Global warming hat Geburtstag!

28. Juli 2010 von Stefan Rahmstorf in Allgemein

Die globale Erwärmung wird 35! Nicht nur hält der aktuelle Erwärmungstrend nun bereits rund 35 Jahre an. Auch der Begriff "global warming" feiert nächste Woche seinen 35. Geburtstag. Am 8. August 1975 veröffentlichte Wally Broecker in der Fachzeitschrift Science seinen Artikel "Are we on the brink of a pronounced global warming?". Dies scheint die erste Verwendung des Begriffes "global warming" in der Fachliteratur zu sein (zumindest ist es in der wissenschaftlichen Datenbank ISI der früheste von über 10.000 Artikeln für diesen Suchbegriff).

In diesem Artikel prognostizierte Broecker korrekt "dass der gegenwärtige Abkühlungstrend innerhalb etwa eines Jahrzehnts einer deutlichen globalen Erwärmung weichen wird, verursacht durch Kohlendioxid" und dass Kohlendioxid "zu Beginn des nächsten Jahrhunderts die planetare Durchschnittstemperatur über die Erfahrungsgrenzen der letzten 1000 Jahre hinausgetrieben haben wird." Er schätzte die CO2-bedingte Erwärmung für das 20. Jahrhundert auf 0,8°C und sorgte sich über die Konsequenzen für die Landwirtschaft und den Meeresspiegel.


Globale Temperatur bis Juni 2010 nach den NASA GISS Daten. Die graue Linie zeigt den 12-monatigen gleitenden Mittelwert, die roten Punkte den jeweiligen Jahreswert. Die dicke rote Kurve zeigt eine nicht-lineare Trendlinie. Diese Daten standen Broecker selbstverständlich nicht zur Verfügung, auch nicht die bis 1975, da diese weltweite Zusammenstellung erst in den späten 1970-ern vorgenommen wurde (Hansen et al. 1981). Broecker war auf begrenztere meteorologische Daten angewiesen.  

All denen, die selbst heute noch behaupten, die globale Erwärmung sei nicht vorhersagbar, mag Broeckers Artikel zur Erinnerung dienen, dass die Erderwärmung tatsächlich vorhergesagt wurde, bevor sie mehr als ein Jahrzehnt später in den globalen Temperaturdaten erkennbar wurde (als Jim Hansen 1988 vor dem US-Kongress seine berühmte Aussage machte: "global warming is here!").

Broecker ist einer der großen Klimatologen des 20. Jahrhunderts: nur wenige können mit seiner Bilanz von 400 Fachpublikationen mithalten, von denen ganze 60 jeweils über 100 Mal zitiert wurden! Interessanterweise ist sein "global warming" - Artikel nicht eines dieser vielzitierten Papers - es wurde "nur" 79 Mal zitiert. Die größte Bekanntheit hat Broecker mit seinen Arbeiten zum Paläoklima und der Geochemie der Ozeane erlangt.

Ein Blick darauf, wie Broecker 1975 zu seinen Prognosen kam, lohnt sich - nicht zuletzt, weil auch heute noch viele Laien fälschlicherweise glauben, dass wir die globale Erwärmung deshalb auf CO2 zurückführen, weil die Temperaturen und die CO2-Konzentration beide angestiegen sind und korrelieren. Broecker machte seine Vorhersage, als die CO2-Werte stiegen, die gemessenen Temperaturen jedoch seit Jahrzehnten sanken - aber Broecker verstand die grundlegende Physik der Situation (wie  die meisten Klimaforscher damals wie heute).

Seine Vorhersage basiert auf drei einfachen Schritten, die im Wesentlichen auch heute noch angewandt werden.

Schritt 1: Prognose zukünftiger Emissionen

Broecker ging einfach von einer Wachstumsrate der Emissionen aus fossilen Brennstoffen von jährlich 3% ab dem Jahr 1975 aus. Diese Annahme führte zu einer kumulierten Menge von 1,67 Billionen Tonnen fossiler CO2 - Emissionen bis zum Jahr 2010 (siehe Tabelle 1). Nicht schlecht: wie sich inzwischen gezeigt hat, lagen die tatsächlichen Emissionen bei 1,3 Billionen Tonnen (Canadell et al, PNAS 2007 - Schätzung von mir bis 2010 ausgedehnt).

