Klimawandel

Schon im 17. und 18. Jahrhundert wurde vereinzelt, wie zum Beispiel von dem Universalgelehrten Robert Hooke, die Idee eines veränderlichen Klimas vertreten, begründet vor allem durch Fossilfunde „tropischer“ Tiere und Pflanzen in gemäßigten Regionen Europas. Einen bedeutenden Fortschritt verzeichnete die beginnende Erforschung des Erdklimasystems durch die Arbeiten von Jean Baptiste Joseph Fourier (1768–1830), der im Jahr 1824 den atmosphärischen Treibhauseffekt erstmals in seinen Grundzügen beschrieb. John Tyndall (1820–1893) identifizierte am Beginn der 1860er-Jahre auf der Basis von labortechnischen Messungen eine Reihe klimawirksamer Gase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Ozon und bestimmte darüber hinaus im Rahmen der damaligen Möglichkeiten ihr jeweiliges Treibhauspotential. Fast zur selben Zeit veröffentlichte der schottische Naturforscher James Croll (1821–1890) unter Einbeziehung der Eis-Albedo-Rückkopplung die erste fundierte Theorie zur Entstehung der Quartären Kaltzeitzyklen.[11] Crolls Theorie wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts von Milutin Milanković und Wladimir Köppen mittels umfangreicher Berechnungen erheblich erweitert und avancierte unter der Bezeichnung Milanković-Zyklen ab etwa 1980 zu einem unverzichtbaren Bestandteil von Quartärforschung und Paläoklimatologie.

Mögliche Auswirkungen eines menschengemachten (anthropogenen) Klimawandels wurden von dem schwedischen Physiker und Chemiker Svante Arrhenius (1859–1927) zur Diskussion gestellt, der neben einer ersten Abschätzung der Klimasensitivität bereits 1906 prognostizierte, dass die industrielle Freisetzung von Kohlenstoffdioxid zwangsläufig zu einem Temperaturanstieg führen müsse. Allerdings ging er davon aus, dass unter Beibehaltung der damaligen CO₂-Emissionen eine globale Erwärmung erst in Jahrhunderten nachweisbar sein würde.[12] Direkte Belege für die Annahme einer stetig steigenden CO₂-Konzentration und einer damit verbundenen Erwärmung konnte ab 1958 der US-amerikanische Forscher Charles David Keeling (1928–2005) vorweisen. Die nach ihm benannte Keeling-Kurve, basierend auf kontinuierlichen Messungen durch ein inzwischen weltweites Stationsnetz (in den letzten Jahrzehnten auch unter Einsatz von Erdsatelliten), nimmt in der Klimatologie einen besonderen Stellenwert ein und gilt als wichtigster Umweltdatensatz des 20. Jahrhunderts.[13]

Klimaveränderungen beruhten in der Erdgeschichte oftmals auf einer Kombination mehrerer Faktoren. Die meisten dieser Klimafaktoren sind mittlerweile wissenschaftlich genau verstanden und zum Teil messtechnisch belegt, andere sind als grundsätzlicher Kausalzusammenhang allgemein anerkannt, und einige sind aufgrund von guten Korrelationen der vermuteten Einflussgrößen mit bestimmten klimatischen Entwicklungen naheliegend, im Detail aber noch nicht endgültig geklärt. Generell wird zwischen positiven und negativen Rückkopplungen unterschieden, wobei positive als selbstverstärkende Rückkopplungen bezeichnet werden (wie Eis-Albedo-Rückkopplung oder Wasserdampf-Rückkopplung) und negative als sich selbst abschwächende oder stabilisierende Rückkopplungen. Ein negativ rückgekoppeltes System wird somit Störungen seiner energetischen Balance ausgleichen und zum ursprünglichen Klimazustand zurückkehren.

Auch während einer erdgeschichtlich ereignisarmen Periode war das Klima nie wirklich stabil und auch abseits der großen Umweltkrisen deutlichen Schwankungen über Zeiträume von mehreren 10.000 oder 100.000 Jahren unterworfen. Als Gründe hierfür kommen in erster Linie Veränderungen der Vegetationsbedeckung mit Rückwirkungen auf Albedo und Kohlenstoffzyklus in Frage, darüber hinaus länger anhaltende vulkanische Aktivitäten mit entsprechender Freisetzung von CO₂, Aerosolen und Schwefeldioxid oder regional auftretende plattentektonische Prozesse wie die Öffnung beziehungsweise Schließung von Meeresstraßen, jeweils verbunden mit einer Verlagerung, Intensivierung oder Abschwächung atmosphärischer und ozeanischer Zirkulationsmuster.

In einigen Hypothesen wird die Auffassung vertreten, dass auf der Skala der Erdgeschichte der Klimaverlauf nicht nur von terrestrischen Faktoren, sondern auch von variierenden kosmischen Strahlungseinflüssen gesteuert wird. So sollen laut dieser Annahme die Kaltzeiten des Phanerozoikums mit regelmäßigen Spiralarmdurchgängen der Sonne und ihrer Heliosphäre korrelieren.[73] Periodisch auftretende kosmische Einflüsse auf die biologische und klimatische Entwicklung sind jedoch nach aktuellem Forschungsstand nur schwach belegt und spielen bestenfalls eine untergeordnete Rolle.[74][75]

Sonne

Von jenen Faktoren, die das irdische Klima von Beginn an prägten und bis heute bestimmen, spielt der externe Einfluss der Sonne auf das Erdklimasystem die wichtigste Rolle. Die in einem thermonuklearen Fusionsprozess erzeugte und abgestrahlte solare Energie ist die Grundlage für die Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde. Nach der im Jahr 2015 erfolgten Festlegung durch die Internationale Astronomische Union beträgt die mittlere Strahlungsintensität in Form der Solarkonstante außerhalb der Erdatmosphäre 1361 W/m². Aufgrund der Exzentrizität der Erdbahn variiert deren Stärke im Jahresverlauf zwischen 1325 W/m² und 1420 W/m². Jedoch ist die Insolation an der Erdoberfläche wesentlich geringer und beläuft sich bei sommerlicher Mittagssonne in Zentraleuropa bei klarem Himmel auf etwa 700 W/m², im Winter hingegen nur auf knapp 250 W/m².

