Klimawandel: Gedankliche Grundlagen - sowie der Versuch einer Erklärung
(23. Mai 2016 - leicht modif. 2016-09-27, 2018-06-23, Blogs: ab 2019-03-09)
Ich werde oft gefragt: "Glauben Sie an den Klimawandel?" Ich muss dann immer lächeln und pflege zu antworten, dass das letztlich keine Frage von Glauben oder Nicht-Glauben ist. Außerdem ist die Frage zu eng gefasst. Denn die Menschen, die mir diese Frage stellen, meinen mit Sicherheit, ob ich daran glaube, dass der Mensch - oder besser: die Menschheit - an der derzeitigen Form des Klimawandels verantwortlich beteiligt ist. Diese Webseite wurde auch deshalb geschaffen, um den sog. Klimaskeptikern (das sind diejenigen Menschen, die leugnen, dass es einen menschlichen Einfluss auf den derzeitigen Klimawandel gibt) einige Argumente entgegensetzen zu können. Ich bin mir volkommen bewusst, dass das keine leichte Aufgabe ist..
Was nun den Glauben betrifft, so hat das mit der herkömmlichen Definition des Wortes Glauben nichts, aber auch gar nichts, zu tun.
Diese Fragestellung hat etwas mit Wissen zu tun. Wenn ich etwas weiß, dann habe ich das in der Regel selbst erlebt, oder jemand anders, an dessen Urteilskraft ich keinen Zweifel hege. Es gibt einfach Fakten, die jeder mit seinen Sinnen erkennen kann. Alle diese Fakten zusammen genommen würde ich als Wissen bezeichnen. Derjenige, der sich mit den grundsätzlichen Fakten der Natur beschäftigt, ist der Naturwissenschaftler. Und der hat bestimmte Grundsätze für sein Arbeiten:
A Das Prinzip der Persistenz
B Das Prinzip der Induktion
C Das Prinzip der Kausalität
Die drei Prinzipien haben wir sozusagen von Geburt an in uns verankert. Immanuel Kant hat sie als "a priori" vorhanden genannt. Lothar Schäfer - ein Physiko-Chemiker an der Universität von Arkansas - schreibt in seinem Buch "Versteckte Wirklichkeit" [1] über die dreifachen Wurzeln unseres naturwissenschaftlichen Wissens (in der Philosophie wird hier noch einiges zu ergänzen sein):
"... Im Gegensatz dazu, dass alles Wissen um die Wirklichkeit empirisch und rational ist, sind es die Prinzipien, die wir benutzen, um Wissen zu erwerben, nicht. Unter ihnen finden wir die Annahme der kontinuierlichen Existenz und Identität der Dinge, das Vertrauen in
die Gültigkeit der Induktion und den Glauben an die Kausalität als Naturprinzip.
1. Das Prinzip der kontinuerlichen Existenz (Persistenz) und Identität der Dinge ist eine selbstverständliche Grundlage für alle Beobachtungen der Wirklichkeit. Wenn wir nicht annehmen könnten, dass die gewöhnlichen Dinge mit verlässlicher Identität und ohne Unterbrechnung existierten, dann könnten wir uns auch kein zusammenhängendes Bild von der Wirklichkeit machen. Doch aus praktischen Gründen im Allgemeinen und wegen Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation im Besonderen ... sind ununterbrochene Beobachtungen von Dingen unmöglich. Objektbeständigkeit ist im Prinzip unbeobachtbar.
2. Das Prinzip der Induktion spielt in der Wissensbildung eine große Rolle. In der Logik ist Induktion das Verfahren, vom Besonderen auf das Allgemeine zu schließen; oder Folgerungen allgemeiner Art aus spezifischen Argumenten abzuleiten. In den Naturwissenschaften bezeichnet man mit Induktion alle Versuche, aus vereinzelten Beobachtungen allgemeine Naturgesetze herauszulesen. Dabei werden Eigenschaften, die man bei einigen Ereignissen einer Menge gefunden hat, allen Ereignissen dieser Menge zugesprochen. Das Induktionsprinzip beruht darum auf dem Satz, dass die Zukunft der Gegenwart ähnlich ist . Diese Annahme kann aber weder durch einen logischen Denkprozess noch durch das Erfahren der Wirklichkeit bewiesen werden.
Ein einfaches Beispiel: Wenn ich über mehrere Jahre beobachte, dass auf der Nordhalbkugel in unserer Breiten im Frühjahr die Laubbäume grün werden, dann kann ich sagen: Jedes Jahr im Frühjahr werden auf der Nordhalbkugel in unseren Breiten die Laubbäume grün.
