Klimakrise

Inzwischen steht auch bei den vom World Economic Forum (WEF 2020) alljährlich befragten Wirtschaftsführenden und den von der Allianz befragten Risikoexpert*innen (Allianz 2020) die Klimakrise und ihre Folgen ganz oben auf der Liste der größten Risiken – auch für unsere Unternehmen (vgl. Abbildung 1).

Abbildung 1   Risikoschätzung des Weltwirtschaftsforums: Grafik Hagedorn (verändert nach WEF 2020)

Im WEF Risikobericht vom Januar 2020 nehmen mögliche Folgen der Klimakrise die Top fünf der wahrscheinlichsten Bedrohungen ein (WEF 2020). Dies hat gute Gründe. Viele der bereits in früheren Modellen seit den 1990er Jahren für wahrscheinlich gehaltenen Folgen der menschengemachten Erwärmung sind längst nicht mehr zu ignorieren: Niederschläge verschieben sich, Dürren nehmen zu und führen zu Wassermangel in ariden und semiariden Gebieten, Waldbrände häufen sich, das Eis in der Arktis und Gletscher schmelzen und der Meeresspiegel steigt. Im WEF Risikobericht vom Januar 2021 sind die Coronakrise und damit Pandemien allgemein in den Fokus der Risiken gerückt und nehmen  nun Platz 1 ein (WEF 2021). Auch im Allianz Risk Barometer 2021 sind in der Einschätzung der Befragten Pandemien um 15 Plätze auf Platz 2 vorgerückt und der Klimawandel gegenüber dem Vorjahr von Platz 7 auf Platz 9 gefallen. Die Zahlen und Einschätzungen der Meteorologen und Klimawissenschaftler geben ein anderes Bild.

Eine in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Auswertung von 71 Wirbelstürmen von 1967-2018 hat ergeben, dass diese, wenn sie vom Atlantik auf Land treffen, aufgrund der Klimakrise mittlerweile immer gefährlicher werden, da sie an Land eine höhere Intensität länger aufrecht erhalten. Hintergrund hierfür ist, dass Ozeane durch die Klimakrise wärmer sind, da ein großer Teil des Treibhausgases Kohlendioxid (CO₂) und der weitaus größte Anteil der damit verbundenen Wärmeenergie im Wasser der Ozeane gespeichert werden.

Inzwischen warnen Klimawissenschaftler (z.B. Schwalm et al. 2020; Zeke et al. 2020) immer eindringlicher davor, dass wir uns derzeit auf einem Klimapfad befinden, der dem pessimistischsten der vier Hauptszenarien des Weltklimarates am nächsten kommt. Einen Überblick zu unserem sich verändernden Klima gibt der Klimareport des Deutschen Wetter­dienstes und der Monitoringbericht der Bundesregierung (UBA 2019).

Einen Überblick zur außergewöhnlichen Trockenheit der Jahre 2018-2020 in Deutschland gibt der Dürremonitor des Umweltforschungszentrum Leipzig.

Eine aktuelle Studie stellt fest, dass die Atlantische Meridionale Umwälzströmung (AMOC, auch als Golfstrom bezeichnet) sich in den letzten Jahrzehnten dramatisch verändert hat und ihre Abschwächung beispiellos für die letzten 1000 Jahre ist (Caesar et al. 2021).

Die Klimakrise – Unsere Verantwortung

Ursache Nummer 1 der Klimakrise ist die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Öl und Erdgas und die damit einhergehenden CO_2-Emissionen.

Bei den kumulativen CO₂-Emissionen von 1752 bis 2018 gehören Deutschland und die EU bereits bei den territorialen Emissionen zu den Ländern mit der größten Verantwortung (vgl. Abbildung 2 bis Abbildung 4.

Abbildung 2   Kumulierte Emissionen bis 1988 sowie von 1989 bis 2018 (Daten GCDL)

Abbildung 3   Top 10 der Länder mit den meisten kumulierten CO₂-Emissionen bis 2018 (Daten GCDL) im Vergleich zu den historischen Emissionen ganzer Kontinente, wie Afrika und Südamerika.

Nach Angaben des Global Carbon Atlas liegt Deutschland bei den kumulierten Pro-Kopf-Emissionen bis 2018 auf Platz 3 unter den Top Ten (vgl. Abbildung 4).

Abbildung 4   Top 10 der Länder mit den meisten kumulierten CO₂-Emissionen bis 2018 pro Kopf (Daten GCDL, UN)

Kurzgeschichte der Entdeckung der menschengemachten Klimakrise

Die wissenschaftliche Entdeckung des der Klimakrise zugrundeliegenden menschen­ge­machten Anteils des Treibausgaseffekts liegt lange zurück (TU Braunschweig). Manche schreiben seine Entdeckung Alexander von Humboldt zu (Holl 2019).

Elf Jahre bevor das Thema „menschengemachter Klimawandel“ der Öffentlichkeit bekannt wurde, wusste der große Öl- und Erdgaskonzern Exxon [S2] bereits, dass sein Geschäftsmodell massiv zu einem Problem werden könnte. Das geht aus den zahlreichen internen Dokumenten des Konzerns hervor, die das gemeinnützige Nachrichtenmagazin „InsideClimate News“ ge­sichtet hat.

Bereits im Juli 1977 kam der Exxon-Forscher James Black zu dem Schluss: „Vor allem gibt es einen allgemeinen Konsens in der Wissenschaft, dass die wahrscheinlichste Art und Weise, wie der Mensch das globale Klima beeinflusst, in der Freisetzung von Kohlendioxid durch das Verbrennen fossiler Energieträger besteht.“ Ein Jahr später warnte Black, dass eine Verdopplung der atmosphärischen CO₂-Konzentration die globale Durchschnittstemperatur um zwei bis drei Grad erhöhen würde.

1982 hat die Fa. Exxon die Entwicklung der CO₂-Konzentration und der Temperatur­ent­wicklung bemerkenswert genau eingeschätzt (Abbildung 5).

Abbildung 5   Einschätzung der Fa. Exxon 1982 zum Zusammenhang CO₂-Konzentration in der Atmosphäre und der durchschnittlichen Erderwärmung. (Original Exxon Grafik, Quelle Gregor Hagedorn, CC BY-SA 4.0), vgl. auch Supran et al. 2023.

Die erste öffentliche Konfrontation der Politik mit einer möglichen Klimakrise wird dem NASA-Forscher James E. Hansen im Jahr 1988 zugeschrieben, als er den US-Kongress mit dem damals noch weitgehend unbekannten »menschengemachten Treibhauseffekt« bekannt machte.

„Bei unangenehm hohen Temperaturen schockierte Hansen die anwesenden Politiker mit einer Aussage, die sie größtenteils völlig überraschte: Man könne mit 99-prozentiger Sicherheit sagen, dass die Erdatmosphäre sich erwärme. 1988 sei das heißeste Jahr in der Geschichte der Aufzeichnungen. Kohlendioxid, CO₂, »verändert schon jetzt unser Klima«, sagte Hansen.“ (aus Stöcker 2020)

Seither haben sich die Erwärmung und die Emissionen verdoppelt (vgl. Abbildung 6).

Abbildung 6   Globale Temperaturerwärmung. Quelle Gregor Hagedorn

Seitdem haben unzählige Klimawissenschaftlerinnen und -wissenschaftler in kritisch überprüften Ist-Analysen, Modellierungen, Szenarien und Pro­jek­tionen die wesentlichen physikalischen Grundlagen des menschengemachten Anteils des Treib­haus­­gaseffekts bestätigt. Auch aus anderen Fachgebieten wie z.B. den Geowissenschaften oder der Physik gibt es entsprechende Ergebnisse. Die Wissenschaft kommt unabhängig voneinander immer zu dem gleichen Schluss, ist sich also einig (Klimafakten).

Auf dem Weg in die nächste Heißzeit

Klimawissenschaftler warnen davor, dass wir bereits kurz vor Veränderungen stehen, die ab einem gewissen Punkt unumkehrbar sind. Das heißt irgendwann sind Kipppunkte erreicht. Werden diese überschritten, werden die folgenden Entwicklungen zwangsläufig zu deutlich heißeren Bedingungen auf der Erde führen (Steffen et al. 2018). Dann wäre die Klimakrise durch menschliches Handeln kaum mehr beeinflussbar. Bei welchen Konzentrationen an Treibhausgasen oder welchem Temperaturanstieg diese Entwicklung genau einsetzt, ist aufgrund der komplexen Zusammenhänge nur eingeschränkt vorhersehbar. Es spricht jedoch wissenschaftlich vieles dafür, dass dies bereits bei einem Temperaturanstieg von 1,5-2,0°C über dem vorindustriellen Niveau und damit in wenigen Jahrzehnten einsetzen könnte.

