FAQ

Die Begriffe „Erderwärmung“ und „Klimawandel“ werden gelegentlich synonym verwendet, beziehen sich genau genommen allerdings auf unterschiedliche Dinge. Die globale Erderwärmung bezieht sich auf die Erhitzung der Erde über einen langen Zeitraum hinweg. Anhand der Aufzeichnungen der globalen Temperaturen seit dem frühen 20. Jahrhundert und insbesondere seit Ender der 1970er Jahren, lässt sich ein Temperaturanstieg beobachten. Weltweit wurde seit 1880 ein durchschnittlicher Temperaturanstieg um 1°C verzeichnet, verglichen mit dem Referenzwert Mitte des letzten Jahrhunderts (1951 – 1980). Dies kommt zusätzlich zu dem Temperaturanstieg von 0,15°C in dem Zeitraum von 1750 bis 1880 hinzu.

Klimawandel auf der anderen Seite umfasst die globale Erderwärmung, und die damit verbundenen Auswirkungen auf die Umwelt. Diese Veränderungen umfassen den Anstieg des Meeresspiegels, den Rückzug von Gletschern und ein beschleunigtes Schwinden der Eisschilde in Grönland, der Antarktis und Arktis.

Quelle

https://climate.nasa.gov/faq/12/whats-the-difference-between-climate-change-and-global-warming/

Die Hauptursache für den derzeitigen Klimawandel ist der „Treibhauseffekt“, bei dem Treibhausgase (wie Wasser, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon und Lachgas) in der Atmosphäre einen Anstieg der globalen Temperaturen hervorrufen. Dieser Effekt tritt auf, weil die Atmosphäre nahezu vollständig durchlässig für kurzwellige Sonneneinstrahlung, aber weniger durchlässig für die langwellige Infrarotstrahlung ist. Die kurzwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert und als Infrarotstrahlung wieder abgegeben, welche wiederum von den Treibhausgasen absorbiert werden kann. Diese Gase emittieren die Strahlung erneut in Richtung des Weltraumes und der Erdoberfläche. Somit wird ein Teil der Sonnenenergie zwischen der Atmosphäre und der Erdoberfläche gefangen gehalten und trägt dadurch zum Temperaturanstieg bei.

Effektivität der Treibhausgase

Die Intensität des Treibhauseffekts ist von der Atmosphärentemperatur und der Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre abhängig. Ohne die Auswirkungen von Wolken miteinzubeziehen, wird der Großteil der Treibhausgase von Wasserdampf in der Atmosphäre, mit einem Anteil von 36 bis zu 70%, gestellt. Kohlendioxid trägt mit 9 bis 26%, Methan mit 4 bis 9% und troposphärisches Ozon mit 3 bis 7% zum globalen Treibhauseffekt bei. Es ist nicht möglich den einzelnen Treibhausgasen genaue Anteile zuzuordnen, da sich die Absorptions- und Emissionsbandbreite der einzelnen Gase überschneiden. Auch Wolken absorbieren und emittieren Infrarotstrahlung, womit sie ebenfalls die Strahlungseigenschaften der Atmosphäre beeinflussen.

Treibhausgase im Verlauf der Zeit

Treibhausgase existieren seit der Bildung der irdischen Atmosphäre. Diese, natürlich vorkommenden, Gase tragen zu der angenehmen Durchschnittstemperatur von +15°C und der Entwicklung des, uns bekannten, Lebens bei. Ohne eine Atmosphäre wäre die Erde ein deutlich kühlerer Ort mit einer Durchschnittstemperatur von ca. -18°C. Allerdings hat der Anteil vom Menschen verursachter Treibhausgase seit der industriellen Revolution signifikant zugenommen. Anthropogene Einflüsse, wie der Verbrauch fossiler Brennstoffe, Entwaldung, Zementproduktion und Landwirtschaft und der damit verbundene Ausstoß langlebiger Treibhausgase (Kohlenstoffdioxid, Methan und Lachgas), sowie troposphärisches Ozon, haben den Treibhauseffekt verstärkt. CO₂-Messungen der Mauna Loa Station zeigen, dass die Konzentration von ca. 313 parts per million (ppm) im Jahr 1960 auf 400ppm am 09. Mai 2013 (Abbildung 1) zugenommen hat. Seitdem ist die Konzentration von Treibhausgasen fortwährend gestiegen.

Der Treibhauseffekt kann in mehreren Einzelschritten erklärt werden. Elektromagnetische Wellen, in Form von ultravioletter, sichtbarer und nahinfraroter Strahlung, mit einer Wellenlänge von ca. 500nm, werden von der Sonne in Richtung der Erde emittiert. Der Großteil des Wellenlängenspektrums wird kaum durch die Atmosphäre absorbiert, da Treibhausgase wie Wasser, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon durchlässig für die kurzwellige Strahlung sind. Die Atmosphäre und Wolken reflektieren ca. 26% der Sonnenenergie zurück ins All, während 19% absorbiert werden. Nachdem die Atmosphäre passiert wurde, trifft die restliche Sonnenenergie auf die Erdoberfläche, wo wieder ein kleiner Teil reflektiert wird, während der Rest absorbiert wird. Die Energie der Photonen führt eine Erwärmung der Erdoberfläche herbei. Die erwärmte Oberfläche gibt wiederum Energie in Form von infraroter Strahlung mit einer Wellenlänge von 10.000nm ab.

Diese, von der Erdoberfläche abgegebene, langwellige Infrarotstrahlung wird eher von den Treibhausgasen in der Atmosphäre absorbiert. Daher erreicht nur ein kleiner Teil dieser Strahlung den Weltraum während der überwiegende Teil in der Atmosphäre aufgehalten wird. Die Infrarotstrahlung kann, aufgrund der Molekülstruktur zweiatomiger Treibhausgase (Kohlenstoffmonoxid) und Treibhausgasen mit mehr als drei Atomen, von diesen absorbiert und emittiert werden. Die absorbierte Energie bringt die locker miteinander verbundenen Moleküle zur Vibration, wodurch letztendlich die Strahlung wieder freigegeben wird. Diese Energie wird gleichmäßig wieder in Richtung des Weltraumes oder der Erdoberfläche emittiert. Von dieser Strahlung wird wiederum ein Teil von der Oberfläche absorbiert, wodurch eine weitere Erwärmung bewirkt wird, da die Energie in der unteren Atmosphäre gefangen gehalten wird (Abbildung 2). Daher verursacht eine höhere Konzentration von Treibhausgasen, eine größere Menge an absorbierter und reemittierter Sonnenenergie, wodurch die Atmosphäre und Erdoberfläche weiter aufgeheizt wird. Ca. 99% der trockenen Atmosphäre ist infrarotdurchlässig, da die Hauptbestandteile Stickstoff, Sauerstoff und das Edelgas Argon sind. Diese Gase bestehen entweder aus einem, oder aus zwei identischen Atomen, was es diesen Gasen unmöglich macht Infrarotstrahlung direkt zu absorbieren oder zu emittieren. Allerdings können intermolekulare Kollisionen dazu führen, dass die von anderen Treibhausgasen absorbierte und freigegebene Energie mit den, bezüglich Infrarotstrahlung inaktiven, Gasen geteilt wird. Obwohl der Großteil der Atmosphäre aus nicht reaktiven Gasmolekülen besteht, hat der kleine Teil an Treibhausgasen enorme Auswirkungen auf die globale Erderwärmung. Durch die Erhöhung der Konzentration von Treibhausgasen, entwickelt sich ein positiver Rückkopplungseffekt, wodurch die globalen Temperaturen schneller ansteigen.

