Schönwiese, Christian-D.

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Schönwiese, Christian-Dietrich

Hochschulschriftenserver - Universität Frankfurt am Main

Forschung Frankfurt 3/2010 44Forschung aktuellDie Option der Nachhaltigkeit ist seit Langem in vie-len Kulturkreisen zumindest immanent präsent (Grober 2010). Die Begriffsbildung erfolgte jedoch erst in der sächsischen Forstwissenschaft, und als Wort-schöpfer gilt Hans Carl von Carlowitz, der 1713 in sei-ner »Sylvicultura Oeconomica«, einer Art Anweisung zur forstlichen Holznutzung, »Behutsamkeit« fordert, so dass »eine Gleichheit zwischen (…) Zuwachs und dem Abtrieb des Holzes erfolget«, es somit »eine konti-nuierliche, beständige und nachhaltige Nutzung gebe«. Freilich dauerte es eine Weile, unter anderem auf dem Umweg über den angelsächsischen Sprachraum, bis Neue Erkenntnisse zum menschlichen Einﬂ  uss auf das KlimaWo bleibt die Nachhaltigkeit?von Christian-D. Schönwiese1 Kohlekraftwerke emittieren außer Wasserdampf und verschiedenartigen Partikeln auch das unsichtbare Gas Kohlendioxid (CO2). Steigen derartige Gase in ihren atmosphärischen Konzentrationen an, kommt es zu Erwärmungen der unteren Atmosphäre (Ver-stärkung des Treibhauseffektes). Auch andere fossile Energieträger tragen dazu bei (Öl, Gas, einschließlich Verkehr). Unser Bild zeigt ein Braunkohlekraftwerk im Rheinland.Nachhaltigkeit (sustainability) eine allgemeinere Be-deutung erhielt: Fähigkeit, Systeme über längere Zeit existent zu halten. Statt existent wird häuﬁ  g auch von »tragfähig« gesprochen. Im konkreten Fall der Forst-wissenschaft bedeutet dies, das Ökosystem Wald so zu bewirtschaften, dass es in seiner Quantität und Qualität nutzbar erhalten bleibt (Tragfähigkeit), und dies auch für die nachfolgenden Generationen (Nachhaltigkeit). Im allgemeineren Sinn erreichte dieses Konzept mit dem Bericht der von der norwegischen Politikerin Gro Harlem Brundtland geleiteten »Weltkommission für Umwelt und Entwicklung« (WCED) die Öffentlich-Die UN-Konferenz über Umwelt und Entwicklung (UNCED)Bei dieser Konferenz, 1992 in Rio de Janeiro, war nachhaltige Entwicklung bereits Gegenstand in-ternationaler Erklärungen und Übereinkommen: Rio-Deklaration (Grundsatz 3): »Das Recht auf Entwicklung muss so erfüllt werden, dass den Ent-wicklungs- und Umweltbedürfnissen heutiger und künftiger Generationen in gerechter Weise entspro-chen wird.«Klimarahmenkonvention: »Das Endziel dieses Übereinkommens (…) ist es (…), die Stabilisierung der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphä-re auf einem Niveau zu erreichen, auf dem eine ge-fährliche anthropogene Störung des Klimasystems verhindert wird. Ein solches Niveau sollte innerhalb eines Zeitraums erreicht werden, der ausreicht, da-mit sich die Ökosysteme auf natürliche Weise den Klimaänderungen anpassen können, die Nahrungs-mittelerzeugung nicht bedroht und die wirtschaftli-che Entwicklung auf nachhaltige Weise fortgeführt werden kann.« (Zitiert nach Tremmel 2002)Zu dieser Konvention gibt es seit 1995 jährlich Vertragsstaatenkonferenzen, auf denen über die konkrete Umsetzung und Zielvorstellungen beraten wird. Doch sind die Erfolge bisher sehr bescheiden.  