Ist der Klimawandel wirklich (so) schlimm?

Behauptung: „Die Anfälligkeit des Klimas für Veränderungen wird überschätzt“

Behauptung: „CO2 in der Atmosphäre löst neben der Erwärmung auch Effekte aus, die den Klimawandel mindern. Deshalb führt eine Verdoppelung der CO2-Konzentration gerade mal zu einer Erwärmung um ein einziges harmloses Grad Fahrenheit statt der sechs, die der IPCC erwartet.“

Christopher Monckton

Fakt ist: Es gibt viele Hinweise darauf, dass Erwärmungstrends im Klimasystem sich selbst verstärken können

Antwort: 

Antwort:  Die mit erhöhtem CO2 einher­gehende Erwärmung der Atmosphäre führt zu vielen Rückkopplungs­effekten, einige  davon bremsen die Erwärmung. Doch in der Summe dominieren die verstärkenden Rückkopplungen. Dies folgt beispielsweise aus einer Analyse der Klimageschichte der Erde, aber auch aus  Experimenten mit Klima-Modellen. Das Klimasystem reagiert daher empfindlich auf Kohlendioxid-Emissionen – die sogenannte „Klimasensitivität“ ist größer als der reine CO2-Effekt.

Was das Klima angeht, ist sich die Wissenschaft über eine ganze Reihe von Dingen ziemlich sicher – allerdings gehört die sogenannte „Klimasensitivität“ nicht dazu. Sie ist das Maß dafür, wie sensibel das Klima der Erde auf eine steigende Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre reagiert.

Die Klimasensitivität wird in Grad Celsius angegeben – und zwar in Grad, um die sich die Erdmitteltemperatur bei einer angenommenen Verdoppelung des CO2-Gehalts der Atmosphäre erhöhen würde. Üblicherweise werden dabei Temperaturspannen genannt, um unvermeidliche Unsicherheiten offenzulegen. Die exakten Folgen von Treibhausgasen auf das Klimasystem sind nämlich schwer zu beziffern. Denn neben deren direkten Effekten gibt es auch indirekte Effekte (sogenannte Rückkopplungen, engl.: feedbacks): Die direkte Folge einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre ist eine Erwärmung um gut ein Grad Celsius. Doch die so erwärmte Luft kann beispielsweise mehr Wasserdampf aufnehmen, was zu mehr Wolken führt, die weitere wärmende, aber auch kühlende Wirkungen auf die Erde entfalten.

Die Klimasensitivität ist jedenfalls ein zentraler Punkt: Ist sie gering (bremsen also die verschiedenen Rückkopplungen die direkte Erwärmungswirkung der Treibhausgase ), dann wird sich die Erde selbst bei hohen Emissionen nicht besonders stark erwärmen. Ist die Klimasensitivität jedoch hoch (weil die Rückkopllungen insgesamt verstärkend wirken), dann wird der drohende Klimawandel sehr drastische Folgen haben.

Grundsätzlich gibt es zwei Wege, die Klimasensitivität zu ermitteln (die dritte Methode – einfach die Erderwärmung abzuwarten – ist sehr riskant und damit keine kluge Option). Die erste Methode ist die Schätzung auf der Basis computerbasierter Klimamodelle, Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse von sechs unterschiedlichen Studien dieser Art.

Abbildung 1: Angaben zur Ober- und Untergrenze der Klimasensitivität gemäß sechs verschiedenen Klimamodellen; für Quellenangaben (auf Englisch) hier klicken

Diese Klimamodelle kamen im Durchschnitt zu dem Ergebnis, dass der mindestens zu erwartende Temperaturanstieg bei Verdoppelung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre 1,7 Grad Celsius beträgt. Die Obergrenzen variieren in den einzelnen Modellen sehr stark, mit einem Durchschnittswert für eine maximale Erwärmung von 5,2 Grad Celsius. Der wahrscheinlichste Wert für die zu erwartende Erwärmung liegt bei ca. 3 Grad Celsius. Auffällig ist, dass die verschiedenen Studien bei ihren unteren Werten (blaue Balken in Abbildung 1) weniger differieren als bei den Obergrenzen (rote Balken).

