Eine wärmere Welt: Dichtung oder Wahrheit?

Der Planet Erde aus Sicht der Apollo 17 Astronauten
17 Dezember 2001

ESA Info 14-2001. Rekordhitze, Polareisschmelze, kurze Winter mit weniger Schnee, Meeresspiegelanstieg und vermehrte Flutkatastrophen, mehr Wirbelstürme, Artensterben, Seuchenausbreitung und eine Verlangsamung der Meeresströmungen. Nur einige Beispiele dafür, was alles mit dem veränderten Weltklima in Zusammenhang gebracht wird, insbesondere mit dem Einfluss des Menschen, der die sogenannten Treibhausgase in die Atmosphäre pumpt.

Kein Zweifel, mehr als sechs Millionen Menschen heute und neun Millionen in 50 Jahren können unseren Planeten weitaus mehr verändern als jeder unserer Vorfahren in den zurückliegenden 3000 Jahren jemals konnte. Dennoch bleibt die Gretchenfrage: Kann der Einfluss des Menschen auf die Natur wirklich langfristige Veränderungen im Weltklima schaffen? Wie glaubwürdig sind all die apokalyptischen Warnungen?

Das Glashaus Erde

Unsere Erde ist eine Oase im Weltraum. Der blaue Planet, den Astronauten so bestaunen, ist etwa 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt, und das Wasser, das sie bedeckt, müsste eigentlich gefroren sein. Die Erde, eine Kugel mit einer dicken Schicht aus Eis? Gäbe es keine Luftschicht um unserem Planeten, wäre die Oberflächentemperatur um 33°C geringer, also minus 18° anstatt der üblichen plus 15° Durchschnittstemperatur. Einzig die Atmosphäre bewahrt uns davor, und gerade die sogenannten Spurengase (Treibhausgase) bescheren uns milde, weitgehend gleichmäßige Temperaturen, die Leben überhaupt erst möglich machen.

Die Erdtemperatur ist gegenwärtig so hoch wie seit Jahrhunderten nicht mehr.

Diese Treibhausgase sind vorwiegend Wasserdampf und Kohlendioxid und spielen die Rolle eines Thermostats. Sie sind durchsichtig und lassen die ankommende Sonnenstrahlung durch, während sie einen Teil der Wärmestrahlung zurückhalten, die von der Erdoberfläche zurück gespiegelt wird. Deshalb wird es in der unteren Atmosphäre wärmer. Andere Spurengase, wie Methan, Stickoxide, Ozon und Fluorchlorkohlen- wasserstoffe (FCKWs), leisten ebenfalls ihren Teil zu diesem Erwärmungsprozess. Sie kommen auch in der Natur vor, aber ein Großteil wird künstlich erzeugt. Die Befürchtung der Wissenschaftler ist, dass die in der Industrie und Landwirtschaft freiwerdenden Spurengase diesen Treibhauseffekt verstärken könnten.

Die Erdtemperatur ist gegenwärtig so hoch wie seit Jahrhunderten nicht mehr. Wissenschaftler führen das auf den ständigen Zuwachs an Kohlenstoffdioxiden und anderen Treibhausgasen in der Atmosphäre zurück.

Auf dieser Aufnahme sind beispielsweise Stickstoffdioxid-Konzentrationen (NO2) verstärkt in den Industriezentren zu erkennen.

Kein Zweifel, der Anteil der Treibhausgase in der Atmosphäre ist in den zurückliegenden Jahren sprunghaft angestiegen. Der CO2-Gehalt in der Luft ist heute um ein Drittel höher als 1750, vor allem in Folge massiver Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Abholzung zu Gunsten der Landwirtschaft. Untersuchungen von Luftbläschen im Antarktischen Eis zeigen, dass der heutige CO2-Gehalt sicher seit 420.000 Jahren und wahrscheinlich seit 20 Millionen Jahren unübertroffen hoch ist.