Die Bezeichnung Solarkonstante ist etwas irreführend, da diese – wenngleich innerhalb enger Grenzen – zyklischen Schwankungen unterliegt (etwa 0,1 Prozent sowohl im sichtbaren Bereich als auch in der Gesamtstrahlung) und ursächlich an die Maxima- und Minimaperioden der Sonnenflecken und damit an die unterschiedlichen Aktivitätsperioden der Sonne gekoppelt sind.[76]

Entstehung eines Sonnenflecks: Gebündelte Magnetfeldlinien dringen aus dem Inneren der Sonne zur Oberfläche vor.

Diese Schwankungen beruhen auf mehr oder minder regelmäßigen Veränderungen des solaren Magnetfelds und gehen mit einer sichtbaren Fluktuation der Sonnenflecken einher. Die beiden Hauptzyklen sind der Schwabe-Zyklus (11 Jahre) und der Hale-Zyklus (22 Jahre). Neben dem Gleißberg-Zyklus (85 ± 15 Jahre) wurde eine Reihe längerfristiger Zyklen postuliert. Das sind im Wesentlichen

• der Suess- oder de-Vries-Zyklus (180–210 Jahre),
• ein 1470-Jahres-Zyklus, der eventuell mit den Dansgaard-Oeschger-Ereignissen der letzten Kaltzeit korreliert,[77]
• der Hallstatt- oder Bray-Zyklus (2400 ± 200 Jahre), möglicherweise die Auswirkung einer alle 2318 Jahre stattfindenden Konstellation der großen Planeten (Gasriesen) im Sonnensystem.[78]

Allerdings kann die Sonne auch jahrzehntelang eine verringerte Aktivität verzeichnen und gewissermaßen in einer „Stillstandsphase“ verharren. Der englische Astronom Edward Maunder untersuchte 1890 die historisch dokumentierte Anzahl der Sonnenflecken und fand eine Pause in den 11-Jahres-Zyklen zwischen 1645 und 1720 (Maunder-Minimum), die ungefähr in der Mitte der sogenannten „Kleinen Eiszeit“ lag. Jedoch waren kühlere wie wärmere Klimaabschnitte (z. B. Wärmeperiode im Mittelalter) regional und zeitlich uneinheitlich verteilt und traten global nur selten und lediglich für wenige Jahrzehnte auf.[79] Entsprechend beschränkte sich die Kernphase der Kleinen Eiszeit – vom Ende des 16. bis etwa zur Mitte des 19. Jahrhunderts – sehr wahrscheinlich in unterschiedlich starker Ausprägung auf die Nordhemisphäre.[80] Dies relativiert den Einfluss der Sonne insofern, da neben den Schwankungen der solaren Einstrahlung auch Faktoren wie vulkanische Aktivitäten, Änderungen der atmosphärischen Zirkulation sowie der Nordatlantischen Oszillation zu berücksichtigen sind.[81]

Rekonstruierte Sonnenaktivität der letzten 2000 Jahre

Für weiter zurückliegende Epochen kann die magnetische Aktivität der Sonne mithilfe der kosmogenen, durch Höhenstrahlung gebildeten Radionuklide ¹⁴C und ¹⁰Be ermittelt werden.[82] Im Prinzip liefert die C14-Methode bei Verwendung einer Kalibrationskurve präzisere Resultate (DeVries-Effekt), kann aber aufgrund der vergleichsweise geringen Halbwertszeit des ¹⁴C-Isotops von 5.730 Jahren für längere Zeitskalen nicht eingesetzt werden. Im Unterschied dazu beträgt die Halbwertszeit des Beryllium-Isotops ¹⁰Be 1,51 Millionen Jahre und eignet sich deshalb für einen Analysezeitraum bis zu 10 Millionen Jahre. Die Konzentration von ¹⁰Be korreliert mit der kosmischen Strahlung und damit indirekt mit der Stärke des Erdmagnetfelds und der Sonnenaktivität. Zudem weisen hohe ¹⁰Be-Anteile – gleichbedeutend mit geringer Sonnenaktivität – auf ebenfalls erhöhte Aerosolkonzentrationen in der Atmosphäre hin.

Die seit 1978 mit Satelliten gemessenen Änderungen der Solarkonstante und Sonnenaktivität sind zu gering, um als Erklärung für die Temperaturentwicklung der letzten Jahrzehnte in Frage zu kommen.[83][84][85] Alle Datensätze deuten darauf hin, dass sich seit Mitte des 20. Jahrhunderts die globale Temperaturentwicklung weitgehend von der Sonnenaktivität abgekoppelt hat.[86] Demnach beträgt der zusätzliche Strahlungsantrieb durch die Sonne seit Beginn der Industrialisierung etwa 0,11 W/m², während die anthropogenen Treibhausgase mit steigender Tendenz derzeit rund 2,8 W/m² zur Erwärmung beisteuern.[87]

Auf der gesamten Zeitskala der Erd- und Klimageschichte hat die Entwicklung der Sonne als Hauptreihenstern im Hertzsprung-Russell-Diagramm primäre Bedeutung. Nach einer relativ kurzen Phase als Protostern begann sie vor 4,6 Milliarden Jahren mit der Energiewandlung durch den Prozess der Kernfusion, bei dem der im Sonnenkern vorhandene Vorrat an Wasserstoff durch die Proton-Proton-Reaktion allmählich in Helium umgewandelt wird. Dieses Stadium dauert rund 11 Milliarden Jahre, wobei in diesem Zeitraum die Leuchtkraft und der Radius der Sonne konstant zunehmen. Das bedeutet, dass die Sonne am Beginn ihrer Existenz (und gleichzeitig am Beginn der Erdgeschichte) nur 70 Prozent der gegenwärtigen Strahlungsleistung aufwies und dass diese Strahlung im Durchschnitt alle 150 Millionen Jahre um etwa 1 Prozent bis auf den heutigen Wert zunimmt und auch weiter zunehmen wird. Dieses sogenannte Paradoxon der schwachen jungen Sonne (englisch Faint Young Sun Paradox) verkörpert nicht nur einen elementaren Klimafaktor über Jahrmilliarden, sondern führt auch zu grundlegenden Fragen zur Entstehung und zur Kontinuität des irdischen Lebens, die aktuell auf breiter Basis interdisziplinär diskutiert werden, vor allem in den Atmosphärenwissenschaften.[88]