Der Albedoeffekt

Wie bereits oben erläutert, ist die Fähigkeit der Erdoberfläche Sonneneinstrahlung zu absorbieren und reflektieren, ein bedeutungsvoller Faktor für den Treibhauseffekt. Dieser Effekt wird als Albedo bezeichnet, welches ein Maß dafür ist, wie viel, der auf die Erde treffende Solarstrahlung wieder reflektiert wird. Dies kann anhand eines einfachen Beispiels erklärt werden. Schnee reflektiert einen Großteil des auftreffenden Sonnenlichts, wodurch weniger Wärmeenergie durch die Oberfläche aufgenommen wird. Folglich erwärmt sich die Oberfläche weniger, als wenn kein Schnee vorhanden wäre. Wenn nun die schneebedeckte Fläche schrumpft, sinkt auch der Anteil an reflektiertem Sonnenlicht, wodurch sich die Oberfläche stärker erwärmt.

Die Albedo ist ein dimensionsloser Parameter, beschrieben mit einer Skala von 0 (schwarze Oberfläche, welche sämtliche Strahlung absorbiert) bis 1 (sämtliche einfallende Strahlung wird reflektiert). Die durchschnittliche Albedo der oberen Erdatmosphäre liegt, aufgrund der Wolkendecke, zwischen 0,3 und 0,35. Dieser Wert variiert gebietsweise allerdings sehr stark, aufgrund unterschiedlicher geologischer Bedingungen. Die Albedo von 0,3 bis 0,35 bedeutet, dass 30 – 35% der eintreffenden Solarstrahlung wieder reflektiert wird. Die wichtigsten Albedos sind die Ozeane (0,06), Wälder (0,08 – 0,18), kontinentale Oberfläche (0,1 bis 0,4), Meereis (0,5 bis 0,7) und Neuschnee (0,8). Die Albedo schwankt, abhängig von dem Breitengrad, zwischen hohen Werten an den Polen, niedrigen Werten in den Subtropen und einem lokalen Maximum in den Tropen. Die Albedo beeinflusst das Klima durch die Menge an reflektierter Sonneneinstrahlung und die unterschiedlichen Albedos in Land-, Eis- und Meeresgebieten sind treibende Kräfte unseres Wetters.

Klimawandel und Albedo

Die Wirkung der Albedo auf die Temperatur ist abhängig von der Menge der Albedo und dem Grad der lokalen Sonneneinstrahlung (Insolation). Die Pole sind aufgrund der niedrigen Insolation und der hohen Albedo sehr kalte Regionen, während Gebiete mit einer ebenfalls hohen Albedo, wie beispielsweise die Sahara, aufgrund der hohen Insolation sehr heiß sind. Insbesondere arktische Regionen geben mehr Wärme ab, als sie absorbieren, wodurch der Planet abgekühlt wird. Allerdings schwankt die Schnee-Albedo sehr stark, von maximalen Werten von 0,9 für Neuschnee, über 0,4 für schmelzender Schnee, bis hin zu Werten von 0,2 für verunreinigten Schnee. Mit den derzeitigen Klimaveränderungen und den damit verbundenen höheren Temperaturen, schmilzt das arktische Eis und Schnee mit zunehmender Geschwindigkeit. Durch die zunehmende Erwärmung der schneebedeckten Gebiete, schmelzen größere Mengen Schnee, was eine Reduktion der Albedo und damit eine höhere Wärmeabsorption zur Folge hat. Infolge der Abschmelzung und einer zunehmenden Freilegung der unterliegenden Oberfläche (Wasser oder Boden mit niedrigerer Albedo), wird ein ständig abnehmender Anteil der Sonneneinstrahlung in den Weltraum reflektiert. Hierdurch entsteht ein positiver Rückkopplungseffekt, welcher eine weiter abnehmende Albedo zur Folge hat. Kurzgefasst: je geringer die reflektierte Menge der einfallenden Solarstrahlung, desto größer die Menge freiwerdender Infrarotstrahlung. Je größer die Menge an Infrarotstrahlung, desto stärker der Treibhauseffekt und der damit verbundene globale Temperaturanstieg.

Quellen

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Klimasensitivität ist eine in der Klimamodellierung verwendete Maßeinheit, um die Erwärmung der Atmosphäre, die mit einer, durch den Menschen verursachte, Zunahme von atmosphärischen Kohlenstoffdioxid (CO₂) verbunden ist, zu messen. Obwohl die Atmosphäre der Erde nur zu einem sehr geringen Teil aus Treibhausgasen besteht, haben diese einen signifikanten Effekt auf das Klima. Die Klimasensitivität beschreibt, wie stark die Oberflächentemperatur ansteigen würde, wenn die vorindustrielle CO₂-Konzentration verdoppelt werden würde.

Die globale Klimasensitivität bezüglich der atmosphärischen CO₂-Konzentration wurde erstmals von Svante Augustus Arrhenius berechnet. Seinen Berechnungen zufolge würde die Temperatur um 4°C ansteigen, was ungefähr den heutigen Schätzungen entspricht. Laut aktuellen Berichten des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), liegt die mögliche Temperaturerhöhung, bei einer Verdopplung der CO₂-Konzentration, zwischen 1,5 und 4,5°C. Der Zeitpunkt, an dem diese Verdopplung erreicht wird, liegt voraussichtlich zwischen den Jahren 2050 und 2100.

Schätzung der Klimasensitivität

Üblicherweise wird die Klimasensitivität auf drei Arten bestimmt: durch Beobachtungen während des Industriezeitalters, durch Temperaturdaten aus der Erdgeschichte und durch die Modellierung des Klimasystems. Es gibt zwei Arten von Klimasensitivität: Gleichgewichtsklimasensitivität (Equilibrium Climate Sensitivity – ECS) und transienter Klimareaktion (Transient Climate Response – TCR).

Die ECS ist die erreichte Erderwärmung, wenn das gesamte Klimasystem, nach Verdopplung der CO₂-Konzentration, seinen neuen Gleichgewichtszustand erreicht. Dieser liegt voraussichtlich zwischen 1,5 und 4,5°C, wobei der Wert höchstwahrscheinlich größer als 1°C und geringer als 6°C ist. Diese Temperaturschätzungen werden alle 6 Jahre in Berichten beurteilt. Bislang haben diese Berichte eine gute Konsistenz bezüglich der Temperaturwerte mit nur geringfügigen Abweichungen.

Die TCR betrachtet die Veränderungen, die eine stetige Erhöhung der CO₂-Konzentration von 1% pro Jahr, bis sich der Wert verdoppelt hat, zur Folge haben würde. Wenn die Erhöhung der CO₂-Konzentration bei Erreichen des doppelten Wertes, im Vergleich zur vorindustriellen Zeit, gestoppt werden würde, würde sich der Planet weiterhin erwärmen. Dies liegt an den Ozeanen der Erde, welche eine lange Zeit benötigen, um sich infolge des verstärkten Treibhauseffektes zu erwärmen. Die TCR liegt voraussichtlich zwischen 1°C und 2.5°C, wobei der Wert von 3°C höchstwahrscheinlich nicht überschritten wird.

Quellen

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Während der Erdgeschichte hat sich das Klima erheblich geändert, von Eiszeiten bis hin zu warmen Perioden, in denen es selbst an den Polen kein Eis gegeben hat. Diese Klimaschwankungen hatten mehrere Auslöser, wie beispielsweise eine Veränderung der Sonnenaktivität, Milanković-Zyklen, vulkanische Aktivität und Änderungen der atmosphärischen Zusammensetzung. Mit Daten aus Eisbohrkernen, konnten Wissenschaftler die atmosphärischen Daten der letzten 400.000 Jahren rekonstruieren. Die Daten dieser Bohrkerne umfasst die jährliche atmosphärische Zusammensetzung über den Zeitraum der letzten 400.000 Jahre mit den jeweilig unterschiedlichen Konzentrationen der einzelnen Gase. Anhand der Daten konnte eine Korrelation zwischen den CO₂– und Temperaturwerten hergestellt werden (siehe Abbildung unten). Allerdings gingen einem Temperaturanstieg keine höheren CO₂-Werte voran, sondern das Gegenteil war der Fall. Die CO₂-Werte hinkten der Temperaturkurve um 200 bis 1000 Jahre hinterher. Daher hat es zunächst den Anschein, dass die Temperatur die treibende Kraft hinter der höheren CO₂-Konzentration ist, was der heutigen Ansicht, dass CO₂ die treibende Kraft hinter der Erderwärmung ist, widerspricht.