Ein Defizit aus der heutigen Sicht ist, dass Broecker andere anthropogene Treibhausgase und Aerosolteilchen nicht mit einberechnet hat. Aber er diskutiert das Thema der Aerosole, die er "Staub" nennt. Der erste Satz des Abstracts (oben zitiert) fängt mit einem Konditional an:

Wenn von Menschen verursachter Staub unwichtig ist als wesentliche Ursache von Klimawandel, dann sprechen starke Argumente dafür, dass der gegenwärtige Abkühlungstrend innerhalb etwa eines Jahrzehnts einer deutlichen globalen Erwärmung weichen wird, verursacht durch Kohlendioxid.

Das ist ein Wink in Richtung der Diskussion über eine Aerosol-bedingte Abkühlung in den frühen 1970-er Jahren. Broecker schreibt hier zu Recht:

Es ist schwierig, die Bedeutung des zweitwichtigsten anthropogenen Klimaeffektes, "Staub", zu bestimmen, und zwar aufgrund von Unsicherheiten hinsichtlich der Menge, der optischen Eigenschaften und der Verteilung menschgemachter Teilchen,

und zitiert dazu einige Artikel von Steve Schneider und anderen. Da er ihn nicht quantifizieren kann, lässt er diesen Effekt außen vor. Hier hatte Broecker das Glück auf seiner Seite: Die Erwärmung durch andere Gase und die Abkühlung durch Aerosole wiegen sich heute größtenteils gegenseitig auf - das CO2 alleine führt daher zu nahezu demselben Strahlungsantrieb wie alle anthropogenen Effekte auf das Klima zusammen (siehe IPCC AR4, Fig. SPM.2).

Tabelle 1 von Broecker (1975)

Schritt 2: Prognose zukünftiger Konzentrationen

Um von der Menge des emittierten CO2 zu seinem Anstieg in der Atmosphäre zu gelangen, muss man den Teil der Emissionen kennen, der in der Luft verbleibt (die airborne fraction). Basierend auf Daten vergangener Emissionen und CO2-Konzentrationen (Keelings Mauna Loa Kurve) nahm Broecker an, dass dieser Anteil konstant 50% beträgt, dass sich also etwa die Hälfte unserer fossilen Emissionen in der Atmosphäre ansammeln. Das ist auch heute noch eine realistische Abschätzung für den beobachteten CO2-Anstieg als Anteil der fossilen Brennstoffemissionen. Broecker berechnete, dass ca. 35% der Emissionen von den Ozeanen aufgenommen werden and die anderen 15% von der Biosphäre (auch dies recht nahe an modernen Werten, siehe Canadell et al.). Auf dieser Grundlage argumentierte er, dass die airborne fraction in den folgenden Jahrzehnten nahezu konstant bleiben würde (seine Berechnungen erstreckten sich bis auf das Jahr 2010), wenn die Ozeane die größte Senke sind.

Aus einem 3%-igen Anstieg der Emissionen pro Jahr, von denen 50% in der Luft verbleiben, kann man sehr einfach den Anstieg der CO2 - Konzentration  berechnen. Broecker erhält einen Anstieg von 295 auf 403 ppm von 1900 bis 2010. Der tatsächliche Wert beträgt 2010 390 ppm, ein wenig niedriger als Broecker angenommen hatte, da seine erwarteten kumulierten Emissionen etwas zu hoch angesetzt waren.  

Schritt 3: Berechnung der globalen Temperaturreaktion

Nun kommen wir zu der Reaktion der Temperatur auf eine gestiegene CO2-Konzentration. Broecker schreibt:

Die Reaktion der globalen Temperatur auf den atmosphärischen CO2-Gehalt ist nicht linear. Bei steigender CO2-Menge in der Atmosphäre wird die Absorption der infraroten Strahlung zunehmend "gesättigt" über einen immer größeren Teil des Spektrums. Rasool und Schneider zeigen, dass die Temperatur logarithmisch mit der atmosphärischen CO2-Konzentration ansteigt.  

