Zwei Jahrhunderte Klimageschichte: Teil Zwei - von Hulburt bis Keeling, 1931-1965

Die Tatsache, dass Kohlendioxid ein "Treibhausgas" ist - also ein Gas, das verhindert, dass ein gewisser Anteil der Wärmestrahlung zurück ins Weltall entweicht und dadurch für ein relativ warmes Klima auf der Erde sorgt, geht auf eine Idee zurück, wenn auch nicht speziell auf CO2 bezogen, die fast 200 Jahre alt ist. Diese dreiteilige Geschichte über diese wichtigen physikalischen Eigenschaften, seine Rolle in der geologischen Vergangenheit und ein Verständnis, wie es unsere Zukunft beeinflussen könnte, umspannt fast zwei Jahrhunderte mit Fragen, Entdeckungen, Innovationen und Problemlösungen.

Dies ist Teil Zwei der Serie, zu der auch Teil Eins und Teil Drei gehören.

oben: Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre ab Ende der 1950er Jahre. Die rote Zickzack-Linie wird durch jahreszeitlich bedingte Schwankungen in der Aufnahme durch Pflanzen verursacht

Wir nehmen den Faden 1931 wieder auf, als der amerikanische Physiker E. O. Hulburt Berechnungen durchführte, um ebenfalls die Auswirkungen einer Verdopplung von Kohlendioxid herauszufinden. Er berücksichtigte die zusätzlichen Auswirkungen von Wasserdampf und kam als Ergebnis auf ungefähr 4°C Erwärmung. Er widerlegte auch Ångströms Arbeit und ermittelte, dass - unabhängig von Konvektionsprozessen - nur die ins All entweichende Infrarot-Strahlung (oder eben das Verhindern des Entweichens) eine Schlüsselrolle spielt. Die aus diesen Überlegungen resultierende Studie wurde im Fachmagazin Physical Review veröffentlicht, das von Geo- und Atmosphärenwissenschaftlern eher selten gelesen wurde. Viele von ihnen übersahen diese Studie aus diesem Grund. Jedenfalls wurde generell angenommen, dass das Klimasystem der Erde sich in irgendeiner Art natürlichen Gleichgewichts befand. Im Nachhinein und unter Berücksichtigung der dramatischen klimatischen Änderungen, die zu Eiszeiten führten, war dies ein etwas merkwürdiger Standpunkt.

Sieben Jahre später liess der englische Ingenieur Guy Callendar die Idee wieder aufleben. Callendar war als Spezialist für Dampfmaschinen zwar ein Außenseiter, er hatte aber ein ausgeprägtes Interesse an der Meterologie und hatte in Temperaturaufzeichnungen Beweise für einen Erwärmungstrend im frühen 20. Jahrhundert gefunden. Endlich kümmerte sich wieder jemand um die tatsächliche Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre: Callendar ermittelte, dass sie um etwa 10% gestiegen war und er mutmaßte, dass dies zu der Erwärmung geführt haben könnte. Er fügte hinzu, dass dies im Laufe der nächsten Jahrhunderte zu einer Klimaveränderung hin zu einem wärmeren Zustand führen könnte.

Die damalige Reaktion war bestenfalls zurückhaltend: so wurde zum Beispiel die Messgenauigkeit der Kohlendioxidkonzentrationen des 19. Jahrhunderts bezweifelt. Außerdem gab es da immer noch die alten Zweifel an Arrhenius ursprünglicher Arbeit: ganz bestimmt waren die riesigen Ozean doch in der Lage, das meiste der zusätzlichen Gase aufzunehmen. Callendar führte an, dass die mit der Atmosphäre interagierende oberste Meerwasserschicht der Ozeane ziemlich leicht mit Kohlendioxid gesättigt werden würde. Dies würde ihre Fähigkeit noch mehr aufzunehmen beeinflussen, weil - wie er annahm - die Vermischung von oberen und tiefen Wasserschichten der Ozeane sehr wahrscheinlich nur sehr langsam von statten geht. Und dann gab es da auch noch das alte Problem mit den sich überlappenden Absorptionsbändern von Wasserdampf und Kohlendioxid und des sich daraus ergebenden geringeren Treibhauseffekts des zuletzt genannten Gases. Callendars eigene Berechnungen, die zu einem Temperaturanstieg von 2°C für eine Verdoppelung von Kohlendioxid kamen, waren etwas einseitig: einer der Hauptkritikpunkte war, dass sie nur die Strahlung berücksichtigten und Auswirkungen der anderen wichtigen Art, durch die Wärme geleitet wird - die Konvektion - unberücksichtigt ließ, obwohl Hulburt darüber bereits geschrieben hatte. Die Erwartung, dass die Erwämung zu mehr Bewölkung führen würde, wurde wieder geäußert - dies war jedoch ein Punkt, für den es damals noch keine Methode gab, den Beitrag abzuschätzen. Dies waren alles nachvollziehbare und begründete Einwände, weil es zu diesem Zeitpunkt noch nicht ausreichend Daten gab, um für zusätzliche Klarheit zu sorgen.

