Zwei Jahrhunderte Klimageschichte: Teil Eins - von Fourier bis Arrhenius, 1820-1930

Die Tatsache, dass Kohlendioxid ein "Treibhausgas" ist - also ein Gas, das verhindert, dass ein gewisser Anteil der Wärmestrahlung zurück ins Weltall entweicht und dadurch für ein relativ warmes Klima auf der Erde sorgt, geht auf eine Idee zurück, wenn auch nicht speziell auf CO2 bezogen, die fast 200 Jahre alt ist. Diese dreiteilige Geschichte über diese wichtigen physikalischen Eigenschaften, seine Rolle in der geologischen Vergangenheit und ein Verständnis, wie es unsere Zukunft beeinflussen könnte, umspannt fast zwei Jahrhunderte mit Fragen, Entdeckungen, Innovationen und Problemlösungen.

Dies ist der erste Teil der Serie, zu der auch Teil Zwei und Teil Drei gehören.

Um den wissenschaftlichen Faden von dem heute als Treibhauseffekt bekannten Phänomen aufzunehmen, müssen wir in der Zeit zurück ins Frankreich der 1820er reisen. Napoleon, der einige Jahre zuvor in der Schlacht von Waterloo besiegt worden war, war gerade gestorben. Aber jemand, der bedeutende technische und akademische Projekte für den verstorbenen Kaiser durchgeführt hatte, war nun mit eigenen Forschungsarbeiten in der Physik beschäftigt und sein besonderes Interesse galt dem Verhalten von Wärme. Dies war Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830).

Fourier hatte berechnet, dass ein Himmelskörper mit der Größe der Erde und der Entfernung von der Sonne, einfach ausgedrückt, nicht so warm sein dürfte wie er ist. Es musste deshalb, so seine Überlegungen, etwas anderes als die auftreffende Sonnenstrahlung geben, einen anderen Faktor, der den Planeten wärmer hält. Eine Erklärung, die er hatte, war dass die von der Sonne kommende Energie in Form von sichtbarem und ultraviolettem Licht (damals als "leuchtende Wärme" bekannt) leicht durch die Erdatmosphäre hindurch kam und die Erdoberfläche erwärmte, dass aber die anschließend von der Oberfläche der Erde abgestrahlte "nicht-leuchtende Wärme" (die wir heute als Infrarotstrahlung kennen) es nicht so leicht zurück in die entgegengesetzte Richtung schafft. Die erwärmte Luft musste, so seine Überlegung, wie eine Art isolierende Decke wirken. Dies war in etwa wie weit er mit seiner Idee damals kam, da die detaillierten Messungen, die für eine eingehende Untersuchung seiner Hypothese benötigt worden wären, mit der damals zur Verfügung stehenden Technik nicht möglich waren.

oben: die Großväter der Klimawissenschaft

Der Faden wurde etwa 40 Jahre später wieder aufgenommen. Für den viktorianischen Naturhistoriker und Pionier des alpinen Kletterns John Tyndall (1820-1893) zeigten die zu seiner Zeit noch kontrovers diskutierten aber heute allgemein anerkannten Beweise deutlich, dass zu einer früheren Zeit der größte Teil Nordeuropas unter einer Eisdecke begraben worden war. Was diese Eindeutigkeit jedoch noch längst nicht erreicht hatte, war wie sich das Klima so drastisch verändern konnte. Eine der von Tyndall angenommenen Möglichkeiten waren Veränderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre. Durch eine Reihe von Experimenten machte er die Entdeckung, dass Wasserdampf ein wichtiger Faktor beim Zurückhalten von Wärme ist. Er entdeckte auch, dass Kohlendioxid sehr gut darin war, Wärme zurückzuhalten,  und das, obwohl es nur ein Spurengas ist, das nur im Bereich von hunderten Teilen pro Millionen Teile (ppm vom engl. parts per million) vorkommt. Hunderte Teilchen pro Million mag sich nicht nach viel anhören, manche chemischen Verbindungen haben jedoch wichtige Eigenschaften bei solchen Konzentrationen: 500ppm Schwefelwasserstoff in der Luft können zum Erstickungstod führen, was Sie auf vielen Gesundheits- und Sicherheitsdatenblättern über das Gas nachlesen können.

