Klimasensitivität

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Klimasensitivität und atmosphärisches Kohlendioxid. Hansen et al. 2013[1]
(a) CO2-Gehalt für eine bestimmte Temperatur, wenn schnelle Rückkopplungseffekte und Klimasensitivität 0,75 °C pro W m−2 und Nicht-CO2 Treibhausgase 25 % des Strahlungsantriebs ausmachen.
(b) Wie in (a), aber mit einer Auflösung von 0,5 Myr und mit drei verschiedenen Möglichkeiten; der CO2 Gehalt müsste in Spitzen 5000 ppm überschreiten, wenn die Sensitivität bei 0,5 °C läge. Die horizontale Linie markiert die CO2-Konzentration des frühen bis mittleren Holozäns in Höhe von 260 ppm

Die Klimasensitivität ist eine Größe, die die globale Erwärmung der Erdatmosphäre durch die Wirkung von Treibhausgasen ins Verhältnis zu einer Strahlungseinheit setzt. Man kann sie in Grad Celsius pro Watt je Quadratmeter (°C/(W/m²) = °C·m²/W) angeben. Geläufiger ist jedoch die Angabe der Klimaerwärmung bei Verdoppelung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre.[2] Das heißt, dass die Durchschnittstemperatur der Erde um diesen Betrag ansteigt, wenn sich die CO2-Konzentration von den vorindustriellen 280 ppm auf dann 560 ppm erhöht.

Die genaue Kenntnis der Klimasensitivität ist für die künftige Entwicklung des Klimas von elementarer Bedeutung, da mit ihrer Hilfe die aus einer bestimmten Treibhausgaskonzentration resultierende Erwärmung errechnet werden kann. Der Wert der Klimasensitivität hängt von dem Ausgangs-Klimazustand ab und kann potenziell genau anhand von Klimaproxies bestimmt werden.[1]

Neben Kohlenstoffdioxid tragen auch noch weitere Gase zum Treibhauseffekt bei, so dass auch für diese jeweils eigene Klimasensitivitäten ermittelt werden können. Der Einfachheit halber wird deren Beitrag meist mittels der so genannten CO2-Äquivalente berechnet.

Hintergrund[Bearbeiten]

Bei ausschließlicher Betrachtung der im Labor messbaren Strahlungswirkung von CO2 ergibt sich eine Klimasensitivität von 1,2 °C.[2][3] Zur Klimasensitivität trägt jedoch auch die Summe aller Rückkopplungen im Erdklimasystem bei, wie z. B. die Reaktion der Meeresspiegel (Rückkopplungen in der Kryosphäre) in Abhängigkeit vom planetarischen Energiegleichgewicht. Dabei wird zwischen schnellen und langsamen Rückkopplungen unterschieden. Wasserdampf-, Eis-Albedo- und Aerosolrückkopplung sowie Wolken gelten als schnelle Rückkopplungseffekte. Die Eisschilde, Änderungen der Vegetation und der Konzentration des Treibhausgases CO2 gelten als langsame Rückkopplungseffekte. Die Reaktion von Eisschilden und CO2 in der Luft verstärken die Klimasensitivität um eine Größe, die vom Betrachtungszeitraum abhängt. Dabei überschätzen heutige Klimamodelle die Hysterese der Eisschilde. Das bedeutet, dass die Reaktion der Eisschilde auf eine Klimaveränderung nicht so stark davon abhängt, ob sich die Erde im Zustand einer Erwärmung oder einer Abkühlung befindet, als gemeinhin angenommen wird.[1] Die Klimasensitivität ist ein dynamischer Faktor, der vom jeweiligen Klimazustand abhängt. Modelle und die Erdgeschichte zeigen, dass die Klimasensitivität mit der Zunahme des Strahlungsantriebs, d. h. mit steigender Globaltemperatur ebenfalls steigt.[1][4]

ECS und TCR[Bearbeiten]

Aufgrund der thermischen Trägheit der Weltmeere reagiert das globale Klimasystem grundsätzlich nur langsam auf Veränderungen des Strahlungsantriebs. Man unterscheidet daher zwischen der Equilibrium Climate Sensitivity, (ECS) und der Transient Climate Response (TCR). Die ECS beschreibt den Temperaturanstieg, der zu beobachten ist, nachdem das Klimasystem nach einer Veränderung des Strahlungsantriebs den neuen Gleichgewichtszustand erreicht hat, wofür Jahrtausende nötig sind.

