Kohlendioxid als Rückkopplungsgröße

Worüber man viel schreibt, sagt etwas darüber aus, wo man sich getroffen fühlt. Als Vahrenholt und Lüning ihr Machwerk "Die kalte Sonne" in den Verkauf gehen ließen, war die offensichtlich umfangreiche PR-Aktion darum herum für mich Anlaß genug über eine an sich langweilige Wiederholung alter Leugnermythen zu berichten. Wenn Bild, Focus und Spiegel unisono nach der Melodie der Leugner tanzen, dann muß man dazu etwas schreiben. Ganz anders sieht es eigentlich bei einem Artikel von Jeremy Shakun, Clark, He, Marcott, Mix, Liu, Otto-Bliesner, Schmittner und Bard, Global Warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation, Nature 484, 49-54 (2012) aus. Der Artikel war nicht von großer medialer Aufmerksamkeit begleitet, aber inhaltlich stellte er einem bestimmten Mythos ein Bein, und führte daher zu heftigsten Reaktionen bei denen, die mit diesem Mythos arbeiten. Daß sie so heftig die Ergebnisse einer aktuellen wissenschaftlichen Studie wegerklären müssen, zeigt schon, wie stark sie sich davon getroffen fühlen.

Was Klimamodelle glaubwürdig macht

Vor nicht allzu langer Zeit hatte ich über einen Artikel von Andrew Dessler und seinen Kollegen geschrieben, in dem eine stark positive Wasserdampf-Temperatur-Rückkopplung aus Satellitendaten abgeleitet wurde. Inzwischen folgte auf diesen Artikel ein Übersichtsartikel in Science zusammen mit Steven Sherwood zum Stand der Rückkopplung von Wasserdampf und globaler Temperatur. Ich hatte schon im Sinn, etwas dazu zu schreiben, aber dann hatte ich einen Beitrag von Georg Hoffmann in seinem Blog gesehen, den ich so gut fand, daß ich nur darauf verlinken kann – wer es noch nicht getan hat, sollte sich Hoffmanns Darstellung unbedingt anschauen.

Das führt aber hin zu der allgemeineren Frage, mit der sich Dessler in einem Blog-Beitrag beschäftigt, dessen Inhalt ich hier etwas variiere: was macht alles die Klimamodelle glaubwürdig? Kritik an ihnen kann sehr oberflächlich daherkommen. Man könnte darauf verweisen, daß das Klima zu komplex sei, um es in Modellen zu beschreiben. Das ist ein Nicht-Argument. Man setzt gerade deshalb Modelle ein, weil bestimmte Sachverhalte so komplex sind, daß man sie nicht mehr geschlossen berechnen kann. Man versucht dann, mit den bekannten Daten und Gleichungen das Problem zu beschreiben, ist sich aber dessen bewußt, daß man nun mit einem Modell arbeitet, daß eine gewisse Idealisierung der Realität darstellt. Daraus resultieren Grenzen des Modells. Die Grenzen der Klimamodelle sind z.B., daß sie keine Vorhersagen im Sinne einer Wettervorhersage sein können. Man beschreibt nicht eine bestimmte Realisierung unserer Erde, sondern mögliche Realisierungen aus der Vielfalt möglicher Erden. Die Ergebnisse sind nicht durch die Anfangswerte der Simulation kontrolliert, wie bei der Wettervorhersage, sondern von den Randbedingungen der Klimasimulation, die nicht „die“ Erde, sondern eine „typische“ Erde beschreiben. Am besten nimmt man sehr viele Simulationen mit leicht veränderten Anfangsbedingungen und betrachtet dann das statistische Mittel, um eine „typische“ Erde und die zu erwartende Schwankungsbreite zu erhalten.

Wie sinnvoll ist es also, Ergebnisse eines Laufs eines Klimamodells mit den nächsten Jahren der Entwicklung des Erdklimas zu vergleichen? Kaum sinnvoll. Interessant ist nur der Vergleich von Klimatrends der gemessenen Daten über lange Zeiträume mit Modellergebnissen, gemittelt über viele Modelläufe eines Modells für diesen Zeitraum. Dann erhält man vielleicht mehr oder weniger übereinstimmende Trends z.B. der globalen Temperatur, weiß aber noch nicht, ob die Übereinstimmung aus den richtigen Gründen erfolgt.

