mehr als die Beobachtungen (0,6 °C), zeigen müssen (Abb. 5: Verursacher des anthropogenen Klimawandels nach Modellanalysen des Temperaturanstiegs im Zeitraum 1951–2010 (eigene Darstellung nach IPCC 2014)
Diese Aerosole reflektieren das Sonnenlicht und kühlen den Globus. Dies ist der sog. direkte Aerosoleffekt, der bei Kenntnis der Aerosolart und deren Verteilung einigermaßen gut abgeschätzt werden kann. Darüber hinaus existiert aber auch noch ein sog. indirekter Aerosol-Effekt oder Twomey-Effekt. In diesem Fall agiert das Aerosol in Form eines Kondensationskeimes bei der Wolkenbildung. Je mehr Keime in einer Luftmasse enthalten sind, umso mehr Tröpfchen werden gebildet. Bei einem vorgegebenen Feuchtigkeitsgehalt bedeutet dies, dass sich der kondensierbare Wassergehalt auf mehr kleinere Tröpfchen verteilt. Diese haben eine größere Rückstreuwirkung als weniger größere Tröpfchen. Die entstehende Wolke ist deshalb weißer und führt zu einer stärkeren Kühlung. Die Unsicherheit der Wirkung der Aerosole ist allerdings hoch. Dennoch: Die Aussage der Abb. 5 ist insofern von großer Bedeutung, dass sie die Ursache des Temperaturanstiegs mit über 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit der menschlichen Tätigkeit zurechnet.
Wegen der vielfältigen Effekte, die ein Temperaturanstieg durch Klimagase in den anderen Klimakompartimenten auslösen kann, ist der Klimawandel nicht ausreichend durch den Strahlungseffekt der Klimagase allein beschrieben. Die Klimaforschung spricht von Rückkopplungen, die entweder positiv oder negativ sein können, je nachdem ob sie den Temperatureffekt der Klimagase verstärken oder schwächen. Die weitere Erhöhung der Temperatur aufgrund der Zunahme der Konzentration des Wasserdampfes ist eine positive, also den Klimawandel verstärkende Rückkopplung. Die begleitende Erhöhung der Wolkenhäufigkeit ist ambivalent: Sie ist positiv bezüglich der IR-Wirkung der Wolken und negativ bezüglich der UV-VIS-Rückstreuung. Das Schmelzen der Eisflächen reduziert die Rückstreukraft des Bodens und ist deshalb ebenfalls positiv usw. In Gänze ist die kombinierte Erwärmungswirkung von Klimagasen und Rückkopplungen deutlich größer als die durch die Klimagase allein. Die genauere Berechnung dieser Effekte oder auch nur deren Abschätzung erfordert eine extrem gute Kenntnis aller Klimakompartimente und erschwert die Klimamodellierung.
Zunahme der Klimagaskonzentrationen
Die längste Zeitreihe von direkten CO2-Konzentrationmessungen in der Atmosphäre stammt vom Mauno-Loa-Observatorium auf Hawaii in 3400 m Höhe. Sie wurde durch C. Keeling 1958 begonnen und gilt heute als die zuverlässigste Messreihe der Nordhemisphäre in Reinluft (
Die Signale eines Einflusses des Menschen auf das Klima sind aber nicht nur in der Konzentrationsentwicklung des CO2 erkennen. Spätestens seit Mitte des letzten Jahrhunderts hat der Mensch auch begonnen, die Zusammensetzung der Atmosphäre bezüglich anderer Spurengase zu ändern. Die Konzentrationen von Methan, Distickstoffoxid und bodennahem Ozon haben seither um 12, 20 und 25 % zugenommen. Die Ursachen sind die Emissionen aus Reisfeldern, Mülldeponien, Rindermägen, Feuchtgebieten und bei der Erdgasgewinnung (CH4), natürliche und landwirtschaftlich genutzte Böden (N2O) und die Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoff-Abgase aus dem Kfz-Verkehr (bodennahes O3). Hinzu kommen die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die bekanntlich das Ozonloch verursachten. Sie wurden als Aerosoltreibgase, Kälte- und Lösungsmittel weltweit verwendet und waren zuvor in der Atmosphäre nicht vorhanden. Die FCKW-Konzentration nahm in den letzten Dekaden des 20. Jahrhunderts stark zu; sie befindet sich aber im Abklingen, seit das Montrealer Protokoll 1989 in Kraft trat, um die Ozonschicht in der Stratosphäre zu schützen.
Wie stark die einzelnen Treibhausgase im Klimasystem der Erde wirken, hängt davon ab, welche physikalisch-chemischen Strahlungseigenschaften sie jeweils haben und wie hoch ihre Konzentration und Lebensdauer in der Atmosphäre sind. Je länger ein Treibhausgas sich in der Atmosphäre aufhält umso länger ist auch der Zeitraum, über den es seine Klimawirkung entfalten kann. Dies gilt für Kohlendioxid mit einer Lebensdauer von ca. 120 Jahren, Distickstoffoxid (114 Jahre) und die FCKW (65 bzw. 120 Jahre). Methan dagegen hat eine relativ kurze Lebensdauer von nur zehn Jahren. Die Erwärmungswirkung eines Klimagases über einen bestimmten Zeitraum wird durch den sog. GWP-Wert (Greenhouse Warming Potential) beschrieben. Die Menge eines Treibhausgases mit dem GWP-Wert gewichtet ergibt dann die sog. CO2-Äquivalent-Menge (CO2)e. Sie ist eine Maßeinheit, die die Klimaeffekte aller Klimagase zusammenfasst und damit den Einfluss verschiedener Sektoren (Energieerzeugung, Mobilität, Land- und Viehwirtschaft) gleichzeitig auf das Klima abbildet.
Abb. 6: Zeitreihen der atmosphärischen CO2-Konzentrationen seit 1960 (oben) bzw. seit 2015 (unten) als Monatsmittelwert (Quelle: NOAA Global Monitoring Project 2021). Die Konzentrationen sind angegeben als Mischungsverhältnisse in ppm (parts per million).
Die derzeitige weltweite CO2-Emission aus fossilen Quellen (Kohle, Öl, Gas und Zementproduktion) beträgt gut 36 Gt pro Jahr (
Abb. 7: Entwicklung der globalen CO2-Emissionen aus fossilen Quellen seit 1990 (Quelle: Global Carbon Project).
Für Deutschland beträgt die (CO2)e-Emission seit vielen Jahren fast unverändert ca. 0,85 Gt, also gut zehn Tonnen pro Kopf pro Jahr (
Abb. 8: Entwicklung der Treibhausgas-Emissionen in Deutschland seit 1990 in Mio. t CO2-Äquivalenten (Quelle: eigene Darstellung nach Umweltbundesamt 2020).
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