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Lexikon der Geowissenschaften: Anthropogene Klimabeeinflussung

Anthropogene Klimabeeinflussung

Christian-Dietrich Schönwiese, Frankfurt/Main

Das Problem merklicher menschlicher Einflüsse auf seine Umwelt und somit auch auf das Klima ist ungefähr seit der neolithischen Revolution von Interesse, d.h. seit dem Seßhaft-Werden des Menschen und somit dem Übergang von seiner Tätigkeit als Jäger und Sammler zu Landwirtschaft und Viehzucht, je nach Region seit einigen Jahrtausenden v.Chr. Die konkrete Frage lautet, wie stark die Eingriffe des Menschen von damals bis heute das Klimageschehen beeinflußten und wie die daraus resultierenden Effekte, im Gegensatz zu den natürlichen Klimaänderungen (Klimageschichte), zu bewerten sind. Prinzipiell kann der Mensch durch folgende Aktivitäten klimawirksam werden: Veränderungen der Erdoberfläche durch Waldrodungen, Agrarwirtschaft, Weidewirtschaft und Bebauung; Abwärme-Erzeugung durch Heizung, Industrieanlagen, Verkehrswege u.ä.; Eingriffe in den Wasserhaushalt durch Ableitung von Nutzwasser, Trockenlegung von Sumpfgebieten, künstliche Bewässerung u.ä.; Emissionen (anthropogene Emissionen) von Stoffen unterschiedlicher Art in die Atmosphäre, insbesondere von Aerosolen und Gasen (Spurengase). Klimarelevant sind diese Aktivitäten insofern, als sie die Erdoberflächeneigenschaften (z.B. Albedo und Wärmekapazität bzw. Wärmeleitung des Bodens, Rauhigkeit der Erdoberfläche) sowie die Stoff- und Energieflüsse zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre ändern, einschließlich der dadurch eintretenden Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre. Dies beeinflußt wiederum die Mechanismen des Strahlungshaushaltes und der Wärmeflüsse an der Erdoberfläche. Dadurch kann sich die Lufttemperatur, über die Mittlerrolle in der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation und durch die Zirkulation in den Ozeanen aber stets auch das Verhalten aller Klimaelemente ändern.

Quantifizierung anthropogener Einflüsse

Eine Quantifizierung solcher anthropogenen Klimafaktoren, zunächst ohne Wechselwirkung, ist durch die Abschätzung der dadurch bewirkten Störung des mittleren Strahlungshaushaltes der Atmosphäre möglich, meist global zusammengefaßt in Form der Strahlungsantriebe. Auch wenn diese Störungen gegenüber den mittleren Strahlungsflüssen relativ klein sind, können sie doch erhebliche Klimaänderungen hervorrufen, wie mit Hilfe einfacher bis hochkomplizierter Klimamodelle, die ggf. auch Rückkopplungen enthalten, abgeschätzt wird. Einfach sind z.B. Energiebilanz-Modelle bzw. statistisch-empirische Klimamodelle, die i.a. nur die großräumigen bodennahen Temperaturänderungen simulieren können, hochkompliziert sind die dreidimensionalen gekoppelten Zirkulationsmodelle von Atmosphäre und Ozean zur Simulation aller relevanten Klimaelemente. Die so simulierten Effekte von einzelnen, in diesem Fall anthropogenen Ursachen von Klimaänderungen, heißen Klimasignale. Sie lassen sich mehr oder weniger stark von der Gesamtvariabilität des Klimageschehens, dem Klimarauschen, unterscheiden.

