Klimaforschung Eine kurze Geschichte des Klimawandels

Seit wann ist der Klimawandel ein Thema? Spätestens im Sommer 1988 dürfte auch Otto Normalverbraucher davon gehört haben. An einem heißen Junitag war James Hansen vom Nasa Goddard-Institut für Weltraumstudien in New York zu einer Anhörung vor dem amerikanischen Senat geladen. Während draußen das Thermometer auf Rekordwerte kletterte, erläuterte der Atmosphärenphysiker den Senatoren, dass die vier wämsten Jahre seit Beginn der Aufzeichnungen in die 1980er Jahre fielen und 1988 vermutlich das bisher heißeste überhaupt werden würde. "Mit einer Konfidenz von 99 Prozent", berichtete Hansen, "ist die Wärme, die wir in dieser Periode sehen, ein realer Trend der Erderwärmung."

Die Hitzewelle trug diese Botschaft in die Medienwelt. Doch bis heute ist unklar, ob Hansen recht hatte. Wetterextreme mit der globalen Erwärmung in Verbindung zu bringen, ist statistisch äußerst heikel. Aber die Evidenz, die Hansen damals präsentierte, sollte politisch wirken, nicht wissenschaftlich überzeugen. Dass diese beiden Kriterien in der Klimaforschung zuweilen auseinanderfallen, ist bis heute ein Problem, wie gerade wieder an der Affäre um den Inhalt gestohlener Forscher-E-Mails zu besichtigen ist. Aber wenn eine wissenschaftliche Evidenz, die klar genug ist, um auch von Politikern verstanden zu werden, 1988 nicht zur Verfügung stand: Wie war man da überhaupt auf die Idee gekommen, dass sich das Erdklima erwärmt und der Mensch damit etwas zu tun haben könnte?

Was bewirkt Eiszeiten?

Zunächst dadurch, dass es den Treibhauseffekt gibt, der seinen Namen übrigens zu unrecht hat. Treibhäuser werden vor allem dadurch warm gehalten, dass ihre Glasscheiben erwärmte Luft im Inneren am Entweichen und kalte Luft am Eindringen hindern. Beim Teibhauseffekt dagegen geht es nicht um den Transport von Luft, sondern von infraroter Wärmestrahlung, die in der Atmosphäre zurückgehalten wird. Ohne diesen Effekt würden die Durchschnittstemperaturen auf der Erde deutlich unter dem Gefrierpunkt liegen. Diese Einsicht hatte als Erster der Franzose Joseph Fourier im Jahr 1824, ohne allerdings in Erfahrung zu bringen, was das Infrarot zurückhält. Erst 1859 fand der Brite John Tyndall heraus, dass Kohlendioxid und Wasserdampf für Infrarotstrahlen unduchlässig sind - Tyndall war auch der Erste, der den Effekt mit jenen Klimawandelphänomen in Verbindung brachte, von dem man damals bereits wusste: den Eiszeiten.

Tyndall vermutete hinter den Eiszeiten Austrocknungsereignisse, die der Erdatmosphäre den wärmenden Wasserdampf nähmen. Erst der Schwede Svante Arrhenius sah sich 1896 das Kohlendioxid genauer an und führte als Erster detaillierte Rechnungen durch, die zeigten, dass eine Halbierung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre die globalen Temperaturen um fünf Grand senken, eine Verdopplung sie hingegen um fünf bis sechs Grad anheben würde. Seine Vermutung: Hinter der Abfolge der Eiszeiten steckten Schwankungen im Kohlendioxidgehalt der Luft, etwa als Folge von Vulkanausbrüchen.

Die ersten Prognosen

Mit dieser Idee gilt Arrhenius heute als ein Ahnherr der Klimaforschung und als Entdecker der globalen Erwärmung als theoretisches Konzept. Er untersuchte auch schon die Klimawirkung der Abgase der Dampfmaschinen und Hochöfen seiner Zeit. Nach seinen Berechnungen, bei denen er notgedrungen starke Vereinfachungen vornehmen musste, würden die Menschen jahrtausendelang Kohle verbrennen müssen, bis sie den CO2-Gehalt der Luft verdoppelt und die Erde um ein paar Grad erwärmt hätten - ein Schluss, der den fortschrittsfrohen Wissenschaftler im kalten Schweden eher enttäuschte als ängstigte.

