Klima im 20. Jahrhundert

Die Klimaänderungen der letzten ca. 150 Jahre sind zu einem wichtigen Thema der Wissenschaft, der Öffentlichkeit und der Politik geworden. Grund ist die inzwischen allgemein akzeptierte Annahme, dass die jüngsten Veränderungen des Klimas, insbesondere die Erwärmung der letzten Jahrzehnte, durch die Emission von anthropogenen (d.h. vom Menschen verursachten) Treibhausgasen, insbesondere von Kohlendioxid, aber auch von Methan, Lachgas und FCKW, verursacht sind.

Abb. 1: Wettersatellit GOES-I der Vereinigten Staaten

Unser Wissen über den Klimawandel

Die gegenwärtige Änderung des globalen Klimas ist in den Massenmedien und in der Politik zu einem zentralen Thema geworden. Besonders in Deutschland sind die Sachstandsberichte des IPCC, des Intergovernmental Panel on Climate Change, eines internationalen Expertengremiums der UNO, auf ein breites Echo gestoßen. Die durch den Menschen verursachte globale Erwärmung, als die die gegenwärtige Klimaänderung inzwischen allgemein anerkannt ist, wird vielfach als die zentrale Herausforderung der Menschheit in den kommenden Jahrzehnten begriffen.

Tatsächlich erlebt das weltweite Klima seit Mitte des 19. Jahrhunderts und besonders in den letzten Jahrzehnten einen in historischen Zeiten nicht erfahrenen Wandel, der regional unterschiedlich abläuft, im weltweiten Mittel aber die klare Tendenz einer globalen Erwärmung aufweist. Über zahlreiche Variablen des Klimasystems wie die Temperatur, die Niederschläge, Wetterextreme, die Schneebedeckung, die Ausdehnung von Land- und Meereis und den Meeresspiegel sind immer mehr Daten gesammelt worden, die insgesamt ein einheitliches Bild ergeben: Das Klima der Erde wird wärmer.

Seit etwa 1860 werden an so vielen Orten in der Welt instrumentelle Temperaturdaten gesammelt, dass daraus globale Mittelwerte abgeleitet werden können. Seit etwa 100 Jahren liegen Beobachtungen über Niederschlagsmengen und Winde vor und es gibt an etlichen Orten auch Messungen über dem Meer. Seit den späten 1970er Jahren unterstützen außerdem Satellitendaten die Messungen in Bodennähe. Satelliten messen die von der Erde absorbierte, reflektierte und emittierte Strahlung. Sie können die Wolkenbedeckung, die Schnee- und Eisbedeckung, die Luftzusammensetzung, den Niederschlag und andere Parameter erfassen und haben inzwischen eine Flut von Daten erzeugt, die stetig wächst. Zunehmend werden auch Proxydaten aus Baumringen, Sedimenten, Eisbohrkernen und anderen Quellen über die vergangenen Jahrhunderte und Jahrtausende gesammelt und z.B. in Klimamodellsimulationen ausgewertet, die es erlauben, die klimatischen Veränderungen der letzten Jahrzehnte in einem größeren zeitlichen Kontext zu sehen.

Zuletzt erlauben es auch die immer komplexeren Computermodelle, nicht nur das Wetter der kommenden Tage vorherzusagen, sondern auch das vergangene Wetter (z.B. zu Zeiten, als die Datenlage noch nicht so gut war wie heute) zu rekonstruieren.

Auch wenn einzelne regionale Ereignisse wie etwa das Wüten des Hurrikans Katrina 2005 im Süden der USA, der verheerende Sturm Kyrill im Januar 2007 in Europa, die Elbeflut im Sommer 2002, die europäische Hitzewelle im August 2003 oder immer wieder erlebte ungewöhnlich warme Winter wie zuletzt 2006/07 kein Beweis für einen globalen Klimawandel sind, so kann dennoch die Häufigkeit vieler einzelner Ereignisse die Änderung des Klimas dokumentieren.