Auf Grundlage dieser logarithmischen Beziehung (die auch heute noch gültig ist) nimmt Broecker eine Klimasensitivität von 0,3°C Erwärmung pro 10% Anstieg der CO2-Konzentration an, was 2,2°C Erwärmung bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration bedeutet. Diese Annahme beruht auf frühen Berechnungen von Manabe und Weatherald. Broecker schreibt:

Auch wenn noch Überraschungen für uns auf Lager liegen mögen, wenn größere Computer und ein besseres Verständnis der Wolkenphysik die nächste Stufe der Modellierung ermöglichen, dürfte die Größenordnung des CO2-Effektes auf einen Faktor 2 bis 4 bestimmt worden sein.

Der letzte IPCC-Bericht gibt den Unsicherheitsbereich der Klimasensitivität mit 2-4,5°C Erwärmung für eine CO2-Verdoppelung an, d.h. es besteht immer noch ein Faktor 2 Unsicherheit und Broecker hat einen Wert nahe dem unteren Ende des Unsicherheitsbereiches benutzt. Moderne Abschätzungen basieren nicht nur auf Modellrechnungen sondern auch auf paläoklimatischen und modernen Daten; der IPCC-Bericht listet in der Tabelle 9.3 dreizehn Studien auf, die die Klimasensitivität bestimmen.

In Broeckers Artikel tritt die aus der Klimasensitivität errechnete Erwärmung sofort ein. Heute wissen wir, dass das Klimasystem - aufgrund der thermischen Trägheit der Ozeane - mit einer Verzögerung reagiert. Indem Broecker dies vernachlässigt überschätzt er die Erwärmung zu jedem Zeitpunkt; bei Berücksichtigung dieser Trägheit wären seine Erwärmungswerte um ca. ein Drittel niedriger ausgefallen (siehe IPCC Fig. SPM.5). Aber auch hier hatte er Glück: die Wahl von ~2ºC Klimasensitivität anstatt der wahrscheinlicheren ~3ºC gleicht dies in etwa aus, so dass seine Erwärmung im 20. Jahrhundert von 0,8°C fast genau stimmt (der tatsächliche Wert liegt näher bei 0,7°C, siehe Abb. oben). (Eine moderne Version dieser einfachen Abschätzung findet sich z.B. in unserem Buch Wie bedroht sind die Ozeane, S. 111).

Natürliche Variabilität

Broecker war nicht der erste, der die CO2-bedingte Erwärmung vorhergesagt hat. Bereits 1965 hatte ein Expertenbericht für den US-Präsidenten Lyndon B. Johnson gewarnt: "Bis zum Jahr 2000 wird der Anstieg an Kohlendioxid nahezu 25% betragen. Dies kann ausreichend sein, um messbare und möglicherweise markante Veränderungen im Klima herbeizuführen." Zudem wurde im Jahr 1972 von dem renommierten Atmosphärenwissenschaftler J.S. Sawyer in der Fachzeitschrift Nature eine spezifischere Voraussage getroffen, die der Broeckers ähnelt (für eine kurze historische Übersicht siehe meinen Artikel im Magazin forschung).

Das Innovative an Broeckers Artikel - von der Einführung des Begriffes der "globalen Erwärmung" einmal abgesehen - lag in der Kombination der geschätzten CO2-bedingten Erwärmung mit der natürlichen Klimavariabilität. Seine Hauptthese war, dass eine natürliche Abkühlung des Klimas

über die letzten drei Jahrzehnte den CO2-bedingten Erwärmungseffekt mehr als kompensiert hat [...] Die gegenwärtige natürliche Abkühlung wird jedoch innerhalb des nächsten Jahrzehnts die Talsohle erreichen. Wenn dies geschehen ist, wird der CO2 - Effekt zu einem bedeutenden Einflussfaktor werden und bis zum ersten Jahrzehnt des nächsten Jahrhunderts dürften wir globale Temperaturen erleben, die höher sind als jemals in den letzten 1000 Jahren.

