3. Welche Einflussgrössen bestimmen das Klima der Erde ?

Der Zusammenhang Klima und atmosphärisches CO2  wurde in den vorstehenden Kapiteln betrachtet. Im Folgenden werden der Einfluss der atmosphärischen und ozeanischen Strömungen und vor allem die Bedeutung der Sonne in das Blickfeld gerückt.

3.1 Klima Definition

„Klima ist das durchschnittliche Wetter einer Region – mit durchschnittlich meint man das Mittel eines langen Zeitraums – meist wird ein Zeitraum von 30 Jahren verwendet. (Das Wetter ist im Gegensatz dazu eine kurzlebige Angelegenheit, es kann sich bekanntlich innerhalb von Minuten ändern.)“

Bild 11 (44) zeigt dass sich Wetter innerhalb von Stunden, Tagen und vielleicht Monaten ereignet,
Klima bezieht sich auf Monate, Jahre und Jahrzehnte und Klimawechsel erfolgt in Jahrzehnten und Jahrhunderten.

Wetterbeispiele sind Regenstürme, die ein oder zwei Stunden dauern können und Tropenstürme über mehrere Tage, als Klimavariabilität können Klimamuster wie El Nino definiert werden und Klimawandel bezieht sich auf Änderungen über Dekaden und Jahrhunderte, wie z.B. die Globale Erwärmung.

3.2 Das Klima der Erde

„ ….Die von der Erde absorbierte Sonnenstrahlung ist der wichtigste Faktor, der das „mittlere“ Klima der Erde bestimmt. Sie bestimmt – beeinflusst von Gasen in der Atmosphäre – nicht nur die mittlere Temperatur der Erde und sorgt über die Verdunstung von Wasser für Niederschläge, sondern bestimmt im Zusammenspiel mit (von der Sonnenstrahlung angetriebenen) weltweit wirkenden Windsystemen und Meeresströmungen, die die Wärme und Regenwolken über die Erde verteilen, auch das lokale Klima. Wichtige Mitspieler in diesem System sind auch Schnee und Eis, die Sonnenlicht besonders stark reflektieren, und die Pflanzendecke, die Treibhausgase aus der Atmosphäre bindet und den Wasserkreislauf reguliert“.

Der Treibhauseffekt: „…Einige Gase in der Atmosphäre lassen wie die Glasscheiben eines Treibhauses die ankommende (kurzwellige) Sonnenstrahlung weitgehend durch, halten aber die (langwellige) Wärmeabstrahlung der Erde zurück, wodurch sie sich erwärmen. Auch diese Gase strahlen die Wärme wieder ab. Die Abstrahlung erfolgt in alle Richtungen; ein Teil gelangt also wieder an die Erdoberfläche – in der Strahlungsbilanz der Erde ist diese Wärme als “Rückstrahlung” aufgeführt. Damit kommt an der Erdoberfläche also mehr Strahlung an als ohne diese Gase, nämlich die Sonnenstrahlung und die von der Atmosphäre zurückgestrahlte Wärme; und daher ist die Erdoberfläche wärmer als aufgrund der absorbierten Sonnenstrahlung zu erwarten wäre…“

„….Zu den wichtigsten natürlichen Treibhausgasen gehören Wasserdampf mit einem Anteil von 60 Prozent am Treibhauseffekt, Kohlendioxid mit einem Anteil von 25 Prozent und Ozon mit einem Anteil von 8 Prozent; den Rest verursachen Spurengase wie Methan und Stickstoffoxide ……
…..heute kommen die vom Menschen freigesetzten Treibhausgase dazu…“,  siehe auch Bild 6.