Mit den anderen Treibhausgasen ist es ähnlich. Der Methanspiegel hat sich seit 1750 verdreifacht, die Stickoxide stiegen um 17% und der Ozongehalt in den unteren Luftschichten, der sogenannten Troposphäre, hat um mehr als ein Drittel zugenommen. Die Lage ist sogar noch komplexer, weil neue, künstlich erzeugte Stickstoff- und Kohlewasserstoffverbindungen in Erdnähe zusätzliches Ozongas erzeugen.

Eine wärmere Welt

Alle Wissenschaftler stimmen darin überein, dass die Durchschnittstemperaturen weltweit etwa ein halbes Grad höher sind als noch vor Hundert Jahren; dass der CO2-Gehalt in der Atmosphäre seit zwei Jahrhunderten ansteigt, und dass das Treibhausgas Kohlendioxid am stärksten für die Erderwärmung verantwortlich ist. Ebenfalls allgemein anerkannt ist die These, dass die 1990er das wärmste Jahrzehnt und das Jahr 1999 das wärmste Jahr waren, seit man 1861 mit Temperaturmessungen begonnen hat.

Allerdings ist sich die Wissenschaft uneins darüber, ob die Erwärmung vorwiegend dem CO2 Ausstoß anzulasten ist, ob es gar schlimmer werde, und ob es überhaupt ein Problem darstellte, wenn es denn weiter zunehmen würde.

"Grund für diese Unsicherheit ist, dass sich das Klima laufend verändert," sagt Richard Lidzen, Professor für Wetterkunde am Massachusetts Institute of Technology in Boston. "Vor zweihundert Jahren ging auf der Nordhalbkugel gerade eine kleine Eiszeit zu Ende, während dieselbe Region im Mittelalter unter einer Hitzeperiode litt. Noch vor 30 Jahren sprachen wir über weltweite Abkühlung."

Unabhängig von allen Temperaturschwankungen beobachten Wissenschaftler seit langem die vertrackten Zusammenhänge zwischen Wasser, Land, Luft und Biosphäre. Aber erst jetzt, mit Hilfe von Supercomputern und den Datenströmen von Erdbeobachtungssatelliten, werden solche Modelle genügend zuverlässig, um vernünftige Vorhersagen zu treffen.

Auch die besten Computer können die Zukunft nicht mit Sicherheit vorhersagen, teils wegen der vielen Unbekannten in den natürlichen Abläufen auf der Erde, teils weil die Datenbasis im günstigsten Fall gerade einige Jahrzehnte zurück reicht.

Diese Unsicherheit spiegelt auch der jüngste Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses zum Klimawandel wider. Die Vorhersagen für die durchschnittliche Erderwärmung am Ende dieses Jahrhunderts schwanken zwischen 1,4 bis 5,8°C.

Das ausgewogene Klima

Um eine angenehme Temperatur auf Erden zu erhalten, muss der Planet stets etwas Hitzeenergie an den Weltraum abgeben. Das geschieht auf zweierlei Weise: die Land- und Luftmassen erzeugen und strahlen thermische Energie zurück ins All; und die Sonneneinstrahlung wird durch Ozeane, Staubpartikel, sogenannten Aerosole, und Wolken direkt zurückgestrahlt.

Das Verhältnis von eintreffender Sonnenstrahlung und zurückgeworfener Hitzeenergie nennen Wissenschaftler "Strahlungsbilanz". Sie bestimmt die durchschnittlichen Temperaturen auf der Erde und reagiert auf natürliche und von Menschen verursachte Einflüsse. Ein weites Forschungsfeld für zukünftige Szenarien.

Satellitendaten tragen immer mehr zum Verständnis der Umwelt bei.

Wenn Wissenschaftler das Klima verstehen wollen, müssen sie zunächst herausfinden, warum sich diese Strahlungsbilanz verändert. Antworten darauf werden mehr und mehr von Satelliten geliefert.

Ein Umweltlabor in der Erdumlaufbahn kann viele Anzeichen des Klimawandels lückenlos und pausenlos erfassen. Das war vor wenigen Jahrzehnten noch undenkbar. Diese Daten aus dem Weltraum fließen in die wissenschaftlichen Modelle und Annahmen ein und bestärken oder korrigieren sie. Dadurch wird man möglicherweise eine völlig neue Sicht der Energiebilanz erhalten – und zwar durch alle Schichten der Atmosphäre hindurch.

