Klimaszenarien

Unsicherheiten bei Klimaprognosen

Neben der Frage nach den Ursachen der beobachteten globalen Erwärmung sind die Versuche einer Abschätzung des künftigen Klimas der Bereich der Klimaforschung, der in der Öffentlichkeit höchste Aufmerksamkeit erhält.

Im Gegensatz zu einer Wettervorhersage beanspruchen sie nicht, einen bestimmten Zustand der Atmosphäre an einem beliebigen Ort der Erde vorherzusagen, z.B. die Temperatur am 4. Januar 2058 in Berlin, sondern zielen auf statistische Durchschnittswerte über größere Räume und Zeitabschnitte, z.B. die globale Durchschnittstemperatur oder den mittleren Niederschlag einer ganzen Klimazone über ein oder mehrere Jahrzehnte (siehe auch Klima und Wetter). Dennoch sind auch solche Berechnungen mit zahlreichen und gravierenden Unsicherheiten behaftet. Diese lassen sich grob in drei Gruppen einteilen:

1. Unsicherheiten, die die externen Einflussfaktoren auf das Klima betreffen,
2. Unsicherheiten, die aus der begrenzten Kenntnis über das Klimasystem resultieren und
3. Unsicherheiten, die in den Defiziten von Klimamodellen begründet sind.

Externe Einflussfaktoren

Klimaprojektionen über die nächsten 100 Jahre gehen aufgrund der Beobachtung der Vergangenheit davon aus, dass in diesem relativ kurzen Zeitraum die natürlichen externen Einflussfaktoren keine wesentlichen Veränderungen des globalen Klimas bewirken werden, auch wenn solche Möglichkeiten, z.B. eine Serie von starken Vulkanausbrüchen oder bisher nicht beobachtete Veränderungen in der Sonnenaktivität, nicht völlig ausgeschlossen werden können. Der größte Unsicherheitsfaktor wird vielmehr in der Wirkung des Menschen auf das Klima gesehen. Niemand kennt die Entwicklung der Weltgesellschaft über die nächsten Jahrzehnte bzw. kann die Bevölkerungsentwicklung genau bestimmen, die Veränderung des Konsumverhaltens, den Energieverbrauch, die Nutzung von Energiequellen, die technologische Entwicklung, das Ausbrechen von Kriegen usw. vorhersagen. Diese Unsicherheit findet ihren Ausdruck darin, dass der IPCC ein differenziertes Spektrum von Emissionsszenarien für Treibhausgase entwickelt hat, um auf diese Weise den unterschiedlichen Entwicklungsmöglichkeiten der Weltgesellschaft Rechnung zu tragen. Klimaprojektionen sind folglich immer Wenn-dann-Aussagen. Sie haben nicht den Anspruch, "die" Zukunft zu zeigen, sondern sie projezieren mögliche bzw. unter bestimmten Grundannahmen wahrscheinliche zukünftige Entwicklungen.

Kenntnis über das Klimasystem

Die zweite Unsicherheit liegt darin begründet, dass trotz aller sich beeindruckend entwickelnden Forschung die Kenntnis über das Klimasystem und seine Dynamik immer noch begrenzt ist. Das betrifft besonders Fälle, in denen Rückkopplungsprozesse, kleinräumige Vorgänge oder beide zusammen eine Rolle spielen. So ist zumindest quantitativ ungewiss, wie sich ein wärmeres Klima zusammen mit einem höheren Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre auf die Vegetation auswirken und deren Veränderung wiederum das Klima und den CO₂-Gehalt beeinflussen wird. Noch nicht hinreichend erfasst sind außerdem viele Aspekte der Atmosphärenchemie und -physik mit ihrem Einfluss auf die Wolkenbildung und deren Einfluss auf den atmosphärischen Strahlenhaushalt. Auch kann nicht mit Sicherheit gesagt werden, ob und wann das Klima bei Überschreitung gewisser Grenzzustände "Sprünge" machen wird, d. h. plötzlich in einen anderen Zustand umkippt, wie es z.B. durch ein Aussetzen der thermohalinen Zirkulation am Ende der letzten Kaltzeit tatsächlich vorgekommen ist.

