Zehn Dinge, die unser Klima verändern Understand article

Übersetzt von: Jana Kusch. Nach wie vor beeinflussen Aktivitäten des Menschen das Klima weltweit, aber auch eine Reihe anderer miteinander vernetzter Mechanismen spielt eine Rolle.

Es besteht kein Zweifel daran, dass sich das Erdklima im Laufe der geologischen Zeit verändert hat – noch vor dem Auftreten des Homo sapiens. In ihrer 4,6 Milliarden Jahre währenden Geschichte hat die Erde verschiedene Extreme durchgemacht, von Perioden, in denen der Planet fast vollständig von Eis bedeckt war, bis hin zu einer Phase, in der das Nordpolarmeer eine milde Temperatur von 23°C erreichte.

Diese klimatischen Veränderungen sind das Ergebnis vieler interagierender Mechanismen, die sich in der Dimension ihrer Auswirkungen unterscheiden. Im Laufe des vergangenen Jahrhunderts hat jedoch vor allem ein Faktor eine wichtige Rolle bei der Beeinflussung unseres Klimas gespielt: Die Klimawissenschaftler sind sich in überwältigenden Maße darüber einig, dass die Erdtemperatur infolge der durch menschliche Aktivitäten verursachten Treibhausgasemissionen ansteigt.

Um das wahre Ausmaß unseres eigenen Einflusses zu bestimmen, untersuchen Wissenschaftler, welche Prozesse den natürlichen und den vom Menschen verursachten Klimawandel in der Vergangenheit vorangetrieben haben bzw. heute vorantreiben. In diesem Artikel wollen wir zehn dieser Prozesse näher beleuchten. Die Reihenfolge, in der sie diskutiert werden, entspricht nicht ihrer Bedeutung.

Antarctica’s Brunt Ice Shelf
Risse, die sich über das Brunt-Eisschelf der Antarktis ausbreiten, sind auf dem besten Weg, zum Zerbrechen des Schelfs zu führen und einen Eisberg von der Größe des Großraums London freizusetzen.
ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

1. Ohne Treibhausgase wäre die Erde ein gefrorener Planet

Durch den Treibhauseffekt fangen Gase in der Atmosphäre (wie Kohlendioxid, Methan und Stickoxide) die Infrarotstrahlung der Erde ein, die ansonsten in den Weltraum ausgestrahlt würde. Dank dieses natürlichen Prozesses hat die Erdoberfläche eine Durchschnittstemperatur von 15°Cw1. Ohne diese Gase wäre unser Planet eisig mit Temperaturen um -18°C, und das Leben, wie wir es kennen, wäre nicht möglich.

Änderungen der Treibhausgaskonzentrationen können erhebliche Auswirkungen auf das globale Klima haben. So haben beispielsweise in der geologischen Vergangenheit der Erde Vulkanausbrüche oder Asteroideneinschläge (siehe unten) den Kohlendioxidspiegel in der Atmosphäre erhöht, was zu dramatischen Temperaturspitzen führte. In der jüngeren Erdgeschichte hat der Mensch diesen natürlichen Effekt verstärkt.

2. Der Mensch intensiviert den natürlichen Treibhauseffekt

Seit der industriellen Revolution haben die Aktivitäten des Menschen die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre erhöht. So stieg der Kohlendioxidspiegel infolge der Abholzung und der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Der Anstieg im Methangehalt ist auf die Viehzucht und den Reisanbau zurückzuführen.

Der anthropogene Treibhauseffekt hat bisher zu einem globalen Temperaturanstieg von ca. 1,0°C gegenüber dem vorindustriellen Wert geführt. Wenn die globale Erwärmung mit ihrem derzeitigen Tempo anhält, könnte die Temperatur bis zum Ende dieses Jahrhunderts um weitere 3-4°C ansteigen. Wissenschaftler betonen, dass die Erwärmung auf 1,5°C begrenzt werden muss – also auf einen zusätzlichen Anstieg von nicht mehr als 0,5°C gegenüber dem heutigen Niveauw2. Um dies zu erreichen, müssen wir unsere Treibhausgasemissionen drastisch reduzieren. Das Positive daran ist, dass der anthropogene Treibhauseffekt ein Problem ist, auf das wir selbst einen Einfluss haben.