Erdumlaufbahn, Präzession und Achsneigung

Die Erdbahn um die Sonne, die Präzession der Erdrotationsachse sowie die Neigung der Erdachse und damit die wechselnden Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung auf der Nord- und Südhemisphäre unterliegen verschiedenen Zyklen mit einer Dauer von 25.800 bis etwa 100.000 beziehungsweise 405.000 Jahren. Sie wurden zuerst von dem serbischen Astrophysiker und Mathematiker Milutin Milanković (1879–1958) im Hinblick auf geowissenschaftliche Fragestellungen untersucht und berechnet. Die durch die Milanković-Zyklen verursachten Schwankungen der Insolation auf die Erdoberfläche fallen relativ geringfügig aus, sind jedoch für einen sich ändernden Bestrahlungsanteil der Hemisphären mit ihrem unterschiedlichen Landmassenanteil verantwortlich und fungieren im Klimasystem somit als „Impulsgeber“. Sie gelten als Hauptursache für den Wechsel der Warm- und Kaltphasen innerhalb des gegenwärtigen Eiszeitalters.[2] Zum Beispiel bewirkte die von den Orbitalparametern eingeleitete leichte Temperaturerhöhung einen Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration, was in der Folge zu einer weiteren Erwärmung und zu einem Übergang von einer Kalt- zu einer Warmzeit führte, wobei beide Anstiege nach neueren Untersuchungen in vielen Fällen fast synchron verliefen.[89]

Obwohl der Prozess einer sich allmählich verändernden Insolation erhebliche Zeiträume beansprucht, kann er über Jahrtausende messtechnisch nachgewiesen werden. So belegen Sedimentbohrkerne aus der Tiefsee ein holozänes Klimaoptimum vor etwa 8.000 bis 6.000 Jahren, dessen Temperaturwerte auf globaler Basis erst im 21. Jahrhundert wieder erreicht und inzwischen wahrscheinlich übertroffen wurden.[90] Durch die Abnahme der Sonneneinstrahlung in nördlichen Breiten während des Sommermaximums, gekoppelt an die Periodizität der Milanković-Zyklen, fand seitdem ein leichter Temperaturrückgang von durchschnittlich 0,10 bis 0,12 °C pro Jahrtausend statt.[72] Dieser Abkühlungstrend würde normalerweise dazu führen, dass auf das Interglazial des Holozäns in 30.000 bis 50.000 Jahren eine neue Kaltzeit folgt. Ob dieses Ereignis wie prognostiziert eintritt oder ob die gegenwärtige Warmzeit von längerer Dauer sein wird, hängt zum größten Teil davon ab, in welchem Umfang anthropogene und natürliche Treibhausgase zukünftig in die Atmosphäre gelangen.[91]

Die periodischen Veränderungen der Erdbahnparameter sind als stabile Einflussgröße über große Teile des Phanerozoikums nachweisbar, selbst in den vorwiegend tropisch geprägten Klimata der Kreidezeit.[92] So konnte der Großzyklus mit 405.000 Jahren nach neuen Analysen bis in die Obertrias vor rund 215 Millionen Jahren zurückverfolgt und chronologisch eingeordnet werden.[93] Auch für die während des Permokarbonen Eiszeitalters auftretenden Klimaschwankungen im späten Karbon (etwa 315 bis 299 mya) wird den Milanković-Zyklen ein signifikanter Einfluss zugeschrieben.[38] Nach neueren Erkenntnissen könnten die periodischen Veränderungen der Exzentrizität auch den Kohlenstoffkreislauf innerhalb der verschiedenen Erdsphären beeinflussen.[94] Dies gilt besonders für die Klimaentwicklung im Verlauf des Känozoikums, wobei der Exzentrizitätszyklus als zeitlicher Maßstab für eine genauere Analyse der verschiedenen Klimazustände und deren Übergänge eingesetzt wird.[95]

Jahrzehntelang nahm die Fachwelt von den als spekulativ beurteilten Berechnungen Milanković’ kaum Notiz. Seit den 1980er Jahren ist die Theorie jedoch in modifizierter und erweiterter Form fester Bestandteil von Paläoklimatologie und Quartärforschung und wird vielfach als wichtiger erdgeschichtlicher Einflussfaktor sowie als Instrument zur Rekonstruktion der Kaltzeitphasen herangezogen.[91][93] In der nachstehenden Tabelle sind die wichtigsten Eckdaten der Milanković-Zyklen zusammengefasst.

Maximaler und minimaler Neigungsbereich der Erdachse

Erdbahnparameter	Zyklusdauer	Schwankungsbreite	Gegenwärtiger Status
Präzession der Erdrotationsachse	ca. 025.800 Jahre	360° (Vollkreis) innerhalb eines kompletten Zyklus	Entwicklung zur prägnanteren Ausbildung der Jahreszeiten auf der Nordhemisphäre mit längeren Wintern
Neigungswinkel der Erdachse zur Ekliptik	ca. 041.000 Jahre	zwischen 22,1° und 24,5°	23,43° (mit Tendenz zum Minimum)
Exzentrizität der Erdumlaufbahn	ca. 100.000 bzw. 405.000 Jahre1)	von 0,0006 (fast kreisförmig) bis 0,058 (leicht elliptisch)	0,016 (mit Tendenz zur kreisförmigen Umlaufbahn)

¹⁾ 

Nächstes Minimum der Exzentrizität mit 0,0023 in 27.500 Jahren, absolutes Minimum mit 0,0006 in über 400.000 Jahren

Treibhausgase

Klimaänderungen im Lauf der Klimageschichte

Der CO₂-Gehalt der Atmosphäre der letzten 60 Millionen Jahre bis zum Jahr 2007. Die Vergletscherung der Arktis und Antarktis während des Känozoischen Eiszeitalters fällt in diesen Zeitraum.