Schon ein paar einfache Überlegungen machen die Aussagen der Wissenschaft plausibel. Die Luft- und Wasserströmungen der Erde werden durch die Energie der Sonne angetrieben, das lässt sich unmittelbar nachvollziehen. Am Tage kommt Energie hinzu, in der Nacht strahlt sie wieder ab. Wieviel Energie zu- und abfließt, hängt von vielen Faktoren ab. Von Wolken in der Nacht wissen wir beispielsweise, dass sie eine stärkere Abkühlung (Abstrahlung) verhindern, während ein wolkenloser Himmel kühle oder je nach Jahreszeit und Region auch eiskalte Nächte erwarten lässt.

Ähnlich wie der Wasserdampf oder Eiskristalle der Wolken haben Treibhausgase die Eigen­schaft Wärmestrahlung zu absorbieren und wieder zu re-emittieren. Wenn wir durch den zunehmenden Ausstoß von Treib­haus­gasen die Abstrahlung in den Weltraum verringern, bleibt die Energie in der Atmosphäre erhalten und es wird auf der Erdoberfläche zunehmend wärmer.

Unsere generationen­über­greifende Erfahrung sagt uns, dass unser Klima für viele Jahrzehnte trotz aller Schwankungen relativ stabil war. Und die Wissenschaft bestätigt uns durch immer mehr Messungen, dass dies sogar für die letzten 10.000 Jahre gilt. Diese Stabilität hat dem Menschen viele Entwicklungen ermöglicht. Landwirtschaft und kontinuierliche Erträge sind ohne ein stabiles Klima nicht denkbar. Bereits drei aufeinander folgende Jahre mit durch­schnittlich 10% weniger Ertrag würden die globalen Vorräte an Grundnahrungsmitteln auf­brauchen. Menschliches Handeln führt zu immer häufigeren Extremwetterereignissen, Biodiversitätsverlust, Entwaldung und Bodendegradation. In der Folge sind Missernten neben kriegerischen Auseinandersetzungen zwei der Hauptursachen für Hunger und Migration (Welthunger-Index 2020, Conflict Barometer 2019, Oxfam 2019).

Inzwischen sind die Veränderungen durch den höheren Energiehaushalt der Atmosphäre spürbar:

Im Dürrejahr 2018 lag der Weizenertrag in Deutschland rund 25% unter dem Durchschnitt, die Winterroggenernte erreichte nicht einmal zwei Drittel des üblichen Ertrags. Noch merken wir dies als Konsumenten in unseren deutschen Lebensmittelläden nicht direkt.

Neben den Landwirt*innen sind auch viele Förster*innen verunsichert. Viele von ihnen gehören schon heute zu den unmittelbar von der Klimakrise Betroffenen. Die für Wälder über viele Jahrzehnte erlebte Stabilität verliert ihre Selbstverständlichkeit. Noch im Waldbericht der Bundesregierung 2017 heißt es:

„Der Wald ist ein wichtiger Kohlenstoffspeicher. Im Holz der Waldbäume und in den Waldböden sind aktuell rund 2,5 Milliarden Tonnen Kohlenstoff gebunden. Zusätzlich entzieht der Wald der Atmosphäre durch das Wachstum der Bäume CO₂. Nach Abzug des geernteten Holzes verbleiben im Wald jährlich rund 58 Mio. Tonnen CO₂; der Wald ist somit eine CO₂-Senke.“

Die Bilanz der vergangenen drei Jahre: Von den 11,4 Millionen Hektar Wald in Deutschland gingen laut DLR von Januar 2018 bis einschließlich April 2021 gingen auf rund 501.000 Hektar Fläche Bäume durch Dürre, Stürme, Borkenkäfer und Waldbrände verloren (DLR 2022). Dazu kommt ein sehr viel geringerer Holzzuwachs als in durchschnittlichen Jahren. Wieviel von der noch 2017 bestätigten Senkenleistung des Waldes langfristig erhalten bleibt, ist derzeit noch nicht bekannt. Und wie ein langfristiger Erhalt des Waldes und Aufforstung unter den geänderten Bedingungen nachhaltig gelingen kann, ist ebenfalls längst nicht klar. So wie im deutschen Wald kommt durch die zunehmende Konzentration an Treibhausgasen global vieles aus dem über mehrere Jahrtausende bestehenden „Gleichgewicht“ unseres Treibhauses.

Von abnehmender Eisbedeckung, dem Meeresspiegelanstieg und weiteren Kipp­elementen

Unter einem Kipppunkt kann man den Zeitpunkt verstehen, ab dem eine Reaktion nicht mehr mit gleichmäßiger Geschwindigkeit verläuft, wie z.B. der rieselnde Sand in einer Sanduhr, sondern sich stark oder abrupt beschleunigt. Die Wissenschaft erforscht seit langem auch beim Klima solche Kippelemente mit entsprechenden Kipppunkten (vgl. PIK).

So ist es naheliegend, dass die zurückgehende Eisbedeckung der Oberfläche sich durch dunklere Wasser- oder Erdoberflächen mit höheren Oberflächentemperaturen selbst verstärken wird (Eis-Albedo-Rückkopplung). Aber auch das im Mittel ca. 1,5 km dicke Eisschild auf Grönland schmilzt immer schneller. Denn mit dem Wegschmelzen sinkt das stellenweise auf mehr als 3.000 m Höhe reichende Eisschild in immer tiefere und wärmere Luftschichten ab. Ein Blick in die Klimavergangenheit gibt einen Ausblick, was kommen könnte: Am Ende der letzten Eiszeit gab es mehrfach Perioden, in denen das Inlandeis schnell schmolz und der Meeresspiegel um mehrere Meter anstieg.

Seit 1992 ist der globale Meeresspiegel um neun Zentimeter gestiegen. Die Anstiegs­ge­schwindigkeit hat sich bereits in dieser kurzen Zeit mehr als verdoppelt, von 2,1 auf 4,8 Millimeter pro Jahr. 42% dieses Anstiegs stammen von der thermischen Ausdehnung des Wassers bei höheren Temperaturen, 21% vom Gletscherschwund, 15% vom Grönlandeis, 8% vom Antarktiseis, circa 6% durch höheren Abfluss aufgrund steigender Nutzung des Grund­wassers. Eine Beschleunigung des Meeresspiegelanstiegs auf 10 oder mehr Millimeter pro Jahr ist so gut wie sicher.

Klimaforscher wie Stefan Rahmstorf gehen davon aus, dass der Meeresspiegel in den nächsten 5.000 Jahren vermutlich um 25 m steigen wird, auch wenn wir die Erderwärmung auf 2°C begrenzen können. Diesen Kipppunkt haben wir mit großer Wahrscheinlichkeit also bereits überschritten (Rahmstorf 2016, Spiegel 2020).

Abbildung 7   Anstieg des Meeresspiegels (Sea Level Research Group)

Neben Gletscherschmelze, abnehmender Eisbedeckung und dem Meeresspiegelanstieg gibt es viele weitere Kippelemente, in denen die Erwärmung zu einer starken Beschleunigung der Veränderung verschiedener Lebensräume mit zahlreichen Wechselwirkungen auf die Biosphäre führt, die ihrerseits die Erderwärmung zusätzlich beschleunigen (vgl. Permafrostböden). Über die möglichen Auswirkungen einiger Kippelemente wie dem Meeres­spiegel­anstieg weiß die Wissenschaft mehr, andere können wir sehr viel weniger gut ab­- und einschätzen. Bei einigen geht es zeitlich um Jahrzehnte, bei anderen um viele Jahrhunderte oder Jahrtausende. Die meisten stehen in starken Wechselwirkungen zueinander und können sich gegenseitig verstärken, wie z.B. die Erwärmung/Eisschmelze in der Arktis mit der Änderung der Luft- und Meeresströmungen.

