No loss without gain, no gain without loss

Die Klimadiskussion wird kontrovers geführt. Das darf nicht verwundern, ist sie doch durch Wirtschaftsinteressen, ungenügende Kenntnisse und irrationale Ängste geprägt. Als Geowissenschaftler sieht man das Problem nüchterner im Rahmen einigermaßen gut bekannter Prozesse und ihrer natürlichen Zeitverläufe. Innerhalb der irdischen Dimensionen wird der Mensch ganz klein und unwichtig. Die Erde kann der Mensch auf Dauer nicht kaputt machen, wohl aber sich selbst. Die Erde hat einen „langen Atem“, der Mensch nicht. Unsere Perspektive für die nächsten Jahrzehnte ist kritisch. Nicht nur die Frage der Lebensqualität stellt sich, sondern auch die des Überlebens. Dafür tragen wir Verantwortung.

Was wissen wir heute über den Klimawandel? Welche Gründe zwingen Wissenschaftler zur Einsicht, dass der Mensch das Klima bereits verändert hat und in Zukunft weiter verändern wird? Wie gut sind die Daten? Wie werden sie analysiert und gedeutet, wie sicher sind die Deutungen und Schlussfolgerungen?

Beobachtungen über frühere Klimate sind reichlich vorhanden, z.B. je nach Zeitraum in Archiven, geologischen Ablagerungen oder in Baumringen, die mittlere Jahrestemperaturen und Niederschläge widerspiegeln. An diesen meist indirekten Daten wird seit Jahrzehnten intensiv geforscht. Es gibt natürlich Unsicherheiten und Debatten darüber, aber das Datenmaterial wird von Jahr zu Jahr besser, teils durch genauere Messmethoden und Analysen, teils durch regional immer vollständigere Datensätze.

Die wichtigste Methode zur Prognose einer zukünftige Entwicklung des Klimas sind Klimamodelle: Auf Großrechnern wird das bestehende Klima aus gegebenen Anfangszuständen zur Zeit „Null“ anhand der bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten simuliert. Seine zukünftigen Änderungen aufgrund anthropogener und natürlicher Einflüsse werden weitergerechnet. Neben den Massen-, Kräfte- und Energiebilanzen, die zwischen den strömenden „Teilchen“ in der Atmosphäre wirken, werden die Strahlungsabsorption vor allem durch  Kohlendioxid und Wasserdampf berücksichtigt. Kohlendioxid und die anderen „Treibhausgase“ lassen das kurzwellige Sonnenlicht nach unten durch, aber absorbieren die von der Erdoberfläche abgegebene längerwellige Wärmestrahlung. Anfangszustände werden durch globale Datensätze beschrieben. Das sind Wetterdaten auf einem möglichst feinen Punktgitter (geografische Breite und Länge, verschiedene Höhen). Für dasselbe Punktgitter werden die globalen oder regionalen Wetter- bzw. Klimazustände berechnet. Um die künftige Entwicklung des Klimas zu prognostizieren, muss man zusätzlich gewisse „Szenarien“ annehmen: vor allem, wie viel und mit welcher zeitlichen Entwicklung Kohlendioxid in Zukunft in die Atmosphäre ausgestoßen wird, z.B. mit einem zeitlichen Anstieg von ein bis zwei Prozent jährlich wie bisher (business as usual) oder stärker oder schwächer. Auch der Kohlendioxid-Kreislauf, in dem z.B. Pflanzen, das Ozeanwasser und die Gesteinsverwitterung eingebunden sind, ist nicht genau genug erfasst.

