Diskutierte globale Klimaänderungsmodelle (Stand 2004)

Inhalt

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung: Zur Diskussion über Ursachen und Auswirkungen der globalen Erwärmung

2. Ursachen von Klimaänderungen
2.1. Natürliche Ursachen von Klimaänderungen
2.1.1. Sonnenaktivität
2.1.2. Erdbahnparameter
2.1.3. Kontinentalverschiebung
2.1.4. Vulkanismus
2.1.5. ENSO
2.2. Menschliche Aktivitäten und der anthropogene Treibhauseffekt

3. Klimamodelle
3.1. Eigenschaften und Funktionsweise von Klimamodellen
3.2. Wie verläßlich sind Klimamodelle?

4. Globale Veränderungen des Klimas im 21. Jahrhundert
4.1. Veränderungen der Temperaturverhältnisse
4.2. Veränderungen der Niederschlagsverhältnisse
4.3. Anstieg des Meeresspiegels
4.4. Veränderungen in der thermohalinen Zirkulation der Ozeane
4.5. Die Zunahme extremer Wetterereignisse

5. Abschließende Bemerkungen

6. Ausgewählte Literatur

Internet-Adressen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Veränderung der globalen bodennahen Lufttemperatur von 1860 bis 2000 (aus: Intergovernmental Panel on Climate Change)

Abbildung 2.1.: Mittlere 11-jährige Sonnenfleckenrelativzahlen 1849-1991 (Trend: +3,7/11a) (aus: Malberg 2002, S. 307)

Abbildung 3: Orbitale Parameter (aus: Institut für Geowissenschaften der Friedrich-Schiller-Universität Jena 2002)

Abbildung 4: Die im Rahmen des Stratospheric Aerosol and Gas Experiment II (SAGE II) in der Stratosphäre gemessene optische Tiefe (τ) für eine Wellenlänge von 1.020 nm vor und nach dem Ausbruch des Pinatubo im Juni 1991 (die optische Tiefe gibt die Strahlungsdurchlässigkeit eines Mediums an; dabei gilt: je größer τ, desto geringer die Strahlungsdurchlässigkeit) (aus: Burroughs 2003, S. 89)

Abbildung 5: Schematische Darstellung der Zirkulation in Normaljahren und während eines El Niño-Ereignisses (aus: Burroughs 2003, S. 72)

Abbildung 6: Schema des Treibhauseffekts der Atmosphäre (aus: Malberg 2002, S. 297)

Abbildung 7: Globale atmosphärische Konzentrationen von drei Treibhausgasen (aus: Hardy 2003, S. 16)

Abbildung 8: Veränderung der globalen bodennahen Lufttemperatur vom Jahr 1000 bis zum Jahr 2100; Projektionen auf der Grundlage der sechs Standard-SRES-Szenarien sowie des IS92a-Szenarios des IPCC (aus: Intergovernmental Panel on Climate Change)

Abbildung 9.1.: Veränderung der durchschnittlichen bodennahen Lufttemperatur von 1960-1990 bis 2070-2100 für die Sommermonate Juni-Juli-August, berechnet vom globalen Zirkulationsmodell HadCM3 des Hadley Centre for Climate Prediction and Research auf der Grundlage des IPCC-Szenarios IS92a (aus: Hadley Centre 2004)

Abbildung 10.1.: Veränderung der durchschnittlichen Niederschläge von 1960-1990 bis 2070-2100 für die Sommermonate Juni-Juli-August, berechnet vom globalen Zirkulationsmodell HadCM3 des Hadley Centre for Climate Prediction and Research auf der Grundlage des IPCC-Szenarios IS92a (aus: Hadley Centre 2004)

Abbildung 11: Globaler Anstieg des durchschnittlichen Meeresspiegels vom Jahr 2000 bis zum Jahr 2100, berechnet vom globalen Zirkulationsmodell HadCM3 des Hadley Centre for Climate Prediction and Research auf der Grundlage des IS92a-Szenarios (aus: Hadley Centre 2004)

