Was ist eigentlich Klima?

Zwischen den meteorologischen Fachbegriffen Wetter, Witterung und Klima gibt es Unterschiede, deren Unkenntnis häufig zu Missverständnissen führt.

Wetter ist der physikalische Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort oder in einem Gebiet zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem kurzen Zeitraum von Stunden bis hin zu wenigen Tagen. Dieser Zustand wird durch meteorologische Größen beschrieben, die an meteorologischen Beobachtungsstationen regelmäßig gemessen und aufgezeichnet werden. Dazu zählen unter anderem die Größen Lufttemperatur, Luftdruck, Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Luftfeuchte, Bewölkung und Niederschlag.

Als Witterung bezeichnen die Meteorologen den durchschnittlichen Charakter des Wetterablaufs an einem Ort oder in einem Gebiet über mehrere Tage bis hin zu mehreren Wochen. Dieser Zeitraum ist wesentlich kürzer als jener, der der Definition des Klimas zugrunde liegt.

Unter dem Begriff Klima versteht man den mittleren Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort oder in einem bestimmten Gebiet über einen längeren Zeitraum. Als Zeitspanne empfiehlt die Weltorganisation für Meteorologie (WMO – World Meteorological Organization) Perioden von mindestens 30 Jahren. Es sind aber auch Betrachtungen über längere Zeiträume wie Jahrhunderte und Jahrtausende bei der Erforschung des Klimas gebräuchlich. Das Klima wird durch statistische Kennwerte der Atmosphäre charakterisiert, wie Mittelwerte, Häufigkeiten, Andauerverhalten oder Extremwerte meteorologischer Größen.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass den Definitionen der Begriffe Wetter, Witterung und Klima sehr unterschiedliche Zeiträume zugrunde liegen. So kann etwa aus drei aufeinander folgenden heißen Sommern nicht auf eine Erwärmung des Klimas geschlossen werden. Auch ist eine Reihe von kühlen Jahren in einem Jahrzehnt ist nicht unbedingt gleichbedeutend mit einer Abkühlung des Klimas. Dies könnte der Fall sein, wenn sich die Abkühlung über mehrere Jahrzehnte hinweg fortsetzt. [1]

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Was sind die Ursachen von Klimaänderungen?

Motor des Klimas der Erde ist die Globalstrahlung. Von der auf der Erde ankommenden Sonnenstrahlung wird ein Teil durch Wolken und die Erdoberfläche reflektiert oder gestreut. Ein weiterer Teil wird an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre in Wärmestrahlung umgesetzt, die das System Erdoberfläche/Atmosphäre erwärmt. Ein Teil dieser Wärmestrahlung wird wieder in den Weltraum abgegeben. Laut Energieerhaltung ist das Verhältnis zwischen ankommender und abgehender Strahlung ausgeglichen: Die ankommende Sonnenstrahlung abzüglich ihres reflektierten Anteils ist gleich der von der Erde in den Weltraum abgegebenen Wärmestrahlung. Wird diese Energiebilanz durch bestimmte Prozesse oder Faktoren gestört, resultiert dies in Änderungen des Klimas. Hierbei ändert sich das Klima so lange, bis die Energiebilanz wieder ausgeglichen ist.

Funktional lassen sich folgende Ursachen von Klimaänderungen unterscheiden:
• Änderungen der ankommenden Sonnenstrahlung
• Änderungen der reflektierten Sonnenstrahlung
• Änderungen der in den Weltraum abgegebenen Wärmestrahlung
• interne Variabilität des Klimasystems