Diese Einwände führten jedoch zu einer neuen Dynamik,,um Teile des Problems zu lösen. Begünstigt wurde dies durch eine Zunahme bei der wissenschaftlichen Forschung zu Beginn des Kalten Krieges. Atmosphärische Abläufe hatten wichtige militärische Konsequenzen und es wurde deshalb als wichtig betrachtet, sie so genau wie möglich zu verstehen. Die Eigenschaften und das Verhalten von Infrarotstrahlung wurde dabei ganz genau studiert, was daran lag, dass wenn Raketen irgendwie in die Lage versetzt werden könnten, auf Hitzequellen wie Jetantriebe ausgerichtet zu werden, sie diese Dinge auch finden und zerstören könnten. Ångströms Experimente, bei denen Luft in einer Röhre unterschiedliche Mengen von Kohlendioxid enthält, wurden als irreführend erkannt: die Probleme lagen an den ziemlich schlecht auflösenden Messinstrumenten, die damals zur Verfügung standen. Anstelle der breiten Absortionsbänder entdeckten die präziseren modernen Geräte Gruppen scharfer Linien, in denen es zur Absorption kam. Dazwischen gab es jedoch Lücken, durch die die Infrarotstrahlung ungehindert passieren konnte. Kohlendioxid und Wasserdampf besaßen ihre jeweils eigenen Absorptionslinien, die sich nicht genau entsprachen und es wurde bestätigt, dass Wasserdampf in den trockeneren oberen Schichten der Atmosphäre eher unwichtig ist. Jetzt wurde endlich realisiert, dass die Eigenschaften jeder einzelnen Schicht ebenfalls berücksichtigt werden mussten. Hulburt und Callendar - ja sogar Arrhenius - waren doch schon auf der richtigen Fährte, selbst wenn Teile ihrer Schlussfolgerungen falsch waren.

Ab Mitte der 50er Jahre konnten die Wissenschaftler große Vorteile aus der Rechenkapazität von Computern ziehen. Dies ermöglichte es, jede Schicht der Erdatmosphäre zu analysieren und herauszufinden, wie sie die Infrarotstrahlung absorbieren könnte. Der Physiker Gilbert Plass machte sich an diese Aufgabe: seine Arbeit bestätigte zum einen, dass mehr Kohlendioxid einen wärmenden Effekt haben würde und zum anderen, dass eine Verdopplung der Konzentration des Gases zu einer Erwärmung zwischen 3 und 4°C führen würde. Bei den Emissionsraten Mitte der 50er Jahre würde dies zu einem Temperaturanstieg von ungefähr 1,1°C pro Jahrhundert führen. Plass notierte, dass eine weitere Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur bis zum Ende des 20. Jahrhunderts, "eindeutig belegen" würde, dass Kohlendioxid einen Klimawandel verursachen könne. Die Reaktion war erneut zurückhaltend. Dass Wasserdampf und Bewölkung kaum Berücksichtigung fanden, führten zur Kritik der Oberflächlichkeit. Die Sache mit der Aufnahme des zusätzlichen Gases durch die Ozeane wurde erneut ins Spiel gebracht und diente als Einwand auf Plass' Annahme, dass das zusätzliche Kohlendioxid für Tausende von Jahren in der Atmosphäre bleiben würde.

Die 50er Jahre des 20. Jahrhunderts wurden geprägt von den Atomtests. Ein Bestandteil des atomaren Niederschlags war Kohlenstoff 14 (C14), ein instabiles Kohlenstoffisotop, das in seinem Atomkern sechs Protonen und acht Neutronen enthält (das mit Abstand häufigste Isotop, das 98,9% der gesamten Kohlenstoffmenge der Erde ausmacht, ist Kohlenstoff 12 (C12) mit sechs Protonen und sechs Neutronen). Weil C14 instabil ist, unterliegt es radioaktivem Zerfall und man kann es durch seine Radioaktivität auf seinem Weg durch die Atmosphäre verfolgen. Dieses Tracking ermöglichte es den Forschern, festzustellen, dass sich die zur Atmosphäre hinzugefügten langlebigen Gase innerhalb weniger Jahre über alle Schichten hinweg und von Pol zu Pol vermischten. C14 entsteht allerdings auch in den obersten Atmosphärenschichten durch den Beschuss mit kosmischer Strahlung. Im Vergleich zu den singulären Ereignissen jedes einzelnen Atomtests, handelt es sich hierbei um einen konstanten Prozess. Diese Tatsache ermöglichte einen weiteren Test.

