Der Treibhauseffekt

    Das Klima der Erde wird durch einen ständigen Fluss von Sonnenenergie bestimmt. Diese Energie gelangt hauptsächlich in Form von sichtbarem Licht zu uns. Etwa 30 Prozent werden sofort in den Weltraum reflektiert, doch die 70 Prozent, die aufgenommen werden, dringen zum größten Teil durch die Atmosphäre und erwärmen die Erdoberfläche. Die Erde muss diese Energie in Form von Infrarotstrahlung wieder an den Weltraum abgeben. Die Erde, die viel kälter als die Sonne ist, gibt die Energie nicht als sichtbares Licht, sondern als Infrarot- oder Wärmestrahlung ab. Das entspricht der Hitze, die von einem elektrischen Heizgerät oder Grill abstrahlt, bevor die Heizstäbe rot zu glühen beginnen.

    Treibhausgase in der Atmosphäre verhindern, dass die Infrarotstrahlen auf direktem Weg von der Erdoberfläche in den Weltraum gelangen. Die Infrarotstrahlung kann nicht - wie sichtbares Licht es tut - direkt durch die Luft dringen. Der größte Teil der abzugebenden Energie wird vielmehr durch Luftströme und Wolken von der Erdoberfläche abtransportiert, bevor er aus Höhen oberhalb der kompaktesten Schichten der Treibhausgashülle in den Weltraum entweicht.

    Die wichtigsten Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon, Methan, Stickoxid und die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Mit Ausnahme der FCKW kommen alle diese Gase auch natürlich vor. Zusammen betragen sie weniger als 1 Prozent der Atmosphäre. Das genügt, um einen "natürlichen Treibhauseffekt" zu produzieren, ohne den die Erde um etwa 30 Grad Celcius kälter wäre - und kein Leben, wie wir es kennen, existieren könnte.

    Das Niveau aller wesentlichen Treibhausgase (vielleicht mit Ausnahme von Wasserdampf) steigt als direkte Folge der menschlichen Aktivitäten. Die Emissionen von Kohlendioxid (hauptsächlich aus der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas), Methan und Distickstoffoxid (aus der Landwirtschaft und durch geänderte Bodennutzung), Ozon (durch die Auspuffgase von Kraftfahrzeugen) und diverser FCKW (in der Industrie) ändern die Art und Weise, wie die Atmosphäre Energie absorbiert. Aufgrund eines "positiven Feedbacks" steigen möglicherweise auch die anfallenden Wasserdampfmengen. All dies geschieht mit unerhörter Geschwindigkeit. Das Ergebnis ist unter dem Begriff "verstärkter Treibhauseffekt" bekannt.

    Das Klimasystem muss sich an die steigenden Treibhausgaskonzentrationen anpassen, um den globalen Energiehaushalt im Gleichgewicht zu halten. Längerfristig gesehen muss die Erde die Energie ebenso schnell abgeben, wie sie Energie von der Sonne aufnimmt. Da eine dickere Treibhausgasschicht die Energieabstrahlung in den Weltraum verringert, müssen Klimaänderungen eintreten, um das Gleichgewicht zwischen aufgenommener und abgegebener Energie wiederherzustellen.

    Eine der Auswirkungen dieser Anpassung ist die globale Erwärmung der Erdoberfläche und der unteren Atmosphäre. Das ist aber nicht alles: Die Erwärmung ist die einfachste Art, wie das Klima den Energieüberschuss abbaut. Doch schon der geringste Temperaturanstieg bedingt viele andere Veränderungen: zum Beispiel in der Wolkendecke und den Windverhältnissen. Einige dieser Änderungen können zu einer weiteren Erwärmung führen (positive Feedbacks), andere wieder zu einer Abkühlung (negative Feedbacks).

    Die in der Industrie anfallenden "Sulfataerosole" können einen örtlich begrenzten Abkühlungseffekt haben. Schwefelemissionen aus kohle- und erdölbetriebenen Wärmekraftwerken bilden Wolken aus mikroskopisch kleinen Teilchen, die das Sonnenlicht zurück in den Weltraum reflektieren. Das mildert zum Teil die durch den Treibhauseffekt entstehende Erwärmung. Die Sulfataerosole bleiben jedoch im Vergleich zu den langlebigen Treibhausgasen nur relativ kurze Zeit in der Atmosphäre. Außerdem verursachen sie auch negative Erscheinungen wie den sauren Regen. Wir sollten uns also nicht zu sehr darauf verlassen, dass die Sulfataerosole das Klima für alle Zukunft kühl halten.

