Ein schmelzender Eisberg am 19. Juli 2007 vor der Insel Ammassalik in Ostgronland. Nach dem dramatischen Gipfel auf der indonesischen Ferieninsel Bali vor einem Jahr haben die Verhandlungen ueber einen neuen globalen Klimapakt längst die Mühen der Ebene erreicht. Im polnischen Posen (Poznan) versuchen Experten aus aller Welt ab Montag (1.12.) erste Pfloecke einzurammen, um den hoch komplizierten Vertrag bis Ende 2009 fertig zu bekommen.

Klimaveränderung heute und morgen

Wie unser Klimawissen entsteht und welche Veränderungen wir heute schon spüren


24.3.2014
Klimamodellrechnungen sind zur wichtigen Grundlage für gesellschaftliche und politische Entscheidungen zum Klimaschutz geworden. Sie ermöglichen uns abzuschätzen, welche Folgen unser heutiges Handeln für das Klima der Zukunft hat. Einige Auswirkungen der Klimaveränderung nehmen wir bereits heute wahr.

epa00534471 View of the heavy surf on the Havana promenade Tuesday, 20 September 2005, as Hurrican Rita lashes on the island with heavy downpours and strong winds. Cuban authorities evacuated more than 58,000 people from low-lying areas of several provinces as Hurricane Rita pounded the island's north coast. EPA/Alejandro ErnestoWetterextrem wie Hurrikane, hier vor Kuba, können durch den Klimawandel zunehmen (© picture-alliance/dpa)

Wie unsere Kenntnisse über das Klima der Zukunft entsteht



Die Klimaforschung ist in den letzten Jahren wie nie zuvor in das öffentliche Interesse gerückt. Den Klimawandel und seine Auswirkungen zu verstehen, ist eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Mit Hilfe von Computersimulationen lässt sich die zukünftige Klimaerwärmung untersuchen und langfristige Projektionen von Klimaänderungen erstellen.

Klimamodelle

Um Aussagen über das zukünftige Klima machen zu können, wird das Klimasystem bzw. Teile davon in Modellen mathematisch dargestellt, d.h. die Prozesse des Klimasystems werden in Form von mathematischen Gleichungen abgebildet. Dabei basieren die Gleichungen zum einen auf bekannten physikalischen Gesetzen und zum anderen auf verifizierte Beobachtungen unseres Klimasystems. Um die Klimaveränderungen auf globaler Ebene zu untersuchen, werden heute meist Allgemeine Zirkulationsmodelle (GCM nach engl. General Circulation Model) genutzt. Diese können die wichtigsten Prozesse des Klimasystems für den ganzen Planeten abbilden. Dabei wird die Erdoberfläche und die Atmosphäre in ein dreidimensionales Gitter zerlegt. Für jeden Gitterpunkt können dann Aussagen zur Temperatur, Niederschlag oder anderen Parametern getroffen werden.

Sehr kleinskalige Prozesse können nur schwer in den Modellen abgebildet werden. Je nach Fragestellung werden unterschiedlich komplexe Modelle angewandt und die Auflösung d.h. die Größe der Gitter kann variiert werden. Jedoch steigt mit der Komplexität und der Auflösung auch der Rechenaufwand für die genutzten Hochleistungscomputer. Dank der gestiegenen Leistungsfähigkeit von Computern können immer höhere Auflösungen berechnet werden. Für den Bericht des Weltklimarates (IPCC) 2007 betrug die Maschenweite des Gitternetzes noch 200x200 km. Für den 2014 erscheinenden Bericht ist eine Gitterweite von 100x100 km angestrebt. Um detailliertere Informationen zu erhalten und kleinräumige Prozesse besser abzubilden, werden einzelne Regionen mit Regionalmodellen modelliert. Dabei bilden die Ergebnisse des globalen Modells die Randbedingungen für das regionale Modell. Großräumige Veränderungen wie Temperatur oder Niederschlag werden also durch das Globalmodel vorgegeben. Mithilfe des Regionalmodells kann dann untersucht werden, was dies für kleinräumige Gebiete wie beispielsweise die Kölner Bucht bedeutet. Regionalmodelle können räumliche Auflösungen von wenigen Kilometern erzielen.

Das Vertrauen der Wissenschaft in Klimamodelle beruht darauf, dass die Modelle Aspekte des aktuellen und vergangenen Klimas simuliert haben, die mit Beobachtungsdaten übereinstimmen. Die Fähigkeit der Klimamodelle unser Klima zu simulieren, variiert zwischen den Kennzahlen: Beispielsweise werden höhere Übereinstimmungen im Bereich Temperatur festgestellt, während die Simulation von Niederschlag mit größerer Unsicherheit verbunden ist. Die Modelle werden jedoch stetig verbessert. Außerdem werden die Ergebnisse verschiedener Modelle herangezogen und verglichen, um Aussagen über das zukünftige Klima zu machen.