Observed and projected global temperature change
Beobachtete und prognostizierte globale Temperaturänderung. Die Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5°C erfordert eine drastische Reduzierung der Treibhausgasemissionen.
Adaptiert vom “Special Report on Global Warming of 1.5ºC”
IPCC
Global temperature change relative to pre-industrial levels (°C): Globaler Temperaturanstieg im Vergleich zu prä-industriellen Werten (°C)
Human-induced warming to date: Durch den Menschen bedingte Erwärmung bis heute
Likely increase based on the present rate of warming: Wahrscheinlicher Anstieg basierend auf der aktuellen Geschwindigkeit der Erwärmung
Modelled range of warming if CO2 emissions decline to net zero in 2055 and other greenhouse gases are reduced after 2030: Nettoausstoß von Null sinken und andere Treibhausgase nach 2030 reduziert werden.

3. Die Bildung von Gletschern wurde mit der Erdumlaufbahn in Verbindung gebracht

Wir leben derzeit in der spätkänozoischen Eiszeit, die vor 34 Millionen Jahren begann. Die jüngste Phase dieser Eiszeit ist das Quartär, mit einem Wechsel von glazialen und interglazialen Phasen, in denen kontinentale Gletscher gewachsen bzw.  geschrumpft sind.

Es wird angenommen, dass diese Glazial- und Interglazialphasen durch Abweichungen in der Erdumlaufbahn, bekannt als Milankovitch-Zyklenw3, verursacht werden. Im Mittelpunkt dieser Zyklen stehen drei Parameter, die mit der Bewegung der Erde zusammenhängen: die Exzentrizität der Erdbahn, die Obliquität (Schiefe) und die Präzession. Diese Begriffe beschreiben die Form der Erdumlaufbahn (ob kreisförmig oder elliptisch), die Neigung der Erdachse in Bezug auf ihre Umlaufbahn und die Lageveränderung der Erdachse auf Grund der kreiselnden Rotationsbewegung.

So neigt sich beispielsweise die Erdachse derzeit in einem Winkel von 23,5° relativ zur Senkrechten ihrer Umlaufbahnebene. Sie kann allerdings über einen Zeitraum von etwa 41 000 Jahren zwischen 22° und 25° variieren. Diese Änderung des Neigungswinkels bestimmt die Menge der Sonneneinstrahlung, die auf die verschiedenen Regionen der Erde trifft, was sich wiederum auf die Gletscherbildung auswirkt.

Exzentrizität: Die Form der Erdumlaufbahn ändert sich von einer leicht elliptischen zu einer nahezu kreisförmigen Form über einen Zyklus von etwa 100 000 Jahren.
Nicola Graf
Earth: Erde
Obliquität (Schiefe): Die Neigung der Erdachse variiert zwischen 22° und 25° (bezogen auf die Senkrechte zu ihrer Umlaufbahnebene, 0°) über einen Zeitraum von etwa 41 000 Jahren.
Nicola Graf
Sun: Sonne
Präzession: Durch die kreiselnde Rotation umschreibt die Erdachse einen vollständigen Kreis über einen Zeitraum von etwa 26 000 Jahren.
Nicola Graf

4. Geringe Sonnenaktivität und Eiszeiten fielen zeitlich zusammen

Die Kraft der Sonne verändert sich im Laufe ihres elfjährigen Aktivitätszyklus. Bei einem Sonnenmaximum – wenn die Sonnenaktivität am größten ist – treten viele Sonnenflecken (dunklere Flecken) und Faculae (hellere Flecken) auf der Sonnenoberfläche auf. Der Nettoeffekt ist eine Zunahme der Sonneneinstrahlung, die zu einer Klimaerwärmung beitragen kann. Bei einem solaren Minimum – der Zeit der geringsten Sonnenaktivität – ist das Gegenteil der Fallw4.

Ein bemerkenswertes Beispiel ist das Maunder-Minimum, das die Zeit zwischen 1645 und 1715 beschreibt, in der die Sonnenflecken selten waren. Dieses solare Minimum fiel mit der Mitte der „Kleinen Eiszeit“ zusammen – nicht wirklich eine Eiszeit, sondern eine Periode, in der Europa und Nordamerika unter starker Kälte litten und an der gefrorenen Themse in London, Großbritannien, sogenannte „Frostjahrmärkte“ stattfanden.

