Als globale Erwärmung bezeichnet man den während der vergangenen Jahrzehnte beobachteten allmählichen Anstieg der Durchschnittstemperatur der erdnahen Atmosphäre und der Meere sowie die erwartete weitere Erwärmung in der Zukunft. Ihre hauptsächliche Ursache liegt nach dem gegenwärtigen wissenschaftlichen Verständnis „sehr wahrscheinlich“[1] in der Verstärkung des Treibhauseffektes durch den Menschen.[2] [3] Dieser entsteht durch Änderung der Atmosphärenzusammensetzung. Durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe und durch die weltumfassende Entwaldung wird Kohlendioxid (CO2) in der Luft angereichert. Landnutzungsveränderungen wie Land- und Viehwirtschaft sind eine zusätzliche Ursache, besonders durch den auf sie zurückgehenden Ausstoß weiterer bedeutender Treibhausgase wie Methan.
Die Bezeichnung globale Erwärmung wurde im Verlauf der 1980er und 1990er Jahre geprägt und wird oft gleichbedeutend mit dem allgemeineren Begriff Klimawandel verwendet. Während Klimawandel die natürliche Veränderung des Klimas auf der Erde über einen längeren Zeitraum beschreibt und damit die bisherige Klimageschichte umfasst, bezieht sich die globale Erwärmung auf die gegenwärtige anthropogene, das heißt durch Menschen verursachte Klimaveränderung. Dieser Anstieg der Durchschnittstemperatur auf der Erde ist mit einer Vielzahl weiterer globaler, regionaler und lokaler Folgen verbunden.
Der wissenschaftliche Sachstand über die globale Erwärmung wird durch den Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, im Deutschen oft als „Weltklimarat“ bezeichnet) zusammengefasst. Die Analysen des IPCC, dessen Vierter Sachstandsbericht zwischen Februar und November 2007 beginnend mit der Zusammenfassung für Entscheidungsträger in mehreren Berichten veröffentlicht wurde, bilden den Kenntnisstand über den menschlichen Einfluss auf das Klimasystem der Erde ab und gelten als Basis der politischen und wissenschaftlichen Diskussion. Sie sind eine wesentliche Grundlage dieses Artikels, und die Darstellungen des IPCC stehen auch im Mittelpunkt der Kontroverse um die globale Erwärmung.
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→ Hauptartikel: Treibhauseffekt
Der Treibhauseffekt lässt sich auf Treibhausgase wie Wasserdampf (H2O), Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O, auch bekannt als Lachgas) und fluorierte Verbindungen (FCKW und FKW) zurückführen. Diese lassen die von der Sonne kommende kurzwellige Strahlung weitgehend ungehindert auf die Erde durch, strahlen aber selbst im längerwelligen Bereich (Infrarotbereich). Dadurch erhält die Erdoberfläche mehr Strahlung als durch die Sonne allein und erwärmt sich stärker. Im Gleichgewicht muss der Atmosphäre so viel Energie zugeführt werden, wie durch die Strahlung aus der Atmosphäre verloren geht. Dieses geschieht auf mehrere Arten wie z. B. durch Konvektion. Eine wesentliche Rolle spielt auch die Absorption der längerwelligen Wärmeabstrahlung von der Erde in den Weltraum in bestimmten Wellenlängenbereichen, denn ein Körper, der Strahlung emittiert, absorbiert auch (Kirchhoffsche Gesetze). In populärwissenschaftlichen Darstellungen wird oft nur die Absorption genannt, die Emission ist der Faktor, der die globale Erwärmung bestimmt.
Die Strahlung aus den Treibhausgasen, die zur Erdoberfläche geht, wird, da sie der Wärmeabstrahlung der Erde entgegengesetzt gerichtet ist, auch als atmosphärische Gegenstrahlung bezeichnet.
Die Anteile von Konvektion und Strahlung am Energieaustausch variieren mit der Höhe.
Je wärmer die Erdoberfläche wird, um so mehr strahlt die Erde Energie in den Wellenlängenbereichen, in denen die Atmosphäre transparent ist, in den Weltraum ab. Gleichzeitig wird aber auch der Energieeintrag in die Atmosphäre auf zwei Wegen größer: Erstens dadurch, dass sich die Atmosphäre auf die warme Erdoberfläche stützt (Wärmeübertragung durch Konvektion) und zweitens durch die teilweise Absorption der erhöhten Abstrahlung des Bodens. Ein erhöhter Energieeintrag erfordert im Gleichgewicht auch einen höheren Energieaustrag, der durch die schon erwähnte Strahlung aus den Treibhausgasen erfolgt. Dieser Prozess der Erwärmung und Strahlungszunahme setzt sich so lange fort, bis alle Energiebilanzen ausgeglichen sind. Dann herrscht, auf erhöhtem Temperaturniveau, an der Erdoberfläche ein Gleichgewicht zwischen absorbierter Strahlung und Energieverlust.
Treibhausgase gibt es in der Atmosphäre von Natur aus, vor allem die genannten Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Die von ihnen verursachte Temperaturerhöhung wird als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet. Ohne diesen läge die längerfristig und global gemittelte bodennahe Lufttemperatur der Erde bei etwa -18 °C und damit um ungefähr 33 °C unter dem heute tatsächlich vorhandenen Mittelwert von etwa +15 °C. Die Erde wäre damit für die meisten höheren Lebewesen unbewohnbar. Die Hauptbestandteile der Erdatmosphäre sind Stickstoff, Sauerstoff und Argon mit zusammen über 99,9 % Masseanteil. Sie entfalten dabei so gut wie keine Treibhauswirkung. Lediglich die geringen Konzentrationen der genannten Treibhausgase ermöglichen gemeinsam mit dem Wasserdampf menschliches Leben auf der Erde.