03 UNI S032-064 2010_03.indd   44  03 UNI S032-064 2010_03.indd   44 30.11.2010   8:20:21 Uhr 30.11.2010   8:20:21 UhrForschung Frankfurt 3/2010 45Forschung aktuellkeit. Dort heißt es: »Sustainable development seeks to meet the needs and aspirations of the present without compromising the ability to meet those of the future« (zitiert nach Tremmel 2002). Bei der UN-Konferenz über Umwelt und Entwicklung (UNCED) in Rio de Janeiro (1992) wurde dieses Prinzip nicht nur in dieser allgemeinen Form aufgegriffen, sondern auch auf das Klima angewandt [siehe »Die UN-Konferenz über Um-welt und Entwicklung«].Damit ist bereits der wichtigste Aspekt der mensch-lichen Beeinflussung des Klimas angesprochen: Die Anreicherung der Atmosphäre mit klimawirksamen Spurengasen wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und anderen »Treibhausgasen«, wie sie populärwis-senschaftlich genannt werden, infolge der Nutzung fossiler Energieträger (Kohle, Öl, Gas, einschließlich Ver  kehr 1), Waldrodungen und industrieller sowie landwirtschaftlicher Produktion. Der daraus resultieren-de anthropogene Klimawandel (zusätzlicher anthropo-gener Treibhauseffekt, »global warming«) wird von den aktiv in der Forschung tätigen Wissenschaftlern – im Gegensatz zur öffentlichen Diskussion – grundsätz-lich nicht angezweifelt (Oreskes 2004, vgl. auch For-schung Frankfurt 3    /    2008, S. 86 bis 90). Doch gibt es im Detail durchaus Probleme und Unsicherheiten. Zum einen hat es Klimawandel, zunächst aus na-türlichen Gründen, immer gegeben, und dagegen sind wir machtlos. Allerdings hat sich nach der letzten Eis-zeit, das heißt in den letzten rund 10000 Jahren, ein relativ stabiles Klima eingestellt, was für die kulturelle und wirtschaftliche Entwicklung der Menschheit si-cherlich förderlich war, trotz immer wieder auftreten-der Naturkatastrophen. Da aber im Vergleich dazu der anthropogene Klimawandel den natürlichen in seinem Ausmaß wesentlich übertreffen könnte, insbesondere in den kommenden Jahrzehnten und Jahrhunderten, ist der klimatologische Nachhaltigkeitsgedanke durch-aus angebracht. Weitere Probleme bestehen darin, dass der Mensch nicht nur durch die Treibhausgase, sondern auch durch diverse weitere Eingriffe Einﬂ  uss nimmt, die in der Wissenschaft eingehend diskutiert werden (IPCC 2007, Schönwiese 2008). Dazu gehören das Stadtklima, das sich vom Klima des Umlands deutlich unterschei-det, und die Abkühlungswirkung durch Sulfatpartikel, die aus der Emission von Schwefeldioxid stammen.Es kommt somit darauf an, zunächst für die Ver-gangenheit dieses Zusammenwirken verschiedener anthropogener und natürlicher Einﬂ  üsse auf das Kli-ma zu erfassen, zu analysieren und die Konsequenzen daraus zu ziehen. Um dazu einen Beitrag zu liefern, haben sich der Autor und zwei ehemalige Mitglieder seiner Arbeitsgruppe, Dr. Andreas Walter (Deutscher Wetterdienst) und Diplom-Meteorologe Sven Brinck-mann (Institut für Atmosphäre und Umwelt), zusam-mengetan, um auf statistischem Weg abzuschätzen, in Neuronale Netze in der Klimatologie Neuronale Netze ermitteln anhand geeigneter Daten in einer Art Training optimale nicht li-neare Zusammenhänge zwischen Einﬂ  uss- und Zielgrößen. Wichtig ist bei solchen