Luft- und Meeresströmungen

Unser Klima und Wetter wird u.a. durch große Meeres- und Luftströmungen geprägt. Sie ent­scheiden über regionale Temperaturen, wo es wann und wieviel regnet und damit über die Lebens­bedingungen und die Bewohnbarkeit von Gebieten. Bisher zeichnen sie sich durch zum Teil mehrjährige, ganzjährige oder saisonal natürliche aber vergleichsweise stabile Sch­wankungen aus. So sorgen Starkwinde in 8-12 km Höhe von Westen nach Osten (Jetstream) für sich immer wieder ändernde Wetterlagen. Pilot*innen nutzen sie und fliegen von Nordamerika nach Europa mit den Starkwinden bis zwei Stunden kürzer, als in der umgekehrten Richtung.

In der Regel erstrecken sich diese Starkwindbänder zwar über einige Tausend Kilometer, haben oft aber nur eine Breite von 50 bis 100 Kilometern bei einer Höhe von ein bis zwei Kilo­metern. Mal mäandrieren sie weiter südlich, mal weiter nördlich. Wie stark sie sind, hängt von den Temperaturunterschieden zwischen den Polen und dem Äquator ab. Seit dem Jahr 1979 nimmt die sommerliche Minimaleisbedeckung der Arktis ab. Damit wird weniger Wärmestrahlung ins All zurückreflektiert und die Arktis erwärmt sich durchschnittlich doppelt so stark wie andere Regionen. Die großräumigen Temperaturunterschiede zwischen Arktis und Äquator werden geringer und in Folge dessen schwächt sich der Jetstream ab. So könnte die Abschwächung insbesondere des Jetstream auf der Nordhalbkugel durch den Einfluss zunehmender Erwärmung vermehrt zu Großwetterlagen mit anhaltenden Kälte- und Hitzewellen, Überflutungen und Dürren führen, die sich über viele Wochen nicht auflösen.

Und auch die Meeresströmungen können sich durch einen geänderten Wärmehaushalt der Erde abschwächen, verstärken oder verlagern. Um wieviel genau, können Modelle bisher nur mit großen Unsicherheiten abschätzen.

Abbildung 8   Auswirkungen eines starken und eines schwachen Jetstreams auf die Wettersituation im Winter auf der Nordhalbkugel. Links: Durch hohe Temperaturunterschiede zwischen den Tropen und der Arktis ist der Jetstream stark ausgeprägt. Er mäandert nur wenig und die arktische Kaltluft bleibt im Norden. Die Winter in Nordamerika und Europa sind dann durch wechselnde Hoch- und Tiefdruckgebiete gekennzeichnet. Rechts: Erwärmt sich die Arktis, sind die Temperaturunterschiede zwischen Tropen und Arktis geringer. Der Jetstream ist dann schwächer ausgeprägt und verläuft in sehr ausgeprägten Wellen. Die Kaltluft dringt weit nach Süden vor und die Druckgebiete sind oft über Wochen stationär. Diese Situation prägte den Winter 2019 in Nordamerika. (Grafik: Wissensplattform Erde und Umwelt, eskp.de, Lizenz: CC BY 4.0)

Das Tauen dauerhaft gefrorener Böden (Permafrostböden)

Noch speichern die dauerhaft gefrorenen Böden (Permafrostböden) in Sibirien und Nord­amerika etwa 50% des im Boden gespeicherten Kohlenstoffs aus Tier- und Pflanzenresten, die während und seit der letzten Eiszeit dort eingelagert wurden. Bereits heute tauen sie zunehmend auf und die durch Mikroorganismen abgebaute organische Substanz entlässt den Kohlenstoff in Form der Treibhausgase Methan (CH₄) und CO₂ in die Atmosphäre.

Abholzung und Brände der Urwälder

Insbesondere Wälder wie der Regenwald im Amazonasgebiet oder die „kalten Regenwälder“ in Kanada gehören zu den großen natürlichen Kohlenstoffsenken auf der Erde. In jedem Baum werden über die Jahre große Mengen Kohlenstoff gespeichert. Wenn dort große Flächen brand­gerodet werden, kann sich neben den CO₂-Emissionen auch das Mikroklima (weniger Verdunstung, weniger Regen) vor Ort so ändern, dass auch weitere Teile des Waldes ab­sterben und die Speicherfähigkeit von Kohlenstoff teilweise oder ganz verloren geht. Setzt sich beispielsweise die Zerstörung der Amazonaswälder so fort wie bisher, könnten sich diese bereits bis 2035 von einer Kohlenstoffsenke in eine Kohlenstoffquelle verwandeln (Hubau et al. 2020). In der Amazonasregion sind etwa 80-120 Mrd. Tonnen Kohlenstoff in lebenden oder toten Pflanzen gebunden, die im Extremfall durch entsprechenden mikrobiellen Abbau oder Verbrennung bereits in wenigen Jahrzehnten so als zusätzliches Treibhausgas in die Atmosphäre gelangen könnten.

Leben im Treibhaus

Der Wärmehaushalt der Erde wird im Wesentlichen durch die Strahlung der Sonne bestimmt. Ohne sie würde die Erdtemperatur bereits innerhalb einer Woche um etwa 15°C sinken und nach einem Jahr ohne Sonne läge die Durchschnittstemperatur bei -73 Grad Celsius.

Die Strahlungsleistung der Sonne selbst ist nahezu konstant. Auch der elfjährige Sonnenfleckenzyklus verursacht nur Schwankungen – sowohl im sichtbaren Spektrum als auch in der Gesamtstrahlung – von weniger als 0,1%. Die auf die Erde fallende Leistung schwankt wegen der geringen Abweichung der Erdumlaufbahn von einer Kreisbahn im Jahreslauf um knapp 7%.

Hinzu kommen Veränderungen, die als Milanković-Zyklen bezeichnet werden. Sie erklären einen Teil der Klimaveränderungen in der jüngeren Erdgeschichte. Dabei handelt es sich um lang­periodische Veränderungen der Erdbahn um die Sonne (Präzession der Erdrotationsachse so­wie die Neigung der Achse der nicht genau kugelförmigen Erde), die zu wechselnden Einfalls­winkeln der Sonnenein­strahlung auf der Nord- und Südhemisphäre führen.

Die gesamte Fläche der Erdoberfläche ist viermal so groß wie der Teil, der von der Sonne be­schienen wird (Erdscheibe), so dass die abgefangene Sonnenstrahlung gemittelt über die gesamte Erdoberfläche 1.360,8 (Solarkonstante) /4 = 340,2 Watt (W) pro Quadratmeter (m²) beträgt. Davon werden durchschnittlich 30,6% zurück in den Weltraum reflektiert (Bond albedo). Somit beträgt die durchschnittlich auf der Erde absorbierte Sonneneinstrahlung 236,1 W/m². Dies ist die Energie, die Winde, Hurrikane und Tornados sowie Meeres­strömungen antreibt, Wasser von der Oberfläche verdampft und so unser Klima und Wetter bestimmt.

Unsere natürliche Treibhausatmosphäre

Aus der paläoklimatologischen Forschung ist bekannt, dass die globale Mitteltemperatur in den letzten Millionen Jahren etwa zwischen 9 Grad Celsius und 16 Grad Celsius schwankte. Das ist auf Veränderungen auf der Erdoberfläche und den Einfluss des Stoffhaushaltes unserer Atmosphäre zurückzuführen. Dazu gehören auch die Treibhausgase Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O). Sie sind neben dem Wasserdampf auch für den natürlichen Treibhauseffekt verantwortlich, ohne den die globale Mitteltemperatur etwa -18°C betragen würde.

Die Treibhausgase absorbieren die langwellige Strahlung (Wärmestrahlung), die von der Erd­ober­fläche, den Wolken und der Atmosphäre selbst abgestrahlt wird. Normalerweise würde diese Strahlung in großen Teilen wieder an den Weltraum abgegeben werden. Die Treibhausgase stehen dem aber im Weg und lassen nur wenig der Wärme wieder Richtung Weltall durch. Sie reflektieren die Wärme vor allem zurück Richtung Erdoberfläche, sodass die untere Atmosphäre zusätzlich erwärmt wird.

Die Energiebilanz (Wärmehaushalt) der Erde aus eingestrahlter Sonnenenergie und der von der Erde wieder abgestrahlten Energie wird in W/m² gemessen und als Strahlungsantrieb (engl. radiative forcing) bezeichnet. Der Begriff wurde vom Weltklimarat (IPCC) eingeführt, um den Einfluss verschiedener Einflüsse (Faktoren) auf die Strahlungsbilanz bzw. das Klima der Erde zu beschreiben. Solche Faktoren können bspw. die veränderte Konzentration von Treibhausgasen und Aerosolen, veränderte eingehende (absorbierte) solare Strahlung in W/m² oder eine veränderte Rückstrahlung (Albedo) durch unterschiedliche Oberflächen (Eis, Schnee, Wald usw.) sein.

