Natürliche und antrophogene Ursachen des Klimawandels

Inhalt

0. Einleitung

1. Natürliche Klimaschwankungen und ihre Ursachen
1.1 Datenquellen zur Ermittlung der Klimageschichte
1.2 Klimaentwicklung im Holozän
1.3 Ursachen für natürliche Klimaschwankungen

2. Atmosphäre und Treibhausgase
2.1 Aufbau der Atmosphäre
2.2 Der natürliche Treibhauseffekt
2.3 Treibhausgase und ihre antrophogene Verstärkung

3. Menschliche Beeinflussung des Klimas
3.1 Entwicklung des Klima seit Mitte des 19. Jahrhunderts
3.2 Mögliche Szenarien der Klimaentwicklung
3.3 Folgen einer globalen Erwärmung

4. Literaturverzeichnis
4.1 Literatur
4.2 Internet

0. Einleitung

Seit Jahren tauchen immer wieder Schlagzeilen auf, die einen Klimawandel, globale Erwärmung oder gar einen Klimakollaps prophezeien. Ein ungewöhnlich heißer Sommertag wird auf den Treibhauseffekt zurückgeführt, ein milder Winter oder Hochwasserkatastrophen ebenfalls.

Die vorliegende Arbeit soll klären, wie sich das Klima in der Menschheitsgeschichte verändert hat, welche natürlichen Ursachen für Klimaschwankungen es gibt und in welchem Maße der Mensch seit 150 Jahren in die Klimaentwicklung eingreift. Der Erste, der vermutete, dass die Sauberkeit der Atmosphäre sich auf das Klima auswirken könnte, war bereits im 18. Jh. Benjamin Franklin. Er war auch der Erste, der die Möglichkeit in Betracht zog, dass z. b. vulkanische Gase und Staubpartikel die klimatischen Bedingungen beeinflussen können^[1]. Dies dürfte heute kaum noch jemand anzweifeln – aber in welchem Maße antrophogene Eingriffe das Klima tatsächlich beeinflussen werden, ist schwer vorhersehbar und unter Forschern umstritten. Das letzte Kapitel dieser Arbeit versucht dennoch, einen Ausblick auf denkbare Entwicklungen des Klimas zu geben und mögliche Konsequenzen für das Leben auf der Erde darzustellen.

1. Natürliche Klimaschwankungen und ihre Ursachen

1.1 Datenquellen zur Ermittlung der Klimageschichte

Zum Verständnis heutiger oder zukünftiger Klimaentwicklungen ist die Kenntnis vergangener Klimaschwankungen von großer Bedeutung. Allerdings kann man nur für die letzten 200-300 Jahre auf Aufzeichnungen und Messwerte zurückgreifen. Für weiter zurückliegende Epochen ist man auf indirekte Klimazeugen angewiesen, deren Analyse allerdings umso unsicher ist, je weiter man zeitlich zurückgeht.^[2]

Eine der genausten Methoden ist die Analyse des (temperaturabhängigen) Verhältnisses der Sauerstoffisotopen 18O und 16O, z. B. in Eisbohrkernen oder Meeressedimenten. In den Weltmeeren ist zu 99% das leichtere 16O gebunden. Da im Eis der Polargebiete ebenfalls die leichteren 16O Isotope überwiegen, steigt nun durch die Bildung von Eis in kalten Epochen der Anteil der schweren 18O Moleküle in den Meeren. Dies kann in Meeressedimenten und Eisbohrkernen nachgewiesen werden. Dadurch erhält man Hinweise auf Temperatur- und Niederschlagesverhältnisse und kann Aussagen über die Meerestemperatur und das globale Eisvolumen treffen. Auch die Zusammensetzung des fossilen Meeresplanktons oder tierischer Fossilen winziger Wassertierchen, z. B. Kalkschalen von Diatomenen und Foraminiferen, lassen Rückschlüsse auf die Meerestemperatur zu.

Eine weitere Methode ist die Dendrochronologie. Anhand der Dicke von Baumringen oder Ringmustern in Balken alter Gebäude (in kältern Zeiten schmaler, bei günstiger Witterung breit) und der Holzdichte können Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnisse in Europa bis 9200 Jahre zurückverfolgt werden.

Die Pollenanalyse macht sich die unterschiedlichen Klimabedürfnisse der Pflanzen zunutze. In Gletschern, eiszeitlichen Moorböden und Sedimenten können Pollen nachgewiesen werden und lassen durch die Unterscheidung von wärme- und kälteangepassten Pflanzen Rückschlüsse auf die Witterungsverhältnisse zu. Durch Pollen, die auf den Meersgrund abgesunken und in Sedimentkernen gefunden wurden, lassen sich Klimaschwankungen sogar bis zu 150 000 Jahre zurückverfolgen.

Weitere Quellen sind menschliche Dokumente wie Chroniken, archäologische Funde, Mythen und Sagen.