Änderung der globalen Mitteltemperatur

Temperaturentwicklung der letzten 150 Jahre

Abb. 2: Änderung der globalen 5-Jahresmitteltemperatur 1850-2020 absolut und im Vergleich zu 1850-1900 nach 6 Datensätzen.

Abb. 3: Veränderung der globalen Mitteltemperatur 1950-2017 in °C und El-Niño und La-Niña-Jahre

Seit es verlässliche instrumentelle Messungen gibt, um daraus globale Mittelwerte zu rekonstruieren, d.h. seit Mitte des 19. Jahrhunderts, waren die bodennahen globalen Durchschnittstemperaturen der Erde nie so hoch wie in den Jahren seit den 1980er Jahren. In der Abb. 2 tritt deutlich eine Erwärmung in zwei Phasen von 1910 bis 1940 und seit Mitte der 1970er Jahre hervor. Im Zeitraum 1910 bis in die 1940er Jahre hat die Temperatur um ca. 0,35 °C zugenommen (Abb. 2), seit den 1970er Jahren bis zur Gegenwart deutlich stärker um 0,7-0,8 °C. Dazwischen gab es eine leichte Abkühlung um 0,1 °C. Diese erklärt sich daraus, dass durch die fortschreitende Verbrennung von fossilen Brennstoffen nicht nur Kohlendioxid, sondern auch Aerosole emittiert wurden, insbesondere Sulfat-Aerosole, die das Sonnenlicht wieder in den Weltraum reflektieren und so den Treibhauseffekt maskieren. Mittlerweile sind die Sulfatemissionen in Nordamerika und Europa jedoch gesunken (wenn auch in Süd- uund Ostasien angestiegen), so dass die Emission von Treibhausgasen nun eine deutlichere Wirkung zeigt (siehe auch Aerosole).

Zwischen der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts (die häufig als vorindustrielle Referenzperiode genommen wird), und der 5-Jahresperiode 2016-2020 hat sich die globale Mitteltemperatur um etwa 1,2 °C erhöht. Dabei hat das Tempo der Erwärmung deutlich zugenommen. D.h. fast die Hälfte der Erderwärmung in den letzten eineinhalb Jahrhunderten ereignete sich in den letzten 30-40 Jahren. Nach einigen Datensätzen war 2016 das wärmste bisher gemessene Jahr, nach anderen war 2020 gleich warm oder sogar minimal wärmer. 2016 war aber durch einen starken El Niño, eine periodisch auftretende ungewöhnliche Erwärmung im tropischen Pazifik (Abb. 3), beeinflusst, während 2020 eindeutig das wärmste Jahr seit Beginn der Messungen ohne den Einfluss durch einen El Niño war und damit deutlich die Auswirkungen der Erwärmung durch anthropogene Treibhausgase zeigt.

Die jüngste Erwärmung hat die Temperaturen des Klimaoptimums im Holozän (6.000-7.000 vh.), als die Temperaturen bis zu 1 °C höher als 1850-1900 waren, inzwischen übertroffen. Sie ist etwa vergleichbar mit den Werten der letzten Zwischeniszeit vor ca. 120.000 Jahren. Sie liegt im globalen Mittel auch über den Temperaturen der Mittelalterlichen Warmzeit, die anders als die gegenwärtige Erwärmung räumlich sehr uneinheitlich war. Wahrscheinlich war etwa ein Drittel der Erde im Mittelalter wärmer als die entsprechenden Gebiete heute, während 2/3 kühler waren als im späten 20. Jahrhundert. Insgesamt war es im hohen Mittelalter (ca. 1000 bis 1300) kühler als in den Jahrzehnten nach 1970. Das absolut Besondere an den gegenwärtigen Temperaturen ist ihr plötzlicher Anstieg von nahezu den kältesten Werten des gesamten Holozäns um 1900 auf nahezu die wärmsten Temperaturen zu Beginn des 21. Jahrhunderts in nur 100 Jahren. Damit hat sich der lang anhaltende Abkühlungstrend der letzten 5000 Jahre in einer klimageschichtlich äußerst kurzen Zeit in sein Gegenteil verkehrt.

