Sind Treibhausgase die einzige Ursache der globalen Erwärmung der letzten Jahrzehnte?

3. Juli 2011

Dieser Beitrag orientiert sich überwiegend an Veröffentlichungen in der klimawissenschaftlichen Fachliteratur der letzten 2 – 3 Jahre, der Zeit nach Veröffentlichung des Vierten IPCC Zwischenberichtes AR4 im Jahre 2007

Dem vierten Zwischenbericht des IPCC aus dem Jahre 2007 zufolge ist der größte Teil der globalen Klimaerwärmung der letzten 50 Jahre auf den vom Menschen verursachten Spurengasanstieg in der Atmosphäre zurückzuführen, überwiegend auf CO2.

In der Sprachführung der Medien und anderer gesellschaftlicher Gruppierungen sowie in der öffentlichen Wahrnehmung wurde daraus sehr schnell: Der Temperaturanstieg der letzten Jahrzehnte ist allein auf die Wirkung von Treibhausgasen zurück zu führen.

Die Frage, wie groß der Anteil des Menschen an der Erwärmung der letzten Jahrzehnte ist, ist nicht nur rein akademisch, sondern durchaus von erheblicher Bedeutung für klimapolitische Schlussfolgerungen.

Wir hatten bereits hier darauf hingewiesen, dass der beobachtete Temperaturanstieg der letzten Jahrzehnte, der sich in einer Größenordnung von ca. 0,15 C pro Jahrzehnt bewegte, nur etwa halb so groß ist, wie der von Modellen für die letzten Jahrzehnte berechnete Anstieg von etwa 0,3 C pro Jahrzehnt (zB. Abb. 4 in Dall’Amico et al, 2010).

Climatetruth argumentiert, dass auch unter der Annahme, der Temperaturanstieg sei vollständig auf Treibhausgase zurückzuführen, die Erwärmung sich wegen des logarithmischen Zusammenhangs zwischen CO2 Konzentration und Temperatur künftig nicht beschleunigen werde, auch wenn die CO2 Konzentration weiter wie in den vergangenen Jahrzehnten mit etwa 0,4 – 0,5 % p. a. ansteigt.
Selbst in 100 Jahren wird dann die Temperatur nur um etwa 1,5 C gegenüber heute ansteigen, nicht aber um 3, 4, oder gar 5 °C, wie zahlreiche alarmistische Studien meinen, die aber die Grundlage für die gegenwärtige Klimapolitik Deutschlands und der EU bilden.

Aber ist der Mensch wirklich vollständig oder auch nur größtenteils für den Temperaturanstieg der vergangenen Jahrzehnte verantwortlich?

Mit dieser Frage haben sich in den vergangenen Jahren zahlreiche Klimaforscher befasst.
Aus den Ergebnissen ihrer Arbeit läßt sich schlussfolgern: Nicht nur der Mensch, sondern auch natürliche Klimafaktoren haben zu der Erwärmung von etwa einem halben Grad C seit 1976 beigetragen. Es ist aber nicht möglich, genau zu quantifizieren, wie groß der Anteil des jeweiligen Faktors und somit der Anteil jener Faktoren insgesamt war.

Welche maßgebliche Faktoren werden in der Wissenschaft diskutiert?

1. El Nino – Southern Oscillation (ENSO) Effekte
2. Solare Faktoren
3. Natürliche Zyklen im Klimasystem
4. Interne kurz- und langfristige nicht-periodische Schwankungen im Klimasystems

Nino El – Southern Oscillation (ENSO) Effekte

ENSO Effekte haben einen klaren Einfluss auf die globale Mitteltemperatur und besonders auf das regionale Temperaturgefüge auf der Erde: El Nino Jahre sind warm, La Nina Jahre sind kühl. Der größte Effekt tritt in den Tropen auf, die bei El Nino besonders warm sind, und bei La Nina besonders kühl.
Da die Tropen bis zum 30. Breitengrad reichen und die Hälfte der Erdoberfläche ausmachen, tragen große Temperaturänderungen dort überproportional zum Temperaturgepräge eines Jahres bei, wie zum Beispiel Anfang 2010, als die mittleren Breiten der Nordhemisphäre einen ungewöhnlich kalten Winter erlebten, diese Kälte aber nur auf die mittleren Breiten beschränkt war und wegen der anomalen Wärme der Tropen die Erde im Mittel deutlich zu warm war.