Um den Einfluss des Menschen auf das Klima zu quantifizieren, ist die Transient Climate Response besser geeignet. Diese ist definiert als der Temperaturanstieg, der zum Zeitpunkt einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in einem Szenario beobachtet wird, bei dem diese pro Jahr um 1% anwächst.[5] Der wahrscheinlichste Wert für die TCS liegt bei ca. 2 Grad nach 70 Jahren.[6]

Bandbreite der Forschungsergebnisse (ECS)[Bearbeiten]

Seit Entdeckung der wärmenden Wirkung von Kohlendioxid wurden viele unterschiedliche Werte für die Klimasensitivität publiziert.[7][8] Svante Arrhenius ging im Jahr 1896 von einer Klimasensitivität von 5,5 °C aus. Guy Stewart Callendar kam 1938 auf 2 °C.[9] Das Spektrum der publizierten Werte reicht von 0,1 °C (Sellers, 1973) bis 9,6 °C (Fritz Möller, 1963).[7] Die National Academy of Sciences warnte als weltweit erste große Wissenschaftsorganisation vor einer globalen Erwärmung und gab im Jahr 1979 im Charney Report die Klimasensitivität mit 3 °C (±1,5 °C) an, was auch heute noch als Standard gilt.[10] Eine Studie aus dem Jahr 2006 kam anhand von kombinierten Einschätzungen auf Basis des Bayes-Theorem zu einer 95%igen Wahrscheinlichkeit für 1,5 °C und 4,5 °C der Klimasensitivität.[11]

Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) gab in seinem 2007 erschienenen Vierten Sachstandsbericht Werte zwischen 2 und 4,5 °C als „wahrscheinlich“ an. Der beste mittlere Schätzwert liege bei 3 °C, und eine Sensitivität von unter 1,5 °C sei „sehr unwahrscheinlich“.[12] Im fünften Sachstandsbericht, der im Jahr 2013 erschien, wurde diese wahrscheinliche Bandbreite auf einen Bereich zwischen 1,5 und 4,5°C geändert.[13] Diese Angabe ist identisch mit der des dritten Sachstandsberichts von 2001.

Bestimmung der Klimasensitivität[Bearbeiten]

Je nach Bestimmungsmethode ergibt sich ein unterschiedlicher Wert für die Klimasensitivität. Im Jahr 2005 konnte gemessen werden, dass die Erde 0,85 W/m² mehr Energie aufnimmt, als sie ins All abstrahlt.[14][15] In einer über 8 Jahre laufenden Messreihe konnte ein Anstieg der langwelligen atmosphärischen Gegenstrahlung durch den anthropogenen Treibhauseffekt messtechnisch belegt werden.[16] Der weitaus größte Teil des gemessenen zusätzlichen Strahlungsantriebs war erwartungsgemäß auf die positive Rückkopplung durch Wolken und Wasserdampf zurückzuführen. Zur Berechnung der Klimasensitivität sind derlei Messungen jedoch nicht geeignet, da hierbei viele der im Klimasystem wirkenden Rückkopplungen unberücksichtigt bleiben. Durch unterschiedliche Verfahren wird versucht, Unsicherheiten bei der Bestimmung der Klimasensitivität zu verringern:

Mit steigender Temperatur steigt auch der maximal in der Atmosphäre enthaltene Gehalt an Wasserdampf an. Diese sogenannte Wasserdampfrückkopplung ist mit die mächtigste positive Rückkopplung im globalen Klimasystem

Paläoklimatologische Methoden[Bearbeiten]

