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Erwärmung

WIE HAT SICH DIE ERDE ERWÄRMT? (Stand 2016)

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Seit Beginn der annähernd globalen Temperaturaufzeichnungen etwa im Jahr 1880 nimmt die Lufttemperatur in Oberflächennähe unter Schwankungen zu. Die Luft über der Ozeanoberfläche hat sich im Mittel um 0,74°C (2015) und  die Luft über dem Land um 1,33°C (2015)  über den langfristigen Mittelwert (1901-2000) erwärmt. Regional gibt es deutliche Unterschiede. In Deutschland liegt die Erwärmung über dem aktuellen globalen Mittelwert; sie erreichte 2014 den Rekordwert von 2.03°C über den Mittelwert von 1901 bis 2000.

Welche Ursachen gibt es grundsätzlich für Temperaturveränderungen auf der Erde? Zum einen gibt es externe Faktoren wie die Erdbahn um die Sonne, die Sonnenenergie, aber auch Vulkanausbrüche und die Emission von Treibhausgasen, die das Klima der Erde beeinflussen. Zum anderen ändern sich interne Faktoren wie Meeresströmungen, Atmosphäre, Kryosphäre und deren Wechselwirkungen, die komplexe Effekte auf das Klima haben. Wir wissen, dass die Veränderungen der Erdbahn die Temperatur der Erde nur in Zeiträumen von mehreren Jahrtausenden beeinflussen, von daher können sie nicht die Ursachen für die Erwärmung der letzten 150 Jahre sein. Hochreichende Vulkanausbrüche haben nachweislich einen abkühlenden Effekt für die Erdoberfläche. Mit verschiedenen Methoden konnte man zeigen, dass die Erhöhung der globalen Mitteltemperatur in der Troposphäre (das sind die unteren etwa 10 bis 15 km der Atmosphäre) in entscheidendem Umfang auf die Veränderung der Zusammensetzung der Atmosphäre zurückzuführen ist. Die Konzentration der klimarelevanten Gase [Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Lachgas (N2O) und Ozon (O3) in der Troposphäre] haben seit Beginn der Industrialisierung hauptsächlich infolge der Verbrennung von Erdöl, Kohle und Erdgas weit über die natürlichen Konzentrationen hinaus zugenommen. Die dadurch bewirkte Erwärmung der Atmosphäre wird anthropogener Treibhauseffekt genannt. Die Veränderungen der Sonnenstrahlung sind nur für einen geringen Anteil der beobachteten Erderwärmung verantwortlich. Aus diesen Gründen betont der fünfte Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses über Klimaänderungen (IPCC, AR5 – 2013) im Vergleich zu vorangegangenen Berichten noch stärker die Rolle des Menschen im Zusammenhang mit der nachgewiesenen globalen Erwärmung: „Es gibt keinen Zweifel, dass der größte Teil der beobachteten Erwärmung in den letzten 50 Jahren auf menschlichen Einfluss zurückzuführen ist“.

Im Gegensatz zur Troposphäre hat sich die Stratosphäre (ca. 10-30 km Höhe) seit 1979 deutlich abgekühlt. Dies steht im Einklang mit physikalischen Erwartungen. Diese Erscheinung ist als Gegenläufigkeitsprinzip bzw. stratosphärische Kompensation bekannt. Sie besagt: Temperaturänderungen in der Stratosphäre sind nahezu denen in der Troposphäre entgegengesetzt mit etwa gleichen Beträgen. Das bedeutet, dass eine Erwärmung in der Troposphäre eine Abkühlung in der Stratosphäre zur Folge und umgekehrt hat (Hupfer & Kuttler 2005). Die Abkühlung ist zurzeit aber auch Folge der Verdünnung der Ozonschicht in der Stratosphäre durch Abbauprodukte der FCKW.

  1. Globale Erwärmung
  2. Erwärmung der Meeres- und Landoberfläche
  3. Vergleich der Erwärmung in der südlichen und nördlichen Erdhälfte
  4. Vergleich der Erwärmung zwischen November-März und Mai-September
  5. Geographische Verteilung der Erwärmung
  6. Erwärmung in Deutschland

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1. Globale Erwärmung

Dank der weltweit gesammelten Wetterdaten können wir die globale Klimaentwicklung seit etwa 1880 recht zuverlässig beurteilen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die jährliche mittlere globale Lufttemperatur in Bodennähe seit Anfang des 20. Jh. unter Schwankungen ansteigt. Die Erwärmung erreichte in den 1940er Jahren den ersten Höhepunkt. Nach einer Phase ohne Erwärmung steigt die Kurve seit den 1970er Jahren wieder und zwar verstärkt an. Die höchsten Erwärmungsbeträge werden im Breitengürtel zwischen 40° und 70° N (zwischen Mittelspanien und Nordnorwegen) über den Kontinenten im Winter und Frühjahr beobachtet. 1998 erreichte die globale Erwärmung als Folge des sehr starken El-Niño den höchsten Wert für das 20.Jahrhundert: 0,63 °C über dem Mittelwert 1901-2000.