Geschichte der anthropogenen Klimabeeinflussung

Die anthropogenen Klimabeeinflussungen waren in historischer Zeit gegenüber den natürlichen Klimaänderungen zunächst relativ gering und stets regional. Dabei werden der Ausbreitung der Pflug-Landwirtschaft, nach der neolithischen Revolution zwischen ca. 3000 und 0 v.Chr., überwiegend von Mesopotamien aus in Richtung Europa und Südostasien kaum nachweisbare Effekte zugeschrieben. Den großräumigen Waldrodungen, z.B. des Mittelmeerraums in der Römerzeit, oder in Mitteleuropa zwischen etwa 800 und 1400 n.Chr. sowie in Nordamerika zwischen 1600 und 1900 n.Chr., schon größere Auswirkungen, ohne daß sie sich allerdings genau quantifizieren lassen. Ein weiterer Meilenstein der anthropogenen Klimabeeinflussung war die Entwicklung des Stadtklimas, das sich vom Umlandklima deutlich unterscheidet und in seinen Effekten sehr genau untersucht ist. Bereits Waldrodungen aber haben außer regionalen auch globale Effekte: Da Wald wie jede Vegetation durch Assimilation der Erdatmosphäre Kohlendioxid (CO2) entnimmt, kommt es dabei auf indirektem Weg zu einer Anreicherung der Atmosphäre mit diesem Spurengas. Da CO2 eine lange atmosphärische Verweilzeit besitzt, kann es sich weltweit ausbreiten (was i.a. ab Verweilzeiten von ca. 2-3 Jahren geschieht) und somit global den natürlichen Treibhauseffekt verstärken. Dieser zusätzliche anthropogene Treibhauseffekt wird seit dem Industriezeitalter ( Abb. 1 ) in zunehmendem Maß von der steigenden Weltprimärenergie und der sich daraus ergebenden Folgen dominiert, soweit es sich dabei um Energie aus fossilen Brennstoffen handelt (Kohle, Erdöl, Erdgas)(Schadstoffausbreitung). Der Anteil dieser Energieträger an der Gesamtprimärenergienutzung liegt, bezogen auf alle Industrieländer, bei etwa 90%, weltweit bei etwa 80%. Hinzu kommen noch die anthropogenen Emissionen aus dem landwirtschaftlichen und industriellen Bereich, so daß nicht nur CO2, sondern auch Methan, die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Distickstoffoxid (Stickoxide), Ozon in der unteren Atmosphäre und indirekte Emission über bestimmte Vorläufersubstanzen wie Stickoxide im Zusammenhang mit der anthropogenen Klimabeeinflussung diskutiert werden ( Tab. 1 ). Eine erste Übersicht der Klimarelevanz dieser Vorgänge, und zwar für das globale Klima, liefern die bereits genannten Strahlungsantriebe ( Tab. 2 ), und zwar der Vergleich der anthropogenen und natürlichen Komponenten, insbesondere der durch Vulkanismus oder Sonnenaktivität (solare Aktivität) hervorgerufenen Klimaänderungen. Für rein zirkulationsbedingte Vorgänge wie z.B. ENSO und Nordatlantik-Oszillation lassen sich solche Antriebe nicht definieren, wohl aber die betreffenden Effekte mit Hilfe von Klimamodellen simulieren. Aus solchen Betrachtungen und Berechnungen ist erkennbar, daß in den letzten rund 150 Jahren, die sich in etwa mit dem Industriezeitalter decken, der Strahlungsantrieb des anthropogenen Treibhauseffekts bei global mittelnder Betrachtung bereits dominiert. Dies gilt auch gegenüber dem erst in den letzten Jahren in Modellrechnungen zur anthropogenen Klimabeeinflussung berücksichtigten anthropogenen Sulfateffekt. Dabei wird dem aus der anthropogenen Emission von Schwefeldioxid stammenden Sulfat (SO42-) (Sulfataerosol), im Gegensatz zu den Treibhausgasen ein negativer Strahlungsantrieb und somit ein Abkühlungseffekt zugerechnet. Begründet wird dieser Effekt durch eine verstärkte Streuung der Sonneneinstrahlung. Verschiedene globale Klimamodellrechnungen der letzten Jahre lassen mit hoher Wahrscheinlichkeit darauf schließen, daß der in der Weltmitteltemperatur beobachtete Erwärmungstrend seit etwa 1850 wahrscheinlich weitgehend anthropogen verursacht ist. Den Treibhausgasen allein wird sogar eine Erwärmung von rund 1ºC beigemessen, wobei sich diese allerdings durch den ebenfalls anthropogenen Sulfateffekt verringert, auf den tatsächlich beobachteten Trend von etwa 0,6 ºC. Alle anderen Einflüsse, insbesondere die natürlichen, scheinen hingegen nur Fluktuationen um diesen vermutlich anthropogenen Erwärmungstrend herum verursacht zu haben. Nur der solaren Aktivität wird neben ihrer fluktuativen Wirkung möglicherweise auch ein gewisser Erwärmungstrend (bis zu 0,2 ºC seit 1850) zugeschrieben. Die Vulkanismus-Klimaeffekte, wobei hier nur die explosiven, mit ihrem Auswurfmaterial die Stratosphäre erreichenden Vulkanausbrüche von Bedeutung sind, wie z.B. Tambora (1815), Krakatau (1883), El Chichón (1982) und Pinatubo (1991), haben nur episodische Klimaauswirkungen. Wichtig sind dabei wiederum die Sulfatpartikel, die in diesem Fall aus schwefelhaltigen Gasen entstehen (Gas-Partikel-Umwandlungen) und im Mittel 1-3 Jahre nach solchen Ausbrüchen simultan die Stratosphäre erwärmen (durch Absorption von Sonnenstrahlung) und die untere Atmosphäre abkühlen. Für den Pinatubo-Ausbruch, der in unserem Jahrhundert zu den klimawirksamsten Effekten gehört, sind die entsprechenden Strahlungsantriebe recht genau bekannt. Im Gegensatz zu diesen natürlichen Auswirkungen von atmosphärischen Konzentrationsvariationen der Aerosole sind die entsprechenden anthropogenen Effekte zumindest quantitativ sehr unsicher, da es sich dabei nicht nur um Sulfat und Ruß, sondern viele weitere Partikelarten handelt und die Konzentrationen wegen der relativ kurzen Verweilzeiten in der unteren Atmosphäre regional sehr unterschiedlich sind.

