Klimakatastrophe im Klassenzimmer. Schülerexperimente zum Treibhauseffekt


Masterarbeit, 2019

172 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Verzeichnisse

Inhalt

Verzeichnisse

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Formelverzeichnis

1 Einleitung: Die Oberflächentemperatur der Erde

2 Physikalische Grundlagen des Treibhauseffektes
2.1 Die Energiebilanz der Erde
2.2 Die Leistung der Wärmestrahlung schwarzer Körper
2.3 Das Spektrum der Wärmestrahlung schwarzer Körper
2.4 Vom Treibhauseffekt zum Klimawandel

3 Ausmaß und Folgen des Klimawandels
3.1 Daten zu Kohlenstoffdioxidausstoß und Temperaturanstieg
3.2 Folgen des Temperaturanstiegs
3.2.1 Eisschmelze durch steigende Temperaturen
3.2.2 Folgen der Meereserwärmung
3.2.3 Boreale Wälder und Permafrostböden
3.2.4 Erderwärmung und Ernährungssicherheit
3.2.5 Erderwärmung und Wälder
3.2.6 Klimawandel und Gesundheit

4 Klimawandel in den Politikwissenschaften
4.1 Ursachen für Treibhausgase und technische Handlungsoptionen
4.1.1 Die Energiewirtschaft
4.1.2 Die Industrie
4.1.3 Der Verkehr
4.1.4 Die Gebäude
4.1.5 Die Landwirtschaft
4.2 Politische und fiskalische Handlungsoptionen
4.2.1 Aufforstung von Wäldern
4.2.2 Fiskalische Instrumente
4.2.3 Geo-Engineering
4.2.4 Systemänderungen
4.2.5 Das Klimapaket der Bundesregierung September
4.3 Der Weltklimarat und die letzten drei großen Klimakonferenzen

5 Schülerexperimente zum Treibhauseffekt
5.1 Modellversuch eines Treibhauses mit Kohlenstoffdioxid
5.2 Absorption von Wärmestrahlung durch Kohlenstoffdioxid

6 Schülerexperimente zur Wechselwirkung von Pflanzen mit Kohlenstoffdioxid
6.1 Wachstumsexperimente mit Kresse
6.1.1 Vorversuch
6.1.2 Versuche in Schälchen
6.1.3 Versuche in Einweckgläsern
6.2 Experimente zum Kohlenstoffdioxidabbau durch Pflanzen
6.2.1 Vorexperimente
6.2.2 Kleine Pflanzen in Falttüten
6.2.3 Pflanzen in der Vorratsbox
6.2.4 Messungen in Kronen kleiner Bäume

7 Ein Schülerprojekt zur Auslese der Experimente mit einem Raspberry Pi Minicomputer
7.1 Das Raspberry PI-Projekt
7.2 Eigenschaften des verwendeten Pis
7.3 Systeminstallation
7.3.1 Verbindung des Raspberry Pi mit dem WLAN-Netzwerk
7.3.2 Systemvorbereitungen für die Messungen
7.3.3 Einfaches Beispiel zur Programmierung des GPIO
7.4 Der CO2-Sensor
7.5 Experiment zum Kohlenstoffdioxodabbau mit Auslese durch einen Raspberry Pi Computer
7.6 Experiment zum Albedoeffekt mit Auslese durch einen Raspberry Pi Computer
7.7 Messung des Treibhauseffektes mit Auslese durch einen Raspberry Pi Computer
7.8 Raspberry Pi und Windows IOT
7.8.1 Erstellen des Ausleseprogramms
7.8.2 Erstellen einer Hintergrundanwendung
7.9 Zusammenfassung der Experimente mit dem Raspberry Pi

8 Zusammenfassung und Ausblick

9 Anhang: In den Experimenten benutzte Geräte
9.1 Strahlungsquellen
9.1.1 LED-Strahler
9.1.2 LED Pflanzlicht Toshiba Grow Light BR 30 LED 9W
9.1.3 Infrarotstrahler Philips R95E 100W
9.2 Messgeräte
9.2.1 Digitalthermometer TFA MOXX
9.2.2 CO2-Messgerät TFA AIRCO2NTROL

10 Anhang: Programmcodes
10.1 Unter Raspbian benutzte Pythonprogramme
10.1.1 Programm 1: Übungsprogramm blinkende LED
10.1.2 Programm 2: Steuerung des CO2-Sensors – Einschalten der automatischen Kalibration
10.1.3 Programm 3: Programm zur kontinuierlichen Auslese des CO2-Sensors
10.1.4 Programm 4: Programm zur kontinuierlichen Auslese des Temperatursensors
10.1.5 Programm 5: Programm zur kontinuierlichen Auslese des Temperatursensors und des CO2-Sensors
10.2 Unter Windows IOT benutzte C# - Programme
10.2.1 Programm 6: Übungsprogramm durch Buttons schaltbare LED
10.2.2 Programm 7: Auslese des CO2 - Sensors auf Tastendruck
10.2.3 Programm 8: Auslese des CO2 – Hintergrundanwendung mit Datenspeicherung

11 Literaturverzeichnis

Anhang:
Informationen für Lehrpersonen
Unterrichtsmaterialien

Anhang A1: Unterrichtsvorschlag „Der Treibhauseffekt“ für die Mittelstufe
A1.1 Benötigte Materialien:
A1.2 Durchführung:
A1.3 Text: Der Treibhauseffekt
A1.4 Arbeitsblatt Treibhauseffekt
A1.5 Nur für die Lehrpersonen

Anhang A2: Unterrichtsvorschlag „Der Treibhauseffekt“ für die Oberstufe
A2.1 Benötigte Materialien:
A2.2 Durchführung:
A2.3 Text: Der Treibhauseffekt
A2.4 Arbeitsblatt Treibhauseffekt
A2.5 Nur für die Lehrpersonen

Anhang A3: Unterrichtsvorschlag „Der Treibhauseffekt“ für Leistungskurse
A3.1 Benötigte Materialien:
A3.2 Durchführung:
A3.3 Text: Der Treibhauseffekt
A3.4 Arbeitsblatt Treibhauseffekt
A3.5 Nur für die Lehrpersonen

Anhang B1: Versuch zum Treibhauseffekt
B1.1 Benötigte Materialien:
B1.2 Durchführung:
B1.3 Arbeitsblatt Versuch B1 Treibhauseffekt

Anhang B2: Versuch zur Absorption von Wärmestrahlung durch Kohlendioxid
B2.1 Benötigte Materialien:
B2.2 Durchführung:
B2.3 Arbeitsblatt Versuch B2 Absorption von Wärmestrahlung in Kohlendioxid

Anhang C1: Versuch zum Kohlendioxidabbau durch Pflanzen
C1.1 Benötigte Materialien:
C1.2 Durchführung:
C1.2 Arbeitsblatt zum Abbau des Kohlendioxid durch Pflanzen

Anhang C2: Versuch zur Förderung von Pflanzenwachstum durch Kohlendioxid
C2.1 Benötigte Materialien je Schüler:
C2.2 Durchführung:
C2.3 Arbeitsblatt

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Das Strahlungsgleichgewicht der Erde - nicht maßstabsgerecht

Abbildung 2: Die Energiebilanz der Erdoberfläche

Abbildung 3: Plancksches Strahlungsspektrum für die Sonne (5778 K), die mittlere Oberflächentemperatur der Erde (287 K) und die Gleichgewichtstemperatur (254,3 K). Absorptionsbereiche entnommen (Rohde, 2016)

Abbildung 4: Von der Atmosphäre übertragene Strahlung

Abbildung 5: Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre am Mauna Loa von 1958 bis

Abbildung 6: Abweichung der Jahresmitteltemperatur vom langjährigen Mittelwert 14ºC

Abbildung 7: Gletscherdicke

Abbildung 8: Ausdehnung des arktischen Meereises im November

Abbildung 9: Veränderung der Albedo der nördlichen Polkappe bei Schmelzen des Meereises

Abbildung 10: Anteil der Treibhausgase an den Emissionen in Deutschland

Abbildung 11: Anteil der verschiedenen Sektoren an der Treibhausgasemission in Deutschland

Abbildung 12: Vom Umweltbundesamt betrachtete Optionen des Geo-Engineerings

Abbildung 13: Schematischer Aufbau des Experiments zum Treibhauseffekt

Abbildung 14: Experimenteller Aufbau zum Nachweis des Treibhauseffektes durch Kohlenstoffdioxid. Das Licht wird durch eine weiße LED-Lampe erzeugt, die Modellwelt befindet sich in einer handelsüblichen Obstverpackung

Abbildung 15: Miniterrarium mit 1l Inhalt als Alternative zur Obstverpackung

Abbildung 16: Deckel einer Mineralwasserflasche mit Abdichtung

Abbildung 17: Modellwelt für die Absorption von Wärmestrahlung, nun mit einer Wärmelampe quer beleuchtet

Abbildung 18: Kohlenstoffdioxidproduktion aus Soda und Essig

Abbildung 19: Strahlungsspektrum der IR-Lampe (schwarz) und Absorptionsbereiche. Absorptionsbereiche entnommen (Rohde, 2016)

Abbildung 20: Vorbereitete Pflanzgefäße

Abbildung 21: Pflanzgefäße mit je 50 Samenkörnern

Abbildung 22: Verschlossene Pflanzgefäße mit Zuleitung

Abbildung 23: Kressekeimlinge bei Abbruch des ersten Laufs, man sieht Trockenschäden vor allem in Schale 1, die erst später nachgewässert wurde

Abbildung 24: Fixierte Zuführung beim Vorversuch

Abbildung 25: Kresse nach acht Tagen in Vorversuch

Abbildung 26: Kresse ausgesät in den höheren Pflanzgefäßen III und IV

Abbildung 27: Ernte nach 14 Tagen, links die Pflanzen die regelmäßig mit Kohlenstoffdioxid versorgt wurden

Abbildung 28: Einweckgläser, mit Blumenerde und Kressesamen

Abbildung 29: Kressepflanzen nach 13 Tagen, dem rechten Glas wurde täglich Kohlenstoffdioxid zugeführt

Abbildung 30: Die oberirdischen Pflanzenteile der Ernte aus dem Versuch in 6.1.3, rechts aus dem Glas mit Kohlenstoffdioxid eine doppelt so große Ernte

Abbildung 31: Messung des Kohlenstoffdioxideinschlusses in einer Zip-Tüte

Abbildung 32: Messung in einer Falttüte, mit eingeschlossenem CO2CONTROL und Akku. Eigenes Bild. Darunter das benutzte Faltschema

Abbildung 33: 14l Vorratsbox

Abbildung 34: Durch den Deckel geführter Mikro-USB-Stecker mit angehängtem CO2CONTROL

Abbildung 35: 24-Stundenmessung der CO2-Konzentration in der mit Silikon abgedichteten Vorratsbox

Abbildung 36: Versuch mit einer Basilikumspflanze, unter Pflanzlicht

Abbildung 37: Ergebnis der Messung des CO2-Gehalts an der Basilikumpflanze. Temperatur: gelb CO2-Gehalt grün bzw. rot

