Das globale Klima ist nicht konstant, sondern unterliegt ständigen Änderungen. Die Ursache hierfür liegt in mehreren Antriebsmechanismen. Die Atmosphäre hat dabei den größten Einfluss, steht jedoch in Wechselwirkung mit anderen Komponenten wie den Ozeanen und Eisflächen, der Landoberfläche und der Biosphäre. Der Antrieb für den Austausch zwischen diesen Teilsystemen wird von der Sonne geliefert, wobei je nach Breitengrad und Jahreszeit unterschiedlich viel Energie durch die Atmosphäre bis zur Erdoberfläche dringt. Dieses Ungleichgewicht, das Temperaturunterschiede und somit Luftdruckgefälle insbesondere zwischen dem Äquator und den Polen verursacht, setzt Ausgleichsprozesse wie zum Beispiel Wind oder Meeresströmungen in Kraft.

Erst durch das Entstehen einer Atmosphäre und durch den natürlichen Treibhauseffekt ist Leben auf der Erde möglich. Der Treibhauseffekt bezeichnet den Erwärmungseffekt der Atmosphäre: Kurzwellige Sonnenstrahlung kann die Atmosphäre fast ungehindert bis zur Erdoberfläche durchdringen. Die von der Erdoberfläche reflektierte langwellige Wärmestrahlung jedoch wird von so genannten Treibhausgasen zu Teilen absorbiert und dadurch in der Atmosphäre gehalten. So wird die globale Mitteltemperatur in Bodennähe, die ohne das Vorhandensein einer derartigen Atmosphäre -18 °C betragen würde, um 33° C auf ca. +15 °C angehoben. Ohne diese Erwärmung wäre es folglich so kalt auf der Erde, dass sich kein höheres Leben hätte entwickeln können.

Zu den „klimawirksamen“ Treibhausgasen der Atmosphäre, welche die Wärmestrahlung absorbieren, gehören vor allem Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2), Distickstoffoxid (N2O), Methan (CH4) und Ozon (O3). Diese Gase sind in unterschiedlichen Konzentrationen auch ohne menschliches Zutun in der Atmosphäre enthalten und somit für den natürlichen Treibhauseffekt verantwortlich. Ändert sich die Zusammensetzung der atmosphärischen Gase, so ändert sich auch die Durchlässigkeit für die Wärmeabstrahlung der Erde.

Die einzelnen Gase unterscheiden sich allerdings deutlich in ihrer Erwärmungswirkung. So hat ein Molekül Methan die gleiche Erwärmungswirkung wie 23 Moleküle Kohlendioxid. Um diese Effekte besser vergleichbar zu machen und in ihrer Gesamtheit zu berechnen, verwenden die Klimawissenschaftler den Vergleichsmaßstab der CO2-Äquivalente: Allen Treibhausgasen werden Werte zugerechnet, welche die Erwärmungswirkung in Relation zum CO2 ausdrücken. Die Wirkung der Treibhausgase wird auch als Veränderung des Strahlungsantriebs bezeichnet, der die Veränderung der Bilanz aus solarer Einstrahlung und terrestrischer Abstrahlung in der unteren Atmosphäre darstellt und in der Regel in der Einheit Watt pro m2 angegeben wird.

Der Anteil kohlenstoffbasierter Treibhausgase wie CO2 und CH4 in der Atmosphäre ist für das Ausmaß des Treibhauseffektes von zentraler Bedeutung und wird durch die Prozesse des Kohlenstoffkreislaufs bestimmt. Dieser Kreislauf erstreckt sich über die natürlichen Teilsysteme Ozean, Atmosphäre und Landökosysteme. Jedes Teilsystem des Kreislaufs gibt Kohlenstoff ab und nimmt ihn wieder auf.