Die Veränderungen beobachten

Alle Beweise deuten darauf hin, dass der Mensch das Weltklima beeinflusst. Doch dieselben Daten und Klimamodelle spiegeln auch die großen Ungereimtheiten wider, was die Gründe für diese Veränderungen sind, und wie sie sich auf die künftige Bewohnbarkeit auf unserem Planeten auswirken. Neue Erdbeobachtungssatelliten sollen viele dieser Unklarheiten beseitigen. Der stärkste und vielseitigste unter ihnen ist der Umweltsatellit ENVISAT der Europäischen Raumfahrtagentur ESA, der größte wissenschaftliche Satellit, der je in Europa gebaut wurde. Der Start ist für Ende Februar 2002 angesetzt. ENVISAT wird unsere sich ständig verändernde Welt mit zehn Instrumente abtasten. Die meisten Messungen fließen direkt in die Forschung über Atmosphärenchemie und weltweiten Klimawandel ein.

Computeranimation von ENVISAT im All

Eine Hauptaufgabe von ENVISAT’s Instrumenten wird es sein, die Konzentration von Wasserdampf, Spurengasen und feinstem Staub in den verschiedenen Höhenstufen der uns umgebenden Luft zu messen. Solche Angaben gibt es heute praktisch nicht.

Solche Angaben wären wichtig, weil im vergangenen Jahrhundert riesige Mengen von Umweltgiften in die Atmosphäre gepumpt wurden, insbesondere Verbindungen mit Kohlenstoff, Chlor, Ozon, Stickstoff und Schwefel. Manche von ihnen wirken nicht wie ein Treibhausgas, aber sie verändern die Zusammensetzung der oberen Luftschichten – manchmal in völlig unvorhergesehener Art und Weise.

Auch die Rolle von Wolken und Staubpartikeln im globalen Klimasystem verdient Beachtung. Sie schlucken und streuen das eintreffende Sonnenlicht und haben einen Einfluss auf die Energiebilanz.

Staub- und Rußteilchen wirken als Wolkenbilder und sind doppelt dafür verantwortlich, dass die Energie in den Weltraum zurückstrahlt. Bislang war dies jedoch reine Theorie, da Aerosole in sehr unterschiedlicher Form und chemischer Zusammensetzung vorkommen. Die Sensoren an Bord von ENVISAT werden unser Wissen über die Quellen, Bewegung und den Werdegang der Aerosole wesentlich verbessern.

Diese Aufnahmen stammen vom ERS-2-Satelliten und decken das Ausmaß und die Temperaturveränderungen (farbig) auf.

El Niño ist ein Phänomen, das im pazifischen Ozean große Veränderungen von Temperatur und Meeresspiegel verursacht. Dabei strömen riesige Warmwassermengen von West nach Ost und verursachen dadurch vor der Küste Südamerikas Regenfälle, die 10-40 mal über dem Durchschnitt liegen. ENVISAT ist mit Instrumenten ausgestattet, die sich hervorragend zur Identifikation und Kartierung der von El Niño verursachten, bis zu 50 cm dicken, Schicht eignen.

ENVISAT wird die Veränderungen bis ganz unten auf der Erdoberfläche bestimmen. Man wird etwa die Meeresoberflächentemperatur messen, um herauszufinden, wie die Energieverteilung in den Meeren abläuft. Immerhin sammeln die Ozeane die Hälfte des gesamten eintreffenden Sonnenlichts und verteilen sie von den Tropen bis an die Pole. Und auch Unterwasserwellen und Strömungen wird ENVISAT vermessen, etwa auch den berühmten Wellenrücken El Niño, der die Pazifikküste alle paar Jahre heimsucht.

ENVISAT wird auch die Farbe des Ozeans messen – das ist die Konzentration von Chlorophyll in den obersten Wasserschichten. Damit schließt man auf mikroskopische Lebewesen, wie Phytoplankton. Wenn man diese biologischen Abläufe genau beobachtet, wird man herausrechnen können, wieviel Kohlenstoff diese Lebewesen aufnehmen können.

