Global Climate Change und weltweiter Meeresspiegelanstieg

Inhaltsverzeichnis

1. EINLEITUNG

2. GRUNDLAGEN
2.1 BEGRIFFSKLÄRUNG
2.1.1 Globaler Klimawandel
2.1.2 Erderwärmung
2.2 NATURWISSENSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN
2.2.1 Strahlungs- und Wärmehaushalt
2.2.1.1 Einfluss der Atmosphäre
2.2.1.2 Globalstrahlung und kurzwellige Strahlungsbilanz.
2.2.1.3 Effektive Ausstrahlung und der natürliche Treibhauseffekt
2.2.2 Anthropogener Treibhauseffekt

3. GLOBAL CLIMATE CHANGE UND WELTWEITER MEERESSPIEGELANSTIEG
3.1 KLIMAWANDEL VON DER VERGANGENHEIT BIS HEUTE
3.1.1 Temperaturveränderungen
3.1.2 Windsysteme
3.1.3 Wasserdampf und Niederschlag
3.1.4 Meeresspiegelanstieg
3.2 PROJEKTIONEN ZUKÜNFTIGER ÄNDERUNGEN DES KLIMAS
3.2.1 Temperaturveränderungen
3.2.2 Windsysteme
3.2.3 Wasserdampf und Niederschlag
3.2.4 Meeresspiegelanstieg
3.3 ZUKÜNFTIGE KLIMAENTWICKLUNG IN DEUTSCHLAND

4. FOLGEN DER ANTHROPOGEN BEDINGTEN KLIMAERWÄRMUNG
4.1 AUSWIRKUNGEN DURCH DEN MEERESSPIEGELANSTIEG
4.2 SÜßWASSERRESSOURCEN
4.3 ÖKOSYSTEME
4.4 AGRARSEKTOR
4.5 INFRASTRUKTUR UND WIRTSCHAFT
4.6 MENSCHLICHE GESUNDHEIT

5. HANDLUNGSMÖGLICHKEITEN FÜR ANPASSUNG UND GEGENMAßNAHMEN
5.1 VERMEIDUNGSSTRATEGIEN
5.2 ANPASSUNGSMAßNAHMEN

6. FAZIT

7. LITERATURVERZEICHNIS

8. ABBILDUNGSVERZEICHNIS

1. Einleitung

„Das Klima der Erde ist ständigen Wandlungen unterworfen, weist aber dennoch eine erstaunliche Konstanz auf. Die kurzfristige Variabilität des Klimas ist in langfristige Veränderungen eingebettet.“ (LAUER & BENDIX 2006, S. 281).

Die Ursachen dieser Klimaänderungen und Klimaschwankungen beruhen auf natürlichen Prozessen und Faktoren, wie z. B. der Veränderung der Erdbahngeometrie, periodische Schwankungen der Sonnenaktivität oder innere Ursachen des Systems Erde-Atmosphäre (z.B. Vulkanausbrüche), die im Laufe der Erdgeschichte immer wieder für Veränderungen der Klimate (Kalt- und Warmzeiten der jeweiligen Eiszeiten) gesorgt haben (vgl. LAUER & BENDIX 2006, S. 290 f.). Nicht ohne Grund bezeichnet man die Erdgeschichte als „(...) Geschichte der Klimaveränderungen.“ (SCHÖNWIESE 2003, S. 277). In jüngerer Zeit führten allerdings v. a. anthropogene Einflüsse zu Veränderungen des Energie- und Wasserhaushaltes. Als Hauptgründe für die anthropogene Klimabeeinflussung sind das exponentielle Bevölkerungswachstum sowie die zunehmende Industrialisierung zu nennen. Aufgrund der immensen Beeinflussung des Menschen bezeichnen Paul Crutzen und Eugene Stoermer die heutige geologische Epoche schon als Anthropozän – als das vom Menschen dominierte Zeitalter (vgl. DOW & DOWNING 2007, S. 8). Unsere Zivilisation ist gewissermaßen zur Naturgewalt geworden, die weit reichende Veränderungen in den Ökosystemen herbeiführt. Diese Veränderungen werden rückwirkend unser Leben sowie das zukünftiger Generationen bedrohen.