3. Auf das Prinzip der Kausalität beruft man sich immer dann, wenn man annimmt, dass zwischen zwei Ereignissen eine Ursache-Wirkung-Beziehung besteht. Wenn A, dann B. Wenn die Kausalität ein Prinzip der Natur ist, dann geschieht nichts ohne Ursache. Dieses Prinzip ist für unser Verständnis der Wirklichkeit so wichtig, weil sinnvolle Beobachtungen der Welt nur möglich sind, wenn jedes Signal eine Wirkung verursacht, die wiederum selbst als Signal fungieren und weitere Wirkungen hervorrufen kann, und so weiter. Eine verlässliche Kausalkette führt von den Wahrnehmungen zu deren Verarbeiten, Speichern und Erinnern." Das Kausalitätsprinzip ist grundlegend für die naturwissenschaftlichen Arbeiten, allerdings gibt es Punkte, wo es nicht mehr so ganz exakt funktioniert. Paul Davies und John Gribbin beschreiben in ihrem Buch "Auf dem Weg zur Weltformel" [1c], dass durch die Quantenmechanik einiges anders verläuft: " An die Stelle von Newtons deterministischer Maschine trat eine nebulöse und widersprüchliche Verbindung von Wellen und Teilchen, die vielmehr den Gesetzen des Zufalls als den strengen Regeln der Kausalität gehorchte" [1c S. 14]
Es ist interessant, dass das Kausalitätsprinzip auch beim sog. Urknall nicht mehr so richtig zieht. Denn zu diesem Zeitpunkt werden ja nach der derzeit gültigen Theorie erst Raum und Zeit zunächst mal ohne irgendeine Ursache gebildet. Einfach so. Das bedeutet also im Prinzip, dass auch die Kausalität zu diesem Zeitpunkt „geboren“ wird. Wenn die Kausalität dort geboren wurde, wie steht es dann mit den anderen beiden Prinzipien. Das sind interessante philosophische Fragestellungen, allerdings will ich hier nicht tiefer darauf eingehen, sondern nur mitteilen, dass diese Prinzipien mich durch den Vortrag leiten werden, wenigstens will ich mich darum bemühen (siehe B. Falkenburg [1a], aber auch J. Holt [1b] über das Antiversum bei TED - https://www.youtube.com/watch?v=zORUUqJd81M ).
Wenn ich also jetzt über den Klimawandel sprechen werde, halte ich mich an die übliche Definition des Begriffes „Wissen“ in den Naturwissenschaften, nämlich „empirisches Wissen“. Dies steht nicht im Gegensatz zum exakten Wissen. Das empirische Wissen ist
immer mit einer – wenn auch meistens kleinen Unsicherheit – behaftet. Diese Unsicherheit müssen wir uns immer sozusagen im Hintergrund vor Augen halten. Richard Feynman, Nobelpreisträger für Physik, sagte im Jahre 1988:
“When a scientist doesn’t know the answer to a problem, he is ignorant. When he has a hunch as to what the result is, he is uncertain. And when he is pretty damn sure of what the result is going to be, he is still in some doubt.
We have found it of paramount importance that in order to progress, we must recognize our ignorance and leave room for doubt. Scientific knowledge is a body of statements of varying degrees of certainty — some most unsure, some nearly sure, but none absolutely certain.”
Dieses so dargestellte Wissen ist manchmal verknüpft mit dem Begriff „Meinung“, aber es gibt wahre Meinungen und falsche Meinungen. Falsches Wissen existiert allerdings nicht.
Beispiele: Ich weiß, dass es regnet, aber ich bin nicht der Meinung, dass es regnet. Ein idiotischer Satz, er möge aber zur Illustration dieser Problematik erlaubt sein.