• Siehe auch: Kipppunkte im Klimasystem

Klimamodelle

• Hauptartikel: Klimamodelle

Drittens ist die Klimaforschung bei der Berechnungen des zukünftigen Klimas auf Computermodellsimulationen angewiesen, die in einer Art Ersatzrealität das hochkomplexe Klimasystem, seine interne Dynamik und den Einfluss von externen Faktoren, insbesondere den Einfluss des Menschen, darzustellen versuchen. Auch hier gab es eine nahezu schwindelerregende Entwicklung zu immer mehr Computerleistung. Trotzdem ist die Leistungsfähigkeit weiterhin begrenzt, was sich anschaulich in der räumlichen Auflösung von globalen Atmosphärenmodellen zeigt, die gegenwärtig bei einem Gitternetz von über 100 km Breite liegt, wodurch viele kleinräumige Prozesse wie etwa die Wolkenbildung oder die Dynamik der großen Eisschilde immer noch nicht erfasst werden können. Die Erfolge, die mit Klimamodellen bei der Simulation des vergangenen und gegenwärtigen Klimas erzielt werden konnten, verleihen den Modellsimulationen dennoch ein erhebliches Gewicht. Ihre Aussagen nicht ernst zu nehmen wäre angesichts der weitreichenden Folgen einer fortgesetzten Klimaänderung und der Eintrittswahrscheinlichkeit, die die Modelle vorhersagen, höchst unverantwortlich (Näheres s. Klimamodelle).

Zusammenfassung der Unsicherheiten

Szenariendiagramm für die IPCC-Emissionsszenarien. Jedem Emissionsszenario entspricht dabei ein konkretes Konzentrations- und Klimaszenario.

Die Kombination aller Unsicherheiten führt zu einer unbegrenzten Anzahl von möglichen Zukünften mit einer großen Spanne an möglichen Klimazuständen zum Ende des 21. Jahrhunderts und darüber hinaus. Die wichtigsten Fragen lauten in diesem Zusammenhang:

1. Wie wird sich die Menschheit weiter entwickeln, und welche Emissionen und sonstigen Einflüsse hat das zur Folge?
2. Wie werden sich die Emissionen auf die Konzentrationen von Treibhausgasen auswirken? Wieviel wird durch die Senken im Kohlenstoffkreislauf, nämlich Land-Biosphäre und Ozean, wieder aufgenommen und wieviel verbleibt in der Atmosphäre?
3. Wie wird sich eine bestimmte Konzentration auf das Klima der Zukunft auswirken (siehe auch Klimasensitivität)?

Aus einer Reihe von möglichen gesellschaftlichen Entwicklungen von der Gegenwart bis in die Zukunft folgen Szenarien der Treibhausgas-Emissionen. Aus diesen resultieren verschiedene Möglichkeiten der Treibhausgas-Konzentration und daraus wiederum mehrere mögliche Klimaentwicklungen. Ergebnisse mit verschiedenen Modellen des Kohlenstoffkreislaufs zeigen, dass die Unsicherheitsspanne der CO₂-Konzentrationen und des Klimas um 2100 für ein und dasselbe Emissionsszenario ungefähr so groß ist wie der Unterschied zwischen den Szenarien bei einem bestimmten Kreislaufmodell. Kurz gesagt: Die Unsicherheiten des menschlichen Verhaltens sind ungefähr genauso wichtig wie die Unsicherheiten des Klimasystems; sie tragen zur am Ende resultierenden Unsicherheitsspanne etwa gleich viel bei.

Die IPCC-Emissionszenarien

Anschauliche Darstellung der vier SRES-Szenario-Familien des IPCC

Bei dem Versuch, Aussagen über das künftige Klima zu machen, beschränkt sich die Klimaforschung in der Regel auf Projektionen für die nächsten 100 Jahre. Die zentrale Frage ist: Wie entwickelt sich das globale Klima durch den weiteren Anstieg der anthropogenen Emissionen von Treibhausgasen und welche Folgen hat der zu erwartende Klimawandel?