Sunspot observations per year since the early 1600s
Sonnenfleckenbeobachtungen pro Jahr seit Anfang des 16. Jahrhunderts, die die Sonnenminima und -maxima aufzeigen.
Global Warming Art/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Number of sunspots: Anzahl der Sonnenflecken
Maunder Minimum: Maunder-Minimum
Dalton Minimum: Dalton-Minimum
Modern Maximum: Aktuelles Maximum
Sporadic observations prior to c. 1750: Sporadische Beobachtungen bis ca. 1750
Average monthly measurements since c. 1750: Durchschnittliche monatliche Messungen seit ca. 1750

5. Der Anstieg des Sauerstoffs verursachte eine Abkühlung

Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren gab es in der Erdatmosphäre keinen Sauerstoff. Obwohl die Sonne damals weniger hell war, war unser Planet bewohnbar, zum Teil weil die atmosphärische Konzentration von Methan 1000-mal höher war als heute. All dies änderte sich jedoch durch die sogenannte “Große Sauerstoffkatastrophe”, die durch das Erscheinen der Cyanobakterien (auch Blaualgen genannt) ausgelöst wurdew5. Diese mikroskopischen Organismen waren in der Lage, Photosynthese durchzuführen und produzierten Sauerstoff als Abfallprodukt.

Es wird angenommen, dass dieser Sauerstoff mit Methan in der Atmosphäre reagiert hat, und zur Bildung von Kohlendioxid und Wasser führte. Kohlendioxid ist 62-mal weniger effektiv bei der Erwärmung des Planeten als Methan, so dass der Ersatz von Methan durch Kohlendioxid zu einem dramatischen Temperaturabfall führte und die Erde in ihre früheste Eiszeit – die Huronische Eiszeit – stürzte.

6. Erwärmung kann zur Unterbrechung der Meeresströmungen führen

Meeresströmungen und Winde sind wichtige Bestandteile des Klimasystems. Durch die regional unterschiedliche Aufheizung der Erde, bei der der Äquator heißer ist als die Erdpole, bewegen Konvektionsströme in den Ozeanen und in der Atmosphäre die Wärmeenergie zu den Polen hin. Dies ist der Motor, der die atmosphärische Zirkulation und die thermohaline Zirkulation in den Ozeanen antreibt.

Die thermohaline Zirkulation (oder Ozeanförderer, wie sie manchmal genannt wird) wird durch Unterschiede in der Temperatur und im Salzgehalt des Wassersw6 aufrechterhalten. Sie bringt warmes Oberflächenwasser aus den Tropen in den Nordatlantik, der in der Folge Teile Europas erwärmt. Es wird befürchtet, dass die globale Erwärmung dazu führen wird, dass die Gletscher auf Grönland schmelzen, und dadurch der Salzgehalt des Nordatlantiks verdünnt und die Dichte seines Wassers verringert wird. Wenn das Wasser nicht mehr dicht genug ist, um zu sinken, würde der thermohaline Kreislauf unterbrochen werden.

Thermohaline circulation of the world’s oceans
Thermohaline Zirkulation der Weltmeere, die durch Unterschiede im Salzgehalt und in der Temperatur des Wassers angetrieben wird. Blaue Pfade stellen Tiefwasserströmungen dar, während rote Pfade Oberflächenströmungen darstellen.
Nicola Graf
Atlantic Ocean: Atlantischer Ozean
Indian Ocean: Indischer Ozean
Pacific Ocean: Pazifischer Ozean
Warm shallow current: Warme Oberflächenströme
Cold and salty deep current: Kalte, salzige Tiefwasserströmungen

7. Asteroideneinschläge verursachten Klimakatastrophen

Vor rund 66 Millionen Jahren kollidierte der Asteroid Chicxulub mit einem Durchmesser von 10 Kilometern mit der Erde und führte zum Untergang der Dinosaurierw7. Der Aufprall wirbelte so viel Staub in die Stratosphäre, dass 50% des Sonnenlichts, das auf die Erde trifft, abgeschirmt wurde. Dies hätte die Photosynthese beeinträchtigen und zum Zusammenbruch der Nahrungskette führen können. Auch ein dramatischer Rückgang der globalen Temperaturen und ein jahrelanger „Impaktwinter“ mit Dunkelheit und Kälte wären denkbar gewesen.

