Klimafakten – Der Rückblick, ein Weg zum Klimaverständnis

 Wir wollen den natürlichen Klimaprozessen weitere "menschengemachte" Veränderungen hinzufügen. Gängige Meinung ist: Durch die menschlichen Treibhausgasemissionen ist die mittlere globale Temperatur im Verlauf der letzten 200 Jahre angestiegen
Verfolgt man die Diskussion um den derzeitigen Klimawandel, so gewinnt man den Eindruck, Außergewöhnliches und Extremes würde geschehen, und man bekommt zudem über Beratungsgremien und Medien vermittelt, dass sich in den Jahrhunderten vor dem heutigen Klimawandel das Klima nicht oder nur wenig geändert hat. Es wird auch der Eindruck erweckt, man könne das Klima stabilisieren und durch Emissionsminderungsmaßnahmen das Klima schützen. Ist Klimaschutz eine lösbare Herausforderung oder überschätzen wir Menschen unsere Möglichkeiten?

Man kann versuchen, sich an die Beantwortung dieser Frage heranzutasten, indem man weitere Fragen formuliert und mit Hilfe von Fakten zeigt, wie die Antworten lauten. Diese Antworten basieren auf den Ergebnissen, welche die Paläoklimatologen über die Vergangenheit zusammengetragen haben.Woher kennen wir das Klima der Vergangenheit?Es fällt heute schwer, zwischen natürlicher Klimaentwicklung und einer durch den Menschen beeinflussten Klimaschwankung zu unterscheiden. Will man das Klimasystem wirklich verstehen, so hilft nur der Blick zurück in Zeitabschnitte der Vergangenheit, in denen der Mensch nicht oder nur sehr wenig das Klimageschehen beeinflusste. Mit dem Verständnis dieser Prozesse in der Vergangenheit können wir dann einen möglichen Einfluss des Menschen untersuchen.

Geologen und Paläoklimaforscher entschlüsseln daher das Klima dieser Zeitabschnitte, indem sie die hinterlassenen Gesteine und das Eis großer Gletscher untersuchen . Diese Medien – Ablagerungen aus dem Meer, aus Seen und das Eis von Gebirgsgletschern, der Antarktis und Grönlands – dienen als Archive für Klimainformationen. Unterschiedlichste Methoden stehen bereit, um Aufschluss über Klimabedingungen früherer Zeiten zu gewinnen. So ist es heute zum Beispiel möglich, die Wassertemperaturen ehemaliger Ozeane, die Luftfeuchtigkeit beziehungsweise Trockenheit untergegangener Kontinente oder die Gaszusammensetzung einer früheren Atmosphäre zu rekonstruieren.

Das Klima wird zum Beispiel in Seen dokumentiert. Hier sammeln sich Bodenpartikel, Pollen, Blätter und Staub. In den oft meterdicken Seeablagerungen ist die Klima- und Vegetationsgeschichte einer Region über Jahrtausende Schicht für Schicht lückenlos aufgezeichnet. Unter besonders günstigen Ablagerungsbedingungen bildet sich sogar eine Jahresschichtung aus. Diese Klimachroniken enthalten Jahresaufzeichnungen, die noch exaktere Zeitmarken sind, als der Historiker sie für die Rekonstruktion der Menschheitsgeschichte bis zur Zeit der Pharaonen zur Verfügung hat.

Von besonderer Bedeutung sind neben dem Klimaarchiv der Meeres- und Seeablagerungen die Informationen aus den Kernen von Eisbohrungen. Eiskerne ermöglichen aufgrund ihrer Jahreslagen eine sehr gute zeitliche Zuordnung. Untersuchungen an Eiskernen zeigen die natürliche Variabilität des atmosphärischen CO2 über die vergangenen 400 000 Jahre mit höherer Verlässlichkeit als Sedimentkerne, da die Zusammensetzung der im Eis eingeschlossenen Luft direkt gemessen werden kann.Ist unser Erdklima stabil?