Die zukünftigen Emissionen sind von ökonomischen, sozialen und politischen Entwicklungen abhängig, die grundsätzlich nicht vorhersagbar sind. Die Klimaforschung geht daher von einer breiten Varianz von Annahmen über die künftige Entwicklung der Menschheit aus, aus denen sie eine vielfältige Palette von Emissionsszenarien ableitet, die wiederum die Grundlage für Projektionen über die künftige Klimaentwicklung bilden. Der IPCC-Bericht von 2001 ("Third Assessment Report") basiert auf nahezu 40 Szenarien, die je nach Annahme über die weitere Entwicklung der menschlichen Weltgesellschaft in vier "Familien" (A1, B1; A2, B2; vgl. die nebenstehende Grafik) gegliedert sind.

Die den früheren IPCC-Berichten zugrundeliegenden IS92-Szenarien (IPCC-Szenarien von 1992) wurden ab 1996 gründlich überarbeitet. Das Ergebnis sind die 40 neuen sogenannten SRES-Szenarien (nach: "Special Report on Emissions Scenarios"), die die möglichen Entwicklungen im 21. Jahrhundert in den Bereichen Bevölkerungswachstum, ökonomische und soziale Entwicklung, technologische Veränderungen, Ressourcen-Verbrauch und Umweltmanagement differenzierter als bisher berücksichtigen. Sie lagen sowohl dem IPCC-Bericht von 2001 ("Third Assessment Report") als auch dem "Fourth Assessment Report" (AR4) des IPCC von 2007 zugrunde. Die 40 Szenarien werden in vier Haupt-Typen, nämlich die "Szenario-Familien" A1, B1, A2 und B2 unterteilt.

Die A1-Szenarien-Familie ist unterteilt in die nachstehend genannten drei Szenario-Gruppen,

die unterschiedliche Ausrichtungen technologischer Änderungen im Energiesektor beschreiben:

1. Szenario-Gruppe A1FI = fossilintensiv;
2. Szenario-Gruppe A1T = nichtfossile Energiequellen;
3. Szenario-Gruppe A1B = (balanced) ausgewogene Nutzung fossiler und nichtfossiler Energiequellen.^, 

