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Forschungsgeschichte des Klimawandels
Die Forschungsgeschichte des Klimawandels beschreibt die Entdeckung und Untersuchung von Klimawandel-Ereignissen im Rahmen geologischer und historischer …
Inhalt6 Abschnitte
Grundlagen und frühe Klimaforschung
Die Forschungsgeschichte des Klimawandels beschreibt, wie Wissenschaftler natürliche Klimawechsel der Erdgeschichte und die seit dem 20. Jahrhundert beobachtete globale Erwärmung untersucht haben. Wichtig ist sie, weil sie zeigt, wie aus einzelnen Beobachtungen zu Eiszeiten, Wärmestrahlung und Treibhausgasen ein wissenschaftlicher Konsens entstand: Treibhausgase spielen beim Klimawandel eine große Rolle, und die vom Menschen verursachten Emissionen sind für die laufende globale Erwärmung hauptverantwortlich.
Die systematische Erforschung begann in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts mit der Rekonstruktion von Eiszeit-Zyklen in der Paläoklimatologie, also der Forschung zum Klima früherer Erdzeitalter, und in der Quartärforschung. Frühe Forscher wie Pierre Martel und Gottlieb Sigmund Gruner deuteten alte Gletscherstände als Hinweis auf ein früher kälteres Klima. Louis Agassiz, Johann von Charpentier, Karl Friedrich Schimper und Ignaz Venetz trugen ab etwa 1830 dazu bei, Eiszeiten und Gletscherdynamik besser zu verstehen. Spätestens um 1880 wurde die Eiszeittheorie allgemein akzeptiert.
Parallel entstanden die physikalischen Grundlagen. Jean Baptiste Fourier erklärte 1824 den atmosphärischen Treibhauseffekt: Die Atmosphäre lässt sichtbares Sonnenlicht gut durch, absorbiert aber einen Teil der vom erwärmten Boden abgegebenen Infrarotstrahlung. Eunice Newton Foote untersuchte 1856 die Erwärmung verschiedener Gase und erkannte, dass CO₂ und Wasserdampf eine besondere Wirkung haben. John Tyndall identifizierte 1862 Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Ozon als Treibhausgase; Wasserdampf ist für den größten Teil des natürlichen Treibhauseffekts verantwortlich, CO₂ und Ozon wirken schwächer, aber nicht vernachlässigbar.
Weitere wichtige Grundlagen waren Kirchhoffs Strahlungsgesetz von 1859, das Stefan-Boltzmann-Gesetz von 1879, Wiens Verschiebungsgesetz von 1893 und Plancks Strahlungsgesetz von 1900. James Croll verband 1864 Veränderungen der Erdumlaufbahn mit der Eis-Albedo-Rückkopplung: Helle Eisflächen reflektieren Sonnenlicht, verstärken dadurch Abkühlung und können Klimaschwankungen vergrößern. Svante Arrhenius berechnete 1896 als Erster ein vereinfachtes Klimamodell und nahm an, dass eine Halbierung der CO₂-Konzentration eine Eiszeit einleiten könne. Für eine Verdoppelung des CO₂-Gehalts ermittelte er eine Klimasensitivität von 5 bis 6 °C, erwartete die dafür nötige Anreicherung aber erst in etwa 3000 Jahren.
Ablehnung, Messungen und Wiederbelebung
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde Arrhenius’ Theorie überwiegend abgelehnt. Viele Annahmen waren vereinfacht, wichtige Prozesse wie Konvektion, Meeresströmungen, Wolkenbildung und genaue Treibhausgaskonzentrationen waren unklar. Knut Ångström veröffentlichte 1900 Messungen, nach denen eine Halbierung des CO₂-Gehalts die Infrarotabsorption nur um 0,4 % verändern würde. Später zeigte sich, dass Messung und Interpretation fehlerhaft waren: Für den Treibhauseffekt sind vor allem höhere, trockene Atmosphärenschichten wichtig, wo CO₂ trotz Überschneidungen mit Wasserdampf wirksam ist.
Guy Stewart Callendar wertete in den 1930er Jahren Temperaturdaten von 200 meteorologischen Stationen aus und fand für die letzten 50 Jahre eine globale jährliche Erwärmungsrate von 0,005 °C. Er schätzte, dass in den vergangenen 50 Jahren 150.000 Mio. Tonnen CO₂ ausgestoßen worden waren und etwa drei Viertel davon in der Atmosphäre verblieben. Für das Jahr 2100 erwartete er 396 ppm CO₂; dieser Wert wurde bereits 2013 erreicht. Hermann Flohn vertrat seit 1941 beziehungsweise 1953 in Deutschland die Auffassung, dass erhöhte anthropogene CO₂-Konzentrationen das globale Klima beeinflussen.