In mehreren paläoklimatologische Studien wurde versucht, die Klimasensitivität der letzten mehreren Millionen Jahre zu bestimmen. Eine 2007 in der Zeitschrift Nature erschienene paläoklimatologische Studie untersucht die Klimasensitivität über die letzten 420 Millionen Jahre. Die globale Durchschnittstemperatur und die Konzentration der Treibhausgase waren in diesem sehr großen Zeitraum starken Schwankungen unterworfen und die Strahlungsleistung der Sonne stieg in dieser Zeit um etwa 4 % an, was eine gute Voraussetzung für eine darauf basierende Abschätzung der Klimasensitivität mit geringer Fehlerbreite ist. Leider reichen die Klimaarchive der Eisbohrkerne kaum weiter als eine Million Jahre in die Vergangenheit und die Anordnung der Landmassen war während dieser Zeit tiefgreifenden Änderungen unterworfen, so dass über viele klimabestimmende Parameter große Unsicherheit herrscht. Somit ergibt sich aus diesen Untersuchungen eine vergleichsweise große Unsicherheit, die 1,5 °C als unteren und 6,2 °C als oberen Grenzwert sowie 2,8 °C als beste Schätzung bringt.[17]

In einer im Jahr 2012 erschienenen Arbeit wurden die Ergebnisse mehrerer Studien zusammenfassend ausgewertet, die die letzten 65 Millionen Jahre im Fokus hatten. Diese lieferte mit einer 95%igen Wahrscheinlichkeit einen Wert für die Klimasensitivität, der im Bereich zwischen 2,2 °C und 4,8 °C liegt.[18]

Regressionsanalysen[Bearbeiten]

Bei guter Kenntnis aller klimabestimmenden Faktoren kann man versuchen, die Klimasensitivität mit Hilfe einer Regressionsanalyse zu isolieren. Hierzu werden die Eiszeitzyklen der vergangenen Jahrhunderttausende untersucht. In dieser Zeit schwankten die CO2-Konzentration und die Temperaturen stark, während sich andere klimatologisch wirksame Parameter nicht stark von der heutigen Situation unterschieden. Eisbohrkerne, die seit den 1990er Jahren an verschiedenen Orten auf der Erde gewonnen wurden, geben Aufschluss über die damals vorherrschenden Konzentrationen an Treibhausgasen, Aerosolen und Niederschlagsmengen, sowie die Temperaturverläufe der letzten ca. 1 Million Jahre.[2]

Klimamodelle[Bearbeiten]

Das gegenwärtige und künftige Klima kann nur dann korrekt simuliert werden, wenn auch die Klimasensitivität korrekt bestimmt wurde. Daher werden Klimamodelle getestet, ob sie das gegenwärtige,[19][20] aber auch das Klima während der Eiszeiten[21][22][23] korrekt simulieren können. Im Rahmen solcher Simulationen werden über 1000 Modelle durchgerechnet, wobei Eingangsparameter innerhalb ihrer angenommenen Fehlerbreite variiert werden. Modelle, die den Temperaturverlauf im betrachteten Zeitraum nicht korrekt wiedergeben (> 90 %), werden aussortiert. Mit diesem Verfahren wurden 3 °C bzw. 3,4 °C als wahrscheinlichste Werte für die Klimasensitivität gefunden. Betrachtet man die Temperaturwechsel während der vergangenen Eiszeiten, konnte man anhand von Eisbohrkernen einen Temperaturwechsel von 5 °C mit einem aus den Milanković-Zyklen und den Rückkopplungen (Albedo, Vegetation, Aerosole, CO2) resultierenden, veränderten Strahlungsantrieb von 7,1 W/m² verknüpfen. Die daraus errechnete Klimasensitivität beträgt 5/7,1 = 0,7 K·W−1·m2. Man kann diese empirisch bestimmte Klimasensitivität für die Berechnung des aus einem Strahlungsantrieb von 4 W/m²[10][24] resultierenden Temperaturanstiegs benutzen, was einer Verdopplung der atmosphärischen CO2-Konzentration im Vergleich zu vorindustriellen Werten entspricht. Im Ergebnis zeigt sich ein Anstieg um 3 °C.[3]

Erdsystem-Klimasensitivität[Bearbeiten]

Das Abschmelzen großer Eismengen – wie sie z. B. in Grönland oder in der Antarktis existieren – benötigt viele Jahrhunderte und die Erwärmung läuft u. a. aufgrund der Eis-Albedo-Rückkopplung selbst bei einem kompletten Emissionsstopp über diese Zeiträume weiter.[25] Daneben führt ein Klimawandel auch zu Bewuchsänderungen. Wald absorbiert erheblich mehr einfallende Strahlen als z. B. die vergleichsweise helle Oberfläche der Tundra.