1.2 Klimaentwicklung im Holozän

Vor rund 18 000 Jahren erreichte die letzte Eiszeit (Würm- oder Weichseleiszeit) ihren Höhepunkt. Das Inlandeis hatte seine größte Ausdehnung: Breite Teile Europas, Asiens und Nordamerikas lagen unter einer Eisschicht von mehreren Tausend Metern Dicke. Die Gletscher Skandinaviens reichten südlich bis Berlin, die Alpengletscher bis München. Der Meeresspiegel fiel durch das im Eis gebundene Wasser um rund 120 Meter. Die Temperaturen lagen acht bis zehn Grad unter den heutigen Werten.^{[3] [4]}

Die Allerödzeit (10.000-9.000 v.Chr.) stellt den Übergang zwischen Eis- und Warmzeit da, es erfolgte eine rasche Erwärmung. Die Durchschnittstemperatur des wärmsten Monats in Mitteleuropa lag etwa 4°C unter der heutigen. Die großen Inlandsgletscher schmolzen ab. Es herrschte nun ein feucht-kühles Klima, in dem sich Gehölze ausbreiten konnten (v.a. Birken- und Kiefern-Wälder), allerdings lag die Baumgrenze 300-400 m unter der heutigen Position.

Die Jüngere Dryaszeit bzw. Tundrenzeit (9.000-8.100 v.Chr.) stellt eine Übergangsphase dar und kann als letzte Epoche der Kaltzeit oder Kälterückfall während des Übergangs zur Warmzeit betrachtet werden. Der Temperaturabfall führte zu einem längeren Stillstand des zurückweichenden Inlandeises an der finnischen Seenplatte. Die Durchschnittstemperatur des wärmsten Monat in Mitteleuropa lag 7-8°C unter der heutigen. Es herrschte ein feucht-kaltes Klima, was zu einer baumarmen Tundra führte. Mögliche Ursache für diesen Kälteeinbruch könnte eine Störung der ozeanische Zirkulation, insbesondere des Golfstromes, durch große Schmelzwassermengen sein. Dieser erwärmt das Klima in Europa, sein Ausbleiben könnte die Kältephase bedingt haben.

Das Präboreal (8.100-7.000 v.Chr.) ist der Übergang von der Kalt- zur Warmzeit; während die Sommer ähnlich warm waren wie heute, waren die Winter sehr kalt. Im Boreal (7.000-5.800 v.Chr.) waren die Sommer generell wärmer als heute und die Winter, abgesehen von einzelnen strengen Wintern, relativ mild. Präboreal und Boreal waren von atlantischem Klima geprägt. In Mitteleuropa wuchs wärmeliebender Eichenwald.

Das Atlantikum (5.800-3.500 v.Chr.) war die wärmste Periode seit der letzten Kaltzeit. Sie wird daher auch „Optimum“ oder „Hauptoptimum“ genannt. Die Mitteltemperatur der Nordhemisphäre lag ungefähr 1°C über heute, die Epoche war sehr niederschlagsreich. Der Niederschlag führte in der Sahara sogar zur Savannenbildung, Höhlenzeichnungen zufolge gab es dort damals sogar tropische Tierarten wie Elefanten und Nashörner^[5]. Aus dieser Zeit stammt auch die biblische Geschichte der Sintflut. Die letzten Eisschilde verschwanden mit den steigenden Temperaturen, es kam zu einem allgemeinen Gletscherrückgang, und auch das nordpolare Packeises wich zurück.

In der Piora-Oszillation (3500 bis 1800 v. Chr.) kam es zunächst zu einer Abkühlung mit Gletschervorstößen, es war niederschlagsarm, so dass es zu Völkerwanderungen an die Flüsse und Küsten kam. Erste Hochkulturen entstanden, wie z. B. in Ägypten oder China. Im Subboreal (1800-1.300 v.Chr.) war es wieder wärmer und ebenfalls eher trocken.

Der Hauptpessimismus (1.300-500 v.Chr.) war die kälteste Epoche seit der letzten Eiszeit, sie war geprägt von sehr kühlen Sommern, hohen Niederschlägen und einer erhöhten Sturmhäufigkeit. Die Durchschnittstemperatur in Europa lag 1-2°C unter heute, zwischen 1.200-700 v.Chr. gab es große Gletschervorstöße. Während des Optimums der Römerzeit (500 v.Chr.-450 n.Chr.) kam es zu einer Erwärmung. Die Durchschnittstemperatur in Europa war um 1°C höher als heute; daher blieben einige Alpenübergänge auch im Winter frei, was die Vorstöße der Römer begünstigte. Die Epoche war sehr niederschlagsreich, erst ab 300-400 n.Chr. wurde es trockner.