statistischen Methoden, diese Größen sinnvoll auszuwählen. In der Klimatologie geschieht das anhand der phy-sikalischen Grundlagen, insbesondere der Strah-lungsantriebe, welche die Strahlungsbilanz des Klimasystems stören. Ein weiterer Anhaltspunkt bei der Auswahl der Einﬂ  uss- und Ziel  größen ist der Vergleich mit physikalischen Klimamodell-rechnungen (vgl. dazu IPCC 2007, Schönwiese 2008). Die hier verwendeten Einﬂ  ussgrößen sind die Sonnenaktivität, der explosive Vulka-nismus, das El-Niño-Phänomen sowie die at-mosphärischen Treibhausgas- und Sul  fat  par  ti-kel-Konzentrationen. Zielgröße ist die global gemittelte bodennahe Lufttemperatur. Alle diese Daten gehen als jährliche Zeitreihen zwischen 1860 und 2008 in die Analysen ein. Zur ausführ-lichen Darstellung der Methodik siehe Walter 2001 (Übersicht auch bei Schönwiese 2008, wobei hier eine Backpropagation-Version benutzt wur-de), zu den Ergebnissen Schönwiese et al. 2010.SonnenaktivitätSeit der Erﬁ  ndung des Fernrohrs werden auf der sichtbaren Son-nenoberﬂ  äche zeitlich veränderliche Dunkelgebiete beobachtet, die wegen ihres Aussehens Sonnenﬂ  ecken heißen 2    a. Da dort die Sonne relativ kalt ist, müsste sie bei starker Sonnenﬂ  eckentätigkeit eigentlich schwächer ausstrahlen. Aufgrund von Satellitenmessun-gen weiß man aber, dass genau das Gegenteil der Fall ist. Der Grund liegt darin, dass bei relativ starker Sonnenaktivität und somit Fleckentätigkeit gleichzeitig verschiedenartige Materieausbrüche stattﬁ  nden, die Sonnenfackeln und Protuberanzen, die man nur im relativ kurzwelligen Bereich der Sonnenausstrahlung sichtbar ma-chen kann 2    b. Sie führen zu einer Überkompensierung der Son-nenﬂ  ecken. Moderne Abschätzungen der Sonnenaktivität gehen daher von diesen Ausbrüchen aus und nutzen die historischen Son-nenﬂ  eckenbeobachtungen nur, um daraus für frühere Zeiten die Stärke dieser Ausbrüche zu rekonstruieren.  2 Fotograﬁ  e der Sonne (a) im sicht-baren Spektralbereich, wobei die Dunkelgebiete als Sonnenﬂ  ecken be-zeichnet werden und (b) im extremen UV (304 Å). Dort erkennt man helle Gebiete, die Sonnenfackeln, die Ma-terieausbrüche darstellen. Hinzu kommen Protuberanzen, mächtige weit ins Weltall hinausreichende Aus-brüche. Sie machen sich besonders am Sonnenrand bemerkbar. a)b) 03 UNI S032-064 2010_03.indd   45  03 UNI S032-064 2010_03.indd   45 30.11.2010   8:20:23 Uhr 30.11.2010   8:20:23 UhrForschung Frankfurt 3/2010 46Forschung aktuellwelchem Ausmaß sich in historischen Daten natürli-che und anthropogene Faktoren erkennen lassen. Als Grundlage dienten Aktualisierungen früherer Arbeiten der Autoren und die aus Beobachtungsdaten abgelei-teten global gemittelten Jahreswerte der bodennahen Lufttemperatur zwischen 1860 und 2008. Das statisti-sche Prinzip ist dabei einerseits die übliche (lineare mul-tiple) Korrelations- und Regressionsrechnung, anderer-seits kamen neuronale Netze zur Anwendung [siehe »Neuronale Netze in der Klimatologie«, Seite 45]. Zu den Einflussgrößen sei Folgendes angemerkt: Der wichtigste natürliche Einﬂ  uss auf das Klimasystem (Verbund aus Atmosphäre, Ozean, Eisgebieten, Boden und Vegetation) ist sicherlich die Sonneneinstrahlung. Dabei interessieren