Die Studie zeigt, dass die Anfangsphase der steigenden Temperaturen nach der letzten Eiszeit durch die Milanković-Zyklen ausgelöst wird. Dies initiierte eine Reaktionskette, welche die Erwärmung der Ozeane zur Folge hatte, welche wiederum CO₂ freisetzten. Mit dem stärker werdenden Treibhauseffekt stiegen die Temperaturen und die Freisetzung von CO₂ aus den Ozeanen nahm zu. Die Zeitverzögerung zwischen dem CO₂ und der Temperatur wird durch die zeitliche Verzögerung zwischen der Erwärmung der Ozeane und der konstanten Freisetzung von ozeanischem CO₂ verursacht. Durch diesen ansteigenden Effekt, wurde CO₂ zu der Hauptantriebskraft der Temperaturveränderungen während den glazial-interglazialen Erwärmungen. Die steigende CO2-Konzentration wurde zur Ursache und Treiber des weiteren Temperaturanstiegs. Der positive Rückkopplungseffekt ist notwendig um den Wechsel zwischen glazialen und interglazialen Perioden auszulösen, da die astronomischen Veränderungen alleine zu schwach sind um solch eine Erderwärmung zu verursachen.

Zusammenfassung

Die Hauptaussage von Shakun et. al. (2012) ist, dass CO₂ der Erderwärmung vorausgeht, und nicht folgt. Das tatsächliche Zusammenspiel zwischen Temperatur und CO₂ ist komplexer als in dieser Studie beschrieben. Die herangezogenen Daten für diese Studie basieren auf den Werten der atmosphärischen CO₂-Konzentration, die in den antarktischen Eisbohrkernen gemessen wurden, sowie weltweit entnommene Sedimentkerne, welche Aufzeichnungen bis zum letzten Übergang einer Glazialperiode zu einer Interglazialperiode vor 18.000 Jahren aufweisen. Von diesen Klimaproxys wurden Daten zu den Wasseroberflächentemperaturen und den Bodenlufttemperaturen gesammelt.

Anhand eines Vergleiches zwischen dem CO₂-Anstieg und den Temperaturwerten lässt sich ableiten, ob die CO₂-Konzentration dem Temperaturanstieg in unterschiedlichen geographischen Gebieten vorangegangen oder nachgezogen ist. Das Ergebnis zeigte, dass CO₂ den Temperaturveränderungen sowohl voranging als auch folgte. Die südliche Hemisphäre weist Temperaturerhöhungen vor CO₂-Konzentrationserhöhungen auf, während auf der Nordhalbkugel das Gegenteil der Fall ist (siehe Abbildung unten). Dieses Ergebnis kann durch mehrere Faktoren erklärt werden.

Die anfängliche Erwärmung, welche durch die Milanković-Zyklen ausgelöst wurde, ist in den höchsten Breitengraden sichtbar und begann ungefähr vor 19.000 Jahren. Durch die arktischen Erwärmungen schmolzen große Mengen an Eis, wodurch ein großes Volumen an Süßwasser in die Meere gelang. Dieser Zufluss von Süßwasser störte die sogenannte „Atlantic meridional overturning circulation“ (AMOC), was wiederum zu einem Schwanken der Wärme zwischen nördlicher und südlicher Hemisphäre führte. Die AMOC ist ein zonar eingebundener Bestandteil der Oberflächen- und Tiefenströme im Atlantischen Ozean. Es ist durch einen nordwärts gerichteten Oberflächenstrom von warmem, salzhaltigem Wasser und einem Richtung Süden fließenden, kalten Tiefenstrom gekennzeichnet. Beide Strömungen sind Teil der Thermohalinen Zirkulation. Diese Hypothese der Bipolaren Wippe beschreibt, zusammen mit den Dansgaard-Oeschger Klimazyklen und Heinrich-Ereignissen, die Gegenphasen der grönländischen und antarktischen Temperaturveränderung während der letzten Eiszeit. Plötzliche Veränderungen in der Thermohalinen Zirkulation beeinflussen das Klima an beiden Polen durch einen veränderten Süd-Nord Wärmetransport. Mit einem Süßwasserzufluss im Nordatlantik wird die thermohaline Zirkulation (AMOC) gestoppt, wodurch sich die nördliche Hemisphäre abkühlt, während sich die südliche Hemisphäre und die Tropen aufheizen, wie vor 18.000 Jahren. Sobald sich die Tiefenströmung wieder in Bewegung setzt, wird der meridionale Wärmetransport fortgesetzt und die nördliche Halbkugel erwärmt sich, während die Südhalbkugel abkühlt.

Durch die Erwärmung der südlichen Meere vor 18.000 Jahren, wurde die Löslichkeit von CO₂ in Wasser reduziert. Infolgedessen stieg die atmosphärische CO₂-Konzentration vor 17.500 Jahren, was aufgrund des Treibhauseffektes für eine globale Erderwärmung sorgte. Die Verzögerung von 500 Jahren ist die Erklärung für die verzögerte CO₂-Erhöhung in den Eisbohrkernen. Mit einer zunehmenden CO₂-Konzentration, die durch die wärmer werdenden Ozeane herbeigeführt wird, verstärkt sich auch der Treibhauseffekt. Daher ist CO₂ der Treiber hinter weiteren Temperaturveränderungen.

Quellen

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https://en.wikipedia.org/wiki/Atlantic_meridional_overturning_circulation

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Der derzeitige Klimawandel wird durch eine stetige Verstärkung des Treibhauseffekts, durch die wachsende Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre verursacht. Diesen Treibhausgasen (Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon und Lachgas) liegen hauptsächlich anthropogene Ursachen zugrunde, wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe, Entwaldung, Landwirtschaft und die Zementproduktion.

Seit der industriellen Revolution hat eine stetige Zunahme der Emissionen von Treibhausgasen zu einer signifikanten Verstärkung des Treibhauseffekts geführt. Durch die fortgeführte Ausstoßung dieser Emissionen, wird der Treibhauseffekt zunehmend verstärkt. Weltweite Beobachtungen zeigen, dass der Klimawandel real ist und wissenschaftliche Erkenntnisse belegen, dass die, durch den Menschen verursachten, Emissionen die größten Treiber hinter dieser Entwicklung sind. Dieser Schlussfolgerung liegen mehrere unabhängige Beweisketten und eine enorme Menge, von Fachleuten geprüfter, Forschung zugrunde. Der Großteil aktiv publizierender Wissenschaftler (97%) stimmen darin überein, dass der Mensch für die Erderwärmung und den Klimawandel verantwortlich ist.

Weiterführende Informationen

Der einfachste Weg für den Nachweis des menschengemachten Klimawandels, ist die Messung der globalen Konzentrationen der Treibhausgase und der Temperaturen über mehrere Jahre hinweg. Diese Daten können mit historischen Daten und dem Beginn der menschengemachten Treibhausgasemissionen korreliert werden. Die aufgezeichneten Temperaturerhöhungen können zudem mit genauen Daten über die atmosphärische Zusammenfassung, aus Daten von Eisbohrkernen, korreliert werden.

Die globale Durchschnittstemperatur ist seit 1750 gut belegt. Seit dem Beginn der industriellen Revolution, und den damit verbundenen stark gestiegenen Treibhausgasemissionen durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe, konnte ein rasanter Temperaturanstieg beobachtet werden. Diese, durch Verbrennung erzeugten, CO₂ Emissionen sind ein Sonderfall des Treibhauseffekts, der sogenannte Callendar Effekt. Weltweit wurde seit 1880 ein durchschnittlicher Temperaturanstieg um 1°C verzeichnet, verglichen mit dem Referenzwert Mitte des letzten Jahrhunderts (1951 – 1980). Dies kommt zusätzlich zu dem Temperaturanstieg von 0,15°C in dem Zeitraum von 170 bis 1880 hinzu.