Die Meere werden von winzigen Einzellern, sogenanntem Phytoplankton, belebt. Die mikroskopisch kleinen Lebewesen machen den Großteil der Biomasse in den Ozeanen aus und beeinflussen somit mehr als jedes andere Lebewesen, eingenommen alle Waldbestände, das Klima unseres Planeten. Um ein einzelnes Phytoplankton zu sehen, braucht man ein Mikroskop. Vom All aus ist es möglich, Spuren von Millionen dieser Einzeller zu erkennen. Ihre Blüte kann sowohl Indikator für Luftverschmutzung (zusätzliche Nährstoffe, soweit für Plankton relevant) als auch für die Veränderung lokaler Ozeanklimate sein. Da das Auftreten von Phytoplankton eine Veränderung der Umwelt impliziert, muss das Phänomen ständig überwacht werden.

"Die Aufnahme von Kohledioxid durch die Meere ist eine der größten und schwierigsten Fragen," so Professor David Llewellyn-Jones, Chef der Erdbeobachtung an der Universität Leicester in Großbritannien. "Die Weltmeere spalten das CO2 und führen es dem Biosystem der Meere zu, wo es in den Kohlenstoffkreislauf übergeht. Wenn man mit Hilfe des Satelliten die Meeresfarbe beobachtet, kann man auf die Menge der Biomasse auf der gesamten Erde schließen. Das Meris-Instrument an Bord von ENVISAT gibt uns die Daten über die Bio-Prozesse im Meer und die Aufnahmefähigkeit von CO2."

Ebenso wird die Beobachtung der Vegetation an Land bessere Schätzungen liefern, wieviel an Kohlenstoff die Pflanzen aufnehmen oder abgeben. Beide Messungen sind wichtig, weil man bis heute nicht weiß, wieviel Kohlenstoff überhaupt im Umlauf ist.

Das wetterunabhängige Vermessen von Eis- und Landmassen wird einen zusätzlichen Beitrag zu den globalen Klimatrends liefern. Wenn man sicher weiß, ob die Eiskappen an den Polen oder die Gletscher schneller oder langsamer abschmelzen, kann man besser auf das zukünftige Klima schließen. Neben gesicherten Hinweisen darauf, ob die Meeresspiegel ansteigen und die Küsten überflutet werden, sagen diese Studien auch viel über das globale Albedo – die Menge der ins All zurückgestrahlten Sonnenenergie - aus.

"Radarbilder der Eiskappen lassen uns ihre Dicke schätzen", erklärt Dr. Seymour Laxon vom University College in London. "Wenn wir in der Antarktis und in Grönland die Veränderungen der Eisschicht messen, sehen wir, ob sie gerade ab- oder zunehmen, und wie sich die Meeresspiegel verhalten werden."

Alle Wissenschaftler sind sich darüber einig, dass man entsprechende Computermodelle entwickeln muss, um die Klimaveränderungen der Zukunft besser vorauszusagen.

"Die einzige Möglichkeit, unsere Klimamodelle zu überprüfen, sind zuverlässige Beobachtungen," fügt Llewellyn-Jones hinzu. "Die Beobachtungen zeigen uns den aktuellen Stand, daraus entwickeln wir ein neues Modell und versuchen, die Zukunft vorherzusagen."

"Im Endeffekt prüfen wir die Vorhersagen immer wieder mit neuen Beobachtungen. Das ist der Sinn aller Klimaforschung – genaue Vorhersagen über etwas zu machen, was in der Zukunft sein wird. Ohne die Daten aus dem All, etwa von ENVISAT, und ohne immer höher entwickelte Computermodelle könnte das überhaupt nicht gelingen."

Notiz an die Redakteure: Alle Bilder in Zusammenhang mit dem Thema sind unter http://www.esa.int zu finden. Dieser Bericht ist Teil einer Serie von Artikeln über das ENVISAT-Programm und dessen Anwendungen.

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