Klimabeeinflussung durch den Menschen

Rüdiger Glaser, Würzburg

Anthropogene Klimabeeinflussung kann ihre Ursachen in den verschiedensten menschlichen Aktivitäten haben: Rodungsmaßnahmen, agrarwirtschaftliche und bergbauliche Betätigung, Trockenlegungen von Feuchtgebieten, aber auch Bewässerung und Stauhaltung, Flächenversiegelung und alle anderen Oberflächenveränderungen oder direkte Wärmeabgabe beispielsweise durch Heizung nehmen Einfluss auf das Energiesystem der Atmosphäre. Besonders hervorzuheben ist die Freisetzung von Stoffen und Gasen durch die Nutzung fossiler Energie (Öl, Gas und Kohle) in Form der CO₂-Anreicherung, durch die FCKW-Produktion, durch die Tierhaltung in Form von Methananreicherungen und durch das Einbringen von Partikeln und Stäuben im Zusammenhang mit industriellen Aktivitäten oder dem Verkehr. Grundsätzlich sind alle Eingriffe, die das Stoff- und Energiesystem Erde-Atmosphäre betreffen, relevant. Alle diese menschlichen Eingriffe betreffen unterschiedliche zeitliche und räumliche Skalen; zudem besitzen sie eine unterschiedliche Intensität ( Abb. 1).
Aus Modellrechnungen (Klimamodelle) ist bekannt, dass dabei oft nur geringfügige direkte Änderungen einzelner Parameter durch komplexe Rückkopplungen gravierende Auswirkungen haben können. Eine derartige Rückkopplung könnte folgendermaßen ablaufen: durch eine Temperaturerhöhung würde das thermohaline Regime im Nordatlantik so gestört werden, dass die Tiefenwasserproduktion und letztlich auch die Dynamik des Golfstroms erheblich abgeschwächt werden könnten, was wiederum den damit verbundenen Wärmetransport beeinträchtigen würde.

Raum-zeitliche Entwicklung
Die anthropogene Klimabeeinflussung setzte bereits mit der flächenhaften Inkulturnahme durch den Menschen im Neolithikum ein und erfuhr erste nennenswerte Maxima mit den jeweiligen kulturellen Blütezeiten bzw. der Ausweitung der agraren Betätigung, beispielsweise in Mesopotamien um 2500 v.Chr., im Mittelmeerraum durch die Römer zwischen 500 v.Chr. und 300 n.Chr., in Mitteleuropa mit der flächenhaften Ausdehnung der Agrar- und Siedlungsfläche und der damit einhergehenden Vernichtung der Wälder im Hochmittelalter oder in Nordamerika vor allem im Zuge der europäischen Okkupation im 18. und 19. Jahrhundert.