Unser heutiges, eher gleichmäßiges Klima kann uns schnell dazu verleiten, zu glauben, es könnte immer so ausgewogen und nahezu unveränderlich sein. Untersuchungen der Vergangenheit zeigen aber, dass viele Wechsel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfolgten. Die großen Eiszeiten wandelten sich im Abstand von mehreren hundert Millionen Jahren zu Warmzeiten . Dieses klimatische Auf und Ab früherer Zeiten glich einer Achterbahnfahrt. Die großen Wechsel stehen in engem Zusammenhang mit der Verteilung der Kontinente auf dem Erdball, die langfristige Klimaentwicklung wird also durch die Kontinentalverschiebung beeinflusst. Innerhalb der Eiszeiten pendelte das Klima zwischen Kalt- und Warmzeiten. Es mag vielen gar nicht bewusst sein, aber wir leben heute in der Warmzeit eines Eiszeitalters. Die Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten innerhalb des derzeitigen Eiszeitalters – dem Quartär – vollzogen sich im Rhythmus der Änderungen der Erdbahn um die Sonne. Die wesentliche, treibende Kraft dafür ist die Änderung der kleinen Ellipsenachse der Erdumlaufbahn mit einer Zykluslänge von 100.000 Jahren . Aus der Erforschung unseres derzeitigen Eiszeitalters wissen wir, dass die Kaltzeiten oft erheblich länger andauern können als die Warmzeiten.

Die Kaltzeiten sind in sich auch durch ein Auf und Ab der Temperaturen geprägt . Bestes Beispiel dafür ist die letzte Kaltzeit, die sogenannte Weichsel-Kaltzeit, mit ihren Sprüngen zwischen Erwärmung und Abkühlung, die vor 11 500 Jahren zu Ende ging. Diese wiederholten Wechsel lassen sich in Eiskernen und Meeresablagerungen sehr genau ablesen . Im Verlauf dieser Zyklen erfolgte der Wechsel von kalt zu warm fast sprunghaft innerhalb von Zehnerjahren. Die Temperaturen sanken mit sehr deutlichen Schwankungen über mehrere Jahrhunderte bis zum nächsten Sprung ins Warme. So ging es weiter mit beständig abnehmenden Temperaturen bis zur größten Ausdehnung des Eises. Die Gletscher reichten damals bis ins mittlere Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern. Am Übergang von der Kaltzeit in die heutige Warmzeit stiegen die Temperaturen in Nordwestdeutschland innerhalb von 5 bis 15 Jahren um 5 bis 6 °C .

Die Warmzeiten innerhalb der Eiszeitalter waren nicht frei von Abkühlungen und Erwärmungen, auch nicht die Warmzeit, in der wir leben – das Holozän. Die Klimaschwünge im Holozän waren nicht so dramatisch wie in der vorausgehenden Kaltzeit – der Weichsel-Kaltzeit –, dennoch waren sie markant genug, um in historischen Zeiten die soziale und ökonomische Entwicklung der menschlichen Kulturen zu beeinflussen. Daher kann die Antwort auf die Frage nach der Einmaligkeit des heutigen Klimawandels nur lauten: Klima zeichnet sich immer durch Wandel aus und unsere heutige Klimaänderung ist in ihrem Ausmaß noch sehr moderat und nicht ungewöhnlich.
Was wir auch erkennen, ist die Tatsache, dass es globale Klimaänderungen unterschiedlicher zeitlicher Ordnung gibt. Den extrem langskaligen Klimawechseln im Rahmen von Millionen von Jahren sind mittelskalige Klimaänderungen im Rahmen von 10.000 bis 100.000 Jahren überlagert und diesen wiederum sitzen kleinstskalige Klimazyklen auf, die sich in Zehnerjahren bis Jahrhunderten abspielen.

Aber was bewirkten die unterschiedlich schnellen Klimawandel der Vergangenheit?