In der irdischen Atmosphäre sind mehr als 20 Treibhausgase natürlichen und anthropogenen Ursprungs nachweisbar, darunter hochwirksame Klimagase wie Distickstoffmonoxid (Lachgas), Schwefelhexafluorid und Carbonylsulfid. Obwohl im Hinblick auf prägnante Klimawandel-Ereignisse der Vergangenheit neben dem Wasserdampf nahezu ausschließlich Kohlenstoffdioxid und Methan eine primäre Rolle spielten, ist die Bedeutung der übrigen Treibhausgase durchaus relevant, da sie gegenwärtig in ihrer Gesamtwirkung fast dasselbe Treibhauspotential wie das Kohlenstoffdioxid aufweisen.[96]

Im Unterschied zu Stickstoff, Sauerstoff und allen Edelgasen sind Treibhausgase dank ihrer molekularen Struktur infrarot-strahlungsaktiv. So kann beispielsweise CO₂ die solare Wärmeenergie bei Wellenlängen von 4,26 µm und 14,99 µm absorbieren und diese in Richtung Erdoberfläche re-emittieren. Aufgrund dieses Treibhauseffekts, der bereits 1824 von Joseph Fourier erstmals beschrieben wurde, erhöht sich die oberflächennahe Durchschnittstemperatur im mathematisch-physikalischen Modell um annähernd 33 °C auf +14 bis +15 °C. Ohne Treibhauswirkung würde die untere Atmosphäre im globalen Mittel lediglich −18 °C aufweisen und zu einer kompletten Vereisung des Planeten führen (wobei das Temperaturniveau aufgrund mehrerer Wechselwirkungen wahrscheinlich noch weiter absinken würde).

Das wichtigste und seinem Einfluss nach stärkste Treibhausgas ist der Wasserdampf, dessen Anteil am natürlichen Treibhauseffekt je nach geographischen Gegebenheiten beziehungsweise Klimazone zwischen 36 und 70 Prozent schwankt.[97] Da der atmosphärische Wasserdampfgehalt unmittelbar von der Lufttemperatur abhängt, nimmt seine Konzentration bei niedrigeren Durchschnittstemperaturen ab und steigt während einer Erwärmungsphase an (Wasserdampf-Rückkopplung), wobei nach der Clausius-Clapeyron-Gleichung die Atmosphäre pro Grad Temperaturzunahme 7 Prozent mehr Wasserdampf aufnehmen kann.

Die atmosphärische Konzentration von Kohlenstoffdioxid wird üblicherweise in ppm (= Teile pro Million) angegeben, die von Methan in ppb (= Teile pro Milliarde). Bedingt durch menschliche Einflüsse hat sich seit Beginn des Industriezeitalters der Gehalt an Kohlenstoffdioxid auf über 400 ppm erhöht (vorher 280 ppm) und der von Methan auf knapp 1.900 ppb (vorher 800 ppb). Dies sind die höchsten Konzentrationen seit mindestens 800.000 Jahren.[98] Mit hoher Wahrscheinlichkeit traten auch während der letzten 14 Millionen Jahre (seit dem Klimaoptimum des Mittleren Miozäns) keine signifikant höheren CO₂-Werte als im bisherigen 21. Jahrhundert auf.[99] Es gab gleichwohl erdgeschichtliche Epochen mit erheblich größeren CO₂-Anteilen, wie im Kambrium vor rund 500 Millionen Jahren, als die Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Bereich von 5.000 bis 6.000 ppm lag. Rückschlüsse zur Gegenwart sind allerdings problematisch, da die damaligen Bedingungen (unter anderem die im Vergleich zu heute um 4 bis 5 Prozent verminderte Sonneneinstrahlung, das komplette Fehlen von Landpflanzen und damit verbunden ein veränderter organischer Kohlenstoffzyklus) in keiner Weise auf das Holozän übertragbar sind.

Nicht immer waren Kohlenstoffdioxid und/oder Methan die Hauptfaktoren eines Klimawandels. Sie fungierten in der Erdgeschichte manchmal als „Rückkopplungsglieder“, die begonnene Entwicklungen je nach geophysikalischer Konstellation verstärkten, beschleunigten oder abschwächten.[100] In diesem Zusammenhang sind neben den Erdbahnparametern auch Feedbacks wie die Eis-Albedo-Rückkopplung, die Vegetationsbedeckung, Verwitterungsprozesse und die Variabilität des Wasserdampfgehaltes in der Atmosphäre zu berücksichtigen.[101]

Über die gesamte Dauer des Phanerozoikums betrachtet nahm die CO₂-Konzentration im Laufe von 540 Millionen Jahren ab; dabei schwankte sie stark. So lagen vor rund 300 Millionen Jahren während des Permokarbonen Eiszeitalters, am Übergang vom Karbon zum Perm, die CO₂-Werte bei durchschnittlich 300 ppm[38] und sanken im frühen Perm möglicherweise auf etwa 100 ppm.[35] 50 Millionen Jahre später, während der Supertreibhaus-Phase an der Perm-Trias-Grenze, erreichte hingegen das CO₂-Äquivalent aufgrund großflächiger Flutbasalt-Ausflüsse und weiterer Rückkopplungsprozesse in geologisch sehr kurzer Zeit ein Level von etwa 3.000 ppm.[43]

Basierend auf den Erkenntnissen und Daten der Paläoklimatologie wird in der Wissenschaft übereinstimmend angenommen, dass der gegenwärtig zu beobachtende Klimawandel im vorhergesagten weiteren Verlauf rascher vonstattengehen wird als alle bekannten Erwärmungsphasen des Känozoikums (das heißt während der letzten 66 Millionen Jahre).[102][103] Selbst während der Wärmeanomalie des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximums (PETM) hatte der atmosphärische Kohlenstoffeintrag und die damit gekoppelte Temperaturerhöhung im jährlichen Durchschnitt erheblich geringere Steigerungsraten als gegenwärtig.[61]

Im Unterschied zu früheren Annahmen wird sich der zusätzliche anthropogene CO₂-Eintrag selbst bei einem weitgehenden Emissionsstopp nur allmählich verringern und in signifikantem Umfang noch in mehreren tausend Jahren nachweisbar sein,[104] da Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre durch natürliche physikalische und biogeochemische Prozesse im Erdsystem nur sehr langsam abgebaut wird. Das deutsche Bundesumweltamt geht davon aus, dass nach 1000 Jahren noch etwa 15 bis 40 Prozent in der Atmosphäre verbleiben.[105] Aufgrund dieser Faktenlage postulieren einige Studien unter Einbeziehung der Erdsystem-Klimasensitivität eine längere Warmzeit im Bereich von 50.000 bis 100.000 Jahren.[106] Als zusätzliche Gefährdungspotenziale wurden verschiedene Kippelemente im Erdsystem identifiziert, die bei weiterer Erwärmungszunahme kurzfristig eine Reihe irreversibler Prozesse auslösen würden.[107] Eine 2019 veröffentlichte Simulation deutet darauf hin, dass bei einer CO₂-Konzentration über 1.200 ppm Stratocumuluswolken zerfallen könnten, was zur Intensivierung der globalen Erwärmung beitragen würde.[108] Dieser Prozess könnte unter diesen Voraussetzungen sowohl während der starken Erwärmungsphasen im Eozän als auch während des Klimaoptimums der Oberkreide zur Geltung gekommen sein.

