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Treibhauseffekt und Klimaveränderungen

Die Erde ist von einer Atmosphäre umgeben, die aus verschiedenen Gasen besteht. Die Erdanziehungskraft verhindert, dass die Gase in das Weltall entweichen. Diejenige Schicht, in der das Leben, sowie das Wettergeschehen ablaufen, wird Troposphäre genannt. Sie ist an den Polen nur etwa 8 Kilometer dick, in den Tropen bis zu 15 km. Das ist im Vergleich zur Größe der Erde mit 12000 km Durchmesser relativ wenig! Die Luft besteht zu 78% aus Stickstoff und zu 21% aus Sauerstoff. Der Rest setzt sich aus verschiedenen Gasen zusammen, wobei das Kohlenstoffdioxid (CO2) nur einen relativ kleinen Anteil einnimmt. Der Wasserdampf der Luft ist in der Grafik nicht berücksichtigt. Die Atmosphäre kann bis zu 4% Wasserdampf aufnehmen. Dieser ist wie das Kohlenstoffdioxid einem ewigen Kreislauf unterworfen.  
  
 
Zusammensetzung der Luft

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Der Mensch hat mit den von ihm verursachten Emissionen eine sehr schnell wirkende Erwärmung der Atmosphäre erzeugt, die die bisherigen natürlichen Erdzyklen deutlich an Geschwindigkeit übertrifft. Man nennt die durch den Menschen erzeugte, zusätzliche Treibhauswirkung auch anthropogener Treibhauseffekt.Diese Meinung ist bei den Wissenschaftlern heute allgemein anerkannt (vgl. [1] S. 7 ff. oder [2] vgl. auch Interview). Das Modell begründet sich auf unzähligen, langjährigen Messungen einer weltweit kooperierenden Wissenschaftlergemeinschaft. Wie stark dies Auswirkungen auf unsere Zukunft hat, darüber gibt es verschiedene Ansichten. Dann existieren noch einige Publikationen, die den vom Menschen verursachten Treibhauseffekt grundsätzlich verneinen. Diese "Pseudoexperten, die mit haltlosen Argumenten eine angebliche Klimamafia" anprangern, gefährden die ernsthafte Arbeit von Forschern, die Zweifel an einem möglichen Schreckensszenario haben (Sven Titz in [3]).  
  
  
Hurrikane 
  
Das Jahr 2005 war bisher das schlimmste Hurrikanjahr seit Beginn der Wetteraufzeichnungen. Der Hurrikan Katrina kostete etwa 1800 Menschen das Leben, und es entstand ein versicherter Schaden von 81 Milliarden US-Dollar. New Orleans wurde überschwemmt und verwüstet. Doch ist das wirklich auf die Klimaveränderungen zurückzuführen? Nach einer Studie des Hurrikan-Experten Christopher Landsea vom Nationalen Hurrikan-Zentrum der USA gibt es keinen Trend, dass die Anzahl der Hurrikane zugenommen hat. Heute würde man Hurrikane lediglich besser messen und beobachten [4]. Andere Experten widersprechen.  
  
Hurrikane entstehen, wenn die Wassertemperatur mindestens 26,5°C beträgt. Das warme Wasser verdunstet in großen Mengen. Beim Aufsteigen des Wasserdampfes kondensiert dieser und setzt dabei Energie frei. Die Luft in den Wolken wird aufgeheizt und steigt noch weiter auf. Dabei entsteht ein Unterdruck und in Meereshöhe strömt von der Seite weitere Luft nach. Aufgrund der Erdrotation und der auf das Sturmsystem wirkenden Corioliskraft entsteht ein sich drehender Wirbel.  

Die beobachtbare Erwärmung der Meere müsste eigentlich auch zu einer Zunahme der Hurrikanstärke führen. Dem wirken sogenannte Scherwinde entgegen. Eine Erwärmung der Atmosphäre bedeutet auch eine Zunahme dieser umherfleddernden Luftmassen. Sie gelten als Hauptzerstörer von Hurrikanen. So gelang es beispielsweise dem karibischen Tropensturm Erika im September 2009 nicht, Hurrikanstärke zu entwickeln, weil Scherwinde das Sturmsystem auflösten, und das obwohl die Wassertemperaturen extrem hoch waren. Dieser Tropensturm hätte das Potential von Katrina gehabt, wenn er als Hurrikan in den Persischen Golf gezogen wäre [5]. 