hier weder der Tages- und Jahres-gang noch die Orbitalparameter des Erdumlaufs um die Sonne, die das Kommen und Gehen der Eiszeiten steuern, sondern die Sonnenaktivität, die sich in der variablen Anzahl von Sonnenﬂ  ecken und den wich-tigeren, sie überkompensierenden Sonnenfackeln und Protuberanzen äußert. Dies führt dazu, dass die Son-ne in ihrer aktiven Phase etwas mehr ausstrahlt als in ihrer ruhigen [siehe »Sonnenaktivität«, Seite 45]. An-stelle des antiquierten Vergleichs der Sonnenﬂ  ecken-Relativzahlen mit der Temperatur, der nur eine geringe Korrelation aufweist (Schönwiese 2008), sind hier die wesentlich zielführenderen Abschätzungen der solaren Ausstrahlung benutzt worden, wie sie die Space Science Division des Naval Research Laboratory (USA, Lean 2009) freundlicherweise zur Verfügung gestellt hat.Ein weiterer wichtiger Einﬂ  uss ist der Vulkanismus. Dabei sind klimatologisch nur solche Ausbrüche rele-vant, die explosionsartig schwefelhaltige Gase in die Stratosphäre (die Schicht in 10 bis 50 Kilometer Höhe) schleudern. Nach einigen Monaten wandeln sich die schwefelhaltigen Gase in Sulfatpartikel um. Diese streuen verstärkt die Sonneneinstrahlung, so dass nur ein verringerter Anteil die untere Atmosphäre erreicht und dort für Abkühlungen sorgt – typischerweise un-gefähr ein Jahr nach dem Ausbruch. Das »Jahr ohne Sommer« (1816) nach dem Ausbruch des Tambora auf Indonesien (1815) ist ein besonders eklatantes Beispiel dafür. Wir haben einen ursprünglich von Grieser und Schönwiese (1999) deﬁ  nierten Vulkanwirkungsindex aufgrund der Informationen der US Smithsonian Insti-tution aktualisiert [siehe »Klimatologische Klassiﬁ  zie-rung von Vulkanausbrüchen«]. Als dritter natürlicher Einﬂ  uss sind schließlich noch die El-Niño-Ereignisse berücksichtigt, und zwar in Form der mit ihnen ver-bundenen und daher hoch korrelierten Südlichen Oszillation, einer Luftdruckschwankung der Südhe-misphäre. In Wechselwirkung mit der ozeanischen Zirkulation führt dies zu so starken und ausgedehnten Erwärmungsepisoden des tropischen Ostpaziﬁ  ks, dass sie in der Globaltemperatur sozusagen durchschlagen.Der Mensch ist nach unseren Abschätzungen zum einen durch die äquivalente CO2-Konzentration der Atmosphäre präsent, in der außer CO2 noch die An-teile der wichtigsten weiteren Treibhausgase stecken, und dem SO2-Ausstoß (Schwefeldioxid), der als pro-portional zum kühlenden Sulfatpartikelanteil der unte-ren Atmosphäre angesehen wird. Steckt man alle diese Einﬂ  üsse und die Temperaturwirkung in ein neurona-les Netz-Modell, so lassen sich – je nach Variante – bis zu 88 Prozent der beobachteten Temperaturvariationen erklären. 4 Mithilfe der simplen Regression schafft man immerhin 80 Prozent. Hier lässt sich bereits festhalten, dass wir bei der Globaltemperatur (1860 – 2008) mithil-fe des neuronalen Netzes 61 Prozent der beobachteten Variabilität den menschlichen Einﬂ  üssen zuordnen und 27 Prozent den natürlichen (12 Prozent bleiben somit unerklärt und sind möglicherweise zufälliger Natur).3 Vulkan Pinatubo (Philippinen) bei seinem explosiven Ausbruch am 12. Juni 1991 (VEI = 5). Klimawirksam sind jedoch vor allem unsichtbare schwefelhaltige Gase, die sich in