Von den 43 Mrd. Tonnen CO2 (1 Mrd. t = 1 Gigatonne, Gt), die jährlich global anthropogen emittiert werden, werden etwa 23 % in den Ozeanen gespeichert. Insgesamt sind die Ozeane die Giganten unter den Kohlenstoffreservoiren der Erde. Die Speicherung von CO2 in den Ozeanen verringert einerseits die atmosphärische Erwärmung durch den CO2-Anstieg. Durch Reaktion des gelösten CO2 mit dem Wasser werden aber neben den Hydrogencarbonat-Ionen auch Wasserstoff-Ionen (Protonen, H+) gebildet, die das Wasser versauern und den pH-Wert senken. Ein saurer werdender Ozean aber behindert die Biomineralisation von Korallen und führt zu deren Absterben. Auch die Aufnahmefähigkeit der Ozeane für künftiges CO2 wird mit wachsender Versauerung verringert.
Wasser existiert auf der Erde auch in Form von Schnee und Eis. Bezüglich der einfallenden Sonnenstrahlung haben eis- und schneebedeckte Oberflächen eine kühlende Wirkung, da sie die Solarstrahlung viel stärker als dunklere Oberflächen reflektieren und damit die Bodenerwärmung verringern. Schwindende Eisflächen – wie im Nordpolarbereich – verringern diesen Effekt und heizen die Erwärmung weiter an. Anthropogene Veränderungen der Eisflächen, z. B. durch die Ablagerung von Rußteilchen, verstärken diesen Effekt weiter. Dies gilt z. B. für einige der großen Eisflächen der Himalaya-Gletscher, die durch die verschmutzte, rußhaltige Luft aus Nordindien verändert werden.
Die Landbiosphäre ist genau wie die Ozeane eine Senke für atmosphärisches CO2. Der jährliche natürliche CO2-Austausch zwischen stehender Biomasse und der Atmosphäre durch Photosynthese einerseits und Veratmung andererseits ist mit ca. 450 Gt CO2 einer der größten Kohlenstoffkreisläufe der Erde. Nur etwa 12,5 Gt CO2 – oder 31 % der anthropogenen CO2-Emission in 2019 – bleiben allerdings längerfristig in Stamm und Wurzelwerk gespeichert (
Anthropogene CO2-Emissionen entstehen auch durch Änderung der Landnutzung. Während die Umwandlung von Waldgebieten in Ackerland in Europa und Nordamerika ursprünglich die Hauptquelle der CO2-Emissionen war, hat sich die Ackerfläche hier in den letzten Jahrzehnten kaum noch ausgeweitet, und ist – teilweise auch durch Wiederaufforstung – zurückgegangen. Dafür hat die Abholzung der tropischen Regenwälder zugenommen. Sie hat mit 14 % oder 5,7 Gt CO2 pro Jahr in der letzten Dekade zu den anthropogenen Emissionen beigetragen. Die Emissionen aus Abholzung sind absolut leicht gewachsen, aufgrund des stärkeren Zuwachses der CO2-Emissionen aus anderen Quellen ist ihr Anteil aber gesunken. In den 60er-Jahren z. B. betrug der Anteil noch 39 %.
Abb. 3: Quellen und Senken des anthropogen produzierten CO2 (Quelle: eigene Darstellung nach The Global Carbon Project 2020).
Strahlung in der Atmosphäre und der Treibhauseffekt
Die Erde wird von der Sonne (UV-VIS Strahlung) erwärmt und durch die Abstrahlung von Wärme (IR-Strahlung) in den Weltraum gekühlt. Energetisch gesehen müssen beide Prozesse gleich sein, denn sonst könnte die Temperatur auf der Erde längerfristig nicht konstant sein. An diesem Austausch nimmt aber nicht nur die Erdoberfläche, sondern auch die Atmosphäre aufgrund des Treibhauseffektes teil. Der Treibhauseffekt wird erzeugt durch sog. Klimagase wie H2O, CO2, N2O, Ozon, FCKW u. a., die die terrestrische Wärmestrahlung, die eigentlich den Globus kühlt, in der Atmosphäre zurückzuhalten und teilweise zurückzustrahlen. Dafür verantwortlich ist eine besondere Eigenschaft der Moleküle der Klimagase: Ihre inneren Bewegungen (Schwingungen und Rotationen) können durch IR-Strahlung angeregt werden, sodass diese Strahlung aufgenommen und der terrestrischen Wärmestrahlung entzogen wird. Umgekehrt können solche Moleküle die absorbierte Strahlung aber auch wieder abgeben. Die Hauptgase der Atmosphäre, Stickstoff und Sauerstoff, haben diese Eigenschaft nicht und sind deshalb keine Treibhausgase. Die Rückstrahlung von Wärme durch die Klimagase verstärkt den Energiefluss in Richtung Boden und erhöht dessen Temperatur (
Die Sonne strahlt außerhalb der Atmosphäre mit einer in etwa konstanten Strahlungsleistung von 340 W/m2. Auf einer (hypothetischen) Erde ohne Klimagase würde dies zu einer absorbierten Leistung in der Atmosphäre und am Boden von 161+79 = 240 W/m2 führen. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz für die Beziehung zwischen Strahlungsleistung und Temperatur (L = σ·T4), entspricht diese Leistung einer Temperatur von 255 K, also –18 °C. Die tatsächliche mittlere Temperatur des Erdbodens ist aber 288 K oder +15 °C. Den Temperaturunterschied zwischen –18 °C und +15 °C, also 33 °C, verursacht der »natürliche« Treibhauseffekt. Der Treibhauseffekt ist deshalb ein Segen für die Erde und die Menschheit. »Natürlich« nennt man ihn deshalb, weil die verursachenden Treibhausgase auch in der ungestörten Atmosphäre bereits vorhanden sind. Das bei weitem stärkste Treibhausgas ist der Wasserdampf; danach folgen Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Ozon (O3) und Distickstoffoxid (N2O).
