Hintergründe zum Problem der globalen Erwärmung

von Dr.-Ing. Ernst Pauli

Auf Grund der immer wieder stattfindenden Schüler-Demonstrationen «Gegen das Klima» ist das Thema der globalen Erwärmung in aller Munde. Forscht man nach den Hintergründen dieser Problematik, stösst man auf ein breites Spektrum von wissenschaftlichen Arbeiten, die zu verstehen versuchen, ob und wie durch das Gas CO2 in der Atmosphäre unser Klima verändert wird. Die überwiegende Mehrheit dieser Forscher kommt zum Schluss, dass es eine Erwärmung auf Grund von menschengemachten steigenden CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre gibt. Dieser Artikel versucht eine vertiefte Auseinandersetzung mit der Bedeutung des CO2  für unseren Planeten.

Langjährige Entwicklung der Jahresmittel-Temperatur in der Schweiz seit 1864, dargestellt als Abweichung vom Mittel der Normperiode 1961-1990. Rote Jahre waren wärmer, blaue Jahre kälter als der Normwert. Die aktuellste Normperiode 1981-2010 ist zum Vergleich zusätzlich gestrichelt eingezeichnet. (Quelle https://www.meteoschweiz.admin.ch/home/klima/klima-der-schweiz/klima-normwerte.html)

Die Energie, die wir zum Heizen unserer Häuser, als Antrieb unserer Fahrzeuge, zur Stromerzeugung und in vielen industriellen Prozessen benutzen, stammt zum allergröss­ten Teil aus der Verbrennung sogenannter fossiler Ressourcen, nämlich aus Erdöl, Erdgas und Kohle. Die Verbrennung von fossilen Ressourcen hat mit wachsender Industrialisierung und mit wachsender Technisierung über die letzten 150 Jahre stark zugenommen und die Konzentration von bei der Verbrennung entstehendem CO2 in der Atmosphäre nimmt in der Konsequenz immer schneller zu.

Auswirkungen der CO2-Konzentration in der Atmosphäre seit Beginn der Industrialisierung

Schon zu Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert haben sich Forscher Gedanken gemacht, ob die damals überall sichtbar aufsteigenden Rauchgase aus den Fabriken schädliche Effekte über den unmittelbar spürbaren Smog hinaus haben könnten. Man erkannte schon früh, dass CO2 in der Atmosphäre einen Einfluss auf die Temperatur hat. Das CO2 lässt sehr ähnlich wie Wolken aus Wasserdampf die kurzwellige Wärmestrahlung der Sonne durch die Atmosphäre passieren, blockiert aber die langwellige Rückstrahlung der Erde. Es wirkt wie eine nur in eine Richtung durchlässige Isolationsschicht. Diese Effekte wurden damals im Labor nachvollzogen, und es gab schon erste grobe Berechnungen, wie sich die Atmosphäre auf Grund eines steigenden CO2-Gehaltes erwärmen könnte.1 Schon damals wurde der Begriff «Treibhaus-Effekt» geprägt, der den Mechanismus der Erwärmung der Atmosphäre mit der Erwärmung von Luft unter dem Glasdach eines Treibhauses vergleicht. Es muss auch erwähnt werden, dass neben CO2 auch andere Gase ähnliche Effekte haben. Zu nennen sind Methan (CH4) und Distickstoffoxid (N2O) als sogenannt klimawirksame Gase.

Beobachtung von Wetter und Klima

Schon im 19. Jahrhundert, mit der Erfindung des Thermometers, begannen interessierte Laien, das Wetter anhand von Messwerten systematisch zu beschreiben. Beobachtet man das Wetter über längere Zeiträume und bildet Mittelwerte aus Temperatur und auch Niederschlag, spricht man vom Klima, charakterisiert durch eben diese gemittelten Werte und andere statistisch ermittelte Grössen. Für die Zeit vor direkten Thermometer-Messungen konnten Rückschlüsse über das Wetter und auch das Klima indirekt aus Berichten über die Vegetationsperiode, Merkmale der Jahreszeiten und auch über die angebauten Pflanzenarten gezogen werden. Aus geschichtlichen Ereignissen und Beschreibungen ergaben sich Rückschlüsse auf das jeweils herrschende Klima, zum Beispiel während der römischen Warmzeit, der Warmzeit im Hochmittelalter und schliess­lich der «kleinen Eiszeit», die in der Mitte des 19. Jahrhunderts zu Ende ging.

