Klimazustand

Der Klimazustand beschreibt den Zustand des Klimasystems, der durch das Energie-Budget beziehungsweise die Strahlungsbilanz eines Planeten bestimmt wird.

Die Veränderung eines Klimazustands auf globaler Ebene beruht im Wesentlichen – unter Einbeziehung verschiedener Rückkopplungen – auf einer deutlichen Zu- oder Abnahme des Strahlungsantriebs, der das Klimasystem aus einem stabilen thermisch-radiativen Gleichgewicht in das neue Gleichgewicht eines anderen Klimazustands überführt und somit einen Klimawandel bewirkt. Dabei wird generell zwischen positiven und negativen Rückkopplungen unterschieden, wobei positive als selbstverstärkende Rückkopplungen bezeichnet werden und negative als sich selbst abschwächende oder stabilisierende Rückkopplungen. Ein negativ rückgekoppeltes System wird daher Störungen seiner energetischen Balance ausgleichen und zum ursprünglichen Klimazustand zurückkehren.

In diesem Artikel wird hauptsächlich der Klimazustand des Planeten Erde behandelt.

Beschreibung und Einordnung

Eisbohrkerndaten und die Kalt- und Warmzeiten des Quartärs mit Angabe der Kohlenstoffdioxid-Konzentrationen

Das Energie-Budget hängt in der jüngeren Erdgeschichte zum großen Teil von den Milanković-Zyklen ab (in signifikanter Ausprägung seit dem Beginn des Känozoischen Eiszeitalters vor 33,9 Millionen Jahren). Die Erdbahnparameter waren maßgeblich an der Intensität der Sonneneinstrahlung und den periodischen Klimaschwankungen während des Quartärs auf der Nordhalbkugel beteiligt. Darüber hinaus kann ein Klimawandel auf unterschiedlich langen Zeitskalen von Orogenesen (Gebirgsbildungen), durch den Wärmeinhalt der Ozeane, durch plattentektonische Prozesse in Verbindung mit einem Megavulkanismus oder durch menschliche (anthropogene) Aktivitäten ausgelöst oder verstärkt werden.

Thermische Energie und Treibhausgase in der Atmosphäre bestimmen das Treibhauspotential und damit die Entstehung, die Stärke und den Verlauf eines Klimawandels. Für das Erdsystem werden verschiedene Kippelemente angenommen, die unter anderem von Faktoren wie der Wasserdampf-Rückkopplung und der Eis-Albedo-Rückkopplung abhängig sind und Abrupte Klimawechsel auslösen können. Das Konzept der Kippelemente wird in der geowissenschaftlichen Fachliteratur seit Beginn des 21. Jahrhunderts als bis dahin vernachlässigte Möglichkeit diskontinuierlicher Prozesse auf breiter Basis diskutiert.

Kategorien möglicher Klimazustände

Fiktionale Darstellung eines Schneeball-Erde-Stadiums, wie im Neoproterozoikum, aber mit modernen Kontinenten

Syukuro Manabe wies im Jahre 1988 erstmals darauf hin, dass das Erdklima zwei stabile Zustände haben könne. Der Begriff „Hintergrund-Klimazustand“ (englisch background state) beschreibt den heutigen Klimazustand. In der Erdgeschichte schwankt der Klimazustand zwischen „Treibhaus“- (Warmzeiten) und „Eishaus“-Bedingungen (Kaltzeiten). In der Klimatologie wird auch zwischen dem Anfangszustand oder Paläozustand unterschieden, wenn es um die Bestimmung der Klimasensitivität und des Strahlungsantriebs geht.

Während des „Schneeball Erde“-Zustands kam es zu einer mehrmaligen Vereisung des Planeten im Neoproterozoikum vor rund 720 bis 635 Millionen Jahren. Wahrscheinlich erfassten die damaligen Vereisungsprozesse die gesamte Erde von den Polen bis zum Äquator einschließlich der Ozeane.

Der „Hitzehaus“-Zustand wird im Zusammenhang mit einer sehr starken ungebremsten Erwärmung diskutiert, wie sie zum Beispiel in extremer Form auf dem Planeten Venus auftrat oder als geologisch kurzzeitiges Ereignis an der Perm-Trias-Grenze vor 252 Millionen Jahren die Biosphäre destabilisierte und ein globales Massenaussterben verursachte.

