Aufgaben: Der Klimawandel

Betrachte das Schema des Treibhauseffekts. Erkläre, was jeder nummerierte Pfeil (1, 2 und 3) darstellt, warum der natürliche Treibhauseffekt für das Leben auf der Erde unverzichtbar ist und worin seine menschengemachte Verstärkung besteht.

Nenne drei Treibhausgase, gib die Hauptquelle von jedem an und bestimme, welches davon am stärksten zur gegenwärtigen Erwärmung beiträgt und warum.

Setze den Kohlenstoffkreislauf in Beziehung zum Anstieg von atmosphärischem $\text{CO}_2$ seit der Industriellen Revolution und nenne die beiden menschlichen Prozesse, die am meisten zu diesem Anstieg beitragen.

Unterscheide Wetter und Klima und erkläre, warum eine Woche intensiver Kälte im Winter dem Trend der globalen Erwärmung nicht widerspricht; stütze dich dabei auf den Unterschied zwischen einem Einzelwert und einem langfristigen Mittelwert.

Erkläre, was die Albedo einer Oberfläche ist, welche Erdoberflächen eine hohe und welche eine niedrige Albedo haben und warum das Abschmelzen des arktischen Meereises die mittlere Albedo des Planeten verringert.

Nenne zwei in Spanien beobachtete Belege für den Klimawandel (Rückgang der Pyrenäengletscher, frühere Blütezeiten, Zunahme von Hitzewellen, Anstieg des Meeresspiegels an der Küste) und erkläre, worin jeder besteht.

Erkläre, was Kohlenstoffbindung ist, und nenne zwei natürliche Kohlenstoffsenken (Wälder, Böden, Ozeane, Moore); gib an, wie sie den Kohlenstoff speichern und wie lange.

Was ist eine Hitzewelle und wie wird sie meteorologisch definiert? Erkläre, warum sie in einem wärmeren Klima voraussichtlich häufiger, länger und intensiver auftreten, auch wenn die Durchschnittstemperatur nur um ein oder zwei Grad steigt.

Beschreibe zwei bereits beobachtbare Folgen des Klimawandels in den Ökosystemen der Iberischen Halbinsel und erkläre den physikalischen oder biologischen Mechanismus, der sie hervorruft.

Unterscheide die Strategien der Minderung (Mitigation) und der Anpassung (Adaptation) an den Klimawandel und nenne für jede zwei konkrete Beispiele; gib an, auf welcher Ebene (lokal, national oder global) sie angewendet werden.

Die Konzentration von atmosphärischem $\text{CO}_2$ ist von etwa $280\ \text{ppm}$ in vorindustrieller Zeit auf etwa $420\ \text{ppm}$ in der Gegenwart gestiegen. Berechne die prozentuale Zunahme und erörtere, was mit den Ökosystemen geschehen wäre, wenn dieser Anstieg über Jahrhunderte statt in weniger als zwei Jahrhunderten erfolgt wäre.

Der Meeresspiegel steigt aus zwei Hauptgründen: wegen der thermischen Ausdehnung des Wassers bei Erwärmung und wegen des Wassereintrags aus Gletschern und kontinentalen Eisschilden. Erklären Sie beide Mechanismen und begründen Sie mit dem archimedischen Prinzip, warum das Schmelzen von schwimmendem Meereis kaum zum Anstieg beiträgt.

Die Durchschnittstemperatur der Iberischen Halbinsel ist seit der vorindustriellen Zeit bereits um mehr als $1{,}5\ \text{°C}$ gestiegen. Erklären Sie, welche Folgen diese Erwärmung für die Schneedecke der spanischen Gebirge hat und wie sich das Abflussregime der dort entspringenden Flüsse verändert (mehr Wasser im Winter, weniger im Sommer).

Der IPCC arbeitet mit Emissionsszenarien, von sehr ambitioniert bis sehr hoch. Erklären Sie, was ein Klimaszenario ist, warum die Wissenschaft keine einzelne zukünftige Temperatur vorhersagen kann und welche Rolle menschliche Entscheidungen (Energie, Wirtschaft, Demografie) für die Bandbreite der Ergebnisse spielen.