Das global wärmste Jahr 1998 war ein extremes El Nino Jahr, das zweitwärmste Jahr 2010 war das stärkste El Nino Jahr seit 1998, das drittwärmste Jahr 2005 war ebenfalls ein El Nino Jahr und die global kühlen Jahre 2008 und 2009 waren La Nina Jahre (s. Tabelle hier).

Das „wärmste Jahrzehnt seit Beginn weltweiter Temperaturmessungen“, 2001 – 2010, wurde zudem in den Jahren 2002/03, 2004/05, 2006/07 und 2009/10 durch El Nino Ereignisse beeinflusst, die somit die La Nina Ereignisse in 2007/08 und 2008/09 etwas überwogen.
Das starke La Nina in der zweiten Jahreshälfte 2010 wird sich erst in der Jahresmitteltemperatur 2011 deutlicher abzeichnen, da ENSO Ereignisse sich erst mit einer Verzögerung von etwa 6 Monaten in der globalen Mitteltemperatur bemerkbar machen. Typischerweise prägen ENSO Ereignisse in den ersten Monaten eines Jahres das Temperaturgepräge des gesamten Jahres.

In der Fachliteratur wird der Anteil von ENSO an der Erwärmung der vergangenen Jahrzehnte mit ca. 30 – 70 % angegeben.

Ein hoher Wert von etwa 70 % wird von McLean et al (2009) genannt, der aber von Foster et al (2010) als erheblich zu hoch bezeichnet wird, u. a. deswegen, weil McLean et al (2009) nur kürzerfristige ENSO Schwankungen von 3 - 7 Jahren berücksichtigt haben.

Gerade die Berücksichtigung längerfristiger ENSO Schwankungen hat aber Compo und Sardeshmukh (2010) zufolge dazu geführt, dass 0,02 °C des beobachteten Anstiegs der Meeresoberflächentemperaturen von 0,05 °C pro Jahrzehnt zwischen 1871 und 2006, also 40 %, auf den Einfluss von El Nino zurück geführt werden können.

Bereits 2000 hatte Angell (2000) in seiner Analyse troposphärischer Temperaturen, d.h. von Temperaturen in der gesamten Atmosphärenschicht zwischen 1,5 km und etwa 9 km Höhe, die Auffassung vertreten, ca. ein Drittel der beobachteten Erwärmung sei durch ENSO Effekte erklärbar.

Eingedenk der verschiedenen Werte, die in der Literatur genannt werden, scheint ein ENSO Beitrag von ca. 30 - 40 % am beobachteten Erwärmungstrend sowohl der letzten 100 Jahre als auch der vergangenen 3 – 4 Jahrzehnte, insbesondere zwischen 1976 und 1998, nicht unrealistisch zu sein.

Solare Faktoren

Die Fachliteratur quillt praktisch über von einer Vielzahl von Arbeiten, in denen die Autoren versuchen, den Einfluss solarer Faktoren auf den Erwärmungstrend der letzten Jahrzehnte und der letzten 100 – 150 Jahre zu ermitteln.

Einig sind sich praktisch alle Forscher darin, dass die Sonne einen Beitrag zur Erwärmung geleistet hat, uneinig darin, wie groß dieser Beitrag war und ist (z.B. Scafetta und West, 2006a; Scafetta und West, 2006b; Zhou und Tung, 2010; Luebken et al, 2010; Gray et al, 2010).
Häufig wird darauf hingewiesen, dass die Sonnenaktivität in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts so hoch war wie nie zuvor in den vergangen Hunderten von Jahren.

