Klimasensitivität

Die Klimasensitivität ist eine Größe, die die globale Erwärmung der Erdatmosphäre durch die Wirkung von Treibhausgasen ins Verhältnis zu einer Strahlungseinheit setzt. Man kann sie in °C/(Watt/m²) angeben. Geläufiger ist jedoch die Angabe der Klimaerwärmung bei Verdoppelung der CO₂-Konzentration.^[1] Das heißt, dass die Durchschnittstemperatur der Erde um diesen Betrag ansteigt, wenn sich die CO₂-Konzentration von den vorindustriellen 280 ppm auf dann 560 ppm erhöht. Die genaue Kenntnis der Klimasensitivität ist für die künftige Entwicklung des Klimas von elementarer Bedeutung, da mit ihrer Hilfe die aus einer bestimmten Treibhausgaskonzentration resultierende Erwärmung errechnet werden kann.

Die National Academy of Sciences warnte als weltweit erste große Wissenschaftsorganisation vor einer globalen Erwärmung und gab im Jahr 1979 für die Klimasensitivität einen wahrscheinlichsten Wert von 3°C an (+/- 1,5°)^[2]

Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) gibt in seinem 2007 erschienenen Vierten Sachstandsbericht Werte zwischen 2 und 4,5 °C als „wahrscheinlich“ an. Der beste mittlere Schätzwert liege bei 3 °C, und eine Sensititvät von unter 1,5 °C sei „sehr unwahrscheinlich“.^[3]

Neben Kohlendioxid tragen auch noch weitere Gase zum Treibhauseffekt bei, so dass auch für diese jeweils eigene Klimasensitivitäten ermittelt werden können. Der Einfachheit halber wird deren Beitrag meist mittels der so genannten CO₂-Äquivalente berechnet.

Bestimmungsmethoden

Milanković-Zyklen, resultierende Schwankungen der Solarkonstante sowie Glaziale und Interglaziale

Bei ausschließlicher Betrachtung der im Labor messbaren Strahlungswirkung von CO₂ ergibt sich eine Klimasensitivität von 1,2°C.^[1][4]

Es existieren jedoch Rückkopplungseffekte,^[4] darunter im Wesentlichen die Wasserdampf-Rückkopplung, die Eis-Albedo-Rückkopplung und Wolken. Beim Verständnis der Rückkopplungen bestehen jedoch noch Unsicherheiten; in erster Linie betrifft dies das Verhalten der Wolken.^[1]

Im Jahr 2005 konnte gemessen werden, dass die Erde 0,85 W/m² mehr Energie aufnimmt, als sie ins All abstrahlt.^[5][6] In einer über 8 Jahre laufenden Messreihe konnte ein Anstieg der langwelligen atmosphärischen Gegenstrahlung durch den anthropogenen Treibhauseffekt messtechnisch belegt werden.^[7] Der weitaus größte Teil des gemessenen zusätzlichen Strahlungsantriebs war erwartungsgemäß auf die positive Rückkopplung durch Wolken und Wasserdampf zurückzuführen. Zur Berechnung der Klimasensitivität sind derlei Messungen jedoch nicht geeignet, da hierbei viele der im Klimasystem wirkenden Rückkopplungen unberücksichtigt bleiben. Durch unterschiedliche Verfahren wird versucht, Unsicherheiten bei der Bestimmung der Klimasensitivität zu verringern:

Analyse des gegenwärtigen Klimas

Das gegenwärtige und künftige Klima kann nur dann korrekt simuliert werden, wenn auch die Klimasensitivität korrekt bestimmt wurde. Daher werden Klimamodelle getestet, ob sie das gegenwärtige,^[8][9] aber auch das Klima während der Eiszeiten^[10][11][12] korrekt simulieren können. Im Rahmen solcher Simulationen werden über 1000 Modelle durchgerechnet, wobei Eingangsparameter innerhalb ihrer angenommenen Fehlerbreite variiert werden. Modelle, die den Temperaturverlauf im betrachteten Zeitraum nicht korrekt wiedergeben (>90%), werden aussortiert. Mit diesem Verfahren wurden 3°C bzw. 3,4°C als wahrscheinlichste Werte für die Klimasensitivität gefunden. Betrachtet man die Temperaturwechsel während der vergangenen Eiszeiten, konnte man anhand von Eisbohrkernen einen Temperaturwechsel von 5°C mit einem aus den Milankovich Zyklen und den Rückkopplungen (Albedo, Vegetation, Aerosole, CO₂) resultierenden, veränderten Strahlungsantrieb von 7.1 W m^-2 verknüpfen. Die daraus errechnete Klimasensitivität beträgt 5/7.1 = 0.7 K W^-1 m². Man kann diese empirisch bestimmte Klimasenstitivität für die Berechnung des aus einem Strahlungsantrieb von 4 W m^-2[2][13] resultierenden Temperaturanstiegs benutzen, was einer Verdopplung der atmosphärischen CO₂-Konzentration im Vergleich zu vorindustriellen Werten entspricht. Im Ergebnis zeigt sich ein Anstieg um 3°C.^[4]

