Erklärt: Radiative forcing

Dies ist der erste Teil eines zweiteiligen „Explained“ über die wissenschaftlichen Konzepte, die dem Konzept des Treibhauseffekts und der globalen Klimaveränderung zugrunde liegen.
Wenn man über die globale Erwärmung oder den Treibhauseffekt spricht, ist das wichtigste wissenschaftliche Konzept, das den Prozess beschreibt, der Strahlungsantrieb. Und trotz der jüngsten Kontroversen über durchgesickerte E-Mails und Vorwürfe wegen unzureichender Quellenangaben im letzten Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) scheinen sich die Wissenschaftler – unabhängig von ihren Ansichten über die globale Erwärmung oder den IPCC – über das Grundkonzept des Strahlungsantriebs einig zu sein. Meinungsverschiedenheiten gibt es bei der Bestimmung des tatsächlichen Wertes dieser Zahl.
Das Konzept des Strahlungsantriebs ist recht einfach. In die Atmosphäre fließt ständig Energie in Form von Sonnenlicht, das immer auf die Hälfte der Erdoberfläche scheint. Ein Teil dieses Sonnenlichts (etwa 30 %) wird in den Weltraum zurückgeworfen, der Rest wird vom Planeten absorbiert. Und wie jedes warme Objekt in einer kalten Umgebung – und der Weltraum ist ein sehr kalter Ort – strahlt immer ein Teil der Energie als unsichtbares Infrarotlicht in den Weltraum zurück. Subtrahiert man die Energie, die nach außen fließt, von der Energie, die nach innen fließt, so muss eine Erwärmung (oder Abkühlung, wenn die Zahl negativ ist) stattgefunden haben.
Es ist, als hätte man einen Wasserkocher voller Wasser, das Zimmertemperatur hat. Das bedeutet, dass sich alles im Gleichgewicht befindet und sich nichts ändert, außer kleinen zufälligen Schwankungen. Aber wenn man ein Feuer unter dem Kessel anzündet, fließt plötzlich mehr Energie in das Wasser als es abstrahlt, und das Wasser wird heißer.
Kurz gesagt, der Strahlungsantrieb ist ein direktes Maß dafür, wie sehr der Energiehaushalt der Erde aus dem Gleichgewicht geraten ist.
Für das Klimasystem der Erde stellt sich heraus, dass die Grenze zwischen der Troposphäre (der untersten Ebene der Atmosphäre) und der Stratosphäre (der sehr dünnen oberen Schicht) die Ebene ist, auf der dieses Ungleichgewicht am sinnvollsten gemessen werden kann. Für alle praktischen Zwecke, wenn es um Wetter und Klima geht, markiert diese Grenze den oberen Rand der Atmosphäre.
Während das Konzept einfach ist, ist die Analyse, die erforderlich ist, um den tatsächlichen Wert dieser Zahl für die Erde im Moment zu ermitteln, viel komplizierter und schwieriger. Viele verschiedene Faktoren wirken sich auf diesen Balanceakt aus, und jeder hat seinen eigenen Grad an Unsicherheit und seine eigenen Schwierigkeiten, genau gemessen zu werden. Und die einzelnen Beiträge zum Strahlungsantrieb können nicht einfach addiert werden, um die Gesamtsumme zu erhalten, da sich einige der Faktoren überschneiden – zum Beispiel absorbieren und emittieren einige verschiedene Treibhausgase dieselben infraroten Wellenlängen der Strahlung, so dass ihr kombinierter Erwärmungseffekt geringer ist als die Summe ihrer Einzeleffekte.
In seinem jüngsten Bericht aus dem Jahr 2007 erstellte der IPCC die bisher umfassendste Schätzung des gesamten Strahlungsantriebs, der heute auf die Erde wirkt. Ronald Prinn, TEPCO-Professor für Atmosphärenwissenschaften und Direktor des MIT Center for Global Change Science, war einer der Hauptautoren dieses Kapitels des Vierten Sachstandsberichts des IPCC. Der Strahlungsantrieb „war in der Vergangenheit sehr gering, als die globalen Durchschnittstemperaturen nicht wesentlich stiegen oder fielen“, erklärt er. Der Einfachheit halber wählen die meisten Forscher ein „Basisjahr“ vor dem Beginn der weltweiten Industrialisierung – in der Regel entweder 1750 oder 1850 – als Nullpunkt und berechnen den Strahlungsantrieb im Verhältnis zu dieser Basis. Der IPCC verwendet das Jahr 1750 als Basisjahr, und es werden die Veränderungen der verschiedenen Strahlungsfaktoren seither gezählt.
Der Strahlungsantrieb, gemessen in Watt pro Quadratmeter Oberfläche, ist somit ein direktes Maß für die Auswirkungen der jüngsten menschlichen Aktivitäten – einschließlich der in die Luft eingebrachten Treibhausgase, aber auch der Auswirkungen der Abholzung, die das Reflexionsvermögen der Oberfläche verändert – auf die Veränderung des Klimas der Erde. Diese Zahl schließt jedoch auch alle natürlichen Effekte ein, die sich in dieser Zeit verändert haben könnten, wie z. B. Veränderungen der Sonneneinstrahlung (die eine leichte Erwärmung bewirkt) und Partikel, die von Vulkanen in die Atmosphäre geschleudert werden (die im Allgemeinen eine sehr kurzlebige Abkühlung oder einen negativen Antrieb bewirken).
Obwohl alle Faktoren, die den Strahlungsantrieb beeinflussen, mit Unsicherheiten behaftet sind, hat ein Faktor einen überwältigenden Einfluss auf die Unsicherheit: die Auswirkungen von Aerosolen (kleine Schwebeteilchen) in der Atmosphäre. Der Grund dafür ist, dass diese Auswirkungen sehr komplex und oft widersprüchlich sind. So wirken beispielsweise helle Aerosole (wie Sulfate aus der Kohleverbrennung) kühlend, während dunkle Aerosole (wie schwarzer Kohlenstoff aus Dieselabgasen) zur Erwärmung führen. Außerdem führt das Hinzufügen von Sulfataerosolen zu den Wolken zu kleineren, aber häufigeren Tröpfchen, die das Reflexionsvermögen der Wolken erhöhen und damit den Planeten abkühlen.
„Die Fehlerbalken beim Treibhausgasantrieb sind sehr klein“, sagt Prinn. „Die größte Unsicherheit bei der Bestimmung des Strahlungsantriebs geht von den Aerosolen aus.“
Wie lautet also die Antwort angesichts all dieser Faktoren und ihrer Fehlerbreite? Nach dem IPCC AR4 beträgt der derzeitige Strahlungsantrieb 1,6 Watt pro Quadratmeter (mit einer Unsicherheitsspanne von 0,6 bis 2,4). Das mag nicht viel klingen, sagt Prinn, bis man die gesamte Landfläche der Erde betrachtet und mit ihr multipliziert, was einen Gesamterwärmungseffekt von etwa 800 Terawatt ergibt – mehr als das 50-fache des durchschnittlichen Energieverbrauchs der Welt, der derzeit bei etwa 15 Terawatt liegt.
Teil zwei dieser Serie wird das Konzept der Klimasensitivität untersuchen, das bestimmt, wie stark sich die Temperatur des Planeten aufgrund eines bestimmten Strahlungsantriebs ändert.