Heutzutage ist es mithilfe von Satelliten möglich die, von der Erde reflektierten, Strahlung zu messen. Diese Beobachtungen erlauben Rückschlüsse auf die Konzentrationen der Treibhausgase in der Atmosphäre. Zudem zeigen die Messungen, dass ein Anstieg der Konzentration von Treibhausgasen, ein Absinken, der von der Erde reflektierten, Strahlung zur Folge hat. Dieser Abfall kann mit den Wellenlängen von Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon, die alle durch anthropogene Quellen in die Atmosphäre ausgestoßen werden, in Verbindung gebracht werden.

Ozon (O₃) ist ein Treibhausgas in der Stratosphäre, zwischen 10 und 50km über der Erdoberfläche. Ozon hat eine Konzentration von 2 – 8ppm in der atmosphärischen Zusammensetzung, während 210.000ppm Sauerstoff (O₂) sind. Das Ozon der oberen Atmosphäre absorbiert kurzwellige ultraviolette (UV) Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 240 und 160nm. Diese hochenergetische Strahlung kann aus Sauerstoff Ozon produzieren. Diese Reaktion wird auch als photochemische Reaktion bezeichnet. Der Prozess der Bildung und Zerstörung von Ozon wird als Chapman Zyklus bezeichnet. Obwohl Ozon hauptsächlich in tropischen Breiten gebildet wird, sorgen großflächige Luftströmungen in der unteren Stratosphäre dafür, dass Ozon in Richtung der Pole bewegt wird, wo infolgedessen die Konzentration steigt.

Das Ozon der Stratosphäre absorbiert einen Großteil der hochenergetischen Solarstrahlung, welche schädlich für Organismen ist. Die UV-Strahlung kann aufgrund der hohen Energie die chemische Struktur der Moleküle verändern, was Genmutationen zur Folge haben kann. Die Stratosphäre dient als Barriere für diese gefährliche, von der Sonne abgegebene, Strahlung. Ozon kann auch in Bodennähe gemessen werden, wo es gesundheitsschädigend für Menschen und ein Bestandteil von Smog ist. Dieses Ozon der Troposphäre hingegen wird durch anthropogene Ursachen produziert und steht in keinem Zusammenhang mit dem „Ozonloch“.

Der Begriff „Ozonloch” beschreibt den Schwund der schützenden Ozonschicht in der Stratosphäre, über den Polen der Erde (siehe Abbildung unten). Die Ozonkonzentration ist niedriger in diesen Gebieten, wodurch mehr hochenergetischen Solarstrahlung die Stratosphäre passieren kann. Somit erreicht eine größere Menge an UV-Strahlung die Organismen am Boden, was zu gesundheitlichen Folgen, wie Augenschäden und Hautkrebs führen kann.

Warum schwindet Ozon?

Die Ausdünnung der Ozonschicht wird durch die erhöhte Konzentration von ozonabbauenden Chemikalien, Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und, zu einem geringeren Grad, Halogene, verursacht. Diese Chemikalien können Jahrzehnte bis Jahrhunderte in der Atmosphäre überdauern. Diese Gasmoleküle wurden in Kühlschränken und Sprühdosen nachgewiesen, woraufhin ihre Verwendung im Rahmen des Montreal Protokolls in den 1980er Jahren verboten wurde. Während der dunklen Polarwinter, bilden sich, aufgrund der niedrigen Temperaturen, Wolken in der Stratosphäre. Diese Wolken bleiben bis zum Frühling erhalten und kreieren exzellente Bedingungen für den Ozonabbau, da sie Chlor eine Oberfläche bieten, auf der es sich in die ozonschädigende Form umwandeln kann.

Die FCKW binden sich an die stratosphärischen Wolken, bis sie im Frühling freigegeben werden. Wenn dies geschieht, binden sich diese ozonschädigenden Moleküle an Ozon und brechen ihre molekularen Bindungen auf. Durch diese Veränderung der Molekularstruktur wird die Fähigkeit der Ozonmoleküle, die UV-Strahlung zu absorbieren, reduziert. Infolge dieser FCKW Moleküle, ist die Ozonkonzentration an den Polen drastisch zurückgegangen, was letztendlich in einem „Ozonloch“ resultierte. Die Ozonverringerung in der Arktis ist vergleichbar mit der in der Antarktis. Ozon kann auch durch Aerosole, die keinen anthropogenen Ursprung haben, abgebaut werden. Vulkanische Aktivitäten und Eruptionen können Schwefelpartikel in die Stratosphäre ausstoßen, die einen ähnlichen Effekt wie FCKW haben.

Hat das Ozonloch Auswirkungen auf den Klimawandel

Der stetig stärker werdende Treibhauseffekt hindert die Wärme daran, die untere Atmosphäre zu passieren und die Stratosphäre zu erreichen. Dieser Effekt tritt aufgrund der wachsenden Menge an Treibhausgasen auf, welche die Wärmestrahlen in der Troposphäre zurück in Richtung der Erdoberfläche reflektieren. Die Troposphäre agiert als Wärmebarriere, die verhindert, dass Wärme in die Stratosphäre aufsteigt, was wiederum zu einer Abkühlung dieser führt. Eine kältere Stratosphäre und der kühlende Effekt des Ozonabbaus, führt zu weiterem Ozonabbau. UV-Strahlen geben Wärme in die Stratosphäre ab, wenn es mit Ozon reagiert. Mit einer schwindenden Ozonkonzentration wird weniger Wärme freigegeben, wodurch die Abkühlung der unteren Stratosphäre und eine erhöhte Bildung ozonschädigender, stratosphärischer Wolken an den Polen, besonders des Südpols, gesteigert wird.

Weniger Ozon in der Stratosphäre hat zur Folge, dass mehr UV-Strahlung die Erdoberfläche erreicht. Allerdings spielt die UV-Strahlung nur eine untergeordnete Rolle in der Erderwärmung, da ihre Konzentration in der Solarstrahlung zu gering ist, um einen signifikanten Wärmeeffekt zu haben. Das Nettoergebnis der UV-Strahlung ist vielmehr die Abkühlung der Stratosphäre, als die Erhitzung der Troposphäre. Daher trägt das Ozonloch nicht zu der globalen Erderwärmung bei. Dennoch ist das Schwinden von Ozon problematisch, da es, die auf der Erde lebenden, Organismen einem erhöhtem Gesundheitsrisiko aussetzt.

Allerdings zeigen jüngste Entdeckungen von Wissenschaftlern, dass das Ozonloch durchaus Auswirkungen auf das Klima der südlichen Hemisphäre hat. Das liegt daran, dass Ozon ein starkes Treibhausgas ist und dessen Zerstörung zu einer Abkühlung der Stratosphäre der Südhalbkugel führt. Dies hat höhere Windgeschwindigkeiten an den Polen zur Folge, was überraschenderweise Auswirkungen auf die Luftbewegungen in den Tropen und den Niederschlag in niedrigeren Breitengraden hat. Das Ozonloch verursacht nicht die Erderwärmung, beeinflusst aber durchaus die globale Zirkulation.

Quellen

https://climate.nasa.gov/faq/15/is-the-ozone-hole-causing-climate-change/

https://www.ucsusa.org/resources/ozone-hole-and-global-warming

https://en.wikipedia.org/wiki/Ozone#Ozone_in_Earth’s_atmosphere

Global climate models (Globale Klimamodelle) oder General Circulation Models (GCMs) (Globale Zirkulationsmodelle) sind die komplexesten und präzisesten Modelle zum Verständnis des Klimasystems und zur Vorhersage des Klimawandels. Diese Modelle zielen darauf ab, das Klimasystem der Erde auf der Grundlage von physikalischen Gesetzen (z.B. dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik oder dem Stefan-Boltzmann-Gesetz), von Fluidbewegung (z.B. den Navier-Stokes-Gleichungen) und von chemischen Grundprinzipien mathematisch zu beschreiben. Es werden mathematische Gleichungen verwendet, um beobachtbare Prozesse des Erdsystems zu quantifizieren, d.h. zu charakterisieren, wie Energie und Materie in verschiedenen Teilen der Atmosphäre, der Landoberfläche, des Ozeans und des Meereises interagieren und transportiert werden (Abb. 1).