In dem zweiten Ansatz wird die Sensitivität des Klimasystems aufgrund von beobachteten Veränderungen in der Vergangenheit bestimmt (siehe Abbildung 2):

Abbildung 2: Angaben zur Ober- und Untergrenze der Klimasensitivität aus sieben verschiedenen Studien, die sich auf Beobachtungsdaten stützen; für Quellenangaben (auf Englisch) hier klicken

Diese Studien stützen sich auf Beobachtungsdaten, beispielsweise in Form von historischen Temperaturdaten, auf Erkenntnisse über den Einfluss von Sonnenzyklen oder die Wärmeaufnahme der Ozeane. Die Untergrenze der aus Beobachtungsdaten erhaltenen Schätzungen ist mit 1,8 Grad Celsius vergleichbar zu den mit Hilfe von Klimamodellen ermittelten Werten. Die oberen Schätzwerte variieren weit weniger als die mit Klimamodellen erhaltenen Werte und liegen insgesamt deutlich niedriger: im Durchschnitt bei ungefähr 3,5 Grad Celsius. 

In seinem Fünften Sachstandsbericht von 2013 hat der IPCC (in Box TFE.6 des Technical Summary von Arbeitsgruppe 1, S. 82f.) die Ergebnisse einer Vielzahl wissenschaftlicher Untersuchungen zusammengefasst, die die Klimasensitivität mit verschiedenen Methoden ermittelt haben. Alle kamen konsistent zu dem Ergebnis, dass sich bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre die Erde um einen Wert zwischen 1,5 und 4,5 Grad Celsius erwärmt.

Sowohl die Klimamodelle als auch Beobachtungsdaten deuten also übereinstimmend auf eine Erwärmung von deutlich mehr als der direkten Erwärmungswirkung des Kohlendioxids. In der Summe führen die verschiedenen indirekten Rückkopplungseffekte also zu einer deutlichen Verstärkung der Erderwärmung.

G.P. Wayne/klimafakten.de, Oktober 2011;
zuletzt aktualisiert: Februar 2015

Die Klimasensitivität ist ein theoretischer Wert. Sie beschreibt, wie stark sich die Erde erwärmen würde, wenn es zu einer Verdoppelung des Kohlendioxid-Gehalts der Atmosphäre käme. Beziffert wird die Klimasensitivität üblicherweise in Grad Celsius. Und meist werden dabei Temperaturspannen genannt, denn die Unsicherheiten in diesem Bereich sind, wegen der hohen Komplexität des Klimasystems der Erde, noch relativ groß.

Bei der Reaktion des Klimasystems auf Treibhausgase sind direkte und indirekte Effekte zu unterscheiden. Dass beispielsweise Kohlendioxid den Treibhauseffekt verstärkt, kann durch Experimente und Messungen von Satelliten und auf der Erdoberfläche gezeigt werden. Verdoppelt sich der Gehalt von Kohlendioxid in der Atmosphäre, wäre der direkte Effekt ein Anstieg der globalen Mitteltemperatur um ca. 1,2 ° C (Lorius 1990).

Allerdings ist das Klimasystem der Erde sehr komplex, es gibt viele positive und negative Rückkopplungen– d. h. Veränderungen werden durch Folgeeffekte verstärkt bzw. abgeschwächt. Die stärkste positive (also verstärkende) Rückkopplung (engl.: feedback) ist mit Wasserdampf verknüpft: Steigt die Temperatur in der Atmosphäre, kann sie mehr Wasserdampf aufnehmen. Da Wasserdampf selbst ein Treibhausgas ist, führt das zu einer weiteren Temperaturerhöhung, was wieder zu mehr Wasserdampf führt und so weiter.

Es gibt aber auch negative Rückkopplungen, also solche, die die Erderwärmung bremsen. Beispielsweise führt der höhere Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre zu einer verstärkten Bildung von Wolken. Diese haben verschiedene Folgen, unter anderem können wie ein Schirm gegen Sonnenstrahlung wirken und somit der Erwärmung der Erde bremsen.

Rückkopplungsprozesse können entweder sofort wirksam werden (z. B. die Wasserdampfrückkopplung), andere hingegen benötigen einige Jahrzehnte bis Jahrhunderte bis sie ihre volle Wirksamkeit erreichen. Zu den langfristigen Prozessen gehört die Schnee/Eis-Albedo Rückkopplung: durch die Erderwärmung verkleinert sich die Schnee- bzw. Eisbedeckung der Erde, der darunter zum Vorschein kommende Boden hat eine dunklere Oberfläche und nimmt deshalb mehr Wärmestrahlung der Sonne auf als Schnee bzw. Eis, die einen Großteil reflektieren – im Ergebnis verstärkt sich die Erderwärmung, was zu weiterem Abschmelzen führt usw.) Weitere langfristige Rückkopplungsprozesse sind beispielsweise mit Veränderungen in der Vegetation verbunden oder mit dem Meeresspiegelanstieg.

