Klimawandel

Klimawandel, auch Klimaänderung, Klimawechsel oder Klimaschwankung, bezeichnet die Veränderung des Klimas auf der Erde und erdähnlichen Planeten, unabhängig davon, ob die Ursachen auf natürlichen oder menschlichen (anthropogenen) Einflüssen beruhen. Die gegenwärtige, vor allem durch den Menschen verursachte globale Erwärmung ist ein Beispiel für einen Klimawandel. Ein Klimawandel kann eine Abkühlung oder Erwärmung über unterschiedliche Zeiträume bezeichnen.

Der Begriff Klimaschwankung bezeichnet gelegentlich speziell Klimaänderungen, die nur wenige Dekaden andauern oder zyklischer Natur mit variabler Periode sind. Zyklische Schwankungen werden auch als Klimafluktuationen bezeichnet, relativ rasche zyklische Wechsel auch als Klimaoszillation. Eine Epoche vergleichsweise kalten Klimas bezeichnet man im Zusammenhang mit solchen Schwankungen manchmal als Klimapessimum, eine relativ warme Phase als Klimaoptimum oder Wärmeoptimum. Die Begriffe Optimum und Pessimum sind eine Konvention in der Systematik der Klimaschwankungen und keine Wertung. Sie können leicht fehlinterpretiert werden.

Der Klimazustand während der letzten Jahrhunderttausende ist im Wesentlichen das Ergebnis der Milanković-Zyklen, die die Sonneneinstrahlung in Zeiträumen von Jahrtausenden veränderten und so den Wechsel zwischen Eiszeiten und Warmzeiten bewirkten. Die Strahlung der Sonne bestimmt den Energiehaushalt auf der Erdoberfläche mittels der eintreffenden solaren Strahlung. Ein Klimawandel findet dann statt, wenn der Strahlungsantrieb verändert wird und damit das Erdsystem aus einem stabilen thermisch-radiativem Equilibrium in neues Equilibrium überführt wird. Der Strahlungsantrieb wird dabei durch die atmosphärischen Konzentrationen von Treibhausgasen wie CO₂, CH₄ und H₂O sowie von veränderter Sonneneinstrahlung gesteuert. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren konnten zum Beispiel 11 Interglaziale (Zwischeneiszeiten) während der letzten 800.000 Jahre detailliert beschrieben werden.

Abrupte Klimawechsel wurden in der Erdgeschichte durch Asteroiden, Vulkanausbrüche, kurzfristig auftretende Treibhausgas-Emissionen oder durch Rückkopplungsprozesse im Klimasystem ausgelöst, oft in Verbindung mit biologischen Krisen beziehungsweise Massenaussterben.

Klimaänderungen im Lauf der Klimageschichte

Temperaturveränderungen der letzten 12.000 Jahre

Temperaturänderungen der letzten 2000 Jahre

Ursachen für natürliche Klimaveränderungen

Klimaveränderungen können viele verschiedene Ursachen haben. Zahlreiche zyklische und nicht-zyklische Prozesse und Ereignisse wirken auf das Erdklima ein und verstärken oder neutralisieren sich gegenseitig. Einige dieser Einflussgrößen sind mittlerweile wissenschaftlich genau verstanden und allgemein akzeptiert, andere sind als grundsätzlicher Kausalzusammenhang plausibel, aber noch nicht quantifiziert, wieder andere sind aufgrund von guten Korrelationen der vermuteten Einflussgrößen mit bestimmten Klimadaten naheliegend, ihre Wirkungszusammenhänge sind aber noch nicht genau verstanden. Generell wird zwischen positiven und negativen Rückkopplungen unterschieden, wobei positive als sich selbst verstärkende Rückkopplungen bezeichnet werden (wie Eis-Albedo-Rückkopplung oder Wasserdampf-Rückkopplung) und negative als sich selbstständig abschwächende bzw. stabilisierende Rückkopplungen. Ein negativ rückgekoppeltes System wird also Störungen eines Gleichgewichtszustandes abschwächen und zum Gleichgewichtszustand zurückkehren.