Seit der Industriellen Revolution verstärkt der Mensch den natürlichen Treibhauseffekt durch den Ausstoß von Treibhausgasen.[4][5] Dabei entsteht die zusätzliche Erwärmung der Erdoberfläche nicht durch zusätzliche Absorption (die Atmosphäre ist in den relevanten Wellenlängenbereichen schon so gut wie undurchsichtig), sondern hauptsächlich durch Veränderung der Emission, da für den Treibhauseffekt nur Strahlung relevant ist, die die Erdoberfläche erreicht. Strahlung aus größeren Höhen wird von den Treibhausgasen weitgehend absorbiert. Da mit zunehmender Konzentration der Treibhausgase der Höhenbereich, aus dem die Strahlung die Erdoberfläche erreicht, immer niedriger wird, wird die Strahlung, die die Erdoberfläche erreicht, immer stärker. Das ist so, weil in niedrigeren Höhen die Temperatur höher ist und die Strahlstärke mit der Temperatur steigt.
Nach Messungen aus Eisbohrkernen betrug die Konzentration von CO2 in den letzten 800.000 Jahren nie mehr als 300 ppmV (parts per million, Teile pro Million Volumenanteil).[6][7] Die Konzentration des CO2 ist vor allem durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe sowie in geringerem Maße durch die Zementindustrie und großflächige Entwaldung seit Beginn der Industrialisierung auf heute über 385 ppmV gestiegen. Dies ist wahrscheinlich der höchste Wert seit 20 Millionen Jahren.[8] Im Jahr 2006 gelangten weltweit 36,3 Gt von Menschen zusätzlich produziertes CO2 oder ca. 9,9 Gt Kohlenstoff in die Atmosphäre.[9] Der Volumenanteil von Methan beträgt statt 730 ppbV heute 1.783 ppbV (parts per billion, Teile pro Milliarden Volumenanteil). Dies ist der höchste Stand seit mindestens 800.000 Jahren.[10] Als Hauptursache hierfür ist die Massentierhaltung[11] anzuführen, gefolgt von weiteren landwirtschaftlichen Aktivitäten wie dem Anbau von Reis. Der Volumenanteil von Lachgas stieg von 270 ppbV auf mittlerweile 319 ppbV.[12]
In der Klimatologie ist es Konsens, dass diese gestiegene Konzentration der vom Menschen in die Erdatmosphäre freigesetzten Treibhausgase die wichtigste Ursache der globalen Erwärmung ist,[13][14] da ohne sie die gemessenen Temperaturen nicht zu erklären sind.[15][16] [17] Das IPCC schätzt den Grad des wissenschaftlichen Verständnisses über die Wirkung von Treibhausgasen als „hoch" ein.[2]
Einer online veröffentlichten internationalen Umfrage aus dem Jahr 2007 zufolge teilen 45-50% der Klimaforscher die Positionen des IPCC, während jeweils 15-20% die IPCC-Berichte für unter- oder übertrieben halten. Wenigstens 97% der teilnehmenden Wissenschaftler bestätigen die Aussage, wonach die menschlichen Emissionen von Kohlendioxid einen wichtigen Bestandteil des Klimasystems darstellen und wenigstens teilweise für die Erwärmung der letzten Jahrzehnte verantwortlich seien.[18] Bei einer Umfrage im Sommer 2006 unter deutschen Klimaforschern gaben 38 % der Befragten an, die These der anthropogenen Ursachen der anthropogenen Ursachen der Temperaturerhöhung im 20. Jahrhundert gelte als bewiesen, 56 % sagten diese These werde hier und dort noch angezweifelt, und 5 % zufolge werde sie noch heftig angezweifelt. 46 % der befragten Klimaforscher an, dass die Klimaentwicklung der letzten 50 Jahre überwiegend vom Verhalten des Menschen beeinflusst sei, 27 % gaben anthropogene und natürliche Faktoren zu gleichen Teilen als wahrscheinlichste Ursache an, 11 % stimmten für überwiegend natürliche Ursachen.[19]
Neben Treibhausgasen tragen noch andere, weniger bedeutende Faktoren zur globalen Erwärmung bei. Besonders der Beitrag erhöhter Strahlungsintensität der Sonne ist hier zu erwähnen, auch wenn er unterschiedlich stark gewichtet wird. Das wissenschaftliche Verständnis über den Einfluss der schwankenden Sonnenaktivität auf das Klima wird vom IPCC als „gering“ eingeschätzt.[2]
Ein sehr hoher Wert in der wissenschaftlichen Literatur findet sich bei Stott et al. (2003), welche den solaren Anteil an der beobachteten globalen Erwärmung zwischen 1950 und 1999 auf einen Bereich zwischen 16 % und maximal 36 % schätzen.[20] Einer Studie von Scafetta und West (2007) zu Folge könnte die Sonne sogar zwischen 8% und 42% zur globalen Erwärmung seit 1950 beigetragen haben.[21]
Die Sonne befindet sich nach Sami Solanki, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, seit 70 Jahren in einem Aktivitätsmaximum, beobachtbar an der Zahl der Sonnenflecken, und strahle so stark wie seit 8.000 Jahren nicht mehr.[22] Solanki selbst sagt, dass trotz dieser ungewöhnlichen Aktivität eine solare Ursache der globalen Erwärmung während der vergangenen Jahrzehnten unwahrscheinlich sei,[23] die Sonne nicht der dominante Faktor gewesen sein und ihr Anteil an der Erwärmung seit 1970 bei maximal 30 % gelegen haben könne.[24] Natalie Krivova, eine Kollegin Solankis, schreibt es sei „sehr wahrscheinlich, dass die Sonne nach 1980 nicht in irgendeiner signifikanten Weise zur globalen Erwärmung beigetragen“ habe.[25] Solankis Analyse der Sonnenaktivität ist zudem Kritik ausgesetzt, die vor allem seine Methode zur Rekonstruktion vergangener Jahrtausende umfasst.[26] Andere Rekonstruktionen ergeben kaum einen Zusammenhang zwischen Sonnenflecken und Erdtemperaturen seit dem 17. Jahrhundert.[27]