Etwa die Hälfte des heute in die Atmosphäre emittierten Kohlendioxids gelangt in Form von Kohlensäure in die Weltmeere. Da die Löslichkeit von CO2 in Wasser temperaturabhängig ist, wird eine Erwärmung der Weltmeere deren Speicherkapazität für dieses Treibhausgas verringern; Modelluntersuchungen deuten darauf hin, dass die Biosphäre etwa ab dem Ende des 21. Jahrhunderts von einer CO2-Senke zu einer CO2-Quelle wird.[26][27] Aus der Analyse von Eisbohrkernen weiß man, dass eine Klimaerwärmung die Konzentration an Treibhausgasen mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung ansteigen ließ, was die Erwärmung weiter verstärkte.[28] Selbst eine genaue Kenntnis von Klimasensitivität und Treibhausgasemissionen ermöglicht eine Abschätzung der künftigen klimatischen Entwicklung daher nicht. Im 2007 erschienenen Klimabericht des IPCC wurde diese Verstärkung im Szenario A2 mit einem zusätzlichen Grad Celsius Temperaturanstieg bis zum Jahr 2100 berücksichtigt.[29]

Die Erdsystem-Klimasensitivität (engl. Earth System Sensitivity, ESS), beinhaltet auch diese Reaktionen des Klimas. Bei Verdopplung der CO2-Konzentration beträgt die Erdsystem-Klimasensitivität etwa 4–6 °C, wenn man die Eiskappen und die Albedo-Vegetationsrückkopplung mit einbezieht und ist noch höher bei Berücksichtigung der Treibhausgas-Rückkopplungen.[30][31][32] Hansen et al. 2013 berechnet mit der Erdsystem-Klimasensitivität einen Wert von 3–4 °C basierend auf einem 550-ppm-CO2-Szenario. [1] Previdi et al. 2013 berechnen auf Basis der Erdsystem-Klimasensitivität etwa 4–6 °C ohne Berücksichtigung der Treibhausgas-Rückkopplungen.[30]

Bedeutung für die Situation heute[Bearbeiten]

Die CO2-Konzentration im Jahr 2007 von ca. 380 ppm führt zusammen mit den anderen Treibhausgasen zu einem Strahlungsantrieb von 2,6 W/m².[12] Dieser Strahlungsantrieb führt zu einer globalen Erwärmung von 2 °C, wenn mit dem wahrscheinlichsten Wert für die Klimasensitivität von 3 °C gerechnet wird. Jedoch erreicht die Erwärmung erst nach Jahrzehnten bis Jahrhunderten ihr Maximum, da das Klima wegen der hohen Wärmekapazität der Wassermassen der Weltmeere sehr träge reagiert.[10] Auch wenn die Treibhausgaskonzentrationen auf dem Niveau des Jahres 2000 eingefroren worden wären, würde sich das Klima daher bis zum Ende des Jahrhunderts noch global um 0,6 °C erwärmen.[29] Und so ist die bis zum Jahr 2007 erfolgte globale Erwärmung von 0,7 °C nur die Hälfte bis zwei Drittel des für die damals bestehende CO2-Konzentration zu erwartenden Wertes.[2]

Die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration wird bei totalem Emissionsstopp auf natürlichem Weg selbst in Zeiträumen von Jahrhunderten nicht absinken. Um die anthropogene Klimaerwärmung zu stoppen, reicht daher auch eine große Reduktion der Treibhausgasemissionen nicht aus. Dazu wäre die sofortige und vollständige Beendigung der Emission von Treibhausgasen nötig.[33]

Das Verbrennen aller fossilen Brennstoffe würde zu einer atmosphärischen CO2-Konzentration in Höhe von ca. 1500 ppm führen, die Luft über den Kontinenten um durchschnittlich 20 °C erwärmen und die Pole um 30 °C.[1] Rückkopplungen im Klimasystem könnten auf längere Zeiträume zu einem ähnlichen Supertreibhaus wie auf der Venus führen, falls der Treibhausgas-Ausstoß nicht begrenzt und zum Teil rückgängig gemacht wird. Dies würde den größten Teil der Erde für den Menschen unbewohnbar machen.