Generell überwiegt die Meinung, der Beitrag der Sonne an der Erwärmung der letzten 3 – 4 Jahrzehnten sei eher gering gewesen, signifikanter aber in den letzten 100 – 150 Jahren (z. B. Scafetta und West, 2006a).
Aber auch hier gibt es eine beachtliche Bandbreite in den Abschätzungen. Scafetta und West (2006b) zufolge könnten solare Effekte ca. 50 % der Erwärmung seit 1900 erklären, dies aber nur unter der Annahme, dass nicht die solare Strahlung (Total Solar Irradiation TSI)direkt auf das Klima einwirke (deren Schwankungen ausgedrückt in W m-2 sind im Vergleich zu Treibhausgasen zu gering), sondern über einen Wirkungsmechanismus, der mit der TSI hoch korreliert.

Vor allem wird zwischen kurzfristigen solaren Schwankungen, wie z. B. im Rahmen des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus’ unterschieden, die allerdings auch schon zu nachweisbaren Temperatur- und Zirkulationsschwankungen in der Stratosphäre aber auch in der Troposphäre führen (z. B. Gray et al, 2010 und dort zitierte Literatur).
Diese Temperaturschwankungen sind allerdings eher gering und sollen weniger als 0,1 C im globalen Mittel betragen.
Kurzfristige Schwankungen im Rahmen des 11 – jährigen Sonnenzyklus haben möglicherweise auch einen Einfluss auf die atmosphärische Zirkulation. Woolings et al (2010) und Gray et al (2010) berichten, dass die AO und NAO Phase im solaren Maximum deutlich positiver ist (stärkere Westwindströmung) als im solaren Minimum. Der Zusammenhang tritt deutlicher hervor, wenn man den solaren Radiofluss bei 10,7 cm betrachtet (Woolings et al, 2010).

Hiervon unterschieden werden müssen längerfristige solare Schwankungen, die bei statistischen Analysen doch recht signifikant mit der globalen Mitteltemperatur korrelieren (s. z. B. Malberg ), was aber die Frage nach den Wirkungsmechanismen aufwirft, denn die Größenordnung dieser solaren Schwankungen, insbesondere der TSI (total solar irradiance), beträgt deutlich weniger als 1 Wm-2, erheblich weniger als die Wirkung von Treibhausgasen, die im Augenblick bereits ca. + 3 W-m aufweist.

Solare Einflussfaktoren werden als Ursache der MWP und der LIA sowie der Erwärmung in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts eingehender in Erwägung gezogen (z. B. Gray et al, (2010 und dort zitierte Literatur; Scafetta und West, 2006a und dort zitiertes Schrifttum). Die Erwärmung in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts hatte etwa die gleiche Größenordnung wie die Erwärmung seit 1976, muss aber auf natürliche Ursachen zurückgeführt werden.

Diskutiert werden in der Wissenschaft u. a. Wirkungsmechanismen über die Ultraviolette Strahlung, die erheblich stärker variiert als der sichtbare Teil des Sonnenlichtes, und die über die Ozonbildung in der Stratosphäre Einfluss auch auf die Troposphäre nehmen könnte (s. z. B. Gray et al, 2010 und darin zitierte Literatur).

In den letzten Jahren nahm die Debatte über einen möglichen Wirkungsweg über die kosmische Strahlung größeren Raum ein (z. B. Usoskin und Kovaltsov, 2008; Luebken et al, 2010). Die Debatte hierüber, die teilweise recht kontrovers geführt wird (s. hierzu auch Gray et al, 2010), kann noch nicht als beendet angesehen werden und wird wohl noch eine Weile weiter geführt werden.

Solare Faktoren haben wahrscheinlich einen Beitrag von ca. 0,1 – 0,3 C zur Erwärmung von ca. 0,7 °C in den letzten 100 Jahren geleistet (z. B. auch Gray et al, 2010; Zhou und Tung, 2010), dies überwiegend in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, aber nur einen geringeren oder gar keinen Beitrag zur Erwärmung seit 1976.