Die Sonne

Die Sonne und die von ihr ausgestrahlte Solarenergie sind die treibende Kraft für den energetischen Antrieb des irdischen Wetters und Klimas. Offenbar hängen sowohl langfristige Klimaveränderungen als auch unser tägliches Wetter eng mit den Aktivitäten unserer Sonne zusammen.

Zudem kommt von der Sonne ein ständiger Sonnenwind, der aus einem beständigen Strom elektrisch geladener Teilchen besteht und dessen Stärke stark variiert. Die Erfassung der Wechselwirkung zwischen der sich ändernden Sonnenaktivität und dem Magnetfeld unseres Planeten untersucht die Wissenschaft unter dem Begriff „Weltraumwetter“. Dieses Weltraumwetter ist am anschaulichsten durch die sog. Polarlichter (Aurora Borealis auf der Nordhalbkugel und Aurora Australis auf der Südhalbkugel) gezeigt.

Die solaren Schwankungen lassen sich durch regelmäßige Änderungen im Magnetfeld der Sonne erklären. Das magnetische Verhalten der Sonne unterliegt wiederkehrenden zyklischen Schwankungen. Ein solcher Sonnenfleckenzyklus, also der Zeitraum zwischen einem Solarmaximum und einem erneuten Solarmaximum, dauert etwa elf Jahre. Auf dem Zyklus-Höhepunkt, der das letzte Mal 2001 erreicht worden ist, wird der Sonnenwind zu einem regelrechten Sonnensturm. Auf der Sonnenoberfläche ereignen sich dann gewaltige Eruptionen, die große Mengen energiereicher Partikel ins All schleudern. Die dabei freigesetzten Urgewalten entsprechen dabei etwa der Explosion von 66 Milliarden Hiroshima-Bomben. Die ersten Beobachtungen der Sonnenflecken gehen auf das Jahr 1610 zurück. Damals wurden diese unter anderen von Galileo Galilei mit einem Fernrohr gemacht. Regelmäßige Zählungen gibt es seit 1860 vom astronomischen Observatorium in Zürich.

Im Wesentlichen erforschen die Wissenschaftler drei Mechanismen, die den Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und der Wetter- und Klimaentwicklung auf der Erde erklären könnten:

• Die von der Sonne abgegebenen UV-Strahlung mit Folgen für die Ozonbildung in der Erdatmosphäre. Dies führt zu Veränderungen in der Ozonschicht und hat so Rückwirkung für den Energiehaushalt des Erdsystems und damit die globale Zirkulation der Luftmassen.
• Die Veränderung der elektrischen Eigenschaften der äußeren Erdatmosphäre unter dem ankommenden Sonnenwind, was sich auch auf die unteren Schichten der Atmosphäre auswirkt. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieser vom Sonnenwind beeinflusste kosmische Partikelregen die Wolkenbildung der Erdatmosphäre begünstigt. Zunehmende Bewölkung schirmt zwar einerseits die Sonneneinstrahlung ab, behindert aber andrerseits die Abstrahlung („Treibhauseffekt“).
• Verstärkter Einfluss der kosmischer Strahlung auf die Erdatmosphäre während des Sonnenminimums. Ursache dieses Einflusses ist die veränderliche Sonnenaktivität. Die Teilchen des Sonnenwindes schirmen in solchen Phasen die Erde weniger gegen den Schauer der schwereren und sehr energiereichen Partikel ab, die als kosmische Strahlung aus dem Weltraum auf unseren Planeten treffen.

Noch weiß man wenig über die Bedeutung, die den einzelnen Mechanismen zukommt. Auch ist kaum bekannt, ob es zwischen den Mechanismen Wechselwirkungen gibt. Neben dem schon angesprochenen elfjährigen Zyklus werden noch weitere beobachtet. So gibt es beispielsweise den Gleißberg-Zyklus, der alle 80 bis 90 Jahre wiederkehrt, oder einen anderen Zyklus von etwa 208 Jahren. Weiter kann die Sonne auch jahrzehntelang eine verringerte Aktivität aufweisen. Edward Maunder untersuchte 1890 die historisch beobachteten Sonnenflecken und entdeckte eine „Pause“ in den elfjährigen Zyklen zwischen 1645 und 1720 (Maunderminimum), die auffallend mit der „Kleinen Eiszeit“ zusammenfällt.