In der Atmosphäre der Venus ist Wasserstoff nur noch in geringen Konzentrationen enthalten; es wird daher angenommen, dass fast alles ins All entwichen ist. Bei diesem Prozess entweicht bevorzugt das leichte Wasserstoffisotop, zurück bleibt Deuterium. Der Deuterium-Gehalt in der Atmosphäre der Venus ist um einen Faktor 100 höher als normalerweise zu erwarten wäre. Dies wird als Beleg dafür gesehen, dass die Venus einst wie die Erde heute große Ozeane besaß, die irgendwann in ihrer Geschichte durch einen selbstverstärkenden, ungebremsten Treibhauseffekt verdampft sind. Ein vollständiges Verdampfen der irdischen Ozeane durch die menschengemachte Erwärmung ist jedoch nahezu auszuschließen.[34]

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c d e f James Hansen, et al.: Climate sensitivity, sea level and atmospheric carbon dioxide. In: Royal Society Publishing. 371, September 2013. doi:10.1098/rsta.2012.0294.
  2. a b c d S. Rahmstorf, H. J. Schellnhuber: Der Klimawandel. 6. Auflage, C.H. Beck, 2007, S. 42 ff.
  3. a b John Farley: The Scientific Case for Modern Anthropogenic Global Warming bei monthlyreview.org
  4. Rodrigo Caballero, Matthew Huber: State-dependent climate sensitivity in past warm climates and its implications for future climate projections. In: PNAS. Juli 2013. doi:10.1073/pnas.1303365110.
  5. Randall, D.A., et al: 8.6.2 Interpreting the Range of Climate Sensitivity Estimates Among General Circulation Models, In: Climate Models and Their Evaluation.. In: Solomon, S., D. et al (Hrsg.): Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2007 (Zugriff am 3. Juli 2010).
  6. 9.6.2.3 Constraints on Transient Climate Response , In: Working Group I: The Physical Science Basis. In: Solomon, S., D. et al (Hrsg.): Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis. Cambridge University Press, 2007 (Zugriff am 30. April 2014).
  7. a b Climate Sensitivity values
  8. Papers on climate sensitivity estimates. AGW Observer. Abgerufen am 26. Januar 2013.
  9. David Archer, Stefan Rahmstorf: The Climate Crisis: An Introductory Guide to Climate Change. Cambridge University Press, 2010, S. 8.
  10. a b c Charney Report 1979Online (pdf 0,3 MByte)
  11. J.C. Hargreaves: Using multiple observationally-based constraints to estimate climate sensitivity. In: Geophysical Research Letters. 33, Nr. 6, März 2006. doi:10.1029/2005GL025259.
  12. a b Intergovernmental Panel on Climate Change (2007): IPCC Fourth Assessment Report - Working Group I Report on "The Physical Science Basis"(Online)
  13. IPCC AR5 WG1: PDF Summary for policymakers. 2013.
  14. Hansen, J. et al. Earths energy imbalance: Confirmation and implications. Science 308, 1431–1435 (2005)(abstract online)
  15. Kevin E. Trenberth, John T. Fasullo, Jeffrey Kiehl: Earth's global energy budget, Bulletin of the American Meteorological Society doi:10.1175/2008BAMS2634.1 online (PDF 900 kByte)
  16. R. Philipona, B. Dürr, C. Marty, A. Ohmura, M. Wild (2004): Radiative forcing – measured at Earth's surface – corroborate the increasing greenhouse effect, in: Geophysical Research Letters, Vol. 31, 6. Februar, online
  17.  Dana L. Royer, Robert A. Berner, Jeffrey Park: Climate sensitivity constrained by CO2 concentrations over the past 420 million years. In: Nature. 446, Nr. 7135, 2007, S. 530–532, doi:10.1038/nature05699 (Online (pdf; 252 kB)).
