Treibhauseffekt und klimaänderung
Treibhauseffekt und Klimaänderung
Wodurch wird das Klima bestimmt?
Als Klima wird der charakteristische Zustand der Erdatmosphäre über einer bestimmten Region bezeichnet. Die Witterung eines einzelnen Jahres kann erheblich von diesem Zustand abweichen.
Die Klimazonen der Erde sind in erster Linie durch die unterschiedliche Dauer der Sonneneinstrahlung und deren Einfallswinkel geprägt. Je länger die Sonne über dem Horizont steht und je höher im Zenit, desto mehr Strahlungsenergie ist zur Erwärmung der Erdoberfläche verfügbar. Zusätzlich wird das Klima durch die Beschaffenheit der Erdoberfläche beeinflußt. Abhängig von
Wasseroberflächen oder Festland, von Flachland oder Gebirge ändern sich Temperatur, Wind, Niederschlag und Feuchte.
Die Temperatur der bodennahen Luftschichten beträgt über die gesamte Erdoberfläche und übers Jahr gemittelt derzeit etwa +15 °C. Durch natürliche Klimaschwankungen im Laufe eines Jahrhunderts kann dieser Wert um größenordnungsmäßig 0,5 °Cvariieren; über längere Zeiträume, z. B. während der Eiszeit, haben sich die Mitteltemperaturen um mehrere Grad geändert.
Der natürliche Treibhauseffekt
Die auf die Erdoberfläche auftreffende kurzwellige Sonnenstrahlung mit Wellenlängen zwischen 0,3 und 3,0 Mikrometer (µm) hätte eine bodennahe Lufttemperatur von nur -18 °C zur Folge. Die Differenz von 33 Grad zur derzeitigen Gleichgewichtstemperatur von +15 °C wird durch Strahlungsabsorption in der Erdatmosphäre verursacht.
In den letzten 1.000.000 Jahren haben sich die Temperaturschwankungen ausgedehnt, das meint das sich die Differenzen zwischen den Schwankungen ausgeglichen haben.
Die kurzwellige Sonnenstrahlung wird zu insgesamt 30 % (Atmosphäre 26 % und Erdoberfläche 4 %) reflektiert (Bild 1, [A]), 19 % erwärmen die Atmosphäre [B] und 51 % die Erdoberfläche [C]. Ein Teil der von der Erdoberfläche empfangenen Energie wird durch Wärmetransporte an die Atmosphäre abgegeben [D]. Die beobachtete langwellige Ausstrahlung der +15°C warmen Erdoberfläche beträgt 390 W/m² entsprechend 116 % [E].
Dies übersteigt erheblich die kurzwellig eingestrahlte Energiemenge und führt lediglich deshalb nicht zu einer kontinuierlichen Abkühlung der Erdoberfläche, weil nur etwas mehr als 1/10 der langwelligen Ausstrahlung der Erdoberfläche die Atmosphäre durchdringt und in den Weltraum abgestrahlt wird [F].
Der größere Anteil von fast 9/10 wird von der Atmosphäre absorbiert [B] und zur Erdoberfläche zurückgestrahlt [G]. Ein geringerer Teil der durch die Atmosphäre absorbierten Strahlung wird in den Weltraum abgestrahlt [H]. Diese Absorptionswirkung der Atmosphäre ist der eines Glasdaches in einem Treibhaus vergleichbar - daher der Name Treibhauseffekt.
Welche Gase sind am Treibhauseffekt beteiligt?
Treibhausgase absorbieren langwellige Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen (Absorptionsbanden) und in unterschiedlichem Ausmaß (Absorptionskoeffizient, Bild 3). Der Hauptabsorber ist Wasserdampf (H2O), der aber im Bereich zwischen sieben und 13 µm keine Absorptionswirkung hat - hier liegt das sogenannte Wasserdampffenster.
