Fakt ist: Es gibt viele Hinweise darauf, dass Erwärmungstrends im Klimasystem sich selbst verstärken können

Die Klimasensitivität ist ein theoretischer Wert. Sie beschreibt, wie stark sich die Erde erwärmen würde, wenn es zu einer Verdoppelung des Kohlendioxid-Gehalts der Atmosphäre käme. Beziffert wird die Klimasensitivität üblicherweise in Grad Celsius. Und meist werden dabei Temperaturspannen genannt, denn die Ungewissheiten in diesem Bereich sind noch relativ groß – wegen der hohen Komplexität des Klimasystems der Erde und trotz deutlicher Fortschritte in der Forschung.

Bei der Reaktion des Klimasystems auf Treibhausgase sind direkte und indirekte Effekte zu unterscheiden. Dass beispielsweise Kohlendioxid den Treibhauseffekt verstärkt, kann durch Experimente und Messungen von Satelliten und auf der Erdoberfläche gezeigt werden. Verdoppelt sich der Gehalt von Kohlendioxid in der Atmosphäre, wäre der direkte Effekt ein Anstieg der globalen Mitteltemperatur um ca. 1,2 ° C (Lorius 1990).

Allerdings ist das Klimasystem der Erde sehr komplex, es gibt viele positive und negative Rückkopplungen – d. h. Veränderungen werden durch Folgeeffekte verstärkt bzw. abgeschwächt. Die stärkste positive (also verstärkende) Rückkopplung (engl.: feedback) ist mit Wasserdampf verknüpft: Steigt die Temperatur in der Atmosphäre, kann sie mehr Wasserdampf aufnehmen. Da Wasserdampf selbst ein Treibhausgas ist, führt das zu einer weiteren Temperaturerhöhung, was wieder zu mehr Wasserdampf führt und so weiter.

Es gibt aber auch negative Rückkopplungen, also solche, die die Erderwärmung bremsen. Beispielsweise führt der höhere Wasserdampfgehalt in der Atmosphärezu einer verstärkten Bildung von Wolken. Diese haben verschiedene Folgen, unter anderem können sie wie ein Schirm gegen Sonnenstrahlung wirken und somit der Erwärmung der Erde bremsen.

Rückkopplungsprozesse können entweder sofort wirksam werden (z. B. die Wasserdampfrückkopplung), andere hingegen benötigen einige Jahrzehnte bis Jahrhunderte bis sie ihre volle Wirksamkeit erreichen. Zu den langfristigen Prozessen gehört die Schnee/Eis-Albedo Rückkopplung: Durch die Erderwärmung verkleinert sich die Schnee- bzw. Eisbedeckung der Erde. Der darunter zum Vorschein kommende Boden hat eine dunklere Oberfläche und nimmt deshalb mehr Wärmestrahlung der Sonne auf als Schnee bzw. Eis, die einen Großteil reflektieren. Im Ergebnis verstärkt sich die Erderwärmung, was zu weiterem Abschmelzen führt, dadurch wird weiterer dunkler Boden freigelegt und so weiter.

Andere langfristige Rückkopplungsprozesse sind beispielsweise mit Veränderungen in der Vegetation verbunden oder mit dem Meeresspiegelanstieg.

Wie ist nun die Gesamtbilanz aller Rückkopplungs-Mechanismen, also die Klimasensitivität insgesamt?

Dies lässt sich auf verschiedene Weise ermitteln, zum Beispiel aus Beobachtungen. Misst man beispielsweise für eine Zeitperiode sowohl die Temperatur als auch die verschiedenen Antriebe des Klimasystems sowie deren Änderung, lässt sich die Klimasensitivität berechnen. Für die zurückliegenden ca. 150 Jahre ist dies mit direkt gemessenen Daten möglich; durch die Nutzung natürlicher Klimadatenarchive (sogenannter Proxydaten, also aus Baumringen oder Eisbohrkernen o.ä.) können Klimaveränderungen bis weit zurück in die Erdgeschichte rekonstruiert und somit die Empfindlichkeit des Klimasystems für höhere Treibhausgas-Konzentrationen abgeschätzt werden. Schon allein dieser Blick ergibt: Gäbe es nicht insgesamt verstärkende Rückkopplungs-Effekte, dann wären die starken Temperaturausschläge während historischer Klimawandel schwerlich erklärbar.