Viele Länder haben sich zur „Klimaneutralität“ bis 2050 verpflichtet. Erklären Sie, was es bedeutet, Netto-Null-Emissionen zu erreichen, welche Rolle die Aufnahme durch Senken in der Bilanz spielt und warum dies nicht bedeutet, überhaupt nichts mehr auszustoßen.

Salzmarschen und Seegraswiesen (Posidonia) speichern große Mengen Kohlenstoff in ihren Sedimenten („Blue Carbon“). Erklären Sie, warum sie besonders wirksame und dauerhafte Senken sind, und begründen Sie, was mit diesem Kohlenstoff geschieht, wenn eine Salzmarsch trockengelegt oder eine Seegraswiese durch Ankern und Bauarbeiten zerstört wird.

In einer Debatte über den Klimawandel behauptet eine Person: „Das Klima hat sich schon immer aus natürlichen Ursachen verändert. Außerdem hält warmes Wasser weniger gelöstes Gas zurück; der heutige Anstieg des atmosphärischen $\text{CO}_2$ ist daher eine Folge der natürlichen Erwärmung der Ozeane und nicht menschlicher Aktivitäten.“\na) Vergleichen Sie die Geschwindigkeit der heutigen Erwärmung mit der der Klimaübergänge der geologischen Vergangenheit (wie den quartären Enteisungen) und leiten Sie ab, warum die Geschwindigkeit des modernen Wandels die Milanković-Zyklen als Hauptursache ausschließt.\nb) Nutzen Sie das Gleichgewicht des marinen Karbonatsystems und die Daten zur Ozeanversauerung (anhaltende Abnahme des pH-Werts im Meer), um die Vorstellung zu widerlegen, dass das $\text{CO}_2$ aus der Ausgasung der Ozeane stammt.\nc) Erklären Sie, wie die Beobachtung einer Erwärmung der Troposphäre bei gleichzeitiger Abkühlung der Stratosphäre es ermöglicht, eine erhöhte Sonnenaktivität als Ursache auszuschließen, und die Rolle des Treibhauseffekts bestätigt.

Entwerfen Sie einen Klimaschutzplan für Ihren Wohnort: Wählen Sie drei Sektoren (zum Beispiel Energie, Verkehr und Kohlenstoffsenken) und begründen Sie für jede vorgeschlagene Maßnahme, wie sie Emissionen verringert oder die Aufnahme erhöht und welchen Zusatznutzen sie bringt.

Stellen Sie sich vor, die globale Erwärmung überschreitet die Schwelle von $+1{,}5\ \text{°C}$ und löst beschleunigte Prozesse in den hohen borealen Breiten aus.\na) Modellieren Sie mithilfe eines Flussdiagramms von Ursachen und Wirkungen das Zusammenspiel zwischen dem sommerlichen Abschmelzen des arktischen Meereises und der Strahlungsbilanz des Ozeans. Sagen Sie die Auswirkung dieser Rückkopplungsschleife auf die Wärmeaufnahme des Wassers und die Eisbildung in den folgenden Wintern voraus.\nb) In tauenden Mooren und Permafrostböden bilden sich Thermokarstseen. Begründen Sie, unter welchen biogeochemischen Bedingungen der Abbau organischer Substanz überwiegend $\text{CH}_4$ statt $\text{CO}_2$ freisetzt, und erklären Sie anhand des relativen Strahlungsantriebs beider Gase, warum dies den Antrieb kurzfristig verschärft.\nc) Erklären Sie anhand beider Mechanismen, was ein „Kipppunkt“ (tipping point) ist, und argumentieren Sie, warum ein vollständiger Stopp der anthropogenen Emissionen nach seiner Überschreitung möglicherweise nicht ausreicht, um die Erwärmung aufzuhalten.