Prinzipiell kommen dafür zum einen externe Klimafaktoren wie die Interaktionen zwischen Sonne und Erde oder die Kontinentalverschiebung in Betracht, andererseits können aber auch interne Rückkopplungen im irdischen Klimasystem großen Einfluss auf klimatische Abläufe ausüben.
In diesen Bereich der internen Rückkopplungen fallen im natürlichen Klimasystem auch die sich ändernden atmosphärischen Konzentrationen des CO₂ auf, die heute in den Verruf gekommen sind, Auslöser des derzeitigen Klimawandels zu sein.

Steuert CO₂ das Klima der Erde?

Rekonstruktionen des Klimas vergangener Zeiten belegen, dass Temperatur und atmosphärische CO₂-Gehalte zum Beispiel im Verlauf der letzten 250 Millionen Jahre nicht miteinander gekoppelt sind. Die Temperatur läuft manchmal vor, während die CO₂-Menge erst Millionen Jahre später ansteigt. Aber jedesmal ist zu erkennen, dass vor Veränderungen von Temperaturen oder CO₂-Gehalten Bewegungen der Erdkruste stattgefunden haben. Das waren gewaltige Ereignisse wie zum Beispiel Gebirgsbildungen, der Zusammenstoß oder das Auseinanderreißen von Kontinenten. Sie haben die natürlichen Quellen und Senken der Treibhausgase, wie zum Beispiel des Kohlendioxids, in hohem Maß beeinflußt.Aber nicht nur die Millionen Jahre alte Klimageschichte macht die Entkopplung zwischen CO₂ und Klimaentwicklung deutlich, sondern auch die letzten 1.000 Jahre des Klimas machen es.
Eiskerne zeigen uns, wie sich das atmosphärische CO₂ im Verlauf der letzten 1.000 Jahre entwickelt hat: Nahezu gleichbleibende Konzentration bis zum Beginn des 18. Jahrhunderts, gefolgt von einem rapiden Anstieg, der durch die menschlichen Emissionen verursacht wurde. Eiskerne belegen aber auch, welche Dynamik in der Temperatur- und Klimaentwicklung der letzten 1.000 Jahre stecken. Und nicht nur Eiskerne verdeutlichen diese Klimadynamik, sondern eine Vielzahl von weiteren Rekonstruktionen weltweit. Klar wird: CO₂-Konzentration und Klimaentwicklung haben wenig miteinander zu tun.

Auch der Vergleich der Temperaturentwicklung über die letzten 120 Jahre mit der Zunahme des CO₂ weist darauf hin, dass nicht notwendigerweise ein Zusammenhang zwischen CO₂-Gehalt und Temperaturentwicklung bestehen muss. Die beobachteten Temperaturanstiege und -abnahmen erfolgten ohne eindeutigen Bezug zum CO₂.
Die Antwort auf die Frage nach der steuernden Wirkung des Treibhausgases CO₂ lautet daher: Die bisherigen Untersuchungen liefern viele Argumente dafür, dass die atmosphärischen Treibhausgase in der Vergangenheit nicht die Auslöser und Hauptfaktoren schneller Klimaänderungen gewesen sein können.

Wenn es die Treibhausgase nicht sind, die einen entscheidenden Einfluss auf die vergangenen Klimaänderungen gehabt haben, sind dann doch die externen Faktoren die wesentlichen Triebkräfte des Klimas?

Ist die Sonne der Motor unseres Klimas?Den langfristigen klimatischen Veränderungen im Rahmen von Millionen von Jahren sind mittelfristige klimatische Veränderungen im Rahmen von 10.000 bis 100.000 Jahren überlagert, so etwa die mehr als 22 Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten im Verlauf des Quartärs, das vor 2,6 Millionen Jahren begann.Diese mittelfristigen Klimawechsel über 10.000 bis 100.000 Jahre stehen in engem Zusammenhang mit der Verlagerung der Erdbahn um die Sonne und mit der Änderung der Neigung der Erdrotationsachse in bezug auf die Ebene der irdischen Umlaufbahn um unser Zentralgestirn.