Ein positiver Strahlungsantrieb führt zu einer Erwärmung der Erde, ein negativer Strahlungsantrieb zu einer Abkühlung. Der durch Treibhausgase verursachte Strahlungs­antrieb vom Jahr 1-1800 hat sich kaum geändert.

Das menschengemachte Treibhaus

Treibhausgase stammen sowohl aus natürlichen wie aus menschlichen Quellen (Klimafakten 2021). Bis zum Beginn der Industrialisierung um 1800 waren die Auswirkungen menschlicher Eingriffe lokal oder regional begrenzt.

Wasserdampf

Wasserdampf absorbiert und reflektiert sehr hohe Mengen an infraroter Strahlung und ist somit für den Wärmehaushalt der Atmosphäre und das Wettergeschehen sehr relevant. Seine Entstehung sowie Verdunstung und Niederschläge hängen jedoch selbst maßgeblich von der Wirkung der Infrarotabsorption durch CO₂, CH₄ und N₂O ab. Die Temperatur an der Erdoberfläche entscheidet darüber, wieviel Wasser verdunstet und bestimmt damit über Wolkenbildung und Niederschläge. Die Atmosphäre kann in Abhängigkeit von ihrer Temperatur nur eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen. Steigt die Temperatur, nimmt auch der atmosphärische Wasserdampfgehalt zu und der Treibhauseffekt wird verstärkt. Umgekehrt wirkt Wasserdampf mit sinkenden Temperaturen aufgrund niedrigerer Treibhausgaskonzentrationen, wie z.B. bei der letzten Eiszeit verstärkend auf die Abkühlung. Dies bestätigen auch die Klimamodelle. Sobald man die Wirkung der natürlichen Treib­hausgase CO₂, CH₄ und N₂O aus den Modellen „herausrechnet“, sinkt mit den Temperaturen auch die Menge des Wasserdampfes in der Atmosphäre.

Kohlendioxid (CO₂), das stabilste Treibhausgas

Kohlendioxid ist ein aus sehr stabilen Molekülen bestehendes geruch- und farbloses Gas. Natürlicherweise entsteht CO₂ vor allem beim Abbau organischer Stoffe zur Energie­gewinnung von Organismen unter Anwesenheit von Sauerstoff. Für Pflanzen ist CO₂ aus der Atmosphäre wesentlicher Grundstoff bei der Photosynthese, um organische Substanz mittels Sonnen­licht aufzubauen (Kohlenstoffkreislauf). Fossile Energieträger wie Torf, Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Erdöl sind ihrerseits in geologischen Zeiträumen unter hohen Drücken und hohen Temperaturen (im Laufe von Jahrmillionen) aus unvollständig abgebauten toten Pflanzen und Tieren entstanden.

Die Verbrennung dieser fossilen Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) macht den Großteil des vom Menschen zusätzlich verursachten Treibhauseffektes aus. Zusätzlich in die Erd­atmosphäre emittiertes Kohlendioxid wird durch natürliche physikalische oder biogeo­chemische Vorgänge nur sehr langsam abgebaut bzw. aus der Atmosphäre entfernt. Nach 1.000 Jahren sind davon noch bis zu 40% in der Atmosphäre übrig (vgl. Ozeansenke). Der gesamte Abbau dauert jedoch mehrere hunderttausend Jahre. Dieser langsame „Abbau“ des stabilen Moleküls ist der Grund für die hohe Bedeutung von CO₂ als Treibhausgas.

Die atmosphärische Konzentration von CO₂ hat zwischen 1980 und 2019 um durchschnittlich 1,78 ppm pro Jahr zugenommen. Der Anstieg der CO₂-Konzentration beschleunigt sich. Der jährliche CO₂-Anstieg betrug vom 1.1.2019 bis zum 1.1.2020 2,6 ppm (vgl. NOAA, Trends-CO2 und Abbildung 9).

Abbildung 9 Anstieg der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre zwischen 1980 und 2020 (NOAA, Trends-CO₂)

Der Anstieg der CO₂-Konzentration und damit die Erwärmung zwischen 1800 und 1900 nach unserer Zeitrechnung (n.u.Z.) kann durch Landnutzungsänderungen wie Entwaldung sowie die Umwandlung von Grasland in Ackerland, begleitet vom Verlust von organischem Kohlenstoff in den Böden, erklärt werden.

Erst im späten 20. Jahrhundert überholte der zunehmende CO₂-Ausstoß aus der Verbrennung von Kohle, Gas und Öl die Änderungen der Landnutzungen als Hauptquelle der CO₂-Emissionen (vgl. Abbildung 10).

Abbildung 10  Landnutzungsänderungen machen etwa 32% der kumulierten Emissionen im Zeitraum 1850-2019 aus, Kohle 32%, Öl 24%, Gas 10% und andere 2%. (GLP)

Ab Mitte des 20. Jahrhunderts führten bereits höhere CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre sowie der Einsatz von Düngemitteln zu höherem Pflanzenwachstum. Somit entzogen die terrestrischen Lebensräume im globalen Durchschnitt der Atmosphäre trotz der anhaltenden Abholzung und Brände mehr CO₂ als sie produzierten. Sie glichen damit einen Teil des freigesetzten CO₂ aus der Verbrennung fossiler Energieträger als Nettosenke aus. Inzwischen übersteigen aber die Emissionen aus fossilen Energieträgern die der Senken durch Landnutzungsänderungen um den Faktor 10. Und viele der natürlichen Senken werden durch Brandrodung und Waldbrände zunehmend zu Quellen.

2019 betrugen die jährlichen globalen CO₂-Emissionen 38,0 Gt. Die wichtigsten natürlichen Senken sind Böden, Wälder und Ozeane. Laut Schätzungen entfernten natürliche Senken in den letzten Jahren zwischen 9,5 und 11 Gt CO₂ pro Jahr. Die natürlichen Senken können in ihrer Leistung, Kohlenstoff in Wäldern oder Böden zu speichern, durch Brände oder Land­nutzungsänderungen aber auch durch die fortschreitende Erwärmung zukünftig auch be­deutend kleiner ausfallen.

Das Global Carbon Project hat die Quellen errechnet, die zu dem starken Anstieg der CO₂-Kon­zentration zwischen 1850 und 2020 in der Atmosphäre geführt haben (vgl. Abbildung 11).

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Insbesondere wegen der langen Verweildauer von Kohlendioxid in der Atmopshäre führt die Verringerung fossiler CO₂-Emissionen (wie z.B. in 2020 durch Corona) noch lange nicht dazu, dass die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre sinkt und damit die Erderwärmung langsamer erfolgt. Neben der Verbrennung fossiler Energieträger hängt die Konzentration der Treibhausgase noch von vielen weiteren Faktoren ab wie der Landnutzung und den Wechselwirkungen mit den Weltmeeren.

Die Ozeansenke

Ein großer Teil des CO₂ aus der Verbrennung fossiler Energieträger wird und wurde bisher von den Ozeanen aufgenommen. Zunächst löst sich das CO₂ im Oberflächenwasser und wird von dort durch Meeresströmungen bis tief in die Ozeanbecken verfrachtet. Das Tiefenwasser gilt als eine entscheidende Kohlenstoffsenke der Erde, ohne die die CO₂-Konzentration und damit auch der Strahlungsantrieb heute noch deutlich höher wäre. Rund ein Drittel der CO₂-Emissionen werden so durch die Ozeane absorbiert (Gruber et al. 2019). Noch funktioniert der Ozean als Puffer für menschengemachte CO₂-Emissionen. Dieser Puffer hat allerdings seinen Preis: 

Das im Meer gelöste CO₂ macht das Wasser saurer, mit schweren Folgen für viele Meereslebewesen (u.a. Korallenriffe). Korallen sterben, weil das Meer durch Kohlendioxid gleich­zeitig versauert und wärmer wird (Guillermic et al. 2021). Die Verschiebung des Gleichgewichts bzw. der Auflösung des Calciumcarbonats im Meer ist dabei zu langsam, um das gesamte zusätzliche Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufzunehmen. Wie lange die Ozeane als Puffer noch funktionieren, ist dabei nicht sicher. Und umgekehrt geben die Ozeane über das physikalisch-chemische Gleichgewicht wieder CO₂ an die Atmosphäre ab. Wenn wir die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre absenken wollen, müssen Senken diese Rücklösung zusätzlich ausgleichen.

