anthropogene Klimaänderungen
Schon die bloße Existenz der Menschheit, insbesondere der Weltbevölkerungsanstieg, ist ein klimawirksamer Faktor: Menschen atmen Kohlendioxid (CO2) aus, das als klimawirksames Spurengas den Treibhauseffekt verstärkt. Allerdings kommt es sehr auf die Menge an, denn gemessen an den Milliarden Tonnen Kohlendioxid-Ausstoß pro Jahr durch die Nutzung fossiler Energie fällt das Ausatmen von einigen Millionen Tonnen Kohlendioxid durch die Menschen und übrigens auch durch die Tierwelt kaum ins Gewicht. Bedeutsamer sind dagegen die Veränderungen der Erdoberfläche durch eine ständig wachsende und daher mehr und mehr Raum sowie Nahrung beanspruchende Menschheit. Schon vor Jahrtausenden haben diese anthropogenen Eingriffe ein bedenkliches Ausmaß erreicht, beispielsweise als die Römer vor rund 2000 Jahren große Teile des Mittelmeerraums entwaldeten. Angesichts der heute in noch größerem Ausmaß und vor allem rascher vorgenommenen Waldrodungen — nunmehr vor allem des tropischen Regenwalds, beispielsweise in Brasilien, sowie des borealen Nadelwalds, zum Beispiel in Russland und Kanada — sollte jedoch nicht vergessen werden, dass auf dem Gebiet des heutigen Deutschland zwischen 800 und 1200 n.Chr. die Waldfläche von 90 % auf 20 % abgenommen hat. Heute beträgt sie wieder rund 30 %.
Waldrodungen und die Folgen
Da Wald wie jede Vegetation bei der Photosynthese der atmosphärischen Luft Kohlendioxid entzieht, bedeuten Waldrodungen eine wenn auch indirekte Anreicherung der Atmosphäre mit CO2. Dies gilt im Fall von Brandrodung noch verstärkt. Wegen des derzeitigen Waldverlustes von noch immer über 10 Millionen Hektar pro Jahr — die Vereinten Nationen geben für 1999 11,3 Millionen Hektar an — wird die dadurch bedingte indirekte jährliche Kohlendioxid-Emission auf etwa 5 bis 7 Milliarden Tonnen geschätzt. Das sind etwa 20 Prozent der derzeitigen gesamten jährlichen anthropogenen CO2-Emission, die unabhängig vom Emissionsort stets global klimawirksam ist.
Dies ist aber nicht die einzige Konsequenz der Waldrodungen. Es wird dadurch auch der regionale Energie- und Stoffumsatz an der Erdoberfläche verändert. So absorbiert der Wald beispielsweise einen relativ hohen Anteil der Sonneneinstrahlung und erwärmt sich dadurch, ganz im Gegensatz zu den hellen Sand- oder gar Schneeoberflächen, die das Sonnenlicht sehr stark reflektieren. Diese Erwärmung wird jedoch durch die enorme Verdunstung, wie sie für alle Wälder typisch ist, überkompensiert, da der Erdoberfläche dabei Wärme entzogen wird. Ohne Wald fehlt daher die von der Verdunstung hervorgerufene Abkühlung sowie außerdem auch ein Großteil der Wasserspeicherung im Boden und des Wasserdampfnachschubs in die Atmosphäre. Regionale Klimamodellrechnungen, die vom Verschwinden des Amazonas-Regenwalds ausgehen, zeigen für einen solchen Fall daher eine erhebliche Temperaturerhöhung sowie einen Rückgang der Niederschläge an. Nicht zu unterschätzen ist auch die dämpfende Wirkung des Walds auf den Temperatur-Tagesgang, die somit den Temperaturextrema ihre Schärfe nimmt.