Als Beispiel ist der Temperaturverlauf von 1000 bis 2100 n. Chr. in der Abbildung nach einer Zusammenstellung von W. Seiler (2004) in Anlehnung an den Bericht des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) aus dem Jahr 2001 dargestellt (Foto unten). Von 1000 bis 1870 sind Werte für die Nordhalbkugel aus Beobachtungen, z.B. an Baumringen, „indirekt“ abgeleitet. Das grau markierte „Rauschen“ sind die kurzfristigen Schwankungen. Die durchgezogene Linie stellt zeitliche Mittelwerte dar; nach 1600 ist die Datenungenauigkeit auch kleiner. Ab 1870 liegen immer genauer werdende meteorologische Messungen vor. Ab 2000 sind die gezeigten Kurven unter verschiedenen Annahmen vorausberechnet, und das graue Band um die vorausberechneten Kurven beschreibt deren geschätzte Unsicherheit.

Das relativ milde Mittelalter und die etwa 1400 einsetzende „kleine Eiszeit“ unterschieden sich im Mittel um lediglich etwa 0,2°C, aber seit 1900 beträgt der Anstieg bereits rund 0,7°C. Während man bis etwa 1950 den Anstieg noch als eine „normale“ Schwankung des Klimas ansehen könnte, wie sie auch vorher vorkamen, springt der „anomale“ Charakter der Kurve bis 2000 direkt ins Auge, und die Koinzidenz mit der Industrialisierung und der Verbrennung von Kohle und Erdöl ist kaum Zufall. Die verschiedenen Kurven bis zum Jahr 2100 sind berechnet für verschiedene Szenarien über die zukünftigen CO2-Emissionen aufgrund des künftigen Energieverbrauchs. Ungeachtet dieser Unsicherheiten steht bis 2100 eine mittlere globale Klimaerwärmung um drei ± zwei °C, eher mehr, in Aussicht. Danach hört der Anstieg der Temperatur keineswegs auf und erreicht damit schnell das Ausmaß einer Erwärmung um etwa fünf °C , die der Temperaturdifferenz zwischen der heutigen Warmzeit und der letzten Eiszeit entspricht.

Ist aber die Zukunft überhaupt vorherzusagen? Die Wissenschaft redet heute von „Chaos“ in „nicht-linearen“ Systemen, wenn aus winzigen Unterschieden sich später riesige Unterschiede entwickeln. Vorhersagen von Zuständen in Raum und Zeit, wie die des Wetters, also des Wie, Wann und Wo von Temperatur, Wind und Niederschlag, werden immer unsicherer und schließlich unmöglich. Die Wettervorhersage demonstriert jedem Laien diese Unsicherheiten, und die Chaos-Forschung erhielt hieraus ihre ersten Impulse. Wetter ist der vom Menschen in jedem Augenblick erfahrene, oft komplexe Zustand der bodennahen Atmosphäre, und man kennt die Variabilität des Wetters. Auch die beste Wettervorhersage „weiß“ nicht, wann an meinem Wohnort der nächste Schauer einsetzen wird; ich kann es selbst vielleicht nur paar Minuten oder gar nicht vorhersehen. Im Gegensatz zum kurzfristigen Wettergeschehen lässt sich der zukünftige Trend der langfristigen Klimageschehens mit relativ hoher Zuverlässigkeit berechnen. Unsicherheiten bestehen über die Schnelligkeit und den Umfang des globalen Klimawandels.
Die Begriffe „nichtlinear“ und „komplex“ spielen eine entscheidende Rolle bei Vorhersagen und Klimaentwicklung. Turbulente Luftströmungen, z.B. starke Winde, sind komplex, sie bestehen aus einer Unzahl von „Elementen“, die alle ineinander greifen. Das System Erde ist komplex und noch keineswegs völlig erfasst. Hinzu kommt das Problem, dass Analyse von Systemen eine Zerlegung in ihre Teile bedeutet, wobei wir leicht die Übersicht und den Blick fürs Ganze verlieren. Auch die Wissenschaft ist vor dieser Gefahr nicht gefeit.