Seit 2000 setzt sich die globale Erwärmung (Land- und Meeresoberfläche) weiter fort. Sie erreichte im Jahr 2015 den höchsten Wert seit Beginn der Temperaturaufzeichnung. Die mittlere globale Jahrestemperatur betrug 0,90°C über dem langfristigen Mittelwert (1901-2000). Die 10 wärmsten Jahre seit 1880 und ihre Abweichungen sind:

1) 2015           3) 2010           5) 2005           7) 2009           9) 2006

0,90 °C           0,70 °C           0,65 °C           0,63 °C           0,61 °C

2) 2014           4) 2013           6) 1998           8) 2012           10) 2007

0,74 °C           0,66 °C           0,63 °C           0,62 °C           0,61 °C

 

Abb.1a – Entwicklung der mittleren globalen Jahrestemperatur (Land und Meeres­oberfläche) von 1880 bis 2014 als Anomalie (Abweichung) vom langfristigen Mittelwert von 1901 bis 2000. Datenquelle: http://www.ncdc.noaa.gov/cag/time-series/global.

Mit Ausnahme des Jahres 1998 wurden alle diese Höchstwerte nach 2000 beobachtet. Das Jahr 2014 ist das erste Jahr nach 1990, in dem ein Temperaturrekord in Abwesenheit von El-Niño-Bedingungen gebrochen wird. Grob gemittelt nimmt die globale mittlere Temperatur seit 1880 um 0,06 °C/Jahrzehnt und seit 1970 um 0,16 °C/Jahrzehnt zu.

Mit Ausnahme des Jahres 1998 wurden alle diese Höchstwerte nach 2000 beobachtet. Das Jahr 2014 ist das erste Jahr nach 1990, in dem ein Temperaturrekord in Abwesenheit von El-Niño-Bedingungen gebrochen wird. Grob gemittelt nimmt die globale mittlere Temperatur seit 1880 um 0,06 °C/Jahrzehnt und seit 1970 um 0,16 °C/Jahrzehnt zu.

Wie Abb. 1b zeigt, ist das Jahr 2015 mit Abstand das wärmste Jahr seit Beginn der Temperaturaufzeichnung in 1880. Nach der Temperaturanalyse des National Climatic Data Center (NCDC) der USA waren die ersten elf Monate des Jahres 2015 die wärmsten seit 1880. Ihre Mittelwerte lagen alle 0,8 °C oder mehr über dem Mittelwert 1901-2000. Es ist dazu zu erwähnen, dass dieses Jahr 2015 im Gegensatz zu 2014 unter den Bedingungen eines sehr starken El-Niño-Ereignisses steht. NOAA-Experten sagen: Mit einer hohen Wahrscheinlichkeit wird sich das aktuelle El Niño-Ereignis bis Frühjahr-Sommer 2016 fortsetzen. Die Temperaturen in der Region El-Niño3.4 erreichten sehr hohe Werte; sie lagen in den Monaten August 2,07 °C, September 2,28°C, Oktober 2,46°C und November 2,96 °C über dem langfristigen Mittelwert.

Temp.2015_vgl_6 wärmsteJahre_2014_2010_2013_2005_2009_1998

Abb.1b – Abweichung der mittleren monatlichen Temperatur (Land- und Meeresoberfläche) während des Jahres 2015 und der sechs beobachteten wärmsten Jahre (2014, 2010, 2013, 2005. 2009 und 1998) vom langfristigen Mittelwert von 1901 bis 2000. Datenquelle: http://www.ncdc.noaa.gov/cag/time-series/global.

2. Erwärmung der Meeres- und Landoberfläche

Global ist die Erwärmung der Meeresoberfläche wegen der höheren Durchmischung des Wassers geringer als die der Landfläche. Die erwärmten Schichten erreichen bis jetzt meist nur einige 100 m Tiefe. Da die mittlere Ozeantiefe 3.800 m beträgt, werden die Erwärmung der Meere und damit auch die Ausdehnung des Meerwassers Jahrhunderte andauern, sogar wenn sich die Erwärmung der Atmosphäre nicht fortsetzen würde. Die heutige Ausdehnung des Meerwassers ist daher nur ein Bruchteil der gesamten schon programmierten Ausdehnung.