C14 hat eine kurze Halbwertszeit weshalb mit der Radiokarbonmethode das Alter nur für relativ junge Materialien ermittelt werden kann. Sie funktioniert nicht für sehr altes Material wie Steine, die Millionen von Jahre alt sein können und wo man auch die fossilen Brennstoffe dazuzählen kann. In Kohle und Öl ist der radioaktive Zerfall von C14 längst abgeschlossen, so dass beim Verbrennen nur noch nicht radioaktives C12 und das viel seltenere aber stabile C13 freigesetzt wird. Beim massiven Verbrennen fossiler Brennstoffe würde deshalb der Luft unabhängig von Atomtests mehr C12 und C13 im Verhältnis zu C14 hinzugefügt werden. Der Chemiker Hans Suess hat dies durch die Untersuchung von Kohlenstoffisotopen in Bäumen getestet. Er fand heraus, dass je jünger das Holz war, darin mehr C12 und C13 im Verhältnis zu C14 nachgewiesen werden konnte. Dies war der im Holz festgehaltene Fingerabdruck der Verfeuerung von fossilen Brennstoffen.

Zu dieser Zeit war die Zunahme noch gering, was die Ansicht verstärkte, dass die Ozeane den Großteil des zusätzlichen Kohlendioxids aufnahmen. Weiterführende Forschung wurde jedoch von Suess, zusammen mit Roger Revelle am Scripps Institute für Ozeanografie und von anderen Spezialisten betrieben. Sie alle kamen unabhängig von einander zu einer ähnlichen Schlussfolgerung: die Ozeane würden typischerweise ein emittiertes Kohlendioxidmolekül innerhalb eines Jahrzehnts aufgenommen haben. Revelle, eine Art Spezialist für die Chemie des Meerwassers, war sich jedoch bewusst darüber, dass die verschiedenen im Meerwasser enthaltenen Chemikalien einen Puffereffekt hatten, der das Meerwasser in einem leicht basischen Zustand hält. Revelle vertrat die Meinung, dass diese Pufferwirkung der Menge von Kohlendioxid, die die Meere tatsächlich aufnehmen konnten, eine enge Grenze setzte.

Dies war ein kritischer Punkt in der Forschung. Revelle berechnete, dass basierend auf den Emissionraten seiner Zeit (unter der auch von seinen Vorgängern vertretenen Annahme, dass diese Raten wahrscheinlich konstant bleiben würden)  ein Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in Höhe von etwa 40% in den folgenden Jahrhunderten möglich wäre. Er  erwähnte allerdings auch nebenbei, dass wenn die Emissionsraten weiterhin steigen würden, das Ergebnis ein anderes mit einer deutlichen Erwärmung in den kommenden Jahrzehnten sein würde. Besonders wichtig war, dass er darauf hinwies, dass die Menschheit ein großes geophsysikalisches Experiment durchführte, das weder in der Vergangenheit hätte passieren können noch in der Zukunft wiederholt werden könnte. Dies war möglicherweise ein Hinweis auf die zunehmende Erkenntnis, dass die fossilen Brennstoffe begrenzt und nur einmal nutzbar waren, da sie nun einmal in menschlichen Zeiträumen gesehen keine erneuerbaren Rohstoffe sind.

Die Wichtigkeit der begrenzten Aufnahmefähigkeit der Ozeane für Kohlendioxid setzte sich nach einer gewissen Zeit durch und die zwei schwedischen Meterologen Bert Bolin und Erik Eriksson führten dies näher aus, in dem sie erklärten, was passiert. Obwohl das Gas tatsächlich leicht vom Meerwasser aufgenommen werden kann, spielen dabei die Zeiträume eine entscheidende Rolle:  das Vermischen von Meerwasser der flachen und tiefen Bereiche der Meere vollzieht sich über hunderte bis tausende von Jahren. Meerwasser kann aber Teile seiner Kohlendioxidfracht über sehr viel kürzere Zeiträume ausgasen. Wie ihre Vorgänger, führten Bolin und Eriksson Berechnungen für die möglichen Temperaturveränderungen bei einer Verdopplung von Kohlendioxid durch. Allerdings nahmen sie an, dass die Emissionen steigen und auf einem immer steiler werdenden Pfad noch mehr steigen würden. Sie notierten, dass es bis zum Jahr 2000 zu einem Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids um 25% kommen würde. Dies war wesentlich drastischer als alles andere was zuvor geäußert wurde und Bolin warnte davor, dass daraus dramatische Klimaveränderungen resultieren könnten, eine Aussage, die vom russischen Klimaforscher Mikhael Budyko 1962 wiederholt wurde.