Die Hurrikan-Experten sind sich noch nicht ganz einig, ob die Zahl oder die Intensität der Hurrikanstärke wirklich zugenommen hat. Als Fakt gilt jedoch: Falls ein starker Hurrikan entsteht, ist mit einem wesentlich höheren Schaden zu rechnen. Das kann daran liegen, dass die Versicherungssummen immer höher angesetzt werden oder aber auch daran, dass das wärmere Wasser den Hurrikan mit mehr Energie speist und die wärmere Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann. Der Klimaforscher Kevin E. Trenberth am National Center for Atmospheric Research in Colorado, USA sieht eine klare Bedrohung durch stärkere Hurrikane in der Zukunft: "Demnach waren von den 300 Litern Regen pro Quadratmeter, die Katrina über New Orleans ausgoss, ungefähr 25 Liter der globalen Erwärmung zuzuschreiben" [6]. 

  
Abschmelzen von Eis

Der Gletscherschwund in den Alpen und der Rückgang der oberen Schneegrenze im Sommer, sowie das Auftauen des Permafrostes an vielen Orten sind eindeutige Belege für eine Temperaturerhöhung [7]. Ist ein Boden dauerhaft das ganze Jahr gefroren, dann spricht man von Permafrost. Beim Auftauen des Permafrostes besteht die Gefahr, dass ganze Felsschichten instabil werden. So sind Bergbahnen oder Hütten, die auf solchem Gestein stehen, akut gefährdet, aber auch große Bergstürze sind nicht auszuschließen. Die großen Felsstürze am Eiger bei Grindelwald im Jahr 2006 waren erste Vorboten, für das was noch passieren könnte. Beim Abschmelzen von Gletschern entstehen Gletscherseen. Diese können sich aufstauen. Bei einem Bruch der Barriere besteht die Gefahr einer großen Flutwelle. 

Rhonegletscher um 1870
Aufnahme im Jahr 2001
Rhonegletscher um 1870
Aufnahme im Jahr 2001


Der Eisschwund tritt nicht nur in den Alpen und in den anderen Gebirgen der Erde, sondern auch an den Polkappen in der Arktis und in der Antarktis auf. Im Sommer 2007 war erstmals die Nordwestpassage nördlich von Kanada zwischen Europa und Asien mehrere Wochen lang eisfrei [8]. Packeis besteht in Form von übereinander geschobenen Eisschollen, die auf dem Meer schwimmen. Normalerweise ist eine Passage im Packeis nur mit Eisbrechern möglich. Seit etwa 1992 gibt es eine dramatische Zunahme der Schmelzwasserbildung bei den Gletschern in Grönland (vgl. Grafik in [9] und [13]). Problematisch dabei ist, dass das Wasser der auf Land liegenden Gletscher an den Gletschermühlen in die tieferen Eisschichten sinkt und dort von unten den Schmelzprozess des Eises erheblich beschleunigt. Als Schelfeis wird eine Eisplatte bezeichnet, die auf dem Meer schwimmt und mit einem Gletscher an Land verbunden ist. In den letzten Jahren sind riesige Eisberge in der Größenordnung von mehreren hundert Quadratkilometern vom Schelfeis abgebrochen, beispielsweise am Wilkins-Schelfeis in der Antarktis.


Wirkung der Treibhausgase

Offensichtlich entsteht aufgrund des menschlichen Eingriffs eine völlig neue Situation mit neuen Abhängigkeiten von Ursache und Wirkung: Neben dem Gas Kohlenstoffdioxid spielt vor allem der Wasserdampf bei der Erwärmung der Erdatmosphäre eine entscheidende Rolle. Wasserdampf ist das wichtigste natürliche Treibhausgas und macht etwa 60% am natürlichen Treibhauseffekt aus. Früher ging man davon aus, dass es am anthropogenen Treibhauseffekt kaum beteiligt ist, da sich die Wasserdampfkonzentration im Vergleich zur Kohlenstoffdioxidkonzentration kaum verändert hat. Grundsätzlich kann aber wärmere Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen als kalte. Einer Erwärmung der Troposphäre durch den Treibhauseffekt folgt eine höhere Aufnahme von Wasserdampf, der selbst wiederum als Treibhausgas wirkt.

