Kli­ma­wan­del auf glo­ba­ler, na­tio­na­ler, re­gio­na­ler sowie lo­ka­ler Ebene

Der Treib­haus­ef­fekt

Der Treib­haus­ef­fekt ist ein auch ohne den Men­schen vor­kom­men­des Phä­no­men:
Die Erd­ober­flä­che strahlt lang­wel­li­ge Wär­me­strah­lung ab. Diese lang­wel­li­ge, nach oben ge­rich­te­te Strah­lung wird durch Be­stand­tei­le der At­mo­sphä­re, die Treib­haus­ga­se, ab­sor­biert (auf­ge­nom­men) und wie­der emit­tiert (ab­ge­ge­ben). Diese Strah­lungs­emis­si­on ge­schieht dabei in alle Rich­tun­gen, so­dass die ei­gent­lich nach oben ge­rich­te­te lang­wel­li­ge (also Wärme-​)Strah­lung zum Teil in der At­mo­sphä­re ge­hal­ten wird. Diese er­wärmt sich somit.

Treib­haus­ga­se kom­men na­tür­li­cher Weise in der At­mo­sphä­re vor. Na­tür­lich in der At­mo­sphä­re vor­kom­men­de Treib­haus­ga­se sind bspw. Koh­len­stoff­di­oxid (CO₂), Me­than (CH₄), Lach­gas (N₂O) und Was­ser­dampf (H₂O). Im Fall des Was­ser­damp­fes ver­deut­licht ein ein­fa­ches Bei­spiel den Ef­fekt: In einer ster­nen­kla­ren Nacht kühlt die At­mo­sphä­re we­sent­lich schnel­ler aus als bei be­deck­ten Ver­hält­nis­sen.

Die Erd­at­mo­sphä­re schützt die Erde somit vor dem Aus­küh­len: im Gleich­ge­wicht des Strah­lungs­haus­halts ohne At­mo­sphä­re läge die mitt­le­re Erd­ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur bei -18 °C. Aus­ge­hend von einer glo­ba­len Mit­tel­tem­pe­ra­tur von rund 15 °C wäre es ohne den Treib­haus­ef­fekt auf der Erde somit um ca. 33 Kel­vin käl­ter.

Die Kon­zen­tra­tio­nen der Treib­hau­se CO₂, CH₄ und N₂O stei­gen seit Jahr­zehn­ten durch den mensch­li­chen Aus­stoß an. In den letz­ten 60 Jah­ren hat die CO₂-​Konzentration um 25% zu­ge­nom­men. Die Kon­zen­tra­ti­on von Me­than hat sich mehr als ver­dop­pelt. Dabei gilt zu be­ach­ten, dass Me­than eine deut­lich stär­ke­re Treib­haus­wir­kung hat als CO₂.

Die At­mo­sphä­re ist ein kom­ple­xes Sys­tem. So hän­gen die ver­schie­de­nen phy­si­ka­li­schen Grö­ßen und Vor­gän­ge wie bspw. Tem­pe­ra­tur, Ver­duns­tung sowie Nie­der­schlag/Was­ser­kreis­lauf mit­ein­an­der zu­sam­men. Ver­än­dert sich eine Va­ria­ble (im Falle des Kli­ma­wan­dels die Tem­pe­ra­tur), ver­än­dern sich auch die an­de­ren Pro­zes­se und Zu­stän­de der At­mo­sphä­re.
Wei­ter­hin hän­gen die ver­schie­de­nen Kom­po­nen­ten des Kli­ma­sys­tems (At­mo­sphä­re, Hy­dro­sphä­re, Kryo­sphä­re, Bio­sphä­re, Li­tho­sphä­re/ Pe­do­sphä­re) mit­ein­an­der zu­sam­men. Um nur ei­ni­ge der pro­mi­nen­tes­ten Bei­spie­le zu nen­nen: Die Tem­pe­ra­tur­er­hö­hung der At­mo­sphä­re hat bspw. Aus­wir­kun­gen auf den Mee­res­spie­gel der Ozea­ne (Hy­dro­sphä­re; z. B. Ab­schmel­zen der Glet­scher (Kryo­sphä­re) sowie Dich­te­ab­nah­me und damit Aus­deh­nung des Meer­was­sers) oder den Säu­re­ge­halt des Oze­ans. Dies wie­der­um führt zu Be­ein­flus­sung des Öko­sys­tems Meer (Bio­sphä­re; bspw. Ab­ster­ben von Ko­ral­len­rif­fen). Wei­ter­hin ist hier­von auch di­rekt der Le­bens­raum des Men­schen be­trof­fen: Be­son­ders In­sel­staa­ten sind vom Mee­res­spie­gel­an­stieg be­droht. Zudem bricht mit den ab­ster­ben­den Ko­ral­len­rif­fen ein be­deut­sa­mer Küs­ten­schutz weg.