Tyndalls interessante Entdeckung konnte das Rätsel der Eiszeiten nicht komplett lösen: das passierte erst viel später. Sie pflanzte jedoch den Samen für eine Idee, die gegen Ende des 19. Jahrhunderts vom schwedischen Wissenschaftler Svante Arrhenius (1859-1927) wieder aufgegriffen wurde. Da Wasserdampf von Tag zu Tag schwankte, schlussfolgerte er, dass er sich in einem anhaltenden Kreislauf aus der Atmosphäre heraus und wieder hinein umwälzte. Tyndall wandte seine Aufmerksamkeit dem Kohlendioxid zu, einem Gas, das für lange Zeit in der Atmosphäre verbleibt und dessen Konzentration sich (damals) nur durch sehr starke Vulkanausbrüche oder große Absenkungen wie ungewöhnlich massive Episoden mineralischer Verwitterung oder der Evolution von Pflanzen, die Photosynthese betreiben, dramatisch änderte: Ereignisse, die sich über sehr lange geologische Zeiträume hinziehen. Arrhenius fand heraus, dass eine Zunahme von Kohlendioxid in der Atmosphäre zu einer gewissen Erwärmung führen würde. Außerdem war durch die Clausius-Clapeyron-Gleichung bereits bekannt, dass wärmere Luft mehr Wassdampf aufnehmen konnte: die Menge ist etwa 7% mehr je Grad Celsisus Erwärmung. Und dieser zusätzliche Wasserdampf würde seinerseits zu einer weiteren Erwärmung führen - wobei es sich um eine positive Rückkopplung handelt, in der Kohlendioxid die Temperatur direkt reguliert und dann in dieser Funktion durch zusätzlichen Wasserdampf unterstützt wird, sobald die Temperatur ansteigt.

Durch weitere Arbeiten ermittelte Arrhenius, dass bei einer Halbierung des atmosphärischen Kohlendioxids die Temperatur in Europa um bis zu 4-5°C sinken könnte. Könnte aber eine solche Änderung, stark genug um eine Eiszeit zu verursachen, tatsächlich passieren? Er wandte sich an seinen Kollegen Arvid Hogbom (1857-1940) - der natürliche Kohlendioxidkreisläufe erforscht hatte - um herauszufinden, ob dies möglich war. Hogbom hatte sich zu dieser Zeit mit Kohlendioxidemissionen von Fabriken beschäftigt (was leicht genug geht, wenn z. B. bekannt ist, wieviel Tonnen Kohle jede Fabrik pro Jahr verfeuert). Es hatte ihn überrascht herauszufinden, dass die von Menschen verursachten Emissionsraten sehr ähnlich waren, wie die in der Natur vorkommenden. In den 1890er Jahren stellte dies natürlich nur einen kleinen Teil der fossilen Brennstoffen dar, die wir heute verfeuern; sie fragten sich damals aber, was wohl passieren würde, wenn die Menschheit immer größere Mengen über viele Jahrhunderte hinweg verbrennen würde? Abschwenkend von seiner Eiszeitforschung, führte Arrhenius Berechnungen durch, um herauszufinden, welche Auswirkungen eine Verdopplung des Kohlendioxidlevels auf die Temperaturen haben würde. Als Antwort kam er auf 5-6°C Erwärmung im globalen Mittel.

Damals und bei den Verbrennungsraten der 1890er Jahre, sahen sie dies nicht als Problem an: zum einen würde es bei solchen Zuwachsraten Tausende von Jahren bis zu einer Verdopplung dauern und zum anderen wurde angenommen, dass die Ozeane fünf-sechstel der Emissionen aufnehmen könnten. Als die Hypothese in einem populär-wissenschaftlichen Buch 1908 veröffentlicht wurde, war die Verbrennungsrate bereits deutlich angestiegen. Um dieser Veränderung Rechnung zu tragen, korrigierten sie die Verdopplungszeit herunter auf einige Jahrhunderte. Es war aber immer noch so etwas wie ein wissenschaftliches Kuriosum, ein Thema für Diskussionen im Anschluss ans Nachtessen.