Abbildung 12: Die ozeanische Zirkulation (aus: Intergovernmental Panel on Climate Change)

Abbildung 13: Momentane Antriebsweise und mögliche Störung des Golfstroms (aus: Traufetter 2004, S. 20)

Abbildung 14: Die globalen Kosten extremer Wetterereignisse (aus: Intergovernmental Panel on Climate Change)

Abbildung 15: Wahrscheinlichkeitsstufen beobachteter und prognostizierter Veränderungen extremer Wetter- und Klimaereignisse (wahrscheinlich: 66-90 %; sehr wahrscheinlich: 90-99 %) (aus: Cubasch 2002, S. 157)

Abbildung 16: Die Trägheit des Klimasystems (aus: Intergovernmental Panel on Climate Change)

1. Einleitung: Zur Diskussion über Ursachen
und Auswirkungen der globalen Erwärmung

Das Phänomen der globalen Erwärmung befindet sich bereits seit geraumer Zeit im Blickfeld sowohl der Wissenschaft als auch der breiten Öffentlichkeit und ist immer wieder kontrovers diskutiert worden. In den letzten Jahren wurde die Diskussion durch das Auftreten extremer Wetterereignisse wie etwa die anhaltenden starken Niederschläge und damit einhergehenden Überschwemmungen in Teilen Mitteleuropas zusätzlich entfacht. Dabei dürfte es mittlerweile hinsichtlich der Frage, ob eine globale Erwärmung überhaupt stattfindet, wohl keine unterschiedlichen Meinungen mehr geben; schließlich ist es eine unumstößliche Tatsache, daß sich die mittlere globale Lufttemperatur im Laufe des 20. Jahrhunderts um etwa 0,6 °C erhöht hat (vgl. UNFCCC 2002). Im Hinblick auf die Ursache für diesen Temperaturanstieg sowie dessen mögliche Folgen gehen die Meinungen jedoch weit auseinander.

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Abbildung 1: Veränderung der globalen bodennahen Lufttemperatur von 1860 bis 2000 (aus: Intergovernmental Panel on Climate Change)

Während die einen hinsichtlich der beobachteten Wetterkapriolen bereits die baldige Apokalypse heraufbeschwören, sehen die anderen darin keineswegs die Vorboten eines bevorstehenden grundlegenden Klimaumschwungs, sondern lediglich Ereignisse, die durchaus im natürlichen Schwankungsbereich der regionalen Witterungsverhältnisse liegen. Die einen sind für sofortige drastische Maßnahmen, um eine vermeintliche Klimakatastrophe zu verhindern oder wenigstens abzumildern, die anderen sehen keinerlei Handlungsbedarf, plädieren auf Abwarten und sehen die ganze Diskussion als bloße Panikmache geltungssüchtiger, nach Publicity strebender Klimaforscher.

Doch selbst wenn man annimmt, daß ein tiefgreifender Klimawandel mit möglicherweise verheerenden Auswirkungen bevorsteht, so besteht noch lange keine Einigkeit darüber, wer oder was dafür verantwortlich zu machen ist. Gerade im Zusammenhang mit dieser Frage haben sich zwei Lager mit konträren Ansichten gebildet: Da wären zum einen diejenigen, die den vom Menschen durch den übermäßigen Ausstoß von CO2 und anderen Treibhausgasen verursachten bzw. verstärkten Treibhauseffekt als Hauptauslöser der globalen Erwärmung sehen und deshalb eine rasche Reduzierung der Schadstoffemissionen fordern. Dagegen verweisen die Anhänger des gegnerischen Lagers auf Forschungsergebnisse der Paläoklimatologie, die belegen, daß es im Laufe der Erdgeschichte auch ohne menschliches Zutun immer wieder zu teilweise drastischen Klimaänderungen kam. So habe auch der in den letzten hundert Jahren zu beobachtende Temperaturanstieg gänzlich natürliche Ursachen und könne vom Menschen demnach ohnehin nicht entscheidend beeinflußt oder gar verhindert werden. Wenn also ein radikaler Klimawandel bevorstehe, so die fatalistische Schlußfolgerung, dann müsse man sich eben damit abfinden und versuchen, so gut es geht damit zurechtzukommen.

