hochkant=1.3|mini|Rekonstruktion der Temperaturänderungen der letzten 2000 Jahre (Daten geglättet) mini|thumbtime=44|hochkant=1.4|Temperaturkurve der Erde in den vergangenen 500 Millionen Jahren (vereinfachte Rekonstruktion).ZDF/Terra X/Gruppe 5/Luise Wagner, Jonas Sichert, Andreas Hougardy – Nov. 2019 (Beschreibung der Mediendatei auf Commons). Zugrundeliegendes Klimamodell und Emissionsszenario ist unbekannt. Für eine genauere Darstellung inklusive verwendeter Methoden siehe hier.

Klimawandel, auch Klimaveränderung, Klimaänderung oder Klimawechsel, ist eine weltweit auftretende Veränderung des Klimas auf der Erde oder erdähnlichen Planeten oder Monden, die eine Atmosphäre besitzen. Die mit einem Klimawandel verbundene Abkühlung oder Erwärmung kann über unterschiedlich lange Zeiträume erfolgen. Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal besteht dabei zwischen jenen Witterungsverläufen, die im Rahmen eines Klimazustands beziehungsweise einer Klimazone erfolgen, und dem Klimawandel selbst, der die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten bestimmter Wetterlagen erhöht oder vermindert.

Die gegenwärtige, vor allem durch den Menschen verursachte (anthropogene) globale Erwärmung ist ein Beispiel für einen sehr rasch verlaufenden, aber noch nicht abgeschlossenen Klimawandel. Hierfür wird in der öffentlichen Diskussion oftmals der Begriff Klimawandel als Synonym genutzt (dann aber als „Der Klimawandel“). Die durch den aktuellen Klimawandel hervorgerufene oder prognostizierte ökologische und soziale Krise wird auch als „Klimakrise“ oder „Klimakatastrophe“ bezeichnet.

Ein Klimawandel auf globaler Ebene beruht im Wesentlichen auf einer Veränderung des Strahlungsantriebs, der das Erdklimasystem aus einem stabilen thermisch-radiativen Gleichgewicht in ein neues Gleichgewicht überführt. Der Strahlungsantrieb resultiert aus den atmosphärischen Konzentrationen von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4) und Wasserdampf (H2O), aus der variierenden Sonneneinstrahlung aufgrund der Milanković-Zyklen sowie aus dem Rückstrahlvermögen (Albedo) der Erdoberfläche einschließlich der Ozeane. Der Klimazustand während der letzten Jahrmillionen war der eines Eiszeitalters und wurde überwiegend von den Milanković-Zyklen gesteuert, die die Sonneneinstrahlung über mehrere zehntausend Jahre signifikant veränderten und so den Anstoß für den Wechsel von Kalt- und Warmzeiten gaben. Unter Berücksichtigung der oben genannten Faktoren konnten elf dieser Warmzeiten (auch Interglaziale oder Zwischeneiszeiten) während der letzten 800.000 Jahre identifiziert und detailliert beschrieben werden.

Eine spezielle Form des Klima­wandels sind abrupte Klimawechsel. Sie wurden in der Erdgeschichte durch Eruptionen von Supervulkanen, großflächige Magmaausflüsse, stark erhöhte Treibhausgas-Emissionen, schnelle Veränderungen von Meeresströmungen oder durch kurzfristige Rückkopplungs­prozesse im Klimasystem ausgelöst, oft in Verbindung mit biologischen Krisen beziehungsweise Massenaussterben. Abrupte Klimawechsel können regional auftreten (wie die Dansgaard-Oeschger-Ereignisse im Nordatlantikraum während der letzten Kaltzeit) oder weltweite Auswirkungen haben, zum Beispiel infolge eines großen Impaktereignisses.

Der Begriff Klimaschwankung wird gelegentlich für Klimaänderungen verwendet, die nur wenige Jahrzehnte andauern oder zyklischer Natur mit variabler Periode sind und dabei nur selten einen weltweiten Einfluss ausübten. Zyklische Schwankungen werden auch als Klimafluktuationen bezeichnet, relativ rasche zyklische Wechsel auch als Klimaoszillation. Eine Epoche vergleichsweise kühlen Klimas wird in dem Zusammenhang manchmal Klimapessimum genannt, eine relativ warme Phase KlimaoptimumBrockhaus Enzyklopädie, Band 26, 1996. oder Wärmeoptimum. Optimum und Pessimum sind eine Konvention in der Klimasystematik und keine Wertung, können jedoch zu Fehlinterpretationen führen und werden deshalb in der neueren Fachliteratur durch den Begriff Klimaanomalie ersetzt. Die während des frühen Holozäns in Teilen der nördlichen Hemisphäre aufgetretene Misox-Schwankung (international 8.2 kiloyear event), wahrscheinlich verursacht von einem massiven Schmelzwasser-Eintrag in den Nordatlantik, war eine zeitlich scharf begrenzte, aber relativ ausgeprägte Klimaanomalie.