Ähnliches gilt für die Bindung von CO₂ durch stärkeres Pflanzenwachstum im Meer aufgrund gestiegener CO₂-Konzentrazionen (CO₂-Düngung). Wie der Lebensraum Meer auf Dauer auf die zusätzliche CO2-Aufnahme reagiert, ist nicht abzusehen.

Im Meer ist mehr Kohlenstoff gebunden als in der Atmosphäre und der Landbiosphäre (Pflanzen und Tiere). Noch größere Mengen an Kohlenstoff sind in der Lithosphäre (vgl. Abbildung 12, also den Gesteinen des Planeten, gebunden, unter anderem in Kalkstein (Kalziumkarbonat, CaCO₃).

Abbildung 12 CO₂-Mengen in Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre sowie die durchschnittlichen Mengen der Jahre 2008-2017, die als Quellen in die Atmosphäre emittiert werden und der Atmosphäre als Senken entzogen werden (nach Hepburn et al. 2019).

Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O)

Neben dem CO₂ sind CH₄ und N₂0 die nächstwirksamsten Treibhausgase. Die wichtigsten anthropogen Quellen sind die Haltung von Wiederkäuern, die bei der Verdauung Methan produzieren, und der Anbau von Reis. Im Gegensatz zu den meisten anderen Treibhausgasen zeichnet sich CH₄ durch eine vergleichsweise kurze Verweilzeit in der Atmosphäre von 10-12 Jahren aus. Methan wird durch von Sonnenenergie getriebene photochemische Prozesse ver­gleichs­weise schnell zu CO₂ abgebaut.

Trend: Nach einem kontinuierlichen Anstieg der Methankonzentration seit den 1980er Jahren blieb sie von 1999 bis 2006 nahezu konstant. Seit 2007 steigt die global gemittelte CH₄-Konzentration wieder an. Als zusätzliche Ursachen für den Anstieg in den Jahren 2007-2008 gelten u.a. warme Temperaturen in der Arktis (2007) und erhöhte Niederschläge in den Tropen. Isotopenmessungen deuten darauf hin, dass nach 2008 verstärkter mikrobieller Abbau aus organischer Substanz aus Feuchtgebieten und der Landwirtschaft erfolgt und dadurch vermehrt Methan freigesetzt wird. Seit 2014 steigt die Methankonzentration deutlich schneller (Durchschnitt 9,3 ± 2,2 ppb pro Jahr) als zwischen 2007-2013 (5,7 ± 1,1 ppb pro Jahr, vgl. NOAA, Trends-CH4 und Abbildung 13).

Abbildung 13 Anstieg der Methankonzentration in der Atmosphäre (NOAA, Trends-CH₄)

Höhere lokale Methanemissionen, z.B. durch Leckagen im Erdgasnetz, lassen sich inzwischen relativ gut durch Satelliten aufspüren (ESA).

Auch die atmosphärische Konzentration von Lachgas nimmt stetig zu – zwischen 2010 und 2019 mit einer durchschnittlichen Rate von 0,97 ± 0,17 ppb pro Jahr (vgl. NOAA, Trends-N₂O).

Die erhöhten Lachgaskonzentrationen stammen überwiegend aus der Düngung und korrelieren mit Stickstoffüberschüssen. N₂O wird im Gegensatz zum Methan nur sehr langsam durch Photolyse abgebaut und hat eine Verweilzeit in der Atmosphäre von mehr als 100 Jahren.

Die Wirkung von Lachgas als Treibhausgas hängt nicht allein von seiner Konzentration in der Atmosphäre, sondern auch von der gleichzeitigen Konzentration an Methan ab, da sich ihre Wellenlängenbereiche, in der sie Wärmestrahlung absorbieren, teilweise überschneiden. Je höher also der Methangehalt in der Atmosphäre ist, desto geringer ist der Einfluss von Lachgas. Ihre Treibhauswirkungen dürfen also nicht einfach addiert werden. Für den Klimaschutz bedeutet dies, dass von beiden Stoffen gleichzeitig weniger emittiert werden muss, um einen entsprechenden Effekt zu erzielen. Darüber hinaus reagiert N₂O mit Ozon (O₃) zu Stickoxiden (NO und NO₂) und ist damit am Ozonabbau in der Stratosphäre beteiligt.

Als Methanhydrat ist Methan in Eis eingeschlossen im Meer vor allem am Meeresgrund zu finden. Wieviel Methan als Methanhydrat gebunden ist, lässt sich bisher nur schwer abschätzen. Es baut sich dort natürlicherweise nur sehr langsam ab und gilt als träges Kipp­element.

Industriegase

Trotz des Verbotes einiger Treibhausgase, die zum Abbau der Ozonschicht führten, nehmen die Konzentrationen vieler anderer klimaschädlicher Industriegase weiter zu, wie z.B. dem Schwefelhexafluorid (SF6), welches 23.500-mal klimaschädlicher ist als Kohlendioxid (destatis 2020a).

Obwohl das Gas zu großen Teilen innerhalb geschlossener Systeme verwendet und damit (vorerst) nicht freigesetzt wird, betrug sein gegenüber der UN berichteter Anteil an den territorialen Treibhausgasen Deutschlands 2018 3,9 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalente (0,45%). Und 2019 ist die von Händlern abgegebene Menge in Deutschland um 5% gestiegen (Destatis 2020b).

Eine Übersicht zu den Konzentrationsentwicklungen verschiedener Industriegase in der Atmosphäre findet sich beim Global Monitoring Laboratory der NOAA.

Abbildung 14 Anstieg der Konzentration des Industriegases SF6 (NOAA, SF6)

Das Treibhauspotenzial

Das relative Treibhauspotenzial wird üblicherweise in Kohlendioxidäquivalenten (CO_2e; e steht für equivalent) angegeben. Um die verschiedenen Treibhausgase vergleichbar zu machen, werden sie hinsichtlich ihrer Klimaschädlichkeit in Kohlendioxidäquivalente (CO_2e) umge­rech­net. Angegeben werden dabei die Zahlen gemäß den Sachstandsberichten des IPCC bei unterschiedlichen Betrachtungszeiträumen von 20 und 100 Jahren (vgl. Tabelle 1). Das bedeutet, dass beispielsweise eine Methan-Emissionsreduktion um eine Tonne in 100 Jahren gleichwertig zu einer CO₂-Reduktion um 28 Tonnen und in 20 Jahren um 84 Tonnen ist, da Methan im Vergleich stärker klimawirksam ist. Die Werte zum Treibhauspotenzial bei einem Betrachtungszeitraum von 100 Jahren werden auch als GWP100-Werte (Global Warming Potenzial, GWP) bezeichnet und wurden in aufeinanderfolgenden IPCC-Berichten aktualisiert. Aktuelle GWP100-Werte weiterer ausgewählter Verbindungen finden sich in einer Zusammenstellung des Umweltbundesamtes (UBA 2019).

Trotz ständiger Aktualisierung international gültiger Protokolle gibt es immer noch Treib­haus­gase, die bisher nicht erfasst werden und dennoch ein sehr hohes Treibhauspotenzial aufweisen, wie z.B. das Gas Sulfuryldifluorid. Es wird aufgrund strengerer Einfuhr­bestimmungen u.a. zur Schädlingsbekämpfung bei Holzexporten eingesetzt, um das Einwandern von Schädlingen zu verhindern. Sein Einsatz und damit seine Emissionen haben stark zugenommen (NDR 2020).

Tabelle 1    Umrechnungswerte zur Bestimmung des Treibhausgaspotenzials in CO₂-Äquivalente (CO_2e) für das Global Warming Potenzial, GWP. Für CO₂ kann keine Verweilzeit in der Atmosphäre angegeben werden. Tabelle 8A1 aus (Myhre et al. 2013) im Kapitel 8 des fünften Sachstandsbericht des IPCC.