Trotzdem wurde Arrhenius' Theorie des Zusammenhangs zwischen CO2 und Klima bald heftig widersprochen - interessanterweise mit Argumenten, die noch heute von den sogenannten Klimaskeptikern im Umlauf gehalten werden: Erstens löse sich CO2 gut in Wasser, sodass die Ozeane die Emissionen schnell absorbieren würden. Zweitens verstärke eine CO2-bedingte Erwärmung die Bildung von Wolken, die Sonnenlicht ins Weltall zurückwürfen und damit einen kühlenden Effekt hätten. Schließlich war da noch das Argument der "Sättigung": Experimente zeigten, dass die Durchlässigkeit gasgefüllter Röhren für Infrarotstrahlung kaum von der CO2-Konzentration abhing. Der Grund: CO2 schluckt Infrarot bestimmter Wellenlängenbereiche, die zudem mit denen überlappen, bei denen der weitaus häufigere Wasserdampf Strahlung absorbiert. Schon Spuren beider Gase können alle Strahlung in diesen Bereichen abfangen. Gibt man mehr Gas hinzu, ändert das genauso wenig, wie wenn man vor einem heruntergelassennen Rolladen noch die Gardine zuzieht. Die Absorbtionskraft des Gases ist schon bei winzigen Spuren "gesättigt“.

Die Verhältnisse in der oberen Atmosphäre

Vor allem dieses Sättigungs-Argument verhinderte, dass Arrhenius' Idee viel Anhänger fand. Doch während die Rolle der Wolkenbildung sowie die Frage des Gasaustausches mit den Weltmeeren die Klimaforscher noch lange beschäftigt hat und in vielen Details bis heute umtreibt, ist die Sättigung seit Mitte der 1950er Jahre vom Tisch. Damals erkannte der gebürtige Kanadier Gilbert Plass, dass die Sättigung dort, wo die klimawirksame Absorption erfolgt, nämlich in der dünnen kalten Luft der oberen Atmosphäre, nicht auftritt, da die Absorptionsbereiche von CO2 und H2O dort sehr viel schmaler sind. Sie gleichen eher Vorhängen aus sehr dünnen und zudem beweglichen Schnüren, von denen sehr viele hintereinander hängen können, so dass jeder weitere noch etwas zusätzliches Licht schluckt.

Wie Arrhenius war auch Gilbert Plass vor allem an einer Erklärung der Eiszeiten interessiert. Als Spezialist für Infrarotsensoren in Lenkwaffen bei der Rüstungsfirma Lockheed hatte Plass Zugang zu den ersten Computern und berechnete damit auch den Klimaeffekt, den die Menschheit durch ihren CO2-Ausstoß hervorrufen würden. Er kam auf 1,1 Grad pro Jahrhundert.

Doch entdeckt war die globale Erwärmung auch damit nicht. Zwar waren die mittleren Temperaturen seit 1930 gestiegen, was von dem Briten Guy Stewart Callendar 1938 bereits mit dem menschlichen CO2 in Verbindung gebracht wurde. Doch noch hatte den CO2-Pegel niemand gemessen, geschweige denn einen Anstieg über die Jahre nachgewiesen. Damit galt noch immer das alte Argument gegen Arrhenius, der fossile Kohlenstoff würde eben vom Meer oder der Biosphäre aufgenommen.

Das Meer lässt aus

Dieser Einwand fiel 1960, als der Amerikaner Charles David Keeling die Ergebnisse seiner CO2-Messungen in der Antarktis und auf dem Mauna Loa auf Hawaii veröffentlichte. Keelings Kurve, heute eine der Ikonen der Zunft, zeigte eindeutig: die CO2-Konzentration stieg - und steigt bekanntlich bis heute.

Dass Keelings CO2 zumindest zum Teil aus Schornsteinen und Auspuffrohren stammen musste, legten Kohlenstoff-14-Daten nahe. Dieses Radioisotop entsteht durch Höhenstrahlung in der Atmosphäre und zerfällt danach binnen weniger Jahrtausende. Fossiler Kohlenstoff enthält daher kein C-14. Schon 1955 hatte Hans Suess, der österreichische Pionier der C-14-Methode, den Radiocarbongehalt im Holz von Bäumen, die vor der Industrialisierung gewachsen waren, mit dem zeitgenössischer Gewächse verglichen. Ergebnis: moderne Bäume enthalten eindeutig weniger C-14 als alte, was nur daran liegen kann, dass sie CO2 aufnehmen, dessen C teilweise aus der Verbrennung fossilen Materials stammt. Im Gegensatz dazu fand Suess im Meerwasser vergleichsweise wenig Kohlenstoff fossiler Herkunft. Das Meer nahm das CO2 der Menschen lange nicht so bereitwillig auf wie erwartet.

