mini|Klimasensitivität und atmosphärisches Kohlendioxid. Hansen et al. 2013(a) CO2-Gehalt für eine bestimmte Temperatur, wenn schnelle Rückkopplungseffekte und Klimasensitivität 0,75 °C pro W m−2 und Nicht-CO2-Treibhausgase 25 % des Strahlungsantriebs ausmachen.(b) Wie in (a), aber mit einer Auflösung von 0,5 Myr und mit drei verschiedenen Möglichkeiten; der CO2-Gehalt müsste in Spitzen 5000 ppm überschreiten, wenn die Sensitivität bei 0,5 °C läge. Die horizontale Linie markiert die CO2-Konzentration des frühen bis mittleren Holozäns in Höhe von 260 ppm Die Klimasensitivität () ist definiert als der Quotient aus der Temperaturerhöhung der Erdoberfläche und der als zusätzliche Bestrahlungsstärke ausgedrückten Wirkung erhöhter Treibhausgaskonzentrationen. Generell wird durch das IPCC unterschieden zwischen Gleichgewichtsklimasensitivität (Equilibrium climate sensitivity – ECS) und transienter Klimaantwort (Transient climate response – TCR). Man kann sie in Kelvin pro Watt je Quadratmeter (K/(W/m²) = K·m²/W) angeben. Geläufiger ist jedoch die Angabe der Klimaerwärmung bei Verdoppelung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre.Stefan Rahmstorf, Hans Joachim Schellnhuber: Der Klimawandel. 6. Auflage. C.H. Beck, 2007, S. 42 ff. Das heißt, dass die Durchschnittstemperatur der Erde um diesen Betrag ansteigt, wenn sich die CO2-Konzentration von den vorindustriellen 280 ppm auf dann 560 ppm erhöht.
Die genaue Kenntnis der Klimasensitivität ist für die Voraussage der künftigen Entwicklung des Klimas von elementarer Bedeutung, da mit ihrer Hilfe die aus einer bestimmten Treibhausgaskonzentration resultierende Erwärmung errechnet werden kann. Der Wert der Klimasensitivität hängt vom Ausgangs-Klimazustand ab und kann theoretisch genau anhand von Klimaproxies bestimmt werden.
Neben Kohlenstoffdioxid tragen auch noch weitere Gase zum Treibhauseffekt bei, so dass auch für diese jeweils eigene Klimasensitivitäten ermittelt werden können. Der Einfachheit halber wird deren Beitrag meist mittels der sogenannten CO2-Äquivalente berechnet.
Hintergrund Bei ausschließlicher Betrachtung der im Labor messbaren Strahlungswirkung von CO2 ergibt sich bei einer Verdoppelung der Konzentration eine Klimasensitivität von 1,2 °C.John Farley: The Scientific Case for Modern Anthropogenic Global Warming Online bei monthlyreview.org Zur Klimasensitivität trägt jedoch auch die Summe aller Rückkopplungen im Erdklimasystem bei, wie z. B. die Reaktion der Meeresspiegel (Rückkopplungen in der Kryosphäre) in Abhängigkeit vom planetarischen Energiegleichgewicht. Dabei wird zwischen schnellen und langsamen Rückkopplungen unterschieden. Wasserdampf-, Eis-Albedo- und Aerosolrückkopplung sowie Wolken gelten als schnelle Rückkopplungseffekte. Die Eisschilde, Änderungen der Vegetation und der Konzentration des Treibhausgases CO2 gelten als langsame Rückkopplungseffekte. Die Reaktion von Eisschilden und CO2 in der Luft verstärken die Klimasensitivität um eine Größe, die vom Betrachtungszeitraum abhängt. Dabei überschätzen heutige Klimamodelle die Hysterese der Eisschilde. Das bedeutet, dass die Reaktion der Eisschilde auf eine Klimaveränderung nicht so stark davon abhängt, ob sich die Erde im Zustand einer Erwärmung oder einer Abkühlung befindet, als gemeinhin angenommen wird.
Die Klimasensitivität ist ein dynamischer Faktor, der vom jeweiligen Klimazustand abhängt. Modelle und die Erdgeschichte zeigen, dass sich die Klimasensitivität mit der Zunahme des Strahlungsantriebs, das heißt mit steigender Globaltemperatur, ebenfalls erhöht. So wird beispielsweise für die starke Erwärmungsphase des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximums vor 55,5 Millionen Jahren angenommen, dass die Erdsystem-Klimasensitivität in dieser Zeit (unter Einbeziehung aller kurz- und langfristig wirksamen Rückkopplungsfaktoren) im Bereich von 3,7 bis 6,5 °C lag. Ähnlich hohe Werte (bis 6 °C) werden auch für den größten Teil des übrigen Känozoikums veranschlagt.