Das Kohlenstoffdioxid ist wie das Wasser für das Leben auf der Erde von großer Bedeutung. Tiere und Menschen atmen Sauerstoff ein und verbrennen ihn zusammen mit Zucker in ihren Muskeln, als Abfallprodukt entsteht Kohlenstoffdioxid. Die Pflanzen benötigen das Kohlenstoffdioxid für ihre Stoffwechselvorgänge, sie produzieren daraus mit Hilfe von Lichtenergie wieder Sauerstoff und Stärke. Der Kreislauf beginnt von neuem:  
   

 Photosynthese
 
Für die Erhaltung des Weltklimas ist das Kohlenstoffdioxid und der Wasserdampf von großer Bedeutung: Sonnenstrahlen, die auf den Erdboden auftreffen, werden absorbiert und erwärmen den Erdboden. Dabei wird Wärmestrahlung an die Atmosphäre abgegeben. Ein großer Teil dieser Wärmestrahlung strahlt jedoch wieder in das Weltall zurück und geht der Erdatmosphäre verloren. Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf besitzen die Eigenschaft von Treibhausgasen: Sie bilden eine "Schutzglocke" und verhindern, dass die Wärmestrahlung in das Weltall zurückstrahlt. Dieser Treibhauseffekt innerhalb des natürlichen Rahmens ist für die Warmblüter der Erde lebensnotwendig, ohne Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf wäre die Atmosphäre bedeutend kälter.  
   
 
 Schema Treibhauseffekt

  
Problematisch wird der Treibhauseffekt erst dann, wenn durch unvorhergesehene Eingriffe des Menschen der Kreislauf der Natur gestört wird. Durch eine schonungslose Verfeuerung der fossilen Brennstoffe, wie zum Beispiel von Benzin, Öl oder Kohle, entstehen riesige Mengen an zusätzlichem Kohlenstoffdioxid.  
  
 
Kohlenstoffdioxidemissionen

Hinweis: Die neuen Statistiken unterscheiden nicht mehr nach Verursachern, sondern nach Brennstoff.
Das Verhältnis nach Verursachern dürfte aber in etwa geblieben sein.
  
 
Fossile Brennstoffe haben sich im Laufe von Millionen Jahren aus ehemaligen Pflanzenresten gebildet. Sie sind organischen Ursprungs und bestehen aus Kohlenwasserstoffen. Bei der Verbrennung werden die Kohlenstoffatome zu Kohlenstoffdioxid und die Wasserstoffatome zu Wasserdampf oxidiert, dabei wird Energie in Form von Wärme frei:  
  
Fossiler Brennstoff  +  Sauerstoff    Kohlenstoffdioxid  +  Wasserdampf  (+ Energie)  
  
Inwieweit die freiwerdende Energie einen Einfluss auf die atmosphärische Erwärmung hat, wird wenig diskutiert. Die Entstehung von Wasserdampf bei der Verbrennung scheint für die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre ebenfalls nicht so entscheidend, da die Luft nur bis zu ihrem Sättigungsgrad Feuchtigkeit aufnehmen kann, bevor es zu Kondensation und Niederschlag kommt. Wird die Luft aber generell wärmer, so kann sie auch mehr Feuchtigkeit aufnehmen und der so gespeicherte Wasserdampf führt wiederum zu einer Verstärkung des Treibhauseffektes.  
   
Dem entgegen steht allerdings, dass mit zunehmendem Wasserdampfgehalt der Luft auch die Bewölkung zunimmt. Wolken können wie Treibhausgase wirken. Andererseits reflektieren sie aber auch die Sonnenstrahlung zurück ins Weltall, bevor sie die Erdoberfläche erreicht. Dieser Effekt wirkt kühlend und damit dem Treibhauseffekt entgegen. Die Rolle der Wolken bei der Erderwärmung ist derzeit das wichtigste noch nicht vollständig verstandene Gebiet in der Klimaforschung.  
   
