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All IPCC definitions taken from Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Annex I, Glossary, pp. 941-954. Cambridge University Press.

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Climate Hustle

Die Geschichte der Klimawissenschaft

Einleitung

Die Tatsache, dass Kohlendioxid ein "Treibhausgas" ist, geht auf eine Idee zurück, die zum ersten Mal vor fast 200 Jahren aufgetaucht ist, wenn damals auch noch nicht gezielt in Bezug auf CO2. Als Treibhausgas bezeichnet man Gase, die verhindern, dass ein bestimmter Anteil der Wärmestrahlung zurück ins All abgestrahlt wird, wodurch ein prinzipiell warmes Klima auf der Erde ermöglicht wird. Die Geschichte, wie seine wichtige physikalische Eigenschaft entdeckt wurde, wie seine Rolle in der geologischen Vergangenheit beurteilt wurde und wie wir zu der Erkenntnis gekommen sind, dass seine zunehmende Konzentration - durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe - unsere Zukunft negativ beeinflussen würde, spannt sich über fast zwei Jahrhunderte mit Fragen, Entdeckungen, Innovationen und Problemlösungen.

Zwei Jahrhunderte der Klimawissenschaft - die Zeitachse

oben: Klimawissenschaft - der komplette zeitliche Ablauf. Alle Grafiken zum zeitlichen Ablauf auf dieser Seite: jg. Für größeres Bild bitte hier klicken.

Am Anfang...

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.

timeline part 1 German
oben: zeitliche Abfolge der Klimawissenschaft, 1820-1930. Für größeres Bild bitte hier klicken.

1860er: Tyndall und wärmezurückhaltende Gase

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.

Kohlendioxid: Arrhenius macht eine Entdeckung

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 Wasserdampf aufnehmen konnte: die Menge ist etwa 7% mehr je Grad Celsius 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.

Fourier, Tyndall & Arrhenius - the grandfathers of climate science
oben: die Großväter der Klimawissenschaft

Skeptizismus: Arrhenius gegen Ångström

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 wies einen Laborassistenten 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 zu dieser Zeit festgestelltes Problem 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 Atmosphäre 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.

1930er: Hulburt und Callendar

Wir nehmen den Faden 1931 wieder auf, als der amerikanische Physiker E. O. Hulburt Berechnungen durchführte, um ebenfalls die Auswirkungen einer Verdopplung von Kohlendioxid herauszufinden. Er berücksichtigte die zusätzlichen Auswirkungen von Wasserdampf und kam als Ergebnis auf ungefähr 4°C Erwärmung. Er widerlegte auch Ångströms Arbeit und ermittelte, dass - unabhängig von Konvektionsprozessen - nur die ins All entweichende Infrarot-Strahlung (oder eben das Verhindern des Entweichens) eine Schlüsselrolle spielt. Die aus diesen Überlegungen resultierende Studie wurde im Fachmagazin Physical Review veröffentlicht, das von Geo- und Atmosphärenwissenschaftlern eher selten gelesen wurde. Viele von ihnen übersahen diese Studie aus diesem Grund. Jedenfalls wurde generell angenommen, dass das Klimasystem der Erde sich in irgendeiner Art natürlichen Gleichgewichts befand. Im Nachhinein und unter Berücksichtigung der dramatischen klimatischen Änderungen, die zu Eiszeiten führten, war dies ein etwas merkwürdiger Standpunkt.

Sieben Jahre später liess der englische Ingenieur Guy Callendar die Idee wieder aufleben. Callendar war als Spezialist für Dampfmaschinen zwar ein Außenseiter, er hatte aber ein ausgeprägtes Interesse an der Meteorologie und hatte in Temperaturaufzeichnungen Beweise für einen Erwärmungstrend im frühen 20. Jahrhundert gefunden. Endlich kümmerte sich wieder jemand um die tatsächliche Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre: Callendar ermittelte, dass sie um etwa 10% gestiegen war und er mutmaßte, dass dies zu der Erwärmung geführt haben könnte. Er fügte hinzu, dass dies im Laufe der nächsten Jahrhunderte zu einer Klimaveränderung hin zu einem wärmeren Zustand führen könnte.

