Zusammengefasst: Was sagen uns diese Beobachtungen?
Sie sagen uns, dass neben den Landregionen auf der ganzen Welt, die sich im Durchschnitt etwas mehr als 1 Grad Celsius erwärmt haben, die Ozeane sich um etwas weniger als 1 Grad Celsius erwärmt haben. Die thermohaline Zirkulation der Ozeane scheint sich zu verlangsamen, und bestimmte Arten von extremen Wetterereignissen, insbesondere Hurrikane, werden extremer und eventuell auch häufiger.
Die Zunahme der Intensität von Hurrikanen korreliert mit der Erwärmung der Ozeane. Und das ist die Formel, die die Wissenschaft dafür aufgestellt hat:
1 Grad Celsius Erwärmung der Wassertemperatur der Weltmeere bringt um 7% höhere Windgeschwindigkeiten in den Stürmen und damit ein um 23% höheres Zerstörungspotential!
Wenn das mal nicht bemerkenswerte Aussichten sind…
Insgesamt müssen wir Menschen sofort beginnen, die weitere Erwärmung zu stoppen! Immerhin ist der Anstieg der Meeresspiegel über die nächsten Jahrhunderte schon nicht mehr aufzuhalten. Aber die steigende Zerstörungskraft der künftigen grossen Stürme, die über den Ozeanen entstehen, können wir bis zu einem gewissen Mass noch eindämmen.
In diesem Sinne wünschen wir euch noch einen schönen Sonntagabend.
Andreas M. Brucker, Redaktionsleitung, Nachrichten.fr
Im vorigen Artikel haben wir untersucht, wie sich die Erwärmung der Ozeane auf den Anstieg der Meeresspiegel und die Häufigkeit und Stärke von Extrem-Wetterereignissen auswirkt. Beim Klimawandel geht es aber nicht nur um Temperaturveränderungen, sondern auch um Veränderungen der Niederschlagsmuster.
Denn die Niederschlagsmuster spiegeln am deutlichsten die früheren und künftigen Auswirkungen des Klimawandels wieder.
Niedrigemissions-Szenario. Hochemissions-Szenario. Niederschlagsänderung regional und im Jahresverlauf unterschiedlich g i.A. werden feuchte Gebiete feuchter und trockene Gebiete trockener. Gepunktet: Änderung ist signifikant; schraffiert: Änderung ist in allen Modellen gering. Quelle: IPCC 2013.
Schauen wir uns die beobachteten Trends bei den Niederschlägen rund um den Globus, die in diesen Grafiken dargestellt sind, einmal genauer an. Wir können sehen, dass die Trends ziemlich deutlich sind. Im globalen Durchschnitt haben die Niederschläge insgesamt leicht zugenommen, und das ist auch zu erwarten. Da sich die Atmosphäre erwärmt, kann sie mehr Feuchtigkeit speichern, so dass wir insgesamt einen intensiveren Wasserzyklus erwarten müssen.
Diese Trends sind jedoch je nach Region sehr unterschiedlich, und es ist notwendig, zu untersuchen, wie sich die Niederschlagsmenge in bestimmten Breitengraden im Laufe der Zeit verändert.
Und da entdecken wir ein Muster, das zeigt, dass die Tropen feuchter werden und Teile der Subtropen trockener. Mit der Erwärmung der Oberfläche und dem höheren Feuchtigkeitsgehalt in der Atmosphäre fällt tatsächlich mehr Niederschlag, weil die Atmosphäre mehr Feuchtigkeit aufgenommen hat, die in Niederschlag umgewandelt werden kann. Aber wir sehen auch eine Ausdehnung des absteigenden Schenkels der so genannten Hadley-Zellen-Zirkulation (über die wir bereits gesprochen haben).
Und wenn sich dieser absteigende Schenkel auf höhere Breitengrade ausdehnt, nehmen die Niederschläge in den Subtropen und in Teilen der mittleren Breiten ab. Und schließlich, wenn wir zu den höchsten Breitengraden gelangen, wenn sich die Sturmbahnen mit den sich ändernden atmosphärischen Zirkulationsmustern polwärts bewegen, sehen wir eine erneute Zunahme der Niederschläge in den subpolaren Regionen. Betrachtet man also die Niederschläge, so zeigt sich global insgesamt nur eine geringe Zunahme, aber es gibt starke regionale Trends, wobei die Tropen feuchter werden, die Subtropen weniger Niederschlag erhalten und schließlich die subpolaren Breiten in Verbindung mit der polwärts wandernden Polarfront mehr Niederschlag in Form von Regen und Schnee verzeichnen werden.