Wie ist nun die Gesamtbilanz aller Rückkopplungs-Mechanismen, also die Klimasensitivität insgesamt?

Dies lässt sich auf verschiedene Weise ermitteln, zum Beispiel aus Beobachtungen. Misst man beispielsweise für eine Zeitperiode sowohl die Temperatur als auch die verschiedenen Antriebe des Klimasystems sowie deren Änderung, lässt sich die Klimasensitivität berechnen. Für die zurückliegenden ca. 150 Jahre ist dies mit direkt gemessenen Daten möglich; durch die Nutzung natürlicher Klimadatenarchive (sogenannter proxies, also von Baumringen oder Eisbohrkernen o.ä.) können bis weit zurück in die Erdgeschichte Klimaveränderungen rekonstruiert und somit die Empfindlichkeit des Klimasystems auf höhere Treibhausgas-Konzentrationen abgeschätzt werden). Die Klimasensitivität lässt sich aber auch aus computerbasierten Klimamodellen ermitteln, indem die Wirkung eines verdoppelten CO2-Gehalts „durchgerechnet“ wird.  

In seinem Fünften Sachstandsbericht von 2013 hat der IPCC (in Box TFE.6 des Technical Summary von Arbeitsgruppe 1; S. 82f.) die Ergebnisse einer Vielzahl wissenschaftlicher Untersuchungen zusammengefasst, die die Klimasensitivität mit verschiedenen Methoden ermittelt haben - siehe Abbildung 1:

Abbildung 1: Ergebnisse verschiedener Studien zur Gleichgewichts-Klimasensitivität, die den langfristigen Anstieg der mittleren globalen Erdoberflächentemperatur bei einer Verdoppelung des atmosphärischen CO2-Gehalts beschreibt. Der oberste Block "Instrumental" visualisiert Studien, die auf direkten Messdaten der Erwärmung von Ozean und Atmosphäre seit 1850 und auf Modellrechnungen des Strahlungsantriebs beruhen, der Block "Climatological Constraints" Studien, bei denen die Klimasensitivität aus Vergleichen zwischen dem simulierten und beobachteten mittleren Klima und seinen jährlichen und saisonalen Klimaschwankungen abgeleitet wurde. Der Block "Raw Model Range" basiert auf den Modellsimulationen, bei denen keine direkte Gewichtung mit Beobachtungen gemacht wurde. Der Block "Palaeoclimate" zeigt Werte aufgrund von indirekt ermittelten Klimadaten aus der Erdgeschichte. Unter "Combination" finden sich Studien, die verschiedene Methoden zusammenführen. Die ausgefüllten Kreise zeigen bei Klimasimulationen die Ergebnisse einzelner Modelle und bei Beobachtungen den Median der Messungen wobei die horizontalen Balken die Bandbreite der Ergebnisse kennzeichnen. Grau hinterlegt ist der Temperaturbereich, in dem sich nach Einschätzung des IPCC mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 66 % der ermittelte Wert der Klimasensitivität bewegt - zwischen 1,5 und 4,5 °C.  Die Klimasensitivität ist mit höchstens fünfprozentiger Wahrscheinlichkeit kleiner als 1 °C und mit einer Wahrscheinlichkeit von höchstens zehn Prozent größer als 6 °C. Diese Werte sind mit vertikalen Linien markiert. Quelle: IPCC 2013, AR5, WG1, Technical Summary, Abschnitt TFE.6, Abb.1

Es gibt also eine große Zahl voneinander unabhängiger Untersuchungen, die verschiedene Perioden der Erdgeschichte mit unterschiedlichen Verfahren und Annahmen untersucht haben. Alle führen konsistent zu dem Ergebnis, dass sich bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre die Erde um einen Wert zwischen 1,5 und 4,5 Grad Celsius erwärmt.  (In seinem Vierten Sachstandsbericht von 2007 hatte der IPCC übrigens eine Spanne von 2 bis 4,5 Grad Celsius genannt und außerdem erstmals einen Wert, der seiner Ansicht nach der wahrscheinlichste sei – als diese „beste Schätzung“ galten 3 °C. Weil die wissenschaftlichen Unsicherheiten aber doch zu groß sind, hat der IPCC diese Aussage in seinem aktuellen Bericht nicht wiederholt. Dies und die nach unten erweiterte Spanne wurden in manchen Medienberichten als Kehrtwende des IPCC gewertet. Tatsächlich aber entsprechen die „neuen“ Zahlen wieder jenen aus dem Dritten Sachstandsbericht von 2001 und den vorherigen Reports.)

