Natürliche Klimaschwankungen


Es gibt Sonnenfleckenzyklen von etwa 11 Jahren. Die höhere Sonnenstrahlung der Sonnenfackeln, die gleichzeitig mit diesen Sonnenflecken als den kühleren Bereichen auftreten, macht aber nur 0,1 % der Normalstrahlung aus.


Auch Veränderungen der Sonnenaktivität sollen in ihrer Wirkung auf das Klima 1750 - 2011 nur 2 % des anthropogenen Strahlungsantriebes, also der menschlichen Klimabeeinflussung, ausgemacht haben. [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1]

Dennoch kann die mittelalterliche Wärmeperiode (800 - 1300) mit einer Zeit sehr hoher Sonnenaktivität in Verbindung gebracht werden. Die 'Kleine Eiszeit' (1350 - 1860) andererseits mit einer Zeit niedriger Sonnenaktivität, die außerdem mit einer Abkühlung durch Vulkanausbrüche verbunden war.

Auch zu der Erwärmung am Anfang des 20. Jh.s soll eine hohe Sonnenaktivität beigetragen haben. [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1]


Auf die Erdbewegungen im Verhältnis zur Sonne, also die so genannten Milankovitch-Zyklen, sollen sich die geologischen Warm- und Kaltzeiten zurückführen lassen.
Auch einige nacheiszeitlichen Klimaschwankungen sollen mit der sich verändernden Neigung der Erdachse koinzidieren. Das Klimaoptimum vor 9000 Jahren vollzog sich, während die Nordhemisphäre den sonnennächsten Punkt im Sommer erreichte. Danach folgte dann eine Wanderung des sonnennächsten Punktes der Erdachse in den Nordwinter [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1].


Der Einfluss des Vulkanismus wird von diesen Autoren nicht vorrangig als Quelle des Klimagases CO2 betrachtet, sondern in Hinsicht auf klimaabkühlende Sulfat-Aerosole, weil diese durch Vulkan-Eruptionen bis in die Stratosphäre verbracht werden, wo sie wegen der dort fehlenden Niederschläge lange Zeit verbleiben [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1].
Die industriellen Sulfat-Emissionen blieben jedoch in der Atmosphäre und führten durch Auswaschung mit dem Regen ziemlich schnell zu toxischen Kontaminationen von Pflanzen und Böden.


Die einfachsten anorganischen Kohlenstoff-Verbindungen bilden den Grundstoff des natürlichen Treibhauseffektes und damit des Erdklimas:

[Corfield in: Cockell 2007/ 2008]


Diese Kohlenstoff-Gase bildeten die Uratmosphäre.

Die durch die Photosynthese der Cyanobakterien verursachte 'Große Sauerstoffkatastrophe' führte mit der Oxidation des Treibhausgases Methan zum “weniger klimawirksamen” Kohlendioxid auch zum ersten Eiszeitalter, der 300 Mio. Jahre dauernden 'Paläoproterozoischen Vereisung' [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1].

Doch hatte die maximale CO2-Konzentration im Kambrium und Ordovizium noch ein sehr heißes Klima zur Folge.
Die Ausbreitung der Landpflanzen "im Devon vor 380 bis 350 Mio. Jahren" führte allerdings zu einer weiteren Verringerung der atmosphärischen CO2-Konzentration auf einen Bruchteil. [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1]




Solarstrahlung und Klimagase


Licht setzt sich zusammen aus [Kalusche 2016]:
10 % kurzwelliger (und schädlicher) Ultraviolett-Strahlung (< 380 nm),
45 % sichtbarer (und photosynthetisch wirksamer) Strahlung (380 - 720 nm),
45 % langwelliger (und wärmender) Infrarot-Strahlung (> 720 nm).


Die Wellenlängen (λ) der Sonnenstrahlung werden in Nanometern (nm) oder Mikrometern (µm), also in milliardstel oder millionstel Metern angegeben. Röntgen- und UV-Strahlung in Nanometern, Infrarot- (Ultrarot-)Strahlung in Mikrometern. [Breuer 1992, S.176]


Die von der Erdoberfläche zurückgeworfene Wärmestrahlung wird zu 85 % durch die Wolkendecke und die Klimagase zurückgehalten [Heinrich/ Hergt 1991].
Und zwar wird die Transmissivität der Atmosphäre für die Wärme- oder Infrarot-Strahlung durch komplexe Dipol-Moleküle wie H2O (Wasser), CH4 (Methan) und CO2 (Kohlendioxid) reduziert, die durch die Strahlung in Schwingung versetzt, Wärme in alle Richtungen abgeben [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019].


