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Wird es wirklich wärmer? Und wie können wir das zuverlässig messen?

TL;DNR Der totale Wärmegehalt der oberen 2000 m der Ozeane zeigt deutlich kleinere Temperaturschwankungen als die Oberflächentemperatur, und zeigt daher schon nach weniger als 4 Jahren zuverlässig einen Trend der Klimaerwärmung an, während die durch kurzfristige Schwankungen beeinflusste Oberflächentemperatur erst nach knapp 30 Jahren ähnlich aussagekräftige Schlüsse erlaubt. Der gefundene Trend passt exzellent zum CO2-Gehalt in der Atmosphäre.


Berühmt-berüchtigt ist der irre Auftritt [YouTube] des republikanischen US-Senators James Inhofe im Senat, der einen Schneeball von der Strasse mitgebracht hatte und diesen als Beleg gegen die Klimaerwärmung im Senat präsentierte. Offensichtlich hat er – sei es absichtlich, sei es bewusst zuspitzend, sei es aus fehlendem Sachverstand – Wetter und Klima verwechselt.

Unter Wetter verstehen wir die atmosphärischen Bedingungen wie Temperatur, Niederschlag, Wind über Zeiträume von einigen Tagen. Klima nennen wir langfristige (nach Wikipedia 30 Jahre) typische Wetterlagen und deren Durchschnitt an einem Ort. Aber was genau heisst in dem Zusammenhang „langfristig“? Wie lange müssen wir warten, um zuverlässig Trends erkennen zu können? Und, wird es tatsächlich immer wärmer?

Innerhalb weniger Jahre ist die Temperatur zu sehr von zufälligen oder quasi-periodischen Schwankungen beeinflusst. Eine besonders starke störende Signatur hinterlassen zum Beispiel El Niño und La Niña Ereignisse, die bekanntlich global Wettereskapaden auslösen können. Aber auch grössere Vulkanausbrüche und der 11-jährige Sonnenfleckenzyklus hinterlassen störende Spuren in der Oberflächentemperatur.

Was bedeutet hier „zuverlässig“?

Wenn wir in diesem Zusammenhang von „zuverlässig“ sprechen, ist gemeint, dass die Grössenordnung zufälliger Schwankungen klein im Verhältnis zum gesuchten Trend ist. Die Wissenschaftler sprechen von Signal-zu-Rauschen Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio, auch kurz S/N oder SNR). Für eine zu 95% aussagekräftige Mittelung sollte die Standardabweichung der zufälligen Schwankungen unter 5% der Grösse des Signals liegen. Da die Grösse der Störungen, also das Rauschen oder Noise, ja durch die Natur vorgegeben ist, kann die Qualität der Messung nur verbessert werden, indem die Grösse des Signals, also des gesuchten Trends, erhöht wird, und das lässt sich durch eine längere Beobachtungsdauer erreichen. Mit anderen Worten: aus kurzen Beobachtungsdauern lassen sich keine verlässlichen Trends bestimmen.

Wärmemenge und Meeresspiegel statt Oberflächentemperatur

In der geophysikalischen Fachzeitschrift EOS (siehe Quellenangabe am Ende des Artikels) schlagen Autoren um Cheng eine andere, schnellere Methode vor, um Trends wie eine Erwärmung des Klimas zuverlässig zu erkennen: Messungen der Wassertemperatur und der Änderung des Meeresspiegel-Niveaus sind viel weniger anfällig für Störungen als die Oberflächentemperatur und die Temperatur der Atmosphäre. Davon profitiert ganz Westeuropa, dessen Wetter von der Nordsee und dem Atlantiks beeinflusst wird: da die Meere die jahreszeitlichen Temperaturänderungen nur in kleinem Umfang mitmachen, wirkt ihr Einfluss mildernd auf die benachbarten Küstenregionen.

Cheng und Ko-Autoren nutzten Daten, die im Rahmen des seit 2006 laufenden Argo-Programms (Quelle siehe unten) gesammelt wurden. Dabei wurde nicht einfach die Wassertemperatur in einer bestimmten Tiefe und an einem bestimmten Ort gemessen, sondern die gesamte Wärme berechnet, die in den obersten 2000 m des Ozeanwassers enthalten ist. Da diese Wärmemenge sehr gross ist, ändert sie sich nur sehr langsam und wird auch durch Phänomene wie El Niño etc. nur wenig beeinflusst. Ähnliches gilt für das Niveau des Meeresspiegels, das sich ebenfalls nur wenig durch zufällige Ereignisse aus dem Tritt bringen lässt. Beide Indikatoren verhalten sich bezüglich der Störungen wie ein Tiefpass.