Nichtlinear ist z.B. jede Abhängigkeit einer Größe von einer anderen, bei der etwa die Verdoppelung der einen nicht auch die Verdoppelung der anderen bedeutet. Linearität wird grafisch durch eine Gerade dargestellt, Nichtlinearität durch eine Kurve. Wirkung und Ursache können zueinander proportional sein oder nicht. Ein ganz banales Beispiel (das wie alle Beispiele hinkt): wenn ich mich bei 20°C doppelt so wohl fühle wie bei zehn, fühle ich mich bei 100°C weiß Gott nicht zehnmal so wohl. Extrem nichtlinear sind Abhängigkeiten (Kurven) z.B., wenn sie an einer Stelle über alle Grenzen wachsen (wie die Funktion y = 1/x an der Stelle x = 0) und explodieren oder „kippen“; im obigen Beispiel etwa bedeuten 100°C den Tod. Nichtlinearitäten entstehen in komplexen, aber auch einfachen Systemen z.B. durch Rückkopplungen. Die berühmte Exponentialfunktion wächst proportional zu ihrer momentanen Größe (d.h. Zuwachsrate und Zahl sind gekoppelt) und beschreibt sehr schnelles, prozentuales Wachstum: Doppelt so viele Individuen bekommen doppelt so viele Kinder.

Wie sieht das in Bezug auf das Wetter und das Klima aus, das man als „mittleres Wetter“, also Wetter gemittelt über lange Zeiträume (z.B. 30 Jahre) definieren kann? Einerseits zeigt sich in chaotischen Systemen, dass sich vorhersagbare mittlere Zustände einstellen (z.B. Temperatur- und Niederschlagsmittelwerte, Häufigkeit von Stürmen etc.). Andererseits unterliegt Klima, im Gegensatz zu Wetter, auch anderen Einflüssen und Wechselwirkungen mit dem Gesamtsystem Erde – und heute mit den menschlichen Systemen. Daher ist es mit vielen weiteren Unsicherheiten der Erfassung behaftet und will in viel weitere Zukunft vorhergesagt werden als Wetter. Dabei gehen absolut unbekannte Größen ein wie etwa der künftige Energieverbrauch, und es steigt die Möglichkeit oder Wahrscheinlichkeit von prinzipiell Unvorhersehbarem, z.B. kosmischen und geologischen oder auch technischen und weltpolitischen Ereignissen, die alle Vorhersagen über den Haufen werfen würden. Die Frage der Vorhersagbarkeit hat sich allerdings fast erübrigt, da wir die Folgen der Klimaerwärmung bereits spüren. Extremwetterlagen, Hochwasser und Lawinengefahr in den Bergen nehmen zu, Gletscher und Eiskappen tauen ab, der Meeresspiegel steigt (zum Teil wegen des Schmelzwassers, zum Teil durch die thermische Ausdehnung des Wassers). Klimagürtel wandern polwärts und mit ihnen Schädlinge und Krankheitserreger. Der Grundwasserspiegel ändert sich, die Vegetationsperiode hat sich gebietsweise um zwei bis drei Wochen im Jahr ausgedehnt – es gibt Verlierer und Gewinner.

Für das Weiterrechnen ist die Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe zurzeit offen, da die mit heutigem Aufwand gewonnen Ölvorräte erkennbar schon zu unseren Lebenszeiten zur Neige gehen und andere vorhandene Reserven wie die submarinen Gashydrate und die Ölsande sich nur mit hohen Kosten und unbekannten Umweltrisiken heben lassen. In welchem Umfang und wie schnell „erneuerbare“ Energien effektiv zur Verfügung stehen werden, ist unbekannt. Viele nichtlineare Effekte bei weiterer globaler Erwärmung sind bisher kaum abschätzbar, dürfen jedoch nicht ignoriert werden. Sie kommen durch Rückkopplungen zustande; Ursache und Wirkung sind nicht proportional, zum Beispiel:

– Wasserdampf und Wolken in der Atmosphäre beeinflussen den Strahlungshaushalt und können in hohen Breiten bei allgemeiner Erwärmung durch erhöhten Niederschlag sogar zum Aufbau der Eiskappen in der Antarktis führen.