Anthropogene Klimabeeinflussungen betreffen keinesfalls nur die Temperatur, sondern prinzipiell alle Klimaelemente. Solche Gesamtklima-Effekte können nur mit Hilfe von aufwendigen dreidimensionalen Zirkulationsmodellen (Klimamodellen) simuliert werden. Leider sind aber die Modellergebnisse, beispielsweise bei Niederschlag und Wind, die hinsichtlich ihrer Auswirkungen oft viel bedeutsamer als die Temperatur sind, weitaus unzuverlässiger als bei der Temperatur. Dies gilt generell auch für alle regional-jahreszeitlich differenzierten Ergebnisse und insbesondere für Extremereignisse. Dabei können auch bei den modellierten Klimasignalen trotz global gemittelter Erwärmung regional-jahreszeitlich auch Abkühlungen auftreten und umgekehrt. Alle Modellsimulationen zum anthropogenen Treibhauseffekt beinhalten außerdem einen Anstieg der global gemittelten Höhe des Meeresspiegels, der zum überwiegenden Teil auf die thermische Expansion der oberen Schichten des Ozeans zurückzuführen ist und erst in zweiter Linie auf das Rückschmelzen außerpolarer Gebirgsgletscher wie z.B. in den Alpen. Zumindest vom antarktischen Polareis wird dagegen angenommen, daß es wegen der dortigen Niederschlagszunahme wächst und somit – wenn auch gering – dem anthropogenen Meeresspiegelanstieg entgegenwirkt.

Zukünftige Entwicklung der anthropogenen Klimabeeinflussung

Nach Klimamodellvorhersagen zum anthropogenen Treibhauseffekt sind die folgenden Veränderungen zu erwarten: Erwärmung der unteren Atmosphäre (Maxima vermutlich im subarktischen Winter) Abkühlung der Stratosphäre (mit Begünstigung des dortigen Ozonabbaus) Niederschlagsumverteilung (z.B. Mittelmeerraum generell trockener, Mitteleuropa im Sommer trockener, im Winter feuchter, Polargebiete feuchter), Meeresspiegelanstieg, häufigere Extremereignisse (Dürre, Starkniederschläge, Überschwemmungen, Wirbelstürme). Was die globalen Temperatureffekte in der Zukunft betrifft, so sprechen die (transienten) Modellsimulationen ( Abb. 2 ) dafür, daß bis zum Jahr 2100 gegenüber 1990 bei Trendfortschreibung der anthropogenen Emissionen ein weiterer Temperaturanstieg aufgrund der Treibhausgase von ca. 1,5-3,5 ºC, bei Einbezug der Sulfataerosole um 1,5-3ºC zu erwarten ist. Dies ist viel im Vergleich mit den entsprechenden natürlichen Variationen des Holozäns, die in den letzten 10.000 Jahren ein Schwankungsausmaß von etwa 1ºC um den Mittelwert (von ca. 15 ºC) nicht verlassen haben (im globalen und vieljährigen Mittel; Klimageschichte). Die entsprechenden Erwartungswerte für den global gemittelten Meeresspiegel-Anstieg lauten ca. 20-100 cm ohne und 20-80 cm mit Sulfataerosoleffekt. Beim Niederschlag werden neben einer Beschleunigung des weltweiten hydrologischen Zyklus (mehr Verdunstung und mehr Niederschlag) erhebliche regionale Umverteilungen erwartet, z.B. generell weniger Niederschlag im Mittelmeergebiet, generell mehr in Skandinavien und dem Polargebiet, in Mitteleuropa mehr Winter- und weniger Sommerniederschlag (mit bemerkenswerten Parallelen in den beobachteten Klimatrends). Ob das Wetter- bzw. Witterungsverhalten in diesem Zusammenhang allgemein extremer wird, ist umstritten, aber regional möglich. Die in Klimamodellrechnungen neuerdings auftauchende Reaktion eines kälter werdenden Nordatlantiks (Veränderung des Golfstromes), und zwar ein Umschlagen von einer Erwärmung in eine Abkühlung aufgrund des anthropogenen Treibhauseffekts, wird zumindest für die kommenden 100 Jahre als unwahrscheinlich angesehen, weil dies einen Anstieg der Treibhausgase in ihrer atmosphärischen Konzentration um mindestens den Faktor 3 voraussetzt, ein Wert, der in den anthropogenen Treibhausgas-Szenarien nur bei ungebremster Trendfortschreibung der anthropogenen Emissionen, hoher Schätzung (im Rahmen der Unsicherheiten) und Betrachtung der äquivalenten CO2-Konzentration (d.h. additiver Einrechnung der weiteren Treibhausgasanstiege in die CO2-Werte) bis zum Jahr 2100 als erreichbar gilt. Trotzdem beinhalten die Modellrechnungen und Interpretationen so viele, wenn auch vorwiegend quantitative, Unsicherheiten, daß Überraschungen nicht ausgeschlossen werden können.