Auf der Grundlage eines Treibhaus-Erde-Szenarios wird erforscht, ob ein sogenannter galoppierender Treibhauseffekt (englisch runaway greenhouse effect) auch unter den gegenwärtigen Bedingungen möglich ist. In einer 2013 publizierten Studie wird bei einem CO₂-Level von 550 ppm eine Klimasensitivität von 3 bis 4 °C angenommen. Demnach würde das Verbrennen aller fossilen Energieträger eine Zunahme der gegenwärtigen Treibhausgas-Konzentration um das 8- bis 16-fache bewirken und zu einer globalen Temperaturerhöhung von 16 °C führen (mit einer Erwärmung der bodennahen Atmosphäre über den Kontinenten um durchschnittlich 20 °C und über den Polen um 30 °C). Ein vergleichbarer Effekt wie auf der Venus wäre hingegen nahezu ausgeschlossen und erst über längere Zeiträume bei einer grundlegenden Veränderung der Solarkonstante und der geophysikalischen Parameter zu erwarten.

Verschiedentlich wird in der wissenschaftlichen Literatur, ausgehend von den beiden Grundklimata Warm- bzw. Kaltzeit, eine weitere Unterteilung der Klimazustände in Eishaus, Kühles Treibhaus, Warmes Treibhaus und Hitzehaus vorgenommen (Icehouse, Cool Greenhouse, Warm Greenhouse, Hothouse). Nach dieser Systematik besitzt jeder Klimazustand seine eigene geophysikalische und klimatische Charakteristik, die sich von den übrigen deutlich unterscheidet. Darüber hinaus werden an den Übergängen von Eishaus zu Kühlem Treibhaus sowie von Warmem Treibhaus zu Hitzehaus mehrere Kipppunkte angenommen, die das Erdklimasystem in einen neuen und teilweise irreversiblen Zustand überführen können (→ Kippelemente im Erdklimasystem).

Klimawandel

Um künftige Klimawandel-Ereignisse exakter bestimmen zu können, wird der Zusammenhang zwischen Rückkopplungen in Bezug auf Klimasensitivität und Klimazustand intensiv erforscht. Alle Rückkopplungen können nichtlineare Prozesse auslösen und so den Klimazustand (bzw. den Hintergrund-Klimazustand) und den Strahlungsantrieb verändern. In der Wissenschaft wird übereinstimmend festgestellt, dass im Unterschied zu vorindustriellen Klimaschwankungen der aktuelle Erwärmungsprozess gleichzeitig auf allen Kontinenten auftritt, in seiner rapiden Entwicklung von keiner Klimaveränderung der letzten zweitausend Jahre übertroffen wird und wahrscheinlich auch ohne vergleichbares Beispiel in der jüngeren Erdgeschichte ist.