Aber auch Schwankungen innerhalb des Sonnendynamos führen zu Klimaänderungen (12). Diese kurzskaligen Variationen laufen im Rahmen von elfjährigen, 80- bis 90jährigen und 180- bis 200jährigen Zyklen ab und überlagern die mittelfristigen Erdbahnzyklen. Kurzfristige Sonnenaktivitätsänderungen lassen sich anhand von radioaktivem Kohlenstoff – C₁₄ – nachweisen.

Bestes Beispiel für die kurzfristige solare Steuerung ist die aus den Eiskernen rekonstruierte Temperaturentwicklung im Verlauf der letzten 1.000 Jahre auf Grönland. Die Schwankungen des Sonnendynamos sind Anstoß für die rekonstruierten Klimaänderungen, welche man nicht nur im Eis, sondern auch in weltweiten Ablagerungen erkennt. Wenn wir uns nur auf die für unser heutiges Klimasystem wichtigen kurzskaligen Aktivitätsänderungen der Sonne konzentrieren, so belegen Beobachtungen, dass der Sonnendynamo und der damit verbundene Sonnenwind das Klima in relativ kurzen Schwüngen von Zehnerjahren antreiben. Dazu zählt auch der Klimaverlauf der letzten 120 Jahre.

Für diesen solaren Antrieb kommen möglicherweise direkte und indirekte Steuermechanismen in Frage. Zyklische Helligkeitsunterschiede der Sonne, hervorgerufen durch Sonnenflecken und Sonnenfackeln, führen zu direkten Änderungen der solaren Energiemengen, die unsere Erde erreichen. Ein indirektes Phänomen könnte durch den kosmischen Partikelstrom bedingt sein, der wesentlich durch den Sonnenwind und unser irdisches Magnetfeld beeinflusst wird. Satellitenmessungen belegen, dass sich die Wolkenbedeckung mit dem kosmischen Partikelstrom und damit mit der Stärke des Sonnenwinds verändert.

Die Antwort auf die Frage nach dem Klimaeinfluss der Sonne muss aufgrund der Beobachtungen lauten: Die Sonne steuert unser Klima in hohem Maß im Rahmen von Jahrtausenden. Und dies gilt auch für unsere heutige Klimaänderung. Die Kleine Eiszeit und der Temperaturanstieg seit Mitte des letzten Jahrhunderts sind wahrscheinlich Folgen der Sonnensteuerung.Klimamodelle – sind sie verlässlich?

Alle Beobachtungen und Rekonstruktionen der Vergangenheit bilden die Basis für unser Klimaverständnis. Der Rückblick in die Klimavergangenheit ist ein Schlüssel zum Klimaverständnis, unter anderem weil dieses Wissen Eingang in Computerprogramme findet, mit deren Hilfe Modellierer versuchen, komplexe Zusammenhänge des Klimasystems zu erschließen.

Da gerade die Klimamodelle beziehungsweise die Aussagen, die aus den Modellrechnungen abgeleitet werden, immenses Gewicht in der heutigen Klimadiskussion haben, ist es sicherlich berechtigt, wenn man sich die Frage nach ihrer Verlässlichkeit stellt.