Man nimmt allerdings an, dass im Gegenteil eine globale Erwärmung einsetzte, sobald sich der Staub gelegt hat. Dies war eine Folge der Massen an Kohlendioxid, die sich sowohl durch den Aufprall selbst (der Asteroid soll Karbonatgesteine enthalten haben) als auch durch die nachfolgenden Waldbrände über die ganze Erde ausbreiteten.

Andere wichtige Ereignisse von massivem Artensterben (wie das Perm-Trias-Ereignis und das Trias-Jura-Ereignis) werden ebenfalls als Folge von Asteroideneinschlägen gesehen. Krater konnten allerding nicht gefunden werden.

8. Tektonische Platten können den Planeten erwärmen oder abkühlen

Ein Beispiel dafür, wie die Plattentektonik das Klima beeinflussen kann, ist das Himalaya-Gebirge – entstanden durch die Kollision der indischen mit der eurasischen Kontinentalplatte. In den letzten 50 Millionen Jahren hat das langsame Anheben des Himalaya immer mehr Gesteinsmaterial einer chemischen Verwitterung ausgesetzt. Bei diesem Prozess bindet Kohlendioxid aus der Atmosphäre an bestimmte Mineralien im Gestein, wodurch der Anteil an Kohlendioxid aus der Atmosphäre reduziert wird und der Planet auskühlt.

Die Bewegung tektonischer Platten kann außerdem einen wichtigen Einfluss auf die Meeresströmungen haben. So führte beispielsweise die Bildung der Tasmanien-Passage und der Drake-Passage vor über 30 Millionen Jahren – als sich die Kontinente Australasien und Südamerika von der Antarktis trennten – zur Entstehung des antarktischen Zirkumpolarstroms, der kühles antarktisches Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche brachte. Diese tektonische Aktivität – zusammen mit der Bindung von atmosphärischem Kohlendioxid im Himalaya-Gestein – soll die späte känozoische Eiszeit ausgelöst haben. Wissenschaftler können vorhersagen, wohin sich die Platten in den nächsten 250 Millionen Jahren bewegen werdenw8.

9. Vulkanausbrüche haben gemischte Effekte

Ein weiterer Effekt der Plattentektonik sind Vulkanausbrüche, die das Erdklima über einen Zeitraum von Tagen bis zu Jahrzehnten beeinflussen können. Die großen Mengen an Kohlendioxid, die Vulkane ausstoßen, können den Planeten langfristig erwärmen. Andererseits können der Staub und das Schwefeldioxid, die sie in die Atmosphäre werfen, die eintreffende Sonneneinstrahlung blockieren, was auf kürzere Sicht zu einer globalen Abkühlung führtw9.

Der Ausbruch des Pinatubo auf den Philippinen 1991 schoss 17 Millionen Tonnen Schwefeldioxid in die Stratosphäre. Dies führte zu einem Nebelschleier aus Schwefelsäuretröpfchen, der das Sonnenlicht abschirmte und die globalen Temperaturen zwei Jahre lang um etwa 0,4°C senkte.

Hot volcanic ash erupting from Mount Pinatubo
Heiße Vulkanasche, ausgestoßen vom Pinatubo am 12. Juni 1991, drei Tage vor dem Hauptausbruch
Dave Harlow/USGS/Wikimedia Commons, public domain

10. Wolkenbildung behindert die globale Erwärmung

Wolken haben wichtige Auswirkungen auf das Erdklima. Niedrige, dicke Wolken kühlen die Erdoberfläche aus, während hohe, dünne Wolken das Klima erwärmen. Der Schlüssel zur Bildung von Wolken sind Aerosole – winzige Partikel, die in der Atmosphäre schweben. Sie fungieren als winzige „Keime“, auf denen Wasserdampf kondensiertw10. Aerosole sind viel mehr als das, was man in einer Haarspraydose findet. Sie können natürlichen Ursprungs sein, wie Staub oder Meeressalze, oder vom Menschen verursacht werden, wie Schadstoffe oder Rauch. Eine Zunahme der anthropogenen Aerosole könnte daher zu einer stärkeren Wolkenbildung führen, die je nach Wolkenhöhe das volle Ausmaß der globalen Erwärmung beeinflussen könnte.

Das CLOUD-Experiment am CERN mehrt unser Wissen über die Aerosole und Wolken und untersucht den möglichen Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Wolkenbildungw11. Diese Strahlen bestehen aus subatomaren Partikeln, die von Supernovae außerhalb des Sonnensystems stammen, und im Verdacht stehen, sich durch die Bildung neuer Aerosole auf die Wolkendecke auszuwirken.