Paläoklimatologische Methode

Eine 2007 in der Zeitschrift Nature erschienene paläoklimatologische Studie untersucht die Klimasensitivität über die letzten 420 Millionen Jahre. Die globale Durchschnittstemperatur und die Konzentration der Treibhausgase waren in diesem sehr großen Zeitraum starken Schwankungen unterworfen und die Strahlungsleistung der Sonne stieg in dieser Zeit um etwa 4% an, was eine gute Voraussetzung für eine darauf basierende Abschätzung der Klimasensitivität mit geringer Fehlerbreite ist. Leider reichen die Klimaarchive der Eisbohrkerne kaum weiter als eine Mio. Jahre in die Vergangenheit und die Anordnung der Landmassen war während dieser Zeit tiefgreifenden Änderungen unterworfen, so dass über viele klimabestimmende Parameter große Unsicherheit herrscht. Somit ergibt sich aus diesen Untersuchungen eine vergleichsweise große Unsicherheit, die 1,5 °C als unteren und 6,2 °C als oberen Grenzwert sowie 2,8 °C als beste Schätzung bringt.^[14]

Regressionsanalysen

Bei guter Kenntnis aller klimabestimmenden Faktoren kann man versuchen, die Klimasensitivität mit Hilfe einer Regressionsanalyse zu isolieren. Hierzu werden die Eiszeitzyklen der vergangenen Jahrhunderttausende untersucht. In dieser Zeit schwankten die CO₂-Konzentration und die Temperaturen stark, während sich andere klimatologisch wirksame Parameter nicht stark von der heutigen Situation unterschieden. Eisbohrkerne, die seit den 1990er Jahren an verschiedenen Orten auf der Erde gewonnen wurden, geben Aufschluss über die damals vorherrschenden Konzentrationen an Treibhausgasen, Aerosolen und Niederschlagsmengen, sowie die Temperaturverläufe der letzten ca. 1 Mio Jahre. Eine im Jahr 1990 durchgeführte Analyse ergab für die Klimasensitivität einen Wertebereich von 3 bis 4°C.^[15]

Kombinierte Betrachtung

Die kombinierte Betrachtung unterschiedlicher Verfahren erlaubt zum Einen, systematische methodische Fehler eines Verfahrens zu erkennen und zum Anderen, Präzision und Genauigkeit des resultierenden Wertes zu erhöhen. Jeder Ansatz führt zu anderen Grenzwerten, womit der wahrscheinliche Wertebereich eingegrenzt werden kann. Damit hat man für die Klimasensitivität mit einer 95%igen Wahrscheinlichkeit einen Bereich zwischen 1,5 und 4,5 °C ermittelt.^[16]

Implikationen

Die CO₂-Konzentration des Jahres 2007 von ca 380 ppm führt zusammen mit den anderen Treibhausgasen zu einem Strahlungsantrieb von 2,6 Watt/m².^[3] Dieser Strahlungsantrieb führt zu einer globalen Erwärmung von 2°C, wenn mit dem wahrscheinlichsten Wert für die Klimasensitivität von 3°C gerechnet wird. Jedoch erreicht die Erwärmung erst nach Jahrzehnten bis Jahrhunderten ihr Maximum, da das Klima wegen der hohen Wärmekapazität der Wassermassen der Weltmeere sehr träge reagiert.^[2] Das Abschmelzen großer Eismengen - wie sie z.B. in Grönland oder in der Antarktis existieren - benötigt viele Jahrhunderte und die Erwärmung läuft u.a. aufgrund der Eis-Albedo-Rückkopplung selbst bei einem kompletten Emissionsstopp über diese Zeiträume weiter.^[17] Auch wenn die Treibhausgaskonzentrationen auf dem Niveau des Jahres 2000 eingefroren worden wären, würde sich das Klima daher bis zum Ende des Jahrhunderts noch global um 0,6 Grad erwärmen^[18]. Und so ist die bis zum Jahr 2007 erfolgte globale Erwärmung von 0,7°C nur etwa ein Drittel bis die Hälfte des für die damals bestehende CO₂-Konzentration zu erwartenden Wertes.^[1]

Selbst eine genaue Kenntnis von Klimasensitivität und Treibhausgas-Emissionen ermöglicht eine Abschätzung der künftigen klimatischen Entwicklung nicht. Etwa die Hälfte des heute in die Atmosphäre emittierten Kohlendioxids gelangt in Form von Kohlensäure in die Weltmeere. Da die Löslichkeit von CO₂ temperaturabhängig ist, wird eine Erwärmung der Weltmeere deren Speicherkapazität für dieses Treibhausgas verringern; auf lange Sicht könnte die globale Erwärmung sogar dazu führen, dass die Biosphäre von einer CO₂-Senke zu einer CO₂-Quelle wird.^[19][20] So weiß man aus der Analyse von Eisbohrkernen, dass eine Klimaerwärmung die Konzentration an Treibhausgasen mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung ansteigen ließ, was die Erwärmung weiter verstärkte.^[21] Im 2007 erschienenen Klimabericht des IPCC wird diese Verstärkung im Szenario A2 mit einem zusätzlichen Grad Temperaturanstieg bis zum Jahr 2100 berücksichtigt.^[18]