Nun gibt es Validierungen der Klimamodelle anhand von historischen Daten. Immerhin stehen ja gemessene Temperaturdaten für die letzten ca. 150 Jahre zur Verfügung. Weil man hier das Ergebnis schon kennt, steht schnell der Vorwurf im Raum, das Modell sei doch nur getunt. Angesichts der komplexen Wirkungen diverser Stellschrauben eines Modells und der Kosten wiederholter Modelläufe ist der Vorwurf unfair, denn das Drehen an einer Stelle führt schnell zu schlechteren Ergebnissen an anderer Stelle und die Parametrisierungen der Modelle sind auch nicht beliebig wählbar.

Umso wichtiger ist es, einzelne Parameter der Modelle über geeignete Messungen festzulegen. Große Unsicherheiten sind hier die Wolkenparametrisierungen, die Aerosole und die Ankopplung der Ozeane und ihrer thermohalinen Zirkulation (das Absinken und Auftauchen von Wassermassen abhängig von ihrer relativen Dichte, die wiederum von Salzgehalt und Temperatur bestimmt wird). Hier kommt die wichtige Rolle von Beiträgen ins Spiel, wie sie Dessler und seine Kollegen erstellen. Sein Ergebnis ist, daß die Wasserdampf-Temperatur-Rückkopplung in den Satellitendaten den Modellergebnissen entspricht.
Besonders wichtig ist die Frage, ob es vielleicht eine starke negative Rückkopplung mit der globalen Temperatur gibt, die von den Modellen nicht berücksichtigt wird? Der Effekt wäre in diesem Fall, daß jede Temperaturänderung der Erde stark gedämpft würde. In dem Falle hätten wir allerdings große Schwierigkeiten zu erklären, wie es überhaupt möglich gewesen sein sollte, daß die geringfügigen Änderungen im Strahlungshaushalt durch ein leicht geänderte Neigung der Erdachse so starke Temperaturänderungen hervorrufen konnten wie den Wechsel zwischen Eiszeiten und Zwischeneiszeiten. Oder wie stark ein Vulkanausbruch wie der vom Pinatubo in den folgenden zwei Jahren die Erde abkühlen konnte. Die sehr geringe Möglichkeit, daß wir trotz all dieser Belege vielleicht eine starke negative Rückkopplung übersehen haben könnten zwingt das IPCC dazu, seine Berichte über den erwarteten Klimawandel im Konjunktiv abzufassen, aber mit Arbeiten wie denen von Dessler wird der Spielraum für unbekannte Faktoren immer stärker eingeengt.

Klimasensitivität - die Wasser-Temperatur-Rückkopplung

Die Verdopplung der CO2-Konzentration allein führt über den Treibhauseffekt nur zu einer moderaten Temperaturerhöhung von ca. 1,2 Grad Celsius. Erst Rückkopplungseffekte verstärken die Auswirkungen der Erhöhung der Treibhausgaskonzentrationen auf die derzeit anerkannte Spanne im Bereich von ca. 1,5 bis 4,5 Grad Celsius mit dem wahrscheinlichsten Wert von 3 Grad. Daß diese Rückkopplungen bestehen, zeigen Auswertungen von Klimaveränderungen in der Vergangenheit. Hier war der Antrieb meist eine Veränderung der Aufnahme der Sonnenstrahlung durch Bahnveränderungen der Erde, aber auch Häufungen von Vulkanausbrüchen, die über ausgestoßenes Aerosol die Reflektion von Sonnenlicht erhöhten. Betrachtet wurden Eiszeiten, aber auch z.B. globale Temperaturschwankungen in den letzten Jahrhunderten und Jahrzehnten. Übereinstimmend ergeben Auswertungen vergangener Klimaänderungen und die Modellrechnungen einen positiven Beitrag der Rückkopplungen, die globale Temperaturänderungen um einen Faktor ca. 2,5 verstärken (mit der Spanne ca. 1,5 bis über 3).

Von ganz besonderer Bedeutung ist dabei die Temperatur-Wasser-Rückkopplung. Ihre Größe und ihr Vorzeichen macht letztlich den Unterschied aus zwischen Szenarien, bei denen der der Anstieg der Treibhausgasemissionen zu einer deutlichen globalen Erwärmung mit allen diskutierten Folgen führt und solchen, bei denen die Klimaänderung sich in kontrollierbaren Grenzen hält. Die Möglichkeit, daß eine steigende Temperatur auf geheimnisvolle Weise dazu führt, daß letztlich weniger Wasser in der Atmosphäre ist oder die Wolken sich so ändern, daß sie mehr Sonnenlicht reflektieren war seit langem die einzige wissenschaftlich begründbare Position, den Grundaussagen des IPCC skeptisch gegenüber zu stehen.
Diese Position hatte ich bereits als die Iris-Hypothese von Lindzen erwähnt. Kurz zusammengefaßt behaupten Lindzen und einige wenige andere Wissenschaftler dabei, daß über warmen Meeresflächen die hohen Cirruswolken ausgedünnt werden und dadurch mehr Wärme in das Weltall abgestrahlt werden kann, wodurch die Erde gekühlt wird. Das wäre eine negative Rückkopplung.

