Frage 2.1: Wie tragen menschliche Aktivitäten zum Klimawandel bei und wie sieht der Vergleich mit natürlichen Einflüssen aus?

Menschliche Aktivitäten tragen zum Klimawandel bei, indem sie in der Erdatmosphäre die Menge an Treibhausgasen, Aerosolen (kleine Partikel) und der Bewölkung verändern. Der größte bekannte Beitrag stammt aus der Verbrennung fossiler Energieträger, die Kohlendioxidgas in die Atmosphäre freisetzt. Treibhausgase und Aerosole beeinflussen das Klima dadurch, dass sie die einfallende Sonnenstrahlung und die abgestrahlte Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) verändern, die Teil der Energiebilanz der Erde sind. Änderungen der Menge oder der Eigenschaften dieser Gase und Partikel in der Atmosphäre können zur Erwärmung oder Abkühlung des Klimasystems führen. Seit Beginn des Industriezeitalters (um 1750) führten menschliche Aktivitäten insgesamt zu einer Erwärmung des Klimas. Der menschliche Einfluss auf das Klima während dieses Zeitraums übersteigt bei Weitem denjenigen durch bekannte Änderungen natürlicher Prozesse wie zum Beispiel Änderungen der Sonne und Vulkanausbrüche.

Treibhausgase

Menschliche Aktivitäten führen zur Emission von vier Haupttreibhausgasen: Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Lachgas (N2O) und Halogenkohlenwasserstoffe (eine Gruppe von Gasen, die Fluor, Chlor und Brom enthalten). Diese Gase reichern sich in der Atmosphäre an, sodass ihre Konzentrationen im Laufe der Zeit ansteigen. Im Industriezeitalter gab es signifikante Anstiege bei all diesen Gasen (siehe Abbildung 1). Alle diese Anstiege können auf menschliche Aktivitäten zurückgeführt werden.

  • Kohlendioxid hat durch die Nutzung fossiler Energieträger zugenommen, die im Verkehr, zum Heizen und Kühlen von Gebäuden und bei der Herstellung von Zement und anderen Gütern eingesetzt werden. Abholzung setzt CO2 frei und vermindert seine Aufnahme durch Pflanzen. Kohlendioxid wird auch durch natürliche Prozesse freigesetzt wie zum Beispiel beim Abbau von Pflanzenmaterial.
  • Methan hat aufgrund menschlicher Aktivitäten in der Landwirtschaft, bei der Verteilung von Erdgas und auf Deponien zugenommen. Methan wird ebenfalls durch natürliche Prozesse freigesetzt, die zum Beispiel in Feuchtgebieten auftreten. Die Methankonzentrationen steigen zurzeit in der Atmosphäre nicht an, weil die Wachstumsraten in den letzten zwei Jahrzehnten abgenommen haben.
  • Lachgas wird ebenfalls durch menschliche Aktivitäten wie Düngereinsatz und das Verbrennen fossiler Energieträger freigesetzt. Natürliche Prozesse in Böden und Ozeanen setzen ebenfalls Lachgas frei.
  • Halogenkohlenwasserstoffgase sind in ihrer Konzentration hauptsächlich durch menschliche Aktivitäten angestiegen. Durch natürliche Prozesse werden ebenfalls geringe Mengen freigesetzt. Die wichtigsten Halogenkohlenwasserstoffe umfassen die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW-11 und FCKW-12), die im großen Umfang als Kühlmittel für Kühlschränke und in anderen industriellen Prozessen eingesetzt wurden, bevor man herausfand, dass sie in der Atmosphäre zum Abbau des stratosphärischen Ozons führen. Infolge internationaler Vorschriften zum Schutz der Ozonschicht verringert sich die Menge an Fluorchlorkohlenwasserstoffen zurzeit.
  • Ozon ist ein Treibhausgas, das in der Atmosphäre durch chemische Reaktionen ständig produziert und zerstört wird. In der Troposphäre führten menschliche Aktivitäten durch die Emission von Gasen wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden zu einem Anstieg des Ozons, da diese Gase durch chemische Reaktionen Ozon produzieren. Wie oben beschrieben, zerstören die durch menschliche Aktivitäten freigesetzten Halogenkohlenwasserstoffe das Ozon in der Stratosphäre und verursachten das Ozonloch über der Antarktis.
  • Wasserdampf ist das häufigste und wichtigste Treibhausgas in der Atmosphäre. Menschliche Aktivitäten haben allerdings nur einen geringen direkten Einfluss auf die Menge des atmosphärischen Wasserdampfes. Indirekt kann der Mensch die Menge an Wasserdampf durch eine Änderung des Klimas beträchtlich beeinflussen. So enthält zum Beispiel eine wärmere Atmosphäre mehr Wasserdampf. Menschliche Aktivitäten beeinflussen den Wasserdampf auch durch die Freisetzung von Methan, weil Methan in der Stratosphäre chemisch abgebaut wird und dabei geringe Mengen Wasserdampf entstehen.
  • Aerosole sind kleine Partikel, die in der Atmosphäre in sehr unterschiedlicher Korngröße, Konzentration und chemischer Zusammensetzung vorkommen. Einige Aerosole werden direkt in die Atmosphäre freigesetzt, wohingegen andere aus emittierten Verbindungen entstehen. Aerosole enthalten sowohl natürlich vorkommende Verbindungen als auch solche, die durch menschliche Aktivitäten freigesetzt wurden. Die Verbrennung fossiler Energieträger und von Biomasse führten zu einem Anstieg von Aerosolen, die Schwefelverbindungen, organische Verbindungen und schwarzen Kohlenstoff (Ruß) enthalten. Menschliche Aktivitäten wie Tagebau und Industrieprozesse führten zum Anstieg von Staub in der Atmosphäre. Zu den natürlichen Aerosolen zählen mineralischer Staub von der Erdoberfläche, Meersalzaerosole, biogene Emissionen von Land und Ozeanen sowie Sulfat- und Staubaerosole aus Vulkaneruptionen.