Diese Betrachtungen lassen sich verallgemeinern. Jede Veränderung der Erdoberfläche ändert die Energie- und Stoffflüsse und ist somit klimarelevant — seien es die genannten Waldrodungen oder zu intensive Weidewirtschaft im Sahel, die eine der Ursachen für die Desertifikation ist, oder sei es der Bau von Flugplätzen und Autobahnen. Besonders intensiv sind derartige klimatische Auswirkungen in Ballungszentren wie Industriegebieten und insbesondere Städten.
Die Emission von Spurengasen
Während bei allen diesen anthropogenen Eingriffen die regionalen Auswirkungen überwiegen, stellt die Emission langlebiger klimawirksamer Spurengase wie beispielsweise Kohlendioxid und Methan (CH4) ein globales Problem dar, weil sich diese Gase — unabhängig vom Emissionsort — in der Atmosphäre weltweit ausbreiten. Möglicherweise stellt das den gravierendsten Eingriff des Menschen in das Klimageschehen dar. Neben dem anthropogenen Treibhauseffekt gibt es auch eine Art anthropogenen Kühleffekt, der auf der Bildung von Sulfatpartikeln in der Troposphäre aufgrund der Emission von Schwefeldioxid (SO2) beruht.
Beschränkt man sich auf relativ kleine Zeitspannen von einigen Jahren bis zu etwa einem Jahrhundert, stehen folgende natürliche Faktoren in Konkurrenz zu den anthropogenen:
(1) Vulkanismus vom explosiven Typ, durch den Partikel und Gase in die Stratosphäre geschleudert werden. Dabei sind vor allem Sulfatpartikel klimawirksam, die sich aus schwefelhaltigen Gasen in der Stratosphäre bilden, dort ungefähr ein bis drei Jahre verweilen und einen Teil der Sonnenstrahlung absorbieren. Dies zieht eine Erwärmung der Stratosphäre nach sich, während in der unteren Atmosphäre wegen der verringerten Sonneneinstrahlung eine Abkühlung erfolgt.
(2) Die Sonnenaktivität, die durch die Anzahl der Sonnenflecken abgeschätzt wird. Die Begleiterscheinungen einer erhöhten Sonnenaktivität, wie Sonnenfackeln und Protuberanzen, sind jedoch der eigentlich klimawirksame Mechanismus, da sie zu einer etwas erhöhten Ausstrahlung führen. Daneben werden auch alternative Hypothesen wie zum Beispiel Sonnenpulsationen diskutiert.
(3) Zirkulationsmechanismen der Atmosphäre und des Ozeans, insbesondere atmosphärisch-ozeanische Wechselwirkungen wie beispielsweise El Niño/Southern Oscillation (ENSO) und Nordatlantikoszillation (NAO).
Alle Einflüsse, seien sie anthropogen, wie zusätzliche Treibhausgase und troposphärische Sulfatpartikel, oder natürlich, wie Vulkanismus und Sonnenaktivität, wirken sich stets auch auf die atmosphärische Zirkulation aus. Dies ist häufig mit komplizierten Rückkopplungen und immer mit einer regional-jahreszeitlich unterschiedlichen Reaktion der einzelnen Klimaelemente verbunden.
Stadtklima
Die Unterschiede zwischen dem Klima der Städte und dem ihres Umlands sind genau untersucht und seit langem bekannt. Sie nehmen mit dem Umfang der bebauten Fläche und der Einwohnerzahl zu. Am bekanntesten ist die städtische Wärmeinsel, ein Phänomen, bei dem die Temperaturen im Stadtzentrum gegenüber den Temperaturen im Umland, beispielsweise an einem heißen Sommertag, aber auch in einer kalten Winternacht, um mehrere Grad höher sein können.