    Klimamodelle sagen voraus, dass die mittlere Temperatur bei unverändertem Trend bis zum Jahr 2100 weltweit um etwa 1,8 bis 4 Grad Celsius ansteigen wird. Diese Prognosen berücksichtigen klimabeeinflussende Faktoren (Klima-Feedbacks) und die Auswirkungen der Sulfataerosole nach unserem heutigen Verständnis.

    Feststeht, dass aufgrund von Emissionen in der Vergangenheit gewisse Klimaänderungen eintreten werden. Das Klima reagiert nicht sofort auf die Emissionen. Die Veränderungen werden daher noch viele Jahre lang weitergehen, nachdem die Treibhausgasemissionen längst verringert sind und sich ihre Konzentrationen in der Atmosphäre stabilisiert haben. Einige einschneidende Folgen des Klimawandels, etwa der vorausgesagte Anstieg des Meeresspiegels, werden uns in ihrem vollen Ausmaß erst viel später bewusst werden.

    Treibhausgase und Aerosole

    Treibhausgase steuern die Energieflüsse in der Atmosphäre durch die Aufnahme von Infrarotstrahlung. Diese Spurengase machen knapp ein Prozent der Atmosphäre aus. Ihre Konzentrationen werden durch das Gleichgewicht zwischen "Quellen" und "Senken" bestimmt. Quellen sind Prozesse, die Treibhausgase freisetzen; Senken sind Prozesse, die sie zerstören oder eliminieren. Der Mensch beeinflusst die Treibhausgaskonzentrationen durch die Schaffung neuer Quellen oder durch Eingriffe in natürliche Senken.

    Zum natürlichen Treibhauseffekt trägt hauptsächlich der Wasserdampf bei. Sein Vorkommen in der Atmosphäre hat nicht direkt mit menschlichen Aktivitäten zu tun. Dennoch ist Wasserdampf aufgrund seines wichtigen positiven Feedbacks für den Klimawandel von Bedeutung. Wärmere Luft kann mehr Feuchtigkeit aufnehmen, und Modelle zeigen, dass eine geringfügige globale Erwärmung einen Anstieg des Wasserdampfs und damit eine Verstärkung des Treibhauseffekts verursachen würde. Andererseits könnten einige Regionen trockener werden. Da die Erstellung von Modellen klimatischer Prozesse mit Wolken und Regen äußerst schwierig ist, bleibt das genaue Ausmaß dieses entscheidenden Feedbacksunbekannt.

    Kohlendioxid trägt derzeit zu mehr als 60 Prozent zum "verstärkten" Treibhauseffekt bei, der für den Klimawandel verantwortlich ist. Dieses Gas ist ein natürlicher Bestandteil der Atmosphäre, doch werden bei der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas ungeheure Mengen des in diesen .fossilen Brennstoffen. enthaltenen Kohlenstoffs freigesetzt. Auch bei der Entwaldung (Abholzung und Brandrodung) entweicht der in den Bäumen gespeicherte Kohlenstoff. Derzeit werden jährlich über 7 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in die Luft geblasen, das entspricht fast einem Prozent des gesamten Kohlendioxidanteils in der Atmosphäre.

    Das durch Aktivitäten des Menschen freigesetzte Kohlendioxid gelangt in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf. Viele Milliarden Tonnen Kohlenstoff werden alljährlich auf natürlichem Wege zwischen der Atmosphäre, den Meeren und der Landvegetation ausgetauscht. Die Austauschprozesse in diesem riesigen, komplizierten natürlichen System sind genau ausgewogen; in den 10 000 Jahren vor der Industrialisierung scheint sich das Kohlendioxidniveau um weniger als 10 Prozent verändert zu haben. In den 200 Jahren seit 1800 hingegen sind die Konzentrationen um nahezu 30 Prozent gestiegen. Obwohl die Ozeane und die Landvegetation die Hälfte der Kohlendioxidemissionen des Menschen absorbieren, steigt die Konzentration in der Atmosphäre alle 20 Jahre um mehr als zehn Prozent.