Nach neusten Erkenntnissen spielt für den Treibhauseffekt auch die Menge an Aerosolen in der Atmosphäre eine bedeutende Rolle. Ein Aerosol liegt vor, wenn flüssige oder feste Stoffe in fein verteilter Form mit Gasen vermischt sind. So wirkten die aus den Abgasen stammenden Rußteilchen im 20. Jahrhundert dem Treibhauseffekt entgegen, da sie zu einer geringfügigen Verdunkelung führten. Durch den zunehmenden Einsatz von Abgasfiltern wurde die Luft in der Folgezeit wieder klarer und die Treibhauswirkung verstärkte sich erheblich. Daher waren die anfänglichen Berechnungen bezüglich der Erwärmung zu optimistisch. Heute geht man davon aus, dass der anthropogene Treibhauseffekt zu einer wesentlich stärkeren Erwärmung in der Erdatmosphäre führen wird als bisher angenommen.  
  
Eine weitere Ursache für die Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre ist die rücksichtslose Brandrodung tropischer Regenwälder. Durch die Rodung wird Acker- und Bauland auf schnellem Weg geschaffen, dabei entstehen riesige Mengen an Kohlenstoffdioxid. Immense Mengen des lebensnotwendigen, atmosphärischen Sauerstoffs werden dabei verbraucht. 12 Prozent aller Landflächen der Erde sind mit tropischem Regenwald bedeckt, doch jährlich werden hunderttausende an Quadratkilometern Urwald gerodet. Bis in wenigen Jahrzehnten könnten die tropischen Regenwälder ganz verschwunden sein. Die meisten Tier- und Pflanzenarten der Erde leben im Regenwald, für sie gäbe es dann keinen Lebensraum mehr.  
  
 
Globaler Kohlenstoffdioxidgehalt seit 1890
Zusammenhang zwischen Anstieg Kohlenstoffdioxid und Temperatur

Quellen: Didaktisch vereinfachte Darstellungen, ausgewertet aus Daten der Messstationen, z.B. Schauinsland [10] u.v.a. und der IPCC [11]

  
 
Die Verfeuerung fossiler Brennstoffe und die Brandrodung hat in den letzten hundert Jahren zu einer messbaren Zunahme des Kohlenstoffdioxidanteils in der Atmosphäre geführt.Nicht nur Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf tragen zur Verstärkung des Treibhauseffekts bei, sondern auch Methan, Lachgas (Distickstoffoxid) und die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) [12]. Die großen Rinderherden der Welt, aber auch der Reisanbau erzeugen erhebliche Mengen an Methangas. 
   
 
Langfristige Folgen 
 
Die langfristigen Folgen des künstlichen, durch Menschen produzierten Treibhauseffektes könnten für den Menschen katastrophal ausfallen: Die Temperaturerhöhungen lassen den Meeresspiegel der Weltmeere ansteigen. In den letzten 3000 Jahren stieg der Meeresspiegel relativ konstant um 0,1 bis 0,2mm pro Jahr. Im 20. Jahrhundert beschleunigte sich der Prozess auf 1-2mm pro Jahr und seit 1993 sind es sogar 3mm. Die Temperaturerhöhungen haben den Meeresspiegel in den letzten hundert Jahren bereits um fast 25cm ansteigen lassen, bis zum Jahr 2100 wird mit einem weiteren Anstieg um bis zu einem halben Meter gerechnet [11].  
  
  
Erwarteter Anstieg Meeresspiegel bis 2100

Quelle: Vereinfacht nach IPCC, auf Grundlage des Berichts von 2007
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Die Ursache für den Meeresspiegelanstieg ist zum einen die Erwärmung der Meere selbst. Wasser dehnt sich bei Erwärmung aus. Hinzu kommt ein Abschmelzen der Inlandgletscher, wie dies in den Alpen sehr gut zu beobachten ist. Das Abschmelzen des Packeises und der Eisberge verursacht keine Erhöhung des Meeresspiegels. Das schwimmende Eis taucht im Wasser größtenteils unter, beim Abschmelzen wird daher keine nennenswerte Volumenänderung erreicht. Eine beschleunigte Eisschmelze bei den Gletschern auf dem Festland - beispielsweise in Grönland oder in der Antarktis - kann jedoch zu einem noch wesentlich höheren Anstieg der Weltmeere führen. Geht das Schelfeis in der Antarktis verloren, schmelzen die dahinter liegenden Gletscher viel schneller ab.

