Viele Größen im Spiel

Die Bahn der Erde um die Sonne, die Sonnenaktivität selbst, die Neigung der Achse, um die sich der Globus dreht, die Bewegung der tektonischen Platten auf dem zähflüssigen Erdinnern, die Lage und Strömungen der Ozeane, die Größe der von Eis und Schnee bedeckten Flächen, das Leben und seine Evolution – zahlreiche externe und interne Faktoren beeinflussen und steuern das Klima im System Erde in einem komplizierten Zusammenspiel. Dabei spielen Prozesse eine Rolle, die über viele Jahrmillionen wirken, andere Einflüsse zeigen schon in Jahresfrist Wirkung. Wer das Klima verstehen will, muss daher erst einmal das System Erde möglichst gut kennen.

Das Klima, so hatten wir eingangs festgestellt, ist kein eigenes Subsystem des Gesamtsystems Erde, sondern eine der Schnittstellen, an denen die komplex-nichtlinearen Teilsysteme Atmosphäre, Geosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre, Biosphäre und Anthroposphäre miteinander im Austausch stehen. Viele dieser Zusammenhänge sind bisher nur in groben Zügen, nicht aber in den Details erforscht. Dazu addieren sich die Einwirkungen, die von außen, aus dem Weltall, das System Erde beeinflussen.

Die Sonne: exogene Energiequelle

Der mit Abstand wichtigste Treiber des Weltklimas außerhalb der Erde und ihrer Atmosphäre ist die Sonne. Seit der Stern vor rund 4,6 Milliarden Jahren entstand, verschmelzen in seinem Inneren Atome miteinander in einem Prozess, der Kernfusion genannt wird. Dieser Prozess setzt große Mengen von Energie in den Weltraum frei. Teile dieser Energie erreichen in Form von Strahlung auch die Erde. Dieser Energiefluss von der Sonne ist die wichtigste Kraft, die das Klima der Erde antreibt.

Allerdings ist diese Strahlung nicht völlig konstant, sondern schwankt in verschiedenen Rhythmen, von den 11-jährigen Sonnenfleckenzyklen über den 88- bis 90-jährigen Gleisbergzyklus bis hin zu den auch heute noch nicht vollständig verstandenen Grand Solar Maxima und Minima.

Moderne Klimamodelle berücksichtigen zwar die Variation in der Solarstrahlung, offenbar aber nicht detailliert genug. Neuere Untersuchungen, auch am GFZ, zeigen, dass der Energieeintrag in das System Erde einer nach Wellenlängen differenzierten Betrachtung bedarf. Haben sich viele Sonnenflecken gebildet, deren Durchmesser größer als die Erdkugel sein können, strahlt die Sonne insgesamt rund 0,1 Prozent mehr Energie ab als in fleckenlosen Zeiten. Die zusätzliche Strahlung verteilt sich auf unterschiedliche Wellenlängen: Während sich das rote Licht kaum verändert, nimmt die Strahlung im nahen Ultraviolett um rund zehn Prozent zu. Dieses UV-Licht wiederum wird in der Ozonschicht in der unteren Stratosphäre absorbiert und trägt so dazu bei, dass sich die Atmosphäre erwärmt. Eine komplexe Wirkungskette führt zu Variationen in Wolkenbildung und Niederschlagsverteilung. Sie kann – im Falle größerer Schwankungen der Solarstrahlung – sogar Veränderungen im Windsystem mit sich bringen.