In dieser Ausarbeitung sollen zunächst die begrifflichen und naturwissenschaftlichen Grundlagen des Global Climate Change erläutert werden, bevor ein Blick auf vergangene und zukünftige Klimaveränderungen geworfen wird. Darüber hinaus werden die Ursachen und drastischen Folgen des anthropogen bedingten Klimawandels aufgezeigt und es sollen Handlungsmöglichkeiten bezüglich einer Eindämmung bzw. Anpassung beleuchtet werden.

2. Grundlagen

2.1 Begriffsklärung

2.1.1 Globaler Klimawandel

Der Begriff Globaler Klimawandel (Global Climate Change), welcher in aktuellen Debatten häufig als Schlagwort verwendet wird, bezeichnet einen Wandlungsprozess, dessen sich die internationale wissenschaftliche Welt immer sicherer wird. DOW und DOWNING (2007, S. 15) definieren den Klimawandel als eine „statistisch bedeutsame Abweichung von entweder dem durchschnittlichen Zustand des Klimas oder seiner natürlichen Variabilität, die über einen längeren Zeitraum (üblicherweise Jahrzehnte oder länger) anhält.“ Wie in der Einleitung schon beschrieben, gibt es diverse Ursachen für einen Klimawandel. Diese Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit dem Klimawandel, der durch anthropogene Einflüsse bedingt ist und die Zusammensetzung der Erdatmosphäre verändert.

2.1.2 Erderwärmung

Trotz immer wieder auftretender Gegenstimmen, wird das Eintreten einer globalen Erwärmung mit all seinen komplexen Folgewirkungen mittlerweile mehrheitlich als wahrscheinlich angesehen (vgl. BEHNEN 2000, S. 10). Obwohl oftmals mit dem Begriff des Klimawandels gleichgesetzt, ist die Erderwärmung (Global Warming) nur ein Aspekt des Klimawandels. Genauer gesagt, ein Anstieg des Mittelwertes der globalen Temperatur.

2.2 Naturwissenschaftliche Grundlagen

Der relativ junge Prozess der anthropogen bedingten Klimaveränderung beruht auf einem Vorgang, der in der Literatur als anthropogener Treibhauseffekt beschrieben wird. Zum Verständnis dieses Vorganges ist eine allgemeine Betrachtung des Strahlungs- und Wärmehaushaltes der Erde vonnöten:

2.2.1 Strahlungs- und Wärmehaushalt

Der anthropogene Treibhauseffekt stellt eine Intensivierung des natürlichen Treibhauseffektes der Erde dar. Um den Prozess des natürlichen Treibhauseffektes zu begreifen, muss man das System Erde-Atmosphäre als Ganzes verstehen. Besonders interessant ist hierbei die Betrachtung eines Schemas zur Strahlungs- und Wärmebilanz (siehe Abb. 1).

Abb. 1: Schema der Strahlungs- und Wärmebilanz für das System Erde-Atmosphäre.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dieses Schema lässt sich in drei Teilbereiche untergliedern: Zunächst die Bilanz der Solarstrahlung, welche nur für die Tagseite der Erde gilt und als kurzwellige Strahlung die Erdoberfläche erreicht. Anschließend die Bilanz der terrestrischen Infrarotstrahlung, wobei hier Wärmeabgabe auch in der Nacht erfolgt. Zudem gilt diese für den gesamten Globus. Als letztes verweist die Abbildung 1 auf die Wärmeflüsse bzw. den vertikalen Wärmeaustausch von fühlbarer und latenter Wärme (vgl. LAUER & BENDIX 2006; S. 51 f.).

Wie später gezeigt wird, fällt der natürliche Treibhauseffekt in den Bereich der terrestrischen Strahlung. Bevor allerdings auf diesen und die anderen Bereiche des Schemas eingegangen werden kann, sollte zunächst der Einfluss der Atmosphäre thematisieren werden. So gilt es zunächst die Vorgänge und Beeinflussungsmomente der Atmosphäre aufzuzeigen, da sie grundlegend für die Bilanzen der solaren wie auch terrestrischen Strahlung sind.