Tages- und Nachttemperaturen

Bei einem Vergleich zwischen Tages- und Nachttemperaturen zeigt sich, dass die Minimumtemperaturen stärker als die Maximumtemperaturen zunahmen. Das hat zu der Vermutung geführt, dass dafür eventuell die zunehmende Verstädterung verantwortlich sein könnte, da die urbanen Hitzeinseln die Nachttemperaturen stärker als die Tageswerte beeinflussen. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass der urbane Anteil an der weltweiten Zunahme der Landtemperaturen seit 1900 nicht mehr als 0,06 °C beträgt, bei der globalen Temperatur (unter Berücksichtigung der siedlungsfreien Ozeanflächen) sogar nur 0,02 °C. Bei der Berechnung der globalen Temperatur sind die Effekte der städtischen Wärmeinseln berücksichtigt, die aber auf die Messtationen in den meisten Fällen keinen nennenswerten Einfluss haben, da diese oft in Parks und Gärten liegen und nicht gerade in Straßenschluchten. Ein anderer Erklärungsansatz für die Schwächung des Tagesganges ist eine geänderte Bewölkung, da Wolken sowohl Sonnenlicht zurückreflektieren (was sich direkt auf die Tagestemperaturen auswirkt) als auch die langwellige Strahlung von der Erde absorbieren und zurückstrahlen (Treibhauseffekt), was nachts die Temperaturen nicht so stark absinken ließe.

Räumliche Muster der Erwärmung

Abb. 4: Temperaturdifferenz 2016-2020 im Vergleich zum Beginn des 20. Jahrhunderts (1901-1930); grau: fehlende oder zu wenige Daten.

Abb. 4 zeigt den Temperaturunterschied zwischen der 5-Jahresperiode 2016-2020 und dem Beginn des 20. Jahrhunderts 1901-1930. Die Temperaturen in den letzten 120 Jahren sind über dem Land, insbesondere über den großen Kontinentalmassen, stärker als über dem Meer angestiegen. So sind die Meeresoberflächentemperaturen im letzten Drittel des 20. Jahrhunderts nur etwa halb so stark gestiegen wie die Landtemperaturen. Der Nordatlantik zeigt sogar eine leichte Abkühlung. Der stärkste Temperaturanstieg wurde mit 2-4 °C und mehr auf den Kontinenten der mittleren und höheren Breiten der Nordhalbkugel beobachtet, besonders über Eurasien. Auf der südlichen Hemisphäre ist der Temperaturanstieg wegen der großen Wassermassen geringer als auf der nördlichen, aber auch die Temperaturen auf den flächenmäßg kleineren Landgebieten sind hier deutlich weniger stark angestiegen als auf der Nordhalbkugel..

Neben dem horizontalen zeigt der Temperaturwandel der letzten Jahrzehnte auch ein charakteristisches vertikales Muster. Die Auswertung neuerer Satelliten- und Radiosondendaten hat auch für die Troposphäre insgesamt eine Erwärmung ergeben, die je nach Datensatz zwischen 0.04 °C to 0.20 °C pro Jahrzehnt für 1979 bis 2004 beträgt. Die untere Stratosphäre zeigt dagegen eine deutliche Temperaturabnahme. Das ist zum einen auf die Zerstörung von Ozon zurückzuführen, das in der Stratospäre als Treibhausgas wirkt. Zum anderen liegt darin eine Folge der Erwärmung der unteren Atmosphäre durch Treibhausgase. Radiosonden- und Satellitenmessungen ergeben für die untere Stratosphäre (in den Tropen ab 16-17 km und in den höheren Breiten ab 8-10 km Höhe) eine Abkühlung von –0.32 °C bis –0.47 °C pro Jahrzehnt seit 1979. Seit Beginn der Messungen war die Temperatur in der unteren Stratosphäre nie so niedrig wie in den letzten Jahren. Der generelle Trend der Temperaturabnahme wird jedoch unterbrochen durch kurzfristige Erwärmungen, die durch Vulkanausbrüche wie die des El Chichon 1982 und des Mt. Pinatubo 1991 verursacht werden.