Der darauffolgende Pessimismus der Völkerwanderungszeit (450-850) war eine niederschlagsreiche Kälteepoche. Das Mittelalterliche Klimaoptimum (850 – 1150) war eine Warmphase mit trockenen Sommern und milden Wintern, die Durchschnittstemperatur lag in Europa 1-1,5°C über der heutigen. Das feuchtwarme Klima bot optimale Bedingungen für die Landwirtschaft.Es kam zu wichtigen technischen und landwirtschaftlichen Fortschritten. Grönland war grün und wurde besiedelt, in England war sogar Weinanbau möglich.Die Klimawende (1150-1550) war der Übergang von der Wärmeepoche zur Kleinen Eiszeit. Es kam zu einer starken Abkühlung, starkem Niederschlag und Sturmhäufungen und -fluten an den deutschen, holländischen und englischen Küsten. 1362 entstand ein Großteil der Friesischen Inseln durch die Abtrennung vom Festland. Während der Klimawende gab es starke jahreszeitliche Schwankungen und vermehrt extreme Witterungsereignisse.

In der Kleinen Eiszeit (1550-1750), einer Kälteepoche mit Jahresmitteltemperaturen von 1°C unter heute, waren die Frostperioden in Frühjahr und Herbst verlängert, und die Frosthäufigkeit war höher. Es kam erneut zu verbreiteten Gletschervorstößen. Die Kälte führte in Europa zu verbreiteter Armut und Hunger durch Missernten; Kriege und Wanderungen waren die Folge.

1.3 Ursachen für natürliche Klimaschwankungen

Da sich der Wechsel von Kalt- zu Warmzeiten in bestimmten Zeitabständen vollzieht liegt es nahe, dass er durch astronomische Einflüsse, z. B. durch die Änderung der Erdparameter gesteuert wird. Nach der Theorie von Milankovitch variiert die Umlaufbahn der Erde um die Sonne mit einer mittleren Periode von 96.000 Jahren, die Neigung der Erdachse schwankt mit einem Zyklus von 40.000 Jahren zwischen 21,8 ° und 24,4 °. Das Datum von Perihel und Aphel (dem sonnennächsten bzw. sonnenfernsten Punkt) variiert mit der Periode 21.000 Jahre. Zur Zeit (Jahr 2002) ist Perihel am 03. Januar und Aphel am 3. Juli. Vor 9.000 Jahren war die Situation genau umgekehrt: Die Erdachse war um 24 ° geneigt, dadurch war die Sonneneinstrahlung auf der Nordhalbkugel im Juli 7 % höher als heute und im Januar 7 % niedriger. Diese Theorie erklärt aber nur langfristige Schwankungen wie den Wechsel von Warm- und Kälteperioden.

Eine weiter Erklärungsmöglichkeit für Klimaschwankungen ist der 11 Jahre dauernde Sonnenfleckenzyklus^[6]. Die Sonnestrahlung ist zwar relativ stabil und schwankt nur etwa 1 Promille zwischen Maximum und Minimum, jedoch bewirkten diese Sonnenflecken in der Vergangenheit bereits Schwankungen von 0,5 °C.

Auch Vulkanismus^[7] kann Klimaschwankungen bewirken, da Partikel und Gase, insbesondere SO2, in Stratosphäre gelangen, wo sie auf grund der relativ geringen vertikalen Luftbewegung in 20-25 km Höhe mehrere Jahre verweilen. Dadurch bildet sich ein Dunstschleier, der sich um die ganze Erde verteilt und einen Teil der Sonnenstrahlung reflektiert. Dies bewirkt eine Abkühlung in der Troposphäre und eine Erwärmung der Stratosphäre, und in Folge der veränderten Temperaturbedingungen zwangsläufig auch veränderte Niederschlags- und Bewölkungsverhältnisse. Die wahrscheinlich größte bekannte Eruption war die des Vulkans Toba in Nord-Sumatra vor ca. 71 000 Jahren. Vermutlich verursachte diese Eruption einen längeren „vulkanischen Winter“, bei dem die Weltmitteltemperatur über mehrere Jahre hinweg um ca. 3 bis 5 Grad zurückging^[8].

[...]

^[1] vgl. Budyko/Golitsyn/Izrael, S. 7/

^[2] vgl. hierzu hauptsächlich: http://www.g-o.de/geo-bin/frameset.pl?id=00001&frame1=titelgo.htm&frame2=menue04.htm&frame3=home04i.htm

^[3] vgl. hauptsächlich: http://www.rrz.uni-hamburg.de/Klima/cuadro3A1.html#Unser; http://www.uni-koeln.de/phil-fak/praehist/MPSeiten/Forschung.htm; http://www.geocities.com/Area51/Zone/1090/klima.htm

^[4] die folgende Darstellung bezieht sich auf die Nordhemisphäre, insbes. auf Europa. In globalem Maßstab haben die Temperaturen nie um mehr als 1°C geschwankt!

^[5] vgl. http://www.rrz.uni-hamburg.de/Klima/cuadro3A1.html#Unser

^[6] vgl. http://www.desy.de/fortbildung/vortraege/labitzke.htm

^[7] vgl. http://www.dwd.de/research/klis/ksb/ksb00/vulkanismus.pdf

^[8] weitere Beispiele finden sich in Budyko/Golitsyn/Izrael, S. 12ff