2.2.1.1 Einfluss der Atmosphäre

„Die solar eingestrahlte Energie erreicht die Erdoberfläche weder vollständig noch direkt, sondern durch die Mittlerfunktion der Atmosphäre vielfältig modifiziert.“ (SCHÖNWIESE 2003, S. 116).

Dieses Zitat von Schönwiese weist auf eine bedeutende Funktion der Atmosphäre hin: Die solare Strahlung unterliegt im Durchdrang der Atmosphäre einem Energiereduzierendem Prozess: Der Extinktion. Diese wird in unterschiedlichen Formen unterschieden: Zum einen wird ein Teil der Sonnenstrahlung durch bestimmte Gase absorbiert und in Wärmeenergie überführt – somit zur Erwärmung der Atmosphäre verwendet. Zum anderen wird ein weiterer Teil an den Gasen und Partikeln der Atmosphäre gestreut, wovon ein Teil durch Mehrfachstreuung die Erdoberfläche erreicht, während der Rest durch Reflexion das System Erde-Atmosphäre wieder verlässt (vgl. SCHÖNWIESE 2003, S. 116).

Diese Prozesse in der Atmosphäre sind notwendig, um das komplexe System des Strahlungs- und Wärmehaushaltes Erde-Atmosphäre nachvollziehen zu können. In den folgenden Abschnitten sollen unter Verwendung der Abbildung 1 zunächst die Prozesse der Globalstrahlung und kurzwelligen Strahlungsbilanz und im Anschluss daran die effektive Ausstrahlung erläutert werden.

2.2.1.2 Globalstrahlung und kurzwellige Strahlungsbilanz

Nach LAUER und BENDIX (2006, S. 52 f.) ist die gesamte Strahlung, die von der Sonne auf die Erde einwirkt, nur auf der Tagseite der Erde existent. Sie wird als Globalstrahlung bezeichnet. In der globalen relativen Gesamtbilanz wird sie mit 100% angenommen und setzt sich aus der direkten Sonneneinstrahlung und der diffusen Himmelsstrahlung zusammen. 28% der direkten Sonnenstrahlung erreicht die Erdoberfläche nur bei wolkenfreiem Himmel. Das Sonnenlicht, was an Luftmolekülen, Aerosolteilchen oder Wolkentropfen gestreut wird, also die diffuse Himmelsstrahlung, erreicht mit 23% die Erdoberfläche. Hingegen verlassen 26% von direkter und diffuser Strahlung das Gesamtsystem als atmosphärische Reflexion wieder. Weitere 4% gehen dem System durch Reflexion an der EOF verloren. Addiert man das gesamte Reflexionsvermögen für die kurzwellige Globalstrahlung der Erde (incl. der Atmosphäre und der Bewölkung) erhält man einen Wert von 30%. Dieser Anteil wird zusammengefasst als planetarische Albedo bezeichnet. Des Weiteren finden in der Atmosphäre Absorptionsvorgänge statt: 4% der solaren Einstrahlung werden bereits in der Stratosphäre (v. a. durch die Ozonschicht) und weitere 15% durch troposphärische Luftmoleküle, Aerosole und Wolkenteilchen absorbiert. Insgesamt können also 19% der Solarstrahlung zur Erwärmung der Atmosphäre durch Absorption beitragen. Fasst man die Bilanzen aus direktem und diffusem Strahlungsgewinn zusammen, so stehen an der Erdoberfläche insgesamt 51% der Solarstrahlung für die Umwandlung in Wärmeenergie zur Verfügung.