Die Rolle von CO2 beim Wechsel von Kalt- und Warmzeiten der Erde ist gut verstanden

Die Erdgeschichte, zurück bis zur Entstehung der Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren, ist ein hilfreiches Beispiel, um die Wirkung von CO2 auf das Erdklima genauer zu verstehen. Eiszeiten und Warmzeiten haben sich abgelöst, immer einhergehend mit tiefen bzw. hohen CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre. Gletscherspuren in der Landschaft, Spuren der jeweiligen Vegetation und der Tierwelt geben Hinweise auf Warmzeiten und Kaltzeiten in der Erdgeschichte.
Den grössten Erkenntnisgewinn über die jüngere Erdgeschichte und besonders über die Klimageschichte konnte man in den frühen siebziger Jahren machen. Man begann, in den Eisschichten auf Grönland und später auch in der Antarktis Proben, sogenannte Eisbohrkerne, in immer grösserer Tiefe zu entnehmen.2 Das Eis hat sich in Schichten gebildet, deren Entstehungszeit man zuordnen konnte. Durch moderne Messmethoden, zum Beispiel dem Verhältnis der auftretenden Sauerstoff-Isotope im Eis, konnte man auf die Temperaturen zum Zeitpunkt der Eisentstehung schliessen und man konnte auch mit der Analyse der eingeschlossenen Luftbläschen die CO2-Konzentration und die Konzentration anderer Spurengase in der Atmosphäre zum Zeitpunkt der Eisentstehung ermitteln. Es wurde möglich, den CO2-Gehalt der Atmosphäre und die damals herrschenden Temperaturen im Verlauf der letzten etwa 400 000 Jahren und in weiteren Projekten mit tieferen Bohrungen sogar für die letzten 800 000 Jahre exakt zu bestimmen. Es ergab sich ein klarer Gleichlauf zwischen hohen Atmosphärentemperaturen und hohem CO2-Gehalt in der Atmosphäre. Umgekehrt gab es Eiszeiten bzw. Kaltzeiten, in denen der CO2-Gehalt in der Atmosphäre tief war. Es zeigte sich eine Regelmässigkeit. Längeren Kaltzeiten von etwa 90 000 Jahren folgten Warmzeiten von etwa 10 000 Jahren. Die Erklärung lieferten die sogenannten Milankovitch-Zyklen. Man wusste, dass dieser Zyklus durch die nicht immer gleiche Entfernung der Erde zur Sonne bestimmt wurde.3 In neuen Bohr-Projekten will man nun mit Eisbohrkernen aus tieferen Schichten, die 1,5 Millionen Jahre alt sind, weitere präzise Erkenntnisse gewinnen.4

Verschiedene Effekte überlagern sich und verstärken sich gegenseitig

Durch sich überlagernde Effekte entsteht ein komplexes Bild. Im Meer wird in sehr langsamen Prozessen in grossem Ausmass CO2 gebunden oder gelöst. Auf Grund einer Erwärmung zum Beispiel durch den Milankovitch-Effekt gibt das Meer grosse Mengen an CO2 ab, und so wird die Erwärmung verstärkt. Umgekehrt führt eine Abkühlung zu erhöhter CO2-Aufnahme des Meeres, reduzierter CO2-Konzentration in der Atmosphäre und zu einer selbstverstärkenden Abkühlung. Ähnliches gilt auch für eine vermehrte Eisbildung auf der Erdoberfläche. Es wird mehr Sonnenlicht von den Eisflächen reflektiert, was wiederum verstärkte Abkühlung bewirkt. Ein Eisrückgang führt zu einer selbstverstärkenden Erwärmung. Es gibt weitere zyklische Effekte, jeder mit einer eigenen zeitlichen Dynamik, die sich überlagern und zu einem manchmal chaotisch scheinenden Verlauf führen, den die Wissenschaft aber nachvollziehen kann und in dem die Rolle von CO2 recht vollständig verstanden wird.

Ein starker, schneller, nie dagewesener Anstieg des CO2 in unserer Zeit

Für die Zeiten der frühen Erde kann man den damals sehr langsamen Anstieg der CO2-Konzentration im Lauf von Millionen Jahren näherungsweise auf Grund der Spuren in Sedimentschichten bestimmen. In der letzten Million Jahre vor unserer Zeit lag die CO2-Konzentration in Kaltzeiten bei etwa 180 ppm und in den Warmzeiten nie höher als 280 ppm. Die letzte Warmzeit, unsere Warmzeit, setzte vor etwa 12 000 Jahren ein. Der Mensch wurde in diesem Warmklima sesshaft und konnte Ackerbau und Viehzucht entwickeln und erfolgreich betreiben. CO2-Gehalt und Temperatur waren in dieser erdgeschichtlich kurzen Zeit relativ konstant. Aber nach ersten Anzeichen zu Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert, etwa ab den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts, stieg die CO2-Konzentration in der Atmosphäre schnell und immer stärker an. Der Anstieg ist heute etwa 100mal schneller als jemals in den langen Zeiten der Erdgeschichte. Sehr logisch kann dies auch dadurch erklärt werden, dass die fossilen Ressourcen Öl, Kohle und Gas im Laufe von Millionen Jahren gebildet wurden, wobei Kohlenstoff irgendwo in der Erdrinde gespeichert wurde. Dieser Kohlenstoff, enthalten in unserer Kohle, im Öl und Gas, wird nun in einem Millionstel der Entstehungszeit als CO2 wieder in die Atmosphäre entlassen mit den Wärme-Effekten, die uns prinzipiell aus der Erdgeschichte bekannt sind und die auch physikalisch vollständig verstanden sind. Der Mensch hat begonnen, die fossilen Ressourcen in einem nie dagewesenen Ausmass in erdgeschichtlich kürzester Zeit abzubauen, und es ist logischerweise anzunehmen, dass der heute beobachtete Anstieg des CO2 menschengemacht ist.