Wenn wir aber umgekehrt die Dürren betrachten, dürfen wir nicht nur den Niederschlag beachten, denn Dürre bedeutet auch den Verlust von Feuchtigkeit, die durch Verdunstung wieder in die Atmosphäre gelangt. Und wenn sich die Erde erwärmt und die Böden und die Vegetation sich erwärmen, verdunsten sie mehr Feuchtigkeit in die Atmosphäre. So kommt es selbst in einigen Regionen in den mittleren Breiten, in denen die Niederschläge geringfügig zugenommen haben, aufgrund des Feuchtigkeitsverlustes durch die Erwärmung der Böden und die erhöhte Verdunstung zu größeren Dürren.
Wenn es also um Niederschläge und Dürren geht, erleben wir etwas, das manchmal paradox erscheint. In einigen Regionen, in denen die sommerlichen Dürren schlimmer werden, kommt es zeitweilig auch zu intensiveren Niederschlägen.
Aber lasst uns über extreme Niederschlagsereignisse sprechen, und dazu gehören sowohl Niederschläge als auch Schneefälle.
Wenn sich die Erde erwärmt, wenn sich die Ozeane erwärmen und mehr Feuchtigkeit in die Atmosphäre verdunstet, kann es zu intensiveren Niederschlägen kommen. Selbst in Regionen, in denen öfter Dürre herrscht, kann es zu intensiveren Niederschlägen und intensiveren Schneefällen kommen, weil eine wärmere Atmosphäre mehr Feuchtigkeit speichert. Wenn also die Bedingungen für Niederschläge günstig sind, wenn es durch die Erwärmung zu einer Aufwärtsbewegung in der Atmosphäre kommt, kann tatsächlich mehr Niederschlag aus der Atmosphäre herauskommen. Wenn dies bei warmen Temperaturen geschieht, handelt es sich um Regen, bei kalten Temperaturen um Schneefall.
In vielerlei Hinsicht sind diese Ereignisse symptomatisch für einen sich erwärmenden Planeten; ein wärmerer Ozean verdunstet mehr Feuchtigkeit, und so kommt es im Winter zum Beispiel an der Ostküste der USA in Washington DC, New York oder Boston zu größeren Schneemengen, obwohl die Zeit, in der der Schnee liegen bleibt, mit der Erwärmung der Erde immer kürzer wird.
Aber nehmen wir als Beispiel besser unser Europa:
Wenn man sich diese Karte genau ansieht, sieht man, dass die Niederschläge insgesamt zunehmen, was mit dem allgemeinen globalen Muster übereinstimmt: Denn wenn sich der Planet erwärmt, wenn sich die Ozeane erwärmen, gibt es mehr Feuchtigkeit in der Atmosphäre, was zu einem allgemeinen Anstieg der Niederschläge führt. Aber wir sehen auch die Auswirkungen der wandernden atmosphärischen Zirkulationsmuster. Wenn sich der absteigende Schenkel des atmosphärischen Zirkulationsmusters der Hadley-Zelle von den Subtropen in die mittleren Breiten ausdehnt, nehmen die Niederschläge in Regionen wie Spanien, Südfrankreich, Italien und dem Südosten Europas ab.
Auch diese Veränderungen stimmen mit dem überein, was wir als Folge des Klimawandels erwarten, nämlich dass sich der trockene Wüstengürtel mit der Erwärmung des Planeten polwärts ausbreitet, während die Gesamtniederschläge weltweit und im Norden Europas zunehmen.
Weiter oben haben wir schon gesehen, dass im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung es häufiger zu intensiven Hitzewellen kommen wird. Je wärmer der Planet ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es zu extremen Hitzeperioden kommt.
Um diesen Effekt zu verstehen, müssen wir uns allerdings ein Konzept aus der Statistik zu eigen machen, nämlich die so genannte Gauß-Verteilung oder Normalverteilung, besser bekannt als die Glockenkurve.
Wikipedia: Die Normal- oder Gauß-Verteilung (nach Carl Friedrich Gauß) ist in der Stochastik ein wichtiger Typ stetiger Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Ihre Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion wird auch Gauß-Funktion, Gaußsche Normalverteilung, Gaußsche Verteilungskurve, Gauß-Kurve, Gaußsche Glockenkurve, Gaußsche Glockenfunktion, Gauß-Glocke oder schlicht Glockenkurve genannt.