Die damalige Reaktion war bestenfalls zurückhaltend: so wurde zum Beispiel die Messgenauigkeit der Kohlendioxidkonzentrationen des 19. Jahrhunderts bezweifelt. Außerdem gab es da immer noch die alten Zweifel an Arrhenius ursprünglicher Arbeit: ganz bestimmt waren die riesigen Ozean doch in der Lage, das meiste der zusätzlichen Gase aufzunehmen. Callendar führte an, dass die mit der Atmosphäre interagierende oberste Meerwasserschicht der Ozeane ziemlich leicht mit Kohlendioxid gesättigt werden würde. Dies würde ihre Fähigkeit noch mehr aufzunehmen beeinflussen, weil - wie er annahm - die Vermischung von oberen und tiefen Wasserschichten der Ozeane sehr wahrscheinlich nur sehr langsam von statten geht. Und dann gab es da auch noch das alte Problem mit den sich überlappenden Absorptionsbändern von Wasserdampf und Kohlendioxid und des sich daraus ergebenden geringeren Treibhauseffekts des zuletzt genannten Gases. Callendars eigene Berechnungen, die zu einem Temperaturanstieg von 2°C für eine Verdoppelung von Kohlendioxid kamen, waren etwas einseitig: einer der Hauptkritikpunkte war, dass sie nur die Strahlung berücksichtigten und Auswirkungen der anderen wichtigen Art, durch die Wärme geleitet wird - die Konvektion - unberücksichtigt ließ, obwohl Hulburt darüber bereits geschrieben hatte. Die Erwartung, dass die Erwärmung zu mehr Bewölkung führen würde, wurde wieder geäußert - dies war jedoch ein Punkt, für den es damals noch keine Methode gab, den Beitrag abzuschätzen. Dies waren alles nachvollziehbare und begründete Einwände, weil es zu diesem Zeitpunkt noch nicht ausreichend Daten gab, um für zusätzliche Klarheit zu sorgen.

history part 2

Wichtige Entdeckungen der Klimaforschung, 1930-1960. Für größeres Bild bitte hier klicken.

Die Zeit nach 1945: Technologie des kalten Krieges kommt zur Hilfe

Diese Einwände führten jedoch zu einer neuen Dynamik, um Teile des Problems zu lösen. Begünstigt wurde dies durch eine Zunahme bei der wissenschaftlichen Forschung zu Beginn des Kalten Krieges. Atmosphärische Abläufe hatten wichtige militärische Konsequenzen und es wurde deshalb als wichtig betrachtet, sie so genau wie möglich zu verstehen. Die Eigenschaften und das Verhalten von Infrarotstrahlung wurde dabei ganz genau studiert, was daran lag, dass wenn Raketen irgendwie in die Lage versetzt werden könnten, auf Hitzequellen wie Jetantriebe ausgerichtet zu werden, sie diese Dinge auch finden und zerstören könnten. Ångströms Experimente, bei denen Luft in einer Röhre unterschiedliche Mengen von Kohlendioxid enthält, wurden als irreführend erkannt: die Probleme lagen an den ziemlich schlecht auflösenden Messinstrumenten, die damals zur Verfügung standen. Anstelle der breiten Absorptionsbänder entdeckten die präziseren modernen Geräte Gruppen scharfer Linien, in denen es zur Absorption kam. Dazwischen gab es jedoch Lücken, durch die die Infrarotstrahlung ungehindert passieren konnte. Kohlendioxid und Wasserdampf besaßen ihre jeweils eigenen Absorptionslinien, die sich nicht genau entsprachen und es wurde bestätigt, dass Wasserdampf in den trockeneren oberen Schichten der Atmosphäre eher unwichtig ist. Jetzt wurde endlich realisiert, dass die Eigenschaften jeder einzelnen Schicht ebenfalls berücksichtigt werden mussten. Hulburt und Callendar - ja sogar Arrhenius - waren doch schon auf der richtigen Fährte, selbst wenn Teile ihrer Schlussfolgerungen falsch waren.

Ab Mitte der 50er Jahre konnten die Wissenschaftler große Vorteile aus der Rechenkapazität von Computern ziehen. Dies ermöglichte es, jede Schicht der Erdatmosphäre zu analysieren und herauszufinden, wie sie die Infrarotstrahlung absorbieren könnte. Der Physiker Gilbert Plass machte sich an diese Aufgabe: seine Arbeit - 1956 im Fachmagazin Tellus unter dem Titel "Die Kohlendioxid-Theorie des Klimawandels (The Carbon Dioxide Theory of Climatic Change)" veröffentlicht - bestätigte zum einen, dass mehr Kohlendioxid einen wärmenden Effekt haben würde und zum anderen, dass eine Verdopplung der Konzentration des Gases zu einer Erwärmung zwischen 3 und 4°C führen würde. Bei den Emissionsraten Mitte der 50er Jahre würde dies zu einem Temperaturanstieg von ungefähr 1,1°C pro Jahrhundert führen. Plass notierte, dass eine weitere Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur bis zum Ende des 20. Jahrhunderts, "eindeutig belegen" würde, dass Kohlendioxid einen Klimawandel verursachen könne. Die Reaktion war erneut zurückhaltend. Dass Wasserdampf und Bewölkung kaum Berücksichtigung fanden, führten zur Kritik der Oberflächlichkeit. Die Sache mit der Aufnahme des zusätzlichen Gases durch die Ozeane wurde erneut ins Spiel gebracht und diente als Einwand auf Plass' Annahme, dass das zusätzliche Kohlendioxid für Tausende von Jahren in der Atmosphäre bleiben würde.

