Dekarbonisierung? Eine fixe Idee!

Was ist der Wissenschaft über Klimaänderungen und ihre Ursachen bekannt?

Kennt man die Ursachen der vier Eiszeiten? Ja, sogar recht gut. Der serbische Forscher Milutin Milanković veröffentlichte seine Theorie dazu bereits 1920. Danach sind sie geprägt durch drei separate Zyklen von jeweils tausenden von Jahren. Zuerst ist es der Neigungswinkel der Erdachse, dann ihre Präzession als Wanderung der Erdachse um die Senkrechte auf der Erdbahnebene und schließlich die Radiusänderung der elliptischen Erdumlaufbahn um die Sonne. Die Milanković-Theorie ist auf dem heutigen Stand der Wissenschaft, aber immer noch Anlass von Fachpublikationen, weil insbesondere das extrem schnelle Auftauchen in die Zwischenglaziale noch Rätsel aufgibt. Der CO₂-Gehalt der Luft folgte stets mit grob 800 Jahren Zeitabstand den Ozeantemperaturen, weil kälteres Wasser CO₂ aufnimmt und wärmeres Wasser CO₂ entgast. 800 Jahre benötigt ein Weltmeer, um sich komplett umzuwälzen. Das CO₂ spielte also auch während der vier letzten Eiszeiten keine treibende, sondern nur eine getriebene Rolle. 

Zu Beginn des Holozäns, also vor 9.000 Jahren, waren im Erdnorden die Temperaturen bis zu 2 °C höher als heute. Danach gab es in unseren Breiten nur noch Temperaturschwankungen von etwa ± 1,5 °C. Obwohl diese Temperaturänderungen vergleichsweise geringfügig waren, entschieden sie dennoch über Wohl und Wehe der jüngeren Menschheit. Die über 1.000 Jahre anhaltende Warmperiode vor 4.500 Jahren war der Auslöser der modernen Zivilisationen. In dieser Zeit wurde das Rad, die Schrift, der Pflug, die Sonnenuhr sowie weitere Errungenschaften erfunden. Warmperioden waren immer kulturelle Höhepunkte der Menschheit. Klimalange Kälte in gemäßigten Breiten oder zu lang ausbleibender Regen in Tropen und Subtropen zogen dagegen stets Missernten, Seuchen, Völkerwanderungen oder sogar völliges Verschwinden von Völkern nach sich. Höhere Temperaturen waren für die Menschen stets günstiger als tiefe Temperaturen. Die Abstimmung mit den Füßen in unseren Breiten, beim Urlaub wärmere Länder zu bevorzugen, spricht für sich. Die weltweite Zahl der Kältetoten übersteigt um etwa das Zehnfache die Anzahl an Hitzetoten (hier).

Das zivilisatorische Aufblühen in der römischen und der mittelalterlichen Warmzeit ist gut bekannt, ebenso die schädlichen Folgen der als „kleine Eiszeit“ bezeichneten Kältephase von etwa 1480 bis 1850. In dieser Kaltperiode war die Ostsee mehrere Jahre in Folge zugefroren, und der schwedische König Karl XII. zog damals über das Ostsee-Eis mit schweren Packwagen und Kanonen gegen Polen. Auf der zugefrorenen Themse gab es Wochenmärkte. Die berühmten Winterbilder holländischer Maler wie Bruegels „Heimkehr der Jäger“ zeugen von der Kälte. 400 Hungersnöte in Europa sind dokumentiert. Eine etwa gleich kalte Periode in der davor liegenden Bronzezeit wird inzwischen – unterstützt durch Ausgrabungsfunde – als Ursache des Verschwindens ganzer Völker angenommen. Insbesondere der deutsch-französische Sender arte hat in mehreren Folgen über dieses Thema in spannenden Wissenschaftssendungen berichtet und dabei die zunehmende Zusammenarbeit von Archäologie und Klimawissenschaft mit Klima-Proxies betont. 