Klimawirksame Aktivitäten des Menschen
Durch die umfangreichen Rodungsmaßnahmen wuchs die mittlere Albedo der Erdoberfläche an, was unmittelbare Auswirkungen auf den Strahlungshaushalt hatte. Ferner hatten sie die Freisetzung des in der Phytomasse gebundenen Kohlenstoffs zur Folge. Darüber hinaus gingen die Kultivierungsmaßnahmen mit einer Änderung der Verdunstungs- und Abflussparameter einher. In der Tendenz kam es zu Grundwasserabsenkungen und zur Reduktion der Transpiration, deren Klimawirksamkeit heute unterschiedlich bilanziert wird.
Durch Brandrodungen, ackerbauliche Betätigung (insbesondere durch das Pflügen) und Desertifikation wurden Partikel, die sogenannten Aerosole, in die Atmosphäre eingebracht. Verstärkt wird dieser historisch angelegte Prozess seit der industriellen Revolution durch die vielfältigen Verbrennungsvorgänge, die als Grundlage und Lebensäußerung moderner Industriegesellschaften gelten ( Abb. 2), ebenso wie durch weitere Brandrodung in den Tropen.
Die Freisetzung der Aerosole geschieht vor allem in Form von Rauch- und Rußpartikeln bei Verbrennungsvorgängen oder als mineralische Partikel (Staubaerosole) von vegetationsfreien Oberflächen. Hinzu kommen noch biogene Aerosole wie Sporen, Pollen und Keime. Der Anteil anthropogener Partikel wird heute von verschiedenen Autoren auf 20 bis 40% geschätzt. Sie spielen im Strahlungshaushalt und als Kondensationskerne eine wichtige Rolle. Insgesamt haben die Aerosole eine abkühlende Wirkung. Dies gilt insbesondere für den Sulfateffekt, der erst in den neueren Modellrechnungen Berücksichtigung fand. Dabei führt das aus den anthropogenen Schwefeldioxidemissionen stammende Sulfat zu einer verstärkten Streuung der Sonneneinstrahlung (Sulfataerosole). Da Aerosole eine regionale Verbreitungsstruktur besitzen, macht sich ihre abkühlende Wirkung besonders über den Entstehungsgebieten und deren Lee-"Schleppen" bemerkbar. Damit ist ihr Effekt vor allem über der stärker industrialisierten Nord-Hemisphäre ausgebildet.
Eine neue Dimension erfuhr die anthropogene Klimaveränderung im Zuge der industriellen Revolution durch die verstärkte Nutzung fossiler Energie und dem damit verbundenen Anstieg der CO₂-Emissionen und der Konzentration anderer Treibhausgase. In dem vom Menschen unbeeinflussten Klimasystem bewirken deren Absorptionseigenschaften zusammen mit dem Wasserdampf eine natürliche Erwärmung der Atmosphäre auf rund +15°C, was als natürlicher Treibhauseffekt angesehen werden kann. Wasserdampf ist daran zu 62% beteiligt. Ohne diesen Effekt würde die Mitteltemperatur der Erde nur -18°C betragen. Die anthropogene Erhöhung des CO₂-Gehalts führt zunächst direkt, aber auch indirekt über die Intensivierung des hydrologischen Kreislaufes (Niederschlag – Verdunstung) zu einer Temperaturerhöhung, wobei der Wasserdampf als Energiespeicher- und Transportmedium eine größere Rolle spielt. Derzeit werden jährlich rund 8 Mrd. t Kohlenstoff zusätzlich, das sind 3% des natürlichen jährlichen Kohlenstoffumsatzes, in die Atmosphäre eingebracht.
Der Anteil fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) an der Gesamtprimärenergienutzung macht heute weltweit rund 80% aus, in den Industrieländern liegt er sogar bei 90%. Durch industrielle und landwirtschaftliche Aktivitäten werden noch weitere Treibhausgase und Emissionen freigesetzt. Als derartige Treibhausgase müssen Methan (CH₄), Lachgas oder Distickstoffoxid (N₂O), das bodennahe Ozon (O₃) und v.a. FCKW betrachtet werden, die zwar in geringerer Konzentration auftreten, die aber, weil sie in den durchlässigen Spektralbereichen, den sogenannten atmosphärischen Fenstern, wirken, eine vielfach höhere Treibhauswirksamkeit besitzen als CO₂. Ein weiterer Aspekt anthropogener Klimabeeinflussung ist die zunehmende Zerstörung der als UV-Barriere wirksamen Ozonschicht (Ozon) in der Stratosphäre, wofür neben natürlichen Faktoren, wie den Chlorgas-Exhalationen von Vulkanen, vor allem die Freisetzung von FCKW verantwortlich ist. Grundsätzlich müssen alle vom Menschen freigesetzten lufthygienisch relevanten Schadstoffe wie Stickoxide und SO₂, die im Rahmen der Waldschadensproblematik im Zusammenhang mit dem "Sauren Regen" und der Bodenversauerung eine entscheidende Rolle spielen, oder das bodennahe Ozon sowie Ammoniak (NH₃) und Ammonium (NH₄), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (KW), Fluorwasserstoff (HF), Chlorwasserstoff (HCl), Formaldehyd (CH₂O), Halone, Methan (CH₄), Distickstoffoxid (N₂O) genannt werden.

Anthropogen verursachter Temperaturtrend seit Beginn der industriellen Revolution 1850
Man nimmt heute an, dass seit Mitte des 19. Jahrhunderts der Strahlungsantrieb (die global gemittelten klimarelevanten Störungen des atmosphärischen Strahlungs- und Energiehaushaltes) des anthropogenen Treibhauseffekts bei globaler Betrachtung bereits dominiert ( Abb. 3). Aufgrund von Modellrechnungen kann man davon ausgehen, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit der seit etwa 1850 nachzuweisende Temperaturanstieg weitestgehend anthropogenen Ursprungs ist. Dabei wird den Treibhausgasen eine Erwärmung von rund 1°C zugeschrieben, die sich allerdings durch die Aerosole auf den tatsächlich beobachteten Wert von rund 0,6°C reduziert. Die natürlichen Klimaschwankungen können dabei für die mittel- und kurzfristigen Fluktuationen verantwortlich gemacht werden, etwa die relative Abkühlung zwischen 1940 und 1965 oder die rund 2 Jahre andauernde globale Temperaturdepression durch den Ausbruch des Vulkans Mt. Pinatubo 1991. An weiteren Aspekten lassen sich die derzeitigen Klimatrends in Mitteleuropa beobachten: eine seit 1891 zunächst von großen Schwankungen geprägte Entwicklung der Westlagenhäufigkeiten, die ab 1970 aber von einer signifikanten Zunahme abgelöst wurde; eine Zunahme der mittleren Windgeschwindigkeit, v.a. aber eine intensivere Zyklogenese seit 1965 über dem Nordatlantik und ebenso eine Zunahme der Orkantiefs, die allerdings strittig ist, und eine Verstärkung des Westwindmaximums um 20-30%. Diese Veränderungen gehen einher mit einer Zunahme der Jahresniederschläge in Westdeutschland ab 1891 und einer entsprechenden Zunahme der jährlichen Hochwasserscheiteldurchflüsse beispielsweise am Pegel Köln. Weitere Auswirkungen der Klimaerwärmung sind das Rückschmelzen der alpinen Gletscher und das um bis zu zwei Wochen verfrühte Verschwinden der Eisdecke auf Flüssen und Seen. Beobachtet wird außerdem eine Verlängerung der Vegetationsperiode um bis zu 12 Tagen. Das hat bereits zu merklichen Veränderungen in der Agrarwirtschaft geführt. Beispielsweise erfolgt der Austrieb der Reben in Franken heute 8 Tage früher als in den vergangenen 30 Jahren, ebenso der Blütezeitpunkt, während sich die Blütedauer um 10 Tage verkürzt hat. Die Folge ist u.a. eine deutlich verfrühte Lese, was wiederum zur Konsequenz hat, dass sich nun tierische und pflanzliche Schaderreger bemerkbar machen, die bisher nicht als Rebschädlinge in Erscheinung traten. Aufgrund der höheren Temperaturen und der Unsicherheiten im Auftreten der tiefen Temperaturen wurde in den letzten Jahren an manchen Orten in Franken kein Eiswein mehr gelesen. Durch das Ausdünnen der Ozonschicht in der Stratosphäre ist die Intensität der UV-Strahlung angestiegen. Damit treten vor allem im Spätwinter und Frühjahr erhöhte UV-Strahlungsbelastungen auf.