Kohlenstoffisotope

Die 50er Jahre des 20. Jahrhunderts wurden geprägt von den Atomtests. Ein Bestandteil des atomaren Niederschlags war Kohlenstoff 14 (C14), ein instabiles Kohlenstoffisotop, das in seinem Atomkern sechs Protonen und acht Neutronen enthält (das mit Abstand häufigste Isotop, das 98,9% der gesamten Kohlenstoffmenge der Erde ausmacht, ist Kohlenstoff 12 (C12) mit sechs Protonen und sechs Neutronen). Weil C14 instabil ist, unterliegt es radioaktivem Zerfall und man kann es durch seine Radioaktivität auf seinem Weg durch die Atmosphäre verfolgen. Dieses Tracking ermöglichte es den Forschern, festzustellen, dass sich die zur Atmosphäre hinzugefügten langlebigen Gase innerhalb weniger Jahre über alle Schichten hinweg und von Pol zu Pol vermischten. C14 entsteht allerdings auch in den obersten Atmosphärenschichten durch den Beschuss mit kosmischer Strahlung. Im Vergleich zu den singulären Ereignissen jedes einzelnen Atomtests, handelt es sich hierbei um einen konstanten Prozess. Diese Tatsache ermöglichte einen weiteren Test.

C14 hat eine kurze Halbwertszeit weshalb mit der Radiokarbonmethode das Alter nur für relativ junge Materialien ermittelt werden kann. Sie funktioniert nicht für sehr altes Material wie Steine, die Millionen von Jahre alt sein können und wo man auch die fossilen Brennstoffe dazuzählen kann. In Kohle und Öl ist der radioaktive Zerfall von C14 längst abgeschlossen, so dass beim Verbrennen nur noch nicht radioaktives C12 und das viel seltenere aber stabile C13 freigesetzt wird. Beim massiven Verbrennen fossiler Brennstoffe würde deshalb der Luft unabhängig von Atomtests mehr C12 und C13 im Verhältnis zu C14 hinzugefügt werden. Der Chemiker Hans Suess hat dies durch die Untersuchung von Kohlenstoffisotopen in Bäumen getestet. Er fand heraus, dass je jünger das Holz war, darin mehr C12 und C13 im Verhältnis zu C14 nachgewiesen werden konnte. Dies war der im Holz festgehaltene Fingerabdruck der Verfeuerung von fossilen Brennstoffen.

Seuss und Revelle arbeiten an der Klärung der Rolle der Ozeane

Zu dieser Zeit war die Zunahme noch gering, was die Ansicht verstärkte, dass die Ozeane den Großteil des zusätzlichen Kohlendioxids aufnahmen. Weiterführende Forschung wurde jedoch von Suess, zusammen mit Roger Revelle am Scripps Institute für Ozeanografie und von anderen Spezialisten betrieben. Sie alle kamen unabhängig voneinander zu einer ähnlichen Schlussfolgerung: die Ozeane würden typischerweise ein emittiertes Kohlendioxidmolekül innerhalb eines Jahrzehnts aufgenommen haben. Revelle, eine Art Spezialist für die Chemie des Meerwassers, war sich jedoch bewusst darüber, dass die verschiedenen im Meerwasser enthaltenen Chemikalien einen Puffereffekt hatten, der das Meerwasser in einem leicht basischen Zustand hält. Revelle vertrat die Meinung, dass diese Pufferwirkung der Menge von Kohlendioxid, die die Meere tatsächlich aufnehmen konnten, eine enge Grenze setzte.