Die Zeitspanne nach Ende der kleinen Eiszeit um 1850 bis heute ist durch eine natürliche Wiedererwärmung geprägt, wobei auch diese wiederum Abkühlungs- und Erwärmungsphasen enthält. Die Fachliteratur bestätigt ausreichend oft, dass die Erwärmungsperiode nach 1850 schwächer war als viele ähnlichen Erwärmungszeiten im Holozän vor 1850. Das Gleiche gilt auch für Temperaturänderungen, die man mit Regressionsgeraden ermittelt. Die mittelenglische Thermometer-Messreihe, die 1659, also weit vor 1850, begann und bis heute lückenlos fortgesetzt wurde, erlaubt einen direkten Vergleich. Sie zeigt vor 1850 den stärksten 50-jährigen Temperaturanstieg von 1,85 °C zwischen 1687 bis 1737. Nach 1850 beträgt der stärkste 50-jährige Anstieg dann nur noch 1,32 °C von 1961 bis 2011. Die Behauptung von klimahistorisch einmalig hohen Temperaturen oder einmalig schnellen Temperaturänderungen nach 1850 ist falsch.  

Die jüngste Abkühlung von 1944 bis 1975 erzeugte damals einen Mediensturm der Angst vor einem globalen Winter. Sogar die National Science Foundation der USA warnte davor. Die jüngsten medialen Übertreibungen zur letzten Erwärmung ab 1975 können heute in jeder Sendung der öffentlich-rechtlichen Anstalten verfolgt werden. Nur diese letzte Erwärmung weist überhaupt eine gute Korrelation mit dem angestiegenen CO₂ der Luft auf. Ein sicherer Beleg für eine maßgebende Erwärmungswirkung des anthropogenen CO₂ ist dies nicht, weil zumindest schon die ehemals so gefürchtete Abkühlung direkt davor von 1944 bis 1975 andere Ursachen gehabt hatte.

Dies führt nun zur Frage nach gesichertem Wissen über die Ursachen von Klimawandel im Holozän, also in den jüngsten 9.000 Jahren. Die relativ geringfügigen Klimaveränderungen in dieser Zeitspanne waren zwar günstig für die Menschen, aber nicht für die heutige Klimaforschung, denn die enttäuschende Antwort ist: „Die Klimawissenschaft kennt die Ursachen der Klimaänderungen im Holozän so gut wie nicht“. Ein typischer Beleg für diesen Mangel ist bereits das bekannte Klimaphänomen des El Niño, einer Erwärmung des Pazifiks, die in einem unregelmäßigen 4-Jahres-Takt das Wetter der ganzen Welt durcheinanderwirbelt. Aus Messungen sind inzwischen die Änderungen von Meeresströmungen und Wassertemperaturen, die zum El Niño führen, recht gut bekannt. Was ihn aber jedes Mal auslöst, ist nach wie vor ein Rätsel.  

Es gibt leider kaum Ausnahmen von diesem allgemeinen Kenntnismangel, einige kommen hier noch zur Sprache. Es sind tatsächlich die schwachen Klimaschwankungen des Holozäns gegenüber den starken Änderungen in den Eiszeiten, die in der Forschung ungelöste Fragen aufwerfen. Die vermuteten Ursachen von schwachen Klimaänderungen sind zu zahlreich und zu komplex: Sonneneinstrahlung, Sonnenwind, Sonnenmagnetfeld, Wolken, atmosphärische Wärmebilanz, Atmosphärenchemie, Aerosole, Zirkulationsströme der Ozeane durch Passatwinde, Ozeanzyklen, Gletscherveränderungen und noch mehr – sie sind in ihrer Gesamtwirkung kaum erfassbar. Allein die Wolken (nicht zu verwechseln mit Wasserdampf) haben es in sich. Ihre Modellierung ist kaum möglich, weil sie von mikroskopisch kleinen Tröpfchen bis hin zu Wetterfronten von hunderten Kilometern reichen. Auf niedriger Höhe kühlen sie ab, auf großer Höhe wirken sie dagegen erwärmend. Sie sind ein entscheidender Faktor der Strahlungsbilanz und damit auch von Klimaveränderungen. 

Nun wird auch verständlich, warum globalweite Zirkulationsmodelle, kurz Klimamodelle, nicht funktionieren – ausgenommen allereinfachste Modelle für Detailfragen. Selbst die Mathematik ist zu den Modellierern nicht freundlich. Klimamodelle wie ihre verwandten Wettermodelle benötigen partielle Differentialgleichungen mit der unvermeidbaren Eigenschaft, dass sich im Laufe der Systemzeit beliebig kleine Änderungen der Eingangsdaten zu chaotischen Ergebnissen aufschaukeln, populär auch als Schmetterlingseffekt bekannt. Wettermodelle müssen daher nach etwa 10 Tagen passen. Da die Lösung der Differentialgleichungen nur über Differenzengleichungen möglich ist, entsteht mit jeder neuen Differenz das Problem eines wieder neuen Klimamodells. 