CO2 in der heutigen Zeit

Alle Prozesse zur Freisetzung von CO2 in der Atmosphäre und die Prozesse, die zu einer Reduktion der CO2-Konzentration führen, laufen sehr langsam ab. Entsprechend erwartet man, dass eine Reduktion der heutigen hohen CO2-Konzentration in der Atmosphäre durch natürliche Prozesse auf die vorindustriellen Werte etwa 1000 Jahre brauchen wird.5 Die heute sich andeutenden Phänomene werden langfristig bleiben, sich eventuell verstärken und für viele Generationen Auswirkungen haben.
Der Mensch und damit kommende Generationen werden sich auf die Klimaänderungen einstellen müssen, die durch die schnelle und starke, in dieser Form nie dagewesene Erhöhung des CO2-Gehaltes verursacht werden. Die Erhöhung kann kurzfristig nicht mit vertretbarem Aufwand rückgängig gemacht werden. Das heisst aber nicht, dass Massnahmen, einen weiteren Anstieg zu vermeiden, nicht langfristig sinnvoll sind.
Es gibt Beispiele, bei denen man durch gemeinsames Handeln aller Staaten Umweltprobleme in den Griff bekommen hat. Das aus den siebziger Jahren bekannte Waldsterben wurde durch konsequente Vorschriften zur Rauchgasentschwefelung von Kraftwerken und zur Eliminierung des Schwefelgehaltes in Treib- und Brennstoffen weitgehend gelöst. Das Ozonloch über der Antarktis konnte in internationaler Zusammenarbeit durch im Montrealer Protokoll von 1987 festgehaltene Vorschriften und den Einsatz von Ersatzstoffen deutlich reduziert werden.
Im Falle von CO2 wurden zwar internationale Vereinbarungen zur CO2-Reduktion abgeschlossen, aber sie zeigen bis heute praktisch keine Wirkung. Ein Beispiel dafür ist der CO2-Zertifikate-Handel, bei dem man das Problem «marktwirtschaftlichen» Mechanismen überlässt. Hochgesteckte Ziele sind formuliert, aber die tatsächlichen Emissionen in allen Ländern nehmen nicht oder nur langsam ab, so dass die anspruchsvollen Ziele kaum erreicht oder erfüllt werden können. Langfristig sinnvolle Ansätze sollten verfolgt werden. Eine «wait and see»-Politik ist nicht am Platze. Eine durchdachte Abkehr von der fossilen Energieerzeugung hin zu erneuerbaren Energien ist sicher kein falscher Weg.    •

1    Fourier 1824, Tyndall 1860, Arrhenius 1896 nach Rahmstorf/Schellnhuber. Der Klimawandel: Diagnose, Prognose, Therapie. München 2006, ISBN-13: 978 3 406 50866 0
2    Nature 399 (1999), Petit et al, Climate and Atmospheric History of the Past, 420 000 years from the Vostok ice core, Antarctica
3    Milankovitch, M. (ed.). Mathematische Klimalehre und astronomische Theorie der Klimaschwankungen. Berlin, 1933
4    Auf der Suche nach dem ältesten Eis. «Neue Zürcher Zeitung» vom 5. April
5    Solomon, Plattner, Knutti. ETH Zürich. Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Februar 2009

«Wissenschaftler wollen verstehen, wie solche Effekte zustande gekommen sind»

Ein Nachruf

«Hintergründe zum Problem der globalen Erwärmung» ist der letzte Artikel, den Ernst Pauli für Zeit-Fragen schreiben konnte. Er ist unerwartet am 30. Juli im Alter von nur 67 Jahren an einem Herzversagen gestorben. Wir haben mit ihm einen geschätzten Mitarbeiter, Kollegen und Freund verloren. Sein fundiertes Wissen und seine menschliche Verbundenheit und Wärme werden uns fehlen.
Ernst Pauli hat in unserer Zeitung das Ener­giethema bearbeitet, nicht ohne die politischen und wirtschaftlichen Folgen etwa der Strommarktliberalisierung mitzudenken. Dabei hat er, lange bevor die Energiewende zum Kampf um politische Macht missbraucht wurde, für eine Förderung der erneuerbaren Energien plädiert.
In den letzten beiden Jahren hat er sich intensiv mit der Frage des Klimawandels auseinandergesetzt, ganz im Sinne des Wissenschaftlers, der verstehen will, wie solche Effekte zustande gekommen sind. Das war sein Lebensmotto. Es war ihm ein Anliegen, selbst komplexe Themen so darzustellen, dass auch der Laie sie verstehen und mitdenken kann. Das Ergebnis liegt hier vor.
Den politischen Missbrauch der KlimaFrage und insbesondere die Mobilisierung der Jugend gegen die Welt der Erwachsenen hat er abgelehnt.
Ernst Pauli hat darauf vertraut, dass der Mensch als vernunftbegabtes Wesen weiterdenkt und sinnvolle Massnahmen ergreifen wird.

Die Redaktion