2.2.1.3 Effektive Ausstrahlung und der natürliche Treibhauseffekt

Wichtigster Unterschied der terrestrischen Ausstrahlung im Vergleich zur Solarstrahlung ist, dass die terrestrische Ausstrahlung sowohl auf der Tag- als auch auf der Nachtseite kontinuierlich stattfindet. Die solare Einstrahlung hingegen kommt nur der Tagseite zugute und muss somit auf eine Querschnittsfläche der Erdkugel bezogen werden. Aus der Relation von solarer Einstrahlung zu terrestrischer Ausstrahlung resultiert so die relative terrestrische Ausstrahlung von 114%, auch wenn die zur Absorption verfügbare Solarstrahlung an der Erdoberfläche auf der kurzwelligen Bilanzseite nur mit 51% zubuche schlägt. Der größte Teil der ausgehenden Infrarotstrahlung wird von der Atmosphäre durch Luftmoleküle, Aerosole und Wolken absorbiert. Nur 6% gehen dem System Erde-Atmosphäre in den Fensterbereichen direkt verloren. 93% der langwelligen Ausstrahlung wird hingegen von der Atmosphäre wieder an die Erde zurück gestrahlt (atmosphärische Gegenstrahlung G). Die Wärmeabstrahlung der Atmosphäre in den Weltraum beträgt 64%. Durch die Glashauswirkung der Atmosphäre beträgt die effektive Ausstrahlung als Differenz zwischen der Ausstrahlung (A) und der atmosphärischen Gegenstrahlung (G) an der Erdoberfläche 21% (A (114) – G (93)) (vgl. LAUER & BENDIX 2006, S. 53 ff.). Wegen der Analogie mit den Vorgängen in einem Treibhaus, dessen Glasdach die Sonne gut durchlässt, die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche aber nicht hinauslässt, ist das hier beschriebene Phänomen auch als natürlicher Treibhauseffekt bekannt (MAX-PLANK-INSTITUT FÜR METEOROLOGIE 2000). An ihm ist in der Erdatmosphäre der Wasserdampf im Mittel mit ca. 65% beteiligt, das CO₂ mit 15-30%. Darüber hinaus treten weitere Spurengase als Absorber auf. Aufgrund der Glashauswirkung erreichen Erdoberfläche und ihre unmittelbare Atmosphäre eine relativ hohe mittlere Temperatur (ca. 15°C) (vgl. LAUER & BENDIX 2006, S. 53 ff.). Das Prinzip der verringerten Ausstrahlung des Planeten Erde bei konstanter solarer Einstrahlung bewirkt ja erst das Entstehen einer Leben ermöglichenden Atmosphäre (vgl. BEHNEN 2000, S. 12). Bei einer Erde ohne Atmosphäre (und somit auch ohne natürlichen Treibhauseffekt) wäre die Oberflächentemperatur ausschließlich durch die Bilanz zwischen eingestrahlter Sonnenenergie und der vom Boden abgestrahlten Wärmestrahlung festgelegt. Diese Oberflächentemperatur würde im globalen Mittel etwa -18°C betragen (MAX-PLANK-INSTITUT FÜR METEOROLOGIE 2000). Der natürliche Treibhauseffekt ermöglicht somit eine Temperaturdifferenz von 33°C (vgl. LAUER & BENDIX 2006, S. 53 ff.).

Der dritte Bereich der Abbildung 1 ist für den natürlichen Treibhauseffekt weniger interessant und wird deshalb an dieser Stelle nicht weiter beschrieben. Nur so viel sollte gesagt werden:

Betrachtet man die drei Bilanzebenen des globalen Strahlungshaushaltes, so wird deutlich, dass die Bilanz an der Obergrenze der Atmosphäre ausgeglichen ist (0%), während es auf der Erdoberfläche zu einer positiven Energiebilanz von 30% und zu einer ebenso großen negativen Energiebilanz der Atmosphäre kommt. Um nun die Bilanzen zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre ausgleichen zu können, treten Wärmeflüsse (der Strom fühlbarer Wärme sowie der latente Wärmestrom)auf (vgl. LAUER & BENDIX 2006, S. 56; SCHÖNWIESE 2003, S. 119).

2.2.2 Anthropogener Treibhauseffekt

Der zusätzliche anthropogene Treibhauseffekt, der aufgrund diverser menschlicher Aktivitäten zum natürlichen Treibhauseffekt hinzutritt, bewirkt auf lange Sicht grundlegende klimatische Veränderungen auf der Erde. Doch bevor eine Betrachtung der Veränderungen vorgenommen werden kann, sollte über die Ursachen und Gründe referiert werden, die den anthropogenen Treibhauseffekt und damit auch den Global Climate Change auslösen (vgl. SCHÖNWIESE 2003, S. 333):

Ganz allgemein betrachtet erfolgt eine anthropogene Klimabeeinflussung durch Veränderungen der Erdoberfläche, wegen anderen Eingriffen in den dortigen Wärme- bzw. Energiehaushalt, durch Eingriffe in den Wasserhaushalt bzw. durch Beeinflussungen des Ozeans oder aufgrund von Veränderungen der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre. Somit ergeben sich im Einzelnen folgende bedeutsame Beispiele anthropogener Klimabeeinflussung: Die Umwandlung von Natur- in Kulturlandschaften, dabei insbesondere Waldrodungen, Abwärme, Bebauung, Energienutzung, Wassernutzung, Verkehr sowie künstliche Brände (vgl. SCHÖNWIESE 2003, S. 325).

