Physikalische Klimamodelle: Der Energiehaushalt der Erdatmosphäre und die lange vernachlässigte Rolle des Wassers

Übers Wetter reden alle. Und übers Klima, wie es scheint, mittlerweile auch. Jeder hat eine Meinung. Und man debattiert darüber, als wäre es nur eine reine Geschmacksfrage. Oder eine Glaubensfrage. Und als sei das, was ein weltumspannendes Forschungsnetzwerk von Meteorologen und Klimatologen debattiert, so simpel, dass es auch in eine Sonntagsrede passt. Oder an den Stammtisch. Dabei geht's in Grundlagen um eine ganze Menge Physik, wie Wolfgang Brune feststellt.

Er ist studierter Energiewirtschaftler und leitete von 1990 bis 2003 das Institut für Energetik und Umwelt in Leipzig. Natürlich betrachtet der heute 75-Jährige die Erdatmosphäre wie ein kleines Kraftwerk. Was nicht nur damit zu tun hat, dass er in DDR-Zeiten in der Energiewirtschaft tätig war. Denn die Erdatmosphäre ist in der Tat eine Art Kraftwerk, in dem es zuallererst um Energieströme geht und um Strahlungsbilanzen. Damit beschäftigen sich die Klimaforscher seit rund hundert Jahren. Und auch wenn sie ihre Formeln und Thesen immer mehr verfeinern, bleibt das Grundmodell dasselbe, wie es auch in vernünftigen Physik-Lehrbüchern zu finden ist: Das für das Leben günstige Klima auf der Erde ist nur möglich, weil die Erde permanent durch die Sonnenstrahlung erwärmt wird. Und zwar in einer Größenordnung, die nicht zu hoch und nicht zu gering ist.

Denn um Leben zu ermöglichen, braucht es auf der Erdoberfläche ein Temperaturspektrum, das alle drei Aggregatzustände von Wasser ermöglicht – von fest über flüssig bis zum Wasserdampf in der Atmosphäre. Wenn heute medial über Klimawandel pro oder kontra diskutiert wird, wird gern so getan, als ginge es nur um kurze Zeiträume – 10, 50, 100 Jahre. Das ist aus der Sicht eines Menschenlebens gedacht – und natürlich viel zu kurz. Die Klimazyklen auf der Erde sind viel länger. Brune hat extra die Klimaschwankungen der letzten Eiszeit mit ins Buch genommen – rund 410.000 Jahre, die relativ zyklisch geprägt waren von Eiszeiten (die recht lange brauchten, um sich bis zu ihrem Maximum zu entwickeln – rund 90.000 Jahre) und Warmzeiten, die sich binnen 10.000 Jahren bis zum Maximum entwickelten. In den Maxima der Kaltzeiten kühlte sich die Erde auf eine Durchschnittstemperatur von (rechnerisch) 7,4 Grad Celsius ab, in den Warmzeiten stieg die Durchschnittstemperatur auf der Erde auf rechnerische 19,5 Grad.

In der Gegenwart liegt diese Durchschnittstemperatur bei 16 Grad Celsius – relativ konstant, auch wenn die Temperaturmessungen der letzten 50 Jahre nahe legen, dass sie wieder steigt. Was einige Forscher zu der Vermutung veranlasst, dass der Zyklus der Kalt- und Warmzeiten unterbrochen ist. Und zwar durch den Menschen selbst. Und das nicht erst seit der Industrialisierung im 19. Jahrhundert, als die Industriestaaten begannen, Kohlendioxid in großen Mengen in die Atmosphäre zu blasen, sondern möglicherweise schon seit 20.000 Jahren, seit der moderne Mensch begann, seine Zivilisation aufzubauen.Das ist noch eine umstrittene These. Vieles steckt in der Klimaforschung noch in den Anfängen. Insbesondere die Forschung zum historischen Einfluss des Menschen auf das Klima. Aber nicht umstritten ist, dass das weltweite Abholzen der Wälder durch den Menschen im Zuge der entstehenden Landwirtschaft einen nicht unerheblichen Anteil an dieser Veränderung hat, die möglicherweise verhindert hat, dass sich die Erde wieder in die nächste Eiszeit bewegt.

Die weltweiten (Brand-)Rodungen der Wälder haben auch einen Faktor verändert, der in der Klimadiskussion der letzten Jahre stets zu kurz kam. Viele Forscher und Politiker haben sich beim Klimawandel ganz und gar auf den Faktor Kohlendioxid eingeschossen. Doch die weltweite Zunahme dieses klimawirksamen Gases in der Atmosphäre erklärt nicht alle Phänomene der Klimaveränderung. Es muss noch einen anderen Faktor geben, der für den Wärmeaustausch in der Erdatmosphäre eine wesentlich größere Rolle spielt und vor allem auch die rechnerischen Differenzen erklärt, die Forscher bekommen, wenn sie die Strahlungsbilanz der Erdatmosphäre als ideales Gas berechnen. Irgendwo gibt es Strahlungsbarrieren, die dafür sorgen, dass der Wärmeabfall in der Erdatmosphäre nicht ideal und glatt verläuft.