Inselgruppen in der Südsee oder die Malediven und vor allem arme Staaten mit großen Flutzonen wie Bangladesch sind schon bei einem geringen Anstieg massiv betroffen. Das Abschmelzen von Eis hat auch gravierende Auswirkungen auf die Tierwelt: Der Eisbär gehört in der Zwischenzeit zu den vom Aussterben bedrohten Tierarten, da er in den Nordmeeren immer weniger Eisbrücken für seine Wanderungen findet.

Klimaforscher, die an ein katastrophales Szenario glauben, prophezeien daher einen erheblich schnelleren Anstieg des Meeresspiegels bis in das Jahr 2100. Beim gesamten Abschmelzen des Grönlandeises würde der Meeresspiegel um 7,30 Meter steigen, beim Abschmelzen der gesamten Ostantarktis wären es mehr als 50 Meter. Dann gäbe es Norddeutschland oder Florida beispielsweise nicht mehr [8]. Die WWF-Studie "The Arctic Climate Feedbacks: Global Impacts kommt zu der Schlussfolgerung, dass der Meeresspiegel bis 2100 wahrscheinlich um mehr als einen Meter ansteigt [13]. Selbstverstärkende Mechanismen werden den Schmelzprozess erheblich beschleunigen. Durch das Verschwinden der reflektierenden Eisfläche wird weniger Sonnenenergie in das Weltall zurückgestrahlt. Durch die Erwärmung der Meere wird im Sediment der Meere gebundenes Methanhydrat freigesetzt. Dadurch steigt wiederum die Konzentration des Treibhausgases Methan in der Atmosphäre und der Prozess wird noch mehr beschleunigt. Dass der Anstieg des Meeres erheblich stärker ausfällt als bisher befürchtet, dieser Meinung schließt sich auch der Klimaforscher Stefan Rahmstorf an [14, u.a.].

Durch die Temperaturerhöhungen ändert sich das Weltklima. Wüsten breiten sich in bestimmten Gegenden durch die Austrocknung der Böden aus. In anderen Gegenden, zum Beispiel in Deutschland ist jedoch mit einer starken Zunahme der Niederschläge zu rechnen. Warme Luft kann wesentlich mehr Feuchtigkeit aufnehmen, was zu mehr Regen führt. Die milden Winter in unseren Breitengraden werden mehr Regen als Schnee bringen. Problematisch werden die Regenfälle im Winter dadurch, dass die Wurzeln der Bäume und die Moose des gefrorenen Waldbodens im Vergleich zum Sommer nur wenig Wasser speichern können. Das Wasser fließt sehr schnell in die Flüsse ab, es kommt auch zu verheerenden Überschwemmungskatastrophen. Mit einer Erhöhung der Temperatur steigt auch das Risiko eines Waldbrandes. So werden Teile eines weiteren bedeutenden Lebensraumes, der eigentlich zur Stabilisierung des Klimas dient, zerstört.


Hochwasser in Bern im Jahr 2005

Hochwasser der Aare in Bern im August 2005
 
 
Die Auswirkungen auf die Landwirtschaft sind unterschiedlich. Fällt die Klimaänderung nur moderat aus, kann eine Zunahme der Temperatur die Jahresproduktion verbessern. Die milden Winter tragen aber auch dazu bei, dass Schadinsekten besser überleben und sich vermehren. Der Borkenkäfer schädigt den Wald. Aber auch Maiszünsler oder Kartoffelkäfer dürften sich weiter verbreiten. Verletzungen des Maises durch Insektenfraß oder durch Hagel begünstigen den Befall mit Pilzen (vgl. 15, S. 41 ff.), so steigt das Risiko von Ernteausfällen. 
   