  18. PALAEOSENS project members: Making sense of palaeoclimate sensitivity. In: Nature. 491, Nr. 7426, November 2012, S. 683–691. doi:10.1038/nature11574. Abgerufen am 13. September 2013.
  19.  Peter A. Stott, S. F. B. Tett, G. S. Jones, M. R. Allen, J. F. B. Mitchell, G. J. Jenkins: External Control of 20th Century Temperature by Natural and Anthropogenic Forcings. In: Science. 290, Nr. 5499, 2000, S. 2133–2137, doi:10.1126/science.290.5499.2133, PMID 11118145.
  20.  Gerald A. Meehl, Warren M. Washington, Caspar M. Ammann, Julie M. Arblaster, T. M. L. Wigley, Claudia Tebaldi: Combinations of Natural and Anthropogenic Forcings in Twentieth-Century Climate. In: Journal of Climate. 17, Nr. 19, 2004, S. 3721–3727, doi:10.1175/1520-0442(2004)017<3721:CONAAF>2.0.CO;2.
  21. Eiszeittest bestätigt Sorge um künftige Klimaerwärmung. PIK Potsdam, 25. August 2006.
  22. Ergebnisse vom ClimatePrediction.net (PDF; 738 kB)
  23. Frank Kaspar, Ulrich Cubasch. Das Klima am Ende einer Warmzeit. Im: U. Cubasch(Hrsg.): Der belebte Planet II. Berlin 2007 (Online; PDF; 718 kB).
  24. IPCC Third Assessment Report, Kapitel 6.3.1, Carbon Dioxide (Online)
  25.  Nathan P. Gillett, Vivek K. Arora, Kirsten Zickfeld, Shawn J. Marshall, William J. Merryfield: Ongoing climate change following a complete cessation of carbon dioxide emissions. In: Nature Geoscience. 4, Nr. 2, 2011, S. 83–87, doi:10.1038/ngeo1047.
  26.  Peter M. Cox, Richard A. Betts, Chris D. Jones, Steven A. Spall, Ian J. Totterdell: Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model. In: Nature. 408, Nr. 6809, 2000, S. 184–187, doi:10.1038/35041539.
  27. D. V. Khvorostyanov, P. Ciais, G. Krinner, S. A. Zimov: Vulnerability of east Siberia’s frozen carbon stores to future warming. In: Geophysical Research Letters. 35, Nr. 10, 2008, L10703, doi:10.1029/2008GL033639 (pdf; 1,4 MB).
  28. M. S. Torn, J. Harte: Missing feedbacks, asymmetric uncertainties, and the underestimation of future warming. In: Geophysical Research Letters. 33, 2006, L10703, doi:10.1029/2005GL025540.
  29. a b S. Solomon, , D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor, H.L. Miller (eds.): IPCC, 2007: Summary for Policymakers. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. In:Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Cambridge University Press, Cambridge, Großbritannien/New York, NY, USA (Online, PDF; 3,9 MB)
  30. a b  Previdi et al.: Climate sensitivity in the Anthropocene. In: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 139, Nr. 674, Wiley, 2013, S. 1121–1131, doi:10.1002/qj.2165.
  31. sciencedaily.org:Earth's Hot Past Could Be Prologue to Future Climate
  32. James Hansen, Mki. Sato, P. Kharecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D. L. Royer, J. C. Zachos: Target atmospheric CO2: Where should humanity aim?. In: Open Atmos. Sci. J.. 2, Oktober 2008, S. 217–231. arXiv:0804.1126. doi:10.2174/1874282300802010217. Abgerufen am 20. Januar 2013.
  33.  H. Damon Matthews, Ken Caldeira: Stabilizing climate requires near-zero emissions. In: Geophysical Research Letters. 35, Nr. 4, 2008, S. n/a–n/a, doi:10.1029/2007GL032388.
  34. Lovelock, James: Gaia: A New Look at Life on Earth. Oxford University Press, 1979, ISBN 0-19-286218-9.