Die Erdbahn um die Sonne und die Neigung der Erdachse

→ Hauptartikel: Milanković-Zyklen

Sowohl die Erdbahn um die Sonne als auch die Neigung der Erdachse und damit die Einstrahlwinkel der Sonnenstrahlen in verschiedenen Breiten der Erde unterliegen verschiedenen Zyklen mit einer Dauer von 25.800 bis etwa 100.000 Jahren, die zuerst von dem serbischen Astrophysiker und Mathematiker Milutin Milanković untersucht und berechnet wurden und daher heute als Milanković-Zyklen bezeichnet werden. Die durch die Milanković-Zyklen verursachten Schwankungen der Energieeinstrahlung in die Atmosphäre sind zum Teil sehr groß und werden heute unter anderem für den Wechsel der Warm- und Kaltphasen innerhalb eines Eiszeitzyklus verantwortlich gemacht.

In der nachfolgenden Tabelle sind die wichtigsten Eckdaten der Milanković-Zyklen zusammengefasst.

Maximaler und minimaler Neigungsbereich der Erdachse

Erdbahnparameter	Zyklusdauer	Schwankungsbreite	Gegenwärtiger Status
Präzession der Erdrotationsachse	ca. 025.800 Jahre	360° (Vollkreis) innerhalb eines kompletten Zyklus	Entwicklung zur prägnanteren Ausbildung der Jahreszeiten auf der Nordhemisphäre mit längeren Wintern
Neigungswinkel der Erdachse zur Ekliptik	ca. 041.000 Jahre	zwischen 22,1° und 24,5°	23,43° (mit Tendenz zum Minimum)
Exzentrizität der Erdumlaufbahn	ca. 100.000 bzw. 400.000 Jahre	von 0,005 (fast kreisförmig) bis 0,058 (leicht elliptisch)	0,016 (mit Tendenz zur kreisförmigen Umlaufbahn)

Die Kontinentaldrift

Kontinentaldrift der letzten 150 Millionen Jahre

Die wohl wichtigste und schlüssigste Erklärung für die starke zeitliche Veränderung der mittleren Globaltemperatur – in Bezug auf sehr lange Zeitskalen – ist die Kontinentaldrift, also die Bewegung der Landmassen auf der Erde. Die Anordnung der Kontinente war nicht immer so, wie wir sie heute kennen. So bildeten das heutige Südamerika, Afrika, die arabische Halbinsel, Indien, Australien und Antarktika bis vor 150 Millionen Jahren den Urkontinent Gondwana mit einer Fläche von ungefähr 73 Millionen km². Dieser wanderte im Laufe des Phanerozoikums mehrmals über den geografischen Südpol, was unter anderem dazu führte, dass das Gebiet der heutigen Sahara im Ordovizium vor etwa 450 Millionen Jahren großflächig von Gletschern bedeckt war (Anden-Sahara-Eiszeit oder auch Hirnantische Vereisung).

Die Theorie, die die Kontinentaldrift als Grundlage hat, besagt, dass der Niederschlag an den Polen verstärkt eine Chance hat, Eis oder Schnee zu bilden, wenn sich dort Land befindet, da Land sehr viel mehr Sonnenstrahlen reflektiert als Wasser. Durch die stärkere Reflexion des Lichts kommt es dort zu einer lokalen Abkühlung und es entsteht Eis. Dieses Eis ist aufgrund seiner hohen Albedo noch besser dazu geeignet, Sonnenstrahlen zu reflektieren. Es kommt zu einer positiven Rückkopplung mit sinkenden Temperaturen und einer immer weiter fortschreitenden Eisbildung. Durch das im Eis gebundene Wasser sinkt jedoch auch der Meeresspiegel. Damit verbunden ist eine kleinere Wasseroberfläche und es kann daher aus den Meeren auch weniger Wasser verdunsten. Dies führt dazu, dass die Niederschläge im globalen Mittel zurückgehen und das Eis in der Folge auch weniger schnell wächst. Liegen die Pole im gegensätzlichen Fall über dem Meer, so ist es nur bei sehr tiefen Temperaturen möglich, dass sich Meereis bildet. Die gegenüber dem Meereswasser höhere Albedo führt auch hier zu einer sich selbst verstärkenden Eisbildung.