Heizung durch Flecken

Den weiteren Einfluss auf das Klima der Erde kennen Klimaforscher zwar noch nicht im Detail, dafür aber das Ergebnis: Viele Sonnenflecken, und damit viel nahes UV-Licht, heizen die Atmosphäre bis zur Oberfläche der Erde auf. Als dagegen zwischen 1645 und 1715 die Sonnenflecken weitgehend ausblieben, fielen die Temperaturen auf der Erde deutlich und die kleine Eiszeit erreichte ihren Höhepunkt. Sami Solanki vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau und seine Kollegen haben mithilfe von Radiokohlenstoff- und dendrochronologisch datierten Baumringen die Sonnenfleckenzyklen der letzten acht Jahrtausende ermittelt und mit der Klimaentwicklung verglichen. Seit den 1940er-Jahren gibt es demnach auffallend viele Sonnenflecken. Damit ist auch die Strahlung relativ hoch, die bis etwa 1970 einen guten Teil des gemessenen Temperaturanstiegs auf die Erde erklären kann. Danach sorgte ganz offensichtlich ein zusätzlicher Faktor für einen weiteren Wärmeschub: Die Nutzung fossiler Brennstoffe und die damit verbundenen CO2-Emissionen tragen zur Erhöhung der Temperaturen bei, auch wenn etwa seit dem Jahr 2000 die globale Durchschnittstemperatur auf hohem Niveau stagniert oder sogar leicht sinkt.

Um den Einfluss der Sonnenflecken auf das Klima der nächsten Jahrzehnte zu beurteilen, müsste man ihre Häufigkeit in der Zukunft ermitteln können. Genau das können die Forscher bisher nicht: Sie kennen zwar das grundlegende Prinzip hinter den Strömungen im Inneren der Sonne, die solche Flecken auslösen. Die Entwicklung dieser Strömungen und damit der Flecken aber können sie nicht vorausberechnen.

DAS IRDISCHE Magnetfeld

Die Sonne schickt nicht nur Strahlung in verschiedenen Wellenlängen in den Weltraum und damit auch zur Erde, sondern schleudert mit sehr hoher Geschwindigkeit auch winzige Partikel hinaus. Zudem kommt aus den Tiefen des Weltraums ein ständiger Strom aus Protonen und Elektronen in das Sonnensystem. Ein großer Teil dieser Partikel wird jedoch vom Magnetfeld der Erde abgeschirmt, das weit über die Erdoberfläche hinausreicht.

Dieses Magnetfeld, und damit auch unser Schutz vor dem kosmischen Bombardement, verändert sich im Laufe der Zeit erheblich. Genau diese Variationen der magnetischen Verhältnisse in den vergangenen Jahrtausenden untersucht Monika Korte am GFZ und ist damit möglicherweise einem weiteren, lange Zeit vernachlässigten Einflussfaktor im Klima auf der Spur.

Schon länger wird die Wirkung der kosmischen Teilchenstrahlung auf die Wolkenbildung untersucht. Ist das Magnetfeld schwächer, treffen mehr hochenergetische Teilchen auf die Atmosphäre. Eine eher spekulative Hypothese lautet, dass durch die Ionisierung in der oberen Atmosphäre die Aerosolbildung beeinflusst wird und sich mehr Wolken bilden können.

Da das Magnetfeld in verschiedenen Regionen der Erde – an den Polen, aber auch im südlichen Atlantik zwischen Brasilien und Südafrika – ohnehin schwächer ist, würden sich solche Änderungen dort besonders stark auswirken. Diese Zusammenhänge untersuchen Geoforscher erst seit wenigen Jahren und diskutieren sie lebhaft. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Prozesse der Wolkenbildung bislang noch nicht ausreichend verstanden sind.

Wolkenbildung durch Vulkane

Bessere Kenntnisse besitzen Wissenschaftler bereits über den Einfluss von Vulkanen auf das Klima. Als zum Beispiel zwischen dem 12. und 15. Juni 1991 der Vulkan Pinatubo auf den Philippinen in mehreren gewaltigen Ausbrüchen Schwefelverbindungen bis in 34 Kilometer Höhe in die Stratosphäre katapultierte, sanken die Temperaturen auf der Erde in den folgenden Monaten um durchschnittlich ein halbes Grad. In der Höhe hatten sich Wolken aus Schwefelsäure-Tröpfchen gebildet, die Sonnenstrahlen reflektierten. Dadurch lag die Erde darunter im Schatten und kühlte ab.

