Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) - Weltklimarat: 6. Sachstandsbericht
Die Rechnung von hinten (1)
November 2021
Die Planck-Wärmestrahlung, das ist die natürliche physikalische Abstrahlung eines warmen Körpers, steigt auf der Erde pro Grad Temperatursteigerung um (minus) 3,2 W/m2. Man würde also erwarten, dass eine menschenverursachte Strahlungsleistung von (plus) 2,7 W/m2 (siehe Seite Zahlen heute) eine Temperaturerhöhung von weniger als einem Grad erzeugen würde. In Wirklichkeit beträgt diese heute 1,09oC. Was stimmt nicht an dieser Rechnung?
Die direkte Berechnung der heutigen Strahlungsleistung aller Treibhausgase (2,7 W/m2 inklusive der kühlenden Aerosole) ist noch nicht die ganze Wahrheit. Es gibt eine Anzahl an Rückkopplungen, die die resultierende Temperaturerhöhung beeinflussen:
- Da 91% der Wärmeenergie im Meer gespeichert werden und dieses sich nur langsam aufheizt, gibt es einen Nachlaufeffekt über Jahrhunderte.
- Wasserdampf ist ein Treibhausgas. Luft nimmt pro Grad Celsius Temperatursteigerung 7% mehr Wasserdampf auf, somit verstärkt sich dessen Treibhauseffekt. Auch hier gibt es einen Nachlaufeffekt, da der Wasserdampf ja erst in die Atmosphäre transportiert werden muss. Der Gleichgewichtswert für die zusätzliche Strahlungsleistung wird mit 1,8 W/(m2 oC) angegeben.
- Die obere Troposphäre erwärmt sich in den Tropen stärker als der untere Bereich, was zu erhöhter Abstrahlung und damit einem kühlenden Effekt führt; in Polnähe ist es umgekehrt. Durchschnittlich resultiert eine kühlende Wirkung von -0,5 W/(m2 oC).
- Wolken können kühlend und erwärmend wirken, da sie prinzipiell sowohl Sonnenstrahlen in den Weltraum zurückreflektieren können (kühlend) als auch Infrarotstrahlung von der Erde blockieren können (erwärmend). In Summe ist die globale Wirkung der Wolken kühlend. Die Berechnung der Veränderung durch höhere Temperaturen ergibt für verschiedene Wolkentypen unterschiedliche Ergebnisse. Im globalen Durchschnitt werden 0,42 W/(m2 oC) angegeben, d. h. der Rückkopplungseffekt ist positiv (der kühlende Effekt der Wolken nimmt ab, es wird wärmer als erwartet).
- Durch die geringere Schneebedeckung und - teilweise mit langer Verzögerung - abnehmende Eisflächen verändert sich die Albedo: Die Erde wird dunkler und mehr Sonnenstrahlung wird absorbiert. Der Effekt wird zu 0,35 W/(m2 oC) berechnet.
Die Summe all dieser Rückkopplungseffekte verringert die Abstrahlung der Erde unter den Planckschen Abstrahlungswert von (minus) 3,2 auf (minus) 1,16 W/(m2 oC). Es wird also wärmer als erwartet.
Damit sollte die heutige anthropogene Strahlungsleistung von (plus) 2,7 W/m2 allerdings mehr als zwei Grad Temperaturerhöhung bewirken. Wieder ein Fehler in der Berechnung?
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| Simulation vereinfachter Langzeit-CO2- Szenarien oben: sofortiger vierfacher CO2-Eintrag unten: sofortiger doppelter CO2-Eintrag (gegen vorindustriellen Stand) Quelle: IPCC 2021 (1) |
Das Rätsel klärt sich, wenn die Zeitverzögerungen in die mathematischen Modelle mit einkalkuliert werden.
Dazu wurde der Begriff der Gleichgewichts-Klimasensitivität (ECS, equilibrium climate sensitivity) eingeführt. In diesem Modell wird die vorindustrielle Klimagasmenge, vereinfacht CO2, von 280 auf 560 ppm schlagartig verdoppelt.
Kommentar: Das entspricht einer CO2-Erzeugung von knapp über dem Doppelten des heutigen Standes, oder rund 5000 Gt CO2, etwas mehr als dem "braunen" Szenario im Jahr 2050, siehe Emissionsszenarien.
Die Grafik rechts zeigt solche Berechnungen für eine Verdoppelung und eine Vervierfachung des vorindustriellen CO2. Man erkennt, das nach 50 Jahren nur grob zwei Drittel des Gesamteffektes eingetreten sind, das dritte Drittel ist erst nach mehreren hundert Jahren und später realisiert. Die Gleichgewichts-Endtemperatursteigerung für ECS (Verdoppelung von CO2) wird mit 3,0oC angegeben, die für eine Vervierfachung kann mit knapp 9oC nach 500 Jahren abgelesen werden.
Kommentar: Würde man die Emissionen des "braunen" Szenarios knapp nach 2050 bei einer Temperatursteigerung von dann etwas über 2,2oC in einem Gedankenexperiment schlagartig stoppen, würde die Temperatur im Lauf der Jahrhunderte dennoch auf 3oC weiter ansteigen.
Fazit: Wenn wir jeweils die heutigen Treibhausgaskonzentrationen mit der heutigen Temperatursteigerung proportional setzen und damit zukünftige Effekte abschätzen wollen, machen wir einen Fehler: Durch Nachlaufeffekte steigt die Temperatur über die Jahrhunderte deutlich weiter, selbst wenn wir CO2-Neutralität erreicht haben sollten.
Quellenangaben
(1) Sixth Assessment Report of the IPCC, "Climate Change 2021 - the Physical Science Basis", Working Group I, 2021, dort Chapter 7 "the Earth's energy budget, climate feedbacks, and climate sensitivity"