Plattentektonik

Schematische Darstellung der Prozesse entlang der Plattengrenzen und den damit einhergehenden tektonischen Aktivitäten

Die Plattentektonik als „Antriebsmotor“ aller großräumigen Vorgänge in der äußeren Erdhülle (Lithosphäre) ist in erdgeschichtlichem Maßstab einer der wichtigsten Klimafaktoren mit einer Vielzahl von damit verbundenen Prozessen und Auswirkungen. Dazu zählen die Entstehung von Faltengebirgen (Orogenese), die verschiedenen Formen des Vulkanismus (Hotspots bzw. Manteldiapire, Magmatische Großprovinzen u. a.), die Bildung Mittelozeanischer Rücken, das „Abtauchen“ ozeanischer Kruste unter kontinentale Lithosphärenplatten (Subduktion) sowie die Kontinentaldrift, jeweils mit direkten Folgen für die atmosphärische Konzentration von Treibhausgasen und damit auf den Klimazustand der Erde.

Nach geographischer Definition existieren auf der Erde sieben Kontinente,[109] wobei deren gegenwärtige Lage und Anzahl das Ergebnis einer Entwicklung ist, die vor mehr als 150 Millionen Jahren einsetzte. Während des Paläozoikums und über Teile des Mesozoikums prägten hingegen Groß- und Superkontinente das topographische Bild der Erde. Als Superkontinent gilt eine Landmasse, die nahezu alle Kontinentalplatten in sich vereint. Der erdgeschichtlich jüngste Superkontinent Pangaea, entstanden durch die Verschmelzung der beiden Großkontinente Laurussia und Gondwana, existierte vom Oberkarbon bis in das Mesozoikum (vor 310 bis 150 Millionen Jahren). Die Kollision der Kontinentalplatten führte zu einer Auffaltung der Krustengesteine und zur Entstehung einer Hochgebirgskette entlang der Plattengrenzen. Als sich die Verhältnisse stabilisierten, wurden Verwitterungs- und Abtragungsprozesse zu einem relevanten Klimafaktorː Sie entzogen der Atmosphäre große Mengen an Kohlenstoffdioxid und trugen auf diese Weise tendenziell zu einer weltweiten Abkühlung bei. Millionen Jahre später, nach einer Phase tektonischer Ruhe, brachen die Kontinentalschilde unter erheblicher Zunahme des Flutbasalt-Vulkanismus an ihren „Nahtstellen“ wieder auseinander, was zu einem erneuten Anstieg der CO₂-Konzentration führte.

Kontinentaldrift der letzten 150 Millionen Jahre

Charakteristisch für Groß- und Superkontinente sind ein ausgeprägtes Kontinentalklima mit einer Jahres-Temperaturamplitude bis 50 °C, großflächige Trocken- und Wüstengebiete im Landesinneren sowie eine relativ geringe Artenvielfalt im Faunenbereich.[110] Auf dem Höhepunkt ihrer Ausdehnung erstreckte sich Pangaea von der Nordpolarregion bis in die Antarktis und besaß einschließlich aller Schelfmeere eine Fläche von 138 Millionen km², wovon 73 Millionen km² auf das südkontinentale Gondwana entfielen.[111] Der lange Zeit die südliche Hemisphäre dominierende Großkontinent Gondwana entstand bereits vor etwa 600 Millionen Jahren und umfasste die Kerngebiete (Kratone) von Südamerika, Afrika, Antarktika, Australien, Arabien, Madagaskar, Neuguinea und Indien. Im Laufe seiner geologischen Geschichte wurden weite Gebiete Gondwanas mehrmals von Gletschern und Eisschilden bedeckt, zuerst während des Ordovizischen Eiszeitalters (auch Hirnantische Eiszeit oder Anden-Sahara-Eiszeit). Es begann vor rund 460 Millionen Jahren im Oberen Ordovizium, erreichte seinen Höhepunkt auf der letzten ordovizischen Stufe des Hirnantiums und endete im Unteren Silur vor 430 Millionen Jahren.

Während des Permokarbonen Eiszeitalters (Karoo-Eiszeit) wurde Gondwana erneut zum Zentrum umfangreicher Vereisungen. Dies betraf vor 359 bis 318 Millionen Jahren das heutige südliche Afrika sowie große Teile Südamerikas. In einer zweiten Vereisungsphase im Pennsylvanium vor 318 bis 299 Millionen Jahren verlagerten sich die Eisschilde auf die Kratone von Indien und Australien, ehe während des Dwyka-Glazials (bis vor 280 Millionen Jahren) das südliche Afrika abermals vergletscherte. Die Permokarbone Eiszeit war das zweitlängste Eiszeitalter der Erdgeschichte. Es umfasste einen großen Teil des Karbons und endete im Verlauf des Perms vor etwa 265 Millionen Jahren.[112] Die über Jahrmillionen kaum veränderte Position Gondwanas im Umkreis der Antarktis trug wesentlich zur Entstehung der beiden paläozoischen Glazialperioden bei, da polarnahes Festland aufgrund der relativ hohen Albedo schneller und effektiver vereist als offene Meereszonen und dieser Prozess durch die Eis-Albedo-Rückkopplung an Eigendynamik gewinnt.

