Theorien und Modelle zur Erklärung des Klimawandels

Inhalt

1 Einleitung

2 Theorien zu Erklärung des Klimawandels
2.1 Sonnenaktivität
2.1.1 Aufheizen der Troposphäre durch eine Zunahme der totalen Sonnenstrahlung
2.1.2 Beeinflussung der Stratosphärenchemie durch die Änderung der solaren UV-Strahlung
2.1.3 Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Wolkenbildung
2.1.4 Fazit zur Sonnenaktivität als Hauptantrieb zum aktuellen Klimawandel
2.2 Anthropogener Treibhauseffekt
2.3 Fazit zu Theorien zu Erklärung des Klimawandels

3 Modelle zur Erklärung des Klimawandels
3.1 Vorbetrachtung
3.2 Physikalische (deterministische) Modelle
3.2.1 Energiebilanzmodelle (EBM)
3.2.2 Strahlungskonvektionsmodelle (RCM)
3.2.3 Allgemeine Zirkulationsmodelle (GCM)
3.2.3.1 Atmosphärenmodell (AGCM)
3.2.3.2 Beispiel einer einfachen Form des Atmosphärensystems
3.2.3.3 Ozeanmodell (OGCM)
3.2.3.4 Atmosphären-Ozean-Modell (AOGCM)
3.2.3.5 Das Klimamodell ECHO-G
3.2.4 Erdsystem-Modelle mittlerer Komplexität (EMIC)
3.2.5 Räumliche Auflösung/Diskretisierung
3.2.6 Das GME (Global-Modell) des Deutschen Wetterdienstes
3.2.7 Zeitliche Auflösung/Diskretisierung
3.2.8 Downscaling
3.2.9 Beeinflussung der Modelle
3.2.9.1 Vulkanismus
3.2.9.2 Beispielmodell
3.3 Statistische Klimamodelle
3.3.1 Multiples lineares Regressionsmodell (MLR/MRM)
3.3.2 Neuronales Netzwerkmodell (NNM)
3.4 Probleme mit Klimamodellen
3.4.1 Zuverlässigkeit von Messwerten
3.4.2 Parametrisierung von Prozessen
3.4.3 Klimadrift und Flusskorrektur
3.4.5 Kaltstartproblem

Literatur

1 Einleitung

Der Klimawandel ist wohl eines der am meisten diskutierten Phänomene der jüngeren Vergangenheit. Die Wissenschaft ist sich nicht gänzlich darüber im Klaren, wie die Erhöhung der mittleren Globaltemperatur der letzten Jahrzehnte zu Stande kommt. Es werden verschiedene Theorien publiziert und diskutiert. In Modellexperimenten wird das vergangene Klima nachvollzogen und mögliche zukünftige Klimata werden errechnet. Die Berechnungen bilden zum Teil die Grundlage für politische Entscheidungen und sind daher von hoher gesellschaftlicher Bedeutung. Einige Modelle und die prägnantesten Klimaprojektionen werden in der vorliegenden Arbeit vorgestellt und erörtert.

2 Theorien zu Erklärung des Klimawandels

Zur Erklärung des Zustandekommens des Klimawandels herrscht in der Wissenschaftswelt keine Einigkeit. Theoretisch könnte jeder klimawirksame Faktor ausschlaggebend für die beobachtete, zum Teil ebenfalls angezweifelte, deutliche Temperaturerhöhung der letzten Jahrzehnte verantwortlich sein. Als wahrscheinlichste ‚Motoren’ des Klimawandels werden allgemein hin die Veränderung der Sonnenaktivität und die Erhöhung der atmosphärischen Treibhausgaskonzentration durch den Mensachen angesehen. Im folgenden soll nun diskutiert werden, ob eine der beiden ‚Motoren’ tatsächlich den Klimawandel erklären kann, ob der jeweilige allein als Urheber verantwortlich gemacht werden kann und wie weit die Ergebnisse der Forschung sind, um die jeweilige Theorie zu untermauern.