Diejenigen Systemkomponenten, aus denen der Atmosphäre treibhauswirksame Gase zugeführt werden, bezeichnet man als „Quellen“. Fossile Energieträger wie Erdöl oder Kohle, die heute in großem Maßstab durch den Menschen verbrannt werden, oder die Zerstörung der tropischen Regenwälder sind hierfür Beispiele. Den „Quellen“ stellt man die sogenannten „Senken“ gegenüber. Senken, wie zum Beispiel Ozeane, Böden oder Pflanzen, sind bis zu einem bestimmten Grad in der Lage, aus der Atmosphäre zusätzliches CO2 aufzunehmen und zu speichern.

Beispielsweise binden Wälder während ihrer Wachstumsphase in der Regel große Mengen an CO2 in Holz und Boden. Wenn dann zu einem späteren Zeitpunkt das Holz verbrannt wird oder verrottet, wird das CO2 wieder in die Atmosphäre freigesetzt.

Am Beispiel der Ozeane zeigt sich aber auch die Begrenztheit dieser Senken. Mit zunehmender CO2- Anreicherung sinkt die Aufnahmekapazität: Die Senkenfunktion für die Aufnahme von zusätzlichem CO2 aus der Atmosphäre nimmt ab. Die Austausch- und Rückkopplungsprozesse zwischen den Teilsystemen sind teilweise hochkomplex und quantitativ schwer abzuschätzen. Der Ozean ist eine wichtige Senke. Etwa 30 % des vom Menschen zusätzlich freigesetzten CO2 bindet er direkt oder indirekt. Ohne diese Senkenfunktion wäre der CO2-Anstieg in der Atmosphäre noch stärker. Aber sie hat auch eine Kehrseite: Dem Sondergutachten des „Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen” von 2006 zufolge hat eine Versauerung, d. h. der Anstieg der CO2-Konzentration in den Meeren, durch den Klimawandel bereits begonnen. Diese Versauerung führt zum einen zu Veränderungen der Meeresökosysteme und zum anderen zur Verminderung der CO2- Aufnahmekapazität der Meere.

Die globale Durchschnittstemperatur ist im Laufe des 20. Jahrhunderts um ca. 0,74 °C angestiegen, allerdings weder zeitlich noch regional gleichmäßig. Besonders in den Zeiträumen 1910 bis 1945 und seit 1976 ist es zu einer deutlichen Erwärmung gekommen. Elf der vergangenen zwölf Jahre (1995-2006) fallen unter die zwölf wärmsten Jahre seit Beginn der Temperaturmessungen im Jahr 1850.

Der Anstieg fand vor allem über den Landflächen statt und hier besonders über der nördlichen Erdhalbkugel, weniger über den sich verzögert erwärmenden Ozeanen. Der durchschnittliche globale Meeresspiegel ist im 20. Jahrhundert um 12-22 Zentimeter angestiegen. Zudem ist der Weltklimarat IPCC zu dem Ergebnis gekommen, dass sich der hydrologische Kreislauf (Wasserkreislauf) verändert hat. Während es auf der Nordhalbkugel eine Zunahme der kontinentalen Niederschläge um 5-10% während des 20. Jahrhunderts gegeben hat, ist in manchen Regionen (z.B. Nord- und Westafrika) ein Rückgang zu beobachten.

In den mittleren und höheren nördlichen Breiten konnte eine Zunahme extremer Niederschlagsereignisse verzeichnet werden. Ferner zeigt sich ein weiträumiger Rückzug von Berggletschern, die aufgrund ihrer Sensibilität gegenüber Temperaturveränderungen auch als „Fieberthermometer der Erde“ bezeichnet werden. Auch gibt es deutliche Anzeichen für ein Aufweichen von Permafrostböden in Teilen der Polar- und Subpolarregionen zu bemerken.