Je flacher die Glockenkurve ist (grüne Kurve), desto homogener sind die statistischen Wahrscheinlichkeiten verteilt und desto unwahrscheinlicher sind Extreme. Verschiebt man die Mitte der Kurve jedoch nach oben, sieht man eine dramatische Veränderung in dem, was wir den Schwanz der Verteilung nennen. Das ist der Bereich, der zwei Standardabweichungen über dem Mittelwert liegt, der Bereich an der rechten Seite der Glockenkurve. Dieser statistische Bereich vergrössert sich stark (rote Kurve auf der Basislinie) – es ist der Bereich der Wahrscheinlichkeit des Nichtnormalen, des Extremen.
Wenn man den Planeten auch nur um ein Grad Celsius erwärmt, sieht man, dass die statistische Wahrscheinlichkeit für Anomalien, der extreme Bereich, in dem sich die Kurve fast vollständig abgeflacht hat, verdoppelt.
Das bedeutet, dass sich die Wahrscheinlichkeit extremer Hitzewellen statistisch verdoppelt, und das bei einer nur geringfügigen Erderwärmung.
Aber, werden nun einige sagen, das ist alles ganz schön theoretisch. Gibt es eigentlich wirkliche Beweise dafür, dass diese Extreme auftreten? Die Antwort lautet: Leider ja.
Bei der Hitzewelle 2003 in Europa, der schlimmsten Hitzewelle seit Beginn der Aufzeichnungen in Europa, kamen etwa 30.000 Menschen ums Leben. Es gibt Aufzeichnungen über Temperaturen, die Hunderte von Jahren zurückreichen, und man kann in diesen Aufzeichnungen sehen, dass dies ein noch nie dagewesenes extremes Hitzeereignis war. Aber 2003 war kein einzelnes, zufälliges Ereignis, der gesamte Sommer war wärmer als der Durchschnitt, und die extreme Hitzewelle war eingebettet in einen ansonsten auch sehr warmen Sommer, der Teil eines Trends zu immer wärmeren Sommern ist.
Und wenn wir die Entwicklung bis heute und die extreme Hitze im Sommer 2021 über den südlichen Teilen Europas betrachten, dann sehen wir, dass die kleine Verschiebung der Glockenkurve aus einem 1000-jährigen Ereignis, das nach den historischen Aufzeichnungen nicht öfter als einmal in tausend Jahren auftreten sollte, ein knapp 20-jähriges Ereignis gemacht hat. Ein Ereignis, das wahrscheinlich alle 20 Jahre oder öfter eintreten wird.
Und das zeigt uns einmal mehr, welch tiefgreifende Auswirkungen selbst eine geringe Erwärmung auf das Klima haben kann. Wenn wir so weitermachen wie bisher, könnte ein Sommer wie der europäische Sommer 2003 in relativ naher Zukunft einmal alle zwei Jahre auftreten. Eine katastrophale Hitzewelle würde in Europa und in vielen anderen Regionen der Welt zu einem zweijährlichen Ereignis werden.
Es gibt noch weitere Beispiele: 2010 war in weiten Teilen der nördlichen Hemisphäre ein rekordverdächtig warmer Sommer, und in Moskau kam es zu einer der schlimmsten Hitzewellen seit Beginn der Aufzeichnungen und infolgedessen zu Waldbränden in noch nie dagewesenem Ausmaß. Auch der Sommer 2018 war für die nördliche Halbkugel ein noch nie dagewesener Extremsommer. In der gesamten nördlichen Hemisphäre gab es beispiellose Hitzewellen, Dürren, Überschwemmungen und Waldbrände. In diesem Sommer 2021 kam es in verschiedenen Regionen der nördlichen Halbkugel zu Rekordwetterereignissen.
Wenn sich der Planet erwärmt, verschiebt sich die Glockenkurve, und es kommt häufiger zu diesen extremen Hitzewellen.
Wir haben gesehen, dass, wenn sich die Atmosphäre erwärmt, sie mehr Feuchtigkeit speichern kann, so dass es mehr extreme Regenfälle und größere Überschwemmungen gibt. Wenn sich die Böden erwärmen, verdunstet mehr Feuchtigkeit, und es kommt zu schlimmeren Dürreperioden.
