Klimaschutz und 1,5 °C Leitplanke?. Erich Majer

ppm+1,4 KMethanCH41,65 ppm+0,8 KZusammen­fassend+33 K

      Die Atmosphäre hat viele lebenswichtige Funktionen, indem sie u. a. …

      1 die Lebewesen vor schädlicher bzw. tödlicher Strahlung aus dem Weltraum schützt (Filter für UV- und Röntgenstrahlung der Sonne),

      2 lebensnotwendiges Sonnenlicht zu Oberflächen der Kontinente und Ozeane durch lässt (Energiequelle),

      3 vor schneller Auskühlung und Überhitzung schützt (z. B. Wärmeausgleich zwischen Tag und Nacht),

      4 Energie (fühlbare Wärme der Luft und latente Wärme des Wasserdampfs) aus Bereichen in Äquatornähe zu mittleren und höheren Breiten transportiert,

      5 Wasserdampf-Feuchtigkeit durch die dynamischen Prozesse der allgemeinen Zirkulation transportiert und verteilt, wodurch die Niederschlagsverteilung bestimmt wird,

      6 den Hauptspeicher für Stickstoff bildet,

      7 ein Reservoir für Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff darstellt,

      8 einbezogen ist in verschiedene lebensnotwendige Stoffkreisläufe,

      9 natürliche und anthropogene Emissionen verteilt, die in der Atmosphäre durch Oxidation, Reaktionen mit Radikalen und Photolyse umgesetzt und abgebaut werden,

      10 vor kleineren Meteoriten schützt, die wegen der großen Reibung beim Eintritt in die Atmosphäre verglühen und so die Erdoberfläche nicht erreichen.

1.5 Die Atmosphäre, ein chaotisches System

      Die Einzelheiten der folgenden Darlegungen sind mehr für Leser gedacht, die ein besonderes Interesse an Mathematik und Physik haben. Ansonsten genügt für das weitere Verständnis unserer Betrachtungen das Ergebnis der Ausführungen.

Anders als der Begriff Chaos in der Umgangssprache charakterisiert die Chaostheorie nicht den Zustand eines Systems, wie z. B. den Grad seiner Unordnung, sondern sein zeitliches Verhalten, das heißt seine Dynamik. Chaotisches Verhalten eines Systems liegt vor, wenn selbst geringste Änderungen der Anfangsbedingungen nach einer gewissen Zeit zu einem völlig anderen Verhalten führen. (7) Man spricht in diesem Zusammenhang von sensibler Abhängigkeit von den Anfangswerten. Die Antwort auf die Frage, ob das weitere Verhalten des Systems vorhersagbar, also determiniert3 oder indeterminiert ist, hängt also vom Inhalt der Voraussetzungen ab, unter denen man an die Betrachtung herantritt. Es kann daher sein, dass ein Prozess als determiniert oder als nicht determiniert erscheint, je nachdem wie man die Voraussetzungen festlegt. Klassische mechanische Systeme, wie z. B. die Bewegung der Planeten, sind durch die Festlegung der Voraussetzungen deterministisch, also prognostizierbar. Die wichtigste Aufgabe und zugleich Prüfstein jeder Naturwissenschaft.

      Da bei chaotischen Systemen beliebig kleine Differenzen in den Anfangsbedingungen mit der Zeit exponentiell anwachsen, übersteigen die Anforderungen an die Präzision der Kenntnis der Anfangsbedingungen für eine Prognose des Systemverhaltens rasch die Möglichkeiten praktischer Messgenauigkeit um astronomische Faktoren. Das Wetter ist das bekannteste Beispiel für ein chaotisches Systemverhalten. Da es dafür kein die ganze Zukunft umfassendes Gesetz gibt, ist eine langfristige Vorhersage unmöglich. Dieses Phänomen ist in der Öffentlichkeit unter dem Schlagwort Schmetterlingseffekt bekannt geworden. Eine winzige Störung an einem Ort kann eine große Störung an einem anderen Ort bewirken. Überspitzt formuliert kann der Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien Regen verursachen, der in London fällt. Wie Hawking in seinem Buch „Das Universum in der Nussschale“ schreibt, „ist das Ärgerliche daran, dass sich diese Ereignisfolge nicht wiederholen lässt“ (8). Die Ereignisse lassen sich nicht aufbewahren und können, da sie stets aufeinander folgen, nicht verglichen werden. Wenn der Schmetterling das nächste Mal mit seinen Flügeln schlägt, wird sich eine Reihe von Faktoren verändert haben, die das Wetter ebenfalls beeinflussen. Jeder Einfluss, egal wie geringfügig er ist, reicht aus, das System aus der Balance zu bringen. Die Voraussetzungen für ein chaotisches Verhalten eines Systems sind also die Nichtlinearität seiner Dynamik und eine sensible Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen. Beide Bedingungen treffen auf das Wetter zu, weshalb es langfristig nicht mehr deterministisch ist und somit in seinem Verhalten auch nicht mehr prognostizierbar.