Henrik Svensmark stellte die Hypothese von einem Zusammenhang des Klimas mit kosmischer Strahlung auf.[28] Die kosmische Strahlung, die durch eine zunehmende magnetische Sonnenaktivität stärker von der Atmosphäre abgelenkt und damit in ihrer Intensität vermindert werde, solle eine Rolle bei der Wolkenbildung spielen. Die abnehmende Wolkenbedeckung sei eine wesentliche Ursache der gemessenen Erwärmung. Diese Theorie vertritt ebenso der Astrophysiker Nir Shaviv.[29] Der von Svensmark angenommene statistische Zusammenhang von kosmischer Strahlung und Wolkenbedeckung wurde später als wissenschaftliches Artefakt entlarvt.[30] [31] Laut einer weiteren Studie von 2008 gibt es bislang keine Belege für eine Verbindung zwischen kosmischer Strahlung und der globalen Erwärmung.[32]
Auch andere Forscher schätzen den Anteil der Sonnenaktivität an der beobachtbaren Erwärmung übereinstimmend als gering ein. Bis 1970 zeige sich zwar noch eine relativ gute Korrelation des Helligkeitsanstiegs der Sonne mit der gemessenen globalen Erwärmung, aber spätestens seitdem seien Treibhausgase eindeutig die hauptsächlichen Antreiber der Temperaturentwicklung gewesen.[33] Das IPCC schätzt, dass die Sonne seit der Industrialisierung etwa 0,12 Watt pro Quadratmeter (mit einem Unsicherheitsbereich von 0,06 bis 0,30 W/m2) zur Erderwärmung beigetragen hat, im Vergleich zu anthropogenen Treibhausgasen und ihrem Beitrag von 2,63 (± 0,26) W/m2 nur ein kleiner Bruchteil.[2]
Die seit 1978 direkt aus dem Orbit gemessenen Veränderungen der Sonnenaktivität sind für sich allein zu geringfügig, um die Ursache für die sich beschleunigende Erwärmung der letzten 30 Jahre gewesen zu sein.[34] Wenn überhaupt, dann hätte sich die Erde in den letzten Jahren eher abgekühlt, da die Aktivität zurück ging.[35]
Im Klimasystem ebenfalls eine nicht zu vernachlässigende Rolle spielen feine Partikel in der Atmosphäre, die so genannten Aerosole. Diese reflektieren teilweise einkommende Strahlung und tragen so zur Abkühlung der unteren Luftschichten bei. Welche Effekte sie genau auf das Klima haben, kann gegenwärtig nur mit recht großen Unsicherheiten beschrieben werden. Das IPCC stuft den Grad des wissenschaftlichen Verständnisses bezüglich der Aerosole zwischen „mittel“ und „gering“ ein.[2]
Die Wirkung eines Aerosols auf die Lufttemperatur ist abhängig von seiner Flughöhe in der Atmosphäre. In der untersten Atmosphärenschicht, der Troposphäre, sorgen Rußpartikel für einen Temperaturanstieg, da sie das Sonnenlicht absorbieren und anschließend Wärmestrahlung abgeben. In der Region um den Indischen Ozean konnte beispielsweise der Beitrag einer so genannten permanenten „braunen Wolke“ an der regionalen Erwärmung auf etwa den gleichen Anteil beziffert werden wie durch Treibhausgase.[36] Ebenfalls zu einer Erwärmung führt die verringerte, Albedo genannte Reflexivität der Oberfläche von Schnee- und Eisflächen in Folge von niedergegangenen Rußpartikeln. In höheren Luftschichten hingegen sorgen diese Partikel durch ihre abschirmende Wirkung dafür, dass es an der Erdoberfläche kühler wird. Neben Ruß kommen vor allem Mineralpartikel als Aerosole in der Atmosphäre vor. Sie werden hauptsächlich durch Landwirtschaft und Industrieanlagen aber auch in erheblichen Mengen natürlich durch die Wüsten[37] freigesetzt. Ihre helle und reflektierende Oberfläche sorgt vermutlich ebenfalls hauptsächlich für eine Abkühlung der unteren Atmosphäre.
Einen großen Unsicherheitsfaktor bei der Bemessung der Klimawirkung von Aerosolen macht auch ihr Einfluss auf die ebenfalls nicht vollständig verstandenen Wolken aus. Trotz aller Unsicherheiten wird der Nettoeffekt aller Schwebeteilchen als deutlich abkühlend eingeschätzt. Die nach dem Zweiten Weltkrieg schnell wachsende Wirtschaft und die in der Folge entstehende starke Luftverschmutzung hatte dafür gesorgt, dass bis in die 1970er Jahre hinein ein starker aerosolbedingter Kühleffekt die eigentlich zu erwartende Erwärmung „maskiert“ hat (siehe Globale Abkühlung). Zwischen 1950 und 1975 verdoppelte sich der Ausstoß von Sulfaten von etwa 35 auf über 70 Millionen Tonnen jährlich, um dann zunächst auf diesem Niveau zu verharren und ab Ende der 1980er Jahre wieder zu fallen. 2000 lag der Sulfatausstoß bei etwa 55 Millionen Tonnen.[38] Ab 1960 hatte sich der Ausstoß von Treibhausgasen rapide verstärkt, so dass die von den Sulfaten verursachte Luftverschmutzung die aufheizende Wirkung der Gase nicht mehr ausgleichen konnte.[15] Die starke Präsenz von Sulfaten in der Atmosphäre ist zudem von deutlichen negativen Folgen etwa in Form des sauren Regens oder verbreiteter auftretenden Gesundheitsproblemen wie Asthma begleitet.