Gestein weist gegenüber Ackerboden, Vegetationsbeständen und insbesondere Wasser eine relativ geringe Wärmekapazität auf und erwärmt sich daher bei gleicher Sonneneinstrahlung entsprechend stärker. Darüber hinaus verringern Bebauung und Bodenversiegelung die Verdunstung — auch dies verstärkt die Temperaturerhöhung in den Städten im Vergleich zu unbebauten Flächen. Nachts sollte sich — wiederum aus Gründen der Wärmekapazität — die Stadt stärker abkühlen als das Umland. Der latente Wärmeentzug der Erdoberfläche ist jedoch wegen der verringerten Verdunstung behindert oder gar unterbunden. Die Luftverschmutzung durch bestimmte Gase und Aerosole verringert zudem die nächtliche Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche. Kommt dann noch, wie zum Beispiel in kalten Winternächten, die Wirkung der Gebäudeheizung hinzu, bleibt auch nachts die städtische Wärmeinsel bestehen. In Sommernächten ist von Bedeutung, ob kühlere Luft aus dem Umland in die Stadt einströmen kann oder ob dies durch die Bebauung behindert ist.
Tagsüber wird durch eine erhöhte Aerosol-Konzentration vor allem der ultraviolette Anteil (UV-Anteil) der Sonnenstrahlung reduziert. Dies kann gesundheitliche Beeinträchtigungen nach sich ziehen, weil ultraviolettes Licht — sofern es nicht zu kurzwellig und intensiv ist — auch positive Effekte auf die Gesundheit hat. So tötet es beispielsweise Krankheitserreger ab. Eine erhöhte Aerosol-Konzentration begünstigt weiterhin die Wolkenbildung, da sich Wolkentropfen bevorzugt an den Aerosolpartikeln bilden; diese nehmen dann die bei der Kondensation frei werdende latente Wärme auf. Dies hat eine, allerdings schwer nachweisbare und vor allem im Windschatten (Lee) der Stadt auftretende, Erhöhung der Niederschläge und eine Herabsetzung der Sonnenscheindauer zur Folge. Die Wolkenbildung wird zum Teil auch vom Wärmeinseleffekt der Stadt begünstigt, da warme Luft aufsteigt — vergleichbar einem Heißluftballon — und wegen der dabei auftretenden Abkühlung zur Wolkenbildung neigt. Möglicherweise wird dadurch auch die Entstehung von Gewitter- und Hagelunwettern gefördert.
Der städtische Einfluss auf die Nebelbildung hat sich im Laufe der Zeit geändert. Einerseits fördert die hohe Aerosol-Konzentration die Nebelbildung, da Nebel nichts anderes als eine in Bodennähe auftretende Wolke ist; dies war der früher vorherrschende Effekt. Andererseits wirkt eine Erwärmung der Nebelbildung entgegen, was heute überwiegt, unter anderem auch wegen der Fortschritte bei der Reinhaltung der Luft von Stäuben. Die relativ geringen Windgeschwindigkeiten in der Stadt sind auf erhöhte Reibungswirkungen infolge der Bebauung zurückzuführen. Es sind aber auch gegenteilige Effekte bekannt, zum Beispiel Düsenwirkungen zwischen Hochhäusern.
Partikel in der Troposphäre
Auch wenn Industriestäube mehr und mehr durch Filteranlagen zurückgehalten werden und der Einsatz von Entschwefelungs- und Entstickungsanlagen Fortschritte macht, gelangen doch noch viele Schadgase in die Atmosphäre. Da hier nicht toxische Wirkungen, sondern ausschließlich Klimaeffekte behandelt werden, beschränkt sich die Diskussion auf Sulfat- und Rußpartikel.
Dabei geht es um solche Sulfatpartikel, die durch Umwandlungsprozesse aus anthropogen emittiertem Schwefeldioxid entstehen und sich in der Troposphäre ansammeln. Quellen dafür sind verschiedene Verbrennungsprozesse in Industrie, Haushalten und Verkehr, insbesondere wenn dabei Kohle verwendet wird. Rauchgasentschwefelungsanlagen können aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nur in Großkraftwerken eingesetzt werden und arbeiten selbst bei großem Aufwand nie hundertprozentig. Dies gilt in noch höherem Ausmaß für Entstickungsanlagen.