Atmosphärische Strömungen, Winde
„…Die Strahlung an der Erdoberfläche ändert sich also zum einen mit der geographischen Breite; sie ist am höchsten am Äquator und nimmt zu den Polen hin ab. Zum anderen beeinflussen aber auch Wolken und die Farbe der Oberfläche die Menge der absorbierten Sonnenstrahlung. Wasser reflektiert sehr wenig senkrecht einfallendes Licht, am meisten Energie wird daher in tropischen Meeren aufgenommen; in polnahen Regionen, wo das Licht ohnehin schon schräg einfällt, wird zudem ein großer Teil von Eis und Schnee reflektiert…….“

„……Der durch den Aufstieg warmer Luft (am Äquator (der Autor)) in Bodennähe entstehende Unterdruck zieht dort Luft aus Regionen mit höherem Luftdruck ( den polaren/subpolaren Regionen ) an, und in der Höhe fließt dann die Äquatorluft Richtung Pole (Ergänzung durch Autor) – bis sie bei 30°N soweit abgekühlt ist, dass sie wieder absinkt: So entsteht eines der globalen Zirkulationssysteme, die Hadley-Zelle (siehe Abbildung). Das Ergebnis für das Klima: mit diesen Luftströmungen wird Wärme vom Äquator in Richtung der Pole transportiert.

(43)Bild 12: Die Hadley Zelle

An der Erdoberfläche haben die Luftströmungen der Hadley-Zelle einen bekannteren Namen: Es sind die Passatwinde. Da diese zudem durch die Rotation der Erde nach rechts (Nordhalbkugel (Autor)) abgelenkt werden, werden der Nordostpassat auf der Nordhalbkugel und der Südostpassat auf der Südhalbkugel unterschieden (siehe Abbildung unten). An den Polen findet das gleiche mit umgekehrten Vorzeichen statt: Kalte Luft sinkt über den Polen ab und drängt nach Süden, bis sie soweit erwärmt ist, dass sie aufsteigt. Dadurch entstehen die Polarzellen, Auslöser der polaren Ostwinde. Und zwischen den beiden Systemen liegen als drittes, gegenläufiges, die “Ferrel-Zellen (deren Entstehung oft „als“ (Autor) Reaktion auf die anderen Zellen, wie die Laufrichtung eines Zahnrades, beschrieben wird), für sie sind in Bodennähe Westwinde charakteristisch….“

Bild 13: Die großen Zirkulationssysteme der Erde (43)
Original http://sealevel.jpl.nasa.gov/overview/climate-climatic.html

Meereströmungen
„…Der Ozean enthält schon in den oberen, sonnendurchfluteten drei Metern genauso viel Wärme wie die gesamte Atmosphäre. Wegen der hohen Wärmekapazität von Wasser haben die Meere eine ausgleichende Wirkung auf das Klima – sie schwächen die Temperaturunterschiede zwischen Winter und Sommer ab (weil dieser Ausgleich fehlt, sind die Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter im Inneren der Kontinente so viel größer sind als an den Küsten). Die Wärme des Meerwassers wird von Strömungssystemen über die Erde verteilt – die Wärmeverteilung durch die Winde macht etwa 80 Prozent der gesamten Wärmeverteilung aus, die restlichen 20 Prozent werden durch den Ozean verteilt. Auch hier spielt der Wind eine Rolle: Er treibt die Oberflächenzirkulation an. Durch die vorherrschenden Windrichtungen und die ablenkende Kraft der Erdrotation entstehen in den großen Ozeanbecken runde Wirbel, die warmes Wasser vom Äquator weg und kaltes Wasser zum Äquator hin bringen.
Diese Strömungen stehen in Verbindung mit einem zum Teil in der Meerestiefe verlaufenden Strömungssystem, das die ganze Erde umspannt…“

„…sie wird heute thermohaline Zirkulation genannt, da sie neben der Temperatur auch durch Unterschiede im Salzgehalt angetrieben wird: da das warme Wasser durch die Winde im Norden schneller verdunstet, nimmt sein Salzgehalt (und damit auch seine Dichte) zu, und das absinkende, kalte Wasser zieht Oberflächenwasser nach – das ist neben dem Wind die zweite Energiequelle des Strömungssystems. Heute wissen wir, dass es Teil eines als “globales Förderband” bezeichneten, erdumspannenden Strömungssystems ist.

Bild 14 aus (43) Das “globale Förderband”, das wichtigste erdumfassende Strömungssystem der Ozeane
(blau: Tiefenströmungen,
rot: Oberflächenströmungen). Die gelben Punkte markieren die Orte des Absinkens kalten Wassers.

