Abbildung 1: Unser "roter Faden", welcher uns bei der Erstellung dieses Handbuchs als Orientierung gedient hat.
Zum besseren Verständnis dieser Prozesse und der dazu gehörigen Komponenten beizutragen ist ein Ziel dieses Handbuchs. Das andere Ziel ist es, einen Überblick über klimarelevante Satellitenmessungen zu geben. Am Ende gehen wir - allerdings nur recht kurz - auf unsere Zukunft betreffende Fragen ein, u.a. auf die Frage, wieviel Zeit uns noch bleibt den Klimawandel so zu begrenzen, dass die Folgen (hoffentlich) noch beherrschbar bleiben und was diesbezüglich getan werden kann. Zur Vertiefung dieser Thematik haben wir entsprechende Literatur zusammengestellt.
Die Erde wird permanent von der Sonne beschienen und dadurch wird der Erde permanent Energie in Form von energiereicher Sonnenstrahlung zugeführt. Diese Sonnenstrahlen (dargestellt als gelbe Pfeile in Abbildung 2) erwärmen die Erde.
Abbildung 2: Übersicht über das Klimasystem Erde. Als Vorlage diente hier die entsprechende Abbildung auf dieser Webseite: https://bildungsserver.hamburg.de/das-klimasystem/2063960/klimasystem-und-subsysteme.
Warum wird es dann auf der Erde nicht immer wärmer und wärmer? Nun, in der Tat wird es insbesondere seit einigen Jahrzehnten immer wärmer - und genau dies ist die Klimaproblematik bzw. ein wichtiger Aspekt davon. Die Sonne ist hier jedoch nicht die Ursache für diese Erwärmung. Ursache hierfür sind steigende atmosphärische Konzentrationen sogenannter Treibhausgase - insbesondere Kohlenstoffdioxid - oft auch einfach Kohlendioxid genannt oder noch einfacher CO2. CO2 entsteht bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, also bei der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas.
CO2 ist ein Treibhausgas, da es die Wärmeabstrahlung der Erde quasi blockiert. Als Folge davon kommt es zu einer Erwärmung. Ursache der derzeitigen Erderwärmung ist also nicht eine Zunahme der Energiezufuhr (durch die Sonne), sondern eine Abnahme der Energieabfuhr (durch die Treibhausgase).
Die (langwellige) Wärmestrahlung der Erde ist in Abbildung 2 als wellige rote Pfeile dargestellt.
Entscheidend für die Temperatur der Erde ist nicht nur, wieviel Energie die Erde von der Sonne bekommt, sondern wie groß die die Nettozufuhr ist, also ob es eine die Differenz von Energie-Einstrahlung und Energie-Abstrahlung gibt und wie groß diese Differenz ist.
Wie noch genauer erklärt werden wird, blockieren Treibhausgase die Abstrahlung der Wärmestrahlung in den Weltraum indem Treibhausgase diese Strahlung absorbieren ("verschlucken"). Dadurch wird die Erde nicht mehr die gesamte absorbierte Sonnenenergie durch Umwandlung in Wärmestrahlung und Abstrahlung in den Weltraum wieder los. Als Reaktion auf diesen Energieüberschuss erwärmt sich die Erde. Wie dies genau funktioniert, um wieviel die Temperatur zunimmt und was sonst noch alles passiert, z.B. mit dem Meeresspiegel, dass wird in späteren Kapiteln in diesem Handbuch erläutert werden.
Die Beantwortung dieser Fragen erfordert ein gutes Verständnis des in Abbildung 2 schematisch dargestellten "Klimasystems Erde". Ziel dieses Handbuchs ist es zu diesem Verständnis beizutragen. Das Klimasystem besteht aus verschiedenen Komponenten, die miteinander in Beziehung stehen und sich gegenseitig beeinflussen und sich dadurch verändern können.
Diese Veränderungen können sehr schnell vor sich gehen (zum Beispiel bei der Wolkenbildung) oder sehr langsam sein (zum Beispiel das Abschmelzen der Gletscher).
Genau diese vielfältigen Möglichkeiten der gegenseitigen Beeinflussung sind es, welche Klimaprojektionen so schwierig machen, selbst wenn man zum Beispiel die zukünftigen CO2-Emissionen schon vorgibt. Wenn es zum Beispiel aus irgendeinem Grund am Erdboden und in den unteren Schichten der Atmosphäre anfänglich etwas wärmer wird (z.B. durch einen Anstieg der CO2-Konzentration), dann passieren in der Folge davon Weiteres und dieses "Weitere" kann die anfängliche Erwärmung verstärken aber auch abschwächen.
