KLIMAWANDEL
Die beiden Begriffe “Klimawandel” und „Erderwärmung“ werden oft synonym verwendet. Da neben den Temperaturschwankungen allerdings auch zahlreiche weitere Auswirkungen zu beobachtet sind, bevorzugen Wissenschaftler den Begriff des „Klimawandels“.
Chemie
Wasserdampf (H2O) und Kohlendioxid (CO2) sind die beiden Gase, die am meisten zur natürlichen Erwärmung der Erde beitragen. Zwar zählen daneben auch Methan, Lachgas (N2O), Ozon und Schwefelhexafluorid (SF6) zu den Treibhausgasen, allerdings haben sie aufgrund ihrer schwachen Konzentration nur eine geringe Auswirkung auf den Treibhauseffekt.
Seit dem Beginn der industriellen Revolution hat das menschliche Handeln zu einem Anstieg verschiedener Treibhausgase in der Atmosphäre geführt. Vor allem ist dabei Kohlendioxid zu nennen, das laut der Meinung vieler Wissenschaftler für die menschlich bedingte Treibhauserwärmung verantwortlich ist. Im Laufe der letzten beiden Jahrhunderte hat sich die Konzentration an Kohlendioxid in der Atmosphäre um 30 Prozent erhöht – von einem vorindustriellen Level von 270 ppm auf aktuell 384 ppm. Damit ist die heutige Konzetration an Kohlendioxid in der Atmosphäre bereits höher als jemals zuvor in den vergangenen 15.000 Jahren. Wenn sich der Verbrauch an fossilen Brennstoffen wie Kohle und Öl in diesem Jahrhundert wie prognostiziert weiterentwickelt, wird der CO2 Gehalt in der Atmosphäre bis 2100 auf 600-700 ppm steigen.
Auch die Emissionen weiterer Treibhausgase haben zugenommen. Die Konzentration von Methan in der Atmosphäre hat sich im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter verdoppelt. Treibhauschemikalien wie Fluorkohlenwasserstoffe sind künstlicher Natur und wurden erst seit Beginn der industriellen Revolution in der Atmosphäre gemessen.
Jeder Stoff hat eine unterschiedliche Aufnahmefähigkeit für Wärme und eine andere chemische Halbwertszeit. Unter letzterer wird die Zeit verstanden, die ein Molekül vor der chemischen Reaktion und Verbindung mit anderen Stoffen in der Atmosphäre verbringt. Viele Treibhausgase wie Methan oder andere Komponenten, die Halogen enthalten, tragen pro Einheit in einem viel gröβeren Maβe zum Treibhauseffekt bei als Kohlendioxid. Dieses ist allerdings anteilsmäβig viel stärker in der Atmosphäre vertreten als die anderen Gase. Durch diese hohe Konzentration ist Kohlendioxid das Gas, das am meisten zur Treibhauserwärmung beiträgt. Es kommt noch hinzu, dass die Halbwertszeit von Kohlendioxid ein Jahrhundert betragen kann, während diese für andere Stoffe nur ein paar Jahrzehnte andauert. Das heiβt Kohlendioxid, das wir heute emittieren, wird noch 2075 oder sogar 2100 in der Atmosphäre vorhanden sein.
Das Klimasystem ist sehr komplex – neben dem Treibhauseffekt gibt es viele weitere Komponenten, die das Klima beeinflussen. Dennoch verstärken sich die Anzeichen, dass menschliches Handeln Auswirkungen auf das Klima hat. Viele der weltführenden Wissenschaftler argumentieren, dass die Erderwärmung, die wir im 20. Jahrhundert erfahren haben, zumindest zu einem Teil ihren Ursprung im menschlichen Handeln hat. Der zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaveränderungen IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) sagt: „Wenn man alle Indizien abwägt, kommt man zu dem Schluss, dass der menschliche Einfluss auf das Klima deutlich erkennbar ist“.
Physik
Der Treibhauseffekt ist eine Grundvoraussetzung für Leben auf der Erde, ohne ihn könnte kein Mensch auf unserem Planeten existieren. Gäbe es ihn nicht, wäre die Erde ein kalter Planet mit einer sehr niedrigen Oberflächentemperatur deutlich unter dem Gefrierpunkt. Denn der Treibhauseffekt isoliert unseren Planeten und sorgt für milde Temperatur auf der Erdoberfläche, wodurch Leben überhaupt erst entstehen kann.
Mithilfe eines einfachen Modells können wir die Temperatur errechnen, die auf der Erde herrschen würde, wenn es den Treibhauseffekt nicht gäbe. Wir wissen , dass 340 W/m2 der Solarenergie pro Flächeneinheit auf die Erde trifft. Rund 30 Prozent davon wird reflektiert – das heiβt es verbleiben 240 Watt, die pro Quadratmeter von der Erdoberfläche aufgenommen werden.
Jeder Gegenstand mit einer Temperatur über dem Gefrierpunkt sendet eine Strahlung aus, so auch die Erde selbst. Gemäβ physikalischer Regeln beträgt die Energie, die von einem schwarzen Körper ausgestrahlt wird sT4. Dabei stellt T die Temperatur auf der Erdoberfläche und s die Stefan-Boltzmann-Konstante dar.