„… Das Förderband wird unter anderem durch Passatwinde angetrieben, die Oberflächenwasser von Westafrika nach Amerika schieben. Dort gelangen sie in den Golf von Mexiko, wo der “Golfstrom” entsteht. Im Europäischen Nordmeer ist das Wasser dann durch Verdunstung so salzig und so kalt geworden, dass es – wie oben dargestellt – aufgrund seiner Dichte absinkt und einen Sog für nachfließendes Oberflächenwasser erzeugt. Wasser sinkt zudem auch in der Labradorsee ab…… „ (siehe auch 4.1.)

3.3 Wetter-und Klimaphänomene

3.3.1 Der globale Temperaturanstieg und der Hiatus

Die letzten 2000 Jahre

Eine Veröffentlichung von F.C. Ljungqvist im Jahre 2010 (45) rekonstruiert den Temperaturverlauf der letzten 2 Jahrtausende für den die nördliche Halbkugel oberhalb des 30.Breitengrades mit Hilfe von Paläotemperatur- Proxies ( s. Wikipedia, Paläoklimatologie) . Nach Ljungquist zeigt diese Rekonstruktion erstmals eine deutliche Römische Warmperiode von AD 1 bis 300, die bis zum mittleren Temperaturlevel zwischen 1961 und 1990 ansteigt, gefolgt von der Kälteperiode des Frühmittelalters von AD 300-800 (dark ages ) .Man sieht die mittelalterliche Warmperiode von AD 800-1300 und die kleine Eiszeit ist deutlich sichtbar von AD 1300-1850, gefolgt von einem raschen Temperaturanstieg im 20. Jahrhundert Während wesentlicher Abschnitte der römischen und mittelalterlichen Warmperiode scheinen die über Jahrzehnte gemittelten Temperaturen das Temperaturniveau von 1961-1990 erreicht oder übertroffen zu haben, Die Temperaturen der letzten zwei Jahrzehnte jedoch sind möglicherweise höher als in irgendeinem Zeitraum der letzten beiden Jahrtausende Jahre ( s. folgende Abbildung).

Bild15: Die Proxyergebisse für die mittleren Temperaturen der nördliche Halbkugel oberhalb des 30.Breitenrades  im Zeitraum AD 1-1999 (durchgezogene Linie) und Instrumentenmessungen CRUTEM3+ Had SST2 Zwischen 1850-1999 (gestrichelte Linie).

Die globale Oberflächentemperatur 1880 -2014

Agency Credit: NASA Earth Observatory/Robert Simmon
Data Sources: NASA Goddard Institute for Space Studies, NOAA National Climatic Data Center,
Met Office Hadley Centre/Climatic Research Unit, and the Japanese Meteorological.

Bild 16: Vier unabhängige Aufzeichnungen zeigen nahezu identische  Erwärmungstrends. zwischen 1880 und 2014. (46)

Der Hiatus

Hinsichtlich der kurzfristigen Entwicklung der globalen Temperatur bemerkt der IPCC in seinem Bericht AR 5, 2013/2014, Technical Summary, Box TS3, Seite 61:

https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_TS_FINAL.pdf

Nun folgt eine sinngemässe Übersetzung einiger wesentlicher Aussagen in Box TS 3:

Klimamodelle und der „Hiatus“ („Stillstand“) der globalen mittleren Oberflächentemperatur.

Seit 1998  gibt es einen 15  Jahre andauernder Temperaturstillstand (Hiatus) (Temperaturanstieg 0.04 °C per Dekade) (siehe auch Abbildung oben.)

Hiatusperioden von 10 bis 15 Jahren sind der Ausdruck einer internen Klimavariabilität, die so während Perioden von 10 bis 15 Jahren  die Aussagekraft in Bezug auf  einen langfristigen Klimawechsel verringern kann. Die Reduktion des Temperaturanstiegs (genauer des Effektiven Strahlungsantriebs) von 1998 -2011 verglichen mit den Zeiträumen 1984 – 1998 und 1951 -2011 ist hauptsächlich auf die sich abschwächenden Trends des natürlichen Antriebs  zurückzuführen.

Explizit heisst das, dass u. a. der solare Strahlungsantrieb sich von einem relativen Maximum in 2000 zu einem relativen Minimum in 2009 verringert hat. Weiterhin hat eine Reihe von kleineren Vulkanausbrüchen  den Aerosolgehalt der Stratosphäre  nach 2000 erhöht., was zu einer Verminderung des Strahlungsantriebs führte. Die CMIP5 Modellrechnungen zeigen einen Trend der höher ist als der Trend des sehr geringen gemessenen  Temperaturanstiegs .