Besonders das ausgeprägte und lang andauernde solare Minimum in der zweiten Hälfte der 2000er Jahre dürfte kaum einen Beitrag zur Erwärmung geleistet haben, sondern eher mit dafür verantwortlich sein, dass die globalen Mitteltemperaturen seit Ende der 1990er Jahre nicht mehr angestiegen, sondern – je nach betrachtetem Zeitintervall seither – sogar geringfügig gesunken sind.
Allerdings dürften hierzu auch die beiden La Nina Jahre 2008 und 2009 einen nicht unerheblichen Beitrag geleistet zu haben.

Natürliche Zyklen im Klimasystem

Relativ breiten Raum in der Diskussion über natürliche Einflussfaktoren auf das Klimasystem nehmen natürliche Zyklen ein.

Die wichtigsten Zyklen sind hierbei die sog. PDO (Pacific Decadal Oscillation) und die AMO (Atlantic Multidecadal Oscillation). Diese Zyklen hängen sehr wahrscheinlich mit langperiodischen Schwankungen in ozeanischen Strömungen zusammen, die bis in die Tiefsee reichen (s. z. B Polyakov et al, 2010).
Die AMO beschreibt im Wesentlichen die Meeresoberflächentemperatur des Atlantischen Ozeans nördlich des Äquators.

Sowohl die PDO als auch die AMO sind in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts von einer negativen in eine positive Phase über gegangen, die im Falle der PDO um das Jahr 1940 herum ihren Höhepunkt erreichte und Ende der 1940er Jahre wieder negativ wurde (s. Abb. hier).
Die AMO wurde Mitte der 1920er Jahre positiv und bewegte sich Mitte der 1960er Jahre in negatives Territorium zurück (s. Abb. hier ).

Sicher scheint, dass die Erwärmung in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts eng mit dem Wechsel sowohl der PDO als auch der AMO in eine positive Phase zusammenhängt und möglicherweise zu einem großen Teil hierdurch erklärt werden kann.

Nun ist die PDO seit 1977 wieder in eine positive Phase übergegangen, was in der Literatur häufig als „The Pacific climate shift“ bezeichnet wird (s. z. B. Wang et al, 2009), während die AMO noch bis in die 1990er Jahre auf negativem Territorium verharrte, aber seit Mitte der 1990er Jahre ebenfalls wieder positiv wurde.
Anfang der 2000er Jahre waren sowohl PDO als auch AMO positiv, seit Mitte des Jahrzehnts tendiert die PDO wieder ins Negative, während die AMO weiterhin positiv ist.

Sollten sich sowohl PDO als auch AMO in etwa wie in der Vergangenheit verhalten, so wäre damit zu rechnen, dass die PDO in den nächsten 2 – 3 Jahrzehnten negativ bleibt, und demzufolge einen kühlenden Einfluss auf das Klima ausübt, während die AMO noch 15 – 25 Jahre positiv bleibt und einen wärmenden Einfluss ausübt. Welcher Einfluss dabei überwiegt, lässt sich schlecht einschätzen; zwischen den 1940er und den 1970er Jahren scheint der kühlende Einfluss der negativen PDO Phase überwogen zu haben, da sich das Klima zwischen den 1940er und den 1970er Jahren abgekühlt hat.

Allerdings drehte die AMO Mitte der 1960er Jahre ebenfalls ins Negative, so dass im Zeitraum 1965 – 1976 sowohl AMO als auch PDO negativ waren.
Mitte der 1970er Jahre fiel ein solares Minimum dann noch mit einer mehrjährigen starken La Nina Phase zusammen (s. Tabelle hier).

Wenig überraschend war dies dann auch der kühlste Zeitraum der vergangenen 60 Jahre.

Insbesondere der Temperaturtrend in der Arktis scheint eng mit der AMO verknüpft zu sein, denn sowohl die starke Erwärmung der Arktis zwischen 1920 und 1940, als auch diejenige seit 1995 fällt mit einer positiven AMO Phase zusammen. Die Erwärmung der Arktis zwischen 1920 und 1940 war dabei im Trendvergleich zu den mittleren Breiten stärker als die jüngste Erwärmung der Arktis (s. Chylek et al, 2009).