Dies war ein kritischer Punkt in der Forschung. Revelle berechnete, dass basierend auf den Emissionsraten seiner Zeit (unter der auch von seinen Vorgängern vertretenen Annahme, dass diese Raten wahrscheinlich konstant bleiben würden)  ein Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in Höhe von etwa 40% in den folgenden Jahrhunderten möglich wäre. Er  erwähnte allerdings auch nebenbei, dass wenn die Emissionsraten weiterhin steigen würden, das Ergebnis ein anderes mit einer deutlichen Erwärmung in den kommenden Jahrzehnten sein würde. Besonders wichtig war, dass er darauf hinwies, dass die Menschheit ein großes geophysikalisches Experiment durchführte, das weder in der Vergangenheit hätte passieren können noch in der Zukunft wiederholt werden könnte. Dies war möglicherweise ein Hinweis auf die zunehmende Erkenntnis, dass die fossilen Brennstoffe begrenzt und nur einmal nutzbar waren, da sie nun einmal in menschlichen Zeiträumen gesehen keine erneuerbaren Rohstoffe sind.

Die Wichtigkeit der begrenzten Aufnahmefähigkeit der Ozeane für Kohlendioxid setzte sich nach einer gewissen Zeit durch und die zwei schwedischen Meteorologen Bert Bolin und Erik Eriksson führten dies näher aus, in dem sie erklärten, was passiert. Obwohl das Gas tatsächlich leicht vom Meerwasser aufgenommen werden kann, spielen dabei die Zeiträume eine entscheidende Rolle:  das Vermischen von Meerwasser der flachen und tiefen Bereiche der Meere vollzieht sich über hunderte bis tausende von Jahren. Meerwasser kann aber Teile seiner Kohlendioxidfracht über sehr viel kürzere Zeiträume ausgasen. Wie ihre Vorgänger, führten Bolin und Eriksson Berechnungen für die möglichen Temperaturveränderungen bei einer Verdopplung von Kohlendioxid durch. Allerdings nahmen sie an, dass die Emissionen steigen und auf einem immer steiler werdenden Pfad noch mehr steigen würden. Sie notierten, dass es bis zum Jahr 2000 zu einem Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids um 25% kommen würde. Dies war wesentlich drastischer als alles andere was zuvor geäußert wurde und Bolin warnte davor, dass daraus dramatische Klimaveränderungen resultieren könnten, eine Aussage, die vom russischen Klimaforscher Mikhael Budyko 1962 wiederholt wurde.

Späte 1950er: ernsthafte Überwachung von Kohlendioxid beginnt

Was passierte denn tatsächlich mit der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre? Stieg sie wirklich an? Der einzige Weg, um dies herauszufinden, war anzufangen, die Konzentration des Gases genau zu messen. Um dies in die Tat umzusetzen, wurde als erster Schritt ein Netzwerk aus 15 über Skandinavien verteilten Messstationen aufgebaut. Die Ergebnisse waren extrem verrauscht und es wurden dann auch Fehler in der angewandten Methode entdeckt. In Kalifornien war es dem Forscher Charles David Keeling jedoch gelungen, die Messtechniken soweit zu verbessern, dass er annahm, dass es möglich war, die störenden Quellen des Rauschens zu isolieren und zu entfernen. Revelle und Suess stellten ihn ein und finanzierten seine Arbeitszeit und seine Geräte. Es wurden Gegenden wie die Antarktis und der Mauna Loa Vulkan auf Hawaii ausgewählt, die weit entfernt von verfälschenden lokalen menschengemachten oder natürlichen Quellen von Kohlendioxid lagen. Hier sei erwähnt, dass am Mauna Loa die vorherrschenden Winde vom Meer her kommen und die Risse, aus denen Gas austritt, fast alle in Windrichtung liegen. Wenn der Wind also dreht, sind die Ausschläge durch das vulkanische Kohlendioxid so offensichtlich, dass sie leicht entfernt werden können. Die Idee war jedenfalls, zunächst eine Basiskonzentration zu ermitteln und danach festzustellen, wie hoch die Konzentration in den Folgejahren sein würde. 1958 war sich Keeling sicher, dass er diese Basis zuverlässig ermittelt hatte und zwei Jahre später teilte er mit, dass die Konzentration anstieg, und zwar mit der zu erwartenden Rate, wenn die Ozeane wie oben beschrieben nicht das meiste der Emissionen aufnahmen.

Atmospheric carbon dioxide levels from the late 1950s onwards

oben: Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre ab Ende der 1950er Jahre. Die rote Zickzack-Linie wird durch jahreszeitlich bedingte Schwankungen in der Aufnahme durch Pflanzen verursacht