Diese Barrieren gibt es. Und sie sind keine starren Barrieren. Denn sie haben mit dem Faktor Wasser zu tun, den viele Klimaforscher auch in ihren Klimamodellen viel zu lange vernachlässigt haben. Denn Wasser bedeckt nicht nur über 70 Prozent der Erdoberfläche, es steigt auch mit höherer Energiezufuhr verstärkt in die Atmosphäre auf. Es verdampft einfach. Und je wärmer die Atmosphäre ist, umso mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen, der sich in größeren Höhen zu Wolken sammelt und Teil der gewaltigen atmosphärischen Strömungen wird, die auf der Erde permanent für einen Energieausgleich sorgen – vom Äquator mit seinem starken Strahlungsüberschuss in die höheren Breiten. Dabei steigen die Wolken, je energiereicher sie sind, in teilweise beeindruckende Höhen auf.

Aber jeder kann sich vorstellen, was passiert, wenn durch die höhere Energie in der Atmosphäre mehr Wasser unterwegs ist – auch öfter über den subtropischen Gürtel der Erde hinaus.Brune gibt mit dieser Starthilfe die wichtigsten Grundlagen, wie man die Strahlungsbilanzen in der Erdatmosphäre berechnen kann. Dabei geht er auf einige der wesentlichen Klima-Theorien der letzten Jahre ein, erläutert ihre Schwachstellen und die möglichen Ansätze, die Widersprüche zwischen Modell und Realität zu erklären. Was ihn zwangsläufig auf die Rolle des Wassers in der Erdatmosphäre bringt. Und um den Blick zu weiten, vergleicht er die Erdatmosphäre auch mit den anderen im Sonnensystem nachgewiesenen Atmosphären. Der Leser bekommt auch den kleinen aber wichtigen Hinweis, dass nicht die Atmosphären von Venus oder Jupiter die Ausnahmen sind, sondern die der Erde. Nur hier sind die komplexen Bedingungen entstanden, die Leben überhaupt erst möglich gemacht haben.

Und er merkt auch an, dass so ein Glücksfall endlich ist. Ebenso der Glücksfall eines Temperaturspektrums, wie es auf der Erde seit ungefähr 20.000 Jahren existiert – relativ stabil, ohne wirklich heftige Ausschläge nach oben oder unten. Wobei die Menschen in den ersten Jahren ihres zivilisatorischen Aufschwungs wohl noch erlebt haben, zu welchen grandiosen Erscheinungen die sie umgebende Natur möglich ist. Immerhin lag der Meeresspiegel am Ende der letzten Eiszeit gut 100 Meter tiefer als heute – Nordamerika und England waren über Land leicht zu erreichen.

Andererseits hat die menschliche Zivilisation auch noch keine echte Warmzeit erlebt mit jenen 19,5 Grad Celsius, wie sie in den Interglazialen errechnet wurden. Die Klimaforscher gehen heute davon aus, dass mindestens ein weltweiter Temperaturanstieg von 2 Grad Celsius zu erwarten ist – was eben nicht nur eine Zunahme von Extremwetterereignissen mit sich bringt, sondern auch den Anstieg des Meeresspiegels um mehrere Meter. Ob der Temperaturanstieg noch höher ausfällt, darüber wieder streiten die Forscher. Auch Brune sieht die Theorie eines weiteren geradlinigen Temperaturanstiegs eher skeptisch, eben weil nicht allein das Kohlendioxid in der Atmosphäre darüber entscheidet, sondern viel stärker die gewaltigen Konvektionen in der Atmosphäre wirksam sind. Und damit das Wasser.

Das Buch ist auch gespickt mit einer Menge Rechenaufgaben, mit denen Brune die Leser einlädt, sich all die komplexen Beziehungen zwischen Effektiver Temperatur, Strahlungsgleichgewicht, Wärmetransport, Kondensationsniveau und so weiter auch selbst rechnerisch anzueignen. Womit man dann jenen anfangs eher verblüffenden Zahlenpuzzeleien der Forscher nahe kommt, die sie dazu angeregt haben, den Widersprüchen der alten Klimamodelle auf die Spur zu kommen.

Brune gehört andererseits aber auch noch zur Generation der Technikoptimisten. Am Ende seines Buches schließt er aus der Tatsache, dass wohl der Mensch seit einigen tausend Jahren der eigentliche “Macher” des Klimas auf Erden ist, dass er mit dem heutigen Wissen durchaus in der Lage sein könnte, auch künftig regulierend in das Weltklima einzugreifen. Bislang hat er ja mit seiner Tätigkeit irgendwie den Abkühlungsprozess gebremst. Warum sollte ihm nicht auch gelingen, den Erwärmungsprozess, den er mit der Industrialisierung ausgelöst hat, wieder zu bremsen?

Brune ist Optimist und meint: Das kann er. – Nur hat der Mensch die Erderwärmung der vergangenen Jahrhunderte halt weder bewusst noch organisiert herbei geführt. Das könnte der eigentliche Knackpunkt sein – dass er die weltweite Vernunft zum Gegensteuern nicht aufbringt. Und lieber schon mal die Waffenlager füllt für die kommenden Klimakriege.

Wolfgang Brune “EAGLE Starthilfe. Physikalische Klimamodelle”, Edition am Gutenbergplatz Leipzig, Leipzig 2014, 14,50 Euro