Ein Atomkrieg zwischen den USA und der Sowjetunion, so wiesen einige internationale Wissenschaftlerteams schon in den 1980er Jahren nach, könnte einen nuklearen Winter heraufbeschwören. Bomben, über Städten und Industriegebieten abgeworfen, würden Unmengen von Rauch und Staub erzeugen, der in die Atmosphäre aufsteigt und sich dort weltweit verteilt. In der Folge gelangt immer weniger Sonnenlicht auf die Erde: Es wird kälter, dunkler und trockener. Im Sommer herrschen Temperaturen wie sonst nur im Winter. Und die Folgen für Landwirtschaft und Nahrungsmittelversorgung wären katastrophal.

Doch nicht nur ein Krieg zwischen Supermächten kann ein solches Schreckensszenario hervorbringen. Wie unsere Studien zeigen, könnte es auch von kleineren, regional begrenzten Atomkriegen ausgelöst werden. Schon die Folgen eines Konflikts zwischen Indien und Pakistan, bei dem 100 Atombomben über Städten und Industriegebieten zum Einsatz kämen, wären für die ganze Welt fatal. Die Explosionen und ihre Folgewirkungen würden so viel Rauch in die Atmosphäre befördern, dass global die Landwirtschaft lahmgelegt wäre. Selbst in Ländern fern des Konfliktgebiets würde dies unzählige Menschenleben fordern.

Mit Computersimulationen und Klimamodellen konnten wir und unsere Kollegen bereits 2010 nicht nur zeigen, dass die in den 1980er Jahren entwickelten Vorstellungen korrekt waren. Wir stellten darüber hinaus fest, dass die prognostizierten Auswirkungen eines nuklearen Konflikts noch weitaus länger spürbar wären als ursprünglich gedacht – nämlich mindestens zehn Jahre lang. In unsere Berechnungen bezogen wir die Ozeane und die gesamte Atmosphäre ein und betrachteten ihre Entwicklung während eines simulierten Zeitraums von mehreren Jahrzehnten. Dabei wurde klar, dass der Rauch infolge der Sonneneinstrahlung hoch in die obere Atmosphäre steigen und dort über Jahre verbleiben würde.

Von Indien und Pakistan, die zusammen schätzungsweise mehr als 300 Atomwaffen besitzen, geht aktuell die größte Gefahr für einen regionalen nuklearen Konflikt aus. Neben den Vereinigten Staaten und Russland (mit jeweils tausenden Atomwaffen) verfügen auch andere Länder über ein beträchtliches nukleares Arsenal. China, Frankreich und Großbritannien besitzen jeweils Hunderte von Atomsprengköpfen, Israel rund 90 und Nordkorea etwa 30. Iran steht im Verdacht, an der Entwicklung eigener Atomwaffen zu arbeiten.

Diese Ausgangslage nahmen einer von uns (Toon) und später Rich Turco von der University of California in Los Angeles, die beide bereits an den Untersuchungen der 1980er Jahre beteiligt waren, zum Anlass, um die Auswirkungen eines regionalen Atomkriegs auf die globale Umwelt abzuschätzen. Als Testfall diente eine Auseinandersetzung zwischen Indien und Pakistan. Damals arbeiteten sie mit Schätzungen, wonach Indien 50 bis 60 einsatzbereite Sprengköpfe besitzt und Pakistan 60 (inzwischen gehen Expertinnen und Experten von der dreifachen Menge aus). Zudem ließen Nuklearwaffentests darauf schließen, dass die Sprengköpfe eine ähnliche Sprengkraft besitzen wie die Hiroschima- Bombe, nämlich 15 Kilotonnen TNT.

Welche Auswirkungen haben 100 abgefeuerte Atombomben?

Gemeinsam mit Charles Bardeen, der inzwischen am National Center for Atmospheric Research in Boulder forscht, berechneten Toon und Turco, was geschehen würde, wenn 50 Bomben von der Sprengkraft der Hiroschima-Bombe über den am dichtesten besiedelten Gebieten Pakistans abgeworfen würden und zugleich 50 ähnlich starke Bomben auf entsprechende Regionen Indiens fielen.