Die sich selbst verstärkende weltweite Abkühlung kommt erst dann zur Umkehr, wenn der CO₂-Gehalt der Atmosphäre stark angestiegen ist. Dieser natürliche Treibhauseffekt entsteht dadurch, dass das von Vulkanen ausgestoßene CO₂ wegen der großflächigen Vereisung weniger stark in Gesteinen und Biomasse gebunden wird und somit klimawirksam wird.

Gegenwärtig liegt am geografischen Südpol der etwa 14 Millionen km² umfassende Kontinent Antarktika. Bis vor 40 Millionen Jahren waren Antarktika und Südamerika zu einem Festlandsblock verschmolzen, ehe sich die Drakestraße allmählich öffnete. Dadurch entstand im Südpolarmeer die stärkste Meeresströmung der Erde, der Antarktische Zirkumpolarstrom, der Antarktika von nun an im Uhrzeigersinn umkreiste, den Kontinent von der Zufuhr wärmeren Meerwassers abschnitt und die Grundlage für die Bildung des Antarktischen Eisschildes schuf. Somit war der Kontinent nicht nur geografisch, sondern auch thermisch isoliert. Die erste signifikante Vereisung im Oligozän vor mehr als 30 Millionen Jahren war gleichbedeutend mit dem Beginn des Känozoischen Eiszeitalters, und im Pliozän vor rund fünf Millionen Jahren erreichte die Eisbedeckung erstmals die heutige Ausdehnung.

Der Vulkanismus

Große Vulkanausbrüche können zu einer mehrjährigen Abkühlung der erdoberflächennahen Luft führen. Gase und Asche werden dann weit hinauf in die Atmosphäre geschleudert. Insbesondere die Gase können dabei bis in die Stratosphäre (17 bis 50 km Höhe) gelangen. Durch photochemische Prozesse in der Atmosphäre können sich aus den Gasen winzige Partikel (Aerosole) bilden, die die Sonnenstrahlen reflektieren und damit die Einstrahlung von Wärmeenergie verhindern. Die Folge ist eine Abkühlung.

Der Vulkanausbruch des Laki-Kraters auf Island im Sommer 1783 hat wahrscheinlich zu dem extrem kalten Winter 1783/84 in Nordeuropa und Nordamerika sowie zu Überschwemmungen in Deutschland im Frühjahr 1784 geführt (siehe Vasold 2004, unter Literatur). Im April 1815 brach der Vulkan Tambora auf Sumbawa, einer Insel, die heute in Indonesien liegt, aus und verursachte offenbar das „Jahr ohne Sommer“ (1816).

In erdgeschichtlichem Rahmen waren sogenannte Magmatische Großprovinzen (englisch Large Igneous Provinces) die Ursache für relativ rasch verlaufende Klimawandel-Ereignisse. Dabei handelt es sich um den großvolumigen Austritt magmatischer Gesteine aus dem Erdmantel, überwiegend in Form von Flutbasalten, die sich im Verlauf von einigen Hunderttausend Jahren gelegentlich über Millionen km² ausbreiteten. In Abhängigkeit von Ausmaß und Dauer der vulkanischen Aktivitäten wurden erhebliche klimawirksame Mengen an Kohlenstoffdioxid freigesetzt, daneben in signifikantem Umfang auch Chlorwasserstoff, Fluor und Schwefeldioxid. Mittelfristig führte der CO₂-Ausstoß nicht nur zu einer weltweiten Temperaturzunahme, sondern setzte im Extremfall eine zusätzliche Erwärmungsspirale unter Mitwirkung von Methan in Gang.

Bekannte Magmatische Großprovinzen, die in unterschiedlich starker Weise einen Einfluss auf Klima und Biodiversität ausübten, sind der Sibirische Trapp (Perm-Trias-Grenze, 252 mya), der Dekkan-Trapp im heutigen Westindien (Kreide-Paläogen-Grenze, 66 mya) sowie der nordamerikanische Columbia-Plateaubasalt (Mittleres Miozän, 17 bis 14 mya).