Siehe auch: Globale Verdunkelung
Als Hauptbeweis für die derzeitige globale Erwärmung gelten die seit etwa 1860 vorliegenden weltweiten Temperaturmessungen sowie die Auswertungen verschiedener Klimaarchive. Diese zeigen eine Zunahme der global gemittelten bodennahen Lufttemperatur um 0,74 °C (± 0,18 °C Fehlertoleranz) zwischen 1906 und 2005. Am ausgeprägtesten ist die Erwärmung von 1975 bis heute. 2005 war das wärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen.[39] Eine zweite deutliche Erwärmungsphase war zwischen 1910 und 1945 zu beobachten, in der aufgrund der noch vergleichsweise geringen Konzentration von Treibhausgasen auch natürliche Schwankungen einen deutlichen Einfluss hatten. Die Zwischenphase ohne Erwärmung wurde hauptsächlich mit einer erhöhten Konzentration von schwefelhaltigen Staubteilchen (Sulfat Aerosole) in der Luft erklärt, welche zunächst einen direkten abkühlenden Effekt haben, deren Gesamtwirkung auf das Klima aber nicht genügend erforscht ist.[40] Eine 2008 veröffentlichte Studie hat gezeigt, dass die Temperaturabnahme von etwa 0,3°C um 1945, die in den Daten des britischen Hadley Center vorkommt (siehe rechts), möglicherweise auf eine nicht korrigierte Abweichung bei der Messung der Meerestemperaturen zurückzuführen ist.[41]
In den zurückliegenden 30 Jahren nahm die globale Durchschnittstemperatur nach Bodenmessungen um ca. 0,17 °C pro Jahrzehnt zu.[42] Dies wird durch Satellitenmessungen bestätigt, die ähnliche Erwärmungstrends zeigen. Die Satellitendaten wurden von verschiedenen Forschungsgruppen ausgewertet, die zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Nach RSS (Remote Sensing Systems) beträgt der Trend 0,175 °C[43] und nach UAH (University of Alabama in Huntsville) 0,14 °C pro Jahrzehnt[44] für die letzten 30 Jahre. Neben der Luft haben sich auch die Ozeane erwärmt. Während sich diese insgesamt seit 1955 aufgrund ihres enormen Volumens und ihrer großen Temperaturträgheit nur um 0,04 °C[45] aufgeheizt haben, erhöhte sich ihre Oberflächentemperatur im selben Zeitraum um 0,6 °C.[46]
Verglichen mit den Schwankungen der Jahreszeiten sowie beim Wechsel von Tag und Nacht erscheinen die genannten Zahlen gering, als globale Änderung des Klimas bedeuten sie jedoch sehr viel – besonders wenn man die um nur etwa 6 °C niedriger liegende Durchschnittstemperatur auf der Erde während der letzten Eiszeit bedenkt.[47] Wissenschaftler des US-amerikanischen National Research Council gehen von den gegenwärtig höchsten erlebten Temperaturen seit mindestens 400 Jahren aus, wahrscheinlich sogar seit wenigstens 1000 Jahren.[48]
Mit der Ausnahme weniger Regionen ist seit 1979 weltweit eine Erwärmung zu verzeichnen gewesen.[49] Die Luft über Landflächen erwärmt sich allgemein stärker als über Wasserflächen.[50] Folglich stiegen die Temperaturen auf der Nordhalbkugel, auf der sich der Großteil der Landflächen befindet, in den vergangenen 100 Jahren stärker an als auf der Südhalbkugel.[51] Die Nacht- und Wintertemperaturen stiegen etwas stärker an als die Tages- und Sommertemperaturen.[52] [53] Aufgeteilt nach Jahreszeiten wurde die größte Erwärmung während der Wintermonate gemessen, und dabei besonders stark über dem westlichen Nordamerika, Skandinavien und Sibirien.[54] Im Frühling stiegen die Temperaturen am stärksten in Europa sowie in Nord- und Ostasien an. Im Sommer waren Europa und Nordafrika am stärksten betroffen, und im Herbst entfiel die größte Steigerung auf den Norden Nordamerikas, Grönland und Ostasien.[49] Besonders markant fiel die Erwärmung in der Arktis aus, wo sie im jährlichen Mittel etwa doppelt so hoch ist wie im globalen Durchschnitt.[55] [56]
Neben einer abnehmenden Zahl extremer Kälteereignisse kam es auch zu zunehmenden Hitzewellen.[49][57] Zwischen 1950 und 1980 verringerte sich zunächst die Anzahl von Tagen mit extremer Kälte mehr als die Zahl der Hitzetage zunahm; die Tiefsttemperaturen stiegen während dieser Zeit stärker an als die Höchsttemperaturen (um 0,204°C bzw. 0,141°C pro Jahrzehnt).[52] Seit 1980 zeigt sich dieser Trend nicht mehr, seitdem erhöhen beide Werte praktisch in gleichem Maße (0,295°C bzw. 0,287°C pro Jahrzehnt).[52]
Für die verschiedenen Luftschichten der Erdatmosphäre wird theoretisch eine unterschiedliche Erwärmung erwartet und faktisch auch gemessen. Während sich die Erdoberfläche und die niedrige bis mittlere Troposphäre erwärmen sollten, lassen Modelle für die höher gelegene Stratosphäre eine Abkühlung vermuten.[58] Tatsächlich wurde genau dieses Muster in Messungen gefunden. Die Satellitendaten zeigen eine Abnahme der Temperatur der unteren Stratosphäre von 0,314 °C pro Jahrzehnt während der letzten 30 Jahre.[59] Diese Abkühlung wird zum einen durch den verstärkten Treibhauseffekt und zum anderen durch Ozonschwund durch FCKWs in der Stratosphäre verursacht.[60] [61] Wäre die Sonne maßgebliche Ursache, hätten sich alle Schichten gleichermaßen erwärmen müssen.[58] Nach dem gegenwärtigen Verständnis heißt dies, dass der überwiegende Teil der beobachteten Erwärmung durch menschliche Aktivitäten verursacht sein muss. In einer 2007 erschienenen Modellstudie konnte entsprechend der natürliche Anteil an der Erwärmung des 20. Jahrhunderts auf unter 0,2 °C eingegrenzt werden.[62]
Bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre geht die Klimaforschung davon aus, dass die Erhöhung der Erdmitteltemperatur mit 95%iger Wahrscheinlichkeit innerhalb von 1,5 °C bis 4,5 °C liegen wird.[63] Dieser Wert ist auch als Klimasensitivität bekannt. Das IPCC rechnet abhängig von den Zuwachsraten aller Treibhausgase und dem angewandten Modell bis 2100 mit einer Zunahme der globalen Durchschnittstemperatur um 1,1 °C bis 6,4 °C.[2]
Der dabei maßgebliche, allerdings auch der mit der größten Unsicherheit behaftete Parameter ist die Prognose über die zukünftige Entwicklung der Weltwirtschaft. Da das Wirtschaftswachstum der Welt in der Vergangenheit stark mit dem Verbrauch an fossilen Energieträgern korrelierte[64] und dies auch in der näheren Zukunft erwartet werden kann, erklärt sich hieraus die relativ große Bandbreite der von den Klimatologen prognostizierten globalen Erwärmung.