Die atmosphärische Komponente des Klimamodells simuliert Wolken, Aerosole und den Transport von Wärme und Wasser rund um den Globus. Die Landoberflächenkomponente simuliert Oberflächeneigenschaften wie Vegetation, Schneedecke, Bodenwasser, Flüsse und Kohlenstoffspeicherung, während die Ozeankomponente Ozeanströmungen, Vermischung von Wassermassen und Ozeanbiogeochemie simuliert. Durch die Meereiskomponente werden die Absorption von Sonnenstrahlung, die Luft-Meer-Wärme und der Wasseraustausch reguliert.

Um ein komplexes globales Klimamodell zu erstellen, das all diese Komponenten enthält, muss die Erdoberfläche in dreidimensionale Gitterzellen unterteilt werden (Abb. 1). Die Größe dieser Gitterzellen definiert die räumliche Auflösung des Modells (typischerweise etwa 100 km x 100 km x 30 vertikale Lagen). Klimamodelle berücksichtigen auch die Dimension der Zeit, gemessen in Zeitschritten. Die zeitliche Auflösung bezieht sich auf die Größe dieser Zeitschritte (normalerweise etwa 30 Minuten), die im Modell verwendet werden. Leistungsstarke Supercomputer lösen iterativ die mathematischen Gleichungen für jede einzelne räumliche Gitterzelle und für mehrere aufeinanderfolgende Zeitpunkte, um ein genaues Klimamodell für ein bestimmtes Zeitintervall zu erstellen. Modelle mit kleineren Gitterzellen sowie kleineren Zeitschritten führen zu einer besseren Auflösung, benötigen aber auch erheblich mehr Rechenleistung.

Quellen

https://www.climate.gov/maps-data/primer/climate-models

http://eo.ucar.edu/staff/rrussell/climate/modeling/climate_model_resolution.html

https://www.carbonbrief.org/qa-how-do-climate-models-work

https://www.gfdl.noaa.gov/climate-modeling/

ie wichtigsten Inputs für ein Klimamodell sind externe Faktoren, sogenannte „Forcings“, welche die Menge der Sonnenenergie verändern, die von der Erde absorbiert oder in der Atmosphäre gespeichert wird. Beispiele für diese Forcings sind die variierende Strahlungsleistung der Sonne, variable atmosphärische Konzentrationen von Treibhausgasen (z. B. CO₂, Methan, N₂O) oder Aerosolen (Partikel, die z.B. durch Verbrennung fossiler Brennstoffe und Vulkanausbrüche freigesetzt werden und Sonneinstrahlung sowie Wolkenbildung beeinflussen). Diese Parameter werden als Schätzungen für vergangene (historische und geologische) Bedingungen aber auch als Schätzungen zukünftiger Bedingunge basierend auf sozioökonomischen Szenarien und Emissionsszenarien in Klimamodelle einbezogen.

Historische Forcings können mithilfe von Rekonstruktionen vergangener Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre (z. B. durch Analyse der in Eisbohrkernen eingeschlossenen Luft), Rekonstruktion von Treibhausgas- und Partikelemissionen während Vulkanausbrüchen oder Rekonstruktion der Änderungen der Erdumlaufbahn verbunden mit zyklische Schwankungen in der Sonnenstrahlung (Milankovitch Zyklen) rekonstruiert werden.

Zur Quantifizierung zukünftiger Forcings werden potenzielle Verläufe für atmosphärische Treibhausgaskonzentrationen anhand verschiedener Szenarien zukünftiger Entwicklungen in den Bereichen Technologie, Energie und Landnutzung erstellt, die sogenannten „Representative Concentration Pathways“ (RCPs) (Abb. 1).

Die Outputs eines Klimamodells sind normalerweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit in verschiedenen atmosphärischen Schichten von der Oberfläche bis zur oberen Stratosphäre. Klimamodelle liefern zudem Schätzungen der Meerwassertemperaturen, des Salzgehalts und des pH-Werts von der Meeresoberfläche bis zum Meeresboden sowie von Schneefall, Niederschlag, Schneedecke und dem Ausmaß von Gletschern, Eisschilden und Meereis. Sie geben Informationen über Windgeschwindigkeit, Stärke und Richtung sowie andere Klimavariablen wie den Jetstream und Meeresströmungen. Zusätzlich kann die „Klimasensitivität“ rekonstruiert werden (d.h. die Erwärmung, die erwartet wird, wenn die CO₂ Konzentration in der Atmosphäre die doppelte vorindustrielle Menge erreicht).

Klimamodelle werden durch Vergleich von Modellvorhersagen mit realen Beobachtungen getestet. Zu diesem Zweck werden Klimamodelle über einen historischen Zeitraum von etwa 1850 bis zur Gegenwart berechnet, wobei beste Schätzungen für die historischen Forcings in diesem Zeitraum verwendet werden (siehe auch „Was sind die Inputs und Outputs eines Klimamodells?“). Diese „Hindcasts“ des vergangenen Klimas (z.B. Oberflächentemperaturen) werden dann mit tatsächlich aufgezeichneten Klimabeobachtungen verglichen (Abb. 1c). Je genauer der Hindcast des vergangenen Klimas ist, desto zuverlässiger ist das Klimamodell, auch bei der Vorhersage des zukünftigen Klimas.

Diese historischen Hindcast Rekonstruktionen können auch verwendet werden, um den menschlichen Einfluss auf den Klimawandel zu bestimmen, die sogenannte „Attribution“. Zu diesem Zweck werden Modelle entweder nur mit natürlichen Forcings (z. B. Variationen in der Sonneneinstrahlung und vulkanische Aktivität) oder mit anthropogenen (durch den Menschen verursachte) Forcings (z.B. Treibhausgasen und Aerosolen) als Modell Input berechnet (Fig. 1a, b). Diese Graphen zeigen, dass natürliche Forcings allein das Verhalten des Klimas nicht erklären können. Nur wenn wir auch anthropogene Forcings berücksichtigen, können wir die beobachteten Klimamuster erklären.

Darüber hinaus können große Störungsereignisse wie Vulkanausbrüche verwendet werden, um die Performance von Klimamodellen zu testen. Modellprojektionen können mit aufgezeichneten kurzfristigen Reaktionen des Klimas nach einem Ausbruch verglichen werden. Studien, die den Ausbruch des Pinatubos untersuchen, zeigen, dass Klimamodelle Veränderungen in Temperatur (Hansen et al., 1996) und atmosphärischem Wasserdampf (Soden et al., 2002) genau projizieren können.

Um zuverlässigere Voraussagen für das Klima des 21. Jahrhunderts zu erhalten, werden Klimamodelle auch anhand von Paläoklimadaten getestet (die bis zu 21.000 Jahre zurückreichen). Diese Paläoklimadaten zeigen größere Klimaveränderungen als die Beobachtungsdaten der letzten 150 Jahre, anhand derer Klimamodelle normalerweise evaluiert werden. Eiskerne, marine Archive (z. B. marine Sedimente) und terrestrische Archive (z.B. Baumringe) liefern Informationen über Umweltreaktionen auf vergangene Klimaveränderungen. Diese Aufzeichnungen können verwendet werden, um Schätzungen über das Klima abzuleiten, d.h. Paläo-Proxys für das vergangene Klima (z.B. Paläotemperaturen) bereitzustellen. Somit bieten geologische Archive eine einzigartige Möglichkeit, die Modell Performance über den Vergleich mit kurzfristigen Beobachtungsaufzeichnung hinaus zu testen. Die Auswertung von Modellsimulationen im Vergleich zu Paläodaten zeigt, dass Modelle die Richtung und die großräumigen Muster vergangener Klimaveränderungen reproduzieren, obwohl sie das Ausmaß regionaler Veränderungen tendenziell unterschätzen (Braconnot et al., 2012).