Als Folge der anfänglichen Erwärmung kann zum Beispiel mehr Wasser verdunsten und die Atmosphäre mehr Wasserdampf enthalten (den warme Luft kann mehr Wasserdampf enthalten als kalte Luft). Wasserdampf ist aber auch ein Treibhausgas und zunehmende atmosphärische Konzentrationen werden zu einer weiteren Erwärmung führen. Man sagt, dass es sich hier um einen verstärkenden Prozess - eine positive Rückkopplung - handelt: Mehr CO2 führt zu einer anfänglichen Erwärmung. Dieses führt zu mehr Wasserdampf in der Atmosphäre und dies wiederum führt zu einer weiteren Erwärmung.
Es wird also wärmer "weil es wärmer wird". Umgekehrt gibt es auch negative Rückkopplungen. Diese wirken der ursprünglichen Erwärmung entgegen.
Genau diese vielfältigen und komplexen Beziehungen sind es, mit denen sich viele Klimaforscher beschäftigen. Hierbei ist ein Ziel immer genauer zu verstehen, wie sich insbesondere Treibhausgase bisher auf das Klima ausgewirkt haben und in Zukunft wahrscheinlich auswirken werden.
Das Klimasystem Erde besteht aus mehreren Komponenten (Näheres hierzu siehe spätere Abschnitte):
Alle diese Komponenten spielen für das Klima eine wichtige Rolle, jedoch teilweise auf unterschiedlichen Zeitskalen. Die Atmosphäre reagiert meist sehr schnell auf eine "Störung" aber die großen Eisschilde Grönland und die Antarktis reagieren sehr langsam. Auch die Böden spielen für den Klimawandel eine wichtige Rolle, da sie große Mengen an Kohlenstoff enthalten (unter anderem in den Permafrost-Gebieten) und auch die Lithosphäre ist wichtig, insbesondere auf sehr langen Zeitskalen, auf denen z.B. die Verwitterung von Steinen abläuft.
Nur mit einem guten Verständnis des Klimasystems Erde lassen sich wichtige Fragen beantworten, wie zum Beispiel:
Die Beantwortung dieser Fragen erfordert einerseits geeignete Messungen - zum Beispiel lokal am Erdboden oder global mittels Satelliten - und andererseits entsprechendes Hintergrundwissen, um die Messungen richtig interpretieren zu können.
Unverzichtbar ist hier auch Wissen aus anderen Bereichen einschließlich dem Bereich des Klimas der fernen Vergangenheit und der Klimamodellierung.
Ein Schwerpunkt dieses Handbuchs ist es hierüber einen kleinen Überblick zu geben und insbesondere zu zeigen, welche Rolle Satellitenmessungen hierbei spielen.
Aber was ist mit der Zukunft? Keiner kann die Zukunft vorhersagen aber man kann "Projektionen" machen. Bei Klimaprojektionen macht man zunächst bestimmte Annahmen, z.B. über die zukünftigen CO2-Emissionen. Konkret definiert man bestimmte Szenarien bzgl. CO2 und weiteren Parametern und benutzt diese als Eingangsparameter für die Klimaberechnungen. Dadurch erhält man Aussagen wie "Wenn wir in Zukunft dies machen, dann wird aller Wahrscheinlichkeit nach das passieren." So wichtig die oben genannten Aspekte sind, sie zeigen primär das Problem auf aber noch nicht dessen Lösung.
Das grundlegende Problem liegt in der Emission von Treibhausgasen wie CO2 aber auch Methan (CH4), Lachgas (N2O) und anderen Gasen, welche zur Erderwärmung mit allen negativen Konsequenzen beitragen. Die Lösung des Klimaproblems liegt in der Vermeidung dieser Treibhausgasemissionen, allen voran die Vermeidung der Emissionen von CO2.
Leider ist dies leicht gesagt aber nur sehr schwer getan. Die Vermeidung von Treibhausgasemissionen bedeutet nicht weniger als die Umstellung unseres gesamten Energiesystems auf kohlenstofffreie Energieversorgung plus weitere Maßnahmen, welche zum Beispiel die die Landwirtschaft und andere Bereiche betreffen. Viele Forscher, Ingenieure, Investoren, Politiker und andere Entscheidungsträger aber auch viele andere und insbesondere auch viele junge Menschen - wie zum Beispiel die vielen bei Fridays for Future engagierten Schüler:innen - machen sich derzeit Gedanken darüber, wie diese Umstellung gelingen könnte. In diesem Handbuch gehen wir auch auf diesen sehr wichtigen Aspekt ein, aber nur relativ kurz, da dies nicht der Fokus dieses Handbuchs ist. Primär verweisen wir hier auf bereits existierende Informationsquellen.