Die Graphik in (46) zeigt, dass auch zwischen 1950 und 1980 der Temperaturverlauf flach ist, obwohl in diesem Zeitraum die CO2- Konzentration kontinuierlich angestiegen ist.

Zwischen 2015/2016 und 2018 kam es zu einer Überlagerung der kurzfristigen natürlichen Wetterphänomene El Nino (Temperaturanstieg im tropischen Ostpazifik) und La Nina  (Temperaturabfall im tropischen Ostpazifik) . Lässt man diese natürlichen (nicht menschengemachten) Schwankungen außer Acht, dann ist der beobachtete Temperaturanstieg am Anfang des 21.Jahrhunderts nur ungefähr halb so groß wie von den CMIP5 Klimamodellen prognostiziert.  (47)

In (48) stellen Stips , A. et al, ein Rechenmodell vor, das es erlaubt den 15-jährigen Stillstand der globalen Temperatur ab 1998 zu simulieren. Sie führen eine sog. „Spektralanalyse“ der zeitlichen Entwicklung der globalen Land-und Meeresoberflächentemperaturen von Kurve (46) durch. Diese Zerlegung ergibt einmal einen kontinuierlich ansteigenden Trend , der möglicherweise auf den menschlichen Einfluss zurückzuführen ist. Zum anderen überlagert sich diesem Verlauf eine sinusförmige Kurve mit einer Periode von etwa 60 Jahren. Die Autoren empfehlen, dass die für Voraussagen verwendeten rechnerischen Klimamodelle den Oszillationsterm berücksichtigen und in der Lage sein müssen die Klimavergangenheit ( und hier speziell den Hiatus) zu rekonstruieren.

Mit dem neuen Klimamodell (48) ergibt sich eine zukünftige Temperaturerhöhung zwischen 2013 und 2100 zwischen 0.4 und 0.6 °C. Im Assessment Bericht AR5 prognostiziert der IPCC für den Zeitraum zwischen dem Ende des 20. und des 21. Jahrhunderts , je nach verwendetem Berechnungsmodell, Maximalwerte zwischen 1.7°C und 4.8 °C. https://archive.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/syr/AR5_SYR_FINAL_SPM.pdf

3.3.2 Meeresspiegel, Eisausdehnung, Dürren, Stürme

Meerespiegelanstieg

Bild 17:  Meerespiegelanstieg seit 1700

Die Rekonstruktion des Meeresspiegelanstiegs seit 1700 durch Jevrejeva und Kollegen zeigt, dass sich dieser Anstieg in Phasen mit schnellerem und langsameren Anstieg vollzieht , wobei die Periodizität zwischen 60 bis 70 Jahren liegt (s.obige Abbildung, (49) ) Der beschleunigte Anstieg beginnt bereits um 1800 , am Ende der kleinen Eiszeit (Beginn der aktuellen Warmzeit) , also bereits vor der Industrialisierung (also ohne von Menschen erzeugtes CO2). Eine  Extrapolation bei konstanter Beschleunigung ergibt , dass der Meeresspiegel zwischen 1990 und 2090 um 34 cm ansteigen sollte. Roy Spencer schätzt den linearen Teil des Anstiegs , der bereits um 1880 ( d.h. vor einer merklichen durch den Menschen verursachten CO2 Konzentration)   existierte, auf 12-13 cm pro 100 Jahre (50).

Der IPCC stellt fest, dass im 20. Jahrhundert der Meerespiegel um etwa 15 cm angestiegen ist und prognostiziert für den Anstieg bis 2100, je nach CO2-Gehalt der Atmosphäre, Werte von 30 cm bis 110 cm (51)

Einige Südseeinseln, für die die UNO den nahenden Untergang voraussagte, sind heute grösser als zuvor, dank des Korallenwachstums (52)

Dr. Nils-Axel Mörner (Stockholm), Vorsitzender der internationalen Commission on Sea-Level Changes and Coastal Evolution von 1999 bis 2003, geht von einem Meeresspiegel-Anstieg/-Absinken bis 2100 von +5cm mit einer Schwankungsbreite von +/-15 cm aus (53).Mörner sagt, dass sein Hinweis, dass die IPCC Voraussagen nicht richtig seien, ohne Diskussion von Fakten einfach ignoriert wurden (54).