Die Erforschung des Klimawandels

Schon im 17. und 18. Jahrhundert wurde vereinzelt, wie zum Beispiel von dem Universalgelehrten Robert Hooke, die Idee eines veränderlichen Klimas vertreten, begründet vor allem durch Fossilfunde „tropischer“ Tiere und Pflanzen in gemäßigten Regionen Europas. Einen bedeutenden Fortschritt verzeichnete die beginnende Erforschung des Erdklimasystems durch die Arbeiten von Jean Baptiste Joseph Fourier (1768–1830), der im Jahr 1824 den atmosphärischen Treibhauseffekt erstmals in seinen Grundzügen beschrieb. John Tyndall (1820–1893) identifizierte am Beginn der 1860er-Jahre auf der Basis von labortechnischen Messungen eine Reihe klimawirksamer Gase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Ozon und bestimmte darüber hinaus im Rahmen der damaligen Möglichkeiten ihr jeweiliges Treibhauspotential. Fast zur selben Zeit veröffentlichte der schottische Naturforscher James Croll (1821–1890) unter Einbeziehung der Eis-Albedo-Rückkopplung die erste fundierte Theorie zur Entstehung der Quartären Kaltzeitzyklen. Crolls Theorie wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts von Milutin Milanković und Wladimir Köppen mittels umfangreicher Berechnungen erheblich erweitert und avancierte unter der Bezeichnung Milanković-Zyklen ab etwa 1980 zu einem unverzichtbaren Bestandteil von Quartärforschung und Paläoklimatologie.

Mögliche Auswirkungen eines menschengemachten (anthropogenen) Klimawandels wurden von dem schwedischen Physiker und Chemiker Svante Arrhenius (1859–1927) im Jahr 1896 zur Diskussion gestellt,Daniel Roßberg: Was man schon 1896 wusste / Wie der Treibhaus-Effekt Konsens wurde In: Frankfurter Rundschau vom 24. April 2026, Seite 9 der neben einer ersten Abschätzung der Klimasensitivität bereits 1906 prognostizierte, dass die industrielle Freisetzung von Kohlenstoffdioxid zwangsläufig zu einem Temperaturanstieg führen müsse. Allerdings ging er davon aus, dass unter Beibehaltung der damaligen CO2-Emissionen eine globale Erwärmung erst in Jahrhunderten nachweisbar sein würde. Direkte Belege für die Annahme einer stetig steigenden CO2-Konzentration und einer damit verbundenen Erwärmung konnte ab 1958 der US-amerikanische Forscher Charles David Keeling (1928–2005) vorweisen. Die nach ihm benannte Keeling-Kurve, basierend auf kontinuierlichen Messungen durch ein inzwischen weltweites Stationsnetz (in den letzten Jahrzehnten auch unter Einsatz von Erdsatelliten), nimmt in der Klimatologie einen besonderen Stellenwert ein und gilt als wichtigster Umweltdatensatz des 20. Jahrhunderts.NASA Earth Observatory: Image of the day: The keeling curve (wird nicht mehr aktualisiert)

Paläoklimatischer Überblick

Entwicklung der Erdatmosphäre

Die Erde entstand vor 4,57 Milliarden Jahren aus mehreren Protoplaneten unterschiedlicher Größe. Ihre heutige Masse soll sie der Kollisionstheorie zufolge durch einen seitlichen Zusammenstoß mit einem marsgroßen Himmelskörper namens Theia vor 4,52 Milliarden Jahren erhalten haben. Dadurch wurden Teile des Erdmantels und zahlreiche Trümmerstücke von Theia in den damals noch sehr niedrigen Orbit geschleudert, aus denen sich innerhalb von 10.000 Jahren der zu Beginn glutflüssige Mond formte.Robin M. Canup: Simulations of a late lunar-forming impact (PDF; 2,0 MB), Icarus, Vol. 168, 2004, S. 433–456. Über dieses früheste und chaotisch geprägte Stadium der Erdgeschichte, das Hadaikum und das älteste Archaikum, sind mangels valider Daten keine gesicherten Aussagen möglich. Erst ab der Zeit vor 4,0 bis 3,8 Milliarden Jahren, nach der Entstehung der Ozeane und erster Lebensformen, existieren fossile Spuren und Proxys (Klimaanzeiger), die Rückschlüsse auf die Umweltbedingungen erlauben. Auf Basis dieser Hinweise wird angenommen, dass über weite Teile des Archaikums trotz der zu dieser Zeit deutlich verminderten Strahlungsleistung der Sonne ein warmes oder zumindest mild-gemäßigtes Klima herrschte.