Bei den beobachteten Veränderungen stellt sich die Frage, ob und in welchem Ausmaß sie natürlichen Ursprungs oder durch den Menschen verursacht sind. Zunächst lässt sich zweifelsfrei festhalten, dass der Mensch mit seinem Handeln die Konzentration von Treibhausgasen und damit die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre deutlich beeinflusst. Durch eine Vielzahl von Prozessen setzt er große Mengen an Treibhausgasen frei: vor allem durch die Verbrennung fossiler Energieträger (Braun- und Steinkohle, Erdöl, Erdgas), die großflächige Änderung der Landnutzung (z. B. Rodung von Wäldern), landwirtschaftliche Tätigkeiten (v. a. Viehwirtschaft und Reisanbau) und industrielle Prozesse. Dieser menschliche Einfluss ist verantwortlich für den signifikanten Konzentrationsanstieg von Treibhausgasen in der Atmosphäre seit Beginn der Industrialisierung und die dadurch ausgelöste Verstärkung des Treibhauseffektes. Daher bezeichnet man den Anteil am gesamten Treibhauseffekt, den der Mensch durch sein Handeln verursacht, als menschgemachten oder anthropogenen Treibhauseffekt.

Das Treibhausgas CO2 trägt zu etwa 55 % zum anthropogenen Treibhauseffekt bei und ist damit der Hauptfaktor in den vom Menschen verursachten Emissionen. Der Beitrag von Methan liegt bei etwa 15%. Neben diesen Gasen gehören Distickstoffoxid (N2O, Lachgas) sowie industriell erzeugte Gase wie Fluorkohlenwasserstoffe zu den wichtigsten anthropogenen Treibhausgasen. Ozon (O3) wird nicht direkt ausgestoßen, sondern entfaltet seine Wirksamkeit als Folgeprodukt u. a. bei der Verbrennung fossiler Energieträger. Wasserdampf ist das natürlich am stärksten konzentrierte Treibhausgas in der Atmosphäre. Der Mensch beeinflusst seine Konzentration direkt durch den Flugverkehr und indirekt durch die erwärmungsbedingte Veränderung des Wasserkreislaufs. Aus der Analyse von Bohrungen im antarktischen Eis ging hervor, dass die atmosphärische CO2-Konzentration in den letzten 420.000 Jahren nie 290 ppm8 überschritten hat. Seit Beginn der Industrialisierung um 1750 – und damit der massiven Ausweitung oben skizzierter menschlicher Einflüsse – stieg die Konzentration von CO2 jedoch um ca. 30% und betrug im Jahre 2005 im Jahresmittel bereits 379 ppm, mit einer jährlichen Zuwachsrate von etwa 1,9 ppm zwischen 1995 und 2005. Die Methankonzentration steigerte sich sogar um ca. 140%. Allerdings gibt es auch menschliche Handlungen mit einem kühlenden Effekt, beispielsweise die industriellen Emissionen von Schwefeldioxid (SO2). Insgesamt aber überwiegt der Ausstoß erwärmend wirkender Treibhausgase deutlich.

Klimaänderungen hat es in der Vergangenheit immer wieder gegeben. Sind jedoch die jüngsten Veränderungen des Klimas ohne den Einfluss des Menschen zu erklären? Prinzipiell sind auch Ursachen denkbar, die nicht auf den Kohlenstoffkreislauf und die Konzentration von Treibhausgasen zurückzuführen sind. Änderungen der Erdparameter und unterschiedlich starke Sonnenaktivität lassen die Einstrahlung der Sonnenenergie schwanken, die auf die Erdoberfläche trifft. Vulkanausbrüche können eine Abkühlung bewirken, wenn große Mengen Asche in die Atmosphäre geschleudert werden, welche die Durchlässigkeit der Sonnenstrahlung verringern. Dies war beispielsweise in den Jahren 1991-1993 der Fall, die in Folge des Ausbruchs des philippinischen Vulkans Pinatubo relativ kühl waren. Auch können interne Wechselwirkungen und Rückkopplungsmechanismen zwischen Atmosphäre und Ozeanen wie z. B. das El-Niño-Ereignis das globale Klima über mehrere Jahre hinweg beeinflussen.