Die Sonnenstrahlung schwankt und beeinflusst damit das Klima auf der Erde. Wissenschaftler haben verschiedene Zyklen in diesen Schwankungen gefunden, die von Dekaden bis hin zu einigen Jahrtausenden andauern. Die auf der Erde ankommende Sonnenstrahlung unterliegt zudem Schwankungen, wenn sich die Konstellation der Erdumlaufbahn um die Sonne ändert.
Ein Teil der auf der Erde ankommenden Sonnenstrahlung wird in der Atmosphäre und an der Erdoberfläche reflektiert und in den Weltraum zurückgestrahlt. In der Atmosphäre sind es neben den Wolken besonders Aerosole (kleine schwebende Teilchen oder Tröpfchen), die Sonnenstrahlung reflektieren. Eine Quelle für Aerosole sind zum Beispiel Vulkanausbrüche, die deshalb in der Tendenz zu einer Abkühlung des Erdklimas führen. Auch die Beschaffenheit der Erdoberfläche beeinflusst das Rückstrahlvermögen in Bezug auf die Sonnenstrahlung. Eine nur mit Wasser oder Wald bedeckte Erde wäre um einiges wärmer und eine nur mit Eis bedeckte Erde (wegen der stärkeren Reflektion) erheblich kälter, als es gegenwärtig auf der Erde der Fall ist. Der Mensch verändert durch seine Tätigkeit – zum Beispiel Bebauung, Landwirtschaft, Rodung von Wäldern – die Landoberfläche und beeinflusst damit das Klima.
Die Erdatmosphäre enthält einen natürlichen Anteil an Gasen, die Wärmestrahlung absorbieren und meist als Treibhausgase bezeichnet werden. Diese Gase lassen die Sonnenstrahlung passieren, absorbieren aber Teile der von der Erdoberfläche kommenden Wärmestrahlung und verringern deshalb den Anteil der in den Weltraum abgegebenen Wärmestrahlung. Seit der Industrialisierung hat der Mensch die Zusammensetzung der Atmosphäre verändert und den Anteil an Treibhausgasen, besonders an Kohlendioxid, erhöht. Dadurch hat sich das Klima erwärmt.
Es gibt auch interne Klimaschwankungen, die keine äußeren Antriebe – wie Änderungen der Sonnenstrahlung, der Zusammensetzung der Atmosphäre oder der Beschaffenheit der Erdoberfläche – benötigen. Die interne Klimavariabilität entsteht durch Wechselwirkungen in und zwischen den einzelnen Subsystemen des Klimasystems – zwischen Atmosphäre, Hydrosphäre (Ozeane, Seen, Flüsse), Kryosphäre (Eis und Schnee), Lithosphäre (Gesteine), Pedosphäre (Boden) und Biosphäre (Pflanzen und Tiere). Ein Beispiel dafür ist das El Niño-Phänomen im tropischen Pazifik, eine starke, kurzfristige, interne Klimaschwankung. El Niño (spanisch: das Christkind) ist ein Ereignis, bei dem (beginnend um die Weihnachtszeit) die Oberflächentemperaturen des Ozeans in einem großen Gebiet im tropischen Pazifik ungewöhnlich erhöht sind. Die Änderung der Meeresoberflächentemperaturen hat Folgen für die atmosphärische Zirkulation: In Regionen Südamerikas, in denen sonst Trockenheit herrscht, kann es zu starken Niederschlägen mit Überschwemmungen kommen, während in Indonesien und Australien Dürren auftreten, die teils verheerende Wald- und Buschbrände nach sich ziehen können. [1]

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Wie funktioniert der Treibhauseffekt?

Die Erdatmosphäre enthält Gase, die kurzwellige Sonnenstrahlung zum großen Teil passieren lassen, (langwellige) Wärmestrahlung jedoch absorbieren und damit das System erwärmen. In Analogie zu einem Treibhaus – das Sonnenstrahlung durchlässt und Wärmestrahlung „festhält” – werden diese Gase auch als Treibhausgase bezeichnet. Vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid absorbieren einen Teil der von der Erdoberfläche abgegebenen Wärmestrahlung und verringern deshalb den Anteil der in den Weltraum abgegebenen Wärmestrahlung. Dieser – natürliche – Treibhauseffekt bewirkt, dass das globale Mittel der bodennahen Lufttemperatur 15°C beträgt. Ohne Treibhausgase in der Atmosphäre läge die Mitteltemperatur bei -18°C und die Erde wäre vereist.
Seit der Industrialisierung verursachen wir Menschen eine ständige Zunahme der atmosphärischen Konzentrationen von Treibhausgasen. Durch diesen anthropogenen (durch den Menschen verursachten) Treibhauseffekt verringert sich die in den Weltraum abgegebene Wärmestrahlung und das System Erdoberfläche / Atmosphäre erwärmt sich. Durch die Erwärmung nimmt aber auch die in den Weltraum abgehende Wärmestrahlung wiederum zu. Das System erwärmt sich also so lange, bis die abgehende Wärmestrahlung die ankommende Sonnenstrahlung  wieder ausgleicht und sich ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt.
Die Wissenschaft stellte die Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre unzweifelhaft fest. Die globale atmosphärische Konzentration des wichtigsten anthropogenen Treibhausgases - Kohlendioxid (CO2) - ist von einem Wert in vorindustrieller Zeit (um 1750), der bei etwa 280 ppm (parts per million, das heißt 280 CO2-Moleküle auf eine Million Luftmoleküle) lag, auf 384 ppm im Jahre 2008 angestiegen. Dieser Wert liegt erheblich über der aus Eisbohrkernen bestimmten natürlichen Bandbreite der letzten 650 000 Jahre (180 bis 300 ppm). Die hohe Kohlendioxidkonzentration wird hauptsächlich durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe und zu einem geringeren Teil durch Landnutzungsänderungen (zum Beispiel durch Rodungen von Wäldern) verursacht. [1]