Die Sulfatpartikel haben allerdings wie alle troposphärischen Aerosole nur mittlere Verweilzeiten von einigen Tagen — ganz im Gegensatz zu ihren stratosphärischen Verwandten. Sie können somit immer nur in einem regional begrenzten Bereich klimawirksam sein und benötigen ständig ausreichenden Nachschub. Klimamodellrechnungen gehen von einer durch die troposphärischen Sulfatpartikel bewirkten Störung des Strahlungshaushalts der Atmosphäre aus, dem Strahlungsantrieb, der allerdings regional sehr unterschiedlich ist. Seit vorindustrieller Zeit, das heißt ungefähr seit 1850, liegt dieser Antrieb etwa im Bereich von —0,5 bis —1,5 Watt pro Quadratmeter. Im weltweiten Mittel sollte daraus eine Abkühlung von bis heute rund 0,5 ºC resultieren (Industriezeitalter).
In Zukunft werden derartige Klimaeffekte — wie auch die entsprechenden toxischen Effekte — in Europa und auch Nordamerika dank der Luftreinhaltungsmaßnahmen nur noch geringe Bedeutung haben. So ist in Deutschland seit ungefähr 1970 die atmosphärische Schwefeldioxid-Konzentration stark rückläufig. Seit Ende der 1980er-Jahre ist auch bei Stickoxiden (NOx , x = 1 oder 2) eine Trendwende zu bemerken. Ganz anders ist dagegen die Situation in Südostasien, wo die Schadstoffbelastung der Luft noch immer stark zunimmt und daher auch weiterhin erhebliche Klimaeffekte durch troposphärisches Sulfat erwartet werden müssen.
Ein Phänomen, das in diesem Zusammenhang nicht unerwähnt bleiben darf, ist der Klimaeffekt, der von arktischen Staub- und Dunstschichten hervorgerufen wird. Da in diesem Fall die Partikel über sehr hellem Untergrund, nämlich Schnee und Eis, auftreten, wird die untere Atmosphäre durch sie gegenüber dem Urzustand dunkler, absorbiert somit vermehrt Sonneneinstrahlung und erwärmt sich. Das quantitative Ausmaß dieses Effekts ist allerdings noch nicht ganz klar.
Ein bisher beispielloses »Experiment« mit troposphärischen Partikeln fand 1991 im Golfkrieg statt, als der Irak einen Großteil der kuwaitischen Ölquellen in Brand setzte. Das dabei freigesetzte Kohlendioxid entsprach allerdings weniger als einem Prozent der durch die weltweite Energienutzung freigesetzten jährlichen Menge. Sowohl nach Klimamodellrechnungen als auch durch Messungen waren Klimaeffekte durch die schätzungsweise insgesamt entstandenen fünf Millionen Tonnen Ruß nicht nachweisbar. Anders wäre das bei einem weltweiten Atomkrieg. Verschiedene Studien gehen von einer Freisetzung von 300 bis 500 Millionen Tonnen Ruß aus, die die Sonneneinstrahlung so stark abschirmen würden, dass bodennah drastische Abkühlungen zu erwarten wären. Doch darf man hoffen, dass die politische Szene den menschenverachtenden Wahnsinn eines solchen »nuklearen Winters« nicht zulassen wird.
Anthropogener Treibhauseffekt
Bei der Diskussion anthropogener Klimaänderungen steht die Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts durch menschliche Aktivitäten mit Recht im Zentrum der Beachtung. Dabei ist das ursächliche Prinzip genau das gleiche wie beim natürlichen Treibhauseffekt: die Beeinflussung der atmosphärischen Strahlungsvorgänge durch bestimmte Spurengase mit dem Effekt einer Erhöhung der Temperatur in der Troposphäre sowie allen weiteren Konsequenzen für Atmosphäre und Klima, die aus dieser Temperaturerhöhung resultieren. In welchem Ausmaß und mit welchen regionalen Besonderheiten führen nun die Konzentrationserhöhungen der Treibhausgase und somit die anthropogene Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts zu weltweiten Klimaänderungen? Und: Worauf ist dieser Konzentrationsanstieg, insbesondere beim Kohlendioxid, zurückzuführen?