Klimaforschung, auch einmal nicht ganz im Mainstream

Diesem Kenntnismangel versuchen einzelne Zweige der Klimaforschung abzuhelfen. Sie beschäftigen sich zum Beispiel mit dem Klima-Einfluss der Sonne oder mit dem Einfluss von natürlichen Zyklen wie den Ozeanzyklen. Der Klimaeinfluss der Sonne ist nicht mehr wegzudiskutieren. Es sind heute sechs Aktivitätszyklen der Sonne bekannt, die von 11 bis über 2000 Jahre Periodenlänge reichen und sich in Sonnenflecken und kosmogenen Isotopen wie 14C und 10Be bemerkbar machen. Der Astronom Wilhelm Herschel berichtete schon Anfang des 19. Jahrhunderts vom terrestrischen Einfluss der Sonnenflecken. Im Temperaturtiefpunkt der Kleinen Eiszeit waren die Sonnenflecken fast verschwunden. Wissenschaftler des deutschen Geoforschungszentrums wiesen im Fachjournal Climate of the Past der European Geoscience Union in den Sedimenten des Ammersee-Flusses am Seeausgang die zyklisch variierende Sonnenaktivität nach aus dem kosmogenen 14C und bis 5.500 Jahre zurück (hier). Der Klimaeinfluss der Sonne erfolgt aber auch über ihr stark schwankendes Magnetfeld. Hierzu gibt es bereits eine ganze Reihe von Fachveröffentlichungen, die die Wirkungskette erforschen, von kosmischer Strahlung über das diese Strahlung ablenkende Sonnenmagnetfeld bis hin zur Wolkenkeimbildung (hier). Die Mechanismen, mit denen die Sonne das Klima steuert, stehen aber erst am Anfang ihrer Aufklärung.  

Nun zu den Ozeanzyklen. Diese sind regelmäßig sich ändernde Temperaturen von Meeresoberflächen wie beispielsweise die Atlantische Multidekadische Oszillation, kurz AMO, deren stabile Existenz aus See-Sedimenten über tausende Jahre zurück gesichert ist. Die Ursachen solcher Zyklen sind unbekannt, nicht aber ihre spannende Eigenschaft, Temperaturen und Niederschläge über tausende Kilometer Entfernung mit zum Teil Verzögerungen von mehreren Jahren zu beeinflussen oder gar zu steuern. Der Fachbegriff dafür ist „teleconnection“. Einige Forschungsergebnisse liefern sogar schon konkrete Anwendungen. So wies eine Fachstudie von 2024 in Scientific Reports der Fachzeitschrift Nature die Steuerung der wolkenabhängigen Sonnenscheindauer in Mitteleuropa durch die AMO nach und erstellte daraus eine verlässliche Vorhersage der Sonnenscheindauer in den nächsten Jahrzehnten (hier). 

Erste Antwort auf die Frage, ob anthropogenes CO₂ maßgeblich das Klima verändert

Als Zwischenfazit ist jetzt festzuhalten, dass CO₂ vor Beginn der Industrialisierung um 1850 keine maßgebliche Rolle bei Klimaänderungen spielte. Nach 1850 hätte sich dies ändern können, denn die CO₂-Konzentration der Luft stieg menschverursacht von 0,02 Prozent bis heute auf 0,04 Prozent an. Die Preisfrage lautet daher: „Prägte ab 1850 das anthropogene CO₂ maßgeblich den Klimawandel?“ Man kennt die Antwort nicht. Es gibt keinen zwingenden Beweis für pro, aber auch keinen für contra. Immerhin ist die globale Erwärmungswirkung durch anthropogenes CO₂ infolge seiner gut bekannten Spektralwirkung, die mit Einzelmessungen bestätigt ist, als signifikant, das heißt als überzufällig, gesichert. Leider sagt uns die unbarmherzige Statistik, dass dies wegen des folgenden Grunds kein Beweis ist für eine maßgebliche Erwärmungswirkung des anthropogenen CO₂: Vor und nach 1850 gab und gibt es natürliche, aber leider unbekannte Ursachen des Klimawandels. Diese natürlichen Klimatreiber haben ihren Einfluss nach 1850 keineswegs beendet, nur weil die Menschheit begann, Kohle zu verbrennen. Die Klimawissenschaft kennt weder die Ursachen dieser natürlichen Klimaänderungen noch ihre Stärken. Obwohl die Wirkung des CO₂ überzufällig ist, weiß man daher nicht, ob ihr Anteil an der globalen Erwärmung groß oder unmaßgeblich klein im Vergleich mit den natürlichen Klimatreibern ist. Zumindest wurde bereits entlastend für CO₂ erwähnt, dass sowohl Temperaturen als auch ihre Änderungen vor der Industrialisierung um 1850 beliebig oft die entsprechenden Werte nach 1850 überstiegen. Bevor hier nun noch einmal eine hypothetisch maßgebende Verantwortung des Menschen am Klimawandel nach 1850 aufgegriffen wird, muss zuerst geklärt werden, wo verlässliche Klima-Aussagen überhaupt zu finden sind. Danach geht die Vorlesung auf das wichtige Intergovernmental Panel on Climate Change, kurz IPCC, näher ein.

Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)

Die korrekte Antwort auf die Frage nach der Quelle verlässlichster Klimaaussagen ist: „In begutachteten wissenschaftlichen Fachpublikationen anerkannter Fachverlage, wobei die Angabe der Autoren und ihre Zugehörigkeit – meist einer Universität oder einer Forschungsinstitution – verpflichtend ist.“ Dies gilt generell für alle Naturwissenschaften. Nichts steht darüber. Die wissenschaftliche Wahrheit setzt sich aber nur im wissenschaftlichen Streit durch. Konsens ist das genaue Gegenteil von echter Wissenschaft, was leider zu wenig bekannt ist. Damit bleibt nur das eigene Urteil über Fachveröffentlichungen unterschiedlicher Ergebnisse übrig, so dass Laien, Politiker und Journalisten wieder im Regen stehen.  

Vielleicht auch wegen dieses Mangels wurde 1988 das IPCC gegründet, das eine auf dem aktuellen Stand stehende Klimaaufklärung der Weltöffentlichkeit in Form einer geeigneten Auswahl von begutachteten wissenschaftlichen Fachveröffentlichungen anbieten sollte. Das IPCC gehört zu den Vereinten Nationen und kommuniziert nur über englischsprachige Assessment Reports, im Folgenden hier kurz AR, mit der Öffentlichkeit. Die AR, heute AR4, AR5 und AR6, stehen frei im Internet und sind weitgehend wissenschaftlich in Ordnung. Sie werden von freiwillig mitarbeitenden anerkannten Klimaforschern erstellt, die dazu ausschließlich die vorhandene Fachliteratur auswerten. 

Also alles gut? Leider nicht, denn die AR werden wegen ihrer riesigen Umfänge kaum gelesen. Dies hat extrem abträgliche Folgen in Gestalt von Kurzformen der AR als „IPCC-Berichte für Politiker (kurz SPM)“. Sie sind auch in Deutsch erhältlich, und nur sie werden der Öffentlichkeit als IPCC-Publikationen suggeriert. Die SPM sind völlig indiskutabel, weil unwissenschaftlich Regierungsvertreter und sogar NGOs bei ihrer Erstellung involviert sind. In den SPM werden Null-Befunde bewusst verfälscht. Wenn beispielsweise der AR5 aussagt, es gebe global seit 1950 „keinen signifikanten Trend“ bei Dürren oder Wirbelstürmen, dann ist das eine wissenschaftliche Entwarnung für diesen Zeitraum. Wenn der deutsche SPM daraus dann „geringes Vertrauen in eine Zunahme“ macht, ist das eine Fälschung. Es wird ein Risiko suggeriert, obwohl die Datenlage ein „Nicht vorhanden“ aussagt. Um eine politische Botschaft zu erhalten, werden in den tagelangen SPM-Sitzungen mit Regierungsvertretern die AR-Entwarnungen so lange weichgespült, bis daraus in den SPM Dringlichkeiten geworden sind.

Wer dagegen die AR liest, stellt fest, dass es in ihnen keine „Klimakatastrophen“ und auch keinen „Klimanotstand“ gibt. Ferner ist keine Stelle in den AR aufzufinden, in der eine „maßgebliche menschgemachte Klima-Beeinflussung“ nachgewiesen wird. Aber auch die AR haben noch eine leichte unwissenschaftliche Schlagseite, weil die UN einen anthropogenen Klimawandel beweisen möchte. Das widerspricht der Ergebnisoffenheit ordentlicher Forschung. Fachpublikationen, die die Wirkung des anthropogen CO₂ infrage stellen, werden in den AR weniger zitiert oder als umstritten abgestempelt. Damit kann man aber leben, und trotz dieser Caveats basiert diese Vorlesung auf begutachteten Fachpublikationen und den AR des IPCC.