Laut IPCC kann die Erwärmung in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts aber nicht allein durch natürliche Faktoren wie eine veränderte Sonnenaktivität erklärt werden. Vielmehr leitet sich aus den neuen Erkenntnissen des IPCC eine „sehr hohe Sicherheit” (d. h. nach IPCC-Definition in mindestens 9 von 10 Fällen korrekt) ab, dass zum einen menschliche Aktivität seit 1750 insgesamt zur Erderwärmung geführt hat. Zum anderen ist der größte Teil des Temperaturanstiegs in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts „sehr wahrscheinlich” (d. h. nach IPCC-Definition mit 90- bis 99%-iger Wahrscheinlichkeit) die Folge des menschgemachten Anstiegs der Treibhausgaskonzentration. Im dritten Sachstandbericht des IPCC hatte es noch „wahrscheinlich“ geheißen.

Das internationale Wissenschaftlergremium stützt sich in seiner Aussage über den Beitrag des Menschen an der globalen Kli ma änderung im Wesentlichen auf drei Pfeiler: die menschgemachte Zunahme von Treibhausgasen, die hohe Korrelation zwischen globaler Mitteltemperatur und der Kohlendioxidkonzentration in der Vergangenheit sowie Hochrechnungen mit Klimamodellen.

Die anderen bekannten Faktoren, die die globale Temperatur verändern können, werden dabei berücksichtigt. Wenn man bei der Simulation der Temperaturentwicklungen der letzten eineinhalb Jahrhunderte sowohl die natürlichen Faktoren als auch die menschgemachten mit einbezieht, lässt sich der tatsächliche Temperaturverlauf sehr genau simulieren. Die Simulation der natürlichen Entwicklung beschränkt sich dabei auf die Faktoren Variation der Solarstrahlung und Vulkanausbrüche. Die Simulation der menschgemachten Entwicklung bezieht nur die Faktoren Treibhausgasemissionen und Emissionen von Sulfataerosolen (die eine abkühlende Wirkung haben) mit ein.

Bereits die Simulation der menschgemachten Faktoren würde eine plausible Erklärung für den größten Teil der beobachteten Temperaturentwicklung liefern. Die Inte gration beider Faktorenbündel hingegen stellt eine noch größere Annäherung an die in der Realität beobachtete Entwicklung dar. Allerdings schließt dies nicht prinzipiell die Möglichkeit aus, dass noch weitere Faktoren eine begrenzte Rolle für den Temperaturanstieg gespielt haben könnten.

Die Betrachtung des Strahlungsantriebs unterschiedlicher großräumig wirksamer Klimafaktoren und die daraus berechneten Temperatursignale unterstützen die Hypothese, dass der Mensch über die Treibhausgase einen deutlich größeren Einfluss auf die Temperaturveränderung seit 1860 genommen hat als natürliche Faktoren wie veränderte Sonnenaktivität oder Vulkaneruptionen. Insgesamt sind das demnach ca. 0,7 °C, was in etwa dem beobachteten Anstieg von 0,74 °C im 20. Jahrhundert entspricht. Die natürlichen Klimasignale sind demgegenüber relativ klein sowie episodisch bzw. fluktuativ, haben also zu dem Langfristtrend der letzten 100 Jahre kaum beigetragen.

Insgesamt ist die Frage, ob sich das Klima ändert und ob der menschgemachteTreibhaus effekt in den letzten Jahrzehnten wesentlicher Antrieb dieser Veränderung war, nicht mehr wissenschaftlich umstritten. Diskutiert wird lediglich über das genaue Ausmaß und die zu erwartenden Konsequenzen in verschiedenen Regionen. @

Die Abbildung zeigt die Kohlenstoffreservoire (weiße Felder), die natürlichen Kohlenstoffflüsse (hellere Pfeile) und die Flüsse, die durch anthropogene Störungen verursacht werden (dunklere Pfeile). Die Zahlen (schwarz = natürlich; grau = anthropogen) bezeichnen die Mengen in Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr. Die Flüsse zwischen Atmosphäre und Ozean sowie zwischen Atmosphäre und Landvegetation sind durchschnittliche Jahresnettowerte für die 1990er Jahre.

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