Für Laien sind die Fachdebatten um Klimasensitivität oft undurchsichtig. Denn die Ergebnisse einzelner Studien hängen stark davon ab, exakt wie genau die verschiedenen Rückkopplungseffekte im Klimasystem berücksichtigt werden – jedenfalls von Details, die nur Experten wirklich beurteilen können.  Außerdem kennt die Forschung neben der klassischen Klimasensitivität (auch „Gleichgewichts-Klimasensitivität“, engl.: equilibrium climate sensitivity, abgekürzt: ECS) noch eine zweite, die „transiente“ Klimasensitivität. Erstere blickt darauf, welche Erwärmung sich auf lange Sicht bei einer CO2-Verdoppelung einstellt (also wenn die Auswirkungen aller langfristig wirkenden Rückkopplungseffekte abgewartet wurden und die Energieströme im Klimasystem sich in ein neues Gleichgewicht eingependelt haben – dies kann einige Jahrhunderte oder Jahrtausende dauern). Daneben gibt es diekurzfristige Klimasensitivität (engl.: transient climate response, abgekürzt: TCR), sie schätztdie Reaktion des Klimas innerhalb der nächsten Jahrzehnte ab. Weil das Klimasystem der Erde träge ist, erfasst die transiente Klimasensitivität nur einen Teil der gesamten Reaktion des Klimas – ihre Werte sind daher deutlich niedriger. Von Medien und Öffentlichkeit aber werden beide Klimasensitivitäten oft gleichgesetzt beziehungsweise verwechselt

An dem Gesamtbild ändern auch einzelne Untersuchungen wenig, die bisweilen zu niedrigeren Werten für die Klimasensitivität kommen – bei genauer Betrachtung relativieren sich deren Ergebnisse. Großes Aufsehen erregte beispielsweise Otto et al. 2013, wo ein Wert von 1,3 °C genannt wurde – allerdings für die transiente Klimasensitivität, weshalb die Zahl mit Werten für die Gleichgewichts-Klimasensitivität ECS nicht vergleichbar. Zudem basiert diese Angabe nur auf Temperaturdaten der Jahre 2000 bis 2009, also auf einem sehr begrenzten Zeitraum. Übrigens betonte der Hauptautor dieser Untersuchung, dass sie nicht im Widerspruch zum Stand der Forschung steht.

Zusammenfassend gibt es also sehr starke Indizien dafür, dass die verschiedenen Rückkopplungen in der Gesamtbilanz verstärkend wirken (da mit 1,5 °C selbst die unterste Grenze der belastbaren Schätzungen über jenen 1,2 °C liegt, die als direkter Effekt einer verdoppelten CO2-Konzentration gelten. Anders ausgedrückt: Gäbe es nicht insgesamt verstärkende Rückkopplungs-Effekte, dann wären die häufig starken Klimaveränderungen der Erdgeschichte schwerlich erklärbar.

Was bedeuten nun die verschiedenen Zahlen zur Klimasensitivität?

Angesichts der Vielzahl unabhängiger Studien mit konsistenten Ergebnissen dürfte es unwahrscheinlich sein, dass die Klimasensitivität viel geringer ist als bisher angenommen. Eine Abweichung um beispielsweise ein halbes Grad Celsius wäre bereits ziemlich groß. Der US-Klimaforscher Michael Mann hat berechnet, was eine um 0,5 °C niedrigere Klimasensitivität bedeuten würde: Der Zeitpunkt, bei dem die Erderwärmung die Schwelle von zwei Grad Celsius überschreiten würde, verschöbe sich um zehn Jahre nach hinten. Wäre also das Klimasystem doch träger als gedacht, würde sich an der Notwendigkeit von deutlichen Emissionssenkungen wenig ändern – es bliebe nur ein bisschen mehr Zeit dafür.

G. P. Wayne/klimafakten.de,  Oktober 2011;
zuletzt aktualisiert: Februar 2015