Die Antwort auf die zweite Frage ist insofern problematisch, als sich auch beim Anstieg der Kohlendioxid-Konzentration anthropogene und natürliche Phänomene überlagern. So dominiert beim Jahresgang der atmosphärischen CO2-Konzentration die Natur, nämlich das Wechselspiel zwischen Photosynthese im Sommer — der Atmosphäre wird CO2 entzogen — und mikrobieller Zersetzung im Winter — der Atmosphäre wird wieder CO2 zugeführt. Der jährliche Anstieg der Kohlendioxid-Konzentration muss dagegen nach allen gängigen Modellrechnungen vor allem auf menschliches Wirken zurückgeführt werden, auch wenn beipielsweise das El-Niño-Phänomen diesen Anstieg episodisch verstärkt beziehungsweise in seiner Gegenphase, dem La-Niña-Phänomen, abschwächt. In geologischen Zeiträumen ist die Situation wieder anders. So lag zum Beispiel in der letzten Kaltzeit, der Würm-»Eiszeit«, die Kohlendioxid-Konzentration bei nur etwa 180 bis 200 ppm (parts per million, millionstel Anteile). Auf dieser Zeitskala waren jedoch die Temperaturvariationen weitgehend Ursache der CO2-Variationen und nicht umgekehrt. Die während des Industriezeitalters rekonstruierte oder gemessene Zunahme der atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentration geht dagegen eindeutig auf die Nutzung fossiler Energieträger durch den Mensch zurück. Darauf hat übrigens 1896 schon der schwedische Physikochemiker Svante Arrhenius hingewiesen.
Gefährlicher Kohlendioxid-Ausstoß
Ende der 1990er-Jahre beträgt die weltweite Nutzung der gesamten Primärenergie bei einer Bevölkerung von rund sechs Milliarden Menschen jährlich etwa 12 bis 14 Milliarden Tonnen (Gigatonnen, Gt) Steinkohleeinheiten (SKE). Davon beruhen — ohne Berücksichtigung der Holznutzung in den Entwicklungsländern — etwa 90 Prozent auf der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas, einschließlich des Verbrauchs sekundärer Energieträger wie zum Beispiel Benzin im Verkehrsbereich. Im Jahr 1900 ist die Welt bei einer Bevölkerung von etwa zwei Milliarden Menschen noch mit ungefähr einer Gigatonne SKE ausgekommen. Die enorme Steigerung der Weltenergienutzung hat den anthropogenen Kohlendioxid-Ausstoß auf 22 Gt CO2 hochschnellen lassen — die höchste Emissionszahl, die in der gesamten Umweltdebatte überhaupt auftaucht. Das sind aber erst rund 75 Prozent der gesamten derzeitigen anthropogenen CO2-Emission, da weitere 20 Prozent über die Waldrodungen und etwa fünf Prozent über die Holznutzung in den Entwicklungsländern hinzukommen.
Die wichtigste Kohlenstoffsenke ist der Ozean, der etwa die Hälfte der jährlich vom Menschen verursachten Kohlendioxid-Emission aufnimmt. Die andere Hälfte verbleibt in der Atmosphäre, häuft sich dort an und bewirkt den beobachteten Konzentrationsanstieg. Dabei stellt es keine Entlastung dar, dass der anthropogene Kohlendioxid-Eintrag in die Atmosphäre nur etwa fünf Prozent der Gesamtumsätze des Kohlenstoffs im Klimasystem ausmacht. Die natürlichen Kohlenstoffkreisläufe sind nämlich im Gegensatz zu den vom Menschen verursachten Störungen geschlossen und rufen somit zumindest in Zeitspannen, die größer als der Jahresgang, aber kleiner als Jahrtausende sind, keine auffälligen Änderungen hervor.