Die Wärme-Rückstrahlung der Erdoberfläche im langwelligen Bereich von 4 - 100 µm wird hauptsächlich durch den Wasserdampf absorbiert, und zwar in den Spektralbereichen von 4 - 7 µm (sichtbares Licht) und 18 - 100 µm (Ultrarot) [Kuttler 1995]

Die Strahlung in dem offen bleibenden Teil von 13 - 18 µm wird durch CO2 ohnehin schon zum größten Teil absorbiert, daher führt ein CO2-Anstieg nicht zu einer proportional steigenden Absorption der Wärmestrahlung. Man schätzte aber, dass eine Verdoppelung des aktuellen CO2-Gehaltes bereits zu einer Temperaturerhöhung von 2,8° führen würde [Kuttler 1995].

In dem verbleibenden "Strahlungsfenster" zwischen 7 und 13 µm wird die Wärmestrahlung durch die teilweise aus anthropogenen Quellen stammenden Klimagase Lachgas, Methan, Ozon und FCKW absorbiert, die in relativ geringen Konzentrationen vorliegen.




Strahlungsantrieb und Treibhauspotenzial


Internationale Forschung versucht seit einigen Jahrzehnten, die Stärke der Wirkkräfte, die das Klima und seine potentielle Erwärmung bedingen, zu ermitteln. Die Wirkung eines Klimafaktors auf die Energiebilanz in W/m² wird als ‘Strahlungsantrieb’ oder 'radiative forcing' bezeichnet.
Es gibt aber auch eine abweichende Berechnung nach der Temperaturveränderung in K/m². [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1]


Nachfolgende Auflistung soll Mittelwert und Bandbreite des Strahlungsantriebes von verschiedenen Klimagasen und anderen wichtigen Einflussfaktoren wiedergeben nach den Daten des “IPCC Fourth Assessment Report (Summary for Policymaker)”:

[aus: Wikipedia-Grafik "Komponenten des Strahlungsantriebs" zum Artikel "Vierter Sachstandsbericht des IPCC", Stand: 28. Oktober 2013]


Es sind also auch negative Strahlungsantriebe zu berücksichtigen, insbesondere durch Zurückwerfen der Solarstrahlung.

Bei zunehmender Landnutzung nach Rodung soll auch ein Abkühlungseffekt berücksichtigt werden - die erhöhte Rückstrahlung (Albedo) im Vergleich zu Wald.

Hohe Wolken führen zur Erwärmung, also einem positiven Strahlungsantrieb, die Albedo niedriger Wolkendecken führt indessen zu einer klimatischen Abkühlung, also einem negativem Strahlungsantrieb [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1].


Die aktuellen Berechnungen der europäischen IPCC-Sektion "Copernicus" [Earth System Science Data 2023] sind deutlich höher angesetzt. Der anthropogene Gesamteffekt wird fast doppelt so hoch eingestuft! Dadurch erfolgt die Klimaveränderung offenbar rascher als prognostiziert, während die Politk des Auslandes auf eine katastrophische Veränderung zusteuert.


Der von "Copernicus" errechnete Strahlungsantrieb im Zeitraum 1750 - 2022 ist auch höher als der von den IPCC-Sachstandsberichten AR 5 und AR 6 ermittelte:

[Earth System Science Data 2023]


Das Treibhauspotenzial ('Global Warming Potential (GWP)' bezieht sich einerseits auf eine Menge (kg) Treibhausgas, andererseits auf deren in einem Zeitraum ausgeübten Einfluss (Strahlungsantrieb) auf die atmosphärische Energiebilanz in W/m².

Das Treibhauspotenzial eines Klimagases wird zweifellos durch dessen Verweildauer in der Atmosphäre beeinflusst, die beispielsweise bei CO2 etwa zehnmal so lang ist wie bei Methan. Es wird deshalb oft für einen Zeitraum von 100 Jahren als GWP100 angegeben. [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1]




Kohlenstoffsenken


Sowohl Kalt- als auch Heißzeiten waren mit dem Regler CO2 verknüpft, der die Temperaturen des Planeten kontrolliert [Cockell 2007/ 2008, ch.7].