Die Klimasensitivität lässt sich aber auch aus computerbasierten Klimamodellen ermitteln, indem die Wirkung eines verdoppelten CO₂-Gehalts „durchgerechnet“ wird. Die Ergebnisse, die bislang mit dieser Methode gewonnen wurden, lagen tendenziell etwas höher als Ergebnisse anderer Methoden. Um eine bestmöglich fundierte Abschätzung der Klimasensitivität zu bekommen, fasst der IPCC die Erkenntnisse aus verschiedenen Forschungssträngen in seinen Sachstandsberichten systematisch zusammen. In Band 1 seines Sechsten Berichts von 2021 (in Kapitel 7.5.5) hat er dies getan – siehe Abbildung 1:

Abbildung 1: Ergebnisse verschiedener Studien zur Gleichgewichts-Klimasensitivität (ECS), die den langfristigen Anstieg der mittleren globalen Erdoberflächentemperatur nach einer Verdoppelung des atmosphärischen CO₂-Gehalts beschreibt. Die Schätzungen in der obersten Zeile „Process Understanding“ basieren auf Rückschlüssen aus bisherigem Wissen zu physikalischen Zusammenhängen im Klimasystem. „Instrumental record" visualisiert Studien, die auf direkten Messdaten der Erwärmung von Ozeanen und Atmosphäre seit 1850 und auf Modellrechnungen des Strahlungsantriebs beruhen. Der Block "Palaeoclimate" zeigt Werte aufgrund von indirekt ermittelten Klimadaten ("Proxies") aus der Erdgeschichte. „Emergent Constraints“ fasst Studien zusammen, bei denen die Klimasensitivität aus Vergleichen zwischen dem simulierten und beobachteten mittleren Klima bzw. Klimaschwankungen abgeleitet wurde. Unter „Combined assessment" findet sich die Zusammenführung verschiedener Methoden. Die blauen Kreuze in der Zeile „CMIP6 ESMs“ stellen die Ergebnisse einzelner Modelle der letzten Generation von Klimamodellen dar. Bei den einzelnen Blöcken zeigen die horizontalen Balken und Linien jeweils die Bandbreite der Ergebnisse. Mit einer durchgezogenen Linie ist der Temperaturbereich gekennzeichnet, in dem sich die Klimasensitivität nach Einschätzung des IPCC mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 66 Prozent bewegt – also (siehe vorletzte Zeile, bei Zusammenschau aller Ergebnisse) zwischen 2,5 und 4 Grad Celsius. Ein längerer, senkrechter schwarzer Strich markiert jeweils die sogenannte "beste Schätzung" ("best estimate"); gibt es hierfür nur eine Temperaturspanne, ist diese als graue Fläche dargestellt. Als sehr unwahrscheinlich gilt (höchstens 5-prozentige Wahrscheinlichkeit), dass die Klimasensitivität unter 1,5 oder über 8 Grad Celsius liegt (diese Werte sind mit roten vertikalen Linien markiert); Quelle: IPCC 2021, AR6, WG1, Kapitel 7, Abbildung 7.18a

Berücksichtigt sind also eine sehr große Zahl voneinander unabhängiger Untersuchungen, die verschiedene Perioden der Erdgeschichte mit unterschiedlichen Verfahren und Annahmen untersucht haben. Alle führen konsistent zu dem Ergebnis, dass sich bei einer Verdoppelung der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre die Erde um einen Wert zwischen 2,5 und 4 Grad Celsius erwärmt. Der wahrscheinlichste Wert, das sogenannte best estimate liegt laut IPCC bei 3 Grad Celsius.