Siehe auch: Liste großer historischer Vulkanausbrüche

Weitere wichtige Faktoren

Globales Förderband der Meeresströmungen

Weitere Faktoren, die das Klima beeinflussen können, sind

• der Treibhauseffekt,
• atmosphärische Schwebstoffe, sogenannte Aerosole,
• Organismen, die im Laufe der Erdgeschichte durch Fixierung oder Produktion von Treibhausgasen klimawirksame Effekte hervorgerufen haben, wie Korallen, Methanbildner, das Phytoplankton und Pflanzen wie der Schwimmfarn Azolla
• Veränderungen der atmosphärischen Zirkulation, Monsun,
• Veränderungen der Meeresströmungen: globales Förderband, Nordatlantische Oszillation, Southern Oscillation Index, El Niño (ENSO),
• der Wärmeinhalt der Ozeane,
• der Mond durch seinen Einfluss auf die Gezeiten und damit auf die großen Meeresströmungen,
• der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre und die Wolkenbildung,
• die Vegetationsbedeckung.

Anthropogene Klimaveränderung

→ Hauptartikel: Globale Erwärmung

Neben natürlichen Faktoren kann auch der Mensch das Klima beeinflussen. So kam die „Zwischenstaatliche Sachverständigengruppe für Klimaveränderungen“ (Intergovernmental Panel on Climate Change) (IPCC), die den Stand der Wissenschaft im Auftrag der Vereinten Nationen zusammenfasst, 2007 zu dem Schluss, dass die Erwärmung der Erdatmosphäre seit Beginn der Industrialisierung hauptsächlich durch die Anreicherung von Treibhausgasen durch den Menschen hervorgerufen wird. Der IPCC schreibt in seinem 2013 erschienenen fünften Sachstandsbericht, es sei extrem wahrscheinlich, dass die beobachtete Erwärmung zu mehr als 50 % vom Menschen verursacht wird. Da der direkt wärmende Effekt der Treibhausgase nur ca. ein Drittel der erwarteten Erwärmung ausmacht und der größte Teil eine Folge nicht genau quantifizierbarer Rückkopplungsvorgänge ist, ist das Ausmaß der erwarteten Erwärmung Teil der Kontroverse um die globale Erwärmung.

Folgen

→ Hauptartikel: Folgen der globalen Erwärmung

Siehe auch

• Abrupter Klimawechsel
• Treibhauseffekt, Globale Erwärmung
• Klimageschichte, Klimatologie
• Klimaschutz
• Temperaturextrema
• Wetteranomalie von 535/536, Mittelalterliche Warmzeit, Jahr ohne Sommer (1816), Hitzewelle 2003