Diese anthropogenen Klimabeeinflussungen haben direkte Auswirkungen auf die Erde umgebende Atmosphäre. Sie setzt sich zum größten Teil aus Stickstoff (N2) mit 78,08% zusammen. Es folgen Sauerstoff (O2) mit 20,94% und Argon (Ar) mit etwa 1%. Zusammen mit Kohlendioxid (CO₂) (Anteil: 0,036%) machen diese Hauptbestandteile gemeinsam bereits 99,986 Volumenprozent der Atmosphäre aus (vgl. LAUER & BENDIX 2006, S. 16). Nach LAUER und BENDIX (2006, S. 16) setzt sich der Rest mit immer geringeren Anteilen aus Neon (Ne), Helium (He), stratosphärischem Ozon (O3), Wasserstoff (H), Krypton (Kr), Xenon (X) und Methan (CH4) zusammen. Weiterhin kommen noch sehr variable Anteile an Wasserdampf sowie verschiedene weitere Spurengase, die als nicht permanente Bestandteile bewertet werden können, aber von entscheidender Bedeutung für das globale Klima sind, hinzu. Hierunter fallen durch Hausbrand, Industrie, Verkehr und Landwirtschaft emittierte Gase, wie Schwefeldioxid (SO2), Stickoxide (NO+NO2=NOx), Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), Distickstoffoxid (N2O) sowie gasförmige Reaktionsprodukte (z.B. bodennahes Ozon).

Aufgrund der oben genannten anthropogenen Klimabeeinflussungen (Waldrodung, Energienutzung etc.) kam es v. a. seit Beginn der Industrialisierung zu einer Zunahme der Spurengase, die als Ursache für den beschleunigten Klimawandel gelten. Sie verfügen über die Eigenschaft, die Ausstrahlung der Erde durch Energieabsorption im Infrarot-Bereich zu vermindern, weshalb der Anstieg der Spurengase zu folgenschweren Veränderungen des globalen Strahlungsgleichgewichts führt. Dem wirken zwar Streuverluste bei der Einstrahlung durch anthropogene Aerosole aus Industrie, Verkehr und Landwirtschaft entgegen, doch kommt es in der Summe zu einem verstärkten Treibhauseffekt. Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid und die Halokarbone (einschließlich anderer halogenierter Verbindungen) gelten dabei als die vier anthropogen beeinflussten Hauptkomponenten, deren prozentualer Anteil seit der industriellen Revolution auf der Erde deutlich zugenommen hat (vgl. DEUTSCHER BUNDESTAG 1992, S. 11; BEHNEN 2000, S. 12).

Die Beiträger der einzelnen Spurengase zum zusätzlich anthropogenen Treibhauseffekt sind sehr unterschiedlich (vgl. SCHÖNWIESE 2003, S. 338). Abbildung 2 verdeutlicht, dass das Haupttreibgas Kohlendioxid bei den Wirkungsanteilen mit 65% deutlich an der Spitze liegt, während Methan mit 246% den höchsten Anstieg von vorindustriellen Zeiten bis heute aufweist. Den höchsten Anstieg pro Jahr im Zeitraum von 1984-1994 haben dagegen einzelne Halokarbone mit bis zu 5%. Ebenso treten bei ihnen atmosphärische Lebenszeiten von bis zu 50.000 Jahren auf (vgl. BEHNEN 2000, S. 12 ff.). Die lange Verweildauer der meisten Treibhausgase in der Atmosphäre verdeutlichen, dass die Emissionen der Vergangenheit einen Klimawandel für die nächsten Jahrzehnte bereits unvermeidlich machen (vgl. DOW & DOWNING 2007, S. 39).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Direkt den Treibhauseffekt verstärkende anthropogene Gase.