ECS und TCR Aufgrund der thermischen Trägheit der Weltmeere reagiert das globale Klimasystem grundsätzlich nur langsam auf Veränderungen des Strahlungsantriebs. Man unterscheidet daher zwischen der Equilibrium Climate Sensitivity (ECS) und der Transient Climate Response (TCR). Die ECS beschreibt den Temperaturanstieg, der zu beobachten ist, nachdem das Klimasystem nach einer Veränderung des Strahlungsantriebs den neuen Gleichgewichtszustand erreicht hat, wofür Jahrtausende nötig sind.
Um den Einfluss des Menschen auf das Klima zu quantifizieren, ist die Transient Climate Response besser geeignet. Diese ist definiert als der Temperaturanstieg, der zum Zeitpunkt einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in einem Szenario beobachtet wird, bei dem diese pro Jahr um 1 % anwächst. Laut dem IPCC AR 6 aus dem Jahr 2021 liegt der wahrscheinlichste Wert für die TCR bei 1,8 Grad, d. h. dass es nach 70 Jahren wahrscheinlich zu einer Erwärmung um 1,8 °C kommen wird.
Bandbreite der Forschungsergebnisse (ECS) Seit Entdeckung der wärmenden Wirkung von Kohlendioxid wurden viele unterschiedliche Werte für die Klimasensitivität publiziert.
Svante Arrhenius ging im Jahr 1896 von einer Klimasensitivität von 5,5 °C aus. Guy Stewart Callendar kam 1938 auf 2 °C.David Archer, Stefan Rahmstorf: The Climate Crisis: An Introductory Guide to Climate Change. Cambridge University Press, 2010, S. 8. Das Spektrum der publizierten Werte reicht von 0,1 °C (Sellers, 1973) bis 9,6 °C (Fritz Möller, 1963). Die National Academy of Sciences warnte als weltweit erste große Wissenschaftsorganisation vor einer globalen Erwärmung und gab im Jahr 1979 im Charney Report die Klimasensitivität mit 3 °C (±1,5 °C) an, was auch heute noch als Standard gilt.Charney Report 1979 Eine Studie aus dem Jahr 2006 kam anhand von kombinierten Einschätzungen auf Basis des Satzes von Bayes mit einer 95%igen Wahrscheinlichkeit auf einen Wertebereich für die Klimasensitivität, der zwischen 1,5 °C und 4,5 °C liegt.
Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) gab in seinem 2007 erschienenen Vierten Sachstandsbericht Werte zwischen 2 und 4,5 °C als „wahrscheinlich“ an. Der beste mittlere Schätzwert liege bei 3 °C, und eine Sensitivität von unter 1,5 °C sei „sehr unwahrscheinlich“.Intergovernmental Panel on Climate Change (2007): IPCC Fourth Assessment Report – Working Group I Report on "The Physical Science Basis"(Online) Im fünften Sachstandsbericht, der im Jahr 2013 erschien, wurde diese wahrscheinliche Bandbreite auf einen Bereich zwischen 1,5 °C und 4,5 °C geändert. Diese Angabe ist identisch mit der des dritten Sachstandsberichts von 2001. Im sechsten Sachstandsbericht zu den naturwissenschaftlichen Grundlagen vom August 2021 wird der beste Schätzwert von 3 °C bestätigt, mit einer engeren wahrscheinlichen Bandbreite von 2,5 °C bis 4 °C.