der Stratosphäre (10 bis 50 km Höhe) nach einigen Monaten in Sulfatpartikel umwandeln und dort einige Jahre verweilen können, bevor sie ausse-dimentieren. Die stärkste Klimawirksamkeit, die in der erhöhten Streuung der Son-neneinstrahlung und somit in bodennahen Abkühlungseffekten besteht, tritt meist ein Jahr nach dem Ausbruch ein; vgl. auch 4. Klimatologische Klassiﬁ  zierung von VulkanausbrüchenFür das Klima sind vor allem solche Vulkanausbrüche von Bedeutung, die explosionsartig unter anderem schwefelhaltige Gase in die Strato-sphäre (10 bis 50 km Höhe) schleudern, in extremen Fällen sogar darü-ber hinaus. Je nach Auswurfmasse und erreichter Höhe klassiﬁ  ziert die US Smithsonian Institution, ähnlich der Erdbebenskala, solche explosi-ven Vulkanausbrüche mit dem Volcanic Explosivity Index VEI, der Wer-te von eins bis acht annehmen kann. Der stärkste Ausbruch der letzten Jahrhunderte war der des Tambora (Indonesien, 1815) mit VEI = 7. Aber auch der Ausbruch des Pinatubo (1991, Philippinen) 3 gehört mit VEI = 5 zu den besonders klimawirksamen Ereignissen. Um die Auswir-kungen des explosiven Vulkanismus auf das Klima nun genauer zu ana-lysieren, werden die Sulfatpartikelbildung (aus schwefelhaltigen Gasen) und deren Abbau (Sedimentation) abgeschätzt; denn genau diese Sul-fatpartikel sind es, die besonders wirksam die Sonneneinstrahlung streuen und somit die untere Atmosphäre kühlen. Das Resultat sind Vulkanwirkungsindizes, die Informationen darüber liefern, wie lange und wie intensiv solche stratosphärischen Sulfatpartikelschichten nach explosiven Vulkanausbrüchen in der Stratosphäre   existieren.   03 UNI S032-064 2010_03.indd   46  03 UNI S032-064 2010_03.indd   46 01.12.2010   9:56:57 Uhr 01.12.2010   9:56:57 UhrForschung Frankfurt 3/2010 47Forschung aktuellNoch interessanter aber sind die Klimasignale, das sind die Anteile der Temperaturtrends beziehungswei-se Fluktuationen, die sich jeweils den einzelnen Ein-ﬂ  üssen zuordnen lassen. Hier kommen wir anthropo-gen auf einen Trend von 0,7 bis 0,9 °C Erwärmung und natürliche Fluktuationen in der Größenordnung von 0,1 bis 0,3 °C, die diesen Trend überlagern. Da diese Ergebnisse weitgehend mit physikalischen Modell-rechnungen übereinstimmen – die allerdings die hier beschriebene Feinstruktur des Klimawandels nur sehr ungenau wiedergeben –, gewinnen die Zukunftspro-jektionen an Brisanz und damit die Forderung, auch beim Klimaproblem das Nachhaltigkeitsprinzip anzu-wenden, das heißt, durch Minderung der anthropo-genen Treibhausgasemissionen Vorsorge zu betreiben und somit den anthropogenen Klimawandel nicht aus-ufern zu lassen. Wegen der Zeitverzögerungen der im Klimasystem wirksamen Prozesse ist ein gewisser an-thropogener – neben dem natürlichen – Klimawandel allerdings nicht mehr zu verhindern, so dass wir auch um Anpassungsmaßnahmen nicht herumkommen.  ◆Grieser, J., Schön-wiese, C.