Abbildung 38: Sedumpflanzen in der Vorratsbox

Abbildung 39: Verschlossene, mit Silikon abgedichtete Box

Abbildung 40: Verschluss der Plastiktüte am Stamm des Rhododendrons samt Auslesekabel (weiss)

Abbildung 41: Eingepackter Rhododendron im Licht des Pflanzlichtes (oben) mit Auslese durch Laptop

Abbildung 42: Messung der CO2-Konzentration als Funktion der Uhrzeit. Um 6:15 Uhr wurde das Pflanzlicht eingeschaltet, um 18:15 ausgeschaltet

Abbildung 43: Messung der CO2-Konzentration als Funktion der Uhrzeit im größeren Volumen. Um 7:15 Uhr wurde das Pflanzlicht eingeschaltet, um 19:15 ausgeschaltet

Abbildung 44: Kleine Oleanderpflanze mit Messgerät, in am Stamm zusammengebundener Plastiktüte mit ca. 10 l Luft, im Schein des Pflanzlichtes

Abbildung 45: Messung der CO2-Konzentration bei der Oleanderpflanze als Funktion der Zeit im Verlauf einer Woche

Abbildung 46: Raspberry Pi 3B+ Einplatinencomputer

Abbildung 47: Testaufbau mit Widerstand und LED

Abbildung 48: Absorptionsspektren von CO und CO

Abbildung 49: Prinzipieller Aufbau eines einfachen NDIR-CO2-Detektors, eigene Skizze nach verschiedenen Beschreibungen

Abbildung 50: Sensor-Platine von beiden Seiten mit mitgeliefertem Kabelsatz

Abbildung 51: Verbindung von Sensor mit Pi über eine Steckplatine

Abbildung 52: Pflanze mit Sensor und am Stamm befestigten Signalkabeln

Abbildung 53: Pflanze mit Sensor, verpackt in der Tüte

Abbildung 54: Verschluss der Tüte am Stamm mit zwei verdrillten Drähten, der Schlauch wird durch eine kleine Pipette verschlossen

Abbildung 55: Ergebnis der ersten Messung an der Pflanze

Abbildung 56: Messung der CO2-Konzentration an der Pflanze über 48 Stunden nach dem Zeitpunkt der Kalibration (14:45) – erster Tag in blau, zweiter Tag in rot

Abbildung 57: DHT 22 Temperatursensor auf Platine mit Vorwiderstand

Abbildung 58: Anschlussbelegung auf dem GPIO. Auf der dem Betrachter zugewandten Seite sind die drei Kabel zum Temperatursensor zu sehen, auf der hinteren die vier Kabel zum CO2-Sensor

Abbildung 59: Albedoexperiment mit Auslese durch Pi, hier mit weißem Untergrund, im Licht der LED-Lampe

Abbildung 60: Temperatur im Messvolumen mit schwarzem Untergrund (schwarz) und mit weißem Untergrund (orange) als Funktion der Uhrzeit. Die beiden Messungen wurden horizontal zum Zeitpunkt des Einschaltens normiert

Abbildung 61: Bodennahe Auslese von Kohlendioxid und Temperatur in unserer Modellwelt, von der Seite (links) und von oben bei geöffnetem Deckel (rechts)

Abbildung 62: Gleichzeitige Messung der CO2-Konzentration (blau) und der Temperatur (rot) am Boden der Modellwelt

Abbildung 63: Gleichzeitige Messung der CO2-Konzentration (blau) und der Temperatur (rot) am Boden der Modellwelt bei CO2-Produktion aus Mineralwasser

Abbildung 64: Screen zum Erstellen einer UWP-App im Visual Studio 2017. Eigenes Bild

Abbildung 65: LED-Strahler Parathom PAR38 mit E27 Sockel

Abbildung 66: Farbspektrum des verwendeten LED-Strahlers

Abbildung 67: Vergleich des Spektrums des LED-Strahlers mit dem einer herkömmlichen Glühlampe gleicher Farbtemperatur, Normierung im grünen Bereich

Abbildung 68: Digitalthermometer TFA MOXX mit Messfühler

Abbildung 69: CO2-Messgerät TFA AIRCO2NTROL, hier an einer Powerbank angeschlossen

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Abgeschätzte Absorption der Strahlung in der Atmosphäre

Tabelle 2: Temperatur der Modellwelt mit weißem oder schwarzem Untergrund, ohne und mit Kohlenstoffdioxid, bei einer Raumtemperatur von 20,5 ºC

Tabelle 3: Wiederholungen des Versuches zum Treibhauseffekt

Tabelle 4: Verlauf des Treibhausexperimentes mit Kohlenstoffdioxid aus einer Mineralwasserflasche

Tabelle 5: Protokoll des Vorversuchs

Tabelle 6: Protokoll von Vorversuch

Tabelle 7: Protokoll von Versuch

Tabelle 8: Protokoll von Versuch

Tabelle 9: Protokoll des Experiments in Einweckgläsern

Tabelle 10: Für den MHZ-14A Sensor getestete UART Befehle

Tabelle 11: Anschluss des Sensors an den Raspberry PI GPIO Bus

Formelverzeichnis

Formel 1: Stefan-Boltzmann-Gesetz

Formel 2: Temperatur der Erdoberfläche bei Strahlungsgleichgewicht

Formel 3: Gleichgewichtstemperatur unter Berücksichtigung der Absorption der Atmosphäre

Formel 4: Plancksches Strahlungsgesetz

1 Einleitung: Die Oberflächentemperatur der Erde

Spätestens mit der europaweiten Bewegung „Friday for Future“ ist das Thema Klimaschutz inzwischen auch in der Schullandschaft angekommen. Der Physikunterricht ist der ideale Ort, um die Grundlage der Erdtemperatur, den Treibhauseffekt, den Schülerinnen und Schülern nahezubringen und damit auch gleichzeitig eine interdisziplinäre Verknüpfung mit anderen Fachbereichen (zum Beispiel Geographie, Biologie, Sozialkunde) aufzuzeigen.

Die durchschnittliche Oberflächentemperatur betrug im Referenzzeitraum 1951-1980 nach Messungen der NASA (DWD, 2019) ca. 14ºC. Dabei war dieser Wert in der Erdgeschichte nicht immer konstant (Löfken, 2016), sondern schwankte mitunter um bis zu fünf Grad, mit gravierenden Folgen für Mensch und Umwelt. In Kaltzeiten war Mitteleuropa von einem dicken Eispanzer bedeckt, in Warmzeiten wiederum erstreckte sich hier tropischer Regenwald. Die Schwankungen zogen sich jedoch immer über Jahrtausende hin. Die aktuelle Klimaepoche, das Holozän, dauert seit etwa 11000 Jahren an und ist erstaunlich stabil. Es wird die These vertreten, dass durch diese Klimagunst die Entstehung der menschlichen Hochkulturen begünstigt wurde (Kasang, Das Holozän, 2019). Zwischen 400 und 800 NC gab es in Nord- und Mitteleuropa eine kühle Periode – diese führte nach Meinung einiger Wissenschaftler zur Völkerwanderung und damit zum Untergang des Römischen Reichs. Der heutige, vom Menschen gemachte Klimawandel1, (siehe Kapitel 3) gilt zumindest als eine der aktuellen Ursachen für die aktuellen Flucht- und Migrationsbewegungen (Kasang, Klimawandel und Migration, 2019). Diese wenigen Schlaglichter zeigen, wie bedeutsam die Oberflächentemperatur der Erde für uns Menschen ist.

Aufgrund des eben geschilderten aktuellen Bezuges, sollen in der vorliegenden Arbeit die folgenden Themen behandelt werden: Zuerst wird in Kapitel 2 die physikalische Grundlage, der Treibhauseffekt, erklärt und wieso die Emission von Treibhausgasen, wie beispielsweise CO2, zu einer weiteren Erwärmung führt. Danach werden in Kapitel 3 die zu erwartenden Folgen diskutiert, und in Kapitel 4 wie die Politik auf diese globale Herausforderung reagiert. Im experimentellen Teil werden erst (Kapitel 5) sehr einfache Experimente zur Erwärmung mit Hilfe einer Modellerde und zum Einfluss von Kohlenstoffdioxid vorgestellt. Es folgen (Kapitel 6) zwei Experimente zur Wechselwirkung von Pflanzen und Kohlenstoffdioxid, welche veranschaulichen sollen wie eng dieser Effekt auch mit anderen Wissenschaften verbunden ist. Da die experimentellen Aufbauten nicht zu komplex sind, eignen sie sich besonders dazu, Schüler der Oberstufe im Rahmen von Projekten an die Methoden der Datenerfassung und Datenverarbeitung heranzuführen, dies wird im letzten Kapitel 7 mit einem Raspberry Pi Einplatinencomputer vorgestellt. Schlussendlich werden Lehrenden Materialien für die Unterrichtsgestaltung zur Verfügung gestellt.

2 Physikalische Grundlagen des Treibhauseffektes

Es ist alltägliches Empfinden, dass die Temperatur stark von der Sonneneinstrahlung abhängt – tagsüber steigen die Temperaturen, in der Nacht sinken sie. Dabei sind gelegentlich Temperaturschwankungen über 20 Grad innerhalb einiger Stunden zu beobachten. Wenn es eine im Wesentlichen konstante Durchschnittstemperatur gibt, muss es dafür eine Gleichgewichtsbedingung geben – die Erde muss gleich viel Energie abgeben, wie sie aufnimmt.

2.1 Die Energiebilanz der Erde

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Das Strahlungsgleichgewicht der Erde - nicht maßstabsgerecht.

Eigene Skizze.

Die Sonne sendet elektromagnetische Strahlung aus, den sichtbaren Teil davon nehmen wir als sichtbares Sonnenlicht wahr. Diese Strahlung trifft die Erde, welche ihrerseits Strahlung aussendet (vgl. Abbildung 1). Wenn die von der Erde eingefangene Leistung im Mittel gleich der wieder abgestrahlten Leistung ist, bleibt die Gesamtenergie erhalten – und damit die Temperatur konstant.

2.2 Die Leistung der Wärmestrahlung schwarzer Körper

Jeder Körper, der wärmer als der absolute Nullpunkt ist, sendet elektromagnetische Strahlung aus. Auf mikroskopischer Ebene kann man sich vorstellen, dass in Festkörpern Moleküle und Atome schwingen, in Flüssigkeiten und Gasen auch rotieren und sich bewegen – in jedem Fall liegen Bewegungen elektrischer Ladungen vor. Nach den Maxwellschen Gesetzen führen bewegte Ladungen zu Magnetfeldern, sich ändernde Bewegungen von Ladung zu elektromagnetischer Strahlung. Diese Strahlung wird umso stärker, je intensiver und schneller sich die Moleküle mit den darauf sitzenden Ladungen bewegen – also je höher die Temperatur ist, denn die kinetische Energie ist proportional zur Temperatur. Der Zusammenhang wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 1: Stefan-Boltzmann-Gesetz

Die Formel definiert T als die absolute Temperatur und σ als die Stefan-Boltzmann-Konstante, die den numerischen Wert hat (RWTH, 2016). Ist die Temperatur eines Objektes bekannt, kann die Leistungsdichte auf der Oberfläche nur aus der Temperatur bestimmt werden. Kommt dazu noch das Wissen über die Oberfläche, ergibt sich die gesamte Leistung, die das Objekt abstrahlt.

