Globale Erwärmung

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Treibhauseffekt

Ursache einer Temperaturzunahme bzw. -abnahme in den untersten Schichten der Atmosphäre, im Boden und in den Meeren sind letztlich Energiegewinne bzw. -verluste des Systems Erdoberfläche–Atmosphäre infolge des Treibhauseffekts.

5.1

Treibhausgase

Als Faktoren spielen dabei bestimmte Gase, die so genannten Treibhausgase, die Hauptrolle: neben Wasserdampf vor allem Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid, bodennahes Ozon sowie die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Letztere kommen als Industrieprodukte nicht von Natur aus in der Atmosphäre vor. Diese Gase haben ein sehr unterschiedliches Treibhauspotential; Methan hat eine etwa 20-mal, Distickstoffoxid eine rund 200-mal und die Fluorchlorkohlenwasserstoffe sogar eine bis zu 10 000-mal höhere Wirkung als Kohlendioxid.

Außerdem bleiben diese Treibhausgase nach ihrer Freisetzung unterschiedlich lange in der Atmosphäre. So besitzen z. B. die wichtigsten Fluorchlorkohlenwasserstoffe eine atmosphärische Verweilzeit von 45 bis 100 Jahren, Distickstoffoxid bleibt noch einige Jahrzehnte länger in der Luft. In der Kombination von hohem Treibhauspotential und langer Verweilzeit können daher bestimmte Gase selbst in geringsten Konzentrationen beträchtliche Auswirkungen auf den Energiehaushalt der Erde haben.

Gegenspieler der Treibhausgase sind die Aerosole, winzige in der Luft schwebende Partikel, die durch natürliche Vorgänge wie Vulkanausbrüche und Staubstürme oder durch menschliche Aktivitäten wie die Verbrennung von Energieträgern in die Atmosphäre gelangen. Sie werfen die Sonnenstrahlung in den Weltraum zurück und verringern auf diese Weise die Energiezufuhr zur Erdoberfläche. Ohne die abkühlende Wirkung der Aerosole fiele die globale Erwärmung wahrscheinlich deutlich höher aus.

Parallel zum Temperaturanstieg verlief eine Zunahme der Konzentrationen dieser Treibhausgase. Eingehend untersucht ist der Anstieg des Kohlendioxidgehalts durch direkte Messungen sowie durch die Untersuchung von Proben aus den Eismassen der Polargebiete, die als natürliche Klimaarchive dienen. Danach lag der Kohlendioxidgehalt der Luft zwischen den Jahren 1000 und 1800 nahezu konstant bei 280 ppm (Millionstel Volumenanteilen), etwa 200 Jahre später beträgt die CO₂-Konzentration rund 380 ppm, ist damit um mehr als ein Drittel höher als vor dem Beginn des Industriezeitalters. Mit 150 Prozent stieg die atmosphärische Methankonzentration im selben Zeitraum noch viel stärker.

Von den FCKW abgesehen haben alle Treibhausgase natürliche Quellen, aus denen sie stammen, und so genannte Senken, in denen sie gespeichert werden. Methan stammt z. B. zu 40 Prozent aus natürlichen Quellen (hauptsächlich Sumpfgebieten), der Rest vor allem aus Reisfeldern, Mülldeponien, Erdgasquellen und Weidegebieten von Viehherden. Zu den Emissionen von Distickstoffoxid tragen anthropogene (vom Menschen geschaffene) Quellen (Landwirtschaft, Industrie, Verkehr) knapp 50 Prozent bei. Wesentlich kleiner ist ihr Anteil beim Kohlendioxid, das hauptsächlich bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder durch Waldbrände in die Atmosphäre gelangt. Die mengenmäßig wichtigsten natürlichen Quellen sind jedoch die Ozeane sowie die unter- und oberirdische Biomasse auf den Festländern.

In der Bilanz tragen menschliche Aktivitäten einen beachtlichen Anteil zur Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre bei und verstärken dadurch den natürlichen Treibhauseffekt (ohne den die Erde ein Planet ohne höheres Leben wäre). Man spricht daher vom anthropogenen oder anthropogen verstärkten Treibhauseffekt. Die globale Erwärmung geht somit zum Teil auf Emissionen von Abgasen zurück, genauere quantitative Angaben über deren Anteil an der Erwärmung sind allerdings noch nicht möglich.

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Folgen des Temperaturanstiegs

Unabhängig von der Antwort auf die Frage, welche Faktoren die Erderwärmung entscheidend beeinflussen, steht fest, dass der Temperaturanstieg weitreichende Folgen hat und haben wird, die in ihrer gesamten Tragweite überhaupt noch nicht einzuschätzen sind. Rückkoppelungsmechanismen (siehe neuronale Netzwerke) mit oftmals überraschenden Effekten kennzeichnen das Klimasystem. Dies gilt vor allem für die Kryosphäre, die vom Klima gestaltet wird, selbst aber auch das globale Klima auf die verschiedenste Weise maßgeblich beeinflusst.