Die glo­ba­le Luft­tem­pe­ra­tur hat seit 1850 um 1,1 K zu­ge­nom­men. 2023 war glo­bal das erste Jahre, dass mehr als 1,5 K wär­mer war als vor­in­dus­tri­ell (Quel­le: https://cli­ma­te.co­per­ni­cus.eu/global-​climate-highlights-2023). Aber auch die Mee­res­tem­pe­ra­tu­ren stei­gen an und puf­fern so einen Teil der Er­wär­mung der At­mo­sphä­re zu­nächst ab. Der An­stieg der Tem­pe­ra­tu­ren führt aber so­wohl ober, als auch un­ter­halb der Was­ser­ober­flä­che zu Ver­än­de­run­gen von Glet­schern, Eis­schil­den, Strö­mun­gen, Flora, Fauna und vie­lem mehr. Be­son­ders emp­find­li­che Sys­te­me dro­hen ir­rever­si­bel ge­schä­digt zu wer­den, mit Fol­gen für den gan­zen Pla­ne­ten. Die Rede ist von so­ge­nann­ten Kipp­punk­ten im Kli­ma­sys­tem der Erde. Die Schnel­lig­keit der Er­wär­mung und der damit ein­her­ge­hen­den Ver­än­de­run­gen stellt eine be­son­de­re Her­aus­for­de­rung dar. Aus die­sen Grün­den ist so­wohl die An­pas­sung an be­reits statt­ge­fun­de­ne oder nicht mehr ver­meid­ba­re Kli­ma­ver­än­de­run­gen zwin­gend nötig, als auch der Schutz des Kli­mas ins­ge­samt, um noch wei­ter­rei­chen­de Ver­än­de­run­gen zu ver­hin­dern.

Zeit­li­che Ent­wick­lung der Mo­del­le

Die Ent­wick­lung der glo­ba­len Zir­ku­la­ti­ons­mo­del­le ist we­sent­lich an die Ent­wick­lung der Com­pu­ter­ka­pa­zi­tä­ten ge­bun­den. Erst die Fort­schrit­te in der Re­chen­leis­tung gro­ßer Com­pu­ter­an­la­gen haben es er­mög­licht, dass sich die Kom­ple­xi­tät der Mo­del­le, die Länge der Si­mu­la­ti­on und die räum­li­che Auf­lö­sung stei­gern lie­ßen. Die ers­ten Mo­dell­rech­nun­gen wur­den mit rei­nen At­mo­sphä­ren­mo­del­len durch­ge­führt, die aus Wet­ter­mo­del­len ab­ge­lei­tet wur­den. Seit den 1960er Jah­ren wur­den Atmosphären-​ und Oze­an­mo­del­le mit­ein­an­der ge­kop­pelt, zu­nächst mit einer sehr ru­di­men­tä­ren Dy­na­mik. In den fol­gen­den Jah­ren wur­den Mo­del­le der At­mo­sphä­re und des Oze­ans ge­trennt wei­ter­ent­wi­ckelt. Seit den 1990er Jah­ren wur­den immer mehr Kom­po­nen­ten des Kli­ma­sys­tems mit­ein­be­zo­gen und die Mo­del­le wur­den immer kom­ple­xer. So wur­den An­fang der 1990er Jahre Mo­dell­rech­nun­gen durch­ge­führt, die auch die Wir­kung der in der Summe ab­küh­lend wir­ken­den Ae­ro­so­le be­rück­sich­tig­ten. Au­ßer­dem wur­den Mo­del­le für den ozea­ni­schen und ter­res­tri­schen Koh­len­stoff­kreis­lauf ent­wi­ckelt und in ge­kop­pel­ten Si­mu­la­tio­nen für den Be­richt des Welt­kli­ma­ra­tes IPCC von 2007 ge­nutzt. Eine dy­na­mi­sche Ve­ge­ta­ti­on und die Che­mie der At­mo­sphä­re sind wei­te­re Bau­stei­ne der Mo­dell­ent­wick­lung. Das Re­sul­tat sind so­ge­nann­te Erd­sys­tem­mo­del­le. In jüngs­ter Zeit sind ver­bes­ser­te bio­geo­che­mi­sche Kreis­läu­fe und dy­na­mi­sche Eis­schil­de, die mit Kli­ma­än­de­run­gen in Wech­sel­wir­kung ste­hen, hin­zu­ge­kom­men.

Das lang­fris­ti­ge Ziel ist es, dass mög­lichst alle Kom­po­nen­ten des Kli­ma­sys­tems ein­schließ­lich ihrer Rück­kopp­lun­gen und der ex­ter­nen Stö­run­gen si­mu­liert wer­den kön­nen.