Die Qualität der Modellergebnisse und ihre Aussagekraft hängen immer von der Qualität ab, mit der das Klimasystem im Rechner dargestellt wird (16, 17, 18, 19, 20). Vereinfachungen führen zu pauschalen Ergebnissen, welche die Ereignisse in der Natur nur zum Teil widerspiegeln. Probleme bei der Modellierung des Klimasystems treten dann auf, wenn unser Wissen über die real ablaufenden Prozesse unvollständig ist. Und dies betrifft sicherlich die Einflüsse des Klimamotors Sonne, denn die Wechselwirkungen zwischen Klima und Sonne kann man in Modellen nur zum Teil berücksichtigen. Die Modellierer sind zwar in der Lage, die unterschiedlichen Energiemengen, die von der Sonne im Rahmen der Aktivitätsänderungen abgestrahlt werden, in den Modellen zu berücksichtigen. Es gibt aber sehr überzeugende Hinweise, dass besonders die Wolkenbildung entscheidend durch den Sonnenfleckenzyklus gesteuert wird. Wie dies geschieht, ist noch nicht genau erforscht. Aber gerade die Wolkenbildung stellt einen sehr wichtigen Faktor des Klimasystems dar, da die helle Wolkenoberfläche energiereiches Sonnenlicht in den Weltraum zurückstrahlt und damit das Klimasystem effektiv kühlen kann. Die Wolkenbildung kann man heute noch nicht genügend genau in den Computerprogrammen beschreiben.

Die Liste der Probleme bei der Modellierung ist sehr lang (20, 21, 22), daher die Einschätzung über die Verlässlichkeit der Klimamodelle: Die Klimadynamik wird derzeit nur unvollständig durch Computerprogramme beschrieben. Dies bedeutet nicht, dass wir keine Modellierung brauchen. Es besteht vielmehr die absolute Notwendigkeit einer Klimamodellierung der Vergangenheit. Sie ist unsere zweite Chance nach der Rekonstruktion, unser Verständnis für das Klimasystem zu verbessern.... und die Klimazukunft?

Die Frage, ob wir mit Reduktionsmaßnahmen bei der Emission von CO₂ unser Klima schützen können, steht im Fokus der öffentlichen Diskussion. Bisherige Modellrechnungen dazu sollten uns eher zurückhaltend stimmen. Selbst wenn wir bereits seit dem Jahr 1990 die CO₂-Emissionen auf einem gleich bleibenden Niveau gehalten hätten, würde das CO₂ der Atmosphäre auch in absehbarer Zukunft weiter steigen, da die Prozesse im Kohlenstoffkreislauf nicht angehalten werden können (23).

Ergebnisse aus Modellrechnungen können aber lediglich Szenarien möglicher zukünftiger Klimazustände liefern. Verlässliche Prognosen kann man allerdings nicht erwarten. Dies wird besonders deutlich an den vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) abgeschätzten Spannweiten der möglichen Temperaturerhöhungen in den kommenden 100 Jahren (1), die zwischen 1,4 und 5,8 °C liegen: Eine Unsicherheit von mehr als 100 %. Und diese Szenarien hängen immer von einem prognostizierten Anstieg der CO₂-Menge in der Atmosphäre ab, welcher sich wiederum aus Zukunftsszenarien der sozioökonischen Entwicklung herleitet.

Wichtig für die Aussagen zur näheren Klimazukunft sind Schwankungen des Klimas in Abhängigkeit von den Aktivitätsänderungen der Sonne, die sich im Rahmen des Sonnenfleckenzyklus darstellen, aber wir wissen nur wenig über dessen Entwicklung in der Zukunft. Lediglich den Verlauf des gerade herrschenden Sonnenfleckenzyklus können Astronomen mit ihren statistischen Berechnungen voraussagen (24).

Vorstellbar ist auch, dass der Sonnenfleckenzyklus

in der Zukunft nicht gleichförmig verläuft, sondern ins Stocken gerät und kurzfristig Pausen einlegt – wie schon in der Vergangenheit während der Kleinen Eiszeit (2). Auch dies kann natürlich derzeit in den Computermodellen nicht berücksichtigt werden, da man die Zukunft der solaren Entwicklung nicht voraussagen kann.