Des Weiteren kann das Klimasystem noch einige „Überraschungen“ in Form von Rückkopplungen beinhalten. Diese können die globale Erwärmung entweder verstärken oder abschwächen. Zum Beispiel führt die schmelzende Eisdecke in der Arktis zu einer Verringerung der Albedo. Das an der Stelle des bisherigen Eises dann vorzufindende dunklere Meerwasser nimmt deutlich mehr Wärmeenergie auf und führt zu weiterem Abschmelzen des umliegenden Polareises. Solche Rückkopplungen sind sehr schwierig zu modellieren. Dennoch schätzt aus diesem und anderen Gründen ein Beitrag von Barrie Pittock in Eos, der Publikation der American Geophysical Union, dass die zukünftige Erwärmung unter Umständen noch über die vom IPCC genannten Bandbreiten hinausgehen könnte. Unter den acht Gründen für seine Vermutung befinden sich unter anderem der Rückgang der globalen Verdunkelung, das vorher ungeahnt schnelle Zurückweichen des arktischen Meereises und das Auftreten von mit Biomasse zusammenhängenden Rückkopplungs-Effekten.[65]
Eine Berechnung unter Annahme von solchermaßen ungünstig eintretenden Rückkopplungen wurde von Wissenschaftlern der University of California, Berkeley erstellt. Diese nahmen an, dass der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre sich von den derzeitigen etwa 380 ppmV bis 2100 auf etwa 550 ppmV erhöhen wird. Dies sei allein der von der Menschheit bewirkte anthropogene Zuwachs. Die Forscher machen dann darauf aufmerksam, dass die erhöhte Temperatur selbst wieder ökologische und chemische Prozesse anstößt oder verstärkt, die zu zusätzlicher Freisetzung von Treibhausgasen, insbesondere Kohlendioxid und Methan, führen. Sie nennen die bei ansteigender Temperatur erhöhte Freisetzung von Kohlendioxid aus den Weltmeeren und die beschleunigte Verrottung von Biomasse, was zu zusätzlichen Mengen an Methan und Kohlendioxid führt. Am Ende kommen sie zu dem Ergebnis, dass die globale Erwärmung noch um 2 °C stärker ausfallen kann, als dies mit den Klimasimulationen ohne Berücksichtigung dieser Rückkopplung der Fall wäre.[66]
Erschwert werden derartige, globale Prognosen auch noch durch das Auftreten von separaten und nur schwer zu modellierenden, lokalen Rückkopplungsprozessen in der Arktis, in der unmittelbaren Nachbarschaft von sich zurückziehenden Gletschern oder im Permafrost Westsibiriens. Durch derartige lokale Klimaveränderungen (z. B. +3 °C innerhalb von 40 Jahren in Westsibirien) können wiederum auch bei geringer globaler Erwärmung vor Ort wichtige kritische Grenzwerte erreicht werden.[67]
Derartige lokale Phänomene sind von zentraler Bedeutung in der Nähe bedeutender Methanvorkommen. Ein besonderes Augenmerk gilt hier dem sibirischen Permafrost mit 70 Milliarden Tonnen Methan [68] und den ungleich größeren Gashydratvorkommen in der Tiefsee. [69] [70]
Aufgrund verfeinerter Vorhersagen, welche auch Meeresströmungen einbeziehen, wurde im Mai 2008 für das kommende Jahrzehnt eine Abmilderung des globalen Erwärmungstrends vorhergesagt. [71] [72]
→ Hauptartikel: Folgen der globalen Erwärmung
Wegen der Auswirkungen auf menschliche Sicherheit, Gesundheit, Wirtschaft und Umwelt ist die globale Erwärmung mit großen Risiken behaftet. Einige mit ihr zusammenhängende Umweltveränderungen sind schon heute wahrzunehmen. Diese Veränderungen wie die verringerte Schneebedeckung, der steigende Meeresspiegel, die Gletscherschmelze und zu beobachtende Wetterveränderungen gelten neben den Temperaturmessungen als Belege für den Klimawandel. Sie sind Beispiele für jene Konsequenzen der globalen Erwärmung, die nicht nur Aktivitäten des Menschen beeinflussen, sondern auch die Ökosysteme. Die Folgen des Klimawandels könnten dabei so vielfältig und umfassend sein, dass im Folgenden nur ein kleiner Ausschnitt von ihnen aufgezeigt werden kann.