Gase, deren Absorptionsbanden im Bereich dieses H2O-Fensters liegen, tragen in besonderem Maße zur Absorption der langwelligen Ausstrahlung der Erde und damit zum Treibhauseffekt bei. Hierzu gehört Kohlendioxid (CO2), dessen stärkste Strahlungsabsorption am Rande des asserdampffensters stattfindet. Als weitere Treibhausgase sind Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O), uorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und Ozon (O3) zu nennen. Die vorindustrielle Konzentration
dieser Gase sowie ihr Anteil am natürlichen Treibhauseffekt sind in der Tabelle dargestellt.
Welche Wirkung haben anthropogene Emissionen?
Nehmen die Konzentrationen der Treibhausgase zu, so wächst die Absorption der langwelligen Abstrahlung der Erdoberfläche durch die Atmosphäre (Bild 1, [E]). Die Rückstrahlung zur Erde [G] nimmt zu, so daß die bodennahen Luftemperaturen ansteigen.
Der natürliche Treibhauseffekt wird somit durch anthropogene Treibhausgase verstärkt.
Seit Beginn der industriellen Entwicklung im 19. Jahrungdert hat sich vor allem die CO2-Konzentration durch den Einsatz fossiler Brennstoffe erhöht. Aber auch die Konzentrationen von CH4 und N2O sind angestiegen. Die bodennahe Ozonkonzentration hat sich durch anthropogene Emissionen ebenfalls erhöht (vgl. Info 1 "Sommersmog").
Zusätzlich sind heute die synthetisch hergestellten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die einen hohen Absorptionskoeffizienten besitzen, in der Atmosphäre vorhanden.
Die langwellige Strahlungsabsorption der Atmosphäre hat sich durch anthropogene Emissionen bisher um nahezu 2 % verstärkt. Die Zunahme der Mitteltemperatur seit 1860 wird auf 0,6 °C geschätzt. Der Anteil der Treibhausgase an dieser Temperaturerhöhung ist der Tabelle zu entnehmen. Wegen der natürlichen Klimaschwankungen läßt sich ein Anstieg dieser Größenordnung anhand des gemessenen Temperaturverlaufs jedoch noch nicht signifikant nachweisen; dies wird erst in
Temperaturzeitreihen, die weit in die Zukunft reichen, erkennbar sein. Gleichwohl ist sicher, daß durch anthropogene Emissionen im bisherigen Ausmaß Klimaveränderungen auftreten werden, da durch Erhöhung der Treibhausgaskonzentrationen ein leicht nachvollziehbarer und schon natürlicherweise sehr wirksamer physikalischer Effekt im Strahlungssystem Erde-Atmosphäre verstärkt wird.
Wie ändert sich das Klima in der Zukunft?
Die weitere Klimaentwicklung hängt entscheidend von der Menge der anthropogen emittierten Treibhausgase ab. Bezogen auf einen Zeitraum von 100 Jahren enthält die Tabelle Angaben über die Treibhauswirkung der verschiedenen Gase relativ zu CO2 und den daraus abgeleiteten Anteilen am anthropogenen zusätzlichen Treibhauseffekt. Bezogen auf die gleiche Masse (1 kg) sind FCKW die stärksten anthropogenen Treibhausgase. Aufgrund der durch den Einsatz fossiler Brennstoffe ungeheuergroßen CO2-Emission kommt die überragende Bedeutung aber diesem Stoff zu, der aufgrund seiner Emissionsmenge mit 61 % den überwiegenden Anteil am zusätzlichen Treibhauseffekt aufweist.
Aufgrund der vielfältigen Zusammenhänge lassen sich Vorhersagen über Art und Umgang von Klimaveränderungen nur mit Hilfe von komplizierten Modellen treffen. Die Ergebnisse aller Modellrechnungen stimmen darin überein, daß zunehmende Treibhausgaskonzentrationen eine Erhöhung der mittleren Temperatur zur Folge haben werden.
Die vorhergesagte Temperaturzunahme aufgrund einer Verdoppelung der CO2-Konzentration schwankt zwischen 1,5 und 4,5 °C. Eine Abschätzung der Klimaentwicklung unter der Annahme, daß die gegenwärtige Wachstrumsrate der CO2-Emission konstant bleibt, führt zu einer Temperaturzunahme von ca. 0,3 °C pro Jahrzehnt.