Tatsächlich gibt es neben dem viel diskutierten anthropogenen Treibhauseffekt auch eine Reihe natürlicher Ursachen, die als Auslöser von Klimaänderungen in Frage kommen. Welcher Faktor nun hauptsächlich für den beobachteten Anstieg der mittleren globalen Lufttemperatur in den letzten 100 Jahren verantwortlich ist, konnte von der Wissenschaft bisher nicht mit absoluter Bestimmtheit geklärt werden; am wahrscheinlichsten ist jedoch ein Zusammentreffen mehrerer, sowohl natürlicher als auch anthropogener Faktoren. So stellte das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) bereits 1996 fest, daß die verfügbaren Forschungsergebnisse in ihrer Gesamtheit einen substantiellen anthropogenen Einfluß auf das globale Klima nahelegen (vgl. Claussen 2001, S. 7). Die Kontroverse über die möglichen Ursachen der globalen Erwärmung wird sich wohl in jedem Fall noch lange fortsetzen.

Um etwas Licht in die andauernde und zum Teil sehr subjektiv geführte Diskussion über die zukünftige Entwicklung des globalen Klimas zu bringen, soll auf den folgenden Seiten zunächst auf die wichtigsten natürlichen und anthropogenen Ursachen von Klimaänderungen eingegangen werden. Im dritten Abschnitt stehen dann Eigenschaften und Funktionsweise moderner Klimamodelle sowie die Frage nach der Aussagekraft der von solchen Modellen errechneten Klimaszenarien im Mittelpunkt. Im vierten Abschnitt werden schließlich einige der von Klimamodellen vorhergesagten Entwicklungen des globalen Klimas im 21. Jahrhundert präsentiert.

2. Ursachen von Klimaänderungen

2.1. Natürliche Ursachen von Klimaänderungen

2.1.1. Sonnenaktivität

Die Sonne bzw. die von ihr ausgehende Solarstrahlung ist als primäre Energiequelle für die thermischen Verhältnisse an der Erdoberfläche und als Antrieb für die atmosphärische Zirkulation der mit Abstand wichtigste Faktor, der das Klima auf der Erde bestimmt. Vor diesem Hintergrund ist es naheliegend, daß Änderungen in der Aktivität der Sonne und damit in der von ihr ausgehenden Strahlungsmenge Variationen des Klimas auf der Erde in der Größenordnung von kurzfristigen Schwankungen bis hin zu langfristigen Änderungen zur Folge haben können (vgl. Malberg 2002, S. 292).

In der Tat ist der Betrag der von der Sonne ausgehenden Strahlung Veränderungen unterworfen. Normalerweise beträgt die am Rande der Erdatmosphäre ankommende Energiemenge, die sog. Solarkonstante, bei senkrechtem Aufprall der Sonnenstrahlen 1,36 kW/m2. Anders als es der Name vermuten läßt, ist diese Energiemenge jedoch nicht völlig konstant. Vielmehr treten von Zeit zu Zeit geringfügige Schwankungen der Solarkonstanten auf, so etwa im Zusammenhang mit der regelmäßigen Zu- und Abnahme von dunklen Flecken auf der Sonne, dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus. Bei Sonnenflecken handelt es sich um dunkle, zellenartige Gebiete auf der Sonnenoberfläche, die sich normalerweise zu Fleckengruppen anordnen. Da im Bereich von Sonnenflecken der Energietransport aus tieferen Sonnenschichten an die Oberfläche verringert ist, weisen sie in ihrem zentralen Bereich mit ca. 4.500 °C eine um etwa 1.500 °C niedrigere Temperatur auf als die sie umgebende Sonnenoberfläche. Der Zeitraum zwischen zwei Maxima bzw. zwei Minima der Anzahl der Sonnenflecken beträgt durchschnittlich 11 Jahre (vgl. Malberg 2002, S. 306-309).

