Von Amardeo Sarma

Fortsetzung von Teil 1

Das Klima in der aktuellen Diskussion

Nach Greta Thunberg und dem Video von Rezo ist das Thema Klima ganz oben auf der Tagesordnung. Faktenchecks überschlagen sich, von Stefan Rahmstorf über Mai Thi Nguyen-Kim und Medien bis hin zum „Science Skeptical“.

Das Rezo-Video (Min. 5:20 bis Min. 25:25) und die Faktenchecks eignen sich gut für eine Bestandsaufnahme. Nach der Bewertung der Grundaussagen zum Klimawandel in Teil 1 geht es hier im Teil 2 um Kohlendioxid und Temperaturen in der Vergangenheit.

Alle Fragen sind hauptsächlich im Kontext einer Bewertung der aktuellen Diskussion im deutschsprachigen Raum zu sehen, wobei der Klimawandel selbstverständlich eine globale Herausforderung darstellt.

Kohlendioxid und Temperaturen in der Vergangenheit

Blieb die Konzentration von CO₂ in den letzten Millionen Jahren in etwa gleich? Rezo und Mai Thi schätzen das etwas unterschiedlich ein.

Tatsächlich bewegte sich die CO₂-Konzentration in den letzten drei Millionen Jahren in sehr engen Grenzen (180 – 280 ppm). Ob wir diese Schwankung als wesentlich (Mai Thi) oder eher bedeutungslos ansehen (Rezo), ist Ansichtssache. Jedenfalls waren die Konzentrationen in den letzten drei Millionen Jahren nicht höher als heute.

Das sah allerdings vor dieser Zeit schon anders aus – mit viel höheren Konzentrationen. Vor 50 Millionen Jahren betrug die CO₂-Konzentration 1500 ppm, als wir eine Warmzeit auf der Erde hatten.

Hier ist zugleich die Auseinandersetzung mit einer anderen Behauptung wichtig, die auch in Science Skeptical wiederholt wird. Der CO₂-Gehalt sei nicht so bedeutsam, unter anderem deswegen, weil im Karbon vor mehr als 300 Millionen Jahren „der CO2-Gehalt bei etwa 800 ppm [das Doppelte von heute] lag und die Globaltemperatur um den Wert der heutigen [liegt].“

Was hierbei nicht berücksichtigt wird, ist, dass die Sonneneinstrahlung mit der Zeit zugenommen hat, was als Paradoxon der leuchtschwachen jungen Sonne bekannt ist (siehe Diagramm):

Das Paradoxon geht auf die Astronomen Carl Sagan und George Mullen zurück. Eigentlich hätte die frühe Erde gefroren sein müssen, denn die Sonne war damals 25 Prozent schwächer als heute. Vermutlich waren sowohl eine geringere Albedo (es wurde weniger Licht von der Erde zurückgestrahlt) als auch höhere Konzentrationen von Treibhausgasen verantwortlich.

Langfristig – also über Hunderte Millionen von Jahren – bewirkt die Sonneneinstrahlung eine Erhöhung der Temperaturen. In kurzen Zeiträumen – in Millionen Jahren – ist diese Änderung aber kaum zu spüren.

Temperaturen von Planeten

Wie hoch „sollten“ die Temperaturen von Planeten sein? Von welchen Faktoren hängen sie ab?

Temperaturen von Planeten ohne Atmosphäre

Schon Jean Baptiste Fourier erkannte 1822, dass die Erde wärmer war, als sich durch die Sonneneinstrahlung erklären ließ. Er vermutete, dass die Atmosphäre wie eine Dämmung wirkt. Dieser Effekt wurde später als „Treibhaus“-Effekt bezeichnet.

Bei konstanten globalen Temperaturen wäre die Sonneneinstrahlung und die von der Erde abgestrahlten Wärme in Form von Infrarotstrahlung gleich.

Bei einem solchen Gleichgewicht bei einem atmosphärenlosen Planeten wäre anfallende Energie in der Formel unten links und die abgestrahlte Energie nach der Boltzmann-Gleichung abgestrahlte Energie identisch. Ein Planet würde sich dann insgesamt weder abkühlen noch aufwärmen.