Der sogenannte Treibhauseffekt

Es ist nun an der Zeit, den Treibhauseffekt zu erklären. Eine grobe Analogie ist ein Auto in praller Sonne mit einer stets geöffneten Seitenscheibe. Die Seitenscheibe vertritt das CO₂ der Luft. Wird sie etwas zugedreht, nimmt analog das CO2 zu, und im Auto bzw. auf der Erde wird es wärmer. Umgekehrt wird es kühler. Das Entscheidende dabei ist: Die Temperatur im Auto sowie der Erde bleiben grundsätzlich begrenzt. Wegen der offenen Seitenscheiben kann das Auto nicht in Flammen aufgehen und die Erde wegen der Wiederabstrahlung der Sonnenenergie ins Weltall nicht verglühen. „Treibhauseffekt“ ist eigentlich unpassend, weil er auf verhindertem Luftaustausch basiert, bei der nach oben offenen Atmosphäre finden dagegen spektrale Vorgänge statt. 

Nach Einflussstärke sind die drei wichtigsten Treibhausgase zuerst der nicht mit Wolken zu verwechselnde Wasserdampf, dann das CO₂ und schließlich das Methan. Die bodennahe Atmosphäre wäre ohne Treibhausgase über Jahreszeiten gemittelt theoretisch 33 °C kälter und die Erde unbewohnbar. Die kurzwellige Sonneneinstrahlung wird zu etwa 30 Prozent direkt wieder ins Weltall reflektiert. 70 Prozent erwärmen das Wasser der Ozeane, die etwa zwei Drittel der Erdoberfläche bedecken, sowie den Erdboden. Die Erdoberfläche überträgt ihre Wärme durch Kontaktleitung an die Atmosphäre und strahlt Wärme als Infrarot ab. Die Treibhausgase in der Atmosphäre absorbieren zu Teilen das Infrarot der Erdoberfläche, strahlen es in spezifischen Linienspektren wieder ab und geben es als Stoßenergie an Luftmoleküle weiter. Der messbare zum Erdboden gerichtete Teil dieser Abstrahlung wird als „Gegenstrahlung" bezeichnet. Näher Interessierten werden hier die Grafiken empfohlen, die man nach googeln von „Strahlungsbilanz der Atmosphäre“ erhält.

Die Erwärmungswirkung von Treibhausgasen wird mit Physik besser verständlich. Die Erde bleibt auf einer konstanten Gleichgewichtstemperatur, weil die aufgenommene Sonnenenergie wieder in alle Raumrichtungen des Weltalls abgestrahlt wird. Die Sonne als Punktstrahler liefert Photonen hoher Energie. Jedes wieder abgestrahlte Photon hat dagegen eine weit geringere Energie. Diese Photonen sind aber zahlreicher, und das Energie- sowie Temperaturgleichgewicht der Erde bleiben erhalten. Der springende Punkt ist nun, dass das Gleichgewicht von Zu- und Abstrahlung keineswegs bei Erwärmung der Troposphäre durch zunehmendes CO₂ verändert wird, weil sich als Ausgleich zur Erwärmung die untere Stratosphäre abkühlt. Der Mechanismus findet sich in mehreren Fachpublikationen im Detail beschrieben (z.B. hier). 

Den ersten Teil finden Sie hier.

Den dritten Teil finden Sie hier

Lesen Sie morgen im dritten Teil: Haben sich Extremwetter, Gletscher und Meeresspiegel maßgeblich verändert?

Prof. Dr. Horst-Joachim Lüdecke ist Physiker für Strömungsmechanik und pensionierter Professor für Physik, Informatik und Operations Research der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW). Er ist Co-Autor des technischen Standardwerkes „Strömungsberechnung für Rohrsysteme“. Bereits vor seinem Ruhestand begann er, sich der Klimaforschung und Energiepolitik zu widmen. Einer größeren Öffentlichkeit wurde er bekannt als Autor der populärwissenschaftlichen Bücher „CO2 und Klimaschutz. Fakten, Irrtümer, Politik (ClimateGate)“ und „Energie und Klima. Chancen, Risiken, Mythen“.