Temperaturanstieg in  Arktis/Antarktis

Overpeck (55) schreibt ( Übersetzung durch den Autor) :

Von 1840 bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts hat sich die Arktis auf die höchsten Werte der letzten 4 Jahrhunderte erwärmt. Diese Erwärmung beendete die “Kleine Eiszeit” und bewirkte ein dramatisches Zurückziehen der Gletscher , Schmelzen des Permafrosts und sowie eine Veränderung des Ökosystems auf dem Land und in den Seen.

Er führt den Temperaturanstieg ab Mitte des 19. Jahrhunderts u.a. auf eine verstärkte Sonneneinstrahlung zurück.

Im ersten IPCC-Klimazustandsbericht (1990) präsentierte der Weltklimarat diesbezüglich eine Graphik der Temperaturentwicklung Grönlands für die letzten 150 Jahre. (Abbildung unten). Eine erhebliche und schnelle Erwärmung erfolgte ab etwa 1920 , als die durchschnittliche Jahrestemperatur in weniger als 10 Jahren zwischen 2 und 4°C anstieg (56). Um 1930 war es wärmer als im späten  20. Jahrhundert, obwohl  die Konzentration der menschengemachten Treibhausgase kontinuierlich anstieg.

Bild 18: Sommertemperaturen in Grönland  als Abweichungen von der Referenzperiode 1866-1885

Bild 18a: Die Erwärmungsperioden 1995-2005 und 1920 -1930  an verschiedenen Orten in Grönland zeigen ein ähnliches Verhalten

Chylek (55) zeigt, dass der Temperaturanstieg zwischen 1995 und 2005 ähnlich ist wie der zwischen 1920 und 1930 beobachtete, mit dem Unterschied dass die Anstiegsgeschwindigkeit etwa 50% kleiner ist. Da der Anstieg 1920/1930 bei einer relativ geringen CO2 Konzentration erfolgt ist, schließt er, dass der natürliche Antrieb die wesentliche Ursache war und dass auch der Anstieg 1995/2005 innerhalb der natürlichen Variabilität des Grönlandklimas liegt. Unter natürlicher Variabilität versteht er eine Zunahme des Sonnenaktivität sowie Änderungen der Oberflächentemperaturen der tropischen Ozeane. Zusammenfassend schreibt er, dass keine direkten Beweise gefunden werden konnten, die die Behauptung stützen würden, dass das Grönlandeis wegen eines Temperaturanstiegs durch steigende CO2-Konzentration schmelzen würde.

Ice extent

In (57) und (58) sieht man die Entwicklung des Eises am Nord-und Südpol während der letzten 35 Jahre . Was das Meereis anlangt zeigt sich ein stetiger Massenverlust für die Arktis während das antarktische Meereis an Masse zunimmt. Für die Arktis stagniert aktuell (2015) diese Abnahme wie auch die Graphik in (57) deutlich macht (siehe auch (59)).

Was das Festlandeis betrifft hat die Masse des Grönlandeises nach einem Minimum im Jahre 2012, im Zeitraum 2016 -2018 wieder  zugenommen (60).

Hinsichlich des antarktischen Kontinentaleises stellt Jay Zwally, ein Glaziologe am NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, in einer Studie, die im Journal of Glaciology veröffentlicht wurde, fest, dass die die Eiszunahme in der Ostantarktis und im Inneren der Westantarktis die Eisabnahme in den anderen Regionen der Westantarktis übertrifft (61). Diese Dickenzunahme ist eine Folge der verstärkten Schneefälle Ende der letzten Eiszeit , die sich über Tausende von Jahren zu einer verdickten Eisschicht in der Ost-Antarktis und im Inneren der Westantarktis verdichtet haben.