1.6 Entdeckung der Atmosphäre als chaotisches System

      Die Entdeckung der Atmosphäre als chaotisches System geht auf den Meteorologen Edward Lorenz zurück (am 15. 04. 2008 90-jährig an Krebs gestorben). Hierzu ein Zitat aus (9):

      „The first true experimenter in chaos was a meteorologist, named Edward Lorenz. In 1960, he was working on the problem of weather prediction. He had a computer set up, with a set of twelve equations to model the weather. It didn’t predict the weather itself; however this computer program did theoretically predict what the weather might be. One day in 1961, he wanted to see a particular sequence again. To save time, he started in the middle of the sequence, instead of the beginning. He entered the number of his printout and left to let it run. When he came back an hour later, the sequence had evolved differently. Instead of the same pattern as before, it diverged from this pattern, ending up wildly different from the original. Eventually he figured out what happened. The computer stored the numbers to six decimal places in its memory. To save paper, he only had it print out three decimal places. In the original sequence, the number was 506127, and he had only typed the first three digits, 506. By all conventional ideas of the time, it should have worked. He should have gotten a sequence very close to the original sequence. A scientist considers himself lucky if he can get measurements with accuracy to three decimal places. Surely the fourth and fifth, impossible to measure using reasonable methods, can’t have a huge effect on the outcome of the experiment. Lorenz proved this idea wrong. This phenomenon, common to chaos theory, is also known as sensitive (i.S. von sensibel) dependence on initial conditions. Just a small change in the initial conditions can drastically change the long-term behaviour of a system. Such a small amount of difference in a measurement might be considered experimental noise, background noise, or an inaccuracy of the equipment. Such things are impossible to avoid in even the most isolated lab. With a starting number of 2, the final result can be entirely different from the same system with a starting value of 2.000001. It is simply impossible to achieve this level of accuracy – just try and measure something to the nearest millionth of an inch! From this idea, Lorenz stated that it is impossible to predict the weather accurately. However, this discovery led Lorenz on to other aspects of what eventually came to be known as chaos theory.“

      1 Trägheitskräfte bzw. Scheinkräfte: In rotierenden Bezugssystemen treten Scheinkräfte auf, die von der Beschleunigung des Bezugssystems abhängen. Sie haben ihre Ursache in der Trägheit von Massen und haben die Dimension einer physikalischen Kraft. Für beschleunigte Systeme gelten allerdings die Gesetze von Newton nicht mehr uneingeschränkt. So besagt das 3. Gesetz, dass zu jeder Kraft an einem Körper eine Gegenkraft an einem anderen Körper existieren muss. Actio = Reactio! Für Scheinkräfte ist dies nicht erfüllt. Es handelt sich eben nicht um eine Kraft im eigentlichen Sinne, sondern nur um einen Effekt, der durch ein rotierendes Koordinatensystem zustande kommt. Beispiele für Scheinkräfte sind die Coriolis-Kraft und die Zentrifugalkraft.

      2 Genau: Kohlenstoffdioxid (umgangssprachlich oft ungenau Kohlensäure genannt).

      3 Determinismus bezeichnet die Auffassung, dass zukünftige Ereignisse durch Vorbedingungen eindeutig festgelegt sind. Der Determinismus lehnt jeden Zufall vollständig ab.

      2 Klimawandel – Klimaentwicklung

      Zur Orientierung bei der Diskussion des Klimas vergangener Epochen der Erde dient die erdgeschichtliche Zeittafel in Abb. 5. Gemäß heutigem Wissen ist das Universum knapp 14 Milliarden Jahre alt. Eine Zeitspanne, die sich unserer beschränkten Vorstellungskraft entzieht. Anschaulich wird diese Zeitspanne, wenn man sie auf ein irdisches Jahr skaliert. Dann erfolgt der „Urknall“ am 1. Januar. Unser