Klimaszenarien und ihre Bedeutung

Klimaszenarien sind Beschreibungen eines möglichen zukünftigen Klimas. Dabei handelt es sich jedoch um keine Prognosen oder Vorhersagen, sondern um Klimaprojektionen, die mögliche Entwicklungen aufzeigen. Sie dienen dazu, die Konsequenzen verschiedener Handlungsoptionen darzulegen. Klimaszenarien zeigen wie sich das Klima ändern könnte, wenn die Treibhausgaskonzentration um einen bestimmten Faktor ansteigen würde. Dabei untersuchen sie nur den menschlichen Einfluss auf das Klima.

Klimaszenarien werde mit Hilfe von Klimamodellen und Emissionsszenarien berechnet. Die Emissionsszenarien stellen Annahmen über den künftigen Verlauf der durch den Menschen verursachten Treibhausgasemissionen dar. Im Auftrag des Weltklimarats IPCC wurden verschiedene Emissionsszenarien entwickelt die als SRES-Szenarien (Special Report on Emission Scenarios) bekannt sind. Insgesamt wurden 40 SRES-Szenarien entwickelt, die in vier Szenarienfamilien gruppiert wurden: A1 – A2 – B1 – B2. Jedem dieser Szenarien liegt eine andere Vorstellung einer zukünftigen Welt zugrunde, wobei alle eine Entwicklung ohne zusätzliche Klimaschutzinitiativen beschreiben.

Die A1-Szenario-Familie beschreibt eine Welt mit sehr hohem Wirtschaftswachstum, rascher Entwicklung neuer effizienter Technologien und einer Stagnation des Bevölkerungswachstums bis 2050. Dabei werden innerhalb der A1 Szenario-Familie drei Gruppen unterschieden, die sich in ihrer Nutzungsintensität von fossilen oder erneuerbaren Energieträgern unterscheiden: fossil-intensiv (A1FI), nichtfossile Energiequellen (A1T) oder eine ausgewogene Nutzung aller Quellen (A1B).

Die A2-Szenario-Familie beschreibt eine sehr heterogene Welt mit einer wachsenden Bevölkerung. Die wirtschaftliche Entwicklung ist vorwiegend regional orientiert und das Pro-Kopf-Wirtschaftswachstum und technologische Veränderungen sind langsamer als in anderen Szenarien.

Die B2-Szenario-Familie geht von einer Welt mit einem Wirtschaftswachstum auf einem mittleren Niveau aus und mit einem Schwerpunkt auf lokalen Lösungen für eine wirtschaftliche, soziale und umweltgerechte Nachhaltigkeit.

Die B1 Szenario-Familie, die von einer verstärkten Nutzung sauberer und effizienter Technologien und der nachhaltigen Nutzung von Ressourcen und Energie ausgeht, ruft den geringsten Ausstoß an Treibhausgasemissionen hervor und verursacht so die geringsten Veränderungen des Klimas.

Aus jedem Szenario resultieren verschiedene Treibhausgaskonzentrationen, die jeweils als Randbedingung für ein Klimamodell genutzt werden. Für jede Szenarien-Familie wurde ein Basis-Szenario ausgewählt, dass charakteristischen Entwicklungen der Szenarien-Familie erfasst und für das die resultierende Treibhausgaskonzentration quantifiziert wurde. Für jedes dieser Basis-Emissionsszenario erhält man somit die möglichen Auswirkungen eines bestimmten Treibhausgasausstoßes auf das Klima. Da verschiedene Unsicherheitsfaktoren die Wirkung des Treibhausgasausstoßes beeinflussen, wird häufig eine Spanne möglicher Änderungen angegeben. Im B1 Szenario liegt die Bandbreite des Anstiegs der globalen Mitteltemperatur bei 1,1 bis 2,9 Grad Celsius. Das A1F1 Szenario, welches von einer intensiven Nutzung fossiler Energieträger aus geht, verursacht den höchsten Temperaturanstieg (2,4 bis 6,4 Grad Celsius).

Egal welches Szenario man als Grundlage wählt, fest steht, dass unser vergangenes Handeln zu Konsequenzen führen wird: Selbst im Falle einer sofortigen Reduzierung der Treibhausgase auf das Niveau des Jahres 2000 würde die Erdtemperatur sich um 0,6 Grad Celsius gegenüber dem Ende des 20. Jahrhunderts erhöhen.