Seit den 1950er Jahren nimmt die mittlere globale Temperatur des Ozeans an der Oberfläche zu und sie lag 2014 um 0,57°C über dem langfristigen Mittelwert von 1901-2000 (16,1 °C); das ist der höchste bisher gemessene Wert. Vor 2014 war 0,59 °C die höchste festgestellte Monatsanomalie über dem langfristigen Mittelwert (1901-2000) für die Ozeane; sie wurde im Juni 1998, Oktober 2003 und Juli 2009 beobachtet. Dieser Monatsrekord wurde 2014 gleich dreimal im Juni (0,62 °C) im August (0,65 °C) und im September (0,66 °C) gebrochen. Insgesamt war die Monatsanomalie vom Mai bis November 2014 höher als der vor 2014 geltende Monatsrekord.

Die mittlere globale bodennahe Lufttemperatur war im Jahr 2014 ebenfalls sehr hoch und betrug 1,03 °C über dem Durchschnitt des 20. Jahrhunderts (8,5 °C); das ist seit 1880 der vierthöchste Wert (Abb. 2).

Bemerkenswert sind die Unterschiede in den Temperaturschwankungen während des Jahres. Da an Land nur eine dünne Schicht erwärmt wird, sind dort die Schwankungen zwischen den mittleren globalen Monatstemperaturen erheblich. Beispielsweise betrug die mittlere Anomalie 0,31 °C im März und 1,32 °C im Februar des Jahres 2014, das ist eine Differenz von 1,01 °C. In den Ozeanen wurde dagegen im Laufe des Jahres 2014 ein maximaler Unterschied der Temperaturanomalie von 0,20 °C (0,46 °C im Januar-Februar und 0,66 °C im September) beobachtet.

 

Abb.2 – Entwicklung der mittleren globalen Jahrestemperatur in Bodennähe über Land und an der Meeres­oberfläche seit 1880 bis 2014 als Anomalie (Abweichung) vom langfristigen Mittelwert von 1901 bis 2000. Datenquelle: http://www.ncdc.noaa.gov/cag/time-series/global.

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3. Vergleich der Erwärmung in der südlichen und nördlichen Erdhälfte

Die Oberfläche der südlichen Erdhälfte besteht zu 19% aus Land aber zu 81% aus Meer, die nördliche Erdhalbkugel zu 39% bzw. 61%. Der damit zusammenhängende wichtige Grund für die stärkere Erwärmung über Land in der nördlichen Erdhalbkugel ist der Eis- und Schnee-Albedo-Effekt, der wegen der großen Landmassen in den höheren Breiten der Nordhalbkugel deutlich stärker zur Geltung kommt als auf der Südhalbkugel. In den letzten Jahrzehnten bleibt der Schnee immer kürzere Zeit liegen und die Gletscher sind kleiner geworden; insgesamt hat sich die helle Fläche in der Nordhemisphäre reduziert und damit auch der Albedo Effekt.

Im Zeitraum 1900 -2014 betrug die mittlere Erwärmung über dem Land in der Nordhemisphäre 0,99 °C, in der Südhemisphäre 0,75 °C über dem Mittelwert im 20.Jh. (Abb. 3).

Im Meer sind die entsprechenden Unterschiede etwas geringer. Diese kann man verdeutlichen, wenn man die höchsten Jahresmittelwerte ab dem Jahr 2000 vergleicht. Die Abweichungen (> 0,5°C) vom langfristigen Mittelwert 1901-2000 sind:

In der Nordhemisphäre:

2003 0,52°C, 2004 0,53°C, 2005 0,54°C, 2010 0,52°C, 2013 0,51°C und 2014 0,64°C

In der Südhemisphäre:

2002 0,52°C, 2003 0,52°C, 2009 0,51°C und 2014 0,52°C.

Auf der Nordhalbkugel sind diese Werte häufiger und etwas höher.

Abb. 3- Vergleich der mittleren bodenahen Jahrestemperatur in der nord- und  südlichen Erdhälfte von 1880 bis 2014. Datenquelle: http://www.ncdc.noaa.gov/cag/time-series/Northern_Southern_Hemisphere_Land_Temperature Anomalies.