2.1 Sonnenaktivität

Immer wieder wurde in der Wissenschaftswelt diskutiert, welchen Einfluss die Sonnenaktivität auf die Änderung des Klimas auf der Erde hat. Drei möglicherweise entscheidende Sonnen-Klimainteraktionen können nach Solanki & Krivova (2003:1200) hierbei unterschieden werden:

- Das Aufheizen der Troposphäre durch eine Zunahme der totalen Sonnenstrahlung,
- die Beeinflussung der Stratosphärenchemie durch die Änderung der solaren UV-Strahlung und
- der Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Wolkenbildung.

2.1.1 Aufheizen der Troposphäre durch eine Zunahme der totalen Sonnenstrahlung

Variationen der totalen solaren Einstrahlung (TSI) haben Matthes (2003:72) zufolge direkten Einfluss auf die Troposphäre. Die Bestrahlungsstärke am – allerdings fiktiven – Oberrand der Erdatmosphäre liegt nach Walter (2001:9) bei ca. 1368 W/m² ± 5W/m², diese bezeichnet man als Solarkonstante. Mittlerweile konnte nachgewiesen werden, dass die Solarkonstante nicht konstant ist, sondern periodischen Schwankungen unterlegen ist, welche auf die Sonnenfleckenzyklen (vgl. 2.1.2) zurückgeführt werden.

Die Amplitude dieser Schwankungen liegt bei ungefähr 0,1%, was einer Temperaturveränderung von ungefähr 0,1 K entspricht (Carslaw et al 2002:1732) (siehe Abb.1). Aktuellen Veröffentlichungen zufolge setzt sich der in Abbildung 1 gezeigte Verlauf der gemessenen Werte für die TSI fort (Lee et al. 2004:2) (siehe Abb. 2). Lean et al (1998 zitiert in Cubasch 2002a:124) zeigen allerdings einen möglichen Trend von etwa 3 W/m² Zunahme der solaren Strahlung über einen Zeitraum von 200 Jahren, dieser würde ausreichen um eine Veränderung von +0,4K hervorzurufen (Cubasch 2002a:124).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Zusammengefasste TSI aus verschiedenen Satellitenmessungen.

Quelle: nach Fröhlich & Lanklin (2000:390)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Zusammengefasste TSI aus verschiedenen Satellitenmessungen.

Quelle: nach Lee et al. (2004:3)

Die Änderung der Solarkonstante scheint nur geringe Auswirkungen auf die mittlere globale Temperatur zu haben, so dass sie nicht allein für die zu verzeichnende Temperaturerhöhung verantwortlich gemacht werden kann. Im Vergleich hierzu haben laut (BMBF 2003:39) Veränderungen der Orbitalparameter, insbesondere der Erdbahn, größeren Einfluss auf die mittlere Temperatur. Diese Orbitalparameter, welche das Klima auf der Erde beeinflussen zu scheinen, sind die Exzentrität, die Nutation und die Präzession. Die Exzentrität bezeichnet hierbei die Veränderung der Bahn der Erde um die Sonne; sie kann von kreisförmig bis elliptisch sein. Nach etwa 100ka ist ein Zyklus abgeschlossen. Als Nutation bezeichnet man die Neigung der Erdachse (genauer gesagt die Neigung der Äquatorebene im Vergleich zur Erdbahn um die Sonne). Sie hat eine Periodendauer von rund 40ka und variiert zwischen 21,5° und 24°. Die Präzession, d.h. die Kreiselbewegung der Erdachse, hat eine Periode von 23ka, bzw. 19ka, welche durch das Anziehungskräftezusammenspiel von Sonne, Mond und anderen Planeten zustande kommt. Nutation und Präzession wirken sich nicht auf die Einstrahlungssumme aus, sondern nur auf die saisonale Verteilung. Die Zyklen zusammen nennt man Milankovic-Zyklen, nach Milutin Milankovic, der die Astronomische Theorie der Klimaschwankungen um 1920 quantifiziert hat (Storch et al. 1999:76-77).