Die Szenarien haben eine wichtige Bedeutung für die Diskussion über Maßnahmen, die den Klimawandel und seine Auswirkungen reduzieren können. Um die Auswirkungen unterschiedlicher politischer Maßnahmen besser untersuchen zu können, wurden für den neuen IPCC Bericht (Veröffentlichung 2013/2014) neue Szenarien entwickelt, die auch den Einfluss von Klimaschutzmaßnahmen berücksichtigen. Die sogenannten RCP-Szenarien (Representative Concentration Pathways) basieren nicht wie die SRES-Szenarien auf der CO2 Konzentration, sondern auf dem Strahlungsantrieb. Dieser beschreibt vereinfacht dargestellt wie viel mehr Energie (in W/m2) in das Klimasystem im Vergleich zu einem vorindustriellen Wert eingehen. Dabei werden neben Treibhausgasemissionen auch Effekte von Landnutzungsänderung und Luftverschmutzung berücksichtigt. Jedem RCP-Szenario liegen sozio-ökonomische Annahmen zugrunde, die im jeweiligen Strahlungsantrieb resultieren könnten. Dem RCP8.5 mit einem hohen Strahlungsantrieb von 8.5 W/m2, liegt eine fossil-intensive Entwicklung ohne erfolgreiche Klimapolitik zugrunde, während das RCP4.5 auf einer Ressourcen schonenden Entwicklung mit erfolgreich implementierter Klimapolitik basiert.

Auswirkungen des Klimawandels und Projektionen für das zukünftige Klima



Einige Veränderungen des Klimas in Zusammenhang mit der erhöhten CO2-Konzentration in der Atmosphäre sind schon heute messbar. Beispielsweise ist zwischen 1905 und 2005 ist die globale Mitteltemperatur der Erdoberfläche um 0,74Grad Celsius gestiegen. Dabei fand der stärkste Anstieg in den letzten 25 Jahren mit 0,19 Grad Celsius pro Jahrzehnt statt.

Bei der Betrachtung der Auswirkungen des Klimawandels muss jedoch immer beachtet werden, dass das Klimasystem sehr komplex ist und die Veränderungen regional sehr unterschiedlich sein können. Während einige Regionen eine starke Erwärmung erfahren haben, können andere Regionen sogar negativen Temperaturtrends unterliegen. Außerdem muss man kurzfristige und langfristige Entwicklungen unterscheiden. Auch wenn es einige Jahre hintereinander zu besonders kalten Perioden kommt, kann sich in längeren Beobachtungszeiträumen eine Erwärmung abzeichnen.

Auch die Niederschläge verändern sich. Durch die gestiegenen Temperaturen, wird mehr Wasser verdunstet und die Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen. Dadurch kommt es in den meisten Regionen der Erde zu steigenden Niederschlagsmengen. Dabei kann es auch zu Verschiebungen der Niederschlagsmengen im Jahresverlauf kommen. Je nach Region sind die Auswirkungen jedoch sehr unterschiedlich.

Gletscher Briksdalsbreen in Norwegen 2004 und 2009Gletscher Briksdalsbreen in Norwegen 2004 und 2009 (© picture-alliance)
In vielen Gebieten (u.a. Europa) kommt es vermehrt zu Starkregenereignissen, d.h. große Mengen Niederschlag gehen innerhalb kurzer Zeit nieder, was zu Überschwemmungen führen kann. Die Intensität der Niederschläge kann sich auch in Regionen erhöhen in denen die durchschnittlichen Niederschlagsmengen zurück gehen. Besonders in bereits trockenen Regionen wie der Sahelzone oder auch im Mittelmeerraum nimmt die Dürre zu. Weitere schon heute zu beobachtende Auswirkungen der Klimaveränderung sind der Anstieg des Meeresspiegels und die verstärkte Gletscherschmelze in einigen Regionen.

Insgesamt werden die Auswirkungen des Klimawandels für uns am stärksten anhand der Zunahme von Wetterextremen deutlich. Hitzewellen wie im Sommer 2003, in dem schätzungsweise 20.000 bis 30.000 Menschen in Europa in Folge der extremen Hitze starben oder Überschwemmungen wie die Elbflut 2002 sind Beispiele für solche Wetterextreme. Wie stark einzelne Extremereignisse jedoch mit der Klimaveränderung zusammenhängen ist nicht eindeutig.