		Verweilzeit in der Atmosphäre	Treibhausgaspotenzial (GWP) Betrachtungszeitraum 20 Jahre	Treibhausgaspotenzial (GWP) Betrachtungszeitraum 100 Jahre	Temperaturänderung (GIP) Nach 20 Jahren	Temperaturänderung (GIP) Nach 100 Jahren
Kohlendioxid	CO2	n.n.	1	1	1	1
Methan	CH4	12,4	84	28	67	4
Lachgas	N2O	121	264	265	277	234
PFC-14	CF4	50.000	4.880	6.630	5.270	8.040

Das relative Treibhauspotenzial (GWP) eines Treibhausgases bestimmt sich also durch seine Verweilzeit in der Atmosphäre und seiner Absorptionsfähigkeit der Infrarotstrahlung (auch Wärmestrahlung genannt), den eine Konzentrationszunahme von einer vorhandenen Hintergrundkonzentration aus verursacht. Änderungen der Einschätzung der Verweilzeit und geringerer Strahlungsantrieb wegen steigender Hintergrundkonzentrationen sind Gründe, warum der IPCC in seinen Berichten die Werte für das Treibhauspotenzial regelmäßig aktualisiert (vgl. auch GPG-protocol).

Höhere Treibhausgaskonzentration = zusätzlicher Strahlungsantrieb = ansteigende Temperaturen

Der Strahlungsantrieb (engl. radiative forcing) ist ein Maß für die Energiebilanz der Erde aus eingestrahlter und abgestrahlter Energie und wird in W/m² gemessen.

Die Energiebilanz der Erde wird durch verschiedene natürliche (z.B. Vulkanausbrüche) und durch den Menschen verursachte Faktoren beeinflusst. Unter den menschengemachten Einflüssen unterscheidet die Wissenschaft direkte Wirkungen durch den Menschen (wie z.B. die Emissionen verschiedener Treibhausgase), und deren Folgen insbesondere durch den Treibhauseffekt. Indirekt führen menschliche Eingriffe zu Änderungen des Strahlungsantriebes durch Wolken, Niederschlag, Schnee- und Eisbedeckung usw.

Die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ist die Wetter- und Ozeano­grafiebehörde der USA und berechnet anhand eines weltweiten Messnetzes zur Bestimmung der Konzentrationen und Verteilung von Treibhausgasen die Änderungen der dadurch bedingten Strahlungsbilanzen. Die durch den Treibhauseffekt verursachte zusätzliche durchschnittliche Heizintensität der Sonne wird auch als zusätzlicher Strahlungsantrieb bezeichnet. Den zusätzlichen Strahlungsantrieb aufgrund erhöhter Konzentrationen an Treibhausgasen in der Atmosphäre kann man vergleichsweise genau berechnen, da die Messungen der Treib­haus­gase sehr präzise sind und die physikalischen Eigenschaften (Verweilzeit und Absorptionsfähigkeit der Infrarotstrahlung) der Gase in der Regel gut bekannt sind.

Berechnungen des zusätzlichen Strahlungsantriebs

Die NOAA nimmt als Bezugswert den Durchschnittswert zwischen den Jahren 1 und 1800 n.u.Z. von 279,4 ppm als vorindustriellen Wert der CO₂-Konzentration und für CH₄ und N₂O die Durchschnittswerte zwischen den Jahren 1000-1800 (716,6 ppb für CH₄, 269,4 ppb für N₂O) (nähere Infos unter NOAA).

Die wesentlichen Beiträge zum zusätzlichen Strahlungsantrieb liefern CO₂, CH₄, N₂O und eine Reihe von brom-, chlor- oder fluorhaltigen Industriegasen, die erst seit wenigen Jahrzehnten eine Rolle spielen. (vgl. Industriegase).

Abbildung 15 Zusätzlicher Strahlungsantrieb der Treibhausgase seit 1800
(NOAA, Strahlungsantrieb), vgl. auch WMO 2021, S. 3.

Aus erdgeschichtlicher Sicht ist der aktuelle Anstieg des Strahlungsantriebes wie eine Explosion. Während der Anstieg im letzten Jahrzehnt etwa 0,41 W/m² betrug, waren es im Übergang der letzten Eiszeit zu der warmen Zwischeneiszeit im Durchschnitt nur etwa 0,0042 W/m² pro Jahrzehnt.

Sozioökonomische Projektionen zum Klima

Nur bei einer sozioökonomischen Entwicklung (Szenario SSP1 bzw. RCP2.6, Bildungsserver Klimawandel), die das Gemeinwohl statt Wirtschaftswachstum in den Blick nimmt, Ein­kommens­ungleichheiten abbaut und den globalen Konsum an einem geringen Material- und Energieverbrauch ausrichtet, kann die globale Erwärmung auf weniger als 2°C begrenzt werden (entspricht einen zusätzlichen Strahlungsantrieb von unter 3 Watt/m²). Und auch nur dann, wenn bis zum Jahr 2100 dauerhaft wirksame negative Emissionen geschaffen werden können.

Die Angaben darüber, bei welchem zusätzlichen Ausstoß an Treibhausgasen bis 2100 mit welcher Wahrscheinlichkeit eine Temperaturerwärmung noch auf 1,5 oder 2°C zu begrenzen ist, gehen weit auseinander. Um eine 50% Chance zu haben, unter 2°C zu bleiben, müssten die globalen kumulierten CO₂-Emissionen zwischen 2015 und 2100 auf 1.579 Gigatonnen CO₂ beschränkt bleiben (Peiran et al. 2021). Da zwischen 2015 und 2020 bereits rund 180 Gt emittiert wurden verbleiben danach noch 1.400 Gt CO2 von 2020-2100, das entspricht durchschnittlich etwa 17,5 Gt pro Jahr gegenüber heute von rund 36 Gt CO₂.

Wieviel Energie steckt im zusätzlichen Strahlungsantrieb?

Bezogen auf die in vorindustrieller Zeit durchschnittlich auf der Erde absorbierte Sonnenein­strahlung von 236,1 W/m², scheint der zusätzliche Antrieb mit 3,2 W/m² (1,37%) vergleichsweise gering. Die Energiemenge ist jedoch enorm. Multipliziert mit der Fläche der Erde erhält man für 2019 eine durchschnittliche Heizintensität von 1.644 Terawatt (1 TW = 1 Billion Watt). Zum Vergleich: Die gesamte globale erzeugte Wärme aus allen Energienutzungen der Menschheit wie der Stromerzeugung, dem Transport inkl. Biokraftstoffen, der Heizung/Kühlung von Gebäuden sowie allen industriellen Prozessen inkl. der Verbrennung von Abfällen betrugt im Jahr 2019 etwa 18 TW.

Somit ist die zusätzliche energetische Heizleistung (Wärmerückhaltung durch Treibhausgase im Jahr 2019) durch den Anstieg der Treibhausgase um 91-mal größer als die gesamte von der Menschheit direkt umgesetzte Energie. Wenn all diese in jedem Jahr zusätzlich in der Atmosphäre gespeicherte Treibhaus-Energie (hypothetisch) in die grönländische Eisbedeckung geleitet werden könnte, würden etwa 5% des grönländischen Eises schmelzen und der Meeresspiegel weltweit um 36 cm ansteigen, und dies nur in einem Jahr.

Diese zusätzlichen Wärmemengen verteilen sich aber mit unterschiedlichen Anteilen und vielen weiteren Wechselwirkungen auf die Oberfläche der Erde. So hat sich die Landoberfläche seit den 1960er Jahren um etwa 1,45°C erwärmt, die Meeresoberfläche um 0,70°C. Eine der Wechselwirkungen ist, dass wärmere Oberflächen mehr Wärme abstrahlen, so dass ein Teil der überschüssigen Wärme (der Teil der nicht von Treibhausgasen zurück­gehalten wird) zurück in den Weltraum abstrahlt und damit die Erwärmung der Oberfläche begrenzt.

Darüber hinaus gibt es weitere Wechselwirkungen, die durch menschliche Aktivitäten beeinflusst werden. Starke Luftverschmutzung in Form von Aerosolen können den Anteil erhöhen, der zurück in den Weltraum abstrahlt. Das Ersetzen von Wäldern durch Ackerland erhöht das Reflexionsvermögen (Albedo) der Oberfläche. Abnehmende Eis- und Schneebedeckung lassen Oberflächen dunkler werden, die wiederum mehr Sonnenlicht absorbieren. Und schließlich gibt es noch die Wechselwirkung mit dem Wasserdampf: Eine wärmere Oberfläche verdunstet mehr, und Wasserdampf absorbiert Infrarotstrahlung, wodurch die Wirkung aller langlebigen Treibhausgase verstärkt wird, während gleichzeitig mehr Energie (latente Wärme) durch die Kondensation von Wasserdampf in die Atmosphäre gelangt. Das Ausmaß all dieser Wechselwirkungen lässt sich nur mit zum Teil hohen Unsicher­heiten abschätzen.