Diese Behauptung wurde bereits wiederlegt – sie stimmt mit Messungen nicht überein. Darüber hinaus wurde bereits in anderen Arbeiten und Modellrechnung wiederholt bestätigt, daß eine Erwärmung der Erde dazu führt, daß die Luft eher mehr Wasser halten kann und dadurch Wasser als zusätzliches Treibhausgas den Treibhauseffekt anderer Treibhausgase verstärkt – entsprechende Literaturstellen findet man in den IPCC-Berichten an gegebener Stelle.

Wem alle diese Nachweise und Diskussionen noch zu abstrakt waren, für den sollte eine Veröffentlichung alles klar machen, die letzten Monat herauskam. Hier wurde eine starke Temperatur-Wasser-Rückkopplung auf der Basis einer Auswertung von Satellitenmessungen nachgewiesen, die im Einklang mit Untersuchungen vergangener Klimaänderungen und mit den Modellergebnissen steht. Dessler, Zhang und Yang haben in einer sehr knapp und präzise formulierten Arbeit, die kürzlich in den Geophysical Research Letters publiziert wurde, aus Satellitendaten abgeleitet, wie stark die Temperatur-Wasser-Rückkopplung ist (über den Link ist leider nur die Zusammenfassung des Artikels frei verfügbar - den Artikel selbst erhält man hier). Gemessen wurden dabei verschiedene Größen, wie Temperatur und Feuchtegehalt der Atmosphäre. Sie fanden einen relativ hohen Wert von 2,04 W/m2/K heraus. Das heißt, je 1 Grad Klimaerwärmung steigt der Wassergehalt der Atmosphäre derart, daß der Treibhauseffekt einen zusätzlichen Antrieb von 2,04 W/m2 erhält, entsprechend einer weiteren Verdopplung der CO2-Konzentration. Damit ist aufgrund von Messungen bestätigt, daß zusammen mit anderen bereits bekannten positiven Rückkopplungen dafür eine Verdopplung von CO2 zu einer Temperaturerhöhung von nunmehr mindestens 3 Grad führt, möglicherweise auch mehr. Zusammen mit der höher als erwarteten Emissionsentwicklung heißt das, daß von den IPCC-Szenarien derzeit eher die pessimistischen zutreffen werden oder diese sogar noch übertroffen werden. Es gibt derzeit in der Fachliteratur einen Trend, und der deutet darauf hin, daß die Aussagen des IPCC eine wirkliche konservative Abschätzung der anstehenden Probleme darstellen - konservativ in dem Sinne, daß eher eine untere Grenze der Klimaänderungen und Klimafolgen dargestellt wird. Eine weitere Diskussion zu diesem Thema findet man auch hier.

Verstärken Änderungen beim arktischen Seeeis den Klimawandel?

Leider ist dieser Beitrag 2 Wochen liegen geblieben, aber dafür konnte ich noch einige Ergänzungen machen.

2007 erreichte die Seeeisbedeckung im arktischen Meer einen für Fachleute überraschendes Rekordminimum. (Siehe z.B. hier.) Im folgenden Winter froren zwar erwartungsgemäß weite Teil des arktischen Meeres wieder zu, aber es wäre absurd, daraus abzuleiten, daß die Rekordschmelze damit nur ein vorübergehendes Ereignis gewesen wäre. Das verhältnismäßig dünne, nur einjährige Eis, das sich gebildet hatte, wird in diesem Sommer wesentlich leichter schmelzen als das mehrjährige dickere Eis, das dort vorher war. Nur eine Reihe besonders kalter arktischer Winter in Folge könnte den ursprünglichen Zustand des nordpolaren Eises wieder herstellen. Zu den Erwartungen für 2008 siehe z.B. hier, bzw. (da zitiert) hier. Das Bild zeigt den langfristigen Trend der Eisbedeckung in der Arktis:











Den aktuellen Trend kann man hier nachsehen, Quelle ist das National Snow and Ice Data Center. Das Bild hier wiederum zeigt den hohen Anteil besonders dünnen, nur einjährigen Eises.