Änderung der Niederschläge

Abb. 4: Änderung der globalen jährlichen Niederschläge 1900 bis 2019 im Vergleich zum Mittel 1901-2000

Abb. 5: Änderung der Jahresmittelwerte der Niederschläge der Periode 1986-2015 im Vergleich zu 1901-1960

In einer wärmeren Atmosphäre erhöht sich auch deren Fähigkeit, Wasserdampf zu halten (siehe Niederschlag). Dadurch werden die Verdunstung verstärkt und die Niederschläge erhöht, allerdings räumlich sehr uneinheitlich. Über den Ozeanen wurde in Übereinstimmung mit einer Zunahme der Meeresoberflächentemperatur eine Erhöhung des Wasserdampfgehalts der Troposphäre um 4% seit 1970 beobachtet. In den ohnehin trockenen Subtropen verstärkt sich die potentielle Verdunstung, die in der wärmeren Atmosphäre aber seltener zu einer Wasserdampfsättigung und damit zu Niederschlägen führt. Wenn Niederschläge hier fallen, dann können sie wegen des höheren Wasserdampfgehalts der Atmosphäre heftiger ausfallen. In den mittleren und höheren Breiten ist aufgrund der atmosphärischen Zirkulation, die einerseits das verdunstete Wasser aus den Subtropen in höhere Breiten transportiert und zum anderen das Mehr an Wasserdampf von den Ozeanen Richtung Kontinente befördert, allgemein mit höheren Niederschlägen zu rechnen.

Kompliziert werden die Niederschlagsänderungen über Land durch die Wirkung von Aerosolen, die räumlich begrenzt Sonnenstrahlen reflektieren und damit abkühlend wirken, als Rußaerosole aber auch zur Erwärmung der mittleren Troposphäre führen und so den hydrologischen Zyklus abschwächen können. Hinzu kommen die Probleme, die sich durch das unvollständige Messnetz und die Schwierigkeiten, Niederschläge überhaupt zuverlässig zu messen, ergeben. Ein globaler Trend ist daher für das 20. Jahrhundert nicht auszumachen.

Großräumig und regional, teilweise aber auch in zeitlicher Hinsicht, ergibt sich für die Veränderungen der Niederschläge im 20. Jahrhundert ein sehr uneinheitliches Bild. In den mittleren und höheren Breiten der Nordhalbkugel über Nordamerika und Eurasien haben die Niederschläge in der Zeit von 1900 bis 2005 nahezu durchgehend um 6-8% zugenommen. Deutliche Zunahmen finden sich auch über Argentinien und der La-Plate-Region sowie über dem westlichen Australien. Abnehmende Niederschläge zeigen dagegen der Mittelmeerraum, die Sahelzone, Südafrika, Teile Südasiens, der Karibik sowie Chile. In Südasien und Westafrika gingen die Niederschläge zwischen 1900 und 2005 um 7,5% zurück

Niederschläge unterliegen schon von Natur aus starken Schwankungen, z.B. in Abhängigkeit von Zirkulationsmustern wie dem ENSO-Phänomen oder der Nordatlantischen Zirkulation. Die Tendenz zu höheren Temperaturen ist ein weiterer Faktor, der diese Schwankungen, aber auch die Verdunstung und die Art der Niederschläge mit Rückwirkungen auf die Temperatur beeinflusst. Höhere Temperaturen können durch eine stärkere Verdunstung ein Mehr an Niederschlägen wieder zunichte machen. Und sie verstärken nur solange die Verdunstung, wie genügend Wasser bzw. Feuchtigkeit zur Verfügung steht, das verdunstet werden kann. Falls das der Fall ist, wird bei der Verdunstung Energie verbraucht, die der Atmosphäre entzogen wird, wodurch sich diese weniger erwärmt und weniger Wasserdampf aufnimmt. Bei fehlender Feuchte und Verdunstung heizt sich die Atmosphäre stark auf, ihre Wasserdampfkapazität erhöht sich und sie trocknet den Boden extrem aus. Fällt in mittleren und höheren Breiten in wärmeren Wintermonaten mehr Regen statt Schnee, hat das ebenfalls Folgen für die Feuchtigkeit im Boden, da Schnee eher im Boden versickert und Regen schneller abfließt. Diese Faktoren spiegeln sich im sog. Palmer drought severity index, dessen Veränderungen besser als die der Niederschläge selbst die tatsächlich zur Verfügung stehende Feuchtigkeit wiedergibt.