Danksagung

Der Autor und die Redaktion danken Dr. Anwar Khan von der Forschungsgruppe für Atmosphärenchemie an der Universität Bristol, Großbritannien, für seinen hilfreichen Beitrag zu diesem Artikel.

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Web References

  • w1 – Ein Video von “MinuteEarth” zeigt, wie Treibhausgase unseren Planeten erwärmen.
  • w2 – Das Büro für Klimabildung (Office for Climate Education = OCE) erstellte für Lehrer eine Zusammenfassung des Special Report on Global Warming of 1.5 ºC (SR15) herausgegeben vom Zwischenstaatlichen Expertengremiums für Klimaänderungen (IPCC).
  • w3 – Dieses video liefert eine fundierte Erklärung der Milankovitch-Zyklen und wie diese unser Klima verändern.
  • w4 – Ein Bericht aus dem SciShow Space“ erklärt, wie die Sonne unser Klima beeinflusst.
  • w5 – Dieses Video liefert eine spannende Erklärung der Großen Sauerstoffkatastrophe.
  • w6 – In diesem YouTube Video wird die thermohaline Zirkulation erklärt.
  • w7 – In diesem 3-minütigen Video von BBC Earth wird erklärt, wie der Chicxulub-Einschlag die Dinosaurier ausgelöscht hat.
  • w8 – Diese Animation zeigt, wie sich die Kontinente auf Grund der Plattentektonik über die Erdoberfläche bewegen werden.
  • w9 – Dieses 2-minütige Video beschreibt, wie Vulkane unser Klima beeinflussen können.
  • w10 – Ein TED-Ed-Clip erklärt den Effekt, den Aerosole auf unser Klima haben können.
  • w11 – Auf der CERN-Homepage gibt es eine detaillierte Beschreibung des CLOUD-Experiments.

Resources

  • Hier kann folgendes Lehrbuch zur Einführung in die Klimawissenschaften kostenlos heruntergeladen werden bei ‘Bookboon’:
    • Sloan T (2016) Introductory Climate Science: Global Warming Explained 1st edition. Aberystwyth, UK: Aberystwyth University. ISBN: 9788740314083

Author(s)

Mike Follows ist Physiklehrer an der King Edward’s School in Birmingham, Großbritannien. Bevor er in der Tieftemperaturphysik promovierte, arbeitete er ein Jahrzehnt lang für das British Met Office, so dass es nicht verwunderlich ist, dass er sich für globale Probleme interessiert und wie die Physik dazu beiträgt, diese zu erklären – und sie zu lösen.


Review

Der Klimawandel ist für viele Schüler auf der ganzen Welt ein wichtiges Thema, wie die jüngsten von Schülern geleiteten Kampagnen zeigen, die das Bewusstsein für das Problem schärfen und Maßnahmen zur Verhinderung einer weiteren globalen Erwärmung fordern. Dieser Artikel entwirrt die Mechanismen, die den Klimawandel beeinflussen und kann als Ausgangspunkt verwendet werden, um die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf den Klimawandel und seine Folgen für die Erde zu diskutieren.

Die Schüler können darüber hinaus über Maßnahmen sprechen, die sie ergreifen könnten, um zum Erhalt unseres Planeten beizutragen. Außerdem bietet die Beschäftigung mit den Mechanismen, die das Klima beeinflussen, die Möglichkeit, Biologie, Geowissenschaften und Physik gleichzeitig anzuwenden und den interdisziplinären Charakter der Wissenschaft hervorzuheben.

Mögliche Diskussionspunkte sind unter anderem:

  • Was sind Treibhausgase? Nenne zwei Beispiele.
  • Wie hoch wäre die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde ohne Treibhausgase?
  • Was passiert auf der Sonnenoberfläche während eines Sonnenmaximums?
  • Welchen Einfluss hatte der Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Erdatmosphäre auf die Temperatur der Erdoberfläche?
  • Was treibt den thermohalinen Kreislauf an?
  • Wie würde ein Asteroideneinschlag die Erdtemperatur beeinflussen?
  • Wie können Vulkanausbrüche das Klima der Erde beeinflussen?

Mireia Güell Serra, Chemie- und Mathematiklehrerin, INS Cassà de la Selva, Spanien




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