Eine Untersuchung der Eisschmelze von 2007 ergab, daß sie zwar auf besondere Witterungsverhältnisse zurückzuführen war. Eine Hochdruckzone ab Juni 2007 über gut 3 Monate hinweg mit wolkenarmen Bedingungen sorgte für eine besonders intensive Eisschmelze. Solche Verhältnisse bestanden aber auch schon 1977 und 1987. 2007 hatte aber die anhaltende globale Erwärmung das polare Eis so ausgedünnt, daß nun im Gegensatz zu früher weite Bereiche der arktischen Gewässer eisfrei wurden. Eine Übersicht dazu hat John Cook zusammengetragen.

Mit einer Wiederherstellung langjähriger Eisschichten ist nicht zu rechnen. Das liegt nicht nur daran, daß der Trend einer globalen Erwärmung in den Temperaturdaten intakt ist und vielleicht schon der nächste El Nino globale Temperaturen herbeiführen kann, die die maximalen Temperaturmittel in 1998 und 2005 erreichen oder übersteigen könnten. Das liegt auch daran, daß die globale Erwärmung sich selbst verstärken kann. Und nirgendwo sieht man es besser als im arktischen Raum.

Die bekannteste Rückkopplung ist der Albedoeffekt. Schnee und Eis reflektieren sichtbares Licht besonders gut, sogar besser als Wasser (wo nur bei ruhigem Wasser bei einem bestimmten Eintrittswinkel Totalreflektion des Lichtes erfolgt). Ein Abschmelzen des Eises in der Arktis bedeutet daher, daß diese Region sich stärker aufheizen kann. Dieser Effekt wird noch verstärkt dadurch, daß offenes Wasser in der Arktis einen weiteren Effekt hat. Das Wasser unter einer Eisdecke ist erheblich wärmer als das benachbarte Land, das auf Temperaturen unter -10, -20, sogar -40 Grad Celsius auskühlen kann – im Tagesmittel. Fällt die isolierende Eisdecke weg, kann die Wärme aus dem Wasser in die benachbarte Luft und weiter auf das benachbarte Land transportiert werden. Das kann vor allem über den Transport latenter Wärme geschehen. Das relativ wärmere Wasser (nahe dem Gefrierpunkt) verdunstet und entzieht dabei dem Meer etwas Wärme. Diese Feuchte kondensiert wieder an Land und erwärmt dort den Boden. Die Schneedecke an Land taut schneller auf oder wird später gebildet. Das Land heizt sich über den oben erläuterten Albedoeffekt weiter auf. Am Ende kann das dazu führen, das Bodenschichten auftauen, in denen bisher Permafrost herrschte, wo also selbst im Sommer die Erde gefroren blieb.

Das hat aber einen weiteren Rückkopplungseffekt zur Folge. Im Permafrostboden sind organische Stoffe gebunden. Taut der Boden auf, werden diese zersetzt. Dabei werden gasförmige Abbauprodukte gebildet, wie CO2 und vor allem Methan. Methan aber ist ein Gas, das einen stärkeren Treibhauseffekt hat als CO2. Kurzfristig ist der Effekt einen Faktor 75 stärker. Berücksichtigt man den Abbau von Methan über 100 Jahre, ist es immer noch 25mal wirksamer als CO2. Die globale Erwärmung fördert also so den zusätzlichen Eintrag von Treibhausgasen.

Diesen Zusammenhang erläutert Tamino sehr ausführlich. Dabei bezieht er sich unter anderem auf einen Artikel von Lawrence et al. in den Geophysical Research Letters (im Link ist eine Inhaltsangabe dazu): Accelerated Arctic land warming and permafrost degradation during rapid sea ice loss. Der Verlust des Seeeises in der Arktis könnte die Erwärmung dort dreimal so schnell ablaufen lassen. Dabei könnten 1 - 4 Gigatonnen Kohlenstoff in die Atmosphäre pro Jahr abgegeben werden. Das ist bis zu der Hälfte des von Menschen jährlich erzeugten CO2.

Daß dieses geschehen wird, war eigentlich nie bezweifelt worden. Was wirklich erschreckend ist, ist die Schnelligkeit, mit der das Seeeis verschwindet, die Arktis wärmer wird und schließlich das Auftauen des Permafrostbodens zu erwarten ist. Vor wenigen Jahren ging man von einem jahreszeitlich eisfreien Polarmeer erst nach 2030 aus. Nun müssen wir dies aber schon in den nächsten Jahren erwarten. Entsprechend werden auch die Rückkopplungseffekte, der Albedoeffekt und das Auftauen des Permafrostbodens vorverlegt. Das macht Maßnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen noch weitaus dringlicher als man bisher geglaubt hatte. Zu diesen Zusammenhängen gibt es weitere Ausführungen hier und in den dort verlinkten Artikeln.