Erst wenn solche Ereignisse verstärkt auftreten und über einen längeren Zeitraum beobachtet werden, kann von einer signifikanten statistischen Häufung gesprochen werden, die wiederum als Beleg für bereits existierende klimatische Veränderungen dienen kann. Da man jedoch die physikalischen Prozesse, die beim Auftreten von Wetterextremen ablaufen, sehr gut kennt, können die Wissenschaftler plausibel abschätzen, welchen Einfluss der Klimawandel auf solche Extremereignisse hat. In vielen Fällen sehen sie zukünftig einen Anstieg der Wahrscheinlichkeit für solche Wetterextreme. Beispielsweise können tropische Wirbelstürme (d.h. Hurrikane und Taifune) nur über Meerwasser mit einer Temperatur von mindestens 27 Grad Celsius entstehen und ihre Zerstörungskraft nimmt mit steigender Wassertemperatur zu. In den vergangenen Jahren ist die Wassertemperatur in vielen Regionen gestiegen. Auch wenn weitere Entstehungsbedingungen gegeben sein müssen, könnte sich in einem wärmeren Klima die Entstehungsregion für Wirbelstürme vergrößern und die Stürme können an Zerstörungskraft gewinnen.

Mithilfe der Klimamodelle und Emissionsszenarien können die Forscher das Ausmaß des Klimawandels und seine Auswirkungen in der Zukunft abschätzen (Tabelle). Dabei spielt das zugrunde gelegte Szenario mit seinem spezifischen Emissionslevel eine Rolle. Manche Prozesse verlaufen linear, d.h. je mehr Emissionen, desto stärker die Auswirkungen. Andere Prozesse sind stark nichtlinear. Beispielsweise kann sich eine moderate CO2 Erhöhung positiv auf das Waldwachstum auswirken, während bei starker Emissionserhöhung und deren klimatischen Folgen es zum Absterben von Wäldern kommen kann.

 
Tabelle 1: Beispiele für mögliche Auswirkungen des Klimawandels durch Veränderungen extremer Klimaereignisse – basierend auf Projektionen für Mitte bis Ende des 21. Jahrhunderts.
 
Phänomen und Richtung des TrendsWahrscheinlichkeit eines zukünftigen Trends, basierend auf den Projektionen für das 21. Jahrhundert unter Verwendung der SRES-Szenarien*
Über den meisten Landflächen wärmere und weniger kalte Tage und Nächte; wärmere und häufiger heiße Tage und NächtePraktisch sicher
Wärmeperioden/Hitzewellen: Zunahme der Häufigkeit über den meisten LandflächenSehr wahrscheinlich
Starkniederschlagsereignisse: die Häufigkeit nimmt über den meisten Gebieten zuWahrscheinlich
Von Dürre betroffene Gebiete nehmen zuWahrscheinlich
Die Aktivitäten starker tropischer Wirbelstürme nimmt zuWahrscheinlich
Zunehmendes Auftreten von extrem hohem Meeresspiegel (ausgenommen Tsunamis)Wahrscheinlich
* Sehr wahrscheinlich bedeutet eine Wahrscheinlichkeit von 90 bis 99 %; wahrscheinlich bezieht sich auf eine Wahrscheinlichkeit von 67 bis 90%
Quelle: nach IPCC 2007: Zusammenfassung für politische Entscheidungsträger

Auf viele Auswirkungen des Klimawandels kann hier nicht eingegangen werden. Zudem muss man bedenken wie komplex das Klimasystem der Erde ist. Einige Mechanismen und Zusammenhänge in diesem System sind noch nicht gänzlich verstanden, so dass der Klimawandel auch Auswirkungen haben kann, die heute noch nicht für die Wissenschaft ersichtliche sind.

Literatur



Fischer-Bruns, Irene (2011): »Emissionsszenarien«

IPCC 2007: Häufig gestellte Fragen und Antworten. In: Klimaänderung 2007: Wissenschaftliche Grundlagen, Beitrag der Arbeitsgruppe I zum Vierten Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC), Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor and H.L. Miller, Eds., Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom und New York, NY, USA. Deutsche Übersetzung durch die deutsche IPCC-Koordinierungsstelle, Bonn, 2011.

IPCC 2007 – Klimaänderung 2007: Synthesebericht. Zusammenfassung für politische Entscheidungsträger

Kasang, Dieter (2011): »Was sind Klimamodelle?«

Rahmstorf, Stefan und Schellnhuber, Hand Joachim (2007): Der Klimawandel – Diagnose, Prognosen, Therapie 6. Auflage, C. H. Beck, München.



 

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