Untere Kurve: mittlere Oberflächentemperatur. Auffallend sind grosse Schwankungen von Jahr zu Jahr, manchmal korreliert mit El Niño (rot unterlegt) und La Niña (blau unterlegt) Events. Schwarze Kurve: Wärmemenge in den Ozeanen. Oberste, blaube Kurve: Meeresspiegel. Beide oberen Kurven zeigen kaum kurzfristige Schwankungen und sind auch von El Niño und La Niña unbeeinflusst. (Quelle: sie am Ende des Kapitels)

Nach welcher Zeit zeigen sich Trends zuverlässig?

Die in EOS publizierte Studie zeigt, dass die Beobachtung der in den Ozeanen gespeicherten Wärme bereits nach knapp vier Jahren eine Bestimmung des Trends mit 95 prozentiger Sicherheit möglicht ist. Das Meeresniveau als Indikator steht dem nur wenig nach und zeigt bereits nach 4.6 Jahren zuverlässig Trends. Im Vergleich dazu muss die Oberflächentemperatur für 27 Jahre gemessen werden, um lästige kurzfristige Schwankungen aus den Daten filtern zu können. Diese 27 Jahre liegen recht nahe an den 3 Jahrzehnten, die Wikipedia bei der Definition des Klima-Begriffs angibt. 27 Jahre sind aber extrem lang, wenn man auf politischer Ebene Entscheidungen treffen will oder muss. Die Schwankungen der Oberflächentemperatur werden daher auch gern von Klimawandel-Skeptikern herangezogen, um die Existenz des Trends zu leugnen.

Insbesondere eine längere Pause im Anstieg der weltweiten Durchschnittstemperatur zwischen 1998 und 2013, von Klimaforschern auch „Hiatus“ genannt (siehe Quelle am Ende des Artikels), geht auf die Umverteilung von Wärme zwischen Regionen und vor allem aus der Atmosphäre in den Ozean zurück, und wird von Skeptikern gern als Beleg gegen den Klimawandel angeführt. Dieser Hiatus ist im Verlauf der Meeresspiegelschwankungen und des Wärmeinhalts in den Ozeanen nicht sichtbar. In beiden zeigt sich stattdessen ein stabiler Trend. In den Jahren 2015 und 2016 knackte die totale Wärmekapazität der obersten 2 km Ozean einen 57 Jahre alten Rekord. Und dieser Trend passt ausgezeichnet zum CO2-Gehalt der Atmosphäre.

Die blaue Kurve zeigt den CO2-Gehalt der Atmosphäre, gemessen aus dem Mauna Loa, Hawai‘i. Die schwarze Kurve stellt die in den obersten 2000 m der Ozeane gespeicherte Wärmemenge dar. Rosa schattiert sind die Unsicherheiten in der Bestimmung der Wärmemenge, die dank verbesserten Messungen seit spätestens 2000 nur noch klein sind. Die Ähnlichkeit der Kurven ist deutlich. (Quelle: siehe am Ende des Artikels)

Klimawandel-Skeptiker

Skeptiker können hier zu recht einwerfen, dass zueinander passende Kurven – also eine Koinzidenz – nicht ohne weiteres als Beleg für einen kausalen Zusammenhang gewertet werden dürfen. Diese Skeptiker haben aber ein ganz anderes, leider viel zu selten aufgebrachtes Problem: sie müssen erklären können, warum der rasant gestiegene Ausstoss an Treibhausgas und der in der Folge massiv angestiegene Gehalt dieser Treibhausgase in der Atmosphäre nicht ursächlich mit der Klimaerwärmung zusammenhängt. Oder in einfachen Worten: wie kann es sein, dass die Menschheit die Atmosphäre massiv mit Treibhausgasen anreichert, ohne dadurch eine Erwärmung zu verursachen?


Quellen:

Der Artikel basiert auf Cheng, L., K. E. Trenberth, J. Fasullo, J. Abraham, T. P. Boyer, K. von Schuckmann, and J. Zhu (2017), Taking the pulse of the planet, Eos, 98, https://doi.org/10.1029/2017EO081839. Published on 13 September

Zum Argo-Programm: https://eos.org/project-updates/bringing-biogeochemistry-into-the-argo

Zum Hiatus: https://eos.org/scientific-press/study-sheds-new-insights-into-global-warming-hiatus

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