War der menschengemachte Treibhauseffekt damit endlich entdeckt? Noch lange nicht. Dank Dave Keeling war zwar der Anstieg der CO2-Pegel nachgewiesen. Allein, es fehlte die globale Erwärmung. Seit Mitte der 1940er waren die globalen Durchschnittstemperaturen sogar gefallen. Offenbar war das Klimasystem der Erde doch erheblich komplizierter als gedaccht.

Einzug der Computermodellierungen

Der Fortschritt der sechziger Jahre in der Klimaforschung bestand vor allem darin, dass nun das Ausmaß dieser Komplexität immer deutlicher wurde. Das geschah einmal durch den Einzug der Computermodellierungen, die zunächst in kompletten Fehlschlägen endeten, bis man erkannte, dass Klimavorgänge chaotische Prozesse sind. Zweitens begann sich endlich zu klären, was hinter den Eiszeiten steckt: Es waren periodische Änderungen des Erdorbits um die Sonne.

Das war bereits in den 1930er Jahren von dem serbischen Geophysiker Milutin Milankovic vorgeschlagen worden, doch die Änderungen der Sonneneinstrahlung, welche die sogenannten Milankovic-Zyklen mit sich brachten, galten lange als viel zu gering, um klimawirksam zu sein. Nun offenbarten immer mehr Daten eiszeitlicher Ablagerungen, dass das Kommen und Gehen der Eiszeiten tatsächlich diesen Zyklen folgte. Es mussten also verstärkende Rückkopplungseffekte am Werke sein, die aber auch zeigten: das Klima kann sich sehr viel abrupter ändern, als man es sich bis dahin hatte vorstellen können.

Doch da war schon das nächste Problem: Nach Milankovic befand sich das Erdklima geradewegs auf dem Weg in die nächste Eiszeit. Viel langsamer zwar, als eine Erwärmung durch anthropogenes CO2 vonstattengehen würde - aber die gemessenen Temperaturen sanken in den 1960er Jahre weiter. Gab es vielleicht auch Prozesse, welche die Abkühlung beschleunigten? Es war der Anfang der 1970er Jahre, und die Umweltbewegung hatte die Gesellschaft soeben dafür sensibilisiert, dass der Mensch möglicherweise auch imstande sei, in globalem Maßstab Schaden anzurichten. Warum nicht durch eine globale Abkühlung? Der Verdacht fiel auf die Aerosole aus den Abgasen, die der Erde einen Teil der Sonneneinstrahlung nehmen sollten. Andererseits gab es das CO2 und den Treibhauseffekt. Nur wenige, dafür aber lautstarke Forscher propagierten die Abkühlung, die Mehrheit war unentschieden, die Öffentlichkeit weniger: "Annother Ice Age" titelte das Time Magazine im Jahr 1974.

Weniger Schwefel gibt mehr globale Erwärmung

Die Eiszeit-Debatte endete 1977 durch ein Gutachten der amerikanischen National Acadamy of Science. Indem dieser Bericht zu dem Schluss kam, dass diejenigen Forscher, für welche die Computermodelle eher auf eine Erwärmung deuteten, dies besser belegen könnten als die Eiszeit-Theoretiker, wurde der Wendepunkt in der wissenschaftlichen Debatte um den Klimawandel erreicht. Eine zentrale Rolle spielte dabei der Nasa-Forscher James Hansen. Seine Gruppe konnte unter anderem zeigen, dass die beobachtete Abkühlung gar kein weltweites Phänomen war, sondern nur auf der Nordhalbkugel auftrat.

Ein klarer Trend zu einer wärmeren Welt ließ aber bis Anfang der 1980er Jahre auf sich warten. Ironischerweise lag das auch daran, dass die Eiszeit-Propheten in einem Punkt recht hatten: Die Aerosole, allen voran das Schwefeldioxid aus ungereinigten Abgasen, hatten die Erde gekühlt - und die globale Erwärmung damit verzögert, letzlich bis in die späten 1980er Jahre hinein. Dann hatten die strengen Abgasbestimmungen die Schwefelemissionen so weit gesenkt, dass die von den Computermodellen vorhergesagte allgemeine Erwärmung immer klarer sichtbar wurde.

Hätte Hansen sich also nur ein paar Jahre gedulden müssen, und dann hätte er wissenschaftlich belastbare Daten gehabt, mit denen er auch die Öffentlichkeit hätte überzeugen können? Wohl kaum. 1989 gründeten amerikanische Ölfirmen die "Global Climate Coalition", eine Lobbyorganisation, welche die Aufgabe hatte, Zweifel am menschengemachten Klimawandel zu säen. Bereits im Jahr davor hatten die Vereinten Nationen den Weltklimarat IPCC ins Leben gerufen. Die Klimaforscher waren in ihrer Debatte nicht mehr unter sich.