Durch die Umstellung der Gleichung sehen wir, dass die durchschnittliche Temperatur eines Planeten nicht vom Durchmesser des Planeten, sondern nur noch vom einfallenden Licht L und der Albedo α (wieviel Licht zurückgestrahlt wird) abhängig ist. ε und σ sind Konstanten.

Mit der heutigen Albedo und ohne Treibhausgase betrüge die Durchschnittstemperatur auf der Erde -19^oC statt +15^oC. Als Vergleich: Der Mond hat mit derselben Entfernung von der Sonne wie die Erde eine Durchschnittstemperatur von etwa 0 ^oC ohne Atmosphäre aufgrund der niedrigeren Albedo. Die berechneten und tatsächlichen Temperaturen einiger Planeten und des Mondes sehen wir unten.

Wenn sich die Albedo der Erde von 0,306 auf etwa 0,25 verändern würde, hätten wir ohne eine Änderung anderer Effekte eine Erde, die 5^oC wärmer ist, mit einer Albedo wie auf der Venus um 57^oC  (!) kälter.

Diese Berechnung ist selbstverständlich eine Annäherung, wie man an den Differenzen zwischen den berechneten und realen Temperaturen des Planeten Merkur und des Mondes sieht, beide Objekte ohne Atmosphäre.

Tatsächlich ist die Temperatur nicht überall auf einem Planeten gleich, was zu der Ungenauigkeit führt. Bei Merkur mit den sehr unterschiedlichen Temperaturen auf der Tag- und Nachtseite sieht man das deutlich.

Der Treibhauseffekt

Der Grund für den Unterschied zwischen dem realen und dem für einen nackten Planeten berechneten Wert liegt an dem Treibhauseffekt. Die Gase, die für den Treibhauseffekt verantwortlich sind, spürte John Tyndall auf.

Er zeigte, dass es Gase, deren Moleküle aus unterschiedlichen Atomen bestehen, wie Kohlendioxid und Wasserdampf, Infrarot-Strahlung aufnehmen, während sie sichtbares Licht durchlassen. Gase wie Sauerstoff oder Stickstoff hingehen lassen Infrarot-Strahlung und Licht durch.

Bei der Venus sieht man diesen Effekt besonders stark. Aufgrund des hohen Albedos wäre eine „nackte“ Venus noch kälter als eine nackte Erde, wie bereits oben gezeigt wurde.

Die Venus hat allerdings eine sehr dichte Atmosphäre, die fast ausschließlich aus Kohlendioxid besteht. Und sie hat, um diesen Einwand gleich aufzulösen, auch keine innere Wärmequelle.

Vermutlich hat die Venus irgendwann einen „galoppierenden“ (Englisch: runaway) Treibhauseffekt gehabt. Das Wasser auf der Venus ging dadurch vollständig verloren. Laut NASA könnte die Venus davor sogar bewohnbar gewesen sein.

Der Klimapionier James Hansen begann seine Karriere mit der Untersuchung des Treibhauseffektes auf der Venus, bevor er zu der Überzeugung kam, die Erde sei viel interessanter. Er wünsche sich, sagt er heute, dass er mit seinen Prognosen Unrecht gehabt hätte.

Auf der Erde reichen bereits die geringen Mengen an Treibhausgasen in der Atmosphäre, vor allem Kohlendioxid verstärkt durch Wasserdampf, um den Unterschied von 34^oC zur „nackten“ Erde auszumachen.

Wer die Effekte mit der Veränderung einzelner Werte, wie von Kohlendioxid, ausprobieren möchte, verweise ich auf dieses exzellente Werkzeug der University of Chicago.

Temperaturveränderungen im Kontext verschiedener Faktoren

Zurück zu dem Einwand, die Erde hätte bei 800 ppm CO₂ vor mehr als 300 Millionen Jahren eine ähnliche Temperatur gehabt wie heute: Ja, der Treibhauseffekt – unter Annahme einer ähnlichen Albedo – hätte bei einer schwächeren Sonneneinstrahlung für ähnliche Temperaturen höher sein müssen. Es kam hinzu, dass die Albedo sehr wahrscheinlich niedriger war.