Wie bei allen Risiken gilt auch bei diesem Klimarisiko, daß die Verantwortung gegenüber den kommenden Generationen Maßnahmen trotz Unsicherheiten gebietet. Diesem Ziel dient, allerdings in zunächst wenig verbindlicher Form, die Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen, die in der jährlichen Reihe (seit 1995) der betreffenden Vertragsstaatenkonferenzen konkretisiert werden soll. Bisher ist ein Ziel die anthropogenen Treibhausgasemissionen der Industrieländer, nach sehr unterschiedlichen Ländervorgaben, um insgesamt 5,2% gegenüber 1990 bis zum Jahr 2008-2012 zu reduzieren (3. Vertragsstaatenkonferenz, Kyoto, 1997). Klimatologen fordern allein beim CO2 eine Reduktion um 60% bis zur Mitte des kommenden Jahrhunderts.

Literatur: [1] HOUGHTON, J. et al. (1996): Climate Change 1995 (Second Assessment Report of the Untergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Univ. Press. – Cambridge. [2] HOUGHTON, J. (1997): Globale Erwärmung. – Berlin. [3] SCHÖNWIESE, C.-D. (1995): Klimaänderungen – Daten, Analysen, Prognosen. [4] GEHR, P. et al. (Hrsg.)(1997): CO2, eine Herausforderung für die Menschheit. – Berlin. [5] LOZÁN, J.L., GRASSL, H., HUPFER, P. (Hrsg.)(1998): Warnsignal Klima. Wissenschaftl. Auswertungen + GEO. – Hamburg. [6] BRAUCH, H.G. (Hrsg.) (1996): Klimapolitik. – Berlin. [7] GOUDIE, A. (1994): Mensch und Umwelt. – Heidelberg.


anthropogene Klimabeeinflussung 1: Anstieg der Weltbevölkerung (durchgezogene Linie) und der Weltprimärenergienutzung (gestrichelte Linie) seit 1900 (SKE = Steinkohleeinheiten). anthropogene Klimabeeinflussung 1:

anthropogene Klimabeeinflussung 2: Simulation der regional differenzierten Temperaturreaktion 1880/89 bis 2040/49 aufgrund des anthropogenen Treibhauseffektes allein (oben) und kombiniert mit der Wirkung des anthropogenen Sulfateffekts (unten). anthropogene Klimabeeinflussung 2:

anthropogene Klimabeeinflussung (Tab. 1): Übersicht über die wichtigsten klimarelevanten Spurengase, deren atmosphärische Konzentration durch anthropogene Aktivitäten angestiegen ist: CO2 (Kohlendioxid), CH4 (Methan), FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe), N2O (Distickstoffoxid) hier nur bodennah, H2O (Wasserdampf). anthropogene Klimabeeinflussung (Tab. 1):

anthropogene Klimabeeinflussung (Tab. 2): Strahlungsantriebe anthropogener und natürlicher Klimafaktoren seit ca. 1850 (global und untere Atmosphäre) und mit Hilfe statistischer Klimamodellrechnungen (neuronale Netze) geschätzte zugehörige Klimasignale in der bodennahen Weltmitteltemperatur 1866-1994. anthropogene Klimabeeinflussung (Tab. 2):

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