Für die zukünftige Klimaentwicklung lassen sich nur Abschätzungen auf der Grundlage der Variationen der Erdbahn um die Sonne ermitteln. Und diese Erkenntnisse sind für uns und die nachfolgenden Generationen eigentlich sehr beruhigend. Astronomische Modelle berechnen ein Szenario, in dem es über die nächsten 50.000 Jahre klimatisch so ähnlich sein sollte wie heute (25). Diesem langfristigen Trend werden natürliche, kleinstskalige Temperaturvariationen überlagert sein, wie man sie im Verlauf unserer heutigen Warmzeit rekonstruieren und beobachten konnte. Nichts Ungewöhnliches also und es ist auch nicht ungewöhnlich, wenn sich dann in 50.000 Jahren wieder die Eisschilde an den Polen ausdehnen.

Da externe Klimafaktoren offensichtlich auch unser heutiges Klimasystem und die Dynamik darin in hohem Maß steuern, lautet die Antwort auf die Frage nach der Einflussnahme des Menschen auf das Klima der Zukunft: Es erscheint sehr unwahrscheinlich, dass mit Hilfe von diskutierten und teilweise schon beschlossenen Emissionsminderungsmaßnahmen signifikante korrigierende Eingriffe in das Klimasystem möglich sind. Hier überschätzen wir Menschen unsere Möglichkeiten.Müssen wir uns wirklich einschränken?

Warum dann fossile Energie sparen und uns einschränken, wenn noch nicht genau bekannt ist, wie sich das Klima entwickeln wird? Fossile Energieträger sind ein Geschenk der Natur. Sie können, im Gegensatz zu den Metallen, nicht recycelt werden. Verbrennt man sie bei der Energiegewinnung, sind sie für die Zukunft verloren. Zwar wird Kohle auch in den nächsten 200 Jahren keine Mangelware sein, aber unsere herkömmlichen Erdölquellen neigen sich dem Ende zu (25). Zudem benötigen wir das Erdöl nicht allein als Brennstoff, sondern auch als Grundstoff für Produkte der chemischen Industrie, ohne die menschlicher Fortschritt gefährdet wäre.

In Deutschland erreichten wir die größte Erdölförderung bereits im Jahr 1968. Seitdem nehmen die Vorräte beständig ab. Auch die weltweite Erdölförderung aus einfach zugänglichen Quellen wird nach dem Jahr 2025 abnehmen. Auch diese Vorräte neigen sich langsam ihrem Ende zu. Die Erdgasvorräte werden sich dagegen erst in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts vermindern.

Gründe für die rasche Abnahme der fossilen Energiequellen sind die wachsende Weltbevölkerung und ihr stark steigender Energiebedarf. Dieser kann teilweise aus weiteren fossilen Quellen gedeckt werden. Über die leicht zu erreichenden Erdöl- und Erdgaslagerstätten hinaus gibt es auch riesige Kohlenwasserstoffvorkommen, die nur mit einem sehr großen technischen und finanziellen Aufwand erschlossen werden können (25). Aber auch das Vordringen zu diesen Vorräten wird den menschlichen Energiebedarf der Zukunft nicht decken. So muß weltweit die Suche nach Ergänzung und Ersatz der fossilen Energiequellen vorangetrieben werden (zum Beispiel Brennstoffzellen, Geothermie, Solar- und Windenergie).

Um die Zukunftsfähigkeit unserer Gesellschaft zu erhalten, ist ein verantwortungsbewusster Umgang mit Erdöl und Erdgas geboten, um unseren Nachfolgegenerationen noch einen Spielraum zum eigenverantwortlichen Handeln zu ermöglichen. Daher gilt: Wir sollten unbedingt Rohstoffe sparen und behutsam mit unseren fossilen Vorräten wirtschaften, da wir mittelfristig nicht ohne fossile Energie auskommen werden. Effizienzsteigerung bei der Energiegewinnung ist eine der notwendigen Maßnahmen.

Auch wenn der viel zitierte "Motor CO₂" für klimatische Veränderungen möglicherweise nicht den überragenden Einfluss hat, so sind vernünftiges Verhalten und nachhaltiges Wirtschaften keineswegs überflüssig.

Quellennachweis

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Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover
Dr. rer. Nat. Ulrich Berner
veröffentlicht in Glückauf 138 (2002) Nr. 1/2