Die Oberflächentemperatur der Sonne lässt sich aus ihrem Spektrum bestimmen, siehe Kapitel 2.3. Die effektive Oberflächentemperatur beträgt 5778 K (Wikipedia, 2019). Daraus folgt eine Leistungsdichte von . Wird ein Sonnenradius von 696.342 km (ebd.) angesetzt, so ergibt sich eine Oberfläche von . Die gesamte abgestrahlte Leistung der Sonne beträgt demnach:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Von der Sonne aus gesehen ist die Erde eine Scheibe mit dem Radius ,also mit einer Fläche von .

Die gesamte Strahlungsleistung der Sonne verteilt sich leicht vereinfacht auf einer Kugeloberfläche, deren Radius der mittlere Abstand Erde-Sonne ist; . Diese Kugel hat eine Oberfläche von . Die Energiedichte, welche die Erde erreicht, ist gleich der Gesamtleistung geteilt durch die Fläche dieser Kugel und wird Solarkonstante genannt. Aus der einfachen hier skizzierten Rechnung folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine aktuelle Messung der NASA mit Hilfe des SORCE-Satelliten hat die Solarkonstante zu bestimmt (Kopp & Lean, 2011). Im Folgenden benutzen wir diesen Wert für weitere Berechnungen.

Die gesamte Strahlungsleistung , die die Erde trifft, berechnet sich aus dem Produkt der Solarkonstanten mit der Fläche der Erdscheibe, das Ergebnis ist

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zum Vergleich: Der jährliche Primärenergiebedarf der Menschheit lag im Jahr 2014 bei 159 PWh (Wikipedia, 2019). Ein PW, 1015 W, ist die Leistung von 1 Million großen Kraftwerken. In einer Stunde sendet die Sonne mehr Energie zur Erde, als in einem ganzen Jahr von den Menschen benötigt wird.

Allerdings ist die Erde kein vollständig schwarzer Ball und damit kein idealer schwarzer Körper, sodass ein Teil der einfallenden Strahlung reflektiert wird. In der Astronomie und Meteorologie wird das Maß für das Rückstrahlvermögen diffus reflektierender Oberflächen als Albedo bezeichnet (Brockhaus, 1983). Die mittlere Albedo der Erde beträgt 30% (Kasang, Albedo (einfach), 2019), also stehen demnach nur 121 PW zum Heizen der Erde zur Verfügung. Da die Albedo eine sehr wichtige Größe im Wärmehaushalt unserer Erde ist, wird diese in den Schülerexperimenten in Kapitel 5.1 kurz und in Kapitel 7.6 ausführlich betrachtet.

Durch die Rotation der Erde um ihre eigene Achse innerhalb eines Tages gibt es keine permanent sonnenabgewandte Seite, nur an den Polkappen gibt es halbjährliche Dunkelheit. Deshalb kann die gesamte Erdoberfläche am Wärmeaustausch teilnehmen, die Pole nur über ein Jahr gemittelt. Die von der Erde abgestrahlte Leistung lässt sich ebenfalls mithilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes (Formel 1) bestimmen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Oberfläche der Erdkugel ist genau viermal so groß wie diejenige der Scheibe, auf welche die Sonnenstrahlung trifft:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um ein Gleichgewicht zu erhalten, soll die eingestrahlte Leistung gleich der abgestrahlten Leistung sein, wir lösen die Gleichung nach T4 auf und erhalten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 2: Temperatur der Erdoberfläche bei Strahlungsgleichgewicht

Das Gleichgewicht wird also bei einer absoluten Temperatur von 254,3 K erreicht, das sind -18,8 ºC.

Dieses Ergebnis ist überraschend – die berechnete mittlere Temperatur ist mehr als 32 K niedriger als die tatsächlich gemessene. Würde diese Berechnung stimmen, sähe die Erde ganz anders aus – sie wäre von einem dichten Eispanzer umgeben, allerhöchstens in der Nähe des Äquators gäbe es ab und an Löcher im ewigen Eis.

Die Strahlungsleistung der Erdoberfläche, berechnet aus der tatsächlich gemessenen mittleren Temperatur von 14ºC, beträgt 196 PW. Sie ist um 62% höher als die von der Sonne einfallende Leistung von 121 PW. Woher kommen die zusätzlichen 75 PW?

Von Klimaskeptikern, die den menschengemachten Treibhauseffekt als Ursache der Erderwärmung ablehnen, kommt gelegentlich das Argument, der Erdkern sei sehr heiß und die fehlende Leistung käme aus der Abkühlung des Erdinneren. Ob dies ein nennenswerter Beitrag sein kann, lässt sich leicht abschätzen: Die Masse der Erde beträgt 6 ˑ 1024 kg. Wenn die Erde stark vereinfacht als ein Gemisch von 37% SiO2, 37% FeO und 26% MgO betrachtet wird (Wikiwand, 2019), mit jeweiligen spezifischen Wärmen von 1110, 540 und 923 . erhalten wir eine Abschätzung für die gemittelte spezifische Wärmekapazität der Erde von . Dementsprechend ist die gesamte Wärmekapazität der Erde ungefähr . Wenn daraus 75 PW fließen sollen, dann kühlt sich die Erde um 1 K in 6,9ˑ 1010 Sekunden ab, das wären 2200 Jahre. Da es jedoch Hinweise gibt, dass die ältesten Kristalle in der Erdkruste 4,4 Milliarden Jahre alt sind (Valley, 2014), die sich damals aus einer Schmelze von einigen 1000 K gebildet haben, kann sich die Erde nur um etwa ein Kelvin pro Jahrmillion abgekühlt haben. Damit kann die Erklärung die fehlende Leistung käme aus der Abkühlung der Erde ausgeschlossen werden.

Einen ersten Hinweis darauf, dass die Atmosphäre Wärmestrahlung zurückhalten kann, lieferte Joseph Fourier bereits 1824 (Fourier, 1827) und brachte dies mit der Temperatur der Erdoberfläche in Verbindung, deren wesentliche Bedeutung er schon hervorhob. 1894 wies der Physiker und Chemiker Svante Arrhenius (Arrhenius, 1896) darauf hin, dass Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf in der Atmosphäre die Wärmestrahlung absorbieren und berechnete, dass eine Verdopplung der Kohlenstoffdioxidkonzentration die mittlere Erdtemperatur um etwa fünf Grad erhöhen würde. Als Bewohner eines nördlichen Landes, Schweden, erschien ihm dies jedoch als eher positive Aussicht für die Wirtschaft seiner Heimat.

Die Wärmestrahlung, welche die Erde aussendet, erwärmt die Atmosphäre sobald sie in dieser absorbiert wird. Bei der Absorption werden zumeist Molekülschwingungen angeregt. Wegen der hohen Zahl von Stößen der Luftmoleküle geht ein Teil der Schwingungsenergie in Rotations- oder Bewegungsenergie der Moleküle über – mit der Folge dass sich das Gas erwärmt. Die Atmosphäre ihrerseits emittiert wiederum Wärmestrahlung isotrop, die teils zur Erdoberfläche zurück gelangt und diese erwärmt, teils wiederum absorbiert wird, und teils in den Weltraum abgestrahlt wird. Die von der Atmosphäre zur Erde geschickte, zusätzliche Wärmestrahlung wird auch als Gegenstrahlung bezeichnet und führt zur Erwärmung der Erde. Diese Gegenstrahlung sendet 75 PW zurück auf die Erde. Dies sind 38% der tatsächlichen Wärmeabstrahlung der Erde von 196 PW. Nur etwa 62% können, teils direkt, teils in mehreren Schritten, zurück in den Weltraum gelangen, damit ändert sich Formel 2 wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 3: Gleichgewichtstemperatur unter Berücksichtigung der Absorption der Atmosphäre

Dies ergibt eine Temperatur von 286,5 K oder 13,5 ºC – die beobachtete langjährige mittlere Oberflächentemperatur der Erde.

Die ursprüngliche Energiebetrachtung ist also durchaus korrekt – nur gilt sie nicht für die Erdoberfläche, sondern für den äußeren Bereich der Atmosphäre aus dem die Wärmestrahlung ungestört entweichen kann. Je öfter die Wärmestrahlung auf dem Weg dorthin absorbiert wird, umso weniger kann den äußeren Bereich erreichen. Entsprechend stärker wird die Gegenstrahlung – die Erdoberfläche erwärmt sich.

Von Klimaskeptikern kommt oft das Argument, eine Erhöhung der CO2 – Konzentration könne keine weitere Erderwärmung erzeugen, weil schon bei natürlicher Konzentration die Wärmestrahlung in den Spektralbereichen des CO2 vollständig absorbiert werde. Diese Argumentation kann widerlegt werden, weil die Absorption zur Erwärmung der Luft und damit zu erneuter isotroper Wärmestrahlung mit einem Planck- Spektrum führt. Je öfters diese Absorption auf dem Weg nach oben stattfindet, umso dichter wird die Atmosphäre für Wärmestrahlung und umso mehr Gegenstrahlung wird auf die Erdoberfläche zurückgelenkt – mit der Folge einer weiteren Erwärmung.

Auch diese Betrachtung ist noch sehr pauschal. Weder die Absorption der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre, welche dadurch aufgeheizt wird, noch Konvektion, also Kühlung der Erdoberfläche durch Wind, noch Verdunstungswärme von Wasser sind berücksichtigt. Eine etwas genauere Beschreibung zeigt Abbildung 2 (Trenbergh, Fasullo, & Kiel, 2009). 341,3 W/m2 treffen im Schnitt auf die Erde – und verlassen sie auch wieder als reflektiertes Sonnenlicht oder austretende langwellige Wärmestrahlung. Die Erdoberfläche absorbiert 494 W/m2, wovon nur ein Drittel direkt von der Sonne stammt, zwei Drittel auf die Gegenstrahlung zurückzuführen sind. Diese Leistungsdichte wird durch Ausstrahlung, Verdunstung und Konvektion wieder abgegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Die Energiebilanz der Erdoberfläche.