Die Risiken für Ökosysteme auf einer erwärmten Erde wachsen erheblich mit dem Grad des Temperaturanstiegs. Nach einer Studie von William Hare vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung sind die Risiken unterhalb einer Erwärmung von 1 °C vergleichsweise gering, für anfällige Ökosysteme jedoch bereits nicht zu vernachlässigen. Zwischen 1 °C und 2 °C Erwärmung liegen signifikante und auf regionaler Ebene mitunter substanzielle Risiken vor. Eine Erwärmung oberhalb von 2 °C birgt erhöhte Risiken für das Aussterben zahlreicher Tier- und Pflanzenarten, deren Lebensräume nicht länger ihren Anforderungen entsprechen. Diese Arten werden verdrängt oder können aussterben, wenn sie den sich geografisch schnell verschiebenden Ökozonen nicht folgen können.[103] Andere Arten können sich unter den veränderten Bedingungen stärker ausbreiten. Bei über 3 °C droht sogar der völlige Kollaps von Ökosystemen, deutlich verstärkt auftretende Hunger- und Wasserkrisen sowie weitere sozioökonomische Schäden, besonders in Entwicklungsländern.[104] Einer Studie der York University zufolge könnte der erwartete globale Temperaturanstieg ein neues Massensterben auslösen, dem mehr als 50 Prozent der Tier- und Pflanzenarten zum Opfer fallen.[105]
Schließlich erfolgt die globale Erwärmung nicht zwingend graduell, sondern sie kann auch abrupt stattfinden. Auch wenn das folgende Szenario als zumindest mittelfristig sehr unwahrscheinlich bewertet wird, kann der Klimawandel zu veränderten Meeresströmungen und hierbei besonders zu einem Versiegen des Nordatlantikstroms, einem Ausleger des Golfstroms, führen. Dies hätte einen massiven Kälteeinbruch in ganz Westeuropa und Nordeuropa zur Folge. Falls sich das Klima weiter erwärmt, könnte es mit der Zeit auch zu Veränderungen anderer ozeanischer Strömungen kommen, mit weitreichenden Konsequenzen für den globalen Energiehaushalt. Diese Worst-Case-Annahme war Thema einer Studie des US-Verteidigungsministeriums von 2003, die von massiven politischen Umwälzungen in Folge einer solchen Entwicklung ausging.[106] Einer Anfang 2008 veröffentlichen Studie zufolge, ist es infolge der Erwärmung seit der letzten Eiszeit zu einer Verstärkung der ozeanischen Zirkulation gekommen, und eine weitere Erwärmung der mittleren Atmosphärenschichten in Zusammenhang mit der Globalen Erwärmung würde zu einer weiteren Verstärkung der Meeresströmungen führen.[107]
→ Hauptartikel: Klimapolitik
Das Ausmaß der möglichen Konsequenzen der globalen Erwärmung führt zur Frage, wie diese verhindert oder ihre Folgen zumindest gemildert werden können. Die Grenze von tolerablem zu „gefährlichem“ Klimawandel wird politisch beispielsweise von der Europäischen Union mit einer Erwärmung um höchstens 2 °C benannt. Auch der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU) empfiehlt die Erwärmung bei höchstens 2 °C zu begrenzen.[108] Bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts müsste dafür der CO2-Ausstoß um etwa 80 % bis 90 % im Vergleich zu 2005 reduziert werden, damit die CO2-Konzentration nicht über 450 ppm steigt.[109] Bislang zeigt die Entwicklung der weltweiten Emissionen von Treibhausgasen allerdings weiterhin einen deutlichen Anstieg und keine Verminderung an.
Auf globaler, regionaler und lokaler Ebene sind zahlreiche Maßnahmen zum Klimaschutz möglich und teilweise bereits beschlossen. Global stellen die Klimarahmenkonvention (UNFCCC) der Vereinten Nationen und das daran angeschlossene Kyōto-Protokoll die einzig völkerrechtlich verbindlichen Regelungen zum Klimaschutz dar. Die Klimarahmenkonvention wurde 1992 in New York City verabschiedet und im gleichen Jahr auf der UN-Konferenz für Umwelt und Entwicklung (UNCED) in Rio de Janeiro von den meisten Staaten unterschrieben. Mit der Rahmenkonvention geht als neu entstandenes Prinzip der Staatengemeinschaft einher, dass auf eine massive Bedrohung der globalen Umwelt auch ohne endgültige Beweise für ihr genaues Ausmaß reagiert werden soll. Auf der Rio-Konferenz wurde auch die Agenda 21 verabschiedet, die seitdem Grundlage für viele lokale Schutzmaßnahmen ist.
Die derzeit 189 Vertragsstaaten der Rahmenkonvention treffen sich jährlich auf der UN-Klimakonferenz. Die bekannteste dieser Konferenzen fand 1997 im japanischen Kyōto statt und brachte als Ergebnis das genannte Kyōto-Protokoll hervor. Hierin wurde die Reduktion der Treibhausgasemissionen aller industrialisierten Staaten auf ein bestimmtes Niveau festgeschrieben. Einigen dieser Staaten wurden noch begrenzte Steigerungen ihres Ausstoßes zugestanden. Das Kyōto-Protokoll ist mittlerweile von fast allen Staaten mit Ausnahme der USA und Australiens ratifiziert worden. Es enthält aus Sicht des Klimaschutzes nur vergleichsweise geringe und unzureichende Reduktionsverpflichtungen, die zudem nicht über das Jahr 2012 hinaus reichen. Derzeit läuft der Post-Kyoto-Prozess, in dem über die Zukunft der Klimapolitik verhandelt wird.
→ Hauptartikel: Klimaschutz
Neben der politischen existieren auf der technischen Ebene eine Vielzahl von Optionen zur Verminderung von Treibhausgasemissionen. So ließe sich theoretisch auch mit heutigen Mitteln ein effektiver Klimaschutz realisieren.[110] Besonders den erneuerbaren Energien kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu.[111] Die bestehenden Schwierigkeiten und vor allem die Kosten einer solchen Vermeidungsstrategie hemmen bislang die notwendigen Investitionen. Dem gegenüber wurde ein vollständiger Klimaschutz mit Kosten von weniger als 1 % des Welt-Bruttosozialprodukts geschätzt.[112] [113] Im Kontrast zu den genannten möglichen Schäden eines ungebremsten Klimawandels würde dieser Vermeidungsansatz je nach Quelle unter 30 Billionen Dollar kosten. Die Kosten für rasche globale Maßnahmen gegen die Belastung der Erdatmosphäre beziffert Nicholas Stern, der frühere Chefökonom der Weltbank, mit 275 Milliarden Euro.[114]
Zudem bestehen Möglichkeiten, durch individuelle Verhaltensumstellungen und veränderten Konsum, einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Hierzu können unter anderem verstärkte Energieeinsparung durch sparsameres Verhalten oder den Einsatz effizienterer Geräte, der Umstieg auf umweltfreundlichere Verkehrsmittel, der Kauf von Produkten der eigenen Region, was emissionsintensive weite Transportwege vermeidet, die Verkürzung der Nahrungskette durch Umstieg von tierischen auf pflanzliche Nahrungsmittel, sowie die Investition in erneuerbare Energieträger im privaten Bereich, gezählt werden.