Die Klimaforschung geht üblicherweise davon aus, dass einzelne größere Vulkanausbrüche nur für einige Jahre bis Jahrzehnte einen messbaren Einfluss auf die Atmosphäre ausüben. Anders ist das bei lang anhaltendem starken Vulkanismus oder bei Ausbrüchen von Supervulkanen, wie sie aus der Erdgeschichte bekannt sind. Die Auswirkungen solcher katastrophalen Ereignisse auf das Klima lassen sich kaum berechnen und sind auch noch nicht ausreichend erforscht.

Als vor 75 000 Jahren auf der Insel Sumatra der Toba-Supervulkan ausbrach, war der Einfluss dieses Naturereignisses auf das Klima noch viel stärker. 50 Kilometer hoch wurde damals Material in die Atmosphäre geschleudert. Vermutlich wurde auch den damals lebenden Menschen durch diese massive Abkühlung die Nahrung knapp. Manche Forscher sprechen von einem „genetischen Flaschenhals“ der Menschheit, weil damals schätzungsweise nur noch um die 2000 Menschen auf der gesamten Erde lebten.

Unberechenbare KLIMAFAKTOREN

Niemand kann genau vorhersagen, wann der nächste Supervulkan ausbricht, ob die Sonnenflecken ausbleiben oder vielleicht weiter zunehmen, oder welche Mengen des Treibhausgases Kohlendioxid die Menschheit im Jahr 2020, 2040 oder 2070 in die Atmosphäre emittieren wird. Denn im System Erde sind längst die heutigen sieben Milliarden Menschen auf dem Globus mit ihren alltäglichen Bedürfnissen und ihrem Streben nach höherem Wohlstand zu einem wichtigen Klimafaktor geworden.

Und dieser Klimafaktor betrifft keineswegs nur die anthropogenen CO2- Emissionen. Beispielsweise ist Methan ein mehr als 20-mal stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid. Es kommt allerdings auch in erheblich geringeren Mengen von weniger als 2 ppm vor und ist zudem in der Atmosphärenluft nur über kurze Zeit stabil. Geschätzte 70 Prozent dieser Methanmenge haben ihren Ursprung direkt oder indirekt in menschlichen Aktivitäten: So entsteht dieses Gas in den Mägen von Rindern und anderen Wiederkäuern oder wenn unter Reisfeldern der Sauerstoff knapp wird. Es entweicht aus Klärwerken und Mülldeponien, gelangt aber auch bei der Förderung und beim Transport von Erdgas in die Atmosphäre.

Lachgas wirkt als Treibhausgas sogar beinahe 300-mal stärker als Kohlendioxid und entsteht überwiegend in der Landwirtschaft. Die stärksten durch den Menschen produzierten Treibhausgase aber sind Fluorchlorkohlenwasserstoffe. Einige Stoffe aus dieser Substanzgruppe wirken in der Atmosphäre bis zu 15 000-mal stärker als Kohlendioxid.

DAS PROBLEM MIT DER OzonSCHICHT

Bekannt geworden sind diese Fluorchlorkohlenwasserstoffe – kurz: FCKW – allerdings dadurch, dass sie in der Stratosphäre am Abbau der Ozonschicht beteiligt sind, die das Leben am Erdboden vor schädlichen ultravioletten Strahlen aus dem Weltraum schützt. In einer internationalen Vereinbarung beschlossen die Nationen der Welt daher, diese Verbindungen nicht mehr zu nutzen, um so zur Regeneration der geschwächten und über Teilen der Südhalbkugel jeweils im Frühjahr bereits löchrigen Ozonschicht beizutragen.

Inzwischen hat sich herausgestellt, dass sich dieser Wiederherstellungsprozess zu verzögern scheint. Ursache ist der Klimawandel, der den Ozonabbau in der Stratosphäre in komplizierten Reaktionen über beiden Polen der Erde verstärkt und so der abnehmenden Konzentration von FCKW entgegenwirkt. Das System Erde zeigt hier einen weiteren der vielen Ursache-Wirkungsmechanismen, die wir erst nach und nach entdecken und welche die Vorausberechnungen des Klimas erschweren, wenn nicht gar unmöglich machen.