Und wenn man extreme Hitze mit extremer Trockenheit kombiniert, was kommt dabei heraus? Man bekommt nie dagewesene Waldbrände, wie wir sie in diesem Sommer 2021 in Kalifornien, rund um das Mittelmeer und sogar in der Arktis gesehen haben. In den letzten Jahrzehnten gab es einen deutlichen Trend, sei es die Hitzewelle 2003 in Europa, die Hitzewelle und die Waldbrände 2010 um Moskau, die Dürre 2011 in Oklahoma und Texas, die Waldbrände 2016 in Alberta und 2021 die Waldbrände in den USA und Europa.
All diese Ereignisse hatten noch etwas anderes gemeinsam: Ein Muster, bei dem sich der Jetstream verlangsamte und die Wettersysteme im Wesentlichen an Ort und Stelle festgehalten wurden, so dass sich Hoch- und Tiefdruckgebiete wochenlang über denselben Regionen befanden.
Wenn man unter einem Tiefdruckgebiet festsitzt, erlebt man beispiellose und extreme Niederschlagsereignisse. Wenn man unter einem Hochdruckzentrum festsitzt, kommt es zu extremer Hitze, Dürre und Waldbränden. Und es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass der Klimawandel den Jetstream verlangsamt und die Mäander des Jetstreams verstärkt, die diese extremen Wettermuster hervorrufen. Das erklärt in gewisser Weise, warum die extremen Wetterereignisse in der gesamten nördlichen Hemisphäre und auch auf dem gesamten Planeten so stark zunehmen.
Polarwirbel und Jetstream. Auf der rechten Seite wird ein schwacher Jetstream gezeigt, der grosse Ausbuchtungen (Mäander) hat. Zwischen den Ausbuchtungen sitzen jeweils Tiefdruck- und Hochdruckgebiete fest. der Jetstream ist verlangsamt und hält diese Gebiete fast auf der Stelle fest, wodurch es zu langanhaltenden Niederschlags- oder Hitzeereignissen kommt.
Aber sind das wirklich Auswirkung, die der Klimawandel auf den Jetstream hat, die zu diesen extremeren, anhaltenden Wetterereignissen führt, wie wir sie in den letzten Jahrzehnten erlebt haben?
Um diese Frage zu beantworten, ziehen wir die sehr soliden Langzeitmessungen der täglichen Höchsttemperaturen heran, die wir für Deutschland haben. Was diese Messungen zeigen, ist ziemlich bemerkenswert. Wenn man bis in die 80-iger Jahre des 19. Jahrhunderts zurückgeht, war die Wahrscheinlichkeit eines Hitze-Extremereignisses über diesen Zeitraum von etwa 100 Jahren ungefähr gleich groß wie die eines Kälte-Extremereignisses. Warme und kalte Rekorde traten in etwa gleich häufig auf, was man auch erwarten würde, wenn es keine Klimaveränderung gäbe.
Wenn man aber jetzt die jüngere Vergangenheit betrachtet, treten warme Rekorde doppelt so häufig auf wie kalte Rekorde – ja, kalte Rekorde werden sogar extrem selten. Die Wahrscheinlichkeit eines Hitze-Extremereignisses hat sich also durch die bereits eingetretene Erwärmung um etwa ein Grad Celsius buchstäblich verdoppelt.
Abschliessend ein Beispiel, das euch ein Gefühl dafür geben soll, wie wir die „Zufälligkeit“ des Wetters beeinflusst haben. Nehmen wir als Beispiel einen Würfel und würfeln ihn ohne den Klimawandel, so besteht eine Chance von 1 zu 6, dass eine 6 gewürfelt wird. Durch den Klimawandel wurde nun die 1 gelöscht und durch eine 6 ersetzt, d. h., wenn man jetzt denselben Würfel wirft, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, bei jedem dritten Wurf eine 6 zu würfeln. Wir haben die Zufälligkeit dahingehend verändert, dass Extreme, in diesem Fall die Sechsen, wesentlich wahrscheinlicher werden, als sie es ohne die Veränderungen gewesen wären.
Das ist die Erklärung, warum sogar die relativ bescheidene Erderwärmung von etwa 1 Grad Celsius, die wir bisher gesehen haben, so viele Hitzeextreme in der ganzen Welt zur Folge hatte.
Ja, liebe Leser, auch mir war es bisher nicht bewusst, was unser Klima und die Erderwärmung mit einer Formel aus der Statistik zu tun haben. Aber mittlerweile ist mir klar geworden, welche extremen Folgen schon kleinste Veränderungen haben können. Der Glockenkurve sei es gedankt…
Bleibt trotzdem gesund und zuversichtlich!
Andreas M. Brucker, Redaktionsleitung Nachrichten.fr