Meereis in den Polarmeeren mindert über die höhere Albedo heller Flächen die Energiezufuhr und damit den Temperaturanstieg. Da aber das Meereis wegen höherer Temperaturen rasch schmilzt, wird die globale Erwärmung durch die Schrumpfung der Eisflächen verstärkt. Einen ähnlichen Effekt hätte das Abschmelzen der großen Inlandeismassen (siehe Vergletscherung) in den Polargebieten. Damit ist jedoch im nächsten Jahrhundert nicht zu rechnen, da Eisflächen von einigen Millionen Quadratkilometern Größe gewissermaßen ihr eigenes Klima erzeugen. Kleinere Gletscher in den außerpolaren Hochgebirgen werden dagegen vermutlich weiter schwinden, ebenso der Dauerfrostboden, der gegenwärtig auf der Nordhalbkugel noch eine Fläche von rund 25 Millionen Quadratkilometern einnimmt. Da im dauernd gefrorenen Boden Methan gespeichert ist, werden beim Auftauen große Mengen dieses wichtigen Treibhausgases freigesetzt, die in einer Art Selbstverstärkungsprozess die Erderwärmung beschleunigen. Außerdem bildet der Dauerfrostboden, solange er intakt ist, ein stabiles Fundament der Landschaft. In Gebirgen können durch das Schwinden des Dauerfrostbodens Bergstürze ausgelöst werden.

6.1

Meeresspiegel

Der rasche Anstieg des Meeresspiegels von der kältesten Phase der jüngsten Eiszeit vor rund 20 000 Jahren bis ins Holozän um mindestens 100 Meter zeigt, welche dramatischen Folgen eine Erwärmung des globalen Klimas haben kann. Damals wurden durch den Rückfluss von Schmelzwasser in die Ozeane mehrere Millionen Quadratkilometer Land überflutet und einstige Landbrücken zwischen den Kontinenten unterbrochen. Heute sind in den Eisschilden der Antarktis und Grönlands, die 99 Prozent der Eismassen der Erde umfassen, insgesamt gut 30 Millionen Kubikkilometer Eis gespeichert. Sollten diese Eisschilde vollständig abschmelzen, dann würde der Meeresspiegel um 70 bis 80 Meter ansteigen. Ein totales Abschmelzen der Inlandeismassen in den nächsten Jahrhunderten ist allerdings unwahrscheinlich.

Im Zeitraum der globalen Erwärmung ist der Meeresspiegel um 10 bis 20 Zentimeter gestiegen. Gegenwärtig steigt er im weltweiten Durchschnitt um etwa zwei Millimeter pro Jahr an, mit Ausnahme einiger Küsten, an denen die Pegelstellen hauptsächlich wegen der Landhebung durch Glazialeustasie sinkende Wasserstände verzeichnen. Diese Anstiegsraten sind etwa zehnmal höher als der Durchschnittswert der letzten 2 000 Jahre. Vom jährlichen Anstieg ist jedoch allenfalls die Hälfte auf den Zustrom von Schmelzwasser zurückzuführen. Da die Wassertemperaturen in den obersten Schichten der Meere im vergangenen Jahrhundert um etwa 0,6 °C gestiegen sind und sich Wasser bei Erwärmung ausdehnt, wird der Meeresspiegelanstieg durch die thermale Expansion verstärkt. Modellberechnungen und die wenigen bisher vorliegenden langjährigen Messreihen deuten darauf hin, dass die wärmebedingte Ausdehnung den Meeresspiegel um bis zu 1,5 Millimeter pro Jahr steigen lässt. Auf einen Zeitraum von 100 Jahren umgerechnet und unter den unveränderten Bedingungen des anthropogen verstärkten Treibhauseffekts könnten Eisschmelze und thermale Expansion zusammen den Meeresspiegel zukünftig um ungefähr einen halben Meter steigen lassen. Damit wäre für viele flache Küstengebiete und Inseln die kritische Schwelle längst überschritten, insbesondere für viele Inseln im Indischen und im Pazifischen Ozean, von denen viele nur wenige Meter über das heutige Meeresniveau aufragen.

6.2

Klima

Die Gefahr, dass die meist in den Tropen gelegenen flachen Inseln vollkommen überflutet werden, ist bei tropischen Wirbelstürmen wie Hurrikanen besonders groß. Im tropischen Atlantik ist die Anzahl der Tropenstürme seit Mitte der siebziger Jahre des 20. Jahrhunderts – und damit seit Beginn der Phase mit besonders starker globaler Erwärmung – deutlich gestiegen; niemals zuvor wurden so viele tropische Stürme registriert wie im Jahr 2005. Gleichzeitig hat die Intensität der Stürme zugenommen, der Luftdruck im Kern des Wirbels – neben der Windgeschwindigkeit ein Maß für die Stärke des Sturms – fiel beim Hurrikan Wilma im Oktober 2005 auf den tiefsten jemals über dem Atlantik gemessenen Wert (882 Hektopascal). Dieser Trend folgt recht genau dem Anstieg der Temperaturen der Meeresoberflächen in den Sommermonaten.

Die anthropogen verstärkte und/oder stärkere natürliche Zufuhr von Energie in das System Erdoberfläche–Atmosphäre äußert sich darüber hinaus in anderen extremen Wetterereignissen wie Starkniederschlägen und Überschwemmungen im Binnenland, die mittlerweile neben den Wirbelstürmen zu den folgenschwersten Naturkatastrophen gehören, sowie in lange andauernden Dürreperioden und Hitzewellen. Diese Phänomene kamen bis zur Mitte der siebziger Jahre des 20. Jahrhunderts nur auf etwa 10 Prozent der Festlandsfläche vor, sind mittlerweile aber auf mindestens 20 Prozent der Landfläche zu erwarten.