Für das globale Ökosystem wichtige Neuerungen waren

Die Sedimente der kalkbildenden Organismen beeinflussen nicht nur die Gesteinsbildung in geologischen Zeiträumen, sondern auch den Kohlenstoff-Kreislauf. Diese Kalkbildner waren einzellige Algen (Coccolithophoren) und Protisten (Foraminiferen). [Cockell 2007/ 2008, ch.6]

Die Kohlenstoff-Assimilation der sich ausbreitenden Landpflanzen führte zu einem starken Rückgang des atmosphärischen CO2 und die Kohlebildung an humiden Standorten zu einer weiteren Klimaabkühlung. Austrocknung führte dagegen zur Oxidation und Zersetzung der Pflanzenrückstände. [Cockell 2007/ 2008, ch.7]


Neben der Photosynthese der Landpflanzen ist die geologische CO2-Bindung durch Silikatverwitterung und Kalksteinbildung die wichtigsten natürliche C-Senke [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1].

Beide Kräfte fallen aber in den Eiszeiten auf ein niedriges Niveau zurück, so dass der atmosphärische CO2-Gehalt allmählich ansteigt und die Eiszeit endet.
Auch die Bindefähigkeit der Ozeane für CO2 (Wasserlöslichkeit) wird durch niedrige Temperaturen vermindert, so dass es zum negativen Rückkopplungseffekt der Klimaerwärmung kommt.


Von den 1750 - 2011 emittierten 555 Mrd. Tonnen Kohlenstoff verblieben nur 240 Mrd. Tonnen dauerhaft in der Atmosphäre [IPCC: Climate Change 2013 - the physical science basis. Cambridge, 2013.]. 155 Mrd. t wurden in den Ozeanen festgelegt, 160 Mrd. t in Biomasse und Boden; durch Landnutzungsänderungen waren aber bereits 180 Mrd. t von den terrestrischen Ökosystemen emittiert worden. [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1]


Die Eignung der Biomasse der Vegetation als Senke hängt von der Höhe ihrer Nettoprimärproduktion ab, die bei Immergrünen Tropenwäldern mehr als 1000 g C/m²/a erreichen kann gegenüber etwa 600 g bei tropischen und gemäßigten Laubwäldern, 500 g bei Savannen und 400 g bei borealen Nadelwäldern [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1].

Nährstoffmangel kann dazu führen, dass Kohlenstoff nicht assimiliert werden kann, sondern sogar aus der Substanz veratmet werden muss. Aus Mangel an Nährstoffen und Wasser kann demnach auch das CO2-Überangebot nicht überall von den Pflanzen genutzt werden. Es muss berücksichtigt werden, dass der größere Teil der Erdoberfläche in Bezug auf pflanzliches Wachstum unproduktiv oder degradiert ist und kaum als Kohlenstoffsenke in Frage kommt.


Parallele Prozesse der C-Festlegung und -Veratmung finden im Boden statt. Hier wird allerdings die Veratmung von organischem Kohlenstoff durch ausreichend hohe Temperaturen gesteuert, der Kohlenstoff bildet selber den Nährstoff.
Die Kältezonen haben trotz niedrigster Produktivität etwa ein Drittel des Bodenkohlenstoffs akkumuliert; die tropennahen Böden können dagegen infolge der starken Bodenatmung nur relativ geringe Mengen Kohlenstoff binden.


Das Potential der Weltmeere als Senke für zusätzliche Emissionen kann nicht eingeschätzt werden. Außer den oberflächennahen Wasserschichten bis max. 200 m Tiefe könnte auch die Tiefsee ein Rolle spielen, allerdings über einen äußerst langwierigen Austauschzyklus von 1500 Jahren. [Fellenberg 1992]

CO2 reagiert mit H20 zu Hydrogencarbonat HCO32-, wobei aber H-Protonen freigesetzt werden, was in den Ozeanen bereits zu einer Absenkung des pH-Wertes von 8,2 auf 8,1 geführt hat; der Anteil der Carbonat-Ionen (CO32-) verringert sich [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1].

Im Meer gibt es nur da, wo ausreichend Nährstoffe vorhanden sind, kleine Gebiete (1,7 %) mit einer hohen Netto-Primärproduktion (> 500 g/m²/a C), auf dem Land jedoch auf 25 % der Flächen [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1].

Die Cyanobakterien als Primärproduzenten des Meeres benötigen zur N-Fixierung ausreichend Fe. Die künstliche Fe-Anreicherung der Ozeane würde wegen der extremen Kurzlebigkeit dieser Primärproduzenten aber keine ausreichende C-Festlegung erreichen. [Hauck/ Leuschner/ Homeier 2019, Kap.1]




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