Was der Einsatz von Atomwaffen in künftigen Kriegen bedeuten würde, sollten politische Entscheidungsträger ebenso wie Wähler wissen. Nach den Berechnungen von Toon und Turco könnten bei einem Atomkrieg zwischen Indien und Pakistan mehr als 20 Millionen Menschen unmittelbar an den Folgen der Explosionen, der Brände und der Radioaktivität sterben – eine unvorstellbare Zahl von Opfern. Doch dabei bliebe es nicht.

Die Forscher nahmen an, dass bei Feuersbrünsten in den Metropolen jeweils dieselbe Fläche verbrennen würde wie in Hiroschima. Auf Basis verschiedener Studien, bei denen die Menge an brennbarem Material pro Person ermittelt wurde, errechneten Toon und Turco, dass die in Pakistan explodierenden 50 Bomben drei Teragramm Rauch, also drei Millionen Tonnen, und die in Indien gezündeten 50 Bomben sogar vier Teragramm Rauch erzeugen würden. Rauch wiederum kann über die Troposphäre hinaus, die breitenabhängig eine Höhe von etwa 8 bis 16 Kilometern erreicht, manchmal sogar bis in die untere Stratosphäre gelangen, wie Satellitenbeobachtungen von Waldbränden gezeigt haben.

Als Toon und Turco allerdings einige grobe Abschätzungen der klimatischen Folgen vornehmen wollten, wurde ihnen klar, dass sie angesichts der Größenordnung der Effekte auf die Hilfe von Klimamodellierern angewiesen waren. Einer von uns (Robock) arbeitete zu diesem Zeitpunkt bereits mit Luke Oman und Georgiy L. Stenchikov von der Rutgers University zusammen. Oman beendete damals gerade seine Doktorarbeit über die klimatischen Effekte von Vulkanausbrüchen; Stenchikov wiederum gehörte zu den Autoren der ersten russischen Veröffentlichung über den nuklearen Winter. Und das Klimamodell, mit dem die beiden arbeiteten, ließ sich relativ einfach für die Berechnung der Auswirkungen einer nuklearen Explosion modifizieren.

Binnen zwei Wochen überdeckt der rußige Dunst alle Kontinente, absorbiert dabei Sonnenlicht, erwärmt sich und steigt dann noch höher in die Stratosphäre

Im Rahmen ihrer Simulation gingen Robock und seine Kollegen von der Annahme aus, dass an einem fiktiven 15. Mai konservativ geschätzte fünf Teragramm Rauch in die obere Troposphäre über Pakistan und Indien gelangen würden. Das Modell zeigte, wie Winde den Rauch um die Welt verteilen: Binnen zwei Wochen überdeckt der rußige Dunst alle Kontinente, absorbiert dabei Sonnenlicht, erwärmt sich und steigt dann noch höher in die Stratosphäre. Da es in diesen Höhen nicht regnet, wird die Luft auch nicht durch Niederschläge gereinigt; stattdessen setzen sich die Partikel langsam ab, indem sie gegen den Widerstand der Luftmoleküle nach unten sinken.

Dies geschieht besonders langsam im Fall von Rußpartikeln, die einen Durchmesser von durchschnittlich nur 0,1 Mikrometern, einem millionstel Meter, besitzen. Tagsüber, von der Sonne erwärmt, steigen die Partikel zudem wieder nach oben, so dass sie sehr lange Zeit benötigen, um endgültig aus der Atmosphäre zu verschwinden. Die Modelle zeigten darüber hinaus, dass sie weitaus höher in die obere Stratosphäre aufsteigen würden als die bei Vulkanausbrüchen freigesetzten Sulfatteilchen. Denn Letztere sind transparent und absorbieren viel weniger Sonnenlicht als Rußteilchen; außerdem sind sie mit einem Durchmesser von 0,5 Mikrometern auch deutlich größer. Während vulkanische Partikel darum nur etwa zwei Jahre in der Atmosphäre verbleiben, würde sich der Rauch aus nuklear verursachten Bränden ein Jahrzehnt lang halten.