Der Superkontinent Pangaea im Unterperm vor ca. 280 Millionen Jahren

Wie nahezu jeder natürliche Klimawandel beruhte auch das Ereignis des Permokarbonen Eiszeitalters auf mehreren Faktoren. Das waren zusätzlich zu der oben geschilderten Festlandsvereisung die folgenden, sich gegenseitig verstärkenden Mechanismen:

• Durch die während des Karbons weiter zunehmende Vegetationsbedeckung in Verbindung mit der Ausbreitung tief wurzelnder und das Erdreich aufspaltender Gewächse[36] sowie umfangreichen Inkohlungsprozessen fiel die atmosphärische CO₂-Konzentration auf einen bis dahin einmaligen Tiefstwert.[37] Diese Entwicklung trug maßgeblich dazu bei, dass gegen Ende der Epoche und im frühen Perm mehrere ausgeprägte Klimawechsel stattfanden, mit einer an die verschiedenen Kalt- und Warmphasen gekoppelten Schwankungsbreite des CO₂-Levels von 150 bis 700 ppm.[38]
• Bedingt durch den extrem hohen Sauerstoffgehalt von 33 bis 35 Prozent traten im Oberen Karbon die wahrscheinlich verheerendsten Wald- und Flächenbrände der Erdgeschichte auf,[113] mit der möglichen Nebenwirkung eines weltumspannenden, das Sonnenlicht dämpfenden Rauch- und Dunstnebels.[114]^{S. 443 f.}
• Nachdem sich Laurussia und Gondwana zum Superkontinent Pangaea und damit zu einer riesigen Festlandsbarriere vereinigt hatten, stockte der Wasser- und Wärmeaustausch der äquatorialen Meeresströmungen, und antarktisches Kaltwasser strömte an den Küsten Gondwanas entlang nach Norden. Dies trug dazu bei, den bereits herrschenden Abkühlungstrend nochmals zu intensivieren.

Ein weiteres Beispiel für die klimatische Relevanz der Plattentektonik bietet die jüngere Erdgeschichte mit der Entstehung der heute etwa 480 Seemeilen breiten Drakestraße, die den Atlantik mit dem Pazifischen Ozean verbindet. Bis in das späte Eozän existierte zwischen Antarktika und Südamerika – als umfangreicher Rest des ehemaligen Großkontinents Gondwana – eine aufgrund mehrerer plattentektonischer Prozesse zunehmend fragiler werdende Landbrücke, ehe sich die Drakestraße unter ständiger Vertiefung zu öffnen begann.[115] Dadurch entstand im Südpolarmeer die stärkste Meeresströmung der Erde, der Antarktische Zirkumpolarstrom, der Antarktika von nun an im Uhrzeigersinn umkreiste, den Kontinent von der Zufuhr wärmeren Meerwassers abschnitt und die Grundlage für die Bildung des Antarktischen Eisschildes schuf. Somit war Antarktika nicht nur geographisch, sondern auch thermisch isoliert. Die erste signifikante Vereisung an der Eozän-Oligozän-Grenze vor 33,9 Millionen Jahren war gleichbedeutend mit dem Beginn des Känozoischen Eiszeitalters,[116] und im Verlauf des Pliozäns erreichte die Eisbedeckung erstmals die heutige Ausdehnung von etwa 14 Millionen km².

Magmatische Großprovinzen

Der Columbia-Plateaubasalt, eine hauptsächlich im Miozän aktive Magmatische Großprovinz im Westen der USA

In erdgeschichtlichem Rahmen waren sogenannte Magmatische Großprovinzen (englisch Large Igneous Provinces) die Ursache für tiefgreifende und relativ rasch verlaufende Klimawandel-Ereignisse.[127] Dabei handelt es sich um den großvolumigen Austritt magmatischer Gesteine aus dem Erdmantel, überwiegend in Form von Flutbasalten, die sich im Verlauf von einigen Hunderttausend Jahren gelegentlich über Millionen km² ausbreiteten. In Abhängigkeit von Ausmaß und Dauer der Flutbasalt-Freisetzung gelangten erhebliche Mengen an Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre, daneben in signifikantem Umfang auch Chlorwasserstoff, Fluor und Schwefeldioxid. Im Unterschied zum „normalen“ Vulkanismus bewirkten die Aktivitäten einer Magmatischen Großprovinz keine aerosolbedingte Abkühlung, sondern führten im Gegenteil zu einer weltweiten Temperaturzunahme, im Extremfall gekoppelt mit einer zusätzlichen Erwärmungsspirale unter Mitwirkung von Methan beziehungsweise Methanhydrat aus ozeanischen Lagerstätten.[43] Sehr wahrscheinlich stehen die meisten Massenaussterben der Erdgeschichte mit dem großflächigen Ausfluss von Flutbasalten und der anschließenden Destabilisierung terrestrischer und mariner Biotope in direkter Verbindung.[127]

Bekannte Magmatische Großprovinzen, die in unterschiedlich starker Weise einen Einfluss auf Klima und Biodiversität ausübten, sind der Sibirische Trapp (Perm-Trias-Grenze, 252 mya), der Dekkan-Trapp im heutigen Westindien (Kreide-Paläogen-Grenze, 66 mya)[128] sowie der nordamerikanische Columbia-Plateaubasalt (Mittleres Miozän, Hauptaktivität 16,7 bis 15,9 mya).[129][130]

Weitere klimawirksame Faktoren

Die gegenwärtige Thermohaline Zirkulation (ohne antarktischen Zirkumpolarstrom)

Weitere Faktoren, die das Klima nachhaltig beeinflussen können bzw. in der Vergangenheit beeinflusst haben:

• Die Albedo als Maß des Rückstrahlvermögens nicht selbst leuchtender Oberflächen, im Erdsystem abhängig von der Ausdehnung der Ozeane, Eisschilde, Wüsten und Vegetationszonen
• Organismen, die im Laufe der Erdgeschichte durch Fixierung oder Produktion von Treibhausgasen klimawirksame Effekte hervorgerufen haben, wie Korallen, Methanbildner, das Phytoplankton und Pflanzen wie der Schwimmfarn Azolla
• Veränderungen der atmosphärischen Zirkulation, Monsun
• Veränderungen der Meeresströmungen: Thermohaline Zirkulation, Nordatlantische Oszillation, Southern Oscillation Index, El Niño (ENSO)
• Meeresspiegelschwankungen (Eustasie), hervorgerufen entweder durch die Bindung von Wasser in kontinentalen Eisschilden (bzw. deren Abschmelzen) oder durch Änderungen des Ozeanbeckenvolumens infolge tektonischer Verschiebungen
• Der Wärmeinhalt der Ozeane
• Der Mond durch seinen Einfluss auf die Gezeiten und damit auf die großen Meeresströmungen
• Der temperaturabhängige Wasserdampfgehalt der Atmosphäre und die Wolkenbildung[131][108]
• Die Vegetationsbedeckung in ihrer Funktion als Kohlenstoffsenke
• Verwitterungsprozesse binden über längere Zeiträume atmosphärisches CO₂ in der Lithosphäre (Carbonat-Silicat-Zyklus) und kommen in Abhängigkeit von den jeweiligen Umweltbedingungen wie Warm- oder Kaltzeiten unterschiedlich stark zur Geltung
• Der positive Feedbackprozess der Eis-Albedo-Rückkopplung