Änderungen von Zirkulationsmustern

Abb. 5: Winter-NAO-Index (Dez.-März) nach Hurrell 1860-2011

Nicht nur die Veränderung der Niederschläge, sondern auch die der übrigen klimatischen Faktoren können regional stark vom globalen Trend abweichen. So kann es bei einer globalen Erwärmung durchaus auch Regionen geben, in denen die Temperatur sinkt. Die Ursache liegt meistens in atmosphärischen Zirkulationsmustern, die in der Regel mehrjährigen Schwankungen unterliegen, die den allgemeinen Klimatrend überlagern können, von ihm aber auch beeinflusst werden. Die bekanntesten dieser Zirkulationsmuster sind das El-Niño-Southern-Oscillation-Phänomen (ENSO) und die Nordatlantische Oszillation (NAO). Die ENSO-Schwankungen folgen einem Rhythmus von ca. sieben Jahren, die NAO unterliegt einem Jahresrhythmus. Beide werden von Dekadenschwankungen überlagert. ENSO hat nahezu globale Auswirkungen und beeinflusst die Niederschläge in Ostafrika ebenso wie in den USA und Australien.

Die NAO hat vor allem einen Einfluss auf Europa und bestimmt hier die Wintertemperaturen und -niederschläge. Eine stärkere NAO bedeutet stärkere Winterstürme und einen stärkeren Atlantik-Einfluss auf das europäische Wetter, während das osteuropäische Kältehoch an Bedeutung verliert. Bei der NAO ist seit den späten 1970er Jahren bis in die Mitte der 1990er Jahre eine polwärtige Verschiebung und Verstärkung der Westwinde festgestellt worden. Damit einher verschob sich der Jetstream Richtung Pol. Untersuchungen ergaben für den Nordatlantik im Winter eine Verschiebung der Sturmbahnen in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts um 180 km nach Norden. Während dabei die Zahl der Stürme abgenommen hat, wurde ihre Intensität stärker. Seit Mitte der 1990er Jahre nimmt die Intensität der NAO wieder ab. Damit in Verbindung stehen wahrscheinlich die Kalten Winter in Europa der letzten Jahre. Ähnliche Veränderungen konnten auch auf der Südhalbkugel beobachtet werden. Die Folgen waren u.a. höhere europäische Wintertemperaturen und eine starke Erwärmung der antarktischen Halbinsel. Bei dem ENSO-Phänomen scheint es seit den späten 1970er Jahren mehr und stärkere El-Niño-Ereignisse gegeben zu haben, mit entsprechenden Folgen z.B. von Dürren in Indonesien, Überschwemmungen an der südamerikanischen Westküste und einer gegensätzlichen Temperaturentwicklung im westlichen und östlichen Teil Nordamerikas.

Siehe auch

• Abrupte Klimaänderungen

Unterricht

• Klimawandel und seine Erkundung: Arbeitsblatt
• Klima im 20. Jahrhundert: Arbeitsblatt

Weblinks

• F.-W. Gerstengarbe, P. Werner (2007): Der rezente Klimawandel, aus: Wilfried Endlicher, Friedrich-Wilhelm Gerstengarbe: Der Klimawandel – Einblicke, Rückblicke und Ausblicke, 34-43
• WMO-Bericht zum Zustand des globalen Klimas 2007 und 2008 Deutsche Übersetzung durch den Deutschen Wetterdienst
• WMO Statement on the Status of the Global Climate frühere WMO-Berichte auf Englisch (1995-2007)
• Satellitendaten und bodennahen Temperaturmessungen Climate Press Nr. 21, September 2005
• National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA): 2010 Tied For Warmest Year on Record

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Kontakt: Dieter Kasang