Quellen

https://www.carbonbrief.org/qa-how-do-climate-models-work

https://skepticalscience.com/climate-models-intermediate.htm

Braconnot, P., Harrison, S. P., Kageyama, M., Bartlein, P. J., Masson-Delmotte, V., Abe-Ouchi, A., . . . Zhao, Y. (2012). Evaluation of climate models using palaeoclimatic data. Nature Climate Change, 2(6), 417-424.

Hansen, J., Sato, M., Ruedy, R., Lacis, A., Asamoah, K., Borenstein, S., . . . Campbell, M. (1996). A Pinatubo climate modeling investigation. In The Mount Pinatubo Eruption (pp. 233-272): Springer.

Soden, B. J., Wetherald, R. T., Stenchikov, G. L., and Robock, A., 2002, Global Cooling After the Eruption of Mount Pinatubo: A Test of Climate Feedback by Water Vapor: Science, v. 296, no. 5568, p. 727-730.

Moderne Klimamodelle können allgemein als zuverlässige Werkzeuge zur Vorhersage des Klimas angesehen werden. Eine aktuelle Studie (Hausfather et al., 2020) bewertete die Performance verschiedener Klimamodelle, die zwischen den frühen 1970er und den späten 2000er Jahren veröffentlicht wurden. Es wurde untersucht, wie gut Modelle die globale Erwärmung in den Jahren nach ihrer Veröffentlichung projizieren. Hierfür wurden die Modellprojektionen mit den tatsächlich beobachteten Temperaturänderungen verglichen. 14 der 17 Modellprojektionen stimmten mit den Beobachtungen überein, insbesondere wenn Diskrepanzen zwischen projizierten und beobachtungsbasierten Schätzungen des Forcings berücksichtigt wurden. Dies bedeutet, dass die tatsächlichen klimaphysikalischen Modelle im Allgemeinen genau sind und Diskrepanzen zwischen den Output Modelltemperaturen und den gemessenen Klimadaten hauptsächlich aufgrund von Unsicherheiten bei der Einschätzung zukünftiger Forcings auftraten, d.h. Schätzungen zukünftiger Klimagasemissionen, die in das Klimamodell aufgenommen werden müssen (siehe auch „Was sind die Inputs und Outputs eines Klimamodells?“).

Da die Rechenleistung begrenzt ist, gibt es eine Untergrenze für die Gitterzellengröße, für die Klimamodelle berechnet werden können (siehe auch „Was ist ein Klimamodell?“). Es gibt jedoch Prozesse auf Maßstäben unterhalb der räumlichen Auflösung des Modells (normalerweise etwa 100 x 100 km), z.B. Wolken, Konvektion in der Atmosphäre, Eddies im Ozean oder Landoberflächenprozesse (Abb. 1). Die Physik dieser Prozesse muss „parametrisiert“ werden. Diese Parametrisierungen sind Annäherungen an die zu modellierenden Phänomene auf den Skalen, die das Modell tatsächlich auflösen kann. Die Parametrisierung wird auch als Annäherung an Klimaprozesse verwendet, die noch nicht vollständig verstanden sind. Parametrisierungen sind die Hauptquelle für Unsicherheit in Klimamodellen.

Da unser Wissen über das Klima sowie unsere empirischen Beobachtungen unvollständig sind, können wir parametrisierte Variablen nicht immer auf einen einzigen Wert eingrenzen. Daher werden Tests mit dem Modell durchgeführt. Schätzungen parametrisierter Variablen werden in das Modell inkorporiert, um den Wert oder die Menge von Werten zu ermitteln, die das Klima am besten abbilden. Dieser Vorgang wird als „Modelloptimierung“ bezeichnet. Modellierer optimieren ihre Modelle, um sicherzustellen, dass der langfristige Durchschnittszustand des Klimas genau abgebildet ist – einschließlich Faktoren wie absolute Temperaturen, Meereiskonzentrationen, Oberflächenalbedo und Meereisausdehnung.

Es gibt auch einige Einschränkungen bei der Modellierung des Klimas auf regionaler und lokaler Ebene. Um die Lücke zwischen den großen räumlichen Skalen, die durch GCMs (Global climate models) dargestellt werden, und den kleineren Skalen, die für die Bewertung des regionalen Klimawandels und seiner Auswirkungen erforderlich sind, zu schließen, werden verschiedene Downscaling Methoden verwendet. Es gibt zwei Arten des Downscalings: regionale Klimamodelle (RCMs) und empirisch-statistisches Downscaling (ESD).

Regionale Klimamodelle (RCMs) verwenden die von den GCMs in niedriger Auflösung bereitgestellte Lösung und beziehen zusätzlich feinere topografische Details wie den Einfluss von Seen, Gebirgszügen und Seewind ein, um detailliertere Informationen zu berechnen. Diese Modelle erreichen eine Auflösung von ca. 25 km x 25 km. Da es die Informationen aus dem niedrig auflösenden Klimamodell (GCM) sind, die das Modell im feineren Maßstab steuern, bietet dieser Ansatz nur ein begrenztes Potential zur Verbesserung der eigentlichen Output Daten.

Empirisch-statistisches Downscaling (ESD) ist eine Alternative, die nicht viel Rechenleistung erfordert. ESD nutzt beobachtete Klimadaten, um eine statistische Beziehung zwischen dem globalen und dem lokalen Klima herzustellen. Entsprechend dieser statistischen Beziehung können lokale Änderungen basierend auf den großräumigen Projektionen abgeleitet werden, die aus GCMs oder Beobachtungen stammen.

Sowohl RCMs als auch ESD liefern relativ konsistente Ergebnisse untereinander sowie im Vergleich mit Beobachtungsdaten (Abb. 2). Outputdaten von RCMs sowie ESD hängen jedoch stark von der Qualität der Informationen ab, auf denen sie basieren, d.h. den beobachteten Daten oder der GCM-Dateneingabe. Das Downscaling liefert nur ortsspezifischere Daten, gleicht jedoch keine Unsicherheiten aus, die sich aus den Beobachtungsdaten oder dem GCM ergeben, auf die es sich stützt.

Globale sowie Downscaling Klimamodelle können das Klima relativ genau simulieren, zeigen jedoch manchmal erhebliche Abweichungen vom beobachteten Klima, die als „Bias“ bezeichnet werden, insbesondere auf regionaler und lokaler Ebene. Bias ist definiert als der systematische Unterschied zwischen einer modellierten Klimavariablen (z.B. mittlere Temperatur) und dem entsprechenden wahren Wert dieser Variablen. Eine Biaskorrektur kann angewendet werden, um diese Unterschiede zu minimieren. Eine empirische Übertragungsfunktion zwischen simulierten und beobachteten Klimavariablen wird kalibriert und auf die Output Modelldaten angewendet, um sie in Einklang mit den beobachteten Klimadaten zu bringen. Die Biaskorrektur ist lediglich eine Nachbearbeitung und kann Probleme mit dem tatsächlichen Klimamodell nicht beheben.

Einzelne Klimamodelle können auch Schwierigkeiten haben, die natürliche Klimavariabilität genau darzustellen, d.h. natürliche kurzfristige Schwankungen auf saisonalen oder multisaisonalen Zeitskalen (z.B. Nordatlantische Oszillation (NAO) oder El Niño Southern Oscillation (ENSO)) abzubilden. Wenn jedoch mehrere unabhängige Modelle kombiniert werden, kann diese Variabilität verringert werden. Durch die Mittelung eines Ensembles verschiedener Klimamodelle können Prognosen erstellt werden, die eine bessere Performance, höhere Zuverlässigkeit und Konsistenz bei der Vorhersage des Klimas aufweisen (Hagedorn et al., 2005).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass moderne Klimamodelle definitiv zuverlässige Projektionen auf größeren globalen Maßstäben liefern können. Sie stoßen jedoch an ihre Grenzen, wenn sie mit kleinskaligen Prozessen auf regionaler oder lokaler Ebene und kurzfristiger Klimavariabilität konfrontiert werden. Um diese Probleme zu lösen, stehen einige effektive Methoden zur Verfügung (wie oben beschrieben). Obwohl Modelle unser Klimasystem niemals 100% genau vorhersagen werden, sind sie trotzdem in der Lage, uns eine relativ genaue Vorhersage des zukünftigen Klimas zu geben. Oder, um es in den Worten von George Box auszudrücken: „Alle Modelle sind falsch, aber einige sind nützlich“.