→ Hauptartikel: Klimatologie
Mit den Methoden der Klimaforschung ist das Problem der globalen Erwärmung in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter untersucht worden. Die Hauptarbeit der Klimatologie in diesem Bereich besteht in der Feldbeobachtung und der Auswertung klimatologischer Daten. Hierzu gehören Temperaturmessungen, Niederschlagsdaten, Satellitenbilder, Eisbohrkerne, das Wanderverhalten von Tierarten und vieles mehr. Entgegen der weit verbreiteten Annahme, die globale Erwärmung sei hauptsächlich durch Computermodelle ermittelt worden, sind die so gesammelten Daten der eigentliche Kern des Wissens um den Klimawandel.
Eine Beschreibung der Geschichte der Wissenschaft über die globale Erwärmung findet sich bei Spencer R. Weart, Direktor des Center for History of Physics in den USA.[115] Ihm zufolge hat den Beginn der Erforschung der globalen Erwärmung vermutlich Jean Baptiste Joseph Fourier (1768–1830) mit seiner Entdeckung des Treibhauseffektes im Jahr 1824 gemacht. John Tyndall konnte 1862 auf Fouriers Arbeiten aufbauend die für diesen Effekt verantwortlichen Gase identifizieren, allen voran Wasserdampf und Kohlendioxid. Über dreißig Jahre später, im Jahr 1896, veröffentlichte der schwedische Wissenschaftler Svante Arrhenius (1859–1927) als erster darauf aufbauend die Theorie, dass die Anreicherung von Kohlendioxid in der Atmosphäre die Temperatur auf der Erde erhöhen könnte.[116] Für diesen war die Zeitskala, auf der sich solche Veränderungen abspielen konnten, allerdings auf zehntausende von Jahren gestreckt.
In den 1930er Jahren bemerkten einige US-Amerikaner, dass sich die Temperaturen in ihrer Region in den vorangehenden Jahrzehnten erhöht hatten. Bis auf einzelne Stimmen wurde dieses Ereignis allerdings weithin für ein natürliches Phänomen gehalten. Der deutsche Klimatologe Hermann Flohn war in Deutschland der erste Wissenschaftler, welcher aufgrund empirischer Daten auf den Klimawandel hinwies. Flohn habilitierte im Deutschland des Nationalsozialismus und veröffentliche 1941 seinen ersten Artikel zur globalen Erwärmung, Die Tätigkeit des Menschen als Klimafaktor in der Zeitschrift für Erdkunde. In den späten 1950er Jahren wurde dann erstmals nachgewiesen, dass sich künstlich freigesetztes Kohlendioxid in der Atmosphäre anreichern kann. Pionierarbeit leistete hierbei der US-Amerikaner Roger Revelle als Direktor der Scripps Institution of Oceanography. Der ebenfalls dort angestellte Charles David Keeling (1928–2005) bestieg 1958 den Berg Mauna Loa auf Hawaii (Big Island) und begann dort mit regelmäßigen Messungen des CO2-Gehalts in der Atmosphäre. Dabei fand er ein typisches, schwankendes Muster des Kohlendioxidanteils von etwa 5 ppm CO2 pro Jahr, das auf die im Frühjahr wachsende Vegetation der größeren Landfläche der Nordhalbkugel zurückzuführen ist. Trotz der Schwankungen wurde bald klar, dass der Gesamtanteil des Treibhausgases in der Atmosphäre kontinuierlich anstieg. Beide Phänomene sind gut sichtbar in der sägezahnartig nach oben weisenden, nach ihrem Ersteller ernannten Keeling-Kurve.
Mit dem Aufkommen der Umweltbewegung in den 1970er Jahren wurde das Thema auch einer breiteren Öffentlichkeit bekannt. Kurioserweise kühlte sich die Erde zwischen den 1940er und 1970er Jahren ab, so dass in den verunsicherten Medien stellenweise über die so genannte Globale Abkühlung berichtet wurde. In der Wissenschaft wurde hingegen bereits damals die Meinung vertreten, dass die stark gestiegene Luftverschmutzung und die damit verbundene Globale Verdunkelung für die Abkühlung verantwortlich sei.
Erste Computerprogramme zur Modellierung des Klimas wurden geschrieben und begannen die Wirkung eines erhöhten CO2-Gehalts in der Atmosphäre zu simulieren. Im Jahr 1988, dem damals wärmsten seit Beginn der Aufzeichnungen, richtete die internationale Staatengemeinschaft dann ein wissenschaftliches Gremium ein, das systematisch die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf das Klima untersuchen sollte: Das IPCC.
→ Hauptartikel: Intergovernmental Panel on Climate Change
Als internationale Institution wurde 1988 der Zwischenstaatliche Ausschuss über den Klimawandel (Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)) eingerichtet. Er fasst für seine Berichte die weltweiten Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Klimaveränderung zusammen und bildet damit den aktuellen Stand des Wissens in der Klimatologie ab. Die jüngste Zusammenfassung, der Vierte Sachstandsbericht, wird in drei Teilschritten zwischen Februar und Mai 2007 veröffentlicht. In jedem Sachstandsbericht werden mehrere tausend wissenschaftliche Einzelbeiträge gesichtet und zusammenfassend dargestellt.