Diesen Erkenntnissen wurde im frühen 20. Jahrhundert sehr viel Skepsis entgegengebracht: die Einwände drehten sich um Vorwürfe der Vereinfachung, dass Veränderungen der Bewölkung unberücksichtigt blieben und Ergebnisse von Laborversuchen eines anderen Schweden, Knut  Ångström (1857-1910). Ångström wiess einen Laborassisten an, die Passage von Infrarotstrahlung durch eine mit Kohlendioxid gefüllte Röhre zu messen. Die Versuche begannen mit einer etwas geringeren Menge des Gases als die, die man in einem kompletten Schnitt der Atmosphäre von oben nach unten finden würde. Allerdings hätte man eine 250 cm lange Röhre verwenden müssen, um die Atmosphäre besser zu repräsentieren anstatt der 30cm langen, die verwendet wurde. Anschließend wurde die Menge von Kohlendioxid um ein Drittel verringert: sie fanden nur eine ihrer Meinung nach sehr kleine Veränderung und kamen zu dem Schluss, dass die Absorptionsbänder des Lichtspektrums, in dem Kohlendioxid absorbiert, schnell gesättigt waren - also sozusagen verstopften, wodurch ihre Absorption nicht stärker werden könnte.

Ein anderes Problem, das zu dieser Zeit festgestellt wurde, war dass Wasserdampf die Infrarotstrahlung ebenfalls absorbiert und - jedenfalls mit den damals verfügbaren und nach heutigen Maßstäben ziemlich gering auflösenden Spektrografen - dass sich die Absorptionsbänder beider Gase überlappten. Es wurde deshalb angenommen, dass eine Zunahme von Kohlendioxid dadurch ausgeglichen würde, dass es die Infrarotstrahlung nicht in den Wellenbereichen aufnehmen könnte, die vom viel häufiger vorhandenen Wasserdampf bereits blockiert wurden.

Mittlerweile hat sich jedoch herausgestellt, dass die Genauigkeit der von Ångström erhaltenen Messungen schlecht war:  die von ihm gemeldete Abnahme der Absorption bei einer Abnahme von 33% der Kohlendioxidkonzentration lag bei 0,4%. Tatsächlich liegt diese jedoch näher bei 1%, was ausreicht, um eine spürbare Veränderung der globalen Temperaturen zu verursachen. Und nicht nur das: die komplette Sättigung der unteren Atmposphäre ist überhaupt kein Problem für den Treibhauseffekt. Solange die oberen Schichten der Atmosphäre nicht gesättigt sind, verhindern sie weiterhin, dass Wärme ins All entweicht. Die Atmosphäre lässt sich nicht so einfach wie eine Röhre voller Gas behandeln: sie hat mehrere Schichten, jede mit ihren eigenen Eigenschaften und das Zusammenspiel dieser Schichten ist wichtig.

Damals wurde aber der Schluss gezogen, dass Arrhenius falsch lag und  Ångström wandte sich anderen Forschung zu, und dies obwohl Arrhenius eine Studie veröffentlichte, die das Experiment kritisch hinterfragte und die erklärte, warum die Rolle von Wasserdampf in den trockenen höheren Schichten der Atmosphäre nur eine unbedeutende Rolle spielt. Dies lag - und liegt auch heute noch - daran, dass Wasserdampf in der oberen Troposphäre nur in einer sehr viel geringeren Konzentration vorhanden ist als in der unteren Troposphäre, in der sich unser Wettergeschehen größtenteils abspielt. Wie der Zufall so will, nahm davon jedoch niemand Notiz und die Hypothese vom Treibhauseffekt durch Kohlendioxid geriet für über zwei Jahrzehnte in Vergessenheit. Im zweiten Teil schauen wir uns an, was passierte, als der Faden 1931 wieder aufgenommen wurde.

Illustration von jg

Weiterführende Informationen

Das Buch  The Discovery of Global Warming von Spencer Weart liefert eine sehr detaillierte Beschreibung der Geschichte der Klimawissenschaft mit einer Fülle von Referenzen - es ermöglicht viele Tage detaillierter Studien für alle diejenigen, die über die Blogoshpäre hinaus möchten.

Translation by BaerbelW. View original English version.