Die Emissions-Szenarien des IPCC-Sonderberichtes über Emissions-Szenarien (SRES ) A1. Die A1-Modellgeschichte bzw. -Szenarien-Familie beschreibt eine zukünftige Welt mit sehr raschem Wirtschaftswachstum, einer Mitte des 21. Jahrhunderts kulminierenden und danach rückläufigen Weltbevölkerung, und rascher Einführung neuer und effizienterer Technologien. Wichtige grundlegende Themen sind Annäherung von Regionen, Entwicklung von Handlungskompetenz sowie zunehmende kulturelle und soziale Interaktion bei gleichzeitiger substantieller Verringerung regionaler Unterschiede der Pro-Kopf-Einkommen. Die A1-Szenarien- Familie teilt sich in drei Gruppen auf, die unterschiedliche Ausrichtungen technologischer Änderungen im Energiesystem beschreiben. Die drei A1-Gruppen unterscheiden sich in ihrer technologischen Hauptstossrichtung: fossil-intensiv (A1FI), nichtfossile Energiequellen (A1T) oder eine ausgewogene Nutzung aller Quellen (A1B) (wobei ausgewogene Nutzung definiert ist als eine nicht allzu große Abhängigkeit von einer bestimmten Energiequelle und durch die Annahme eines ähnlichen Verbesserungspotentials für alle Energieversorgungs- und -verbrauchstechnologien). A2. Die A2-Modellgeschichte bzw. -Szenarien-Familie beschreibt eine sehr heterogene Welt. Das Grundthema ist Autarkie und Bewahrung lokaler Identitäten. Regionale Fruchtbarkeitsmuster konvergieren nur sehr langsam, was eine stetig zunehmende Bevölkerung zur Folge hat. Die wirtschaftliche Entwicklung ist vorwiegend regional orientiert und das Pro-Kopf-Wirtschaftswachstum und technologische Veränderungen sind bruchstückhafter und langsamer als in anderen Modellgeschichten. B1. Die B1- Modellgeschichte bzw. -Szenarien-Familie beschreibt eine sich näher kommende Welt, mit der gleichen, Mitte des 21. Jahrhunderts kulminierenden und danach rückläufigen Weltbevölkerung wie in der A1-Modellgeschichte, jedoch mit raschen Änderungen der wirtschaftlichen Strukturen in Richtung einer Dienstleistungs- und Informationswirtschaft, bei gleichzeitigem Rückgang des Materialverbrauchs und Einführung von sauberen und ressourcen-effizienten Technologien. Das Schwergewicht liegt auf globalen Lösungen für eine wirtschaftliche, soziale und umweltgerechte Nachhaltigkeit, einschließlich erhöhter sozialer Gerechtigkeit, aber ohne zusätzliche Klimainitiativen. B2. Die B2-Modellgeschichte bzw. -Szenarien-Familie beschreibt eine Welt mit Schwerpunkt auf lokalen Lösungen für eine wirtschaftliche, soziale und umweltgerechte Nachhaltigkeit. Es ist eine Welt mit einer stetig, jedoch langsamer als in A2 ansteigenden Weltbevölkerung, wirtschaftlicher Entwicklung auf mittlerem Niveau und weniger raschem, dafür vielfältigerem technologischem Fortschritt als in den B1- und A1-Modellgeschichten. Obwohl das Szenario auch auf Umweltschutz und soziale Gerechtigkeit ausgerichtet ist, liegt der Schwerpunkt auf der lokalen und regionalen Ebene. Für jede der sechs Szenarien-Gruppen A1B, A1FI, A1T, A2, B1 und B2 wurde ein illustratives Szenario gewählt. Alle sollten als gleich stichhaltig betrachtet werden. Die SRES-Szenarien beinhalten keine zusätzlichen Klimainitiativen, d.h. es sind keine Szenarien berücksichtigt, die ausdrücklich eine Umsetzung des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klimaänderungen (UNFCCC) oder den Emissionszielsetzungen des Kyoto-Protokolls annehmen.

Verwendung der Szenarien in den IPCC-Berichten

Da bislang kaum Klimamodelle existierten, die die Quellen und Senken von Kohlendioxid und deren Abhängigkeit von CO₂-Konzentration und Klima mit beinhalteten, musste man diesen Modellen einen CO₂-Gehalt vorgeben, aus dem sie dann das Klima berechneten. Nur die roten Pfeile des Diagramms ganz oben sind also in den klassischen Szenarien berücksichtigt. Für jede der vier Emissionsszenario-Familien wurden dazu CO₂-Konzentrationen mit zwei verschiedenen Modellen eines vereinfachten Kohlenstoffkreislaufs errechnet. Diese wurden dann als Grundlage für den dritten und vierten IPCC-Sachstandsbericht verwendet. Die Weiterentwicklung der Klimamodelle macht es in Zukunft möglich, diese Abschätzung nicht mehr getrennt vorzunehmen, sondern das Klima direkt aus den Emissionen zu berechnen. Auch bei der herkömmlichen Methode wurde natürlich eine Vielzahl von Klimamodellen benutzt, so dass auch bei einem einzigen Emissions- und Konzentrationsszenario der Klimawandel immer etwas verschieden ausfällt. Deshalb gibt es zu jedem Szenario eine Unsicherheitsspanne.

Die folgende Tabelle bietet dazu eine Übersicht, getrennt nach den vier Szenariofamilien. Näheres findet sich in dem Artikel Klima im 21. Jahrhundert.

Die vier Szenariofamilien des Fourth Assessment Report des IPCC und die prognostizierte Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur bis 2100
AR4 Summary (PDF)	Wirtschaftsorientiert (ökonomisch ausgerichtet)	Umweltorientiert (ökologisch ausgerichtet)
Globalisierung (homogene Welt)	A1 (Hohes Wirtschaftswachstum) (Szenario-Gruppen: A1T; A1B; A1FI) 1,4–6,4 °C	B1 (Globale Nachhaltigkeit)   1,1–2,9 °C
Regionalisierung (heterogene Welt)	A2 (Regionale Wirtschaftsentwicklung) 2,0–5,4 °C	B2 (Regionale Nachhaltigkeit) 1,4–3,8 °C

