Die Zukunft vorhersagen

Gute wissenschaftliche Theorien haben, wie man sagt, Vorhersagekraft: Eine Theorie sollte es uns ermöglichen, Prognosen über ein Thema zu machen. Wenn die Theorie etwas taugt, werden ihre Prognosen in der Regel eintreffen.

Ein Beispiel: Als das Periodensystem der Elemente vorgeschlagen wurde, waren viele Elemente noch unentdeckt. Mit der Theorie hinter dem Periodensystem konnte der russische Chemiker Dimitri Mendelejew die Eigenschaften von Gallium und Germanium richtig vorhersagen, obwohl sie noch gar nicht entdeckt worden waren.

Die Theorie der Treibhausgase sagt uns, was passiert, wenn wir in der Luft CO2 anreichern. Die Theorie wurde erstmals 1896 vom schwedischen Forscher Svante Arrhenius vorgeschlagen, basierend auf Vorarbeit von Fourier und Tyndall. Viele Wissenschaftler haben die Theorie im Laufe des letzten Jahrhunderts verfeinert. Fast alle kamen zum selben Schluss: Wenn wir in der Atmosphäre Treibhausgase anreichern, wird es auf der Erde wärmer werden.

Gestritten wurde indessen über den Umfang. Es geht hier um die „Klimasensitivität“, um die Frage: Wie viel wärmer wird es, wenn die CO2-Konzentration sich im Vergleich zu vorindustriellen Werten verdoppelt? Klimamodelle sagen hier mindestens 1,65°C an Erwärmung voraus, doch die höchsten Schätzungen schwanken stark um einen Mittelwert von 5,2°C. Unsere besten Einschätzungen liegen aktuell um 3°C, wobei mehr als 4,5°C unwahrscheinlich sind.

Was absteigt …

Der Treibhauseffekt funktioniert so: Energie von der Sonne erreicht die Erde als sichtbares Licht und UV-Strahlung. Die Erde strahlt einen Teil davon als Infrarotstrahlung wieder ab. Treibhausgase in der Atmosphäre fangen einen Teil dieser Wärme ab und streuen sie in alle Richtungen –auch zurück zur Erde. Durch diesen Vorgang halten CO2 und andere Treibhausgase die Temperatur auf der Erde um ca. 33°C höher als sie sonst wäre.

Wir haben den CO2-Gehalt der Luft nun um 42% erhöht und die Temperaturen sind gestiegen. Es sollte Daten geben, die den Temperaturanstieg mit CO2 in Verbindung bringen.

Bisher ist die globale Durchschnittstemperatur um rund 0,8°C gestiegen:

„Laut einer fortlaufenden Temperaturanalyse, die von Forschern im Goddard Institute for Space Studies (GISS) der NASA durchgeführt wird, ist die Durchschnittstemperatur der Erde seit 1880 um ca. 0,8°C gestiegen. Zwei Drittel der Erwärmung haben nach 1975 stattgefunden, mit einer Rate von rund 0,15 bis 0,2°C pro Jahrzehnt.“

Die Temperatur steigt, genau wie die Theorie es angekündigt hat. Doch wo lässt sich der Zusammenhang mit CO2 oder anderen Treibhausgasen wie Methan, Ozon oder Lachgas beobachten?

Der Zusammenhang findet sich im Spektrum der Treibhausgas-Strahlung. Mittels FTIR-Spektroskopie können wir genau die Wellenlängen der Infrarotstrahlung messen, die am Boden ankommen.

Bild 1: Spektrum der Treibhausgas-Strahlung, gemessen am Erdboden. Der Treibhauseffekt durch Wasser ist herausgefiltert, sodass die Beiträge der anderen Treibhausgase sichtbar sind (Evans 2006).

Wir sehen ganz klar, dass CO2 gerade erhebliche Erwärmung verursacht, ebenso Ozon (O3) und Methan CH4). Diesen Effekt nennt man den Strahlungsantrieb und diese Messungen sind ein Teil der empirischen Beweislage, dass CO2 die Erwärmung verursacht.

… muss wieder aufsteigen

Wie lange trägt CO2 schon zur Erwärmung bei? Laut NASA haben zwei Drittel der Erwärmung erst seit 1975 stattgefunden. Kann man den Einfluss von CO2 auf die Temperatur über diesen Zeitraum hinweg verlässlich prüfen?

Man kann. Wir können die Wellenlänge aufsteigender langwelliger Strahlung messen, wenn sie die Erde verlässt und Satelliten haben genau das getan. Deshalb können wir das Spektrum der aufsteigenden langwelligen Strahlung von 1970 mit dem von 1997 vergleichen und nach Unterschieden schauen.

Bild 2: Veränderung des Spektrums von 1970 bis 1996. „Brightness temperature“ bedeutet die entsprechende Schwarzkörpertemperatur (Harries 2001).

Diesmal sehen wir, dass während der Phase der stärksten Temperaturzunahme der Austritt aufsteigender Strahlung gesunken ist –und zwar bei genau den Wellenzahlen, bei denen er für abwärts gerichtete Strahlung zugenommen hat! Dieselben Treibhausgase –CO2, Methan, Ozon usw. – sind erkennbar.

Die empirischen Belege

Als die Temperaturen stiegen, begannen sich Wissenschaftler zunehmend für die Ursache zu interessieren. Viele Theorien wurden vorgeschlagen. Alle bis auf eine wurden mangels Beweisen wieder verworfen. Eine Theorie allein hat die Jahre überdauert, bestärkt durch Experimente.

Wir wissen seit Tyndall, dass CO2 langwellige Strahlung aufnimmt und wieder abgibt. Die Theorie der Treibhausgase nach Arrhenius sagt voraus, dass bei steigendem Anteil der Treibhausgase in der Luft eine Erwärmung stattfinden muss. Wissenschaftler haben den Einfluss von CO2 gemessen, sowohl auf einfallende Sonnenstrahlung als auch auf aufsteigende langwellige Strahlung: In den Weltraum entweicht heute weniger langwellige Strahlung als früher. Die Lücken sind bei genau den Wellenlängen der Treibhausgase. Dagegen wird an der Erdoberfläche mehr langwellige Strahlung gemessen –bei genau denselben Wellenlängen.

Diese Daten liefern zusammen einen empirischen Beweis für den vorhergesagten Effekt von CO2.

Englisches Original von GPWayne