Welche anderen Faktoren gibt es für Temperaturschwankungen? Mai Thi weist darauf hin, dass es in der letzten Eiszeit zu Schwankungen innerhalb der noch anhaltenden derzeitigen Kaltzeit aufgrund von Unregelmäßigkeiten der Erdumlaufbahn kam.

Das stimmt für die Temperaturschwankungen innerhalb der Eiszeit. Die großen Temperaturänderungen zwischen Kalt- und Warmzeiten sind dagegen durch die Verschiebung der Kontinente entstanden, unter anderem die Bildung der Eisschicht auf der Antarktis, wodurch die Albedo der Erde höher und so mehr Licht von der Sonne zurückgestrahlt wurde.

Auf solche Faktoren geht der Bildungsserver Klimawandel ein:

Der Hauptgrund für die Änderungen des CO₂-Gehaltes im Känozoikum wird in Bewegungen der afrikanischen und indischen Platte gesehen. Sie haben zunächst zu den starken Gebirgsauffaltungen der Alpen und des Himalaya und damit zu intensiver vulkanischer Aktivität geführt.

Nach der Heraushebung vor allem des Himalaya und des tibetischen Plateaus verbrauchten starke chemische Verwitterungsprozesse sehr viel atmosphärisches Kohlendioxid, das mit den Sedimenten dem Meer zugeführt und über lange Zeiträume dem Kohlenstoffkreislauf entzogen wurde.

Interessant in diesem Zusammenhang ist die Aussage von Stefan Rahmstorf in seinem Faktencheck. Er schreibt:

Man muss wahrscheinlich sogar rund 120.000 Jahre weit zurückschauen, bis in die Eem-Warmzeit, um eine höhere globale Mitteltemperatur zu finden als jetzt. Wir Menschen haben seit Beginn unserer Zivilisation nie höhere Temperaturen erlebt.

Science Skeptical widerspricht. Die Blogger meinen, die Temperaturen seien sowohl im Mittelalter als auch vor etwa 7000 Jahren wärmer gewesen. Einen hilfreichen Überblick findet man in der Grafik einer Publikation von James Hansen und Makiko Sato.

Die obere Line ist das Maximum im Holozän, das vor etwa 11.700 Jahren begann, bis zur Zeit vor dem letzten Jahrhundert. Dieses Maximum gibt Hansen – grob ähnlich mit Science Skeptical – für die Zeit vor 8000 Jahren an. Es sei allerdings um die Jahrtausendwende (2000) überschritten worden.

Den unten ausgeführten Temperaturverlauf aus Wikipedia kann man als ziemlich repräsentativ betrachten, auch wenn es abweichende Darstellungen gibt, zum Beispiel von Loehle et al., die allerdings wegen der Methodik stark kritisiert werden, die von Loehle teils, aber nicht ganz korrigiert wurden. Das Problem ist, dass alle Temperaturen von Proxy-Daten (Eiskerne, Ozeane) auf Annahmen beruhen und die Methoden kritisiert werden können.

Proxy-Daten sind indirekte Daten, zum Beispiel Proben aus Eiskernen. Die dort entnommenen Proben zeigen Konzentrationen vom Sauerstoff-Isotop ¹⁸O, die auf Temperaturen aus der Zeit – je nach Tiefe der entnommenen Probe – schließen lassen. Da sie keine direkte Messungen sind, müssen sie als Annäherung gesehen werden.

Im Übrigen: Auch gemessene Daten können Fehler aufweisen und müssen immer wieder korrigiert werden, wie es in Nature bezüglich der Temperatur der Ozeane berichtet wurde. Es sind also nicht nur die Proxy-Daten: Auch gemessene Werte können, wie hier durch die Änderung der Messmethoden, einen „Bias“ haben. Werden solche Verzerrungen erkannt, müssen sie korrigiert werden.