Kohlendioxid ist keineswegs das einzige Treibhausgas, dessen atmosphärische Konzentration durch menschliches Wirken ansteigt. Betrachtet man einen Zeitraum von 100 Jahren, kommt CO2 von allen Treibhausgasen allerdings die größte Bedeutung zu. Beim natürlichen Treibhauseffekt überwiegt dagegen die Wirkung von Wasserdampf.
Die Emission von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) geht auf den Einsatz von Spraydosen und Dämmmaterial sowie auf die Kältetechnik und chemische Reinigung zurück. Wegen des in vielen Industrieländern gültigen weitgehenden Herstellungsverbots ist die FCKW-Emission im letzten Jahrzehnt um etwa zwei Drittel zurückgegangen. Die atmosphärische FCKW-Konzentration ist darüber hinaus seit Beginn der neunziger Jahre nicht mehr angestiegen.
Kondensstreifen am Himmel
Der direkte anthropogene Wasserdampf-Ausstoß spielt nur in Zusammenhang mit dem Flugverkehr — insbesondere in der oberen Troposphäre sowie der unteren Stratosphäre — eine Rolle, da die Bildung von Kondensstreifen den Treibhauseffekt verstärkt. Ansonsten ist die natürliche Verdunstung, vor allem über den Ozeanen, so hoch, dass der Mensch damit auch nicht annähernd konkurrieren kann. Im Rahmen der durch Klimamodellrechnungen zu berücksichtigenden indirekten Effekte spielt der Wasserdampf, beispielsweise durch die erhöhte Verdunstung der Ozeane bei allgemeiner Erwärmung, eine wichtige Rolle. Als Treibhausgas ist Wasserdampf allerdings relativ kurzlebig und daher mehr von regionaler Bedeutung. Dagegen breiten sich, wie erwähnt, die meisten anderen Treibhausgase aufgrund ihrer langen Lebenszeit unabhängig vom Emissionsort weltweit aus und sind somit stets global wirksam. Der durch die anthropogene Konzentrationserhöhung der Treibhausgase im Industriezeitalter bewirkte Strahlungsantrieb von 2,1 bis 2,8 Watt pro Quadratmeter übertrifft nicht nur den Effekt der anthropogenen Sulfataerosole, sondern auch den der natürlichen, in dieser zeitlichen Größenordnung wirksamen Klimafaktoren.
Prof. Dr. Christian-Dietrich Schönwiese
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
Klima: Modellrechnungen
Klima: Schutzmaßnahmen
Ozonschicht und Ozonloch: Hintergründe und Trends
Grundlegende Informationen finden Sie unter:
Atmosphäre: Aufbau, Zusammensetzung, Energiehaushalt
Literatur:
Climate change 1995. The science of climate change. Contribution of Working Group I to the second assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, herausgegeben von John T. Houghton u. a. Cambridge u. a. 1996.
Fabian, Peter: Atmosphäre und Umwelt. Chemische Prozesse, menschliche Eingriffe. Ozon-Schicht, Luftverschmutzung, Smog, saurer Regen. 41992. 41992.
Houghton, John: Globale Erwärmung. Fakten, Gefahren und Lösungswege. Aus dem Englischen. Berlin u. a. 1997.
Klima-Schutz. Eine globale Herausforderung, herausgegeben von Peter Borsch u. a. München u. a. 1998.
Schönwiese, Christian-Dietrich: Klimaänderungen. Daten, Analysen, Prognosen. Berlin u. a. 1995.
Tatort Erde. Menschliche Eingriffe in Naturraum und Klima, herausgegeben von Günter Warnecke u. a. Berlin u. a. 21992.
Warnsignal Klima. Wissenschaftliche Fakten. Mehr Klimaschutz - weniger Risiken für die Zukunft, herausgegeben von José L. Lozán u. a. Berlin 1998.