Klimamodelle SIND KEINE PROGNOSEN

Aus diesem Grund modellieren Forscher das Klima mit komplexen Computerprogrammen, die aber die Zusammenhänge innerhalb der entscheidenden Klimakomponenten Atmosphäre, Erdoberfläche und Meeresströmungen nur vereinfacht wiedergeben können. Viele Wechselwirkungen im System Erde gehen bisher kaum oder gar nicht in diese Modelle ein, weil der Wissensstand dazu nicht ausreicht. Diese Computerläufe liefern daher Szenarien, deren Ergebnisse nur so gut sein können, wie die Daten und grundlegenden Vorannahmen, auf denen sie beruhen.

Trotzdem geben diese Modelle einen guten Überblick über die möglichen Entwicklungsszenarien des Klimas. Es sind aber Szenarien und keine Prognosen, also mögliche Zukünfte, die sich unter Annahme ganz bestimmter Randbedingungen so ergeben könnten. Mehr Wissen über das System Erde würde diese Modelle verbessern. Beispielsweise gibt bisher keines der Modelle den Kreislauf des Wassers über Verdunstung, Niederschlag und Abfluss als das geschlossene System wieder, das er auf einer Erde mit einer endlichen Größe sein muss.

Der Grund dafür ist einfach: Erst seitdem das GFZ die beiden 2002 gestarteten Satelliten GRACE (Gravitation Recovery and Climate Experiment) entwickelt hat, die das Schwerefeld der Erde sehr exakt messen, können Forscher die Veränderung des Wasserhaushalts der Kontinente auf der gesamten Erde abschätzen. Auch geodynamische Prozesse, Wirkungen des dynamischen Erdmagnetfeldes oder die bis in vier Kilometer in die Erdkruste reichende „Tiefe Biosphäre“ und der dort vorherrschende Gashaushalt wurden bislang praktisch nicht berücksichtigt.

Wärmende Wälder

Ein weiterer wichtiger Klimafaktor im System Erde ist die Erdoberfläche, die der Mensch bereits seit Tausenden von Jahren erheblich verändert, wenn er beispielsweise anstelle von Wäldern Weiden und Felder anlegt. Seither ist auf der Erde dadurch der Anteil offener Flächen erheblich größer geworden.

Die dunkleren Waldoberflächen absorbieren Sonnenstrahlung viel stärker als Felder oder die Böden der offenen Tundra im Norden Sibiriens. So lag zum Beispiel Grönland vor 14 Millionen Jahren ähnlich weit im Norden wie heute, allerdings wuchsen dort Wälder, wie sie an sich für deutlich südlichere Gefilde typisch sind. Sie absorbierten die Sonnenenergie so stark, dass sich die Temperatur in dieser Region um sechs Grad Celsius erhöhte.

Die Bodenbedeckung beeinflusst das Weltklima messbar, erklärt der Generaldirektor der Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung, Volker Mosbrugger: Als vor acht Millionen Jahren die Erdoberfläche ein Viertel mehr Wälder als heute aufwies, lag die globale Durchschnittstemperatur durch deren Einfluss um 0,9 Grad Celsius höher. Damals hatten die Wälder die Klimazonen so stark nach Norden verschoben, dass Mitteleuropa ein ähnliches subtropisches Klima charakterisierte, wie es heute für Florida typisch ist.

Die Vegetation kann die Entwicklung des Klimas aber auch in die entgegengesetzte Richtung treiben. Als vor 300 Millionen Jahren die ersten Wälder auf der Erde wuchsen, entnahmen sie der Luft große Mengen Kohlendioxid. Teile dieser Wälder wurden infolge verschiedener, zum Teil klimabedingter Prozesse mit Sand und Ton bedeckt und verwandelten sich im Laufe der Jahrmillionen aufgrund der durch die Sedimentationsvorgänge veränderten Druck- und Temperaturverhältnisse beispielsweise in Steinkohle. Das dort gebundene Kohlendioxid wurde der Erdatmosphäre entzogen und diese kühlte ab. Verbrennen wir heute Kohle, Erdgas und Erdöl, bringen wir dieses einst in der Tiefe begrabene Kohlendioxid zurück in die Atmosphäre. ■