Was passierte denn tatsächlich mit der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre? Stieg sie wirklich an? Der einzige Weg, um dies herauszufinden, war anzufangen, die Konzentration des Gases genau zu messen. Um dies in die Tat umzusetzen, wurde als erster Schritt ein Netzwerk aus 15 über Skandinavien verteilten Messstationen aufgebaut. Die Ergebnisse waren extrem verrauscht und es wurden dann auch Fehler in der angewandten Methode entdeckt. In Kalifornien war es dem Forscher Charles David Keeling jedoch gelungen, die Messtechniken soweit zu verbessern, dass er annahm, dass es möglich war, die störenden Quellen des Rauschens zu isolieren und zu entfernen. Revelle und Suess stellten ihn ein und finanzierten seine Arbeitszeit und seine Geräte. Es wurden Gegenden wie die Antarktis und der Mauna Loa Vulkun auf Hawaii ausgewählt, die weit entfernt von verfälschenden lokalen menschengemachten oder natürlichen Quellen von Kohlendioxid lagen. Hier sei erwähnt, dass am Mauna Loa die vorherrschenden Winde vom Meer her kommen und die Risse, aus denen Gas austritt, fast alle in Windrichtung liegen. Wenn der Wind also dreht, sind die Ausschläge durch das vulkanische Kohlendioxid so offensichtlich, dass sie leicht entfernt werden können. Die Idee war jedenfalls, zunächst eine Basiskonzentration zu ermitteln und danach festzustellen, wie hoch die Konzentration in den Folgejahren sein würde. 1958 war sich Keeling sicher, dass er diese Basis zuverlässig ermittelt hatte und zwei Jahre später teilte er mit, dass die Konzentration anstieg, und zwar mit der zu erwartenden Rate, wenn die Ozeane wie oben beschrieben nicht das meiste der Emissionen aufnahmen.

Leider wurden die Stationen in der Antarktis Opfer fehlender Finanzierung. Die Mauna Loa Messstation wurde aber weiterhin betrieben und sie fand einen sich fortsetzenden Anstieg. Die Messungen nahmen auch einen deutlich erkennbaren und regelmäßig flukturierenden Kreislauf wahr, der der pflanzlichen Wachstumsperiode der nördlichen Hemisphäre entsprach. Im Frühjahr und Sommer nahm die Konzentration ab, um im Herbst und Winter wieder anzusteigen, was die entsprechend zunehmende und abnehmende Aufnahme von Kohlendioxid wiederspiegelte. Parallel hierzu nahm das Verständnis anderer Aspekte des komplexen Kohlenstoffzyklus weiter zu. Grundsätzlich war das Ziel, herauszufinden, wieviel von dem aus dem Verfeuern fossiler Brennstoffe stammdenden Kohlendioxids in den Meeren, der Vegetation, den Böden, verwitterndem Gestein und so weiter landete. Ganz wichtig war auch, dass diese fachübergreifende Arbeit endlich die verschiedenen Forschungsgebiete, die bisher in ziemlicher Isolierung gearbeitet hatten, zusammenbrachte: Atmosphärenwissenschaftler, Biologen, Geochemiker, Computerspezialisten und noch viele andere. 1965 wurde die Aussage getroffen, dass "bis zum Jahr 2000 die Zunahme von CO2 in der Atmosphäre ... wahrscheinlich ausreicht, um messbare und vielleicht deutliche Veränderungen des Klimas zu verursachen".

Wichtige Entdeckungen der Klimaforschung, 1930-1960.  Illustration von jg

Weiterführende Informationen

Das Buch The Discovery of Global Warming von Spencer Weart liefert eine sehr detaillierte Beschreibung der Geschichte der Klimawissenschaft mit einer Fülle von Referenzen - es ermöglicht viele Tage detaillierter Studien für alle diejenigen, die über die Blogoshpäre hinaus möchten.

Translation by BaerbelW. View original English version.