Quelle (Trenbergh, Fasullo, & Kiel, 2009)

2.3 Das Spektrum der Wärmestrahlung schwarzer Körper

Um genauer zu verstehen, warum gewisse Gasmoleküle in der Atmosphäre einen Teil der Wärmestrahlung absorbieren und ein Teil ungehindert entweichen kann, müssen die Spektren der Wärmestrahlung betrachtet werden. Für schwarze Körper lässt sich diese spektrale spezifische Ausstrahlung durch das Plancksche Strahlungsgesetz berechnen, hier in der Wellenlängendarstellung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 4: Plancksches Strahlungsgesetz

Dabei sind h das Plancksche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit und k die Boltzmann-Konstante. Um dieses Gesetz theoretisch ableiten zu können, stellte Max Planck im Jahr 1900 die Annahme auf, dass die Energie nicht kontinuierlich, sondern in kleinen Paketen abgegeben wird, deren Energie der BoltzmannVerteilung unterliege. Dies war die Geburt der Quantenphysik, mit klassischer Physik ließ sich das Gesetz nicht ableiten. Für die drei hier relevanten Temperaturen, nämlich die Oberflächentemperatur der Sonne von 5778 K, der Oberflächentemperatur der Erde von 287 K und der Gleichgewichtstemperatur von 254,3 K, zeigt Abbildung 3 dieses Spektrum als Funktion der Wellenlänge.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Plancksches Strahlungsspektrum für die Sonne (5778 K), die mittlere Oberflächentemperatur der Erde (287 K) und die Gleichgewichtstemperatur (254,3 K). Absorptionsbereiche entnommen (Rohde, 2016).

Eigene Grafik.

Deutlich ist zu sehen, dass nicht nur das Integral unter den Kurven mit höheren Temperaturen stark ansteigt, sondern auch das Maximum der Strahlung sich hin zu immer kürzeren Wellenlängen verschiebt. Durch Integration über den ganzen Wellenlängenbereich für eine gegebene Temperatur erhält man die Energiedichte, die genauso mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz berechnet wird.

Die in der Atmosphäre enthaltenen Gase absorbieren Teile der elektromagnetischen Strahlung. Für die Hauptkomponenten zeigt Abbildung 4, die für die „Global Warming Art“ erstellt wurde (Rohde, File:Atmospheric Transmission de.png, 2016), die prozentuale Absorption als Funktion der Wellenlänge. Ferner wird die Gesamtabsorption und Streuung gezeigt, darauf basierend dann das Spektrum, welches die Erde trifft (rot) und dasjenige, welches die Erde in den Weltraum wieder verlassen kann (blau).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4:Von der Atmosphäre übertragene Strahlung.

Quelle (Rohde, 2016)

Um die Zusammenhänge für die Lernenden möglichst einfach darzustellen, enthält Abbildung 3 gefärbte Flächen, die auf den Daten aus Abbildung 4 beruhen. Gelb ist der Bereich des für den Menschen sichtbaren Lichtspektrums. Er liegt im Bereich des Maximums der Sonnenstrahlung und in einem Bereich, in dem die Intensität als Funktion der Wellenlänge relativ konstant ist. Die anderen Farben zeigen für verschiedene Gase die Wellenlängenbereiche, in denen sie in unserer Atmosphäre die Strahlung zu mindestens 50% absorbieren, sie also undurchsichtig machen. Der dahinterliegende physikalische Prozess ist die Anregung von Molekülschwingungen, die Eigenfrequenzen haben – die Anregungsenergie geht bei Stößen über in Rotations-, Translations- oder Schwingungsenergie, also Wärme. Die Strahlung der Sonne wird vor allem im ultravioletten Bereich durch das Ozon absorbiert – fehlt das Ozon, erreicht für den Menschen schädliche UV-Strahlung den Boden (Stichwort „Ozonloch“). Nur ein kleiner Teil der Sonnenstrahlung ist so langwellig, dass er von den anderen Spurengasen absorbiert wird. Die Wärmestrahlung der Erde jedoch wird zum größten Teil absorbiert, vor allem durch Wasser (blau) und Kohlenstoffdioxid (pink), sodass nur wenige Wellenlängenbereiche ungestört entweichen können – in Abbildung 3 sind diese weiß hinterlegt. Diese Wellenlängenbereiche werden als „atmosphärisches Fenster“ bezeichnet. Durch einfache numerische Integration des Spektrums einer gegebenen Temperatur in Abbildung 3 in den verschieden farblich hinterlegten Absorptionsbanden kann grob abgeschätzt werden, welcher Anteil der Strahlung direkt aus der Wärmestrahlung durch die verschiedenen Treibhausgase absorbiert wird. Zum Beispiel ergibt das Integral über die Teile des Spektrums, die blau hinterlegt sind, geteilt durch das ganze Integral, den Anteil der Strahlungsleistung, der von Wasser absorbiert wird. Die Grenzen der Bereiche wurden Abbildung 4 entnommen. Eine Messgenauigkeit von 0,5 mm auf der Skala der Grafik führt zu einem Ablesefehler von ca. 2% auf diesen Grenzen, demnach sollten die Integrationsergebnisse die Realität mit einem Fehler von wenigen Prozent beschreiben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Abgeschätzte Absorption der Strahlung in der Atmosphäre

Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, dass die relative Absorption der Wärmestrahlung der Erdoberfläche mit 77% viel höher ist als die der Sonnenstrahlung mit ca. 18% - diese Differenz ist die Ursache für den Treibhauseffekt. Diese Berechnung in einem stark vereinfachten Modell berücksichtigt nur die erste Absorption, nicht die dadurch entstandene Erwärmung der Luft mit anschließender Emission erneuter Wärmestrahlung. Sollen auch Diese berücksichtigt werden, sowie die quantitative Absorption als Funktion der Wellenlänge, auch in Bereichen geringer Absorption, sind umfangreiche Simulationsrechnungen notwendig.

2.4 Vom Treibhauseffekt zum Klimawandel

Der Treibhauseffekt ist, wie gezeigt wurde, ein einfach zu verstehendes physikalisches Phänomen, das schon aus dem Stefan-Boltzmann-Gesetz abgeleitet und mit Hilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes detailliert verstanden werden kann. In Kapitel 5 wird auch ein einfaches Schülerexperiment vorgestellt, mit dem die Schüler nachweisen, dass durch Licht eingestrahlte Energie durch eine Kohlenstoffdioxidatmosphäre absorbiert wird und sich eine Modellwelt erwärmt. Sollen hingegen Vorhersagen gemacht werden, wie eine weitere Zufuhr von Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre sich auswirkt, werden die Berechnungen schnell sehr komplex. Die hier dargestellte Liste ist als exemplarisch zu verstehen. Sie kann, je nach Komplexität der Fragestellung und Bedarf, noch weiter vereinfacht oder erweitert werden.

- Bleibt das CO2 in der Luft oder wird es im Wasser der Meere gelöst?
- Führt Erwärmung der Meere dazu, dass weniger CO2 im Wasser gelöst bleibt?
- Regt mehr CO2 ein verstärktes Pflanzenwachstum an, wie das Experiment in Kapitel 6.1 zeigen wird, sodass es durch diese Pflanzen gebunden wird?
- Führen höhere Temperaturen des Meerwassers zu mehr Wolkenbildung, die wiederum die Albedo der Erde vergrößern?
- Führen höhere Temperaturen zum Schmelzen von polarem Eis und Gletschern und wird dadurch die Albedo verringert?
- Führen höhere Temperaturen zum Auftauen des Permafrostbodens und damit zur Freisetzung weiterer Treibhausgase?
- Wird der tropische Regenwald als wichtige CO2 – Senke sich ausdehnen oder werden die Wüsten immer größer?
- Führen längere Dürreperioden und höhere Temperaturen zu mehr Waldbränden in nördlichen Wäldern, die wiederum CO2 freisetzen und die Bindung von CO2 für Jahre reduzieren?

Um solche Fragen für Prognosen zu berücksichtigen, sind umfangreiche Computersimulationen notwendig, in die für viele der Fragestellungen Modellannahmen einfließen. Bei unterschiedlichen Modellannahmen unterscheiden sich die Vorhersagen für die Entwicklung der Erdtemperatur – gemeinsam haben jedoch alle Klimamodelle, dass sie eine globale Erwärmung bei Anstieg der Konzentration von Kohlenstoffdioxid vorhersagen.

Darum sei zum Abschluss dieses Kapitels nochmal Svante Arrhenius zitiert (Arrhenius, 1896), der eine Erderwärmung um fünf Grad bei Verdopplung der Kohlenstoffdioxidkonzentration abschätzte. Diese Vorhersage liegt auch heute noch im Bereich der Simulationsrechnungen – nur wird sie hinsichtlich der Folgen, welche im folgenden Kapitel beschrieben werden, nicht so optimistisch bewertet.

3 Ausmaß und Folgen des Klimawandels

3.1 Daten zu Kohlenstoffdioxidausstoß und Temperaturanstieg

Im Jahr 2017 betrug die weltweite, von Menschen gemachte Emission von Kohlenstoffdioxid ca. 32,5 Milliarden Tonnen (Ehring, Weltweiter CO2-Ausstoß so hoch wie noch nie, 2018) und damit 1,4% mehr als noch 2016. Als diese Zeilen geschrieben wurden, lagen endgültige Zahlen für 2018 noch nicht vor, eine Vorhersage der Internationalen Energieagentur ist ein weiterer Anstieg auf ca. 33,1 Milliarden Tonnen (Eichhorn, 2019). Mehr als vier Fünftel der weltweiten Energieerzeugung basieren weiterhin auf fossilen Brennstoffen: Kohle, Erdöl und Gas.

Mit 866 Millionen Tonnen (Ziegeldorf, Treibhausgase, 2019) hatte Deutschland 2018 einen Anteil von 2,5% an den gesamten Emissionen. Im Jahr 2018 ging der Treibhausgasausstoß in Deutschland um 4,2% zurück – was allerdings auf die extreme Hitzeperiode zurückgeführt wird. Zum einen gab es weniger Verkehr, zum anderen erzeugte ungewöhnlich viel Sonnenschein mehr Solarstrom (Ziegeldorf, Deutschland senkt den Treibhausgas-Ausstoß um 4,2 Prozent, 2019).

Die starken Emissionen seit Beginn der Industrialisierung können von der Natur nicht ausgeglichen werden, dadurch steigt der Anteil des Kohlenstoffdioxids in der Atmosphäre stetig. Dies wird an vielen Orten der Welt gemessen, eine der bekanntesten Datenreihen besteht schon seit 1958 und wird am Vulkan Mauna Loa auf Hawai im Mauna Loa Observatory erstellt (Mauna Loa Observatory, 2019). In 3400 m Höhe, mitten im pazifischen Ozean, ist der Einfluss lokaler Ereignisse gering, deshalb gelten diese Daten als besonders relevant für die globale Entwicklung unserer Atmosphäre. Die Messdaten in Abbildung 5 zeigen einen klaren Anstieg des Kohlenstoffdioxidgehaltes von 310 ppm2 auf nun 410 ppm zwischen 1958 und 2019.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre am Mauna Loa von 1958 bis 2019.

Quelle: (Mauna Loa Observatory, 2019)

Im Mai 2019 wurde am Mauna Loa ein neuer Rekordwert gemessen, mit einem Durchschnitt von 414,7 ppm (Stein, 2019). Ferner ist ersichtlich, dass die Messwerte im Jahreszyklus um etwa 6 ppm schwanken. Im Sommer auf der nördliche Halbkugel von Mai bis September sinken sie, im Winter dort steigen sie wieder an. Dies liegt daran, dass die ausgedehnten Wälder auf der Nordhalbkugel, in Kanada, Europa und Russland, einem ausgeprägten Rhythmus folgen, im Sommer ist die Bioaktivität hoch, im Winter stark reduziert. Auf der Südhalbkugel der Erde ist der Anteil der Ozeane an der Fläche sehr hoch, vergleichbare saisonale Wälder gibt es sehr wenige. Dieser sommerliche Abfall der Konzentration ist deutlich größer als der jährliche Anstieg und zeigt die Bedeutung der Wälder. Ein massives Aufforsten der Waldflächen der Erde ist ein Weg, die Kohlenstoffdioxidkonzentration zu begrenzen (Lewis, 2019).

