Die Zukunft des Klimas vorhersagen

Climate Science Glossary

Die Vorhersagekraft guter wissenschaftlicher Theorien ist unschätzbar. Sie ermöglichen es uns, Prognosen über verschiedene Themen zu machen. Ein Beispiel dafür ist das Periodensystem der Elemente, das uns erlaubte, die Eigenschaften von noch unentdeckten Elementen wie Gallium und Germanium vorherzusagen. Nun stellt sich die Frage, was passiert, wenn wir die Konzentration von Treibhausgasen wie CO2 in der Luft erhöhen.

Die Theorie der Treibhausgase wurde erstmals 1896 vom schwedischen Forscher Svante Arrhenius vorgeschlagen. Basierend auf der Arbeit von Fourier und Tyndall haben viele Wissenschaftler diese Theorie im Laufe des letzten Jahrhunderts verfeinert. Fast alle kamen zum selben Schluss: Wenn wir die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre erhöhen, wird es auf der Erde wärmer werden.

Es gibt jedoch immer noch Streitigkeiten darüber, in welchem Ausmaß dies geschehen wird. Die Klimamodelle sagen eine Erwärmung von mindestens 1,65°C bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration im Vergleich zu vorindustriellen Werten voraus. Die höchsten Schätzungen schwanken jedoch stark um einen Mittelwert von 5,2°C. Unsere besten Schätzungen liegen derzeit bei etwa 3°C, wobei mehr als 4,5°C unwahrscheinlich sind.

Was absteigt …

Der Treibhauseffekt funktioniert folgendermaßen: Die Energie der Sonne erreicht die Erde als sichtbares Licht und UV-Strahlung. Ein Teil dieser Energie wird von der Erde als Infrarotstrahlung abgestrahlt. Die Treibhausgase in der Atmosphäre fangen einen Teil dieser Wärme auf und streuen sie in alle Richtungen, auch zurück zur Erde. Dadurch wird die Temperatur auf der Erde um etwa 33°C höher gehalten als sie sonst wäre.

Die Konzentration von CO2 in der Luft wurde um 42% erhöht und die Temperaturen sind gestiegen. Es muss also Daten geben, die diesen Temperaturanstieg mit CO2 in Verbindung bringen. Seit 1880 ist die globale Durchschnittstemperatur um etwa 0,8°C gestiegen. Zwei Drittel dieser Erwärmung fanden nach 1975 statt, mit einer Rate von etwa 0,15 bis 0,2°C pro Jahrzehnt.

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Der Temperaturanstieg entspricht genau dem, was die Theorie vorhergesagt hat. Aber wo finden wir den Zusammenhang zwischen CO2 und anderen Treibhausgasen wie Methan, Ozon oder Lachgas? Dieser Zusammenhang zeigt sich im Spektrum der Treibhausgas-Strahlung. Mit Hilfe der FTIR-Spektroskopie können wir genau die Wellenlängen der Infrarotstrahlung messen, die am Boden ankommen.

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Bild 1: Spektrum der Treibhausgas-Strahlung, gemessen am Erdboden. Der Treibhauseffekt durch Wasser ist herausgefiltert, sodass die Beiträge der anderen Treibhausgase sichtbar sind (Evans 2006).

Wir können deutlich erkennen, dass CO2, Ozon und Methan eine erhebliche Erwärmung verursachen. Diesen Effekt nennt man den Strahlungsantrieb und diese Messungen sind ein Teil des empirischen Beweises dafür, dass CO2 die Erwärmung verursacht.

… muss wieder aufsteigen

Wie lange trägt CO2 bereits zur Erwärmung bei? Laut NASA haben zwei Drittel der Erwärmung erst seit 1975 stattgefunden. Ist es möglich, den Einfluss von CO2 auf die Temperatur über diesen Zeitraum hinweg zuverlässig zu prüfen? Ja, das ist es. Wir können die Wellenlänge der aufsteigenden langwelligen Strahlung messen, wenn sie die Erde verlässt. Satelliten haben dies genau getan. Daher können wir das Spektrum dieser Strahlung von 1970 mit dem von 1997 vergleichen und Unterschiede feststellen.

Bild 2

Bild 2: Veränderung des Spektrums von 1970 bis 1996. “Brightness temperature” bedeutet die entsprechende Schwarzkörpertemperatur (Harries 2001).

Diesmal sehen wir, dass während der Phase des stärksten Temperaturanstiegs der Austritt der aufsteigenden Strahlung gesunken ist – genau bei den Wellenzahlen, bei denen die abwärts gerichtete Strahlung zugenommen hat! Die gleichen Treibhausgase – CO2, Methan, Ozon usw. – sind hier erkennbar.

Als die Temperaturen stiegen, begannen sich Wissenschaftler zunehmend für die Ursache zu interessieren. Es wurden viele Theorien vorgeschlagen, aber bis auf eine wurden sie alle mangels Beweisen verworfen. Eine Theorie hat die Jahre überdauert und wurde durch Experimente bestätigt. Seit Tyndall wissen wir, dass CO2 langwellige Strahlung aufnimmt und wieder abgibt. Die Theorie der Treibhausgase nach Arrhenius besagt, dass eine Erwärmung stattfinden muss, wenn der Anteil der Treibhausgase in der Luft steigt. Wissenschaftler haben den Einfluss von CO2 sowohl auf die einfallende Sonnenstrahlung als auch auf die aufsteigende langwellige Strahlung gemessen. Es entweicht heute weniger langwellige Strahlung in den Weltraum als früher. Die Lücken sind genau bei den Wellenlängen der Treibhausgase zu finden. An der Erdoberfläche wird dagegen mehr langwellige Strahlung gemessen – genau bei denselben Wellenlängen.

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Diese Daten liefern zusammen einen empirischen Beweis für den vorhergesagten Effekt von CO2.

Englisches Original von GPWayne