Der Temperaturanstieg aufgrund einer Zunahme der Treibhausgaskonzentrationen verzögert sich - vor allem aufgrund der Wärmekapazität der Ozeane - um ungefähr 30 Jahre; d. h. die Temperaturentwicklung bis mindestens zum Jahr 2020 ist durch die bisherigen Veränderungen der Treibhausgaskonzentrationen bereits vorprogrammiert.
Um einen darüberhinausgehenden
Temperaturanstieg zu vermeiden, ist den Modellprognosen zufolge eine Reduktion der derzeitigen weltweiten CO2-Emissionen um 60 % notwendig.
Auswirkungen einer Klimaänderung
Die Klimaparameter Temperatur, Niederschlag und Bodenfeuchte bestimmen die Zusammensetzung von Ökosystemen und die Anbaugebiete für Kulturpflanzen. Eine Klimaänderung würde die Zusammensetzung von Ökosystemen beeinflussen und deren Stabilität beeinträchtigen. Die optimalen Lebensbedingungen für Kulturpflanzen würden in den gegenwärtigen Anbaugebieten beeinträchtigt.
Als Folge des Temperaturanstiegs in der Atmosphäre würden sich die Ozeane erwärmen. Ein Anstieg des Meeresspiegels aufgrund der damit einhergehenden thermischen Wasserausdehnung würde dichtbevökerte Küstenregionen überfluten und zum Verlust fruchtbarer Niederungen führen.
Die resultierenden wirtschaftlichen und politischen Folgen sind nicht absehbar.
Viele Detailfragen in bezug auf die Auswirkung einer Klimaänderung sind Gegenstand der Klimaforschung. Häufig sind die Prognosen der Klimamodelle noch zu ungenau, als daß sie als Basis für eine quantitative Folgenabschätzung nutzbar wären.
Hinzu kommt, daß die Klimaveränderungen regional unterschiedlich ausfallen werden, z. B. ist über Ozeanen ein geringerer Temperaturanstieg zu erwarten als über Landmassen.
Maßnahmen
Wegen des überragenden CO2-Anteils am zusätzlichen Treibhauseffekt (s. Tabelle) müssen Minderungsmaßnahmen vor allem hier ansetzen! Der Ausstieg Deutschlands aus Produktion und Verwendung von FCKW (zunächst mit dem Ziel der Beseitigung der Ozonloch-Ursachen; vgl. Info 2 "Ozonloch") bewirkt ebenfalls eine Eindämmung des zusätzlichen Treibhauseffektes. Ein
vollständiger Ausstieg wäre in seiner Wirkung vergleichbar mit einem Totalverzicht auf den Einsatz fossiler Brennstoffe und der daraus resultierenden CO2-Emission.
Wird davon ausgegangen, daß Ökosysteme Klimaänderungen in der Größenordnung der natürlichen Klimaschwankungen ohne nachteilige Folgen ertragen könne, so ist eine weltweite Reduktion der derzeitigen CO2-Emissionen um mindestens 25 % erforderlich. Die Bemühungen der Bundesrepublik Deutschland gehen in diese Richtung.
Vom Land Nordrhein-Westfalen wurden konkrete Energiesparmöglichkeiten aufgezeigt und im Klimabericht der Landesregierung veröffentlicht.
Ein weltweiter Konsens über ein Reduktionsziel ist bisher nicht in Sicht. Insbesondere in den Schwellenländern nehmen Energieverbrauch und somit auch die CO2-Emissionen weiter zu. Würde der um 25 % reduzierte weltweite Energieverbrauch gleichmäßig auf die Weltbevölkerung verteilt, so müßte der pro-Kopf-Verbrauch in Deutschland um 75 % gesenkt werden. Die Hauptlast der CO2-Emissionsminderung muß deshalb von den Industrieländern getragen werden. Hinzu kommt deren
Verantwortung für eine Vorbildfunktion sowie für die Entwicklung und Bereitstellung technologischer und anderer Energiesparmaßnahmen.
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