Ein Maß für die Summe der Einzelflecken und Fleckengruppen ist die sog. Sonnenfleckenrelativzahl. Bei einem Vergleich der durchschnittlichen 11-jährigen Sonnenfleckenrelativzahlen in der Zeit von 1849 bis 1991 mit den 11-jährigen Durchschnittstemperaturen in Mitteleuropa für den gleichen Zeitraum zeigt sich, daß zwischen der Variabilität der Sonnenaktivität und der klimatischen Variabilität der Temperatur ein statistisch signifikanter Zusammenhang besteht: Für die Sonnenfleckenrelativzahl ergibt sich für den angegebenen Zeitraum ein Trend von +3,7 pro 11 Jahre, für die Durchschnittstemperaturen in Mitteleuropa ergibt sich für die gleiche Zeitspanne ein Trend von +0,08 °C pro 11 Jahre (ª Abb. 2.1 und 2.2). Der scheinbare Widerspruch, daß auf der Erde ein globaler bzw. regionaler Temperaturanstieg zu beobachten ist, wenn sich auf der Sonne besonders viele „kalte“ Sonnenflecken bilden, ist u.a. dadurch zu erklären, daß während der Sonnenfleckenmaxima die Sonnenfackeln sowie eine Vielzahl heller Gebiete auf der Sonnenoberfläche besonders energiereich sind.

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Abbildung 2.1.: Mittlere 11-jährige Sonnenfleckenrelativzahlen 1849-1991 (Trend: +3,7/11a) (aus: Malberg 2002, S. 307)

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Abbildung 2.2.: 11-jährige Durchschnittstemperaturen in Mitteleuropa 1849-1991 (Trend: +0,08 °C/11a) (aus: Malberg 2002, S. 308)

2.1.2. Erdbahnparameter

Neben Änderungen der Sonnenausstrahlung sind es auch periodische Änderungen der Erdbahnelemente, d.h. in der Stellung der Erde zur Sonne und damit zur einfallenden Solarstrahlung, die einen Einfluß auf den Strahlungshaushalt der Erde ausüben. Dabei spielen drei Faktoren eine Rolle (ª Abb. 3):

1. Die Erde beschreibt bei ihrem Umlauf um die Sonne eine Ellipse, deren Form sich ständig ändert. Die Abweichung von einer Kreisbahn, die sog. Exzentrizität, schwankt in einem Rhythmus von ca. 100.000 Jahren zwischen 0,5 % und 6 %. Starke Exzentrizität verursacht große Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter auf beiden Halbkugeln der Erde, während die Temperaturunterschiede bei schwacher Exzentrizität weniger stark ausgeprägt sind.
2. Die Raumlage der elliptischen Umlaufebene der Erde, Ekliptik genannt, ist periodischen Schwankungen unterworfen. Die Schiefe (Obliquität) der Ekliptik bzw. die Neigung der Erdachse, also der Winkel zwischen der Ekliptik und der Äquatorebene der Erde, variiert in einem Rhythmus von etwa 40.000 Jahren zwischen 22,1° und 24,5°. Die Neigung der Erdachse ist der Hauptgrund für den Wechsel der Jahreszeiten. Ihre Verringerung hat demnach eine Abschwächung der Unterschiede zwischen den Jahreszeiten zur Folge. Gegenwärtig beträgt die Neigung 23,5°.
3. Die Erdachse rotiert in einem Rhythmus von ca. 20.000 Jahren um die Ekliptikachse und beschreibt dabei einen Kegel. Zusammen mit der Erdumlaufbahn bestimmt diese Bewegung, wann die Erde der Sonne am nächsten kommt (Perihel). Dieser als Präzession bezeichnete Vorgang verstärkt die Temperaturgegensätze auf einer Halbkugel und verringert sie auf der anderen Halbkugel.

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