Jeder zusätzlich verbrannte Liter Benzin hält bereits in den ersten 100 Jahren durch den Anstieg an CO₂-Molekülen und den damit verbundenen Strahlungsantrieb die 120-fache Wärmemenge zurück, die der Liter Benzin an Wärme bei der Verbrennung erzeugt (NOAA).

Reicht Klimaneutralität, um die Ziele des Pariser Abkommens zu erreichen?

Begriffe wie Klimaneutralität, Treibhausgasneutralität und CO₂-Neutralität werden oft un­scharf oder synonym für den Ausgleich zwischen Emissionen und Senken verwendet.

Klimaneutralität ist genau genommen erreicht, wenn es über einen Referenzzeitraum zu keinerlei globaler Erwärmung kommt. Dazu müssten sämtliche menschengemachten und natürlichen Einflüsse, die zu einem globalen Temperaturanstieg führen, wie z.B. ausgestoßene Treibhausgase (CO₂, CH₄, N₂O, Industriegase u.a.), CH₄-Emissionen aus dem Auftauen von Permafrostböden oder Veränderungen der Albedo, durch entsprechende Senken zum Entzug von Treibhausgasen aus der Atmosphäre ausgeglichen werden. Vergleichbar werden die unterschiedlichen Treibhausgase über die Verrechnung ihrer spezifischen Treibhaus­poten­ziale und ihrer Verweildauern im gegebenen Referenzzeitraum, angegeben als CO₂-Äqui­valente (CO_2e).

Treibhausgasneutralität meint, alle Emissionen von Treibhausgasen, die sich nicht durch z.B. Verzicht auf fossile Energieträger vermeiden lassen, wie beispielsweise in der Landwirtschaft, im Gegenzug durch entsprechende Senken (Entzug von Treibhausgasen aus der Atmosphäre) auszugleichen (Netto-Null-Emissionen). CO₂-Neutralität bezieht sich nur auf das Treibhausgas Kohlendioxid (vgl. DENA 2020).

Pariser Klimaschutzabkommen

Im Übereinkommen von Paris wurde vereinbart, dass die Erderwärmung deutlich unter 2°C gehalten wird. Darüber hinaus sollen weitere Anstrengungen unternommen werden, um den Temperaturanstieg auf 1,5°C zu begrenzen. Zudem soll die Fähigkeit der Länder zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels gestärkt werden. Der weltweite Scheitelpunkt, ab dem die territorialen Emissionen sinken, soll sobald als möglich erreicht werden. Den Entwicklungs­ländern wird hierfür mehr Zeit eingeräumt. Danach sollen rasche Emissionssenkungen in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts zu einem Gleichgewicht zwischen Emissionen und ihrem Abbau führen.

Das Übereinkommen von Paris ist die erste umfassende und rechtsverbindliche weltweite Klimaschutzvereinbarung.

Die EU und ihre Mitgliedstaaten zählen zu den rund 190 Vertragsparteien des Überein­kommens von Paris (Pariser Klimaabkommen) von 2015. Die EU hat das Übereinkommen am 5. Oktober 2016 formell ratifiziert. Nachdem es mindestens 55 Länder, die zusammen für mindestens 55% der weltweiten Emissionen verantwortlich sind, ratifiziert haben, ist das Abkommen seit dem 4. November 2016 in Kraft.

Klimaneutralität bis 2050 in Europa im Rahmen des Green Deals

Im November 2018 stellte die Europäische Kommission eine langfristige strategische Vision zur Verringerung der Treibhausgasemissionen (THG) vor, die zeigt, was sie unter „Klimaneutralität“ versteht und wie Europa in diesem Sinne bis 2050 „klimaneutral“ werden könnte.

Im März 2020 legte die EU-Kommission ihren ersten Gesetzesvorschlag vor, wie die EU bis 2050 „klimaneutral“ werden soll und schlägt im Rahmen des EU Green Deals und auf Grundlage der Bewertung der nationalen Energie- und Klimapläne den Mitgliedstaaten vor, ein neues Klimaziel zu beschließen: Die EU-Kommission hat eine Reduktion der Treibhausgase um 55% bis 2030 (zu 1990) statt bisher 40% (EU 2020) vorgeschlagen, das Europäische Parlament hat sich für 60% ausgesprochen und der europäische Rat sich auf 55% verständigt. Am 21.4.2021 haben sich das Europäische Parlament und der Rat der Europäischen Union im Trilog auf ein Europäisches Klimagesetz geeinigt mit dem das Ziel einer klimaneutralen EU bis 2050 und die kollektive Zielvorgabe, die Netto-Treibhausgasemissionen (Emissionen nach Abzug des Abbaus) bis 2030 gegenüber 1990 um mindestens 55 % zu senken, rechtlich verankert werden soll.

Wieviele Emissionen damit noch insgesamt ausgestoßen werden dürfen, und wie ausreichend Senken entstehen, um deutlich unter 2 Grad zu bleiben und nach welcher „Formel“ sie auf die einzelnen Staaten „aufgeteilt“ werden, darauf konnten sich bisher weder die Vertragsstaaten des Pariser Abkommens noch die EU festlegen.

Von der gewaltigen Umsetzungs- und Ambitionslücke

Der Erfolg einer Klimaschutzpolitik muss letztendlich an den steigenden oder fallenden Konzentrationen aller Treibhausgase in der Atmosphäre bemessen werden. Politisch festgelegte „Budgets“ an Treibhausgasen und Reduktionspfade sind nur Hilfsmittel, um Maßnahmen ihrer Wirkung nach beurteilen zu können.

Alle bisher selbstgesteckten Ziele sind nicht ausreichend, um die Ziele des Pariser Klima­abkommens zu erreichen (UNEP Emissions Gap Report 2022). Die Konzentration der Treibhaus­gase in der Atmosphäre und damit der zusätzliche Strahlungsantrieb steigen nach wie vor – und sogar schneller als vor 40 Jahren (vgl. Abbildung 16).

Und noch immer fließt auch öffentliches Geld in fossile Energien. Der UN „Production Gap Report“ 2021 stellt dazu fest: „Die Analyse der Produktionslücke in diesem Bericht … zeigt, dass die Regierungen der Welt immer noch planen, mehr als doppelt so viel an fossilen Brennstoffen im Jahr 2030 zu produzieren, als es mit Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5°C und 45% mehr als die mit einer Begrenzung der Erwärmung auf 2°C vereinbar wäre.“ Über die website Energy Policy Tracker erfuhr man bis Ende 2021 wieviel öffentliches Geld noch immer in die fossile Wirtschaft fließt. Für Deutschland waren dies bis zum 31.12.2021 seit Ausbruch der Covid 19 Pandemie mehr als 30 Mrd. US$.

Im Sinne des Pariser Klimaschutzabkommens reicht das Ziel „Klimaneutralität“ des von der EU betrachteten Zeitraums (Netto-Null-Emissionen) allein nicht. Es muss darum gehen die Treib­haus­gas­­konzentration (CO_2e) der Atmosphäre (ppm) weltweit auf ein Niveau zu senken, das mit den dort beschlossenen Zielen (deutlich unter 2 Grad, möglichst 1,5 Grad) kompatibel ist. Was das ganz genau bedeutet, kann weder politisch festgelegt noch wissenschaftlich genau bestimmt werden. Der Weltklimarat gibt aber Wahrscheinlichkeiten dafür an, bei welchen Konzentrationen an Treibhausgasen wir die Temperaturerwärmung auf ein bestimmtes Niveau begrenzen können. Schon um die Zwei-Grad-Obergrenze der atmosphärischen Temperaturerhöhung mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 66% zu unterschreiten, müsste die Konzentrationen aller Treibhausgase (Kohlendioxid, Methan, Lachgas und Industriegase) in der Atmosphäre umgerechnet in CO₂-Äquivalente bis zum Jahrhundertende bei rund 450 (430-480) ppm CO_2e stabilisiert werden (IPCC Synthesebericht 2014, Tabelle SPM.1 S 20). Bei der Umrechnung in CO₂-Äquivalente werden die unterschiedlichen Treibhaus­gas­konzentrationen mit ihren spezifischen GWPs und Lebensdauern miteinander verrechnet (vgl. Tabelle 1).