Gehen wir einfachheitshalber davon aus, dass sich die Erde und der Weltraum in Bezug auf die Strahlung in einem Gleichgewicht befinden - das heiβt, dass es keinen Nettogewinn oder -verlust an Hitze seitens der Erde gibt. In diesem Fall können wir die oben genannte Formel, die den Zusammenhang zwischen Sonneneinstrahlung und Stefan-Boltzmann-Konstante darstellt, nach der Temperatur auf der Erde auflösen. Wir kommen dann zu einer Durchschnittstemperatur von 255 K, was ungfähr 0 Grad Fahrenheit (zirca -17,78 Grad Celsius) entspricht. In vielen Gebieten der Erde wäre es allerdings noch kälter. Stellen wir uns eine Welt vor, bei der ein groβer Teil der Erde durch Bedingungen gekennzeichnet ist, wie wir sie vom Nord- oder Südpol kennen – offenkundig wäre der Planet für viele der heutigen Lebensformen unbewohnbar.
Glücklicherweise liegt die Temperatur auf der Erdoberfläche aber stattdessen bei angenehmen 288 K, was zirca 58 Grad Fahrenheit entspricht. Hierdurch haben wir optimale Temperaturbedingungen für die heutigen Lebensformen auf der Erde. Der Treibhauseffekt (und damit die Gase, die unseren Planeten um 60 Grad Fahrenheit, zirca 15 Grad Celsius, aufheizen und das uns bekannte Klima erzeugen) sind somit die fehlenden Puzzleteile in der genannten Formel. Die beiden grundlegenden Treibhausgase in unserer Atmosphäre sind Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff . Weitere Treibhausgase umfassen Methan und Fluorkohlenwasserstoffe. Diese Substanzen nehmen Hitze durch Infrarot auf. Darunter versteht man die Gruppe an Wellenlängen, mittels derer die Erde Energie aussendet. Sie strahlen die Energie wieder aus und leiten einen Teil davon zurück zur Erdoberfläche. Dies ist die zusätzliche Quelle an Hitze, die die Erde über den Gefrierpunkt hinaus aufwärmt – ausgehend von unserem Modell ohne Treibhauseffekt.
Wechselbeziehung zwischen Klimawandel, Luftverschmutzung und Ozon
Es bestehen einige komplexe Zusammenhänge zwischen zentralen Problemen wie der Luftverschmutzung, der Zerstörung der stratosphärischen Ozonschicht und dem Klimawandel. Für jeden der genannten Punkte sind gewerbliches und landwirtschaftliches Handeln durch die Menschen treibende Faktoren. In vielen Fällen haben Handlungen mit dem Ziel Emissionen zu reduzieren, um eines der Probleme zu beseitigen, auch positive Auwirkungen auf die anderen.
Fluorkohlenwasserstoffe, die hauptsächlich für die Zerstörung der Ozonschicht verantwortlich sind, sind ebenso einflussreiche Treibhausgase. Daher dient ihre Eindämmung sowohl dem Klimaschutz als auch der Bewahrung der Ozonschicht. Eine ähnliche Wirkung kann erzeugt werden, wenn man fossile Brennstoffen durch erneuerbare Energien ersetzt oder die Energieeffizienz erhöht. In beiden Fällen wird sowohl die Umwelt geschont als auch die Luftqualität verbessert.
Manchmal kommt es allerdings auch zu einem Trade-off, das heiβt eine Handlung beeinflusst eine andere negativ. Baut man beispielsweise in Kohlekraftwerken Filter ein, um die Luftverschmutzung zu reduzieren, führt dies gleichzeitig zu einem höheren Energieverbrauch und damit zu einem Anstieg an der Treibhausgasemissionen. Sowohl eine steigende Temperatur auf der Erdoberfläche als auch die zunehmende Zerstörung der Ozonschicht führen zu einem Anstieg der photochemischen Reaktionen. Diese können in Bodennähe Smog auslösen und verstärken in den meisten Fällen die Luftverschmutzung. Letzteres verringert zu einem Teil wiederum die Effektivität von Luftreinheitsmessungen. (Siehe Artikel über Zusammenhänge zwischen Luftverschmutzung, UV und Klimawandel)
Weil das Klima auf der Erde so komplex ist, können wir nicht genau sagen, welche Folgen ein Anstieg der Kohlenstoffdioxidkonzentration haben wird. Eine weiter gehende Forschung und eine Verbesserung der globalen Klimamodelle sind daher von Nöten, um den Umfang der Fehler zu reduzieren, die bei der Prognose des zukünftigen Klima auftreten.
Unter den Klimamodellen versteht man Computerprogramme, die das Klima auf der Erde simulieren, wobei eine auβergewöhnlich hohe Zahl an Variablen einbezogen werden, die die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre, der Ozeane und der Kontinente beschreiben. Im Laufe des vergangenen Jahrhunderts hat sich die Qualität der Klimamodelle drastisch verbessert, da Computer schneller und leistungsstärker geworden sind. Dennoch verbleiben einige Schwachstellen, die korrigiert werden müssen, um die Genauigkeit der Klimamodelle zu verbessern. So ist es eine umfangreiche Aufgabe, das Verhalten der Weltmeere im Rahmen von Klimamodellen korrekt zu simulieren. Desweiteren gibt es bisher kaum Kenntnisse über die Physik der Wolken, was einen weiteren Unsicherheitsfaktor für die Klimamodelle darstellt.
Mit der zusätzlichen Forschung, die durch die wachsende Leistung der Computer angefeuert wird, sollten die Modelle sich in den nächsten Jahren verbessern. Dies ermöglicht es Wissenschaftlern die Erderwärmung sowie den steigenden Meeresspiegel genauer zu messen und gegebenenfalls genauere regionale Folgen der globalen Erwärmung abschätzen zu können.
Carla Neuhaus