Im allgemeinen Sprachgebrauch benutzen wir das Wort MEINUNG oft anstelle von GLAUBEN und umgekehrt. Nach dem oben genannten kann ich also nicht GLAUBEN, dass es einen Klimawandel gibt, sondern ich WEISS es und das allerdings immer behaftet mit einer kleinen (oder großen) Unsicherheit. Ich vermute, dass es diese Unsicherheit ist – die ja auf statistischen Überlegungen beruht – die uns das Wort GLAUBEN oder MEINEN benutzen lässt. Von Galileo stammt ein gewisses Prozedere, um Erkenntnisse bzw. Wissen zu erlangen:
1. Ich stelle eine Hypothese bzgl. eines Erfahrungswertes auf (nach den obigen drei Prinzipien A-C)
2. Ich überprüfe die Hypothese anhand von Experimenten
Genauso geht es auch in der Klimawissenschaft zu. Somit erlange ich also folgendes empirisches Wissen:
1. Es muss glaubhaft sein
2. es muss glaubhaft und unwidersprochen sein
3. es muss glaubhaft und unwidersprochen sein und allseits geprüft
Einige Tatsachen zu diesem Thema sind erstmal (durch Messwerte erhärtet im Sinne der drei
Prinzipien):
- Die im folgenden gemachten Aussagen sind gültig für das Jahr 2016 - sie werden sich im Laufe der Jahre verändern.
: - Die Atmosphäre und die Ozeane der Erde erwärmen sich seit 1750 global. Ursache hierfür sind überwiegend die vom Menschen erzeugten Treibhausgase wie vor allem CO 2 , Wasserdampf spielt ebenfalls eine Rolle, ist aber nicht kontrollierbar. Der Anteil von CO 2 an der Luftmasse beträgt derzeit (2018) 0,4 Promille, das sind 400 ppm. (1) 1750 waren es noch 280 ppm, also 0,28 Promille. Der daraus resultierende Anstieg der mittleren globalen Temperatur in den unteren Luftschichten (also die ersten 10-20 m auf Normal-Null bezogen) beträgt seit 1750 ziemlich genau 0,8 °C. Dieser Anstieg ist, erdgeschichtlich gesehen, rasant. Er ist so in der bisher bekannten Erdgeschichte nicht aufgetreten. Es gibt ein vergleichbares Ereignis vor etwa 55,4 Millionen Jahren, das PETM (Paleozän-Eozän Temperatur Maximum). Das ist ein Peak von ca. 100 000 Jahren mit einem Anstieg von ca. 4000 Jahren (2016 erkannt). Derzeit steigt das CO2 mit ca. 11 Gt/Jahr (2) an, damals [PETM] waren es „nur“ 1 Gt/Jahr ... Das ist ein gewaltiger Unterschied – und niemand weiß, wie sich die Erde bei einem solch rasanten CO2-Anstieg (wie heute) verhalten wird.
Dabei muss beachtet werden, dass allein der Mensch in Ruhe etwa 0,2 kt CO2 pro Jahr erzeugt. Der Maximalwert (z.B. bei Ausübung von Sport) kann bis zu 2 kt pro Jahr ansteigen. Nehmen wir der Einfachheit halber an, ein Mensch erzeuge 1 kt CO2 pro Jahr, dann erzeugen die jetzt (2016) lebenden ca. 7 Milliarden Menschen derzeit 7 Gt CO2 pro Jahr, allein aufgrund ihrer biologischen Existenz. Diese Rechnung ist allerdings ein sog. "Nullsummenspiel", da die Menge an ausgestoßenen CO2 vorher biologisch gespeichert wurde (Pflanzen, Tiere).
Hier ist der Temperaturverlauf über ca. 65 Millionen Jahre dargestellt. Es ist deutlich sichtbar das sog. PETM (linke obere Ecke) - Man nimmt an, dass in jener Zeit der indische Kontinent gegen die asiatische Platte gestoßen ist und neben der Auffaltung des Himalaya ungeheuer viel Klimagas (u.a. CO2) ausgestoßen wurde, welches zu der gewaltigen Temperaturerhöhung des PETM geführt hat..
- Gleichzeitig steigt der Meeresspiegel, denn das Wasser wird erwärmt und dehnt sich aus. Außerdem schmelzen die Gletscher und die Polkappen bzw. Grönland, ab und genauso die Gletscher auf dem Festland. Insgesamt beträgt der Anstieg des Meeresspiegels nach derzeitiger Kenntnis ca. 3 mm/Jahr.
- Als drittes versauern die Meere. Denn ein großer Teil des jetzt produzierten CO2 löst sich im Meerwasser auf und wird dort zur Kohlensäure. Man kennt das vom Mineralwasser, angereichert mit Kohlensäure, welches leicht säuerlich schmeckt. Dieser erhöhte Säuregehalt hat einen negativen Effekt auf die Biosphäre. Dadurch und durch übermäßigen Fischfang reduziert sich die Biodiversität (Beispiel: Korallenriffe sterben ab - Great Barrier Reef in Australien).