Bestimmung der Klimasensitivität Je nach Bestimmungsmethode ergibt sich ein unterschiedlicher Wert für die Klimasensitivität. Im Jahr 2005 konnte gemessen werden, dass die Erde 0,85 W/m² mehr Energie aufnimmt, als sie ins All abstrahlt.J. Hansen et al.: Earths energy imbalance: Confirmation and implications. Science 308, 2005, S. 1431–1435 (abstract online)Kevin E. Trenberth, John T. Fasullo, Jeffrey Kiehl: Earth's global energy budget, IN: Bulletin of the American Meteorological Society doi:10.1175/2008BAMS2634.1 online (PDF 900 kByte) In einer über 8 Jahre laufenden Messreihe konnte ein Anstieg der langwelligen atmosphärischen Gegenstrahlung durch den anthropogenen Treibhauseffekt messtechnisch belegt werden.R. Philipona, B. Dürr, C. Marty, A. Ohmura, M. Wild (2004): Radiative forcing – measured at Earth's surface – corroborate the increasing greenhouse effect. In: Geophysical Research Letters, Vol. 31, 6. Februar, online Der weitaus größte Teil des gemessenen zusätzlichen Strahlungsantriebs war erwartungsgemäß auf die positive Rückkopplung durch Wolken und Wasserdampf zurückzuführen. Zur Berechnung der Klimasensitivität sind derlei Messungen jedoch nicht geeignet, da hierbei viele der im Klimasystem wirkenden Rückkopplungen unberücksichtigt bleiben. Durch unterschiedliche Verfahren wird versucht, Unsicherheiten bei der Bestimmung der Klimasensitivität zu verringern:
Paläoklimatologische Methoden mini|hochkant=1.5|Mit steigender Temperatur steigt auch der maximal in der Atmosphäre enthaltene Gehalt an Wasserdampf an. Diese Wasserdampfrückkopplung ist mit die stärkste positive Rückkopplung im globalen Klimasystem. In mehreren paläoklimatologischen Studien wurde versucht, die Klimasensitivität der letzten mehreren Millionen Jahre zu bestimmen. Eine 2007 in der Zeitschrift Nature erschienene paläoklimatologische Studie untersucht die Klimasensitivität über die letzten 420 Millionen Jahre. Die globale Durchschnittstemperatur und die Konzentration der Treibhausgase waren in diesem sehr großen Zeitraum starken Schwankungen unterworfen und die Strahlungsleistung der Sonne stieg in dieser Zeit um etwa 4 % an, was eine gute Voraussetzung für eine darauf basierende Abschätzung der Klimasensitivität mit geringer Fehlerbreite ist. Leider reichen die Klimaarchive der Eisbohrkerne kaum weiter als eine Million Jahre in die Vergangenheit, und die Anordnung der Landmassen war während dieser Zeit tiefgreifenden Änderungen unterworfen, so dass über viele klimabestimmende Parameter große Unsicherheit herrscht. Somit ergibt sich aus diesen Untersuchungen eine vergleichsweise große Unsicherheit, die 1,5 °C als unteren und 6,2 °C als oberen Grenzwert sowie 2,8 °C als beste Schätzung bringt.
In einer im Jahr 2012 erschienenen Arbeit wurden die Ergebnisse mehrerer Studien zusammenfassend ausgewertet, die die letzten 65 Millionen Jahre im Fokus hatten. Diese lieferten mit einer 95%igen Wahrscheinlichkeit einen Wert für die Klimasensitivität, der im Bereich zwischen 2,2 °C und 4,8 °C liegt.
Nach einer paläoklimatologischen Analyse der letzten 784.000 Jahre mit acht kompletten Zyklen von Kalt- und Warmphasen innerhalb des Quartären Eiszeitalters kommen die Autoren einer 2016 publizierten Studie zu dem Ergebnis, dass die Klimasensitivität in hohem Maße temperaturabhängig ist. Demnach liegt die Klimasensitivität während einer Kaltzeit wie dem Würm- beziehungsweise Weichsel-Glazial bei rund 2 °C und erhöht sich unter Warmzeitbedingungen wie dem Holozän um etwa das Doppelte (von 1,78 K auf 4,88 K). In einer Arbeit von James E. Hansen et al. vom November 2023 wird sogar von einer noch höheren Klimasensitivität ausgegangen. Das Zwei-Grad-Ziel würde unter den aktuellen geopolitischen Rahmenbedingungen demnach noch vor dem Jahr 2050 überschritten.
Regressionsanalysen Bei guter Kenntnis aller klimabestimmenden Faktoren kann man versuchen, die Klimasensitivität mit Hilfe einer Regressionsanalyse zu isolieren. Hierzu werden die Eiszeitzyklen der vergangenen Jahrhunderttausende untersucht. In dieser Zeit schwankten die CO2-Konzentration und die Temperaturen stark, während sich andere klimatologisch wirksame Parameter nicht stark von der heutigen Situation unterschieden. Eisbohrkerne, die seit den 1990er Jahren an verschiedenen Orten auf der Erde gewonnen wurden, geben Aufschluss über die vorherrschenden Konzentrationen an Treibhausgasen, Aerosolen und Niederschlagsmengen sowie die Temperaturverläufe der letzten ca. 1 Million Jahre.
Klimamodelle