Um die Ursachen der jüngsten globalen Erwärmung zu bestimmen, analysiert ein Forschungsteam die folgenden empirischen Beobachtungen:\n1. Die gesamte Sonneneinstrahlung schwankt in 11-Jahres-Zyklen, zeigt aber seit 1980 einen leichten Abwärtstrend, während die globale Durchschnittstemperatur kontinuierlich steigt.\n2. Große Vulkanausbrüche verursachen globale Temperaturrückgänge von $0{,}2$ bis $0{,}5\ \text{°C}$, die 1 bis 3 Jahre dauern; danach setzt sich die Erwärmung fort.\n3. Klimamodelle können die beobachtete Erwärmung ab 1970 nur reproduzieren, wenn sie die anthropogenen Emissionen von Treibhausgasen und Aerosolen einbeziehen.\n4. Das Isotopenverhältnis $^{13}\text{C}/^{12}\text{C}$ ($\delta^{13}\text{C}$) im atmosphärischen $\text{CO}_2$ sinkt, während gleichzeitig die Konzentration des radioaktiven Isotops $^{14}\text{C}$ verdünnt wird (Suess-Effekt).\na) Definieren Sie den Strahlungsantrieb (in $\text{W/m}^2$) und leiten Sie anhand der Daten 1 und 2 das Nettovorzeichen des solaren und vulkanischen Antriebs während der letzten vier Jahrzehnte ab.\nb) Begründen Sie anhand von Datum 3, warum die Klimasimulationen zeigen, dass der anthropogene Antrieb der ausschlaggebende ursächliche Faktor und keine Scheinkorrelation ist.\nc) Leiten Sie mit Datum 4 ab, welche Art von Kohlenstoffquelle (vulkanische Emissionen, lebende pflanzliche Biomasse oder fossile Brennstoffe) kein $^{14}\text{C}$ enthält und an $^{13}\text{C}$ verarmt ist, und weisen Sie damit den Ursprung des Überschusses an $\text{CO}_2$ nach.

Analysieren Sie die geografischen Unterschiede der Erwärmung anhand dieser Situation:\nIn den letzten Sommern verzeichnete die Iberische Halbinsel historische Hitzewellen, die mit stationären Hochdruckrücken zusammenhingen, während sich die Arktis fast dreimal so schnell erwärmte wie der globale Durchschnitt (arktische Verstärkung).\na) Erklären Sie die Abfolge physikalischer Rückkopplungen (Strahlungsbilanz, Albedo von Eis/Schnee und ozeanische Aufnahme), die dafür verantwortlich ist, dass sich die Arktis viel stärker erwärmt als der Rest des Planeten.\nb) Der polare Strahlstrom (Jetstream) hängt vom Temperaturgefälle zwischen Pol und gemäßigten Breiten ab. Sagen Sie voraus, wie die arktische Verstärkung Geschwindigkeit und Wellenbildung des Strahlstroms beeinflusst, und leiten Sie ab, warum dies extreme und anhaltende Wetterlagen (Blockierungen, Höhentiefs/DANAs) über den mittleren Breiten begünstigt.\nc) Analysieren Sie in einem semiariden mediterranen Einzugsgebiet die Rückkopplung zwischen Boden und Atmosphäre: Sagen Sie voraus, was mit der Aufteilung zwischen fühlbarer und latenter Wärme geschieht, wenn der Boden im Frühjahr seine Feuchtigkeit aufbraucht, und begründen Sie, wie dieses Phänomen die sommerlichen Temperaturextreme verstärkt.

Ein Skigebiet in $1800\ \text{m}$ Höhe in den Pyrenäen hat in den letzten drei Jahrzehnten seine durchschnittliche Naturschneesaison von 120 auf 75 Tage verkürzt gesehen. Um die wirtschaftliche Tätigkeit aufrechtzuerhalten, plant das Betreiberunternehmen den Bau eines Speicherbeckens von $200\,000\ \text{m}^3$ Wasser und die Installation von Schneekanonen, um $80\ \%$ des befahrbaren Skigebiets abzudecken.\na) Begründen Sie, warum diese technische Lösung als Beispiel für „Fehlanpassung“ gelten kann, indem Sie ihre Energiebilanz, ihren CO₂-Fußabdruck und die Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit der Fließgewässer-Ökosysteme flussabwärts analysieren.\nb) Wenn die $0\ \text{°C}$-Isotherme im Winter in den kommenden Jahrzehnten um zusätzliche $150\ \text{m}$ ansteigt, bewerten Sie die thermodynamischen Grenzen der technischen Schneeerzeugung (Feuchtkugeltemperatur) und sagen Sie die Tragfähigkeit des Skigebiets mittelfristig voraus.\nc) Entwerfen Sie einen alternativen Vorschlag zur sozioökonomischen und ökologischen Anpassung für das Tal, der die Monokultur des Schnees ersetzt, und begründen Sie, wie er die Beschäftigung diversifiziert und die alpine Biodiversität schützt.