- Es gibt eine natürliche Form, wie der Atmosphärengehalt an CO2 wieder abgebaut werden kann. Dem im Wasser durch Verwitterungsprozesse gelösten CO2 gelingt es, aus Silikaten (z.B. CaSiO3 ) Kalkstein zu generieren (z.B. CaCO3 ), der das CO2 gebunden hat. Das ist ein chemischer Prozess (Urey-Prozess, https://de.wikipedia.org/wiki/Harold_C._Urey), der allerdings ca. 5000 Jahre und mehr dauert, bis das gesamte CO2 aus der Atmosphäre gebunden ist. Erzeugt wird dann insgesamt eine 5 mm dicke Schicht. Um das CO2 aus dem Ozean zu binden, bedarf es längerer Zeiten, ca. 500.000 Jahre und würde dann eine Schicht von 50 cm Kalkstein bilden.
- Der Prozess der Photosynthese verschluckt ebenfalls CO2 und generiert Sauerstoff (O2). Das Meeresplankton „verschluckt“ z.B. weitgehend das CO2, bildet teilweise Kalkschalen und fällt nach dem Absterben auf den Meeresboden, um dort als Kalkstein sedimentiert zu werden.
Das Paradox der schwachen jungen Sonne
Wir beginnen mit einem interessanten Paradoxon, dem sog. Paradoxon der schwachen jungen Sonne. Was ist das? Nun, aufgrund von Altersbestimmungen (mit Hilfe der radiologischen Zerfallsreihe Uran-Blei - dabei gibt es minimale Unstimmigkeiten - siehe den Link hier - https://de.wikipedia.org/wiki/Uran-Blei-Datierung) hat man festgestellt, dass das Sonnensystem mit seinen Planeten ungefähr 4,5 Ga alt ist. Die Erde existierte damals auch schon und befand sich in der geologischen Epoche des Hadaikums. Das Alter des Sonnensystems wurde anhand von Meteoritengestein und Mondgestein (was die Astronauten damals mitgebracht hatten) mit dieser radiologischen Methode bestimmt, desweiteren fand man in Westgrönland und Westaustralien irdische Gesteinsformationen, die diesem Alter nahekommen (ebenfalls mit der radiologischen Methode vermessen). Wenn das Sonnensystem allerdings so alt ist, weiß man aus anderen astronomischen Untersuchungen ähnlicher Sterne wie unsere Sonne, dass die Sonne zu Beginn nur eine Strahlkraft hatten, die etwa 70% der heutigen Strahlkraft entsprachen. Bei dieser geringen Strahlkraft von einst hätte die Erde ein Eisklumpen werden müssen. War sie aber nicht. Denn die geologischen Funde deuteten alle darauf hin, dass es in jener Zeit Ozeane, d.h. flüssiges Wasser gab, das heißt, die Erdatmosphäre war nicht so kalt wie eine schwache Sonne vermuten ließe. Das heißt, es herrschten Temperaturen zwischen 0° und etwa 100°C, in Wirklichkeit zwischen 0° und ca. 40°C – mit anderen Worten, wir hatten einen Widerspruch zwischen Astronomie und irdischen Beobachtungen. Dies ist das sog. Paradox der schwachen jungen Sonne (paradox of the faint young sun). Es musste also einen Effekt geben, der die Erde aufheizte trotz der schwachen Sonne. Es gibt laut der gängigen Theorie nur eine Erklärung: Es waren die sog. Treibhausgase – und zwar in recht hoher Konzentration – wie z.B. CO2, CH4 (Methan) und noch andere. Dieses Phänomen wurde 1972 von den berühmten Astronomen Carl Sagan und George Mullen formuliert (https://en.wikipedia.org/wiki/Faint_young_Sun_paradox und der Originalartikel: https://science.sciencemag.org/content/177/4043/52/tab-pdf). Andere hatten zur Lösung aber nicht nur die Treibhausgase ins Auge gefasst, sondern auch astrophysikalische Einflüsse oder eine Kombination von beiden. Es gibt – und das will ich nicht verschweigen – auch Auffassungen, die meinen, in der damaligen Zeit des Hadaikums (https://de.wikipedia.org/wiki/Hadaikum) und später habe es Meteoreinschläge größeren Ausmaßes gegeben, die die Erde, die anfänglich näher an der schwachen Sonne kreiste und damit genügend warm war , so bombardiert haben, dass sie sich suksessive von der wärmer werdenden Sonne entfernte. Dies ist eine Erklärung, die eigentlich sehr unwahrscheinlich ist, da die Gesteinsfunde auf der Erde eigentlich nahelegen, dass die Erde sich immer auf dem heutigen Orbit um die Sonne befunden habe.