Das Jahr ohne Sommer

Ziemlich überrascht waren wir von den prognostizierten Klimaveränderungen: Die Intensität der Sonneneinstrahlung sinkt unmittelbar, was die Temperaturen auf der Erde auf den niedrigsten Stand seit 1000 Jahren fallen lässt. Die durchschnittliche globale Abkühlung um rund 1,25 Grad Celsius hält über mehrere Jahre an, selbst nach zehn Jahren liegen die Temperaturen noch um 0,5 Grad Celsius niedriger als gewöhnlich. Außerdem verringern sich die weltweiten Niederschläge um zehn Prozent. Auch Flusspegel und Bodenfeuchte nehmen ab, denn weil weniger Sonnenlicht einfällt, verdunstet weniger Wasser, wodurch sich der hydrologische Zyklus abschwächt. Dürren konzentrieren sich allerdings weitgehend auf niedrigere Breiten, denn die Luftzirkulation in den Tropen, die für einen großen Teil der globalen Niederschläge verantwortlich ist, verlangsamt sich durch die globale Abkühlung. In kritischen Regionen wie den asiatischen Monsungebieten fällt die Niederschlagsmenge um bis zu 40 Prozent.

Die in der Simulation ermittelte Abkühlung mag klein erscheinen, die Folgen wären es aber nicht. Ein kühleres Klima und verringerte Sonneneinstrahlung würden zum Beispiel die Anbausaison in den mittleren Breiten verkürzen. Was könnte darüber hinaus geschehen? Starke Vulkanausbrüche liefern Daten zu analogen Situationen. Im Lauf der Geschichte führten sie wiederholt zu einer vorübergehenden Abkühlung, die sich in der Regel erst nach ein bis zwei Jahren wieder normalisierte. Der stärkste Ausbruch der vergangenen 500 Jahre, die Eruption des indonesischen Tambora im Jahr 1815, verdunkelte die Sonne für rund ein Jahr und bewirkte eine globale Abkühlung um rund 0,5 Grad Celsius.

Das folgende Jahr 1816 wurde als »das Jahr ohne Sommer« bekannt. Die daraus resultierenden Missernten sorgten beispielsweise in Europa dafür, dass sich die damalige Wirtschaftskrise erheblich verstärkte. In der nordöstlichen US-Region Neuengland wiederum, wo bald ein Massenexodus einsetzte, kam es über Monate hinweg immer wieder zu Frösten, die wiederholt die Ernten vernichteten, obwohl die mittlere Sommertemperatur nur um wenige Grad gesunken war. Der Preis für Getreide schoss in die Höhe; der Preis für Vieh erreichte hingegen einen Tiefstand, weil die Bauern die Tiere verkauften, die sie nicht mehr ernähren konnten.

Eine weitere Veränderung, zu der unser Testfall führt, betrifft das Ozon in der irdischen Lufthülle, das uns vor ultravioletter Strahlung schützt. Denn die chemischen Reaktionen in der Atmosphäre, die das Molekül erzeugen oder wieder abbauen, hängen von der Temperatur ab. Michael J. Mills von der University of Colorado in Boulder, der ein gänzlich anderes Klimamodell als Robock einsetzte, gelangte zu ähnlichen Ergebnissen, was das Aufsteigen des Rauchs und die stratosphärischen Temperaturänderungen betrifft. Mills stellte fest, dass die Oberflächentemperatur der Erde geringfügig abnehmen, die Stratosphäre sich jedoch – weil die schwarzen Rauchpartikel das Sonnenlicht absorbieren – um mehr als 50 Grad Celsius erwärmen würde. In der Folge verändert sich die Dynamik der stratosphärischen Winde, so dass sie die Ozon abbauenden Stickstoffoxide in noch höhere Stratosphärenschichten befördern. Dort lassen sie, im Verbund mit den hohen Temperaturen, die Ozonkonzentration auf dasselbe Besorgnis erregende Niveau sinken, das wir heute jedes Frühjahr am Ozonloch über der Antarktis messen.