Solche Anpassungen sind kein „Trick“, um das gewünschte Ergebnis zu erzeugen, wie manche meinen. Solche Aussagen zeugen von einem grundsätzlichen Missverständnis der wissenschaftlichen Praxis. Wir machen immer wieder Annahmen über Messmethoden und müssen auch diese immer wieder hinterfragen und prüfen. Stimmt etwas nicht, müssen sie korrigiert werden.

Insgesamt ist man sich ziemlich einig, dass das Holozän erstens eine Zeit mit eher geringen Temperaturänderungen ist – manche meinen sogar maßgebend für die Entwicklung der Menschheit in den letzten 10.000 Jahren – und andererseits es einen leichten Abkühlungstrend gibt, der auch durch die von Mai Thi erwähnten Zyklen verursacht wird und normalerweise andauern sollte.

Wir haben allerdings seit der Industrialisierung diesen Trend umgekehrt und befinden uns jetzt bei einer globalen Temperatur, die höher ist als je zuvor im Holozän.

Wieso kommen aber einige, wie bei Science Skeptical, zu ganz anderen Schlussfolgerungen?

Einerseits ist es so, dass man immer Veröffentlichungen findet, die vom Mainstream abweichende Grafiken zeigen.

Dabei fällt vor allem eins auf: Es werden Temperaturen im Norden der Erde und vor allem Europa betrachtet und mit Geschichten über die Römer und die Wikinger umrankt. Und tatsächlich gab es im Norden Warmzeiten, die aber mitnichten mit Warmzeiten in anderen Regionen der Erde zusammenfielen.

Es lohnt sich deshalb, die Lage, das Klima und die Temperaturen auf der gesamten Erde, und nicht nur in Europa und Grönland anzuschauen.

Der Nationale Forschungsrat (National Research Council) des US-Repräsentantenhauses stellte 2006 einen Bericht zusammen, der im Wesentlichen bezüglich der sogenannten Hockeystick-Kontroverse bestätigt, dass wir auf der Nordhalbkugel in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts – noch vor der weiteren Erwärmung in diesem Jahrhundert – sehr wahrscheinlich die wärmste Zeit der letzten 1000 Jahren hatte. Im Grundsatz stimmt also die Aussage von Stefan Rahmstorf.

Der Bericht stellte allerdings anhand der Unsicherheiten der Proxy-Daten auch klar, dass Aussagen wie die, dass das Jahr 1998 das wärmste im letzten Jahrtausend gewesen sei, überzogen sind. Anhand der Unsicherheiten bei der Feststellung der Temperaturen durch Proxy-Daten kann man solche Aussagen nicht mit großer Zuversicht bestätigen; sie bleiben Vermutungen, die stimmen können oder auch nicht.

Selbst wenn wir nicht die höchsten Temperaturen im Holozän erreicht hätten, sehen wir an der Grafik von Hansen und Soto, dass wir bei einem weiteren Temperaturanstieg bald höhere Temperaturen haben werden als in den letzten drei Millionen Jahren. Bei einem weiteren Temperaturanstieg um 2 – 3^oC sind wir bereits bei den höchsten Temperaturen seit fünf Millionen Jahren.

Drohen Spiralen oder ist alles halb so schlimm?

Dass uns auch die Gefahr von „Spiralen“ droht, wissen wir aus der Erdgeschichte. Zum Beispiel brachte das Abschmelzen des Laurentidischen Eisschilds in Nordamerika erheblich höhere Meeresspiegel und Temperaturen, wie wir sie jetzt im Holozän nach dem Höhepunkt der Eiszeit haben.

Allerdings ist das kaum mit einem konkreten Ziel (ob 1,5^oC oder 2,0^oC) zu verbinden. Wir wissen lediglich, dass jede zusätzliche Erwärmung das Risiko erhöht. Ebenfalls korrekt ist, dass der Verlust von Spezies „irreversibel“ ist und dass dies in größerem Maße als in den letzten paar Millionen Jahren stattfindet. Wir haben ein massives Problem.