Leider wurden die Stationen in der Antarktis Opfer fehlender Finanzierung. Die Mauna Loa Messstation wurde aber weiterhin betrieben und sie fand einen sich fortsetzenden Anstieg. Die Messungen nahmen auch einen deutlich erkennbaren und regelmäßig fluktuierenden Kreislauf wahr, der der pflanzlichen Wachstumsperiode der nördlichen Hemisphäre entsprach. Im Frühjahr und Sommer nahm die Konzentration ab, um im Herbst und Winter wieder anzusteigen, was die entsprechend zunehmende und abnehmende Aufnahme von Kohlendioxid wiederspiegelte. Parallel hierzu nahm das Verständnis anderer Aspekte des komplexen Kohlenstoffzyklus weiter zu. Grundsätzlich war das Ziel, herauszufinden, wie viel von dem aus dem Verfeuern fossiler Brennstoffe stammenden Kohlendioxids in den Meeren, der Vegetation, den Böden, verwitterndem Gestein und so weiter landete. Ganz wichtig war auch, dass diese fachübergreifende Arbeit endlich die verschiedenen Forschungsgebiete, die bisher in ziemlicher Isolierung gearbeitet hatten, zusammenbrachte: Atmosphärenwissenschaftler, Biologen, Geochemiker, Computerspezialisten und noch viele andere. 1965 wurde die Aussage getroffen, dass "bis zum Jahr 2000 die Zunahme von CO2 in der Atmosphäre ... wahrscheinlich ausreicht, um messbare und vielleicht deutliche Veränderungen des Klimas zu verursachen".

Mitte der 1960er: das erste Klimamodell - Manabe und Wetherald

Bis 1967 war das erste Computermodell, das das Klima der ganzen Erde simulierte, von Syukuro Manabe in Zusammenarbeit mit Richard Wetherald entwickelt worden. Auch wenn es verglichen mit heutigen Modellen recht einfach aufgebaut war, fanden sie damit trotzdem heraus, dass die Bewegung der Wärme mittels Konvektion die Temperaturen davon abhielten, außer Kontrolle zu geraten. Wenn sich jedoch die CO2-Konzentration verdoppelte, würden die Temperaturen um ungefähr 2°C ansteigen. Konvektive Aufwinde, wie solche, die zur Entwicklung von Gewittern führen können, transportieren sehr viel Wärme von der Erdoberfläche hoch bis zur oberen Troposphäre. Eine sich erwärmende Oberfläche verstärkt den Prozess, so dass immer mehr Wärme nach oben getragen wird und sie schließlich so weit oben landet, dass sie ins All zurückgestrahlt werden könnte. Wenn die Oberfläche wärmer würde, würde die Konvektion mehr Wärme nach oben tragen. Dieser wichtige zusätzliche Kontrollmechanismus erklärte ein seit langem ungelöstes Problem, das wenige Forscher - mit der bemerkenswerten Ausnahme von Hulburt - ausgiebig untersucht hatten.

1970er: Eine neue Eiszeit? Nein!

Trotz dieser Fortschritte wurden unter Wissenschaftlern immer noch Zweifel geäußert: der Klimatologe Helmut Landsberg äußerte sich 1970 dahingehend, dass der CO2-Anstieg  mit der damaligen Geschwindigkeit zu einem Temperaturanstieg von 2°C in den nächsten vier Jahrhunderten führen würde. Dies konnte man seiner Meinung nach "wohl kaum katastrophal nennen".  Der Klimatologe Hubert Lamb sowie einige andere wiesen auch auf Unsicherheiten hin. Eine davon war, dass frühere aus historischen Daten bekannte Temperaturschwankungen vergangener Jahrhunderte nicht erklärt werden konnten. Außerdem waren die Temperaturen seit den 40er Jahren leicht zurückgegangen, obwohl die Kohlendioxidkonzentration angestiegen war. Was ging da vor sich? S. Ichtiaque Rasool und Stephen Schneider von der NASA modellierten z. B. die Auswirkungen der Luftverschmutzung durch Aerosole und Schwefelemissionen in der Atmosphäre und fanden heraus, dass ein deutlicher Anstieg dieser Verschmutzung - möglicherweise - zu einer Periode der Abkühlung führen könnte. Diese Art von Erkenntnissen ließen eine Minderheit von Wissenschaftlern und eine größere Gruppe von Kommentatoren gar Überlegungen anstellen, ob die gegenwärtige Zwischeneiszeit zu Ende gehen könnte. Standen wir kurz vor einer neuen Eiszeit? Den Medien gefiel das: obwohl nur eine Minderheitsmeinung, hörte es sich hübsch dramatisch an und führte deshalb zu Schlagzeilen.

Climate Science Timeline, 1960-today Germanoben: Geschichte der Klimawissenschaft von 1960 bis 2010. Für größeres Bild bitte hier klicken.