Verständnis des vergangenen, gegenwärtigen und zukünftigen Klimas sowie die Kombination dieses Wissens mit Klimamodellen hilft dabei, natürliche und vom Menschen verursachte Einflüsse auf das Klimasystem der Vergangenheit und der Zukunft zu bestimmen (siehe auch „Wie werden Klimamodelle validiert? Wie werden sie getestet?”). Klimaprojektionen sind hilfreich bei der Bewertung der Auswirkungen des künftigen Klimawandels und helfen Entscheidungsträgern, Umweltthemen auf der Grundlage wissenschaftlicher Erkenntnisse zu priorisieren (Abb. 1).

Daher ist es wichtig, weiterhin Daten zu sammeln und aktuelle Modelle zu verbessern, um deren Genauigkeit zu erhöhen und unser Wissen über das Klimasystem zu vergrößern. Klimamodelle können die Art und Weise beeinflussen, wie Gesellschaften und politische Entscheidungsträger für die Zukunft planen. Klimamodelle sind unsere beste Chance, Wege zu finden, um die gefährlichen Auswirkungen des Klimawandels zu mildern.

Der Klimawandel betrifft jeden Einzelnen von uns, mit sehr weitreichenden Folgen für nahezu jeden unserer Lebensbereiche. Der Klimawandel hat, durch seine Auswirkungen auf unsere Nahrungsmittel und Wasserquellen, die Luft, die wir atmen und das Wetter, welches wir erleben, einen direkten Einfluss auf unsere Gesundheit und Lebensqualität.

Durch den Klimawandel erleben wir mehr Katastrophen wie Orkane, Überschwemmungen und Buschfeuer mit all ihren Konsequenzen. Die veränderten Wetterbedingungen – mehr Hitzewellen, Trockenzeiten und andere Niederschlagsmuster – können zu Missernten, Nahrungs- und Wasserversorgungsproblemen führen.

Durch die weiterandauernden Klimaveränderungen steigt das Risiko für unsere Gesundheit. Der Klimawandel fördert beispielsweise die Verbreitung von durch Vektoren übertragene Krankheiten, da sich die Lebensräume und -dauer von Schädlingen, wie von Moskitos und Zecken, durch die steigenden Temperaturen vergrößern und verlängern. Allergiezeiten verlängern sich, während die Anzahl der Herz- und Atemprobleme, aufgrund von Hitzewellen und sich verschlechternder Luftqualität, steigen. Dies hat insbesondere Auswirkungen auf Senioren, Kinder und die Armen.

Verhältnismäßig kleine Änderungen in der globalen Durchschnittstemperatur können bereits beträchtliche Auswirkungen auf das lokale und regionale Klima, die öffentliche Sicherheit und Gesundheit, sowie Wasserverfügbarkeit, Landwirtschaft, Infrastruktur und Ökosysteme, haben. Bereits heute hat der Klimawandel ernstzunehmende Folgen für die Welt, in der wir leben.

Jeder Kontinent hat sich seit den 1950er Jahren erheblich erwärmt. Im Durchschnitt gibt es mehr heiße Tage und diese werden immer heißer. Dies bedeutet, dass Hitzewellen in den letzten 50 Jahren häufiger und intensiver aufgetreten sind als zuvor. Hierdurch werden weltweit optimale Bedingungen für immer extremer werdende Waldbrandsaisons geschaffen.

Die Schneedecken schmelzen früher, wodurch während des warmen Sommers weniger Wasser verfügbar ist. In einigen Gebieten führt dies zu verminderter Süßwasserverfügbarkeit, was, zusammen mit Dürren, ganze Großstädte in Wassernot bringt. Zudem steigt der Meeresspiegel, aufgrund des schmelzenden Meereises und Gletschern, an.

Niederschlagsmuster ändern sich auch. Die Erdatmosphäre kann mit steigenden Temperaturen mehr Feuchtigkeit aufnehmen. Dadurch häufen sich immer stärker werdende Stürme und Überschwemmungen. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Ernte. Einige Nahrungsmittel verlieren an Nährwerten. Die zunehmende Menge an atmosphärischem CO₂ beschleunigt die Photosynthese, der Prozess den Pflanzen verwenden, um Sonnenlicht in Nahrung umzuwandeln. Während dadurch die Pflanzen schneller wachsen, führt dies auch dazu, dass die Nahrung auf Kosten anderer essenzieller Nährstoffe, mehr Kohlenhydrate wie Glukose enthält.

Viele Landarten und Meerestiere mussten ihr Verbreitungsgebiet, aufgrund der wärmeren Temperaturen, verlagern. Während einige Arten sich gut an die veränderten Lebensräume anpassen können, erleiden andere Arten Populationsrückgänge, -zusammenbrüche, bis hin zum Aussterben.

Auch Menschen leiden unter den Folgen, wenn einige Ökosysteme nicht mehr die gleiche Menge an Nahrung, sauberem Wasser und Küstenschutz bieten wie zuvor. Die größte Sorge bei der derzeitigen Erwärmung ist die Geschwindigkeit, in der die Veränderungen von statten gehen. Dies gibt den Menschen und der Natur nicht genügend Zeit, sich anzupassen. Ganze Ökosysteme, Gemeinden und Länder sind einem enormen Risiko ausgesetzt. Ein Großteil der menschlichen Bevölkerung lebt in Küstengebieten, die mit dem steigendem Meeresspiegel und stärkeren Stürmen in Zukunft überflutet sein werden. Die daraus resultierenden Sachschäden werden Milliarden kosten. Bereits heute sind Menschen dazu gezwungen vor den Folgen des Klimawandels, wie Dürren und Überflutungen, zu fliehen.

Das zukünftige Klima ist davon abhängig, ob die Weltbevölkerung die Treibhausgasemissionen erheblich reduzieren kann. Allerdings wird die Erwärmung voraussichtlich vorerst andauern.

Eine Erhöhung der globalen Temperaturen steigert die Intensität und Wahrscheinlichkeit von Stürmen, Überschwemmungen, Waldbränden, Dürren und Hitzewellen. Der Klimawandel beeinflusst das Wetter durch einen verstärkten Wasserkreislauf. Wasser verdunstet vom Land, und Wasser in die Atmosphäre und fällt in Form von Regen oder Schnee wieder auf die Erde hinab. Mit steigenden Temperaturen steigt auch die Menge an verdunstendem Wasser. Dadurch werden optimale Bedingungen für schwerwiegende Stürme und Orkane geschaffen. In den letzten 20 Jahren hat die Schwere, Häufigkeit und Dauer von Tropenstürmen im Atlantik, der Karibik und dem Golf von Mexiko zugenommen. Mehr Verdunstung an Land sorgt für trockener werdende Böden und Dürren. Die Anzahl an durch Dürren betroffene Regionen ist, mit dem marginal abnehmenden Niederschlag über Land und der gleichzeitig zunehmenden Verdunstung, gestiegen.

Die Erderwärmung hat zweierlei Auswirkungen auf den steigenden Meeresspiegel. Zum einen führen die wärmeren Sommer und Winter, sowie der frühere Frühlingsbeginn zu einer verstärkten Aufschmelzung von Gletschern und Eispanzern. Diese zunehmende Menge an Schmelzwasser von den Polarregionen lässt den Meeresspiegel ansteigen. Der zweite Grund ist die Wärmeausdehnung, d.h. die natürliche Ausdehnung von wärmer werdendem Wasser, wodurch die Ozeane ein größeres Volumen einnehmen.