Um mit einer Wahrscheinlichkeit von $50\ \%$ die Erwärmung auf $1{,}5\ \text{°C}$ zu begrenzen, wird das weltweit verbleibende Kohlenstoffbudget auf etwa $250\ \text{Gt}$ von $\text{CO}_2$ geschätzt. Derzeit stößt die Menschheit jährlich etwa $40\ \text{Gt}$ aus.\na) Zeigen Sie rechnerisch, dass die verfügbare Zeit bis zur Neutralität, ohne das Budget von $250\ \text{Gt}$ aufzubrauchen, nur $12{,}5$ Jahre betrüge, wenn die weltweiten Emissionen ab heute linear bis auf Netto-Null gesenkt würden (gegenüber $6{,}25$ Jahren bei konstanten Emissionen). Leiten Sie die Bedeutung dieser zeitlichen Differenz für die sofortige Klimaschutzpolitik ab.\nb) Erklären Sie, warum die kumulierte Erwärmung von den historisch kumulierten Emissionen und nicht vom jährlichen Emissionsstrom abhängt, und leiten Sie ab, warum die Stabilisierung der Emissionen auf einem konstanten Wert den Temperaturanstieg nicht bremst.\nc) Viele Klimaschutzszenarien sehen ein „Überschreiten“ (Overshoot) vor und gehen davon aus, dass wir das Budget überschreiten und den Planeten anschließend mit Technologien zur Entnahme von $\text{CO}_2$ wieder abkühlen. Bewerten Sie kritisch zwei biophysikalische oder ökologische Risiken, die Klimastabilität auf diese Technologien zu stützen.

Analysieren Sie die folgenden Daten zweier Länder vor einem internationalen Klimagipfel:\n• Land A (Industrieland): Bevölkerung: 40 Millionen; historisch kumulierte Emissionen (1850–2020): $18\ \%$ des weltweiten Gesamtwerts; aktuelle Pro-Kopf-Emissionen: $12\ \text{t}$ von $\text{CO}_2$/Jahr; BIP pro Kopf: $42\,000\ \text{€}$.\n• Land B (kleiner Inselentwicklungsstaat): Bevölkerung: 1 Million; historisch kumulierte Emissionen: $<0{,}05\ \%$; aktuelle Pro-Kopf-Emissionen: $1{,}2\ \text{t}$ von $\text{CO}_2$/Jahr; BIP pro Kopf: $3\,000\ \text{€}$; sein Gebiet leidet unter der Versalzung der Grundwasserleiter und irreversibler Küstenerosion durch den Meeresspiegelanstieg.\na) Wenden Sie den Grundsatz der „gemeinsamen, aber unterschiedlichen Verantwortlichkeiten und jeweiligen Fähigkeiten“ an, um zu begründen, welche konkreten Finanzierungs- und Minderungspflichten Land A gegenüber dem Fonds für Verluste und Schäden zugunsten von Land B übernehmen muss.\nb) Land A schlägt vor, für 2035 eine identische Verringerung von $40\ \%$ der Emissionen aller Länder gegenüber ihrem aktuellen Niveau festzulegen. Bewerten Sie anhand von Kriterien der Klimagerechtigkeit und der sozioökonomischen Entwicklung die asymmetrischen Auswirkungen dieses Vorschlags auf Land B.\nc) Entwerfen Sie ein gerechtes Kriterium zur Verteilung der Minderungslasten, das die historisch kumulierten Emissionen, die Pro-Kopf-Emissionen und den Index der menschlichen Entwicklung gewichtet, und begründen Sie, warum Gerechtigkeit eine unverzichtbare Voraussetzung für die Wirksamkeit von Klimaabkommen ist.