Frage 2.1, Abbildung 1. Atmosphärische Konzentrationen wichtiger langlebiger Treibhausgase über die letzten 2.000 Jahre. Anstiege seit etwa 1750 sind auf menschliche Aktivitäten im Industriezeitalter zurückzuführen. Konzentrationseinheiten sind Teile pro Million (ppm) oder Teile pro Milliarde (ppb), und bezeichnen die Molekülanzahl des Treibhausgases pro je einer Million bzw. einer Milliarde Luftmoleküle in einer atmosphärischen Probe. (Daten kombiniert und vereinfacht aus den Kapiteln 61 und 2 dieses Berichts.)2

Strahlungsantrieb durch Faktoren, die durch menschliche Aktivitäten beeinflusst werden

Abbildung 2 zeigt die Beiträge zum Strahlungsantrieb einiger der durch menschliche Aktivitäten beeinflussten Faktoren. Die Werte geben den gesamten Antrieb relativ zum Beginn des Industriezeitalters (etwa 1750) wieder. Die Antriebe für alle Treibhausgas-Anstiege, die von den auf menschliche Aktivitäten zurückzuführenden Antrieben am besten verstandenen sind, sind positiv, weil jedes Gas in die Atmosphäre abgestrahlte Infrarotstrahlung absorbiert. Von allen Treibhausgasen hat der CO2-Anstieg den größten Antrieb in diesem Zeitraum bewirkt. Der Ozonanstieg in der Troposphäre hat ebenfalls zur Erwärmung beigetragen, wohingegen die Ozonabnahme in der Stratosphäre zur Kühlung beigetragen hat. Aerosolpartikel beeinflussen den Strahlungsantrieb direkt durch die Reflexion und Absorption der Sonnen- und Infrarotstrahlung in der Atmosphäre. Einige Aerosole bewirken einen positiven, andere dagegen einen negativen Antrieb. Der direkte Strahlungsantrieb, summiert über alle Aerosoltypen, ist negativ. Aerosole bewirken auch einen indirekten negativen Strahlungsantrieb, indem sie die Wolkeneigenschaften verändern. Menschliche Aktivitäten haben seit dem Industriezeitalter weltweit die Art der Bodenbedeckung verändert, vor allem durch Veränderungen von Ackerflächen, Weideflächen und Wäldern. Sie haben auch die Reflexionseigenschaften von Eis und Schnee verändert. Insgesamt ist es wahrscheinlich, dass heute aufgrund menschlicher Aktivitäten mehr Sonnenstrahlung von der Erdoberfläche reflektiert wird. Diese Änderung resultiert in einem negativen Strahlungsantrieb.
Flugzeuge produzieren in Gebieten mit entsprechend niedrigen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit langlebige geradlinige Kondensationsspuren (Kondensstreifen). Kondensstreifen sind eine Art von Zirruswolken, welche die Sonneneinstrahlung reflektieren und Infrarotstrahlung absorbieren. Kondensstreifen aus dem weltweiten Luftverkehr haben zu einer stärkeren Wolkenbedeckung geführt, und ihr Strahlungsantrieb wird als gering positiv eingeschätzt.