Sie wird gemeinhin als Erklärung für die Endstehung von Glazialen und Interglazialen herangezogen. In der Tat lässt sich Clark et al. (1999:1104) zufolge anhand von Eisschilden auf der Nordhemisphäre der Erde das zyklische Schrumpfen und Wachsen verfolgen. Wunsch (2004:1012) gibt jedoch zu bedenken, dass aufgrund der wenigen pleistozänen Eiszeiten ihr Auftreten auch einem stochastischen Verhalten folgen könnte.

2.1.2 Beeinflussung der Stratosphärenchemie durch die Änderung der solaren UV-Strahlung

Variationen der solaren UV-Strahlung beeinflussen die obere Stratosphäre direkt. Die in der Stratosphäre vorhandenen Ozonmoleküle absorbieren die UV-Strahlung was zu einer Erwärmung der Stratosphäre führt, welche wiederum die Ozonproduktion beeinflusst.

Mehr Ozon in der Stratosphäre führt zu einer höheren Temperatur, da sich die kurzwellige Erwärmungsrate erhöht (Matthes 2003:73).

Eine erhöhte solare UV-Strahlung ist immer zu Zeiten erhöhter Sonnenaktivität anzutreffen. Erhöhte Sonnenaktivität geht mit vermehrtem Auftreten von Sonnenflecken einher. Man gibt die Zahl der Sonnenflecken durch die Sonnenfleckrelativzahl R an. Dabei gilt R=f+10 ·g, wobei f die Anzahl der Einzelflecken und g die Anzahl der Sonnenfleckengruppen ist.

Das Auftreten von Sonnenflecken unterliegt einem 11-jährigen Zyklus, dem so genannten Schwabe-Zyklus. Es scheinen noch weitere Zyklen eine Rolle zu spielen. Zu nennen wären hier der Shove-Zyklus (quasi-42-, bzw. quasi-50-jährig), Gleißberg-Zyklus (~88 Jahre), der de Vries- oder Seuss-Zyklus (~208 Jahre) und der Hallstadt-Zyklus (~2300 Jahre) (Muscheler 2000:86; Walter 2001:10). Nach Matthes (2003:47) können diese allerdings aufgrund fehlender Satellitendaten nicht als gänzlich gesichert angesehen werden, obgleich, wie Muscheler (2000:86) feststellt ein solarer Ursprung wahrscheinlich ist, da die Minima der Zyklen mit den beobachteten Minima der Sonnenaktivität (z.B. Maunder-Minimum und Dalton-Minimum) zusammenfallen (siehe Abb. 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Beobachtete Sonnenflecken der Zeit von 1600 bis 2000 ausgedrückt durch die Sonnenfleckrelativzahl.

Quelle: verändert nach Schmitt und Schüssler (2002)

Nicht nur in der oberen Stratosphäre, sondern auch in Bodennähe konnte eine positive Korrelation zwischen dem Sonnenfleckenzyklus und der gemittelten Temperatur nachgewiesen werden. Dabei beträgt der Unterschied zwischen Sonnenfleckmaximum und Sonnenfleckminimum, durch die Veränderung der solaren UV-Strahlung, etwa 1 K und könnte also eine Rolle bei der aktuellen Erwärmung spielen (Egorova et al. 2004:119; Matthes 2003:52). Wie die Erdatmosphäre jedoch auf kurzfristige, vorübergehende Änderungen der solaren UV-Strahlung reagiert, darüber können bislang keine gesicherten Aussagen gemacht werden, da langfristige Messungen der UV-Strahlung nicht vorliegen (Haberreiter et al. 2005:365). Das Auftreten der Sonnenflecken unterliegt jedoch den beschriebenen Zyklen und es ist kein Trend festzustellen, der auf ein vermehrtes Auftreten von Sonnenflecken schließen lässt (Walter 2001:11).