-D. (1999) Parameteri-zation of spatio-tem-poral patterns of volcanic aerosol in-duced stratospheric optical depth and its climate radiative forcing Atmósfera, 12, 111 – 133.Grober, U. (2010) Die Entdeckung der Nachhaltigkeit Kunstmann, München, 299 S.IPCC (Intergovern-mental panel on Climate Change, Solomon, S., et al., eds.) (2007) Cli-mate Change 2007. The Physical Science Basis Cambridge Univ. Press, Cam-bridge, 996 S.Lean, J. (2009) Revised and updat-ed solar irradiance data Pers. comm. (s. auch (2000) Geophys. Res. Let-ters, 27, 2425 – 2428).Oreskes, N. (2004) The scientiﬁ  c con-sensus on climate change Science, 306, 1686.Schönwiese, C.-D. (2008) Klimatolo-gie (3. Auﬂ  .) Ulmer (UTB), Stuttgart, 472 S.Schönwiese, C.-D., Walter, A., Brinckmann, S. (2010) Statistical assessments of an-thropogenic and natural global cli-mate forcing. An update Meteoro-log. Z., 19, 3 – 10.Tremmel, J. (2002) Nachhaltigkeit als politische und ana-lytische   Kategorie Diplomarbeit, FB Gesellschaftswis-senschaften, Goe-the-Universität Frankfurt a. M., 194 + XXVI S.Walter, A. (2001) Zur Anwendung neuronaler Netze in der Klimatologie (Dissertation) Be-richt Nr. 218, Deut. Wetterdienst, Of-fenbach, 168 S.LiteraturDer AutorProf. Dr. Christian-D. Schönwiese, 70, bis zu seinem Ruhe-stand Leiter der Arbeitsgruppe Klimaforschung am heutigen Institut für Atmosphäre und Umwelt, hat sich mit der sta-tistischen Analyse beobachteter Klimavariationen und Ext-remereignisse (global, Europa, Deutschland) und der ur-sächlichen Interpretation beschäftigt. Er verfasste mehrere Lehrbücher und über 200 Fachpublikationen. Seine publi-zistische und gutachterliche Tätigkeit setzt er auch im Ru-hestand mit großem Engagement fort. Er ist Mitglied diver-ser Arbeitsgruppen und Gremien. schoenwiese@meteor.uni-frankfurt.dehttp://www.geo.uni-frankfurt.de/iau/klima/1,00,80,60,40,20,0–0,2–0,4–0,61860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000Zeit in JahrenTemperaturanomalien in °CGlobaltemperatur 1860–2008Kr SM Ag SA EC Pi KaExplosive Vulkanausbrüche:Kr  = Krakatau (1883)SM = Santa Maria (1902)Ag = Agung  (1963)SA  = St. Augustine (1976)EC  = El Chichon (1982)Pi   = Pinatubo (1991)Ka = Kasatochi  (2008)    sehr starkes El Niño     mittleres bis starkes El NiñoBeobachtung und statistische    Simulation (neuronales Netz) TR = TreibhausgassignalSU = SulfatpartikelsignalTR + SU kombiniert         BeobachtungSimulationTRTR+SUSU4 Die schwarze Kurve zeigt die aus Beobachtungsdaten abgeleiteten Anomalien (das heißt die Abweichungen vom Referenzmit-telwert zwischen 1961 und 1990, der circa 15 °C beträgt) der global gemittelten bodennahen Lufttemperatur in den Jahren von 1860 bis 2008. Die rote Kurve zeigt die Reproduktion durch ein neuronales Netz, das 88 Prozent der beobachteten Varianz er-klärt. Einige durch Vulkanausbrüche verursachte Abkühlungs- und durch El-Niño-Ereignisse verursachte Erwärmungsepisoden sind markiert. Die violette Kurve (TR) zeigt die Erwärmung durch die anthropogen angestiegenen Treibhausgaskonzentrationen, die blaue (SU) die Abkühlung durch die ebenfalls anthropogenen erhöhten Sulfatpartikelkonzentrationen. Die grüne Kurve ist der kombinierte anthropogene Effekt, der offenbar eine Erwärmung um rund 0,8 °C anzeigt. 03 UNI S032-064 2010_03.indd   47  03 UNI S032-064 2010_03.indd   47 16.12.2010   10:34:40 Uhr 16.12.2010   10:34:40 Uhr

Neue Erkenntnisse zum menschlichen Einfluss auf das Klima : wo bleibt die Nachhaltigkeit?

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