CO2, der Treibhauseffekt und die globale Erwärmung: von den Pionierarbeiten von Arrhenius und Callendar bis zu den heutigen'Erdsystemmodellen

Die Erwärmung des Klimas im Laufe des 21.Jahrhunderts wird je nach den künftigen Treibhausgasemissionen eine Erwärmung zwischen 1,0 und 3,7 °C prognostiziert, basierend auf dem Ensemble-Mittelwert der modernsten Erdsystemmodelle (ESMs). Wie zuverlässig sind diese Prognosen angesichts der Komplexität des Klimasystems? Die frühe Geschichte der Klimaforschung gibt einen Einblick in das Verständnis und die Wissenschaft, die zur Beantwortung dieser Frage erforderlich sind. Wir untersuchen die mathematischen Quantifizierungen des planetarischen Energiehaushalts, die von Svante Arrhenius (1859-1927) und Guy Stewart Callendar (1898-1964) entwickelt wurden, und konstruieren eine empirische Näherung des letzteren, von der wir zeigen, dass sie erfolgreich bei der rückwirkenden Vorhersage der globalen Erwärmung im Laufe des 20. Diese Näherung wird dann verwendet, um die Erwärmung als Reaktion auf die Zunahme der atmosphärischen Treibhausgase im 21. Jahrhundert zu berechnen, wobei ein Temperaturanstieg an der unteren Grenze der Ergebnisse eines Ensembles von ESMs (wie in der jüngsten Bewertung des Intergovernmental Panel on Climate Change) projiziert wird. Dieses Ergebnis kann wie folgt interpretiert werden. Das Klimasystem ist konzeptionell komplex, hat aber im Kern die physikalischen Gesetze der Strahlungsübertragung. Diese grundlegende oder „Kern“-Physik ist mathematisch relativ einfach zu berechnen, wie die Berechnungen von Callendar zeigen, was zu quantitativ robusten Projektionen der Basiserwärmung führt. Die ESM enthalten nicht nur den physikalischen Kern, sondern auch Klima-Rückkopplungen, die Unsicherheiten in die Projektionen einbringen, und zwar in Bezug auf das Ausmaß, aber nicht auf das Vorzeichen: positiv (Verstärkung der Erwärmung). Somit sind die Projektionen der globalen Erwärmung am Ende des Jahrhunderts durch die ESMs grundsätzlich vertrauenswürdig: eine quantitativ robuste Basiserwärmung, die auf der gut verstandenen Physik des Strahlungstransfers beruht, mit einer zusätzlichen Erwärmung aufgrund von Klima-Rückkopplungen. Diese Projektionen liefern somit ein überzeugendes Argument dafür, dass sich das globale Klima als Reaktion auf die anhaltenden Emissionen von CO2 und anderen Treibhausgasen in die Atmosphäre weiterhin deutlich erwärmen wird.

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