Kurz- und langfristige nicht-periodische interne Schwankungen des Klimasystems

Das Klima unterliegt grundsätzlich nicht nur Schwankungen und Änderungen, die von Veränderungen äußerer Einflussparameter ausgelöst wurden, sondern es schwankt sozusagen auch ohne „äußere Veranlassung“. Dies wird häufig als Klimarauschen bezeichnet; besonders das kurzperiodische Rauschen sorgt für die Schwankungen von Jahr zu Jahr, wobei sich diese Schwankungen im Laufe der Zeit ausgleichen und keinen Beitrag zu einem längerfristigen Trend leisten.
Offenbar gibt es aber auch – neben den langfristigen periodischen Schwankungen wie der PDO und AMO – langfristige nicht-periodische Schwankungen.

Eine dieser Schwankungen wird in Compo und Sardeshmukh (2010) beschrieben.
Compo und Sardeshmukh (2010) haben die globalen Meerestemperaturen der letzten 135 Jahre mit ausgefeilten statistischen Verfahren analysiert (sog. EOF Analysen) und haben neben einem langfristigen Trend, der durch Treibhausgase verursacht sein könnte, den Anteil, der durch ENSO verursacht wurde und längerfristige, periodische Schwankungen beschrieben, die in den vergangenen Jahrzehnten ebenfalls in Richtung Erwärmung gewirkt haben könnten (s. Abb. 10 in Compo und Sardeshmukh (2010)).
Zusätzlich haben sie jedoch eine langfristige Schwankung identifiziert, die keinen Trend aufweist und unabhängig von Treibhausgasen und von ENSO bzw. der PDO und der AMO zu sehen ist, und die besonders in den Tropen seit den 1970er Jahren einen Beitrag zur dortigen Erwärmung geleistet hat, und in Gegenphase zu den mittleren Breiten läuft (ihre Abb.10d): Also warme Tropen, kühle mittlere Breiten und umgekehrt.
Die Tropen waren zwischen den 1950er und den 1970er Jahren deutlich kühler als im langfristigen Mittel, und seither deutlich wärmer; ein Teil der Erwärmung könnte durch diese Schwankung verursacht worden sein.

Fazit

Wichtig ist im Ergebnis, dass seit Mitte der 1970er Jahre, neben den bereits dargelegten ENSO Effekten, zumindest zwei weitere in der Wissenschaft wohlbekannte natürliche langperiodische Zyklen auf Erwärmungskurs umgeschaltet haben.
Deswegen überrascht es wenig, wenn in der Wissenschaft die Auffassung überwiegt, der Erwärmungstrend der vergangenen Jahrzehnte sei das Zusammenwirken eines langfristigen Trends, der durch Treibhausgase verursacht worden sein kann, mit langfristigen Zyklen, die seit 1976 ebenfalls nach oben weisen (z. B. Polyakov et al., 2010).

Die genaue Quantifizierung des jeweiligen Beitrages ist dabei eher ungewiss: Man kann aber mit Sicherheit ausschließen, der Temperaturanstieg der letzten Jahrzehnte sei nur durch Treibhausgase zustande gekommen. Man muss heute im Lichte der jetzt vorliegenden Ergebnisse sogar die Frage stellen, ob der größte Teil des Temperaturanstieges seit 1976 durch Treibhausgase verursacht wurde, obwohl ein signifikanter Teil dieses Anstieges nach heutigem Verständnis durch Treibhausgase erklärbar sein sollte.

Sollte der Beitrag natürlicher Faktoren an der Erwärmung der vergangegen Jahrzehnte größer sein als gedacht, hätte dies unmittelbar Auswirkungen auf die Bedeutung von Treibhausgasen an der beobachteten - und auch an der künftig zu erwartenden - Erwärmung, denn dann liesse sich die Hypothese von einer bevorstehenden, katastrophalen Erwärmung noch weniger aufrecht erhalten, als ohnehin schon nicht.