Man sollte allerdings auch hier klarstellen, dass dieses Artensterben nicht die grundsätzliche Bewohnbarkeit der Erde für die Spezies Homo sapiens betrifft. Und es besteht auch nicht die Gefahr, dass das Leben insgesamt ausgelöscht wird. Der Klimawandel wird also bei allen massiven Problemen, die er uns bereitet und die uns ziemlich sicher bevorstehen, ebenfalls ziemlich sicher nicht zu einer Apokalypse führen, wie manche meinen.

Bevor wir das Thema Kohlendioxid verlassen, bedarf es noch einer Richtigstellung der Aussagen in Science Skeptical darüber, wie schnell dieses nach einem Ende anthropogener Emissionen abgebaut wird. Es wird der Eindruck erweckt, die CO₂-Konzentrationen würden in wenigen Jahrhunderten nach einem Stopp der Emissionen auf 350 bzw. 300 ppm sinken.

Während der Biokreislauf sehr schnell wirkt, dauert die Abnahme durch die Aufnahme von CO2 in den Ozeanen Jahrhunderte und der komplette Abbau durch die Gesteinswitterung Hundertausende Jahre. In Veröffentlichungen von David Archer wird dies der „Long Tail“ genannt.

Es spricht also nichts dafür, dass wir bei einem Spitzenwert von etwa 600 – 700 ppm in weniger als 10.000 Jahren wieder auf einen Wert zwischen 300 und 350 ppm kommen werden.

Je geringer das Maximum der Kohlendioxid-Konzentrationen, desto weniger drastisch werden die Folgen über tausende von Jahren sein.

Fazit: In der Erdvergangenheit gab es viele Faktoren, die zu Temperaturveränderungen führten. Neben Änderungen der Albedo und eine mit der Zeit stärker scheinende Sonne spielten Veränderungen der Konzentrationen von Treibhausgasen, vor allem Kohlendioxid, eine wesentliche Rolle.

Zum Weiterlesen:

• Rezo-Video: Die Zerstörung der CDU
• Stefan Rahmstorf: Klimalounge, Scilogs, Das Rezo-Video im Faktencheck,
• Mai Thi, mailab: Rezo wissenschaftlich geprüft, mailab am 23. Mai 2019
• Science Skeptical Blog: Stefan Rahmstorf und Rezo im Faktencheck,
• Mark Lynas: Six Degrees – Our Life in a Hotter Planet (Neuauflage geplant), HarperCollins, ISBN 978-0-00-720903-7, hier eine Kurzfassung
• Matt Smith: AAAS Climate Change Resources for STEM Professionals, Public, 2016
• Katie Herzog: Scientists told President LBJ about climate change in 1965, grist.org am 5. Nov 2015
• Vortragsvideo: Klima und Bevölkerungswachstum – Wo liegen die Handlungsspielräume? GWUP-Blog am 1. Oktober 2018
• Energiepolitik: Wider das Schwarz-Weiß-Denken der Puristen, GWUP-Blog am 18. September 2017
• Unser Klima am Scheideweg, GWUP-Blog am 12. Juni 2017
• Der Hitzesommer und die Fake News der Klimawandelleugner, GWUP-Blog am 28. Juli 2019
• Juli-Wetter geht „in die meteorologischen Geschichtsbücher“ ein, Welt-Online am 30. Juli 2019
• SkepKon-Video: „Energiewende – aber wie?“ mit Dr. Norbert Aust, GWUP-Blog am 30. Juli 2019
• National Academy Press: Surface Temperature Reconstructions for the last 2,000 Years.
• Hansen, J.E., and M. Sato, 2012: Paleoclimate implications for human-made climate change. In Climate Change: Inferences from Paleoclimate and Regional Aspects; A. Berger, F. Mesinger, and D. Šijački, Eds. Springer, pp. 21-48
• News and Views: Corrections to ocean-temperature record resolve puzzling regional differences, Nature 571, 328-329 (2019) doi: 10.1038/d41586-019-02147-w
• Chan, D; Kent, E.C.; Berry, D.I.; Huybers, P: Correcting datasets leads to more homogeneous early-twentieth-century sea surface warming, Nature, volume 571, pages 393–397 (2019)