– Verstärkte Verbrennung fossiler Energieträger erhöht nicht nur den CO2-Gehalt, sondern auch die Verschmutzung durch Ruß und Aerosole, die Strahlung absorbieren und eher zu Abkühlung am Boden führen; wir hätten also die Wahl: Erwärmung oder Verschmutzung.

– Meeresströmungen beeinflussen das Klima und umgekehrt: so kann der Golfstrom sich bei einer weiteren kleinen Klimaänderung drastisch verändern. Die Temperaturen in Mitteleuropa könnten – langfristig – weniger stark zunehmen als im globalen Mittel.

– Große Eismassen können bei Verlust der Haftung am Boden der flachen antarktischen Schelfmeere abrutschen, wenn die Gletscher aus dem Inlandeis schrumpfen. Salzgehalt, Temperaturverteilung Meeresströmungen wären betroffen, und damit wiederum die Atmosphäre.

– Im Meeressediment ist eisförmig eine große Menge Gashydrat gebunden, das aus Wasser und dem Treibhausgas Methan (CH4) besteht und sich bei Erwärmung zersetzt; eine „plötzliche“ Zersetzung (in wenigen Jahren) würde – rückgekoppelt – die Klima-Erwärmung verstärken.

– Durch die erhöhte Temperatur kann sich die Mineralisation des im Boden vorhandenen Humus in CO2 beschleunigen und damit der CO2-Ausstoß aus der Biosphäre in den kommenden Jahrzehnten wachsen.

„Lineares Denken“ übersieht solche Folgen leicht und ist doch so viel einfacher und so verführerisch – und bei komplexen
Verhältnissen um so gefährlicher! Das Gesagte verdeutlicht die Unsicherheiten der Vorhersagen, aber an weiterer Erwärmung ist nicht zu zweifeln. Auch führt eine Verbesserung des bestehenden unzulänglichen Kenntnisstands nicht zwangsläufig zur Abnahme der Temperaturzunahme, sondern kann diese sogar verstärken.

Der größte Unsicherheitsfaktor ist der Mensch selbst. Wie wertet er, der Laie, die Vorhersagen und ihre Unsicherheiten; wie geht er mit den erlebten Veränderungen um? Wie stellt er sich zu den von Modellen als Möglichkeiten aufgezeigten Szenarien? Vorsichtig und vorsorgend durch eine gezielte Umweltpolitik und durch Handlungsweisen, die mögliche, selbst relativ unwahrscheinliche zukünftige Ereignisse einbeziehen? Oder mit „Vogel-Strauß-Politik“? Abwartend im Vertrauen, dass einem notfalls kurzfristig Lösungen einfallen werden? Oder bis zum letzten Moment auf seinem momentanen Vorteil bestehend, wie jener Geschäftsmann, der seinen brennenden Supermarkt verschloss, damit die Leute ihre Einkäufe noch bezahlen?
Die Haltung vieler Menschen erinnert mich stark an diesen Geschäftsmann. Wir genießen unseren Wohlstand auf Kosten anderer. Die von uns verursachte Erwärmung führt zu einer mittleren Verschiebung der Klimazonen um etwa 150 km/°C und zur Desertifikation, „Verwüstung“ im wörtlichen Sinne, z.B. in Afrika; zum Meeresspiegelanstieg von etwa zehn Zentimeter bis fast ein Meter bis zum Jahr 2100 und zu Überschwemmungen etwa in Bangladesch und Ozeanien. Was würden wir sagen, wenn sich die Rollen grundsätzlich vertauschten und wir die Folgen etwa der Industrialisierung Chinas hart zu spüren bekämen, was in Zukunft nicht auszuschließen ist?