Wissenschaftliche Berechnungen zeigen, dass in den letzten Jahrzehnten mehr Eis geschmolzen als entstanden ist, und ein Großteil der Gebirgsgletscher schmilzt weiterhin. Die Polarregionen sind besonders gefährdet, da die Temperaturen in der Arktis und Antarktis doppelt so schnell steigen wie der globale Durchschnittswert. Das arktische und antarktische Volumen und die Ausdehnung an Meereis schwindet seit Beginn der Aufzeichnung Ender der 1970er Jahre und bereits davor.

Die Ozeanversauerung bezieht sich auf die veränderte chemische Zusammensetzung der Meere. Wenn sich Kohlenstoffdioxid (CO₂) im Meerwasser löst, kommt es zu chemischen Reaktionen, durch die der pH-Wert gesenkt wird. Der pH-Wert misst den Säuregehalt auf einer Skala von 0-14. Je geringer der Wert, desto höher der Säuregehalt. Eine Änderung des pH-Wertes nach unten spiegelt somit eine Versauerung wider. Im Meerwasser lösen sich 30 bis 40% der menschengemachten CO₂ Emissionen. Diese Veränderung der chemischen Zusammensetzung stört die marinen Ökosysteme und beeinflusst unzählige Lebewesen. Besonders die Skelettbildung der Meerestiere ist anfällig für Änderungen des pH-Wertes. Beispielsweise verhindert die Versauerung die Bildung von Schalen einiger Lebewesen, oder löst die Schalen auf.

Mit dem Beginn der industriellen Revolution haben die Ozeane 525 Milliarden Tonnen an CO₂ aus der Atmosphäre aufgenommen; aktuell ca. 22 Millionen Tonnen pro Tag. Prognosen gehen davon aus, dass die Ozeane weiterhin CO₂ aufnehmen werden, wodurch die Versauerung voranschreitet. Schätzungen zufolge kann die CO₂-Konzentration des Oberflächenwassers bis Ende dieses Jahrhunderts 150% höher sein, was zu dem niedrigsten pH-Wert der Ozeane seit 20 Millionen Jahren führen würde.

Einige Lebewesen werden diesen Wandel überleben oder unter saureren Bedingungen sogar florieren, während andere Anpassungsschwierigkeiten haben werden, was zu deren Aussterben führen kann. Über den Verlust der Biodiversität hinaus, wird die Versauerung Auswirkungen auf die Fischgründe haben, wodurch die Ernährungssicherung von Millionen von Menschen, sowie die Tourismusbranche und andere Sektoren gefährdet werden.

https://ocean.si.edu/ocean-life/invertebrates/ocean-acidification

https://www.pmel.noaa.gov/co2/story/What+is+Ocean+Acidification%3F

https://www.nationalgeographic.com/environment/oceans/critical-issues-ocean-acidification/

Da das Klimasystem verzögert auf die Änderungen reagiert und CO₂ für Hunderte oder Tausende Jahre in der Atmosphäre bleibt, wird sich das Klima mindestens bis Mitte des Jahrhunderts erwärmen, unabhängig von den Maßnahmen, die wir heute treffen, um unsere Emissionen zu reduzieren. Wenn wir versäumen unsere Treibhausgasemissionen erheblich zu reduzieren, wird sich unser Planet über die nächsten Jahrhunderte hinweg erwärmen.

Es gibt zahlreiche Lösungen für die Klimakrise, aber das dringlichste Ziel ist die drastische Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Dafür sind Verbesserungen der Energieeffizienz, die Reduktion von Abfall, weniger Entwaldung und der Wechsel zu sauberen Energiequellen vonnöten.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen multilaterale Richtlinien und Vereinbarungen verabschiedet, regionale Anstrengungen von Städten vorgenommen, sowie auch Bemühungen eines jeden Einzelnen unternommen werden. Es gibt viele Möglichkeiten für einzelne Personen und Unternehmen ihren CO₂-Fußabdruck zu reduzieren und damit dem Klima zu helfen. Die Verwendung von Energiesparlampen, energiesparenden Geräten, Recycling, Kompostierung, der Wechsel zu grünem Strom, alternative Fortbewegung zum Auto, wie der öffentliche Nahverkehr, das Fahrrad, oder zu Fuß, sind einfache Möglichkeiten einen Beitrag zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes zu leisten.

Weiterführende Informationen

1. IPCC (2013). Summary for Policymakers. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Intergovernmental Panel on Climate Change.

2. IPCC (2007). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Frequently Asked Questions. FAQ 7.1. Intergovernmental Panel on Climate Change.

3. IPCC (2007). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Executive Summary. Intergovernmental Panel on Climate Change.

4.​ USGCRP (2016). The Impacts of Climate Change on Human Health in the United States: A Scientific Assessment. Crimmins, A., J. Balbus, J.L. Gamble, C.B. Beard, J.E. Bell, D. Dodgen, R.J. Eisen, N. Fann, M.D. Hawkins, S.C. Herring, L. Jantarasami, D.M. Mills, S. Saha, M.C. Sarofim, J. Trtanj, and L. Ziska, Eds. U.S. Global Change Research Program.

5. USGCRP (2014).Climate Change Impacts in the United States: The Third National Climate Assessment. Melillo, Jerry M., Theres (T.C.) Richmond, and Gary W. Yohe, Eds., U.S. Global Change Research Program.

Das Klima ändert sich heute nicht zum ersten Mal. Schon in früheren geologischen Perioden kam es immer wieder zu Schwankungen und Veränderungen des Klimas. Das führt zu dem Gefühl, dass der momentane Klimawandel nur als eine Wiederholung der (Erd-)Geschichte angesehen wird. Was aber übersehen wird: Jede Veränderung des Klimas war eine Katastrophe und verursachte oft ein Massenaussterben. Jede Art hat ihr eigenes Temperaturintervall, das sie tolerieren kann. Wenn es wärmer oder kälter wird, können viele Individuen einer Art sterben, sodass die ganze Art aussterben kann. Der momentane Klimawandel provoziert ein weiteres, vielleicht großes Massenaussterben, das Ökosysteme zusammenbrechen lassen kann und unsere Existenz und Lebensgrundlage zerstören kann. Jeder Klimawandel ist eine Katastrophe und der momentane Klimawandel wird keine Ausnahme sein.

Das Wetter umfasst alle momentanen Prozesse in der Atmosphäre. Die Daten zu Temperatur und Niederschläge werden über die Tage verteilt gemessen. Das Klima bezieht sich auf die Wetterdaten über einen längeren Zeitraum, der mindestens 30 Jahre umfasst, um auch Extremereignisse miteinzubeziehen. Der Unterschied zwischen Wetter und Klima liegt im Zeitraum, in dem die Daten gesammelt werden. Zu beachten ist, dass das Klima die Voraussetzung für das Wetter ist und nicht umgekehrt. Extreme Wettereignisse werden nicht durch das Klima verursacht, aber wenn das Wetter über einen langen Zeitraum extremer wird, dann ist das ein Indiz für eine drastische Änderung des Klimas.

Durch die globale Erderwärmung dringen warme Luftmassen weiter nach Norden vor und erwärmen die Arktis sehr stark. Dabei werden kalte Luftmassen verdrängt, die dann nach Süden strömen. Außerdem kann das zunehmende Schmelzwasser warme Meeresströmungen nach Süden verdrängen. Die Kälte verschwindet aus den Polarregionen und erwärmt sich in südlichen Regionen. Das ist vergleichbar mit einem offenen Kühlschrank, aus dem die Kälte entweicht. Ist diese Kälte verschwunden, wird sich auch in den betroffenen Regionen das Klima erwärmen. Diese Kältewellen bilden die verschwindende Kälte aus der Arktis.