Es gibt inzwischen (2019) einige Publikationen, die versuchen, dieses Paradoxon zu erklären. Einmal gehört dazu eine Publikation, die im April bei Nature veröffentlicht wurde: No climate paradox under the faint young sun - die Autoren sind M. T. Rosing, D. K. Bird, N.H. Sleep und Ch. J. Bjerrum (Nature volume 464, pages 744–747 (01 April 2010) https://www.nature.com/articles/nature08955). Hier werden Argumente gebracht, die unter Umständen eine größere Albedo aufgrund eines kleineren Kontinentalbereichs - also mehr Ozeanwasser mit hoher Absorption (geringe Albedo) sowie biologisch begründeter sehr geringer Wolkenbildung darlegen. Diese Aussagen und noch andere werden mit modellmäßigen Untersuchungen solcher Annahmen unterfüttert. Hohe Konzentration von Treibhausgases werden weitgehend aufgrund von mineralogischen Befunden ausgeschlossen. Dann gibt es eine weitere Publkation aus dem Jahre 2013 (Hydrogen-Nitrogen Greenhouse Warming in Earth's Early Atmosphere - by R. Wordsworth und R.T. Pierrehumbert - Science 339, p.64-67 - https://science.sciencemag.org/content/339/6115/64.full). Diese beiden Veröffentlichungen scheinen sich auf den ersten Blick zu widersprechen, man könnte allerdings auch beide Veröffentlichungen methodisch miteinander kombinieren.
Eine schöne Zusammenfassung der Problematik findet man in der Dissertation von E. T. Wolf - 2014 . mit dem Titel Solutions to the Faint Young Sun Paradox
Simulated by a General Circulation Model. Weitere spätere Arbeiten finden sich z.B. hier:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X16302576?via%3Dihub
https://phys.org/news/2016-06-solution-faint-young-sun-paradox.html
Jüngere Arbeiten sind zum derzeitigen Zeitpunkt nicht bekannt (2019).
Was sind denn nun Treibhausgase und wie wirken sie?
Zur Beantwortung dieser Frage müssen wir ein wenig in die physikalischen Hintergründe von elektromagnetischen Strahlungen eingehen. Auf der Erde empfangen wir im wesentlichen elektromagnetische Strahlung von der Sonne (In der Abb. 1 als 100 % einfallend - gelb - dargestellt. Diese Strahlung wird teilweise von der Atmosphäre (Wolken) und der Erdoberfläche reflektiert (25 % plus 5 % links - "reflected") und teilweise von der Erdoberfläche absorbiert. Diese absorbierte Strahlung erwärmt die Erde.
Abb. 1. Energie- bzw. Strahlungsbilanz der Erde - einfallende Energie ist gelb dargestellt, die von der Erde
abgestrahlte Energie rötlich, hinzu kommen noch atmosphärische Prozesse (grün) - Zahlenangaben sind
prozentuale Werte: 100 % Einstrahlung im gesamten Spektrum und 70 % Abstrahlung im Infraroten Bereich
der Strahlung - 30 % werden reflektiert.
Welche Effekte gibt es sonst noch?
Was sind die langfristigen Einflüsse auf unser Klima und wie kann man gefährliche
Einflüsse eindämmen oder gar vermeiden?
Und stimmt das alles, was wir hier von den Wissenschaftlern erfahren, es könnte doch sein, dass sich trotz aller Bemühungen ein Irrtum eingeschlichen hat?
Literatur:
[1] Lothar Schäfer, „Versteckte Wirklichkeit“, Hirzel Verlag 2004
[1a] Brigitte Falkenburg, "Mythos Determinismus", https://www.springer.com/de/book/9783642250972
[1b] TED-Video - John Holt - https://www.youtube.com/watch?v=zORUUqJd81M - Übersetzung s.w.u.
[1c] Paul Davies und John Gribbin, "Auf dem Weg zur Weltformel", DTV - München 2001 ISBN 6-423-33076-7
Fußnoten:
(1) ppm bedeutet „Parts per Million“ - also Anzahl Anteile pro Million Anteilen;
entsprechend gilt ppb "parts per Billion" (die engl. Bezeichnung für Milliarde) die Anzahl der Anteile pro Milliarde Anteile.
(2) Gt = Giga Tonne, also 10**9 Tonnen, Mt = Megatonne 10**6, kt = Kilotonne 10**3 ("**" = hoch)
Wird fortgesetzt ...