Die neuen RCP-Szenarien für den 5. IPCC-Sachstandsbericht

Bevölkerungsentwicklung und Primärenergieverbrauch bis 2100 nach den neuen Repräsentativen Konzentrationspfaden (Representative Concentration Pathways - RCPs)

Für den 5. Sachstandsbericht des IPCC, der 2013/14 erscheinen wird, werden sogenannte „Repräsentative Konzentrationspfade“ (Representative Concentration Pathways - RCPs) entwickelt, von denen einige Ergebnisse schon vorliegen. Diese neuen sozioökonomischen und Konzentrations-Szenarien werden nicht vom IPCC, sondern von frei arbeitenden Wissenschaftlern erarbeitet und stützen sich auf Ergebnisse der wissenschaftlichen Literatur. Das Ergebnis sind bisher vier Szenarien mit den folgenden Strahlungsantrieben und Treibhausgaskonzentrationen im Jahr 2100 gegenüber den vorindustriellen Werten von 1850:

RCP-Szenarien für den 5. IPCC-Sachstandsbericht
Bezeichnung	RCP8.5	RCP6.0	RCP4.5	RCP2.6
Treibhausgaskonzentration im Jahre 2100	1370 ppm CO2-äq	850 ppm CO2-äq	650 ppm CO2-äq	400 ppm CO2-äq
Strahlungsantrieb 1850-2100	8,5 W/m2	6,0 W/m2	4,5 W/m2	2,6 W/m2
Einstufung	sehr hoch	hoch	mittel	sehr niedrig

Außerdem wurden ergänzende Szenarien bis 2300 entwickelt, die als Extended Concentration Pathways (ECPs) bezeichnet werden.

Die Bezeichnung "repräsentativ" weist darauf hin, dass es sich um Repräsentationen für einen größeren Satz an Szenarien handelt. Anders als bei den SRES-Emissionsszenarien wird bei den neuen Szenarien der Schwerpunkt nicht auf die Emission, sondern auf die Konzentration und den Strahlungsantrieb der Treibhausgase gelegt. Nach dem Strahlungsantrieb sind denn auch die Szenarien benannt (RCP6.0 steht für 6,0 W/m² von 1850 bis 2100). Die zugrunde liegenden sozio-ökonomischen Annahmen berücksichtigen die Bevölkerungszunahme, das Bruttosozialprodukt, den Energieverbrauch u.a. Faktoren. So geht RCP8.5 von 12 Milliarden Menschen auf der Erde um 2100 aus, RCP2.6 dagegen nur von 9 Milliarden. Der Primärenergieverbrauch wird von RCP8.5 dreimal so hoch wie heute angenommen, von den anderen Szenarien doppelt so hoch. Unterschiede bestehen auch im Energiemix, z.B. mit einem sehr geringen Öl-Anteil bei RCP2.6 und einem sehr hohen Anteil von fast 50 % von Kohle bei RCP8.5. Die Kohlendioxid-Emissionen werden nach RCP8.5 von fast 10 GtC/Jahr in der Gegenwart auf fast 30 GtC/Jahr am Ende des Jahrhunderts steigen, bei RCP2.6 dagegen um das Jahr 2080 auf Null fallen.

Unterricht

• Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU): Einmal Zukunft und zurück - Szenarien für die Entwicklung unseres Klimas Seite 53 ff. der PDF-Datei (Schülerarbeitsheft und Lehrerhandreichung)

Weblinks

• H. Paeth (2007): Klimamodellsimulationen, aus: Wilfried Endlicher, Friedrich-Wilhelm Gerstengarbe: Der Klimawandel – Einblicke, Rückblicke und Ausblicke, 44-55
• Bundeszentrale für politische Bildung: Klimaszenarien (2 Seiten)
• Deutscher Wetterdienst (DWD): Klimaszenarien - Einblicke in unser zukünftiges Klima
• E. Kriegler (Klimanavigator): Die neuen RCP-Szenarien für den kommenden 5. IPCC-Sachstandsbericht