Alle Klimamodelle sagen voraus, dass bei einem Anstieg der weltweiten Kohlenstoffdioxidkonzentration auch die mittlere Oberflächentemperatur der Erde steigen wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Abweichung der Jahresmitteltemperatur vom langjährigen Mittelwert 14ºC.

Quelle: (NASA, 2020)

Diese Vorhersage wird durch die Messdaten in Abbildung 6 bestätigt, die regelmäßig von der NASA bereitgestellt werden. Der langjährige Mittelwert beträgt 14 ºC (DWD, 2019). Während in der Zeit von 1880 bis Ende der siebziger Jahre die Oberflächentemperatur um wenige zehntel Grad schwankte, stieg sie in den letzten 40 Jahren insgesamt um etwa 1 ºC an, bei einer Zunahme der Kohlenstoffdioxidkonzentration um 80 ppm im selben Zeitraum (vgl. Abbildung 5). Ganz naiv extrapoliert, würde dies bei einer Verdopplung von 320 auf 640 ppm einen Anstieg von 4 ºC bedeuten - Svante Arrhenius lag also vor 125 Jahren nicht sehr falsch mit seiner Vorhersage.

Nach einer Publikation der Weltorganisation für Meteorologie hat sich die Temperatur im Zeitraum 2015 - 2019 gegenüber der vorindustriellen Zeit um 1,1 ºC erhöht, allein seit dem Zeitraum zwischen 2011 und 2015 um 0,2 ºC. Die Erwärmung hat sich also beschleunigt (WMO, 2019). Um die Erwärmung auf 2 ºC zu begrenzen, müssten die Anstrengungen verdreifacht werden.

3.2 Folgen des Temperaturanstiegs

In den bisherigen Ausführungen wurde gezeigt, dass:

1. der Treibhauseffekt auf grundlegenden physikalischen Gesetzen beruht, dem Stefan-Boltzmann-Gesetz und dem Planckschen Strahlungsgesetz,
2. es einen natürlichen Treibhauseffekt, hauptsächlich durch Wasser und Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre gibt, der die Erklärung der natürlichen Oberflächentemperatur der Erde liefert,
3. eine Zunahme von Treibhausgasen die Temperatur erhöht,
4. und langjährige meteorologische Daten sowohl eine massive Zunahme von Kohlenstoffdioxid wie auch eine schnelle Temperaturerhöhung zeigen.

Damit kann ein durch den Menschen erzeugter Klimawandel als wissenschaftlich gesichert angesehen werden. Im folgenden Unterkapitel wird auf die Folgen des Klimawandels eingegangen. Schwerpunkt wird auf die sogenannten Kipppunkte gelegt. Das sind Änderungen, die irreversibel werden, sobald sie eine gewisse Größe erreicht haben. Es gäbe noch mehr klimainduzierte soziale, politische und ökologische Konsequenzen, die zu schildern sehr interessant und aufschlussreich wäre. Doch sie alle hier zu behandeln würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen.

3.2.1 Eisschmelze durch steigende Temperaturen

Global gehen zur Zeit jedes Jahr 335 Milliarden Tonnen Eis verloren (Zemp, 2019). Permanentes Eis gibt es auf der Erde auf Gletschern und im Bereich der Polkappen, im Norden vor allem auf Grönland und als arktisches Meereis sowie im Süden in der Antarktis. Dieses permanente Eis und der darauf liegende Schnee tragen erheblich zur Albedo der Erde bei. Taut der weiße Oberschnee ab und gelangt das blaue Eis an die Oberfläche, senkt dies die Albedo (Ganslmeier, 2019). Im Zeitraum von 1955 bis 2006 nahm die mittlere Dicke von Gletschern insgesamt um 14 m ab (Rohde, 2006), wie Abbildung 7 zeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Gletscherdicke.

Quelle: (Rohde, 2006)

Für die Gletscher in den Alpen und anderen Hochgebirgen hat dieser Schwund gravierende Auswirkungen. Die Gletscher halten starke Schnee- und Regenfälle zurück und geben das Schmelzwasser dann über einen längeren Zeitraum gleichmäßig ab. Verschwinden die Gletscher, so drohen in den Tälern zunehmend Überschwemmungen bei Starkregen oder Schneeschmelze, wenn Bäche und Flüsse über ihre Ufer treten. Auch stellen die Gletscher hier wichtige Reservoirs für Trinkwasser dar. Damit sind erhebliche lokale Konsequenzen des Temperaturanstiegs in den alpinen Regionen zu erwarten. Dort, wo das Eis verschwunden ist, erwärmt sich der Boden durch die verminderte Albedo, es wird also wärmer. Damit würde ein einmal verschwundener Gletscher nicht so schnell wieder entstehen, selbst wenn die globale Erwärmung vorbei wäre. Eine beeindruckende Dokumentation über die Gletscher des Glacier-Nationalparks in Montana sendete im Jahr 2019 der Deutschlandfunk (Ganslmeier, 2019). Der Klimaexperte Steve Thompson erklärte darin, dass ein großer Teil der lokalen Bevölkerung nicht glaube, dass ein menschgemachter Klimawandel zum Absterben ihrer Gletscher führe, Physik sei für sie eine politische Ideologie.

Globale Auswirkungen wiederum hat das Abschmelzen des arktischen Meereises und des grönländischen Eisschildes. Die Fläche des arktischen Meereises hat bereits um mehr als ein Viertel abgenommen (vgl. Abbildung 8).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Ausdehnung des arktischen Meereises im November.

Quelle (NSIDC, 2016)

Zwar führt dies nicht zu einem Anstieg des Meeresspiegels, weil das Meereis auf dem Wasser schwimmt, jedoch verändert sich die Albedo der Polarregion erheblich. Licht, dass früher vom Eis reflektiert wurde, wird vom Wasser absorbiert und heizt damit die Polarregion zusätzlich auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Veränderung der Albedo der nördlichen Polkappe bei Schmelzen des Meereises.

Quelle: (NASA GFSC SCIENCE PHOTO LIBRARY, 2020)

Diese stärkere Erwärmung eines dunkleren als eines weißen Untergrundes wird in einem der Schülerexperimente (Kapitel 7.6) nachgebildet. Anschaulich gemacht wird dieser Effekt in Abbildung 9: nur solches Licht, das auf die verbliebenen Eisflächen trifft, wird noch reflektiert. Es wird abgeschätzt, dass die Reduzierung der arktischen Albedo sich bei einer Erderwärmung von 0,5º bis 2º abspielt (Jakob, 2019:22).

Hier liegt ein Kipppunkt vor – der vielleicht schon erreicht ist. Wenn das Wasser des nördlichen Polarmeeres sich im Sommer erwärmt, kann Eisbildung erst im Winter einsetzen – dann wird dieses nicht so dick, dass es den folgenden Sommer erreicht. Auch das arktische Meereis wird sich nicht schnell regenerieren, selbst wenn die Treibhausgase wieder das Niveau der vorindustriellen Zeit erreichen. Auch im Eispanzer Grönlands sind massive Veränderungen sichtbar. Der teils drei Kilometer dicke Eispanzer sinkt langsam ab. Gleichzeitig wird das Eis infolge von Staub- und Vulkanascheablagerungen auf der Oberfläche immer dunkler, dies fördert immer schnelleres Schmelzen. Wenn der gesamte grönländische Eispanzer abschmilzt, wird der Meeresspiegel weltweit nach aktuellen Prognosen um sieben Meter steigen (Jakob, 2019:22). Auch dieses wäre ein Kipppunkt, der bei einer Erwärmung um 1-2 ºC erreicht würde – ist Grönland einmal eisfrei, braucht es eine neue Kälteperiode, damit der Eispanzer wieder entstehen könnte. Bis dahin würde es die Albedo der Erde senken.

Der westantarktische Eisschild liegt direkt auf dem Kontinentalrücken, dieser befindet sich zum größten Teil unterhalb der Meeresoberfläche. Deshalb würde ein Schmelzen dieses Eises nur zu einem Anstieg des Meeresspiegels von ca. drei Metern führen, der größte Teil der Fläche würde vom Meer bedeckt und auch damit die Albedo senken. Diese Schmelze würde bei einer Erwärmung von 2-4 ºC eintreten (Jakob, 2019:22). Wenn das Meerwasser unter das Eis eindringt, ist mit dem Abbrechen großer Eisflächen zu rechnen, die als gewaltige Eisberge im Südatlantik oder Südpazifik treiben würden – dies macht dieses Eisschild labil und schwierig zu berechnen.

Der bis zu 5 km dicke ostantarktische Eisschild umfasst die größten Süßwasserreserven der Erde. Bisher galt er als stabil, neue Messungen jedoch zeigen, dass auch dort die Eismenge zwischen 2012 und 2017 um 28 Milliarden Tonnen pro Jahr abnahm. Würde er komplett schmelzen wäre mit einem Anstieg des Meeresspiegels um bis zu 28 m zu rechnen (Odenwald, 2018). Dieser Kipppunkt würde erst bei einer Erderwärmung von mehr als 5 ºC überschritten – kämen noch andere Kipppunkte hinzu, so würde ein solches Worst-Case-Szenario in den Bereich des Möglichen rücken.

3.2.2 Folgen der Meereserwärmung

Tropische Wirbelstürme entstehen über Meeresflächen, die eine Oberflächentemperatur von mehr als 27 ºC haben. Wachsen diese Flächen durch die globale Erwärmung und verlängert sich die Saison derart hoher Wassertemperaturen, dann wird die Zahl und Stärke der Taifune und Hurrikans zunehmen und sie werden auf Gebiete treffen, die bisher verschont blieben. Allein der Hurrikan Katrina hat im Jahr 2005 nach Schätzungen des DIW Schäden in Höhe von 600 Milliarden Dollar verursacht (FAZ, 2005).

Der indische Sommermonsun, der westafrikanische Monsun und der Amazonas-Regenwald hängen von einem stabilen Wassernachschub ab, wobei vor allem beim Amazonas der interne Wasserkreislauf dominiert (Jakob, 2019:22). Diese relativ stabilen Systeme können bei Änderungen der Wassertemperatur der vorgelagerten Meere, mit der Folge von mehr Starkregen oder längeren Dürreperioden, bedroht werden. Dabei speichert allein der Amazonas-Regenwald ca. 85 Milliarden Tonnen Kohlenstoffdioxid – zum Vergleich speichert der gesamte deutsche Wald 1,1 Milliarden Tonnen (Deutschle, 2019). Der Klimawandel könnte gebremst werden, wenn die Wälder rekultiviert und ausgebaut werden, leider ist aktuell genau das Gegenteil der Fall und so trägt die Brandrodung des tropischen Regenwaldes zwischen 10 und 20% zum weltweiten Treibhauseffekt bei (Deutschle, 2019). Nicht berücksichtigt ist dabei, dass bei der Zerstörung von Regenwald morastige Sümpfe zurückbleiben, die austrocknen und dabei wiederum große Mengen an Kohlenstoffdioxid und Methan freigeben.