Die Berichte können als Abbildung einer Konsensposition innerhalb der Klimatologie gelten, da sie alle relevanten Informationen und Ergebnisse aus Fachbeiträgen bündeln. Diesen Konsens verdeutlicht auch ein Essay von Naomi Oreskes, dem zufolge sich in einer Auswahl von 928 Abstracts aus einer wissenschaftlichen Datenbank mit dem Stichwort „global climate change“ unter diesen kein einziger finden ließ, der den grundlegenden vom IPCC vertretenen Thesen widersprochen hätte.[13] Der starke Konsens wird auch in einer gemeinsamem Stellungnahme der Nationalen Akademien der Wissenschaften aller G8-Länder sowie Indiens, Brasiliens und Chinas von 2005 deutlich, die ihn ausdrücklich bestätigten.[14]
| Die vier Szenariofamilien[117][118] des Fourth Assessment Report des IPCC und die prognostizierte Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur bis 2100 | ||
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Wirtschaftsorientiert (ökonomisch ausgerichtet) |
Umweltorientiert (ökologisch ausgerichtet) |
| Globalisierung (homogene Welt) |
A1 (Hohes Wachstum) (Gruppen: A1T/A1B/A1Fl) 1,4–6,4 °C |
B1 (Globale Nachhaltigkeit) 1,1–2,9 °C |
| Regionalisierung (heterogene Welt) |
A2 (Regionalisierte Wirtschaftsentwicklung) 2,0–5,4 °C |
B2 (Regionale Nachhaltigkeit) 1,4–3,8 °C |
Im vierten IPCC-Bericht wird als Bandbreite aller Modelle und aller Szenarien bis 2100 eine Erhöhung der bodennahen Lufttemperatur von 1,1 °C bis 6,4 °C und eine Erhöhung des Meeresspiegels von 0,19 m bis 0,58 m prognostiziert. Die hauptsächliche Ursache der Erderwärmung sind mit einer angegebenen Wahrscheinlichkeit von über 90 % „sehr wahrscheinlich“ die menschlichen Emissionen von Treibhausgasen. Das IPCC berücksichtigt auch die von den erwarteten Klimaänderungen verursachten Folgen für die Zivilisation und wägt die Kosten der erwarteten Folgen gegen die Kosten der vorgeschlagenen Maßnahmen ab. Die IPCC-Berechnungen der zukünftig wahrscheinlichen Erwärmung basieren auf diversen Klimamodellen. Insgesamt wurden 400 computerberechnete Simulationen durchgeführt. In Abhängigkeit von den diversen Grundannahmen resultieren unterschiedliche Mengen von Treibhausgasen und Aerosolen, die vom Menschen verursacht werden. Die Daten berücksichtigen dabei auch die Vorhersagen von ökonomischen Modellen.
→ Siehe auch: World Meteorological Organization (WMO)
→ Hauptartikel: Klimamodell
In Ermangelung einer Ersatzerde, mit der reale Experimente möglich wären, werden zur Berechnung des globalen Klimas in der Zukunft sehr aufwändige Computermodelle verwendet. Diese benötigen entsprechend leistungsfähige Supercomputer, um in vertretbarer Zeit das Klima zu modellieren. Einen anderen Ansatz verfolgt das Projekt ClimatePrediction.net, das auf das Modell des verteilten Rechnens zurückgreift. Dieses verwendet die nicht genutzte Rechenkapazität auf zehntausenden Heimcomputern, um möglichst viele Läufe eines Klimamodells zu ermöglichen.
Die Modellierung des Klimas befindet sich in einer steten Weiterentwicklung.[119] Die Berechnung des Klimas anhand von Modellen ist wegen der Komplexität des Klimasystems mit Unsicherheiten verbunden. Diese bringen eine nicht zu vernachlässigende Fehlergrenze besonders bei Berechnungen in die Zukunft mit sich, stellen aber nach derzeitigem Kenntnisstand keine prinzipielle Hürde für die Berechnung von Temperaturen, Niederschlagsverhältnissen und weiteren Effekten der globalen Erwärmung dar. Die verfügbaren Klimamodelle wurden entsprechend angepasst, um den Verlauf des Klimas im 20. Jahrhundert recht genau wiederzugeben, so dass auch Ergebnisse für das 21. Jahrhundert trotz ihrer Fehlerspanne als plausibel angesehen werden können.
Von Klimamodellen nachvollzogene Elemente des Klimas der Erde umfassen neben den selbstverständlichen jahreszeitlichen Übergängen oder dem Tag-Nacht-Wechsel mit unterschiedlicher Genauigkeit auch Besonderheiten wie Vulkanausbrüche, Hitzewellen oder El Niños. Neben den Treibhausgasen in der Atmosphäre werden besonders Aerosole, Wolken, Ozon und Wechselwirkungen mit den Ozeanen wie auch die Einwirkung von solaren Veränderungen berücksichtigt. Dabei wird beispielsweise die Temperaturentwicklung genauer abgebildet als die Verteilung und die Menge von Niederschlägen. Eine Einschränkung der Klimamodelle stellt bislang vor allem ihre räumliche Auflösung dar. Diese erlaubt bereits relativ genaue Berechnungen für die kontinentale Ebene. Regionale Modelle weichen jedoch noch stark von dem tatsächlich beobachteten Klima ab. Die weitere Verfeinerung der regionalen Auflösung stößt einstweilen an die Grenzen des jeweiligen Standes der Computerentwicklung. Diesen Zusammenhang präzisiert eine im Sommer 2006 durchgeführte Studie unter 133 deutschen Klimaforschern [19]. Hier gaben ca. 17% der deutschen Klimaforscher an, die empirischen und theoretischen Voraussetzungen für die Berechnung des Klimas seien "heute schon erfüllt". 67 % der Forscher gaben an, dass die Voraussetzungen "noch nicht, aber in Zukunft erfüllbar" seien, nur 8% halten dies für "prinzipiell nicht erfüllbar" und die restlichen 8% hatten keine Meinung. Es wird weltweit sehr intensiv an der Verfeinerung der Klimamodelle geforscht.