Bild 19: Arktische Meereisausdehnung 1980 -2015 (57)

Bild 20: Antarktische Meereisausdehnung  (58)

Die Eis-Rückstrahlung

Schnee und Eis haben ein hohes Rückstrahlvermögen des Sonnenlichts (Albedo): 90 % der einfallenden Strahlung wird reflektiert, nur 10% wird absorbiert. Bei Wasser wird dagegen nur 6% der einfallenden Sonnenstrahlung reflektiert. Der Rest, also 94%, wird absorbiert und verstärkt somit den Schmelzprozess. Kato und Kollegen stellen fest, dass in der Arktis die Verringerung der Rückstrahlung durch schmelzendes Eis durch stärkere Wolkenbildung aufgrund der erhöhten Wasserverdampfung der nun eisfreien Flächen nun kompensiert wird (62).

Dürren

Nach (63) fasst der 4. Assessment Report (AR4) des IPCC die Entwicklung der Dürren im 20. Jahrhundert  wie folgt zusammen: „Seit den 1970er Jahren wurden insbesondere in den Tropen und Subtropen intensivere und länger andauernde Dürren über größeren Gebieten beobachtet.“

Die Stellungnahme zu diesem Thema wird im AR5 (64) abgeschwächt:

Low confidence in an observed global-scale trend in drought or dryness (lack of rainfall) since the 1950s, due to lack of direct observations, methodological uncertainties and choice and geographical inconsistencies in the trends . 

Übersetzung des Autors: Es besteht geringes Vertrauen in einen beobachteten globalen Trend von Dürren oder Trockenheit (Mangel an Regen) seit den 50er Jahren, was auf fehlende direkte Beobachtungen, methodologische Unbestimmtheiten sowie geographische Widersprüchlichkeiten in den Trends beruht.

Sheffield veröffentlicht seine Untersuchungen, die zeigen, dass sich global Intensität und Häufigkeit der Dürren seit 1950 nicht merklich verändert haben (65).

Nach (64) stellt der AR5 weiterhin fest:

“ High confidence for droughts during the last millennium of greater magnitude and longer duration than those observed since the beginning of the 20th century in many regions. ” 

Übersetzung des Autors: Hohes Vertrauen, dass es im letzten Jahrtausend Dürren von größerer Intensität und längerer Dauer gegeben hat als die seit Beginn des 20. Jahrhunderts in vielen Regionen beobachteten.

Stürme

Im 5. Assessment Report des IPCC stellt die WG1 in Abschnitt 2.6.3 fest

“No robust trends in annual numbers of tropical storms, hurricanes and major hurricanes counts have been identified over the past 100 years in the North Atlantic basin”

http://www.climatechange2013.org/images/report/WG1AR5_ALL_FINAL.pdf

Übersetzung des Autors .

Es sind keine belastbaren Trends für die jährliche Zahlen von tropischen Stürmen, Hurricanes und Häufigkeit von schweren Hurricanes für die letzten 100 Jahre im Nordatlantischen Becken identifiziert worden

Guy Brasseur,  einer der Hauptautoren des vierten Sachstandsberichts des Weltklimarats (IPCC):  „Die IPCC-Wissenschaftler sind sich einig: Es gibt nicht mehr Stürme als früher“ (66).

In (67) wird eine Reihe von „peer-reviewed“ wissenschaftlichen Arbeiten  aufgeführt, die feststellen,  dass in den letzten Dekaden die Häufigkeit und Intensität von Hurrikanen , die das Festland treffen, nicht zugenommen hat, sondern wahrscheinlich sogar abgenommen hat.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, es gibt wenig belastbares Material , dass die gefährlichen Wetterereignisse, zahlreicher und stärker geworden sind.

Fest steht dagegen , dass die  Meldungen in den Medien über extreme Wetterereignisse – als angebliche Folge des Klimawandels – deutlich zugenommen haben.

H. von Storch, Professor für Meteorologie, Uni Hamburg

„…ist es im übrigen auch wissenschaftlich unzulässig, Wetterextreme, wie sie in den letzten Jahren immer wieder aufgetreten sind (Hochwasser, Dürren, Stürme u.a.), als Beweis dafür zu nehmen, dass katastrophale Ereignisse bereits zugenommen haben oder sich in Zukunft verstärken werden.“, auch wenn dies zunehmend von Politikern und Versicherungsunternehmen, aber auch Wissenschaftlern  – behauptet wird.“ (21)

> weiter zu 4.0 Die Klimavariabilität: Interne und externe Klimaschwankungen