Von den Temperaturen der Meere hängen auch die großen Meeresströmungen ab. Die thermohaline Atlantikzirkulation besteht daraus, dass im Norden im arktischen Meer das Wasser sich abkühlt, in die Tiefe sinkt und sich nahe des Äquators wieder aufwärmt, so gibt es eine warme Meeresströmung an der Oberfläche Richtung Nordosten und eine kalte Tiefenströmung Richtung Südwesten. Ein Teil dieser Strömung ist bei uns als Golfstrom bekannt und sorgt für milde Winter in Westeuropa. Beim Abschmelzen des arktischen Eises und der Gletscher Grönlands entsteht viel Süßwasser, das leichter als das Salzwasser ist und darum, trotz seiner Kälte, nicht absinkt, was den Kreislauf abbremst. Eine Verringerung der Geschwindigkeit der Atlantikströmung um 15% wurde 2018 beobachtet (Welt, 2018). Für Europa bedeutet ein Abschwächen dieses Wetterstabilisators vor allem mehr Extremwetter, für den äquatorialen Atlantik weniger Abkühlung und damit mehr Hurrikans über der Karibik und den südlichen USA. Ein völliger Zusammenbruch dieser Zirkulation wird erst bei einer globalen Erwärmung von 4-5 ºC erwartet (Jakob, 2019:22).

Im Pazifik treiben Passatwinde warmes Oberflächenwasser in Richtung Asien. Dadurch gelangt vor Peru kaltes Tiefenwasser an die Oberfläche. Alle paar Jahre dreht sich dieses System um, mit der Folge von Dürren in Australien und Südostasien, und massiven Überschwemmungen an der südamerikanischen Westküste3. Mit steigenden Wassertemperaturen wird erwartet, dass dieser Umschwung häufiger auftreten wird4.

Ende September 2019 veröffentlichte der IPCC einen Sonderbericht zur Auswirkung des Klimawandels auf die Meere (IPCC, 2019). Demzufolge wird bis zum Jahr 2100 mit einem Anstieg des Meeresspiegels durch Eisschmelze und durch Ausdehnung des wärmeren Wassers zwischen 30 und 110 cm gerechnet. Dadurch, und infolge häufiger auftretender Stürme, würden viele Inseln unbewohnbar. Deutlich sei die Übersäuerung der Meere zu erkennen, die sich im Sterben ganzer Lebensgemeinschaften, zum Beispiel der Korallenriffe, und an einer deutlichen Reduzierung der Menge des Krill zeige, der ganz am Anfang vieler Nahrungsketten im Meer steht. (Ehring, 2019).

3.2.3 Boreale Wälder und Permafrostböden

Die Nadelwälder des Nordens, von Kanada bis Sibirien, machen ein Drittel der globalen Waldflächen aus. Der Klimawandel ruft bei ihnen besonderen Stress hervor (Jakob, 2019:22). Zum einen breiten sich Schädlinge aus, die durch wärmere Winter nicht mehr reduziert werden, und zum anderen schwächt Trockenheit diese Ökosysteme zusätzlich und begünstigt zudem Waldbrände. Im Jahr 2019 wüteten solche Waldbrände in Sibirien – mehr als 30 000 km2 wurden damals vernichtet (DW, 2019). Nach Berechnungen von Greenpeace haben diese Brände inzwischen so viel Kohlenstoffdioxid freigesetzt wie 36 Millionen PKW im Jahr erzeugen. Der torfige Boden schwelt nach solchen Bränden noch jahrelang weiter – und setzt weiter Kohlenstoffdioxid frei. Abgeschätzt wird, dass ab einer Erwärmung von 3-5 ºC die borealen Wälder verschwinden und durch Busch- und Grasland ersetzt werden. Auch dies würde (Jakob, 2019:22) sehr viel Kohlenstoffdioxid freisetzen und damit den Treibhauseffekt weiter verstärken.

In Gebieten, in denen die Temperatur langfristig unter dem Gefrierpunkt liegt, gefriert der Boden permanent, daher auch der Begriff „Permafrost“. Solche Gebiete befinden sich vor allem in den Tundren und Waldgebieten Kanadas und des nördlichen Eurasiens, ca. 24% der Landfläche nördlich des Äquators sind Permafrost (Kasang, Permafrost, 2019). Im gefrorenen Boden sind große Mengen der Treibhausgase Kohlenstoffdioxid und Methan gebunden – geschätzt wird das im Permafrostboden etwa 1 Billion Tonnen Kohlenstoffdioxid gebunden sind, das ist ein Drittel des gesamten Kohlenstoffdioxids der Atmosphäre. Käme es zu einem Auftauen, dann würde dies zu einem Anstieg der CO2-Konzentration der Atmosphäre um weitere 130 ppm führen, soviel wie die gesamte anthropogene Zunahme seit Beginn der Industrialisierung bisher gewesen ist, und damit allein zu einer weiteren Erderwärmung von einem Grad. Dieser Auftauprozess ist ein zusätzlicher Kipppunkt, denn die einmal freigesetzten Treibhausgase werden nicht wieder gebunden. Der Gegeneffekt, dass Tundra zu Waldgebieten wird und dadurch mehr Kohlenstoffdioxid gebunden wird, dürfte hingegen deutlich kleiner sein (Kasang, Permafrost, 2019).

Taut der Permafrost an der Oberfläche, so kann das Wasser nicht durch die darunter liegenden, gefrorenen Schichten entweichen mit der Folge, dass sich in Mulden Seen bilden. Dieser Effekt wurde in den Permafrostgebieten Sibiriens beobachtet, die Fläche der Seen hat sich in den letzten 30 Jahren um 12% vergrößert (Kasang, Permafrost, 2019).

3.2.4 Erderwärmung und Ernährungssicherheit

Die Landwirtschaft ist auf stabile klimatische Bedingungen angewiesen. Für jede Region und jedes Klima haben sich bestimmte Anbaumethoden und Nutzpflanzen als optimal erwiesen. Änderungen des Klimas verlangen auch dort nach Änderungen. Überschwemmungen wie Dürren vernichten Anbauflächen – und gefährden damit die Grundlage der Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung. Der Weltklimarat IPCC warnte im Jahr 2018, basierend auf zahlreichen Studien, dass die Ernährungssicherheit bei einem Anstieg der Temperatur über Land von mehr als 1,5 ºC gefährdet sei. Bei einer weiteren Erwärmung sei dann mit großen Hungersnöten zu rechnen (IPCC, 2018). Diese Erwärmung kam schneller als erwartet, denn im Juli 2019 war es zum ersten Mal weltweit über Land mehr als 1,5 ºC wärmer als im langjährigen Durchschnitt – die Hitze über Deutschland war also keine lokale Ausnahme (BR, 2019). Dabei weißt der IPCC auf die Wechselwirkung zwischen Landwirtschaft und Klima hin – durch Waldrodung, Viehhaltung und Ackerbau würde weltweit knapp ein Viertel der Treibhausgase erzeugt.

3.2.5 Erderwärmung und Wälder

Der Wald ist der Verlierer des Klimawandels: Stürme, Insektenvermehrung, Dürren, Temperaturanstiege und immer mehr Waldbrände zerstören mehr Wald als neu gepflanzt wird (Schenking, 2019). Im Jahr 2018 hat es 1700 Waldbrände in Deutschland gegeben, viermal so viele wie 2017. In Sibirien stand im August 2019 zeitweise ein Fläche von 1,2 Millionen Hektar in Flammen – in der Arktis wurden bei Waldbränden über 50 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid freigesetzt (sug., 2019). Und auch die „grüne Lunge der Erde“, der Regenwald, wird in Rekordtempo vernichtet – am Amazonas wurden von Januar bis August 2019 6400 Quadratkilometer Wald zerstört, um dem Anbau von Soja zu weichen (FAZ 215, 2019). Der französische Präsident Macron hat darum auf seinen brasilianischen Kollegen Bolsonaro eingewirkt, diese Brandrodungen zu stoppen, indem er Hilfe bei der Brandbekämpfung anbot5.

Eine weitere Bedrohung der Wälder sind nicht nachhaltige Baumfällungen. Viele Anwohner der Wälder haben das Bedürfnis, ihren Lebensunterhalt durch Holzverkäufe zu sichern. Korruption erleichtert den illegalen Handel. Wichtig ist daher, den Menschen Wege zu ermöglichen, ihren Lebensunterhalt mit anderen Einnahmequellen als dem Holzverkauf zu bestreiten (Weber, 2019). Illegale Fällungen und Holzschmuggel sind auch in Ländern Europas zu beobachten, zum Beispiel in der Ukraine , wo Oligarchen sich Grundstücke in Nationalparks verschaffen und arme Waldarbeiter zu Holzdieben werden (Adler, 2019).

So wie die Nutzpflanzen sich über Jahrhunderte dem Klima angepasst haben, so taten dies auch die Pflanzen des Waldes. Vor allem die Fichte, mit 26% die häufigste Baumart in Deutschland, deren Holz häufig in der Bauwirtschaft verwendet wird, kommt mit den Dürreperioden und der darauf folgenden Vermehrung der Borkenkäfer nicht zurecht. Über die Struktur unserer Wälder und die notwendigen Maßnahmen, diese zu retten, gibt es unterschiedliche Auffassungen.

Die Meinung der Arbeitsgemeinschaft Deutscher Waldbesitzerverbände (Marwitz, 2019) dazu ist, seit einem Jahrzehnt sei der Wald in existenzieller Bedrohung, es gebe zu wenig Niederschlag im Jahr, vor allem im wichtigen Winterhalbjahr. Der Wald sei ein wichtiger Wirtschaftsfaktor, durch das viele Totholz gäbe es jedoch eine Holzschwemme und entsprechend niedrige Erträge. Bäume binden am meisten Kohlendioxid im Alter zwischen 20 und 50 Jahren. Da der Wald für die Gemeinschaft, auch durch das Binden von Kohlendioxid, eine Leistung erbringe, müssten die Waldbesitzer dafür entlohnt werden. Auch in Zukunft müsste beim Pflanzen neuer Wälder auf Wirtschaftlichkeit geachtet werden.

Dagegen hält der BUND, Monokulturen und Plantagenwälder seien besonders empfindliche Ökosysteme und darum stark geschädigt. Es sei notwendig die Bewirtschaftung der Wälder zu beenden und sie sich selbst zu überlassen, dann würden sie sich von selbst regenerieren und sich dem Wandel anpassen. Auch sollten alte Bäume im Wald belassen werden, um Humus zu bilden, denn dieser sei ein großer CO2-Speicher im Boden. Dazu sei es notwendig, dass der Staat die bisher in Privatbesitz befindlichen Wälder übernehme (Weiger, 2019).