Was gebietet die Vernunft? Zumindest: unseren Horizont weit genug zu machen! Was ist zu tun? Um den Temperaturanstieg auf einen Wert von plus zwei °C gegenüber dem heutigen Wert zu begrenzen, muss der CO2-Ausstoß in den nächsten 100 Jahren global um 50 Prozent gesenkt werden; dazu müssen die Industrienationen ihren um 80 Prozent senken. Das ist möglich, erfordert aber von jedem Einzelnen die Aufgabe gedankenloser Gewohnheiten in Verkehr, Haushalt und Konsum, von der Industrie erhebliche technische Anstrengungen und von der Staatengemeinschaft harte Regeln und Sanktionen. Die Erfahrungen mit dem „sauren Regen“, mit FCKW, Abwasser und Abfall zeigen, dass solche Bemühungen zum Erfolg führen können.

Man muss „gelassen“ an die Aufgabe gehen, jedenfalls nicht nachlässig. Bis heute hat „Gelassenheit“ Evolutions-Erfolg gehabt, denn wir sind da, so wie wir sind, und sind unheimlich erfolgreich. Noch nie war die Erde übervölkert, und noch nie hat der Mensch globale Phänomene und Prozesse spürbar beeinflusst – bis heute. Paul Crutzen, Atmosphärenchemiker und Nobelpreisträger, hat für dieses Zeitalter der letzten höchstens 300 Jahre den geologischen Begriff „Anthropozän“ geprägt – in Analogie zum Holozän (griechisch: vollkommen neu): „Menschen-Neuzeit“, eigentlich „Industriezeitalter“. Zum ersten Mal in der Erdgeschichte greift unsere Spezies nachhaltig in geologische und biosphärische Prozesse ein. Wenn wir zu spät, nachlässig oder gar nicht handeln, wird eine dünne Sedimentschicht übrig bleiben, die ein „Extinktionsevent“ anzeigt, ein Ereignis massenhaften Artensterbens, ähnlich der „KT-Grenze“, der Grenze zwischen der Kreidezeit und dem Tertiär, an der die Dinosaurier und viele andere Arten und ganze Familien und Gruppen ausstarben. „Ereignisse“ erscheinen geologisch kurz, plötzlich, weil Jahrhunderte Raubbau in Millionen Jahren Rückschau zu einem „Moment“ schrumpfen wie auch kosmische oder vulkanische Ereignisse und ihre Folgen.

Aber auch da gibt es Verlierer und Gewinner: Das Aussterben der Saurier ermöglichte die erstaunliche Evolution der Säugetiere und schließlich des Menschen. Heute stehen wir an einem Punkt, an dem wir nicht wissen, ob das ein Glücksfall oder ein Unglück der Evolution ist. Doch das liegt an uns selbst! Sollen etwa nach uns „post-anthropozäne“ intelligente Insekten kommen und ihre Geologen über das anthropozäne Extinktionsereignis nachdenken und es mit dem Aussterben der Saurier vergleichen?

Ein Kassandra-Ruf? – Solch ein Vorwurf übersieht gern, dass Kassandra Recht hatte! Auch heute bleibt Zeit ein Apfelbäumchen zu pflanzen in dem Wissen, dass die Zukunft nicht absolut vorauszusehen ist und Vernunft vielleicht doch noch eine Chance hat.

Ich danke den Professoren Wolfgang Seiler (Institut für Meteorologie und Klimaforschung im Forschungszentrum Karlsruhe; Garmisch-Partenkirchen) und Christian Schönwiese (Institut für Meteorologie und Geophysik, Universität Frankfurt) für die Überlassung von Material und Information sowie für Diskussion. Fakten habe ich dem Vortrag Die globale Klimaänderung: Ursachen, Wirkung, Maßnahmen (8.6.2004, Universität Mainz, Physikalisches Kolloquium) von W. Seiler entnommen, dem ich auch für Durchsicht danke. Empfohlen seien: Schönwiese: Klimatologie, 2003, UTB, Stuttgart, sowie: Klimaänderungen – Daten, Analysen, Prognosen, Springer-Verlag, 1995.