Zukünftige Entwicklung und Auswirkungen
Die neuesten Schätzungen des IPCC (Intergovernmental Panel of Climate Change) haben aufhorchen lassen. Nachdem in früheren Berechnungen bei einer Verdopplung des CO₂-Gehalts bis zum Ende des 21. Jahrhunderts mit einer Temperaturerhöhung von 0,9 K bis 3,5 K zu rechnen war, geht die neueste Studie von 1,4 K bis zu 5,6 K und einem Meeresspiegelanstieg um 11 bis 88 cm aus. Damit einher geht ein intensivierter Umsatz des Wasserkreislaufes mit einer Erhöhung der Verdunstungs- und Niederschlagsraten um 7 bis 15%.
Die prognostizierten Klimaszenarien haben zum Teil apokalyptischen Charakter: Der steigende Meeresspiegel bringt Millionen von Menschen in Küstenregionen in Gefahr. Des Weiteren erwartet man in vielen Regionen der Erde eine signifikante Zunahme von Extremen und Klimakatastrophen wie Stürme, Überschwemmungen, Dürrekatastrophen und Hitzewellen. Besonders betroffen sind Landschaftstypen wie Gletscherregionen, Korallenriffe, Mangroven, periglaziale Gebiete und tropische Wälder sowie alpine Ökosysteme, Feuchtgebiete und Steppen. Insgesamt wird auch ein verstärktes Artensterben prognostiziert. Krankheiten durch verseuchtes Trinkwasser breiten sich aus und in den marginalen Regionen sind die Ernährungsgrundlagen bedroht. Betroffen sind vor allem die ärmsten Länder der Welt.
Es muss betont werden, dass es sich dabei um Modelle handelt, die von bestimmten Annahmen ausgehen. Nur bei Eintreten derselben kann es nach dem heutigen Kenntnisstand und den Möglichkeiten der Modelle zu den prognostizierten Zuständen kommen. Trotzdem muss auf den bereits heute feststellbaren realen Temperaturtrend hingewiesen werden, zumal viele Auswirkungen bereits signifikant zu erkennen sind. Erwartet wird eine Erwärmung der unteren Atmosphäre bei gleichzeitiger Abkühlung der Stratosphäre. Die für Mitteleuropa relevanten Prognosen gehen von einer Temperaturzunahme aus, bei gleichzeitiger Niederschlagszunahme im Winter und gradueller Abnahme im Sommer. Das wiederum soll Auswirkungen auf die Zunahme von Hochwässern und die zyklonale Tätigkeit und Stürme haben.
Nicht unerwähnt bleiben sollen die bisher unternommenen Anstrengungen zur Reduktion dieser Schadstoffe, wie sie im Klimaschutzbericht der Bundesregierung oder im Kyoto-Protokoll 1997 niedergelegt sind (Klimakonferenz).

Lit:
[1] CUBASCH, U., KASANG, D. (2000): Anthropogener Klimawandel. – Gotha & Stuttgart.
[2] GALLER, J. (1999): Lehrbuch Umweltschutz. – Landsberg.
[3] SCHÖNWIESE, C.-D. (1995): Klimaänderungen – Daten, Analysen, Prognosen. – Berlin & Heidelberg.

Klimabeeinflussung durch den Menschen 1: Klimabeeinflussung durch den Menschen 1: Klimarelevante Spurengase in der Atmosphäre.

Klimabeeinflussung durch den Menschen 2: Klimabeeinflussung durch den Menschen 2: Anstieg der Weltbevölkerung (durchgezogene Linie) und der Weltprimärenergienutzung (gestrichelte Linie) seit 1900 (SKE=Steinkohleeinheiten).

Klimabeeinflussung durch den Menschen 3: Klimabeeinflussung durch den Menschen 3: Strahlungsantriebe anthropogener und natürlicher Klimafaktoren seit ca. 1850 (global und untere Atmosphäre) und mithilfe statistischer Klimamodellrechnungen (neuronale Netze) geschätzte zugehörige Klimasignale in der bodennahen Weltmitteltemperatur 1866-1994.