Ein Atomkrieg, der fast überall auf der Welt gleichzeitig Ernten ausfallen lassen würde, könnte Panik auslösen und den globalen Handel mit Nahrungsmitteln zum Erliegen bringen

All diese Effekte zusammengenommen – geringere Sonneneinstrahlung und Niederschläge, Kälteeinbrüche, kürzere Anbauzeiten und intensivere ultraviolette Strahlung – würden die landwirtschaftliche Produktion erheblich schädigen oder ganz vernichten. Abkühlung und Ozonabbau würden sich besonders in den mittleren und höheren Breiten bemerkbar machen, während die verringerten Niederschläge vor allem die Tropen beträfen. Jede dieser ökologischen Veränderungen ruft darüber hinaus ganz spezifische Schäden hervor, die von den jeweiligen Anbaupflanzen, der Bodenbeschaffenheit, den landwirtschaftlichen Verfahren und den regionalen Wettermustern abhängen.

Heute müssen wir unter ganz alltäglichen Bedingungen Nahrungsmittel rund um den Globus transportieren, um regionale Knappheiten auf Grund von Dürren und saisonalen Wetterschwankungen aufzufangen. Auf den globalen Notfall sind wir in keinster Weise vorbereitet: Sämtliche Getreidevorräte der Welt könnten die Menschen auf der Erde lediglich vier Monate lang ernähren. Da die meisten Städte und Länder über sehr begrenzte Nahrungsmittelvorräte verfügen, nähmen Engpässe (ebenso wie Preisanstiege) an Häufigkeit zu. Ein Atomkrieg, der fast überall auf der Welt gleichzeitig Ernten ausfallen lassen würde, könnte darum Panik auslösen und den globalen Handel mit Nahrungsmitteln zum Erliegen bringen. Knapp eine Dreiviertel Milliarde Menschen weltweit, die schon heute nicht ausreichend zu essen haben, wären unmittelbar vom Hungertod bedroht.

All diese Simulationen haben natürlich ein Manko. Denn Experimente, an denen Wissenschaftler ihre Modelle und Theorien für gewöhnlich überprüfen, sind in diesem Fall ausgeschlossen. Verifizieren lassen sie sich aber dennoch, weil zu einer Reihe vergleichbarer realer Ereignisse tatsächlich Daten vorliegen.

• Brennende Städte: Schon in der Vergangenheit kam es zu großflächigen Feuersbrünsten, die gewaltige Mengen an Rauch in die obere Atmosphäre pumpten. So wurde zum Beispiel San Francisco nach dem Erdbeben von 1906 durch Brände stark zerstört, und im Zweiten Weltkrieg gingen viele Städte, darunter Dresden, Hamburg, Tokio, Hiroschima und Nagasaki, fast vollständig in Flammen auf. Solche Ereignisse bestätigen, dass der Rauch großflächig brennender städtischer Gebiete bis in die obere Atmosphäre aufsteigt.
• Jahreszeiten: Allein der Wechsel der Jahreszeiten versetzt uns in die Lage, die Folgen verringerter Einstrahlung quantitativ abzuschätzen. Und da unsere Klimamodelle den jahreszeitlichen Zyklus gut reproduzieren, können wir annehmen, dass sie auch die rauchbedingte Variation der Einstrahlung zutreffend berücksichtigen.
• Eruptionen: Explosive vulkanische Ausbrüche wie die des Tambora 1815, des Krakatau 1883 und des Pinatubo 1991 geben weitere wichtige Hinweise. Jedes Mal wurden die Wolken aus Sulfataerosolen, die sich in der Stratosphäre bildeten, von Winden um die ganze Welt getrieben. Nach jedem Ausbruch fiel die Oberflächentemperatur um einen Wert proportional zur Dicke der jeweiligen Wolke; nach der Eruption des Pinatubo beispielsweise sank die globale durchschnittliche Oberflächentemperatur um rund 0,25 Grad Celsius. Die globalen Niederschläge, die Flusspegel und die Bodenfeuchte nahmen ebenfalls ab. Unsere Modelle reproduzieren diese Effekte.
• Waldbrände: Der Rauch ausgedehnter Waldbrände kann bis in die Troposphäre und die untere Stratosphäre aufsteigen und sich über weite Entfernungen verbreiten. Auch diese kühlenden Effekte bilden unsere Modelle gut ab.
• Dinosaurier: Vor 65 Millionen Jahren stürzte ein Asteroid auf die mexikanische Halbinsel Yukatan. Das gilt als wahrscheinliche Ursachen für das Aussterben der Riesenechsen, weil sich auch damals eine Staub- und Rauchwolke bildete, die das Sonnenlicht in hohem Maß zurückhielt. Verschärft wurde die Lage möglicherweise durch massive vulkanische Aktivität, die etwa zur selben Zeit in Indien auftrat. Große Mengen an Aerosolen in der Erdatmosphäre besitzen also das Potenzial, das Klima drastisch zu ändern und selbst robuste Arten aussterben zu lassen.