Eine kurzfristige Überschreitung des Konzentrationsniveaus von 450 ppm CO_2e wird seitens des Weltklimarates für „beherrschbar“ gehalten (IPCC-Synthesebericht).

Zum Vergleich: Allein in den letzten 40 Jahren ist die Konzentration der Treibhausgase umgerechnet in Kohlenstoff-Äquivalente CO_2e um 100 ppm gestiegen und erreichte 2019 umgerechnet 500 ppm CO_2e (vgl. Abbildung 16). 2022 lagen wir bei 523 ppm (Earth System Research Laboratories Global Monitoring Laboratory)

Abbildung 16  Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre von 1980 bis 2020 in ppm (Anteile pro Million) CO₂-Äquivalenten [Datenquelle bis 2020 UBA 2022]

Das bedeutet, wir müssen nicht nur möglichst schnell auf die Verbrennung fossiler Energie­träger verzichten, sondern auch gleichzeitig und schnell dafür sorgen, dass unsere natürlichen Senken wie Wälder, Moore und auch Grünland erhalten bleiben und wir zusätzlich CO₂ der Atmosphäre wieder entziehen. Je schneller wir dabei sind, desto flacher gestalten wir die Anstiegskurve der Treibhausgaskonzentration und desto wahrscheinlicher wird es, die Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre und damit den zusätzlichen Strahlungsantrieb zu mindern, Kipppunkte zu vermeiden und die Erdüberhitzung durchschnittlich deutlich unter 2°C zu halten.

Die drei Handlungsnotwendigkeiten für eine verantwortungsvolle Klimapolitik

Die Menschheit steht vor der Notwendigkeit einer konsequenten Transformation, die kein Vorbild hat. Wenn bereits vor 30 Jahren umgesteuert worden wäre, hätten langsamere Schritte ausgereicht. Nun gilt es, abgeleitet aus den Erläuterungen zur Klimakrise der vorherigen Kapitel, in drei Handlungsfeldern gleichzeitig, unabhängig voneinander und vor allem schnell aktiv zu werden und diese nicht untereinander aufzurechnen (vgl. Abbildung 17).

Abbildung 17 Die drei Handlungsnotwendigkeiten um die Konzentration von CO₂ zu senken

Wir wissen, wie wir durch sparsameren Umgang mit Ressourcen, mehr Effizienz, durch die Nutzung erneuerbarer Energien (vor allem Sonne, Wind und Geothermie), auf fossile Energieträger zukünftig verzichten können, kennen die Klimaschädlichkeit der Industriegase und können Sie zunehmend durch andere Stoffe, Technologien ersetzen. Da wir aber nicht alle Emissionen, wie z.B. die Methan- und Lachgasemissionen aus der Landwirtschaft oder Prozessemissionen der Industrie vollständig reduzieren können, werden wir aktiven Kohlenstoffentzug brauchen, damit die Treibhausgaskonzentrationen nicht mehr weiter steigen (Handlungsnotwendigkeit 1). Aber auch das wird für das Erreichen der Ziele des Pariser Abkommens nicht reichen, da die Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre bereits zu hoch sind (Abbildung 16).

Hinzu kommen Emissionen aus Landnutzungsänderungen (Entwässerung von Mooren, Abholzungen u.v.m.), die wir in der Vergangenheit bereits ausgelöst haben und die durch die höhere Photosyntheseleistung der Pflanzen durch höhere CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre oder durch den Ozean zunehmend weniger ausgeglichen werden. Einen Teil dieser Emissionen können wir ausgleichen, indem wir die Zerstörung der Ökosysteme, die noch Senken darstellen, beenden und viel Geld in die Wiederherstellung dieser natürlichen Kohlenstoffspeicher (Wälder, Moore, Böden etc.) investieren (Handlungsnotwendigkeit 2).

Abbildung 18 Zeitliche Dimensionen der drei Handlungsnotwendigkeiten zur Reduktion von Emissionen durch das Vermeiden, Reduzieren und Ersetzen fossiler Energieträger sowie den Erhalt und der Wiederherstellung natürlicher Senken und bilanzierbaren Negativemissionen.

Zusätzlich zur Reduktion von Treibhausgasen und dem Erhalt natürlicher Senken braucht es den Aufbau einer Senkenökonomie, die Geschäftsmodelle für bilanzierbare Senken ermöglicht (Handlungsnotwendigkeit 3). Auch der Weltklimarat (IPPC) geht in nahezu allen Szenarien davon aus, dass solche Kohlendioxidentnahmen aus der Atmosphäre zwingend notwendig sein werden.

CO₂-Kompensation – Zu langsam, zu unsicher, zu spät und schwer zu überprüfen

Zunehmend mehr Menschen, Kommunen und Unternehmen wollen „klimaneutral“ werden und spenden an die inzwischen mehr als ein Dutzend Anbieter einer CO₂ Kompensation. Das Versprechen der Anbieter: Treibhausgasemissionen, die an einer Stelle, zum Beispiel durch Fliegen oder Autofahren verursacht werden, holen die Anbieter durch Projekte irgendwo anders wieder aus der Atmosphäre. Zum Beispiel durch den Bau einer Solarstromanlage, dem Bau energiesparender Öfen oder durch Aufkaufen von europäischen Verschmutzungsrechten (Compensators).

Bei einem Großteil der Projekte geht es um Wiederaufforstung. Klingt einfach und nachvollziehbar, ist es aber nicht: Im Schnitt braucht ein Baum 30 Jahre, bis er 0,5 Tonnen CO₂ gebunden hat. In dieser Zeit können Dürreperioden den Zuwachs schmälern oder er kann ganz vertrocknen oder abbrennen. Die Kompensation ist bei den allermeisten Projekten eine Wette auf die Zukunft. Ob sie eingelöst wurde, kann man allenfalls beurteilen, wenn es vielleicht bereits zu spät ist.

Mit einem Jahresmitgliedsbeitrag von 24 € und Kompensationskosten von 23 € pro Tonne stellt Sie 3fuersklima vermeintlich „klimaneutral“. Und auch den eigenen Internetauftritt kann man durch Geld „klimaneutral“ machen (co2neutralwebsite). Um die CO₂-Bilanz der eigenen Internetseiten zu verbessern, wäre es wohl angemessener, unmittelbar zu einem Anbieter zu wechseln, der zumindest die benötigte Rechenleistung direkt vor Ort über erneuerbare Energien gewähr­leistet.

Um kein Missverständnis aufkommen zu lassen: Projekte, wie sie über die „Kompensations­anbieter“ organisiert werden, sind alle notwendig. Viele davon sind allein deshalb gut, weil sie das Leben vieler Menschen (zumindest nach unserer Vorstellung) nachhaltig verbessern, z.B. weil sie nun Sonnenstrom haben, den sie vorher nicht hatten. Aber die zusätzliche Klimaschutzwirkung lässt sich nur in seltenen Einzelfällen seriös bilanzieren und vor allem dauerhaft belegen und damit nicht zertifizieren. In keinem Fall gelingt damit, wie die Anbieter suggerieren, „Klimaneutralität“ bzw. die Pariser Ziele zu erreichen (vgl. Kapitel 5.8 und 5.9). Insbesondere die CO₂-Emissionen, die man vermeintlich ausgleicht, bleiben bestehen und tragen weiterhin zur Klimakrise bei – und dies im Falle des wichtigsten Klimagas CO₂ für viele Jahrhunderte.

Zu diesem Schluss kommt auch die Klimaschutz+ Stiftung in Heidelberg mit ClimateFair, deren Vorstandsvorsitzender Peter Kolbe statt Kompensation dazu auffordert, Verantwortung für das eigene Handeln und zumindest die rechnerischen Folgekosten zu übernehmen. Dahinter steckt die Überlegung, dass aktuell derjenige billiger produzieren kann, der die Folgekosten seines Tuns nicht in seine Produktpreise einrechnet. Er wälzt diese externen Kosten auf die Allgemeinheit oder künftige Generationen ab. Wer die Umwelt belastet, ohne dafür zu bezahlen, verschafft sich so einen Wettbewerbsvorteil, in vielen Fällen verstärkt durch klimaschädliche Subventionen, finanziert durch die Steuerzahler*innen. Ein Ausgleich von eigenen „unvermeidbaren“ Emissionen an anderer Stelle durch Klimakompensation, wie er auch von der EU noch für möglich erachtet wird, reicht bei weitem nicht, um „Klimaneutralität“ zu erreichen.

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