Es gab nur einen Weg  um herauszufinden, was wirklich passierte: die Forschungsaktivitäten mussten fortgesetzt werden. In den 70er Jahren und bis hinein in die 80er gab es weitere wichtige Entwicklungen, flankiert ab Mitte der 70er Jahre von einer neuerlichen Erwärmung.  Identifiziert werden konnten zusätzliche und in manchen Fällen stärkere Treibhausgase wie Methan oder der Beitrag zum Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre durch andere menschliche Aktivitäten wie Abholzung und Zementherstellung. Die temperaturverändernden Eigenschaften der Luftverschmutzung durch Schwefelemissionen oder Aerosole und ihre Bedeutung für die Abkühlung der nördlichen Halbkugel nach 1940 wurden besser verstanden. Die Wissensbasis nahm von Jahr zu Jahr weiter zu. Es wurde erkannt, dass sowohl Pflanzen als auch die Meere über einen bestimmten Zeitraum hinweg nur eine begrenzte Menge Kohlendioxid aufnehmen konnten. Computermodelle wurden kontinuierlich verbessert, weil die Parameter besser verstanden wurden. In einer im Magazin Nature 1981 veröffentlichten Studie stellten die Klimawissenschaftler Tom Wigley und Phil Jones fest: "Vor dem Ende des Jahrhunderts werden sich die Auswirkungen des CO2 noch nicht bemerkbar machen. Ab dann werden die atmosphärischen CO2-Konzentrationen wahrscheinlich ausreichend hoch sein (und sie werden auch danach weiter steigen) , so dass eine deutlich stärkere Klimaveränderung als jede andere im vergangenen Jahrhundert unvermeidbar wird."

Eisbohrkerne und sehr alte Luft

Bohrkerne aus den Eisschilden Grönlands und der Antarktis wurden zu einem wichtigen Bereich der Klimaforschung zur Untersuchung vergangener Zeiten. Im Eis sind kleinste Blasen prähistorischer Luft aus der Zeit seiner Entstehung eingeschlossen. Sobald eine zuverlässige Methode zum Isolieren und zur Analyse dieser Luft gefunden worden war (mittels Vakuum), war es möglich, eine Vorstellung der Zusammensetzung der Atmosphäre früherer Epochen über Eiszeiten und Zwischeneiszeiten hinweg zu erhalten. Es wurde festgestellt, dass zu den kältesten Zeiten der letzten Eiszeit, die Kohlendioxidkonzentration mit weniger als zweihundert Teilen pro Millionen sehr niedrig war. Bis Mitte der 80er Jahre war der bekannte Vostok-Eisbohrkern bis auf eine Tiefe von 2km gebohrt worden. Dies entspricht 150.000 Jahren der Klimageschichte und damit einem kompletten Interglazial-Eiszeit-Interglazial-Zyklus. Die Kohlendioxid-Schwankungen zeigten eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit den Temperaturen.

Die Daten aus den Eisbohrkernen deuteten auch erstmals auf einen anderen Aspekt der Rolle der Treibhausgase hin: Rückkopplungen. Selbst wenn Perioden mit Erwärmung zunächst durch Veränderungen in der Erdumlaufbahn ausgelöst wurden, wurden durch diese Erwärmung Treibhausgase aus Quellen wie den Ozeanen und auftauendem Permafrost freigesetzt. Diese zusätzlichen Treibhausgase wirkten dann wie mächtige Verstärker der ursprünglichen Erwärmung. Die gegenteilige Entwicklung war durch eine verstärkte Entnahme von Treibhausgasen ebenfalls möglich, was dann zu einer Temperaturabnahme bis hin zu einer Eiszeit führen konnte. Da die Kohlendioxidkonzentration aber nun deutlich höher war als irgendwann in den vergangenen 2 Millionen Jahren und zwar sowohl während Eiszeiten als auch Interglazialen, war es ganz klar geworden, dass der Treibhauseffekt etwas war, das wir extrem ernst nehmen mussten. Obwohl der genaue zukünftige Temperaturanstieg noch nicht bekannt war und die Fehlerbalken noch recht groß waren, wiesen die Modelle darauf hin, dass eine Verdopplung von Kohlendioxid in Relation zu den vorindustriellen Werten, zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperaturen um drei Grad Celsius am wahrscheinlichsten war.