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Kann man das Klima überhaupt vorhersagen?

Zum besseren Verständnis dieser Thematik gehen wir auf einen wesentlichen Unterschied zwischen Wettervorhersage und Klimamodellierung ein. Bei der modellgestützten Wettervorhersage wird von einem Anfangszustand mit Hilfe eines physikalischen Gleichungssystems schrittweise in die Zukunft gerechnet.
Dabei müssen die meteorologischen Größen (wie beispielsweise Druck, Wind und Temperatur) zum Anfangszeitpunkt der Simulation sehr genau bestimmt werden, da bereits kleine Unsicherheiten in diesem Anfangszustand der Atmosphäre große Änderungen in der Vorhersage bewirken können. Die Meteorologen können den Anfangszustand aber nie mit 100%iger Genauigkeit ermitteln. Das hängt in erster Linie damit zusammen, dass keine flächendeckenden Beobachtungen / Messungen der meteorologischen Größen vorhanden sind. Denn die meteorologischen Beobachtungsstationen weisen größere Abstände zueinander auf und sind Teil eines Beobachtungsnetzes. Um die Wettervorhersage wesentlich präziser zu gestalten, bräuchten die Wissenschaftler ein dichteres Beobachtungsnetz mit geringeren Abständen zwischen den Stationen. Deshalb ist die modellgestützte Wettervorhersage in ihrer Güte durch das Netz an Beobachtungsstationen begrenzt.
Bei der Klimamodellierung ist die Herangehensweise anders: Das Ergebnis von Klimasimulationen hängt weniger vom Anfangszustand der Atmosphäre, sondern vielmehr von den Randbedingungen ab, wie beispielsweise der zeitlichen Entwicklung der atmosphärischen Konzentrationen von Treibhausgasen, der zeitlichen Änderung der Solarstrahlung oder der zeitlichen Änderung der Beschaffenheit der Erdoberfläche. Diese Randbedingungen sind für die Zukunft meist nicht genau bekannt, können aber mit Hilfe von Szenarien vorgegeben werden. Unter Nutzung solcher Szenarien können die Wissenschaftler dann mit den Klimamodellen verschiedene Fälle durchrechnen, zum Beispiel: Welche Klimaänderungen resultieren, wenn sich die atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen künftig in unterschiedlichem Maße ändern. Oder: Mit welcher Klimaänderung müssen wir rechnen, wenn große Teile des tropischen Regenwaldes vernichtet werden.
Weil die Randbedingungen der Klimasimulationen nicht genau bekannt sind und in Form von Szenarien vorgegeben werden müssen, bezeichnen  Fachleute die Ergebnisse von Klimamodellen auch treffender als Klimaprojektionen und nicht als Vorhersagen. Damit verdeutlichen sie, dass in Abhängigkeit von den jeweiligen Randbedingungen verschiedene Pfade der künftigen Entwicklung des Klimas möglich sind.
In einem gewissen Umfang sind die Ergebnisse von Klimamodellen auch überprüfbar: Wissenschaftler führen die Simulationen für vergangene Dekaden durch und vergleichen sie mit Beobachtungsdaten. Seit dem ersten IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)-Bericht von 1990 deuteten die geschätzten Projektionen für den Zeitraum 1990-2005 auf einen mittleren globalen Temperaturanstieg von etwa 0,15 bis 0,3°C pro Jahrzehnt hin. Dem stehen beobachtete Werte von ca. 0,2°C pro Jahrzehnt gegenüber. Durch diese Übereinstimmung wird das Vertrauen in Projektionen für die nähere Zukunft gestärkt. [1]

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