Einzelnachweise

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2. Kippelemente – Achillesfersen im Erdsystem. Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, abgerufen am 26. September 2016. 
3. Timothy M. Lenton, Johan Rockström, Owen Gaffney, Stefan Rahmstorf, Katherine Richardson: Climate tipping points — too risky to bet against. In: Nature. Band 575, Nr. 7784, November 2019, S. 592–595, doi:10.1038/d41586-019-03595-0 (nature.com). 
4. Timothy M. Lenton, Hermann Held, Elmar Kriegler, Jim W. Hall, Wolfgang Lucht, Stefan Rahmstorf, Hans Joachim Schellnhuber: Tipping elements in the Earth's climate system. In: PNAS. 105. Jahrgang, Nr. 6, 2008, S. 1786–1793, doi:10.1073/pnas.0705414105 (englisch). 
5. S. Manabe, R. J. Stouffer: Two Stable Equilibria of a Coupled Ocean-Atmosphere Model. In: Journal of Climate. Band 1, Nr. 9, 1. September 1988, ISSN 0894-8755, S. 841–866, doi:10.1175/1520-0442(1988)001<0841:TSEOAC>2.0.CO;2 (englisch). 
6. Thomas Farmer und John Cook: Climate Change Science: A Modern Synthesis. Band 1: The Physical Climate. Springer Wissenschaftsverlag, 2013, ISBN 978-94-007-5756-1, 2.8 From Hothouse to Icehouse. 
7. James Hansen, Makiko Sato, Gary Russell, Pushker Kharecha: Climate sensitivity, sea level and atmospheric carbon dioxide. In: Philosophical transactions of the Royal Society of London / A. Band 371, Nr. 2001, 28. Oktober 2013, ISSN 1364-503X, S. 20120294, doi:10.1098/rsta.2012.0294 (englisch). 
8. Michael Marshall: Humans could turn Earth into a hothouse. Band 212, Nr. 2839. Elsevier, 19. November 2011, S. 10–11, doi:10.1016/S0262-4079(11)62820-0. 
9. M. J. Way, Anthony D. Del Genio: Venusian Habitable Climate Scenarios: Modeling Venus Through Time and Applications to Slowly Rotating Venus‐Like Exoplanets. In: JGR Planets. 125. Jahrgang, Nr. 5, Mai 2020, doi:10.1029/2019JE006276 (englisch, arxiv.org [PDF]). 
10. Yadong Sun, Michael M. Joachimski, Paul B. Wignall, Chunbo Yan, Yanlong Chen, Haishui Jiang, Lina Wang, Xulong Lai: Lethally Hot Temperatures During the Early Triassic Greenhouse. In: Science. 338. Jahrgang, Nr. 6105, Oktober 2012, S. 366–370, doi:10.1126/science.1224126 (englisch, edu.br [PDF]). 
11. S. I. Rasool, C. De Bergh: The Runaway Greenhouse and the Accumulation of CO2 in the Venus Atmosphere. In: Nature. Band 226, Nr. 5250, 13. Juni 1970, S. 1037–1039, doi:10.1038/2261037a0. 
12. James F. Kasting: Runaway and moist greenhouse atmospheres and the evolution of Earth and Venus. In: Icarus. Band 74, Nr. 3, Juni 1988, S. 472–494, doi:10.1016/0019-1035(88)90116-9. 
13. Kendall Powell & John Bluck: Tropical ‘runaway greenhouse’ provides insight to venus. NASA Ames Research Center, 2002 (nasa.gov). 
14. H. C. Fricke, C. Williams, J. B. Yavitt: Polar methane production, hothouse climates, and climate change. American Geophysical Union, Dezember 2009, bibcode:2009AGUFMPP44A..02F. 
15. David L. Kidder, Thomas R. Worsley: A human-induced hothouse climate? In: GSA Today (The Geological Society of America). 22. Jahrgang, Nr. 2, Februar 2012, S. 4–11, doi:10.1130/G131A.1 (englisch, semanticscholar.org [PDF]). 
16. Thomas Westerhold, Norbert Marwan, Anna Joy Drury, Diederik Liebrand, Claudia Agnini, Eleni Anagnostou, S. K. Barnet, Steven M. Bohaty, David De Vleeschouwer, Fabio Florindo, Thomas Frederichs, David A. Hodell, Ann E. Holbourn, Dick Kroon, Vittoria Lauretano, Kate Littler, Lucas J. Lourens, Mitchell Lyle, Heiko Pälike, Ursula Röhl, Jun Tian, Roy H. Wilkens, Paul A. Wilson, James C. Zachos: An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years. In: Science. 369. Jahrgang, Nr. 6509, September 2020, S. 1383–1387, doi:10.1126/science.aba6853 (englisch, ucsc.edu [PDF]). 
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18. Raphael Neukom, Nathan Steiger, Juan José Gómez-Navarro, Jianghao Wang, Johannes P. Werner: No evidence for globally coherent warm and cold periods over the preindustrial Common Era. In: Nature. 571. Jahrgang, Juli 2019, S. 550–554, doi:10.1038/s41586-019-1401-2 (englisch, researchgate.net [PDF]). 
19. PAGES 2k Consortium: Consistent multidecadal variability in global temperature reconstructions and simulations over the Common Era. In: Nature Geoscience. 12. Jahrgang, Nr. 8, August 2019, S. 643–649, doi:10.1038/s41561-019-0400-0, PMC 6675609 (freier Volltext) – (englisch). 
20. Richard E. Zeebe, Andy Ridgwell, James C. Zachos: Anthropogenic carbon release rate unprecedented during the past 66 million years. In: Nature Geoscience. 9. Jahrgang, Nr. 4, April 2016, S. 325–329, doi:10.1038/ngeo2681 (englisch, lta.org [PDF]).