Ein anderer Forschungsbereich befasste sich mit den wesentlich langsamer ablaufenden Klimaveränderungen lang vergangener Zeiten. Nachdem die Plattentektonik verstanden worden war, wurde es durch den Einsatz einer Vielzahl von geologischen Verfahren möglich, die Kontinentalverschiebungen über viele hundert Millionen Jahre hinweg zurückzuverfolgen. Diese paleogeografischen Rekonstruktionen zeigten in Fossilien der Flora und Fauna, dass sich wärmeliebende Arten zu bestimmten teilweise mehrere Zehnmillionen Jahre lang dauernden Perioden über deutlich mehr Breitengrade verteilten als dies heute der Fall ist. Der gesamte Planet muss sich eines wärmeren Klimas erfreut haben und vor allem die Pole waren im Vergleich zu heute besonders warm. Da nun auch die Beziehung zwischen Kohlendioxid und den Temperaturen besser verstanden wurde, wendete sich die Aufmerksamkeit diesen vergangenen "Treibhaus" Perioden zu und es wurden immer mehr Beweise dafür gefunden, dass die Kohlendioxidkonzentrationen damals tatsächlich viel höher waren.

Lösung des "Paradoxon der schwachen jungen Sonne"

Diese Erkenntnis lieferte auch die Erklärung für ein anderes geologisches Problem, das sogenannte "Paradoxon der schwachen jungen Sonne". Astrophysiker wussten bereits seit längerem, dass die Sonne ein Hauptreihenstern ist und dass sie kontinuierlich um etwa 10% pro Milliarde Jahre stärker strahlte. Sie musste also vor langer Zeit wesentlich schwächer gewesen sein. Geologen wussten von ziemlich weitreichenden Vereisungen in der Vergangenheit. So hatte es zum Ende des Ordoviziums vor ca. 445 Millionen Jahren eine Eiszeit gegeben. Wenn man noch weiter zurückschaut, gab es im Proterozoikum riesige vielleicht gar globale Vereisungen. Von diesen letztgenannten Ereignissen sind typische Gesteinsschichten übriggeblieben, die aus vom Eis zurückgebliebenem Geschiebemergel (uralter Gesteinslehm, mittlerweile fester Fels) bestehen, über denen nach einer Ablagerungsgrenze Karbonatsgestein liegt. Dies sind chemische Sedimente ozeanischen Ursprungs, die während den Zwischeneiszeiten nach einem Anstieg des Meeresspiegels abgelagert wurden. Grundsätzlich war das Klima trotz der schwachen Sonne außerhalb dieser eiskalten Episoden warm, sogar wärmer als es eigentlich hätte sein dürfen.

Cap-carbonate overlying tillite, Namibia

oben: die Visitenkarte einer früheren Eiszeit - ein Felsen in Namibia mit uralten (proterozoischem)  Ablagerungen glazialen Ursprungs, über denen eine dolomitische "Karbonat" Sequenz ozeanischen Ursprungs (cap carbonate) liegt, die während den wärmeren nacheiszeitlichen Bedingungen abgelagert wurden. Foto: P. Hoffmann.

1980er: Der Kohlenstoffkreislauf - der Thermostat der Erde

Um dies zu erklären, war ein Verständnis für den Kohlenstoffzyklus entscheidend: es wurde realisiert, dass über die Erdzeitalter hinweg, die Konzentration von Kohlendioxid und anderen nicht-kondensierenden Treibhausgasen einen großen Einfluss auf die globalen Temperaturen gehabt hatten. Bei Kohlendioxid gab es Quellen und Senken, aber immer wieder kam es zu großen Ausschlägen nach oben oder unten als ungewöhnlich starke Quellen oder Senken das Bild dominierten. Diese Störungen wurden in den Gesteinsschichten festgehalten.  Starke Quellen, wie z. B. Episoden mit außergewöhnlich starker Vulkanaktivität bedeckten Flächen von der Größe ganzer Kontinente fast komplett mit Lava und Tuff und hinterließen dadurch ihre Visitenkarten für die Untersuchungen der Geologen. Das gleiche gilt für ausgeprägte Senken: als die Kontinente aufeinander prallten, bildeten sich Gebirgsketten, wodurch unvorstellbar große Mengen von Felsgestein der Verwitterung ausgesetzt wurden. Hierbei spielt im Regenwasser gelöstes Kohlendioxid eine der wichtigsten Rollen. Diese zeitweise auftretenden Störungen waren entsprechend für wärmere oder kältere Klimaepisoden verantwortlich. Es war fast so, als würden diese nicht-kondensierenden Treibhausgase als Thermostat des Planeten fungieren.