4. Vergleich der Erwärmung zwischen November-März und Mai-September

Die Erwärmung ist von November bis März höher als von Mai bis September. In Abb. 4 ist die mittlere Jahrestemperatur von 1880 bis 2014 für die Monate Mai-September und für die Monate November-März über den Kontinenten in der Nordhalbkugel dargestellt. Die Abweichungen vom Mittelwert 1901-2000 sind von November bis März weit höher als von Mai bis September. Wie Abb. 4 zeigt, findet man von Nov-März nach 1995 vierzehn Werte, die über 1.0°C höher als der langfristige Mittelwert liegen. Von Mai-Sept wurden nur drei Jahre mit solchen Werten gemessen. Wie oben beschrieben muss die Schwächung des Albedo-Effekts aufgrund der Verringerung der hellen Fläche im Winter von entscheidender Bedeutung sein.

Abb. 4- Vergleich der mittleren bodenahen Temperatur zwischen November-März und Mai-September in der Nordhemisphäre. Datenquelle: http://www.ncdc.noaa.gov/cag/time-series/ Northern Hemisphere Land Temperature Anomalies.

5. Geographische Verteilung der Erwärmung

Aufgrund der hier dargestellten Kurven darf man nicht zu der Schlussfolgerung kommen, dass die Temperaturänderung räumlich homogen ist. Es gibt Regionen mit starker und mit geringer Erwärmung. Beispielsweise wurden im April 2015 sehr hohe Werte (teilweise Rekordwerte) in Teilen des Golfs von Alaska sowie des nordöstlichen und äquatorialen Pazifik gemessen. Auch im nördlichen Zentralrussland zeigten die Thermometer im April 2015 Werte von 5 °C über dem Durchschnitt. Sehr geringe Erwärmung zeigen seit Langem Teile des Nordwestatlantiks zwischen Kanada und Großbritanien (Abb. 5).

regionaleErwärmung

Abb. 5- Regionale Erwärmung von 1901 bis 2012 (aus IPCC 2013)

6. Erwärmung in Deutschland

In Abb.6 wird die mittlere jährliche bodennahe Temperatur weltweit und in Deutschland gegenübergestellt. Dargestellt wird die Abweichung der Jahresmittelwerte vom jeweiligen langfristigen Mittelwert 1901-2000. Als erstens erkennt man, dass die obere Graphik für die weltweite Temperaturverteilung besser geglättet ist als die untere. Das liegt daran, dass die Anzahl der Werte weltweit größer ist als die in Deutschland allein. Ferner gleichen sich die Werte aus Regionen mit starken und geringen Extremen weltweit aus. Aus beiden Graphiken ist ersichtlich, dass die Erwärmung in Deutschland deutlich stärker ist als global. Der Mittelwert zwischen 1901 und 2000 betrug 8,27 °C 13 Jahre (1989, 1990, 1992, 1994, 1999, 2000, 2002, 2003, 2006, 2007, 2008, 2011 und 2014) weisen Werte auf, die über 1° höher sind als der langfristige Mittelwert von 8,27 °C. Die Zahl dieser Werte pro Jahrzehnt nimmt zu. So wurden sie zweimal in den 1980er, viermal in den 1990er und fünfmal in den 2000er Jahren beobachtet. Das wärmste Jahr war 2014 mit einer mittleren Temperatur von 10,3 °C. 2.03 °C über dem langfristigen Mittelwert. Global waren nur die Jahre 2005, 2007, 2010 und 2014 über 1° höher als der Mittelwert 1901-2000 (DWD-Daten, siehe Kaspar et al. 2013).

Abb. 6 – Vergleich der mittleren bodennahen Jahrestemperatur über Deutschland und global von 1880 bis 2014. Datenquelle: http://www.ncdc.noaa.gov/cag/time-series/global und DWD-Daten (Kaspar, F. et al. 2013)

 

6. Literatur

Becker, E. (2015): July 2015 El Niño update: Bruce Lee? https://www.climate.gov/news-features/blogs/enso/july-2015-el-ni%C3%B1o-update-bruce-lee

Hupfer, P., F.-M. Chmielewski & H. Pethe (Hrsg.) (2005): Witterung und Klima: Eine Einführung in die Meteorologie und Klimatologie. 11. Auflage. Vieweg & Teubner Verlag. 554 S.

IPCC (2013): Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535 pp.

Kaspar, F., Müller-Westermeier, G., Penda, E., Mächel, H., Zimmermann, K., Kaiser-Weiss, A., and Deutschländer, T.: Monitoring of climate change in Germany – data, products and services of Germany’s National Climate Data Centre, Adv. Sci. Res., 10, 99-106, doi:10.5194/asr-10-99-2013, 2013.

NOAA (2015): https://www.ncdc.noaa.gov/sotc/summary-info/global/201506