Neuere Forschungsarbeiten deuten darauf hin, dass bei langfristiger Betrachtung (mehrere Jahrtausende) und sehr hohen CO2-Werten, wie sie gegen Ende dieses Jahrhunderts denkbar wären (1000ppm), die Klimasensitivität möglicherweise doppelt so hoch ist, wie gegenwärtig angenommen.^[22]

Die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration wird bei totalem Emissionsstopp auf natürlichem Weg selbst in Zeiträumen von Jahrtausenden nicht absinken. Um die anthropogene Klimaerwärmung zu stoppen, reicht daher auch eine große Reduktion der Treibhausgasemissionen nicht aus, wie eine Ende 2008 veröffentlichte Studie zeigte: Dazu wäre die sofortige und vollständige Beendigung der Emission von Treibhausgasen nötig.^[23]

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d} S. Rahmstorf, H.J. Schellnhuber: Der Klimawandel. C.H. Beck, 6. Auflage 2007, S.42ff
2. ↑ ^{a b c} Charney Report 1979 Online (pdf 0,3 MByte)
3. ↑ ^{a b} Intergovernmental Panel on Climate Change (2007): IPCC Fourth Assessment Report - Working Group I Report on "The Physical Science Basis" (Online)
4. ↑ ^{a b c} John Farley: The Scientific Case for Modern Anthropogenic Global Warming Online bei monthlyreview.org
5. ↑ Hansen, J. et al. Earths energy imbalance: Confirmation and implications. Science 308, 1431-1435 (2005) (abstract online)
6. ↑ Kevin E. Trenberth, John T. Fasullo, Jeffrey Kiehl: Earth's global energy budget, Bulletin of the American Meteorological Society doi:10.1175/2008BAMS2634.1 online (PDF 900 kByte)
7. ↑ R. Philipona, B. Dürr, C. Marty, A. Ohmura, M. Wild (2004): Radiative forcing – measured at Earth's surface – corroborate the increasing greenhouse effect, in: Geophysical Research Letters, Vol. 31, 6. Februar, online
8. ↑ External Control of 20th Century Temperature by Natural and Anthropogenic Forcings; P. A. Stott et al, Science Vol. 290. no. 5499, pp. 2133 - 213715, December 2000 doi:10.1126/science.290.5499.2133 (Online)
9. ↑ Mehl et al: Combinations of Natural and Anthropogenic Forcings in Twentieth-Century Climate; Journal of Climate, Vol. 17 2004 Online (pdf)
10. ↑ PIK Potsdam: Eiszeittest bestätigt Sorge um künftige Klimaerwärmung
11. ↑ Ergebnisse vom ClimatePrediction.net
12. ↑ Frank Kaspar und Ulrich Cubasch: Das Klima am Ende einer Warmzeit, Institut für Meteorologie der FU Berlin Online (PDF)
13. ↑ IPCC Third Assessment Report, Kapitel 6.3.1, Carbon Dioxide (Online)
14. ↑ Royer, Dana L., Robert A. Berner und Jeffrey Park (2007): Climate sensitivity constrained by CO2 concentrations over the past 420 million years, in: Nature, Vol. 446, 29. März Online (pdf) doi:10.1038/nature05699
15. ↑ The ice-core record: climate sensitivity and future greenhouse warming C. Lorius, J. Jouzel, D. Raynaud, J. Hansen & H. Le Treut Online
16. ↑ Annan, J.D. und J.C. Hargreaves (2006): Using multiple observationally-based constraints to estimate climate sensitivity, Entwurf vom 30. Januar Online (pdf)
17. ↑ nature:Ongoing climate change following a complete cessation of carbon dioxide emissions
18. ↑ ^{a b} IPCC, 2007: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. Online (pdf)
19. ↑ Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model, Nature 408, 184-187 (9 November 2000) doi:10.1038/35041539 (Online)
20. ↑ Khvorostyanov, D. V., P. Ciais, G. Krinner, and S. A. Zimov (2008),Vulnerability of east Siberia's frozen carbon stores to future warming,Geophys. Res. Lett.,35, L10703,(pdf)doi:10.1029/2008GL033639
21. ↑ Torn, M. S., and J. Harte (2006), Missing feedbacks, asymmetric uncertainties, and the underestimation of future warming, Geophys. Res. Lett.,33, L10703 doi:10.1029/2005GL025540
22. ↑ sciencedaily.org:Earth's Hot Past Could Be Prologue to Future Climate
23. ↑ Matthews, H. D., and K. Caldeira (2008), Stabilizing climate requires near-zero emissions, Geophysical Research Letters, doi:10.1029/2007GL032388

Weblinks

• Estimates of Climate Sensitivity, Übersicht über geschätzte Klimasensitivität in mehreren dutzend Studien
• Learning from a simple model Erklärung von Treibhauseffekt, Strahlungsantrieb, Klimasensitivität und Rückkopplungen anhand eines einfachen Modells auf Realclimate.org