Rekonstruktionen vergangener Treibhausbedingungen haben gezeigt, dass die Temperaturen im Schnitt um etwa 6 Grad höher waren und an den Polen sogar noch höher, wo es keine Eiskappen gab sondern Flora und Fauna gemäßigter bis subtropischer Breiten existierte, wie an den Fossilien aus diesen Gegenden abgelesen werden kann. Es gibt allerdings einen sehr wichtigen Unterschied zwischen damals und heute: die früheren Veränderungen der Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre liefen verglichen mit heute meistens im Schneckentempo ab - heutzutage steigen die Konzentrationen exponentiell an - schneller und schneller und schneller. Außerdem wurden sehr schnelle (über wenige Zehntausend Jahre ablaufende) Veränderungen in der geologischen Vergangenheit oft von Massenaussterben begleitet, weil die Bedingungen sich schneller veränderten als Ökosysteme sich daran anpassen konnten. Genau in dieser Zeit als sich herauskristallisierte, wie schlimm es kommen könnte, wurde 1988 der Weltklimarat (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change) gegründet.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts waren die großen Risiken allzu offensichtlich geworden, die mit dem fortwährenden Herumpfuschen am Thermostat der Erde einhergingen. Hierzu gehören zahlreiche Probleme: extreme und noch nie dagewesene Dürren, die die Landwirtschaft in einigen Gegenden in Mitleidenschaft ziehen, zu weltweit stark überhöhten Lebensmittelpreisen führen und bessere Bedingungen für Brände schaffen; in anderen Gegenden gibt es extreme Regenfälle, die zu großflächigen Überschwemmungen, zur Zerstörung von Anbauflächen, zu Toten und Verlust/Beschädigungen von Eigentum führen. Der Anstieg des Meeresspiegels über mehrere Jahrzehnte hinweg wird die Landwirtschaft ebenfalls durch den Wegfall fruchtbarer tiefliegender Ackerflächen beeinträchtigen Außerdem führt er zur Vertreibung der Bevölkerung und zu Massenmigrationen. Die Menschheit war also faktisch dabei, bestimmte Gebiete der Erdoberfläche für zukünftige Generationen unbewohnbar zu machen.

Die Gegner der Wissenschaft verschaffen sich Gehör

Es soll hier auch nicht unerwähnt bleiben, dass in den 90er Jahre gut finanzierte und politisch motivierte Organisationen [Anmerkung: speziell in den U.S.A.] entstanden, die sich gegen die Klimawissenschaften stellten. Eine der ersten davon war 1991 der so genannte Information Council on the Environment. In den letzten Jahren des Jahrzehnts gab es auch das American Petroleum Institute mit seinem 1998 "Global Climate Science Communication Action Plan", aus dem nachfolgend ein Ausschnitt zu sehen ist (Bildschirmbild einer PDF-Kopie, die auf der Webseite climatesciencewatch.org abrufbar ist). Diese Kampagne war hauptsächlich eine Reaktion auf das im Dezember 1997 unterzeichnete Kyoto Protokoll zur Begrenzung der Emissionen.

 screengrab from 1998 action plan

Als Sieg betrachtet werden kann, wenn

  • Durchschnittsbürger "verstehen" (erkennen an), dass es Unsicherheiten in den Klimawissenschaften gibt; wenn die Bestätigung dieser Unsicherheiten zur gängigen Meinung wird
  • Medien "verstehen" (erkennen an), dass es Unsicherheiten in den Klimawissenschaften gibt
  • die Berichterstattung in den Medien eine Balance hält zwischen den Klimawissenschaften und der Ansicht, die die gängige Meinung in Frage stellt
  • das Management der Industriekonzerne die Unsicherheiten der Klimawissenschaften versteht und sie zu stärkeren Vertretern macht, die die Klimapolitik beeinflussen
  • die Verfechter des Kyotoprotokolls auf Basis der bestehenden Wissenschaft als weltfremd wahrgenommen werden 

Die meisten der Leser werden mit den seit damals geführten politischen Grabenkämpfen vertraut sein. Auf die jüngere Geschichte der Klimawissenschaften des späten 20. und frühen 21. Jahrhunderts wird in zahlreichen Artikeln sowohl hier auf Skeptical Science und auf anderen Seiten wie Realclimate eingegangen. Die grundlegenden Prinzipien bleiben bestehen, es wird aber an allen Stellen an den Feinjustierungen gearbeitet: es werden bessere Methoden zum Datensammeln entwickelt, diverse Probleme mit den Proxies, die zum Verständnis der Temperaturen vergangener Zeiten verwendet werden, werden ausgebügelt und das Monitoring wird verbessert. Fourier, Tyndall und Arrhenius waren allerdings vor vielen Jahren bereits auf dem richtigen Weg, als ihre Pionierarbeit dazu führte, herauszufinden, wie das Erdklima funktioniert. Dies ist sicherlich etwas, das sich lohnt im Zuge von Diskussionen parat zu haben, wenn jemand behauptet, dass es die Klimawissenschaften erst seit einigen Jahrzehnten gibt!

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.



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