Mit Letzterem sollte er Recht behalten. Die These, dass die geringfügige Abkühlung von den 1940ern bis zu den 1970ern auf natürliche Variabilität zurückzuführen ist, kann auch heute nicht ausgeschlossen werden, auch wenn es wahrscheinlicher ist, dass dies nur einen kleineren Teil der Ursache darstellt und die Abkühlung primär mit dem "Staub", also dem Anstieg der anthropogenen Verschmutzung durch Aerosole, zu erklären ist, den Broecker vernachlässigt hatte (Taylor and Penner, 1994). Doch die Methode, mit der Broecker die natürlichen Klimaschwankungen abschätzte und sogar vorhersagte, hat sich nicht bewährt. Er nutzte Daten vom Camp Century Eiskern in Grönland und argumentierte, dass diese "ein Bild der Schwankungen globaler Temperaturen während der vergangenen 1000 Jahre abgeben könnten". Doch Broeckers eigene Arbeiten zur Atlantischen Ozeanzirkulation zeigten später, dass Grönland noch weniger repräsentativ für die globale Temperaturentwicklung ist als die meisten anderen Orte der Erde - weil es stark von Schwankungen im Wärmetransport des Ozeans betroffen ist (siehe diesen kürzlich erschienen Beitrag zur Jüngeren Dryas oder Broeckers neuestes Buch The Great Ocean Conveyor). Dennoch hatte Broecker mit seiner Folgerung Recht, dass die Anreicherung von CO2 früher oder später solche natürlichen Schwankungen übertrumpfen würde.

Alles in Allem zeigt Broeckers Artikel (zusammen mit dem von Sawyer), dass gültige Voraussagen zur globalen Erwärmung in den 1970-ern in den führenden Fachzeitschriften Science und Nature veröffentlicht wurden und die Erwärmung sich seit mindestens 35 Jahren fast genau wie vorhergesagt entwickelt hat. Einige wichtige Aspekte waren damals noch nicht verstanden, wie beispielsweise die Rolle anderer Treibhausgase, der Aerosole oder der Wärmespeicherung in den Ozeanen. Dass die damaligen Prognosen so exakt waren war auch einer Portion Glück zu verdanken, da die vernachlässigten Prozesse die Ergebnisse nicht alle in dieselbe Richtung beeinflussen sondern sich teilweise kompensieren. Doch die grundlegende Tatsache, dass steigendes CO2 eine "deutliche globale Erwärmung" verursachen würde, wie Broecker schrieb, war in den 1970ern bereits gut verstanden. In einem Fernsehinterview aus dem Jahr 1979 bezeichnet Steve Schneider dies zutreffend als Konsens unter Experten, mit verbleibender Kontroverse über das genaue Ausmaß und die Auswirkungen.

Quelle

BROECKER WS, 1975: CLIMATIC CHANGE - ARE WE ON BRINK OF A PRONOUNCED GLOBAL WARMING?
SCIENCE Volume 189, Pages 460-463.


6 Kommentare zu “Global warming hat Geburtstag!”

  1. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Treibhausgase immer dominierender

    Wirklich erstaunlich, die Voraussagen von Broecker für die letzten 35 Jahre - aus seiner Sicht die nächsten 35 Jahre. Und das bei all den Unsicherheiten einer Prognose, gerade dazumal. Das war wohl ein Volltreffer bei schlechter Sicht.

    Dabei ist meines Wissens die Temperaturentwicklung von 1880 bis 1970 weit weniger gut verstanden. Entscheidend ist wohl die Annahme, dass die Treibhausgase in ihrer Wirkung so dominierend werden, dass alle anderen Faktoren in den Hintergrund treten. Damit wird die Voraussage auch heute immer einfacher und Spekulationen wie die von Mojib Latif, es könne aufgrund einer Reorganisation von Ozeanströmungen zur langjährigen Temperaturstagnation kommen, können einfach nicht mehr zutreffen.

  2. Gunnar Innerhofer Antworten | Permalink

    beeindruckend, wirklich

    in einer Zeit eine Erwärmung so genau vorauszusagen, als es gar keine gab und für so lange Zeiträume mit erstaunlicher Güte ist wirklich äußerst beeindrucken.

    Man liest aber auch, dass er bis zum ersten Jahrzehnt des kommenden Jahrhunderts eine Erwärmung sieht, welche eine 1000 jährige Höchstmarke definieren. Auch da hat er wohl ziemlich recht. Vielleicht sah er aber auch die Erwärmung davor (ca. 1910-1940) und zog diesn Zyklus weiter bis in unsere Zeit und nimmt für die ersten Dekaden wieder eine leichte Abkühlung wie für 1940-1970 an.