mini|hochkant=1.2|Der Vulkanismus war ein wichtiger Faktor der frühen Atmosphärenentwicklung. Die Erde besaß bei ihrer Entstehung wahrscheinlich eine Uratmosphäre mit den Hauptbestandteilen Wasserstoff und Helium. Dieses Gasgemisch existierte nur relativ kurze Zeit, da sich durch die thermischen Auswirkungen einer möglichen Impaktserie sowie durch den Einfluss des Sonnenwindes und des solaren Magnetfelds leichte Elemente rasch verflüchtigten. Die erste Atmosphäre der Erde entstand vor mehr als vier Milliarden Jahren und war im Wesentlichen die Folge eines extrem starken Vulkanismus mit intensiven Ausgasungen von Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Schwefeldioxid. Da auf der erhitzten Erdoberfläche Niederschläge sofort verdampften, dominierte Wasserdampf mit einem Anteil von etwa 80 Prozent die sehr dichte und heiße Lufthülle. Danach folgten Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff mit Anteilen von etwa 10 beziehungsweise 6 Prozent.

Gegen Ende des Hadaikums, vor rund 4 Milliarden Jahren, bildeten sich die ersten ozeanischen Becken. Mit der Ausbreitung des Lebens im Laufe des Eoarchaikums nahmen Einzeller wie die Archaeen erstmals direkten Einfluss auf die atmosphärische Zusammensetzung, indem sie mit ihren Stoffwechselprodukten den Methangehalt allmählich erhöhten. Gleichzeitig wurde Kohlenstoffdioxid der Atmosphäre entzogen und im Meerwasser gelöst, wodurch es zur Ausfällung und umfangreichen Ablagerung von Carbonaten kam. Der reaktionsträge (inerte) Stickstoff war an diesen Prozessen nicht beteiligt, seine Konzentration nahm daher ständig zu, bis er vor 3,4 Milliarden Jahren, als die Entwicklung der zweiten Atmosphäre ihren Abschluss fand, zu deren Hauptbestandteil wurde.

Die Bildung der dritten Atmosphäre war eng mit dem Auftreten von freiem Sauerstoff verknüpft. Mit großer Wahrscheinlichkeit existierten bereits vor mehr als drei Milliarden Jahren Cyanobakterien, die die oxygen-phototrophe Photosynthese nutzten. Der dabei freigesetzte Sauerstoff wurde bei der Oxidation verschiedener im Wasser gelöster Eisenverbindungen und Sulfide verbraucht. Nach Abschluss dieses lange währenden Oxidationsvorgangs diffundierten größere Sauerstoffmengen erstmals in die Atmosphäre. Dort lösten sie vor 2,4 Milliarden Jahren aufgrund ihrer oxidativen Wirkung einen Zusammenbruch der Methankonzentration aus. Diese als Große Sauerstoffkatastrophe bezeichnete Zäsur führte in den Ozeanen zum Massenaussterben fast aller anaeroben Lebensformen und anschließend zu einem gravierenden Klimawandel. Es gilt als sehr wahrscheinlich, dass die 300 Millionen Jahre dauernde Paläoproterozoische Vereisung (auch Huronische Eiszeit genannt) die unmittelbare Folge aus Methanverknappung und Sauerstoffzunahme war.

Im späten Proterozoikum kam es vor etwa 717 und 635 Millionen Jahren mit der Sturtischen Eiszeit und der Marinoischen Eiszeit zu weiteren ausgedehnten Glazialphasen. Es wird angenommen, dass während dieser Kaltzeiten eine Serie von Schneeball-Erde-Ereignissen auftrat, mit einer fast vollständigen Vereisung der Landmassen und Ozeane über eine Dauer von jeweils mehreren Millionen Jahren. Dieser Wechsel von längeren Warm- zu kürzeren Kaltzeiten setzte sich im weiteren Verlauf der Erd- und Klimageschichte bis in die geologische Gegenwart fort.