Globale durchschnittliche Temperaturanomalie 1850–2016[132]

Ursachen der gegenwärtig beobachteten globalen Erwärmung (Zeitraum 1750–2011) (Stand 2018)

Neben den natürlichen Faktoren beeinflusst der Mensch das Klima vor allem seit Beginn der Industrialisierung in erheblichem und weiter zunehmendem Umfang: Der „Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen“ (Intergovernmental Panel on Climate Change) (IPCC), der den Stand der Wissenschaft im Auftrag der Vereinten Nationen zusammenfasst, kam 2007 zu dem Schluss, dass die Erwärmung der Atmosphäre und der Ozeane seit Beginn der Industrialisierung vor allem auf der Freisetzung von Treibhausgasen durch den Menschen beruht,[133] wobei die zunehmende Kohlenstoffdioxid-Konzentration und ihr messbarer Einfluss auf die Strahlungsbilanz den Hauptfaktor des Erwärmungsprozesses bildet.[90] Aktuelle Analysen kommen zu dem Ergebnis, dass die anthropogenen Klimagas-Emissionen im bisherigen 21. Jahrhundert im Jahresdurchschnitt jene des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximums um etwa das Zehnfache übertreffen.[61] Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts rechnet der IPCC abhängig von verschiedenen Faktoren wie der weiteren Emissionsentwicklung im ungünstigsten Fall (repräsentativer Konzentrationspfad RCP 8.5), der sehr stark auf die Nutzung fossiler Energien setzt, mit einem Temperaturanstieg im wahrscheinlichen Bereich von 2,6 °C bis 4,8 °C (Mittelwert=3,7 °C). Im günstigsten Szenario (RCP 2.6), das sehr ambitionierte Klimaschutzmaßnahmen modelliert, umfasst die wahrscheinliche Spannbreite 0,3 °C bis 1,7 °C (Mittelwert=1,0 °C).[134]^:60

Der IPCC schreibt in seinem 2014/2015 erschienenen fünften Sachstandsbericht, dass es extrem wahrscheinlich ist, dass die Menschen mehr als 50 Prozent der 1951–2010 beobachteten Erwärmung verursacht haben. Nach der besten Schätzung stimmt der menschliche Einfluss auf die Erwärmung in etwa mit der insgesamt beobachteten Erwärmung während dieses Zeitraums überein.[134]^:5 Eine Analyse von 2014 beziffert die Wahrscheinlichkeit, dass der in den letzten 60 Jahren registrierte Anstieg der Globaltemperatur ohne anthropogene Treibhausgas-Emissionen ähnlich hoch ausgefallen wäre, mit lediglich 0,001 %.[135] Mehrere Studien stellen übereinstimmend fest, dass im Unterschied zu vorindustriellen Klimaschwankungen der aktuelle Erwärmungsprozess gleichzeitig auf allen Kontinenten auftritt, in seiner rapiden Entwicklung von keiner Klimaveränderung der letzten zweitausend Jahre übertroffen wird[136][137] und wahrscheinlich auch ohne vergleichbares Beispiel in der jüngeren Erdgeschichte ist.[61] Eine detaillierte Auswertung paläoklimatologischer Datenreihen erbrachte das Resultat, dass die im bisherigen 21. Jahrhundert stattgefundene Erwärmung die Temperaturwerte des Holozänen Klimaoptimums (vor etwa 8000 bis 6000 Jahren) mit hoher Wahrscheinlichkeit übertrifft.[138]

Der sich voraussichtlich in den nächsten Jahrzehnten weiter verstärkende Klimawandel besitzt das Potential, neben gravierenden Umweltveränderungen[139] weltweite Konflikte und in erheblichem Ausmaß einsetzende Migrationsbewegungen auszulösen („Klima“- bzw. „Umweltflucht“).[140][141] Ein wesentlicher Aspekt der gegenwärtigen Entwicklung ist der Klimaschutz als übergeordneter Begriff für jene Maßnahmen, die die absehbaren Folgen der globalen Erwärmung abschwächen und nach Möglichkeit verhindern sollen. Als primäre Aufgabe gilt hierbei die nachhaltige und rasche Reduzierung der anthropogenen CO₂-Emissionen.[142]

Der Generalsekretär der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) Petteri Taalas erklärte Ende 2018, „dass wir die erste Generation sind, die den Klimawandel vollauf versteht, und die letzte Generation, die in der Lage ist, etwas dagegen zu tun“.[143]

Seit Beginn des Archaikums vor vier Milliarden Jahren herrschten auf der Erde Bedingungen, unter denen – ungeachtet erheblicher Klimaschwankungen – durchgehend flüssiges Wasser als Lebensgrundlage irdischer Organismen existierte. Im Gegensatz dazu wird in der Wissenschaft vielfach angenommen, dass sowohl die Venus als auch der Mars in früheren Entwicklungsstadien eine relativ lebensfreundliche Umwelt besaßen, die jedoch durch eine Reihe irreversibler Prozesse in den gegenwärtigen Klimazustand transformiert wurde und mit hoher Wahrscheinlichkeit nunmehr außerhalb der habitablen Zone angesiedelt ist.[144]

So besteht die sehr dichte Atmosphäre der Venus aus 96,5 Prozent Kohlenstoffdioxid aus vulkanischen Quellen, das als Auslöser und Antrieb eines Galoppierenden Treibhauseffekts maßgeblich dazu beitrug, dass die Temperatur an der Planetenoberfläche im Mittel über 460 °C erreicht. Eine neuere Hypothese postuliert als Ursache für die extrem hohe CO₂-Konzentration, dass vor rund 700 Millionen Jahren umfangreiche Magmaausflüsse große Teile des Planeten erfassten, dabei entsprechende Mengen an Kohlenstoffdioxid freisetzten und nach ihrer Erstarrung eine Barriere bildeten, die eine Wiedereinbindung der Ausgasungen in Verwitterungsgestein verhinderte.[145] Darüber hinaus ist ein Kohlenstoffkreislauf auf der Basis des Carbonat-Silicat-Zyklus ohne ein ausreichendes Vorkommen an flüssigem Wasser – zum Beispiel in Form von Niederschlägen – nicht möglich. Nach verschiedenen Szenarien könnte die Venus vor dieser Zäsur über einen Zeitraum von drei Milliarden Jahren bei Temperaturen zwischen 20 und 50 °C ein stabiles Klima sowie einen weltumspannenden flachen Ozean besessen haben.