  
Fressender Kartoffelkäfer

 Schadinsekten wie der Kartoffelkäfer werden profitieren.
  
  
Dass eine schleichende Katastrophe bereits begonnen hat, ist im Sommer und im Winter spürbar. Es stellt sich nun die Frage, ob es schon zu spät ist oder ob der Mensch noch eingreifen und regulieren kann. Ist der Punkt bereits überschritten, an dem die Ökosysteme der Erde kollabieren oder besteht noch die Möglichkeit zur Stabilisierung?  
  
  
Maßnahmenkatalog

Erneuerbare Energien tragen zur Verminderung des Ausstoßes an Treibhausgasen bei. Die Kernenergie ist im Hinblick auf den Treibhauseffekt nur eine Kompromisslösung, da bei der Anreicherung und Wiederaufbereitung von Uran erhebliche Mengen an Kohlenstoffdioxid produziert werden. Es geht vor allem darum, dass eine neue Energie- und Verteilungspolitik betrieben wird. In Klimaschutzkonferenzen haben sich viele Staaten der Welt verpflichtet, den Ausstoß an Treibhausgasen zu begrenzen. Nach Ansicht des Autors sind diese Maßnahmen bei weitem nicht ausreichend, vor allem da sie sich zu einseitig auf das Umlegen von Kosten und Abgaben beschränken. Wünschenswert wäre eine globale Gesellschaft, die mit den Ressourcen verantwortungsbewusst umgeht und sie gleichmäßig verteilt. Dies ist wohl die größte Herausforderung für Politik und Wissenschaft in den kommenden Jahren. 

  
 
Weiterführende Infos  
   
Präsentation für Powerpoint 
Arbeitsblatt zum Mechanismus 
Fakten zum heißen Sommer 2003 
W. Däpp: Die Hitze zehrt am Gletschereis  
R. Burger: Interview mit dem Klimahistoriker Christian Pfister  
 
 
Literaturquellen

1  Collins,  William, u.a.: Die Wissenschaft hinter dem Klimawandel, in ZS Spektrum Dossier "Die fiebernde Erde", 4/2009, S. 7 ff.  
2  Pfister, Christian: Wetternachhersage. 500 Jahre Klimavariationen und Naturkatastrophen 1496-1995“, Paul Haupt Verlag 1999  
3  Tietz, Sven: Falsche Klimaskeptiker, in ZS Spektrum Dossier "Die fiebernde Erde", 4/2009, S. 63  
4  Bojanowski, Axel: Hurrikane, Schicksal oder Menschenwerk, in Sueddeutsche Zeitung, 21.08.2007 unter Bezug auf die Studie von Christopher Landsea vom National Hurricane Center, USA  
5  Ausgewertete Daten des National Hurricane Center, USA und Satellitendaten von Weather Underground, Tropical Weather, 2009  
6  Trenberth, Kevin E.: Wärmere Meere - Stärkere Hurrikane, in ZS Spektrum Dossier "Die fiebernde Erde", 4/2009, S. 24 ff.  
7  Däpp, Walter: Die Hitze zehrt am Gletschereis, in Der Bund, 18.8.2003, S. 2  
8  Bell, Robin E.: Rutschgefärdete Eisschilde, in ZS Spektrum Dossier "Die fiebernde Erde", 4/2009, S. 32 ff.  
9  Al Gore: Eine unbequeme Wahrheit, Riemann 2006  
10  Atmosphärische CO2-Konzentration an der Messstation Schauinsland des Umweltbundesamtes  
11  IPCC Bericht 2007  
12  Graedel, T.E. und Crutzen Paul J.: Chemie der Atmosphäre, Spektrum Verlag 1994  
13  Sommerkorn, Martin & Hassol, Susan Joy, u.a.: Arctic Climate Feedbacks: Global Implications, WWF International Arctic Programme, August/2009 
14  Rahmstorf, Stefan und Schellnhuber, Hans-Joachim: Der Klimawandel: Diagnose, Prognose, Therapie, Beck 2007 
15  Klimaänderungen und die Schweiz 2050, hg. von OcCC, 2007


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