Solche Ereignisse und Daten haben uns geholfen, unsere Modelle zu überprüfen und zu verbessern.

Über den nuklearen Winter sind in der Öffentlichkeit einige Irrtümer verbreitet. Mancher glaubt, es werde nie dazu kommen, denn entsprechende Theorien seien widerlegt worden. Aber das ist schlicht falsch. Andere wiederum befürchten allenfalls einen »nuklearen Herbst«. Richtig ist zwar, dass die in den 1980er Jahren entwickelten Modelle und die damaligen Computer noch nicht in der Lage waren, das Aufsteigen des Rauchs und sein Verhalten in der Atmosphäre zu simulieren. Auch konnten sie noch nicht ermitteln, wie lange es dauern würde, bis sich die Ozeane schließlich wieder erwärmen würden. Seit einigen Jahren können Simulationen all das leisten – und unsere 2010 durchgeführten Berechnungen sagen für den Fall eines massiven nuklearen Schlagabtauschs keineswegs einen Herbst, sondern eindeutig den Eintritt eines nuklearen Winters voraus.

Die Kombination aus der Verbreitung von Kernwaffen, politischer Instabilität und urbaner Demografie stellt daher vielleicht die größte Gefahr für die Stabilität der Gesellschaft seit Anbeginn der Menschheit dar

Der Abwurf der ersten Atombomben hatte die Welt zwar so nachhaltig schockiert, dass trotz massiver nuklearer Aufrüstung nie wieder ein atomarer Schlag geführt wurde. Ausschließen lässt sich diese Eventualität aber erst, wenn alle Waffen vernichtet sind. Eine zügige Reduzierung der Kernwaffenarsenale der Supermächte würde der Welt vor Augen führen, dass Kernwaffen weder eingesetzt werden dürfen noch überhaupt notwendig sind.

Zwar ist die Anzahl der Kernwaffen seit dem Kalten Krieg gesunken, dennoch reicht das verkleinerte Arsenal unseren Studien zufolge mehr als aus, um die Landwirtschaft weltweit zusammenbrechen zu lassen. Gegen städtische Ziele eingesetzt, würden die Waffen den Tod von Hunderten von Millionen Menschen verursachen und unvorstellbare 180 Teragramm Rauch in die globale Stratosphäre treiben. In vielen landwirtschaftlichen Anbaugebieten sänken die durchschnittlichen Temperaturen selbst im Sommer für mehrere Jahre unter den Gefrierpunkt. Die Kombination aus der Verbreitung von Kernwaffen, politischer Instabilität und urbaner Demografie stellt daher vielleicht die größte Gefahr für die Stabilität der Gesellschaft seit Anbeginn der Menschheit dar.