Die Treibhausgase verhindern, dass Wärmestrahlung vom Boden direkt in den Weltraum entweicht. Ab einer bestimmten Höhe wird die Konzentration der Treibhausgase aber so klein, dass sie die aus niederen Schichten kommende IR-Strahlung nicht mehr absorbieren können und diese ungehindert ins Weltall entweicht. Diese Höhe nennt man die effektive Strahlungshöhe der terrestrischen Abstrahlung. Sie beträgt etwa 5 km. Auf dieser Höhe beträgt die Durchschnittstemperatur der Atmosphäre tatsächlich die nach Stefan-Boltzmann für eine Strahlung von 240 W/m2 berechneten –18 °C. Die Erde sieht von außen – per Satellit im IR-Bereich betrachtet – wie ein strahlender Körper eben dieser Temperatur aus. Wenn die Konzentration der Treibhausgase zunimmt, so wandert die effektiv strahlende Schicht zu größeren Höhen, wo es kälter ist und weniger Energie abgestrahlt wird. Um dieses Defizit wieder auszugleichen, muss die Bodentemperatur weiter ansteigen. Dies passiert beim anthropogenen Treibhauseffekt. Wie wir heute wissen, kann der Treibhauseffekt dadurch auch zum Fluch werden, dann nämlich, wenn wir menschengemachte Treibhausgase wie CO2, CH4, N2O oder FCKW ungebremst in die Atmosphäre entlassen und damit deren Temperatur und die des Bodens weiter erhöhen. Dieser sog. anthropogene Treibhauseffekt produziert derzeit eine zusätzliche Strahlungsleistung von etwa 3 W/m2. Dies ist nur gut 1 % der gesamten Strahlungsleistung, allerdings ist die dadurch verursachte Temperaturerhöhung dennoch besorgniserregend.
Abb. 4: Solare und terrestrische Strahlungsflüsse in der Atmosphäre (Quelle: IPCC 2014 und Wild et al. 2018). Helle Pfeile sind solare UV-VIS-Flüsse, dunkle Pfeile sind IR-Flüsse. TOA = Top of Atmosphere. In der Klimaforschung wird die Strahlungsleistung in der Atmosphäre auch als Strahlungsantrieb (Radiative Forcing, RF) bezeichnet.
Dass ein anthropogener Treibhauseffekt existiert und die Temperaturerhöhung anthropogen verursacht ist, wird immer noch von einigen Klimaskeptikern bezweifelt. Allerdings ist allein auf der Basis eines einfachen Strahlungsgleichgewichtsmodells eine bodennahe mittlere Temperatur von +18 °C ein Beweis dafür. Ein unabhängiger Beleg kommt aus der Beobachtung der mittleren Temperatur der unteren Stratosphäre in etwa 15 km Höhe. Diese nimmt seit einigen Jahrzehnten stetig ab, was ebenfalls mit dem Treibhauseffekt erklärbar ist. Kohlendioxid ist in diesem Teil der Atmosphäre aufgrund seiner starken IR-Emission das bedeutendste kühlende Gas. Wenn seine Konzentration steigt, nimmt die Abkühlung zu und die Temperatur wird kleiner.
Eine wesentliche Aufgabe der Klimamodellierung der vorangehenden Jahre war, die beobachtete Temperaturzunahme den eigentlichen Verursachern zuzuordnen. Dies dient insbesondere der Erkenntnis, ob der Klimawandel tatsächlich vom Menschen verursacht ist oder ggf.