Forstwissenschaftler empfehlen, wegen der unsicheren Prognosen, Mischwälder zu pflanzen, die sich einem weit größeren Spektrum von Klimaentwicklungen anpassen können (Forstwirtschaft, 2019). Bis jedoch die Wälder großflächig umgestaltet sind, dauert es Generationen. Für die Förderung des Waldes hat die Bundeslandwirtschaftsministerin Klöckner bis zu 800 Millionen Euro versprochen.

3.2.6 Klimawandel und Gesundheit

Der Klimawandel führt dazu, dass Tierarten bei uns überleben können, die es früher wegen strenger Winter nicht gab. In Wiesbaden haben Forscher des Senckenberg - Instituts vier Exemplare der asiatischen Stechmückenart Aedes koreicus identifiziert (FAZ 43, 2019). Diese Mücke ist dafür bekannt, den Erreger der Japanischen Enzephalitis und das Chikungunya-Virus zu übertragen und auch Menschen mit Fadenwürmern zu infizieren. Festgesetzt haben sich bereits die asiatische Tigermücke und die asiatische Buschmücke, die zum Beispiel das Denguefieber übertragen. Noch gibt es keine Fälle von Ansteckung, doch durch die weltweite Erwärmung wird die Verbreitung der Mücken gefördert und durch den interkontinentalen Flugverkehr nimmt das Risiko, das Erreger eingeschleppt werden können, zu.

Es gibt auch Anzeichen für direkte Folgen der Erwärmung auf die Menschen. Von 2008 bis 2017 hat sich die Zahl der durch Hitze bedingten Krankheitstage in Deutschland verdoppelt, auf 40000 im Jahr 2017 (Wirtschaftsnachrichten, 2019).

4 Klimawandel in den Politikwissenschaften

Je komplexer die Modelle, umso mehr fragt sich die Öffentlichkeit, ob sie wesentliche Entscheidungen aufgrund dieser Berechnungen fällen soll. In diesem Kapitel soll skizziert werden, welche Möglichkeiten bestehen, die Erderwärmung zu begrenzen und wie der Stand der politischen Diskussion ist.

4.1 Ursachen für Treibhausgase und technische Handlungsoptionen

Die Klimawirksamkeit verschiedener Gase ist unterschiedlich. Es ist üblich, Diese jeweils umzurechnen auf die entsprechende Menge Kohlenstoffdioxid. Für Deutschland zeigt Abbildung 10, wie sich die Klimawirksamkeit auf die verschiedenen Komponenten verteilt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Anteil der Treibhausgase an den Emissionen in Deutschland 2017.

Quelle: (Umweltbundesamt, 2019)

Mit 88% dominiert das Kohlenstoffdioxid. Sollen die Treibhausgase reduziert werden, so muss Diesem Priorität eingeräumt werden. Um jedoch das langfristige Ziel der Klimaneutralität zu erreichen, müssen auch die restlichen Gase stark reduziert werden, die hauptsächlich in der Landwirtschaft anfallen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Anteil der verschiedenen Sektoren an der Treibhausgasemission in Deutschland 2018.

Eigene Grafik, Daten aus (Umweltbundesamt, 2020)

Auch europaweit dominiert das Kohlenstoffdioxid mit 81,2% (Europäisches Parlament, 2018), weltweit mit 71,5% (Ziegeldorf, 2015). Methan und Lachgas werden hauptsächlich in der Landwirtschaft freigesetzt und deren relative Bedeutung ist in Deutschland niedriger als anderswo.

Abbildung 11 zeigt, wieviel Prozent in Deutschland im Jahr 2018 die verschiedenen Sektoren zum Treibhauseffekt beitrugen. Im Folgenden werden die einzelnen Sektoren erläutert und Handlungsoptionen aufgezeigt, wie die Treibhausgase reduziert werden können.

4.1.1 Die Energiewirtschaft

Den größten Anteil an den Kohlenstoffdioxidemissionen Deutschlands hat die Energiewirtschaft. Braun- und Steinkohlekraftwerke sowie einige Gaskraftwerke entlassen jährlich 329 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid in die Luft. Die klare Handlungsoption ist, den Anteil der Kohle an der Stromversorgung zu reduzieren und langfristig auf null zu senken6. Die Option, dafür wie z.B. Frankreich, auf Kernkraft zu setzen, bietet sich in Deutschland nicht, Deutschland hat den Ausstieg aus der Kernenergie im Jahr 2002 beschlossen und ihn nun weitestgehend abgeschlossen. Dabei wurden in den Folgejahren als Ersatz vier große Braunkohleblöcke mit einer elektrischen Leistung von knapp 4 GW errichtet, die allein pro Jahr etwa 30 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid ausstoßen. Auch sind die Möglichkeiten die Wasserkraft auszubauen in Deutschland sehr gering. Damit bleiben für den Ersatz der Kohle nur die erneuerbaren Energiequellen Windkraft, Solarenergie und Biogas7. Immerhin gelang es im Jahr 2018 den Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch auf 37,8% zu steigern (FAZ 74, 2019), im ersten Halbjahr 2019 sogar auf 44% (Wirtschaftsnachrichten, 2019). Etwa die Hälfte dieses Anteils erneuerbarer Energien produzieren Windkrafträder, allerdings hat sich der Ausbau der Windkraft an Land deutlich verlangsamt. Während vor 2017 noch 4 GW pro Jahr installiert wurden, wird für 2019 nur mit 400 MW gerechnet, die Zahl der Baugenehmigungen ist um 90% zurückgegangen. Die Ursache dafür wird in mangelnden Flächen sowie viel zu langen Genehmigungsverfahren gesehen (Kulms, 2019). Für den Umbau und die Sicherheit der Stromversorgung wird viel Geld benötigt (FAZ 183, 2019), das führt dazu, dass die Strompreise in Deutschland für Haushalte bei 35 cent/KWh liegen. Damit ist Deutschland von 115 untersuchten Ländern eines derjenigen mit den teuersten Strompreisen, nur in Nicaragua und Venezuela sind sie noch höher (FAZ 74, 2019).

Bei weiterem Ausbau der erneuerbaren Energien ist es notwendig, überschüssige Energie für Zeiten der Flaute zu speichern. Eine gute Möglichkeit dazu bietet Wasserstoff als Energieträger. Sogenannter „grüner“ Wasserstoff8 dient nicht nur dem Klimaschutz, sondern stellt auch für die Küstenregionen eine wirtschaftliche Chance dar. In der Energiespeicherkette kann Wasserstoff die Funktionen übernehmen, die im Moment Öl und Gas in riesigen Tanks haben. So kann Wasserstoff zum Beispiel in Salzkavernen gespeichert werden (Lies, 2019). Wasserstoff könnte in den jetzigen existierenden Gasnetzen transportiert werden. Dies ist sinnvoller als nur rein auf Stromnetze zu setzen, die dafür dann viel mehr ausgebaut werden müssten (Kuhlmann, 2019). Zwar ist die direkte Nutzung elektrischer Energie sehr viel effizienter als über Zwischenspeicherung in Wasserstoff. Da jedoch die Spitzenleistung der installierten erneuerbaren Energien viel höher als der Durchschnittsverbrauch sein wird, ist es sinnvoller, zeitweise Überschüsse zu speichern anstatt sie nicht zu nutzen (Lies, 2019).

In Europa gibt es mehr Projekte, grünen Strom zu erzeugen. So haben erste Berechnungen des Europäischen Zentrum für Meeresenergie (EMEC) ergeben, dass allein aus den Meeresströmungen um die Orkney Inseln so viel „sauberer“ Strom erzeugt werden kann, dass ein Drittel der britischen Kernkraftwerke ersetzt werden könnte (Arte, 2015).

In Deutschland kann der Verbraucher wählen, von welchem Anbieter er Strom bezieht und die meisten Anbieter bieten sowohl Verträge mit „braunem Strom“, in dem Kohlestrom und Strom aus erneuerbaren Energiequellen gemischt wird, wie auch mit CO2-freiem „grünen“ Strom an. Nach Jahren der Flaute, in denen dieser Markt stagnierte, hat durch die aktuelle Diskussion über Klimaschutz die Nachfrage nach grünem Strom wieder zugenommen (FAZ 156, 2019). Etwa ein Viertel der Haushalte in Deutschland bezieht inzwischen Grünstrom – dies ist eine der Möglichkeiten von privaten Haushalten, sich an der Energiewende zu beteiligen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass manches Angebot durch Zertifikathandel „grün gewaschener“ Braunstrom ist (ebd.). Auch die großen Stromanbieter, wie RWE, die die Braunkohlekraftwerke am Niederrhein betreibt, setzen auf den Abschied aus der Kohle und investieren in neue Windräder und Photovoltaikanlagen – allerdings zumeist im Ausland. Deutschland wird wegen zu viel Bürokratie, zu langen Planungen, zu großen Risiken und zu wenig Leitungen links liegen gelassen (Bünder, 2019).

Der Ausstieg aus der Kohle ist von der Bundesregierung für das Jahr 2038 beschlossen worden, nach langer Vorbereitung in der Kohlekommission, in der sowohl Vertreter der Energieerzeuger wie auch der betroffenen Regionen an diesem Kompromiss mitwirkten (FAZ 15, 2019). Dabei wurde nicht nur festgelegt, wie die Ablösung der Kohle durch erneuerbare Energien technisch bewerkstelligt werden soll, sondern auch die soziale und strukturelle Komponente des Wandels in den betroffenen Regionen am Niederrhein, in Mitteldeutschland und in der Lausitz mit Finanzzusagen abgesichert.

Dieser Kohlekompromiss ist nicht unumstritten. Für den Strukturwandel sollen über die nächsten zwei Jahrzehnte 40 Milliarden Euro vom Bund in die betroffenen Länder fließen.

Nicht alle Staaten wollen aus der Kohleverstromung aussteigen, in den USA hat Präsident Trump entsprechende Pläne seines Vorgängers zurückgenommen und fördert den Ausbau heimischer fossiler Energieträger.

Weltweit wird heute etwa 10% des erzeugten Stroms für das Internet genutzt, mit steigender Tendenz. Vor allem höher auflösende Videos benötigen mehr Energie, für jedes Anschauen eines Youtube Videos wird eine ganze Kette von Stromverbrauchern aktiviert, dies ist den Benutzern oft nicht bewusst. In diesem Bereich gibt es erhebliches Einsparpotential. Abwärme von Rechenzentren könnte zu Heizzwecken eingesetzt werden. Einsparpotential wird in der Software gesehen, damit der Stromverbrauch nicht exponentiell mit der Datenmenge ansteigt, die sich alle zwei Jahre verdoppelt. Eine weiterführende Darstellung findet man bei (Waltz, 2019).