    Ein zweiter wichtiger, vom Menschen verursachter Faktor sind die Aerosole. Diese Wolken mikroskopisch kleiner Partikel sind kein Treibhausgas. Neben verschiedenen natürlichen Quellen sind sie ein Produkt von Schwefeldioxid, das hauptsächlich in Kraftwerken sowie bei der Brandrodung und der Verbrennung von Ernterückständen entsteht. Aerosole setzen sich nach nur wenigen Tagen aus der Luft ab, sie werden aber in so riesigen Mengen produziert, daß sie einen erheblichen Einfluss auf das Klima haben. Aerosole strahlen das Sonnenlicht in den Weltraum zurück und kühlen dadurch lokal das Klima ab. Aerosol-Teilchen blockieren zum einen das Sonnenlicht direkt und bilden zum anderen Kondensationskerne, aus denen Wolken entstehen; diese Wolken haben oft ebenfalls eine abkühlende Wirkung. Über stark industrialisierten Regionen kann die Kühlung durch Aerosole fast die gesamte, bis heute eingetretene treibhausgasbedingte Erwärmung ausgleichen.

    Methan ist ein starkes Treibhausgas, dessen Niveau sich bereits verdoppelt hat. Die wichtigsten "neuen" Verursacher von Methanemissionen finden sich in der Landwirtschaft; vor allem sind es die wasserbedeckten Reisfelder und die immer größeren Viehherden. Methan entsteht auch auf Mülldeponien sowie beim Kohleabbau und der Erdgasproduktion. Die wichtigste Senke für Methan sind chemische Reaktionen in der Atmosphäre, die schwer zu simulieren und vorherzusagen sind.

    Methan aus vergangenen Emissionen trägt 15 bis 20 Prozent zum verstärkten Treibhauseffekt bei. Der spürbare Anstieg von Methan begann später als der von Kohlendioxid, doch Methan holt rasch auf. Es bleibt allerdings nur 12 Jahre in der Atmosphäre, während Kohlendioxid die Atmosphäre viel länger belastet. Das heißt, dass die relative Bedeutung von Methan im Vergleich zu Kohlendioxidemissionen vom "Zeithorizont" abhängt. So haben etwa die Methanemissionen der achtziger Jahre während des 20-Jahres-Zeitraums 1990-2010 voraussichtlich 80 Prozent der Wirkung der Kohlendioxidemissionen desselben Jahrzehnts, aber nur 30 Prozent von deren Wirkung über den 100-Jahres-Zeitraum 1990- 2090.

    Die restlichen 20 Prozent des verstärkten Treibhauseffekts steuern Distickstoffoxid, Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und Ozon bei. Die Distickstoffoxidkonzentrationen haben sich - hauptsächlich durch vermehrte landwirtschaftliche Aktivitäten - um 15 Prozent erhöht. Der FCKW-Ausstoß stieg stetig bis Anfang der neunziger Jahre; die wichtigsten Fluorchlorkohlenwasserstoffe haben sich aber seither dank der strengeren Emissionskontrolle aufgrund des Montrealer Protokolls zum Schutz der stratosphärischen Ozonschicht stabilisiert. Ozon ist ein weiteres natürliches Treibhausgas, dessen Konzentration in einigen Regionen durch die Luftverschmutzung in Bodennähe im Ansteigen begriffen ist, während sie in der Stratosphäre abnimmt.

    Die Treibhausgasemissionen als Folge menschlicher Aktivitäten haben den globalen Energiehaushalt bereits im Ausmaß von etwa 2,5 Watt pro Quadratmeter gestört. Das entspricht rund einem Prozent der auf die Erdoberfläche gelangenden Netto-Sonnenenergie, die das Klimasystem steuert. Ein Prozent mag bescheiden klingen, bedeutet aber für die gesamte Erdoberfläche den Energiegehalt von 1,8 Millionen Tonnen Erdöl pro Minute oder das Hundertfache des heutigen kommerziellen Weltenergieverbrauchs. Da die Treibhausgase nur ein Nebenprodukt des Energieverbrauchs sind, ist es paradox, dass sich die von den Menschen tatsächlich verbrauchte Energie im Vergleich zu den Auswirkungen der Treibhausgase auf die natürlichen Energieflüsse im Klimasystem geradezu bescheiden ausnimmt.