Um die jeweilige das Klima verändernde Wirkung der einzelnen Gase und Wirkstoffe zu beleuchten, werden Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid, Halokarbone sowie Aerosole im Folgenden intensiver betrachtet:

Kohlendioxid (CO₂)

Kohlendioxid gilt laut IPCC (2007, S. 36) als „(...) the most important anthropogenic GHG [greenhouse gas].“, da der CO₂-Gehalt der Atmosphäre eng mit den globalen Temperaturen zusammenhängt. Es weist seit dem Industriezeitalter (ab etwa 1750/1800/1850) einen immensen Anstieg auf. Die globale atmosphärische Kohlendioxidkonzentration ist von dem vorindustriellen Wert (ca. 280 ppm¹) zunächst mäßig, dann immer rasanter auf 379 ppm im Jahr 2005 gestiegen, wobei dieser die aus Eisbohrkernen bestimmte natürliche Bandbreite der letzten 650.000 Jahre (180-300 ppm) weit übersteigt (vgl. IPCC 2007, S. 37; SCHÖNWIESE 2003, S. 334; PHILANDER 2000, S. 191 f., 199). Als Ursache für den atmosphärischen CO₂-Konzentrationsanstieg im Industriezeitalter kann zunächst der Anstieg der Weltbevölkerung seit 1900 um den Faktor drei genannt werden. Solch ein immenses Ausmaß lässt durchaus die Bezeichnung ‚Weltbevölkerungsexplosion’ zu, die sich vornehmlich in Entwicklungs- und Schwellenländern abgespielt hat bzw. auch heute noch abspielt. Zudem hat sich in der gleichen Zeit die Weltprimärenergienutzung mindestens verzwölffacht. An dieser ‚Energieexplosion’ waren die Industrieländer mit etwa drei Vierteln beteiligt (vgl. SCHÖNWIESE 2003, S. 335).

„Da nun die Weltprimärenergienutzung zum weitaus größten Teil (ca. 90%) auf fossile Energieträger zurückgeht (d.h. Verfeuerung von Kohle, Erdöl und Erdgas, einschließlich Verkehr), bei der im Prinzip C in CO 2 umgewandelt und in die Atmosphäre emittiert wird, liegt der Verdacht nahe, dies als ‚treibende Kraft’ bei der CO₂-Anreicherung der Atmosphäre im Industriezeitalter anzusehen.“ (SCHÖNWIESE 2003, S. 335).

Die anthropogene CO₂-Emission in die Atmosphäre ist mit gegenwärtig rund 30 Gt CO₂ pro Jahr (= rund 8 Gt C pro Jahr) führend, wobei ca. 75% davon auf die Nutzung fossiler Energieträger zurückzuführen ist. Aber auch indirekte Effekte, wie Waldrodungen, übernehmen mit 20% noch einen erheblichen Anteil. Darüber hinaus gehen ca. 5% auf die Brennholznutzung in den Entwicklungsländern zurück, während ein Restposten in Zusammenhang mit der Zementproduktion quantitativ vernachlässigbar ist. Diese CO₂-Emissionen kommen der Atmosphäre allerdings nicht allein zu Lasten. ‚Nur’ knapp die Hälfte der derzeitig gesamten anthropogenen CO₂-Emission akkumuliert in der Atmosphäre. Etwa 20% werden vom Ozean aufgenommen und ein mindestens ebenso großer prozentuale Anteil vermutlich von der Vegetation oder auch vom Boden (vgl. SCHÖNWIESE 2003, S. 338). Allerdings führt eine Erwärmung zu einer Verringerung der Aufnahme atmosphärischen Kohlendioxids durch Land und Ozeane, wodurch sich der Anteil der in der Atmosphäre verbleibenden anthropogenen Emissionen erhöht (vgl. IPCC 2007b, S. 14; PHILANDER 2000, S. 194 ff.).

[...]

¹ ppm (Teile pro Million) oder ppb (Teile pro Milliarde) ist das Verhältnis der Anzahl von Treibhausgas-molekülen zur Gesamtzahl der Moleküle in trockener Luft (vgl. IPPC 2007, S. 2).