2.1.3 Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Wolkenbildung

Shaviv und Veizer (2003:4) fanden heraus, dass sich etwa 66% der Veränderungen der Paleotemperaturen durch Variationen der kosmischen Strahlung erklären lassen. Sie zeigen dabei folgende Argumentationskette auf. ‚Hellere Sonne’ (höhere Sonnenaktivität) ® erhöhter Wärmefluss und verstärkte Sonnenwinde ® veränderte kosmische Strahlung ® weniger Wolkenbildung in geringer Höhe ® weniger Albedo ® wärmeres Klima. Für eine geringere Sonnenaktivität gilt im Endeffekt eine Abkühlung.

Den Einfluss der stärkeren Sonnenaktivität und damit das Auftreten von Sonnenwinden mit auf eine Änderung der kosmischen Strahlung weisen unter Anderem Marsh & Svensmark (2000:2) nach. Die kosmische Strahlung sorgt in der Atmosphäre für eine stärkere Ionisation, es kommt zur Bildung von Wolken in geringer Höhe (etwa 15km) (Yu 2001:o.S.; Marsh & Svensmark 2000:2). Der zeitliche Zusammenhang zwischen Änderungen in der kosmischen Strahlung und der Bewölkung ist von mehreren Forschern für verschiedene Zeitskalen nachgewiesen worden (Todd & Kniveton 2001:32031; Svensmark & Friis-Christensen 1997:1225) (Wobei hier darauf hinzuweisen ist, dass dieser Zusammenhang von einigen Forschern angezweifelt wird, vergleiche Laut 2003:803). Die Bildung von Wolken beeinflusst den Strahlungshaushalt der Erde. Abhängig von der exakten Höhe und der optischen Dichte bewirkt Bewölkung eine Reflektion der kurzwelligen Solarstrahlung und behindert die langwellige Rückstrahlung. Die Variationen in der Bewölkung in geringer Höhe in den letzten 20 Jahren betrugen etwa 1,7%. Die Variationen stimmen mit einer Veränderung der Sonnenaktivität überein, welche einen Strahlungsantrieb von rund 1 Wm-² ausmachen; der geschätzte Strahlungsantrieb durch anthropogen in die Atmosphäre eingebrachtes CO2 liegt bei 1,46 Wm-² (IPCC 2001:351; Carslaw et al. 2002:1732). Die Änderung der kosmischen Strahlung durch erhöhte Sonnenaktivität könnte also eine Erklärung für den Klimawandel sein. Einen möglichen Nachweis für erhöhte Sonnenaktivität in den letzten Jahrzehnten liefern Usoskin et al. (2003:211101-1) – anhand von Untersuchungen mehrere Eisbohrkerne und Messungen des darin enthaltenen Beryllium-10. Berrylium-10 wird in der Atmosphäre durch Spallation von Stickstoff oder Sauerstoffatomen gebildet, dabei gilt, dass bei erhöhter kosmischer Strahlung mehr Beryllium-10 entsteht (MPG 2004:2). Es eignet sich gut als Indikator für Sonnenaktivität, da es eine sehr lange Halbwertszeit hat und nur etwa 1-2 Jahre in der Atmosphäre verbleibt, bis es von Niederschlägen aus der Atmosphäre gewaschen und in Eisschilden abgelagert wird (Haubold & Beer 2001:24).

2.1.4 Fazit zur Sonnenaktivität als Hauptantrieb zum aktuellen Klimawandel

Alle drei Hypothesen zum solaren Einfluss auf den zu verzeichnenden Temperaturanstieg sind äußerst umstritten. Untersuchungen zufolge scheint die Sonnenaktivität nur bis 1970 großen Anteil an der Temperaturentwicklung auf der Erde zu haben.

Die sich abzeichnende Temperaturerhöhung der letzten Jahrzehnte jedoch lässt sich offensichtlich nicht mehr mit einer erhöhten Sonnenaktivität begründen (Solanki & Krivova (2003:1200). Ein ähnliches Ergebnis wird auch durch Simulationen mit Modellen errechnet, hier wird dem Einfluss der Sonnenaktivität ein maximaler Beitrag von 0,2 K zum globalen mittleren Temperaturanstieg eingeräumt (Schönwiese 2003²:321-322).

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