In den vergangenen Jahren haben sich die Ungewissheiten bei der Schätzung deutlich verringert, vor allem im unteren Bereich. In seinem Fünften Sachstandsbericht von 2013 (Band 1, Kapitel 12, Box 12.2) hatte der IPCC noch eine Spanne von 1,5 bis 4,5 Grad Celsius und kein best estimate genannt.

Vorsicht beim Vergleich unterschiedlicher Studien

Für Laien sind die Fachdebatten um Klimasensitivität oft undurchsichtig. Denn die Ergebnisse einzelner Studien hängen stark davon ab, exakt wie genau die verschiedenen Rückkopplungseffekte im Klimasystem berücksichtigt werden – dies sind Details, die nur Fachleute wirklich beurteilen können. Außerdem kennt die Forschung neben der klassischen Klimasensitivität(„Gleichgewichts-Klimasensitivität“, engl.: equilibrium climate sensitivity, abgekürzt: ECS) noch eine zweite, die „transiente“ Klimasensitivität. Erstere blickt darauf, welche Erwärmung sich auf lange Sicht bei einer CO₂-Verdoppelung einstellt (also wenn die Auswirkungen aller langfristig wirkenden Rückkopplungseffekte abgewartet wurden und die Energieströme im Klimasystemsich in ein neues Gleichgewicht eingependelt haben – dies kann einige Jahrhunderte oder Jahrtausende dauern).

Daneben gibt es die kurzfristige Klimasensitivität (engl.: transient climate response, abgekürzt: TCR), sie schätzt die Reaktion des Klimas zu dem Zeitpunkt ab, wenn sich die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre verdoppelt hat. Weil das Klimasystem der Erde so träge ist, erfasst die transiente Klimasensitivität nur einen Teil der gesamten Reaktion des Klimas – ihre Werte sind daher deutlich niedriger als jene der ECS. Von Medien und Öffentlichkeit aber werden beide Klimasensitivitäten oft gleichgesetzt beziehungsweise verwechselt.

An dem Gesamtbild ändern auch einzelne Untersuchungen wenig, die bisweilen zu niedrigeren Werten für die Klimasensitivität kommen – bei genauer Betrachtung relativieren sich deren Ergebnisse. Großes Aufsehen erregte beispielsweise vor Jahren Otto et al. 2013, wo ein Wert von 1,3 Grad Celsius genannt wurde – allerdings für die transiente Klimasensitivität, weshalb die Zahl mit Werten für die Gleichgewichts-Klimasensitivität ECS nicht vergleichbar ist. Zudem basiert diese Angabe nur auf Temperaturdaten der Jahre 2000 bis 2009, also auf einem sehr begrenzten Zeitraum. Übrigens betonte der Hauptautor dieser Untersuchung, dass sie nicht im Widerspruch zum Stand der Forschung stehe. Eine spätere Studie kam nach Betrachtung dieser und zahlreicher anderer Untersuchungen zu dem Ergebnis, dass die Gleichgewichts-Klimasensitivität (ECS) sehr wahrscheinlich bei rund 2,9 Grad Celsius liege – und damit nah an den langjährigen IPCC-Schätzungen (Armour 2017).

Fazit

Zusammenfassend gibt es also sehr starke Indizien dafür, dass die verschiedenen Rückkopplungen des Klimasystems in der Gesamtbilanz verstärkend wirken – die beste Schätzung von 3 Grad Celsius ist immerhin das Zweieinhalbfache jener 1,2 Grad, die als direkter Effekt einer verdoppelten CO₂-Konzentration gelten.

Angesichts der Vielzahl unabhängiger Studien dürfte es jedenfalls unwahrscheinlich sein, dass die Klimasensitivität viel geringer ist als bisher angenommen. Ohnehin würde eine geringere Klimasensitivität nichts Grundsätzliches daran ändern, was die Forschungsergebnisse für die Praxis bedeuten. Wäre das Klimasystem doch etwas träger als gedacht, wären starke und schnelle Emissionssenkungen immer noch dringend notwendig – es bliebe nur ein bisschen mehr Zeit dafür.

G. P. Wayne/klimafakten.de,  Oktober 2011;
zuletzt aktualisiert: Mai 2022