Strahlungsantrieb durch natürliche Veränderungen

Natürliche Strahlungsantriebe entstehen durch Änderungen der Sonne und explosive Vulkanausbrüche. Die Sonnenstrahlung ist im Industriezeitalter allmählich angestiegen und bewirkt so einen kleinen positiven Strahlungsantrieb (siehe Abbildung 2). Dies kommt zu den zyklischen Änderungen der Sonneneinstrahlung hinzu, die einem 11-Jahres-Zyklus folgen. Die Sonnenenergie heizt das Klimasystem direkt auf und kann auch Auswirkungen auf die Menge einiger Treibhausgase in der Atmosphäre, wie zum Beispiel das stratosphärische Ozon, haben. Explosive Vulkanausbrüche können einen kurzfristigen (2-3 Jahre) negativen Strahlungsantrieb bewirken, der durch einen vorübergehenden Anstieg der Sulfataerosole in der Stratosphäre bedingt ist. Die Stratosphäre ist zurzeit frei von vulkanischen Aerosolen, da die letzte große Eruption im Jahre 1991 stattfand (Mount Pinatubo). Die Unterschiede im geschätzten Strahlungsantrieb durch Änderung der Sonneneinstrahlung und durch Vulkane zwischen heute und dem Beginn des Industriezeitalters sind sehr gering verglichen mit den Unterschieden des geschätzten Strahlungsantriebs durch menschliche Aktivitäten. Daher ist in der heutigen Atmosphäre der Strahlungsantrieb durch menschliche Aktivitäten viel bedeutender für den jetzigen und zukünftigen Klimawandel als der geschätzte Strahlungsantrieb durch Veränderungen natürlicher Prozesse.

Frage 2.1, Abbildung 2. Zusammenfassung der wichtigsten Komponenten des Strahlungsantriebs des Klimawandels. Alle diese Strahlungsantriebe ergeben sich aus einem oder mehreren Faktoren, die wie im Text beschrieben das Klima beeinflussen und mit menschlichen Aktivitäten oder natürlichen Prozessen zusammenhängen. Die Werte geben die Antriebe im Jahre 2005 relativ zum Beginn des Industriezeitalters (ca. 1750) wieder. Menschliche Aktivitäten verursachen erhebliche Änderungen von langlebigen Gasen, Ozon, Wasserdampf, Bodenalbedo, Aerosolen und Kondensstreifen. Die einzige bedeutende Steigerung des natürlichen Antriebs zwischen 1750 und 2005 trat bei der Sonneneinstrahlung auf. Positive Antriebe führen zur Erwärmung, negative zur Abkühlung des Klimas. Die dünne schwarze Linie in jedem farbigen Balken stellt den Unsicherheitsbereich für den jeweiligen Wert dar. (Angepasste Abbildung nach Abbildung 2.20 dieses Berichts1.)

Frage 2.1, Kasten 1: Was ist ein Strahlungsantrieb?

Was ist ein Strahlungsantrieb? Der Einfluss eines Faktors, der einen Klimawandel verursachen kann, wie zum Beispiel ein Treibhausgas, wird oftmals mittels seines Strahlungsantriebs bewertet. Der Strahlungsantrieb ist ein Maß dafür, wie die Energiebilanz des Systems aus Erde und Atmosphäre beeinflusst wird, wenn klimabeeinflussende Faktoren verändert werden. Der Wortbestandteil „Strahlung“ ist darauf zurückzuführen, dass diese Faktoren das Gleichgewicht zwischen einfallender Sonnenstrahlung und abgestrahlter Infrarotstrahlung innerhalb der Erdatmosphäre verändern. Diese Strahlungsbilanz regelt die Oberflächentemperatur der Erde. Der Begriff „Antrieb“ wird gebraucht, um zu verdeutlichen, dass die Strahlungsbilanz der Erde vom Normalzustand weg verschoben wird. Der Strahlungsantrieb wird in der Regel als „Energieänderungsrate pro Erdoberflächeneinheit gemessen am oberen Rand der Atmosphäre“ definiert und in der Einheit „Watt/m²“ angegeben (siehe Abbildung 2). Ergibt der Strahlungsantrieb eines Faktors oder einer Faktorengruppe einen positiven Wert, nimmt letztendlich die Energie des Systems „Erde-Atmosphäre“ zu – das System erwärmt sich. Im Gegensatz dazu führt ein negativer Strahlungsantrieb letztendlich zur Verringerung der Energie, was zu einer Kühlung des Systems führt. Wichtige Herausforderungen für Klimaforscher sind die Identifikation aller klimabeeinflussenden Faktoren und der Mechanismen, über die sie einen Antrieb bewirken, den Strahlungsantrieb der einzelnen Faktoren zu quantifizieren sowie den gesamten Strahlungsantrieb der Faktorengruppe zu bestimmen. 

1Anmerkung der Übersetzungsredaktion: Die Kapitel- und Abbildungsangaben beziehen sich auf den vollständigen Bericht (Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change)

2Anmerkung der Übersetzungsredaktion: Korrigierte Abbildung, siehe Errata des IPCC Fourth Assessment Report, Working Group 1, http://www.ipcc.ch/publications_and_ data/ar4/wg1/en/errataserrata-errata.html