Kasei Vallis, das größte Stromtal des Mars

Auch für den frühen Mars wird ein ähnliches Klimamodell diskutiert, mit der Annahme einer wesentlich dichteren Atmosphäre, eines komplexen hydrologischen Systems sowie der möglichen Existenz eines Ozeans in der nördlichen Hemisphäre, der ein Drittel der Planetenoberfläche bedeckte.[146] Bestimmte Strukturen der heutigen Marstopographie erinnern an Flussdeltas oder Abflussrinnen und werden häufig als Hinterlassenschaft ehemaliger Fließgewässer gedeutet. Andere Studien widersprechen diesem „Warmklima-Entwurf“ und gehen eher von einer glazial geprägten Frühphase des Planeten aus, mit der Folge eines sehr eingeschränkten Wasserkreislaufs.[147] Einigkeit herrscht darüber, dass die geringe Schwerkraft des Mars und sein nur schwach ausgeprägtes Magnetfeld die weitgehende Abtragung der ursprünglich dichteren Lufthülle durch den Sonnenwind begünstigte, bis hin zum gegenwärtigen Luftdruck, der mit 6,36 hPa (Hektopascal) jenem der irdischen Atmosphäre in 32 bis 35 Kilometer Höhe entspricht. Da die dünne Marsatmosphäre die einfallende Sonnenwärme nur in sehr begrenztem Umfang speichern kann, liegt die durchschnittliche Oberflächentemperatur bei ungefähr −55 °C.

Genauere Aufschlüsse über vergangene Klimawandel-Ereignisse sind für den Mars im Zuge robotischer oder bemannter Raumflugmissionen eher zu erwarten als für die Venus, da die dort herrschenden Umweltbedingungen bodengebundene Forschungsprojekte auf absehbare Zeit kaum zulassen.

Im Folgenden werden einige international renommierte Fachjournale mit interdisziplinärer Ausrichtung aufgeführt, deren Impact Factor weit über dem Durchschnitt liegt. Die thematischen Schwerpunkte der einzelnen Publikationen sind unterschiedlich, beschreiben jedoch in der Summe umfassend alle Klimawandel-Ereignisse des Phanerozoikums und des Präkambriums unter Einbeziehung angrenzender Fachgebiete. Das beginnt bei der gegenwärtigen globalen Erwärmung mit besonderem Fokus auf Meteorologie, Atmosphärenwissenschaften und Ozeanographie, erstreckt sich über die Darstellung früherer klimatischer Auswirkungen auf die Biosphäre (Paläontologie und Paläobiologie) bis hin zu verschiedenen klimarelevanten Aspekten von Geologie und Geophysik in erdgeschichtlichen Zeiträumen.

• Nature Climate Change, Herausgeberː Nature Publishing Group (GB), Spracheː englisch, Erscheinungsweiseː monatlich, Linkː offizielle Website, ISSN 1758-678X
• Nature Geoscience, Herausgeberː Nature Publishing Group (GB), Spracheː englisch, Erscheinungsweiseː monatlich, Linkː offizielle Website, ISSN 1752-0894
• Geophysical Research Letters, Herausgeberː American Geophysical Union (USA), Spracheː englisch, Erscheinungsweiseː 14-täglich, Linkː offizielle Website, ISSN 0094-8276
• Geology, Herausgeberː Geological Society of America (USA), Spracheː englisch, Erscheinungsweiseː monatlich, Linkː offizielle Website, ISSN 0091-7613
• Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology („Palaeo3“), Verlagː Elsevier, Spracheː englisch, Erscheinungsweiseː 14-täglich, Linkː offizielle Website, ISSN 0031-0182
• Gondwana Research, Verlagː Elsevier, Spracheː englisch, Erscheinungsweiseː monatlich, Linkː offizielle Website, ISSN 1342-937X
• Earth and Planetary Science Letters, Verlagː Elsevier, Spracheː englisch, Erscheinungsweiseː 2 Ausgaben pro Monat, Linkː offizielle Website, ISSN 0012-821X
• Quaternary Science Reviews, Verlagː Elsevier, Spracheː englisch, Erscheinungsweiseː 14-täglich, Linkː offizielle Website, ISSN 0277-3791

• Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre
• Klimatologie
• Mainauer Deklaration 2015 zum Klimawandel

Commons: Klimawandel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Klimawandel – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Sigrun Laste: Klima macht Geschichte (1): Von der Eiszeit bis in die Antike. Abgerufen am 24. Januar 2020 (auch in der ZDF-Mediathek). und Klima macht Geschichte (2): Von der Antike bis in die Gegenwart. (YouTube) Story House Productions, 2015; abgerufen am 24. Januar 2020 (auch in der ZDF-Mediathek).
• Climateactiontracker (englisch) die Webseite der Climate Action Tracker
• Klimawandel und seine Folgen, Online-Kurs des WWF und Deutschen Klima-Konsortiums auf iversity
• Klimawandel – Informationen des Bundesamts für Meteorologie und Klimatologie (MeteoSchweiz)
• Der Klimawandel: verstehen und handeln - Ein Bildungsprogramm für Schulen der Fakultät für Physik der LMU München, Handbuch – Wissenschaftliche Hintergründe, Experimentieranleitungen, Handlungsanregungen. Fakultät für Physik, Ludwig-Maximilians-Universität. März 2020. In: Klimawandel-Schule.de
• Christian Schwägerl: Klimakrise: Wo beginnt das unkartierte Gelände? in Spektrum.de vom 3. November 2023

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