4.1.2 Die Industrie

Die Industrie ist mit 23% der zweitgrößte Verursacher von Treibhausgasemissionen. Dabei ist in den letzten Jahren der Kohlenstoffdioxidausstoß der Industrie, dank der guten Konjunktur, wieder gestiegen (Ziegeldorf, 2015). Einzelne Unternehmen zeigen jedoch, dass es auch anders geht. So plant die Bosch-Gruppe, bereits 2020 CO2-neutral zu sein (Gropp, 2019), nachdem noch 2018 7,8 TWh Strom verbraucht wurden, und dabei 3,3 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid freigesetzt wurden. Realisiert wird dies zum einen, indem konsequent Grünstrom zugekauft wird, und zum anderen durch Kauf von Klimaschutzzertifikaten in den ersten Jahren, um die eigene CO2-Bilanz auszugleichen. Mit diesen Zertifikaten werden Klimaschutzprojekte rund um die Welt finanziert, zum Beispiel Aufforstungen. In den nächsten zehn Jahren rechnet Bosch damit, dass diese Zertifikate etwa 1 Milliarde Euro kosten werden – bei einem jährlichen Konzerngewinn von 5,5 Milliarden ist die Summe verkraftbar. Langfristig soll, trotz steigenden Umsatzes, der Primärenergieverbrauch um 20% gesenkt werden (Gropp, 2019).

Andere Unternehmen sehen eher, dass zukünftig im Bereich erneuerbarer Energien Umsätze generiert werden können und dass reine Abhängigkeit von fossilen Energien die Attraktivität eines Unternehmens an der Börse schmälert, auch weil immer mehr Fonds auf eine nachhaltige Komponente Wert legen. Damit kommen auch aus der Wirtschaft selbst Impulse, klimafreundlich zu planen und zu handeln. So will die britisch-niederländische Shell-Gruppe einer der größten Investoren in erneuerbare Energien werden, in Konkurrenz zu den existierenden Stromanbietern (Theurer, 2019). Dennoch werden die Investitionen in Öl und Gas noch lange überwiegen - Kritiker nennen solche Ankündigungen welche die umweltfreundliche Agenda konterkarieren dann auch „green washing“.

Eine Möglichkeit, die von immer mehr Unternehmen genutzt wird, ist freiwillig für die Kalkulation einen internen Preis für Kohlendioxid anzusetzen, so kann bei Investitionsentscheidungen Klimaschutz quantitativ berücksichtigt werden. Diesen internen Preis hat zum Beispiel die BASF eingeführt (Ehrhardt, 2019).

Wiederum andere Unternehmen sehen in ökologisch sauberen Produkten eine Marktlücke, vor allem wenn sie neue Ideen bringen. Als Beispiel sei hier das dänische Unternehmen Sprout genannt, das Stifte aus nachhaltig gewachsenem Zedernholz, Ton und Grafit herstellt – die im nicht mehr brauchbaren kurzen Ende ein Samenkorn enthalten – steckt man die Reste in Erde entwickelt sich daraus eine Pflanze. Diese wird als Alternative zu den weltweit täglich hergestellten 135 Millionen Plastikkugelschreibern angesehen – und hat vor allem bei Unternehmen und Institutionen einen festen Kundenkreis (Heß, 2019).

Die Weltbank hat 2019 beschlossen, keine neuen Kohlekraftwerke mehr zu finanzieren. Auch in der Finanzindustrie wächst die Bedeutung klimaneutralen Handelns. Unter dem Namen „Net Zero Asset Owner Alliance“ fordern Versicherungen und Vermögensverwalter mit einem Investitionsvolumen von 2,4 Billionen US-Dollar, unter ihnen die Allianzversicherung, mehr Klimaschutz. Sie verpflichten sich selbst, ihren CO2-Ausstoß zumindest zu begrenzen und durch Kompensation CO2-neutral zu werden, indem sie Entwicklungsprojekte zum Klimawandel in Entwicklungs- und Schwellenländern finanzieren, wie grünen Strom in Afrika oder Waldschutz. Bis 2050 sollen alle Geldanlagen auf klimaneutrale Unternehmen umgestellt sein (Schnell C. , 2019). Ein Beispiel für solchen Waldschutz sind Randgebiete des Lobéké – Nationalparks in Kamerun, die zu CO2-Senken erklärt worden und im internationalen Kompensationshandel beteiligt sind. Während die arme lokale Bevölkerung diesem grundsätzlich positiv gegenüber steht, weil Zahlungen für ihren Verzicht auf Nutzung des Waldes gezahlt werden sollen, beklagt sie gleichzeitig, dass bisher kein Geld bei ihr angekommen sei (Stöbesand, 2019).

4.1.3 Der Verkehr

Obwohl der Verkehr nur 19% zum Treibhausgasausstoß beiträgt, wird dieser Sektor am meisten und am leidenschaftlichsten diskutiert. Wenn der Chefredakteur der Welt – Gruppe, Ulf Poschardt, (Poschardt, 2019) seinem benzingetriebenen Porsche eine Seele zuspricht, die er bei Elektroautos vermisst, zeigt dies exemplarisch die Emotionalität dieser Diskussion in Deutschland.

Im Verkehrssektor ist die Reduzierung der CO2-Emissionen bisher am geringsten. Biokraftstoffe und Grünstrom für Elektroautos verharren seit einem Jahrzehnt bei 5-6% (FAZ 74, 2019). Die Zahl der zugelassenen Fahrzeuge in Deutschland betrug Anfang 2019 64,8 Millionen, 1,7% mehr als ein Jahr davor (Kraftfahrtbundesamt, 2019), nach ebenfalls 1,7% Steigerung im Vorjahr (ebd.). Nachdem die CO2-Emission der in Europa zugelassenen PKWs von 2010 bis 2016 um 22g/km zurückging, steigt sie seitdem wieder an, allein im Jahr 2018 gegenüber dem Vorjahr um 2% (Erneuerbare_Energien, 2019). Ursachen dafür sind zum einen der Trend zu immer schwereren Autos (SUVs), zum anderen der Rückgang der Nachfrage nach Dieselfahrzeugen. So war mehr als jeder vierte im Juli 2019 zugelassene VW ein solcher Stadtgeländewagen (FAZ 188, 2019). Die deutsche Industrie kann als Alternative zum Diesel nur weniger effiziente Ottomotoren anbieten und hat im Gegensatz zur asiatischen Konkurrenz keine Atkinsonmotoren, kaum Millermotoren und keine Vollhybride im Angebot.

Dies macht den Verkehrssektor zum Schwerpunkt der Bemühungen um mehr Klimaschutz und den Begriff der Verkehrswende zum häufig zu hörenden Schlagwort. Die Nationale Plattform Zukunft Mobilität, ein von der Bunderegierung eingesetztes Expertengremium, hat Wege aufgezeichnet, wie die Treibhausgasemissionen im Verkehr bis zum Jahr 2030 gegenüber 1990 um 40 bis 42 Prozent gesenkt werden können (NPM, 2019):

„Die AG 1 hat sechs zentrale Handlungsfelder identifiziert und mit einer systematischen Abschätzung der jeweiligen CO2-Minderungspotenziale sowie durch Berechnungen von Zielszenarien gezeigt, dass die Zielgröße des Sektorziels 2030 von 95 bis 98 Millionen t CO2-Emissionen im Verkehrssektor im Grundsatz erreichbar ist. Die Handlungsfelder umfassen:

1. Antriebswechsel von Pkw und Lkw;
2. weitere Effizienzsteigerung von Pkw und Lkw;
3. regenerative Kraftstoffe;
4. Stärkung von Schienenpersonenverkehr, Bus-, Rad- und Fußverkehr;
5. Stärkung von Schienengüterverkehr und Binnenschifffahrt;
6. Digitalisierung.“

Nur wenn alle sechs Handlungsfelder umgesetzt würden, ließe sich die angestrebte Minderung erreichen.

Allerdings waren sich auch die Experten in vielen Fragen uneins. So wollen Umwelt- und Radfahrverbände die Verkehrsvermeidung zentral verankern und halten drastische Preiserhöhungen für Kraftstoffe und Strafaufschläge für Käufer von Spritfressern für notwendig, die Idee der Industrie, mehr biogene und mehr synthetische Kraftstoffe einzusetzen, tragen sie nicht mit (FAZ 54, 2019). Nur mit den unstrittigen Maßnahmen allein, wie Ausbau der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, Digitalisierung und Ausbau des Schienennetzes ließe sich nur etwa die Hälfte der angestrebten Minderung erreichen, es müssen auch die Felder angegangen werden, die strittig sind. Die Gesamtkosten für diese Maßnahmen werden auf einen dreistelligen Milliardenbetrag geschätzt.

[...]


1 Es gibt auch Stimmen aus der Wissenschaft, die den anthropogenen Ursprung des Klimawandels anzweifeln.

2 Dabei wird das ppm definiert als 1 µmol Kohlenstoffdioxid pro mol Luft.

3 Dieses Phänomen ist auch unter dem Namen „El Niño“ bekannt, spanisch für das „(Christ)kind“ und tritt, entsprechend der Namensgebung, zur Weihnachtszeit auf.

4 Eine ausführliche Dokumentation über die vielfältigen Folgen des Klimawandels für Natur und Menschen am Beispiel Australiens findet man unter (Stummer, 2019).

5 Bolsonaro will die wirtschaftliche Erschließung des Amazonas Regenwaldes vorantreiben. Deshalb unterstützt er auch die Zerstörung des Regenwaldes durch illegale Goldschürfer (Marusczyk, 2019). Er wies darum das Angebot Macrons verärgert als Einmischung in innere Angelegenheiten zurück, der Amazonaswald gehöre Brasilien und nicht der Menschheit.

6 Es gibt einen breiten gesellschaftlichen Konsens zugunsten der Energiewende. Bei Umfragen sprechen sich 90% der Bevölkerung für den Umstieg auf erneuerbare Energien aus (Setton, 2019).

7 Auch die Verbrennung von Biomasse gilt in der EU als erneuerbare Energie, also als Beispiel die Verbrennung von aus den USA importierten Holzpellets in vormaligen Kohlekraftwerken (Wipperfürth, 2019).

8 Mit „grünem“ Strom oder Wasserstoff werden Energieträger bezeichnet, die aus erneuerbaren Quellen stammen.

Ende der Leseprobe aus 172 Seiten

Details

Titel
Klimakatastrophe im Klassenzimmer. Schülerexperimente zum Treibhauseffekt
Hochschule
Johannes Gutenberg-Universität Mainz  (Physik)
Note
1,7
Autor
Jahr
2019
Seiten
172
Katalognummer
V537153
ISBN (eBook)
9783346142566
ISBN (Buch)
9783346142573
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Im Anhang befinden sich Unterrichtsmaterialien.
Schlagworte
Treibhauseffekt, Erderwärmung, Absorption von Wörmestrahlung, Spektrum der Wärmestrahlung, Handlungsoptionen, Klimapaket, Klimakonferenzen, LED, Schülerexperiment, Wechselwirkung von Pflanzen mit CO2, Raspberry Pi, Datenerfassung, Python, C#, Albedoeffekt, Unterrichtsmaterialien für verschiedene Jahrgänge, CO2 Sensor, Temperatursensor
Arbeit zitieren
Martin Reisener (Autor), 2019, Klimakatastrophe im Klassenzimmer. Schülerexperimente zum Treibhauseffekt, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/537153

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