Literatur

• Marita Vollborn, Vlad Georgescu: Prima Klima. Wie sich das Leben in Deutschland ändert. Lübbe, Bergisch Gladbach 2008, ISBN 978-3-7857-2319-7.
• Sybille Bauriedl (Hrsg.): Wörterbuch Klimadebatte. transcript, Bielefeld 2015, ISBN 978-3-8376-3238-5.
• Kurt Brunner: Ein buntes Klimaarchiv. Malerei, Graphik und Kartographie als Klimazeugen. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. 56, Nr. 4, 2003, ISSN 0028-1050, S. 181–186.
• Kurt Brunner: Karten als Klimazeugen. In: Mitteilungen der Österreichischen Geographischen Gesellschaft. Nr. 147, 2005, S. 237–264.
• Elmar Buchner, Norbert Buchner: Klima und Kulturen. Die Geschichte von Paradies und Sintflut. Greiner, Remshalden 2005, ISBN 3-935383-84-3.
• Tillmann Buttschardt: Klimaänderung. Was weiß die Wissenschaft? In: Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung. 17, Nr. 3, 2005, ISSN 0934-3504, S. 166–170.
• Johann Feichter: Aerosole und das Klimasystem. In: Physik in unserer Zeit. 34, Nr. 2, 2003, ISSN 0031-9252, S. 72–79.
• Jörg F.W. Negendank: Gehen wir in eine neue Kaltzeit? In: Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung. 17, Nr. 4, 2005, ISSN 0934-3504, S. 242–247.
• Christian-D. Schönwiese: Globaler Klimawandel im Industriezeitalter. In: Geographische Rundschau. 56, Nr. 1, 2004, ISSN 0016-7460, S. 4–9.
• Klaus Heine, Hans-Peter Niller: Die Anden Südamerikas: Geoarchive für Umweltveränderungen und Klimawandel. In: Geographische Rundschau. 56, Nr. 3, 2004, ISSN 0016-7460, S. 4–13.
• Manfred Vasold: Die Eruptionen des Laki von 1783/84. Ein Beitrag zur deutschen Klimageschichte. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. 57, Nr. 11, 2004, ISSN 0028-1050, S. 602–608.
• Christian-D. Schönwiese: Globaler und regionaler Klimawandel. Indizien der Vergangenheit, Modelle der Zukunft. In: Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung. 17, Nr. 3, 2005, ISSN 0934-3504, S. 171–175.
• Axel Tillemans: Die Erde Schwankt im Eiszeittakt. In: Bild der Wissenschaft. 10/2005. Leinfelden-Echterdingen 2005, S. 42 (Online [abgerufen am 28. März 2013]). 
• Jahn-Peter Frahm: Moose als Indikatoren des Klimawandels. In: Gefahrstoffe, Reinhaltung der Luft. 67, Nr. 6, 2007, ISSN 0949-8036, S. 269–273.
• Claudia Kemfert: Gutes Klima fürs Geschäft. Wirtschaftsinnovation statt Klimadepression. Murmann, Hamburg 2008, ISBN 978-3-86774-047-0.
• Harald Kohl: Der Mensch ändert das Klima. Vierter Sachstandsbericht des IPCC. In: Physik in unserer Zeit. 39, Nr. 4, 2008, ISSN 0031-9252, S. 176–182.
• Stefan Rahmstorf & Hans Joachim Schellnhuber: Der Klimawandel: Diagnose, Prognose, Therapie. 7. vollst. überarb. & aktualis. Aufl. 2012. C. H. Beck, München 2012. ISBN 978-3-406-63385-0 [Buch]; ISBN 978-3-406-63593-9 [eBook]
• Wei-Yin Chen, Maximilian Lackner et al.: Handbook of Climate Change Mitigation. Springer, New York 2012. ISBN 978-1-4419-7990-2 [Print]; ISBN 978-1-4419-7991-9 [eBook]
• Oktober 2010, Landeshauptstadt Stuttgart, Referat Städtebau und Umwelt, Amt für Umweltschutz, Abteilung Stadtklimatologie, in Verbindung mit der Abteilung Kommunikation (Hrsg.), Schriftenreihe des Amtes für Umweltschutz - Heft 3/2010: Der Klimawandel – Herausforderung für die Stadtklimatologie. ISSN 1438-3918

Weblinks

• climateactiontracker.org

Sammelportale

• Informationsportal Klimawandel der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
• Forschung zum Klimawandel – Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung
• Klimanavigator Der Wegweiser zum Klimawissen in Deutschland
• Dokumentenserver Klimawandel des Climate Service Center 2.0/HZG
• Klimawandel – Verschiedene Artikel zu Klimaänderungen und ihren Ursachen auf dem Bildungswiki klimawiki.org
• Klimawandel – Warum ändert sich unser Klima? UmweltWissen – Bayerisches Landesamt für Umwelt (PDF-Datei, 326 kB)
• Das Klima der Vergangenheit UmweltWissen – Bayerisches Landesamt für Umwelt (PDF-Datei, 269 kB)
• Klimawandel auf dem Informationsportal zur politischen Bildung
• Klimawandel in einem Themen-Special bei GEO.de
• Klimawandel – Verbraucherportal rund um das Thema globale Erwärmung und Klimaschutz
• Klima und Klimawandel in den Umweltgesamtrechnungen
• Wie ändert sich das Klima in Bayern? - Erklärvideo des Bayerischen Staatsministeriums für Umwelt und Verbraucherschutz
• Klimawandel und seine Folgen, Online-Kurs des WWF und DKK auf iversity