    [Antwort: Man sieht diese Zyklen in Broecker's Abb. 1; so um die 2020 wird das nächste Maximum erreicht. Dann ist aber der CO2-Effekt schon mehrfach stärker, sodass der Zyklus die Erwärmung kaum verlangsamt. Und: wie oben im Artikel gesagt entspricht diese Extrapolation eines Zyklus nicht mehr dem Stand des Wissens, auch Broecker würde das heute so nicht mehr machen, schon gar nicht von Grönland auf die globale Temperatur schließen. Stefan Rahmstorf]

  3. Gunnar Innerhofer Antworten | Permalink

    sorry

    eine Kleingkeit habe ich vergessen:

    Welche Temperatur Graphen hatte denn Broecker 1975 vor sich?

    Den obigen sicher nicht, denn dieser zeigt ja gar keine Abkühlung von 40-75, eher schon eine leichte Erwärmung...

    [Antwort: Sie dürfen da nicht die geglättete Kurve ansehen (wo in den Wert bei 1975 die 15 Jahre davor und danach eingehen - d.h. der Anstieg um 1975 stammt von der Erwärmung danach). Sie müssen die Jahreswerte betrachten und sich alles nach 1975 wegdenken. Stefan Rahmstorf]

  4. Karl Mistelberger Antworten | Permalink

    Excellent post on an excellent paper

    So formuliert einer der Leser der englischen Übersetzung bei RealClimate. Der Artikel hätte hier sicherlich mehr Resonanz verdient.

    Genauso lohnenswert wie die Lektüre des Artikels sind die Kommentare dazu: http://www.realclimate.org/?comments_popup=4520

    Z.B.:

    "Consider the case of Guy Stewart Callendar. He should be famous. Scholar James Fleming writes flatly that “Callendar established the CO2 theory of climate change in its recognizably modern form.” It was Callendar who first used meteorological data to construct a global temperature time series; who first established the background concentration level of atmospheric CO2 and identified an anthropogenic increase; and who was instrumental in bringing thirty years of advances in spectroscopy to bear on climate studies. All of these types of studies are crucial to the modern understanding of CO2 and climate."

    aus http://hubpages.com/...arming-Science-And-The-Wars

    Callendars Veröffentlichung kann man hier nachlesen: http://www.rmets.org/pdf/qjcallender38.pdf

  5. Günther Vennecke Antworten | Permalink

    Geburtstag?

    Wenn es auch in gewisser Weise ein Jubiläum darstellen mag, so ist die Assoziation mit einem Geburtstag m. E. etwas unglücklich gewählt, denn ein Grund zum Feiern liegt hier keineswegs vor.

    Wir wären alle viel besser dran, wenn sich die Klimawissenschaft geirrt hätte, was den Zusammenhang zwischen CO2 und Globaler Erwärmung betrifft.

    Denn wenn sich bereits jetzt die Einflüsse der steigenden CO2-Konzentration trotz der verzögernden Wirkung der Ozeane deutlich bemerkbar machen, ist damit zu rechnen, dass in Zukunft die Symptome der Globalen Erwärmung sich noch viel heftiger bemerkbar machen.

  6. Der Anti-Treibhauseffekt des Herrn Ermecke › KlimaLounge › SciLogs - Wissenschaftsblogs Antworten | Permalink

    […] Dann machte Herr Ermecke seinen zentralen Denkfehler: weil die Treibhausgase ins All abstrahlen und somit Teil des „Kühlsystems“ seien, müsse die Kühlung bei mehr Treibhausgasen stärker werden. Tatsächlich ist es umgekehrt. Denn noch weniger Strahlung kann dann direkt vom Erdboden ins All abgestrahlt werden und ein noch größerer Anteil kommt von weiter oben in der Atmosphäre – wir ersetzen also noch mehr der effektiven Kühlung vom Boden durch die weniger effektive Kühlung aus der Atmosphäre heraus. Und es wird noch mehr Wärme von der Atmosphäre zurück zum Boden gestrahlt. Daher steigt bei steigender Treibhausgaskonzentration auch die globale Temperatur; dieser Prozess der globalen Erwärmung läuft seit Jahrzehnten genau so ab wie schon in den 1970ern vorhergesagt. […]

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