In der Mitte des 20. Jahrhunderts blieb die Theorie zunächst umstritten, weil genaue CO₂-Messungen fehlten und viele Forscher annahmen, die Ozeane würden zusätzliches CO₂ vollständig aufnehmen. Ab den 1950er Jahren änderte sich dies. Radiokohlenstoffdatierung und Isotopenmethoden machten Klimarekonstruktionen genauer. Roger Revelle und Hans E. Suess untersuchten den Austausch zwischen Atmosphäre und Ozeanen. Der Suess-Effekt zeigte, dass fossiles CO₂ in der Atmosphäre nachweisbar war. Bert Bolin und Erik Eriksson klärten, dass die Ozeane bei stetigem CO₂-Zustrom nur etwa 25 % aufnehmen würden; dieser Zusammenhang wurde später Revelle-Faktor genannt.
Charles David Keeling lieferte 1957/58 mit der Keeling-Kurve den ersten zweifelsfreien Beleg für den Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration. Gilbert Plass berechnete 1956 mit Computern und genauen Absorptionsspektren eine Erwärmung von 3,6 °C bei Verdoppelung der CO₂-Konzentration und erwartete bis 2000 etwa 1 °C Erwärmung bei 30 % höherem CO₂-Gehalt. Damit wurde eine messbare anthropogene Erwärmung nicht mehr erst in Jahrhunderten, sondern binnen Jahrzehnten erwartet.
Modelle, Satelliten und internationale Warnungen
In den 1960er und 1970er Jahren wurden Klimamodelle, Satellitenmessungen und paläoklimatische Daten entscheidend. Zunächst sanken die globalen Durchschnittstemperaturen seit den 1940er Jahren bis in die 1960er Jahre, obwohl die CO₂-Konzentration stieg. Als mögliche Ursache wurden Aerosole diskutiert, also kleine Schwebeteilchen in der Luft, die Sonnenlicht streuen oder Wolken beeinflussen und dadurch kühlend wirken können.
Fritz Möller berechnete ein eindimensionales Klimamodell, das Wasserdampf-Rückkopplung und Wärmeaustausch zwischen Boden und Atmosphäre enthielt, aber keine Konvektion. Syukuro Manabe und Richard Wetherald entwickelten 1967 ein realistischeres radiativ-konvektives Atmosphärenmodell. Es ergab 2,3 °C Erwärmung bei Verdoppelung der CO₂-Konzentration und sagte voraus, dass die Troposphäre wärmer, die Stratosphäre aber kälter wird. Dieser Effekt wurde später beobachtet.
Erdbeobachtungssatelliten wurden ab Mitte der 1960er Jahre für die Klimaforschung nutzbar. TIROS-Satelliten und Nimbus-III ermöglichten Messungen von Wärmehaushalt, Eisbedeckung und Sonneneinstrahlung aus dem All. Manabe konnte 1969 sein Modell mit Satellitendaten überprüfen. Michail Budyko berechnete Strahlungsbilanzen in arktischen Regionen und lieferte quantitative Angaben zur Eis-Albedo-Rückkopplung.
1979 war ein Schlüsseljahr: Die First World Climate Conference machte den Klimawandel international als ernstes Problem sichtbar. Der Charney-Report verglich Klimamodelle von Syukuro Manabe und James E. Hansen. Beide zeigten bei höherem CO₂-Gehalt eine deutliche Erwärmung; als wahrscheinlichster Wert für die Erwärmung bei Verdoppelung des CO₂-Gehalts wurde 3 °C genannt. In den 1970er Jahren bestätigte die „Pacemaker-Studie“ von Hays, Imbrie und Shackleton zudem die Bedeutung der Milanković-Zyklen, also regelmäßiger Änderungen der Erdbahnparameter, für Eiszeitzyklen. Gleichzeitig wurden Risiken wie kollabierende Eisschilde erkannt: Johannes Weertman beschrieb 1974 die Instabilität des westantarktischen Eisschilds, J. H. Mercer warnte 1978 vor einem möglichen Kollaps als Folge menschengemachten Klimawandels.
Konsensbildung seit den 1980er Jahren
In den 1980er und 1990er Jahren wuchs die Forschung stark, und viele ältere Annahmen wurden bestätigt. Eisbohrkerne zeigten, dass die CO₂-Konzentration zum Höhepunkt der letzten Eiszeit vor 20.000 Jahren nur halb so groß war wie in der Warmzeit des 20. Jahrhunderts. Damit wurde die Idee von Tyndall, Arrhenius und Chamberlin bestätigt, dass CO₂ für Eiszeiten wichtig war. Eisbohrkerne zeigten außerdem, dass Methan parallel zu Temperatur und CO₂ schwankte. Methan hat über 20 Jahre betrachtet eine 72-mal stärkere Treibhauswirkung als CO₂, bleibt aber im Mittel nur 12 Jahre in der Atmosphäre.
Veerabhadran Ramanathan machte auf weitere Treibhausgase aufmerksam. 1985 schrieb er, dass mindestens 30 Spurengase als Treibhausgase wirken und einige davon durch Menschen deutlich erhöht wurden. Nach der Entdeckung des Ozonlochs wurde 1987 im Montreal-Protokoll die Herstellung von FCKW verboten. 1988 gründeten UNEP und WMO den Weltklimarat IPCC, der den Forschungsstand zusammenfasst. Der erste IPCC-Bericht von 1990 stellte fest, dass es einen natürlichen Treibhauseffekt gibt und der Mensch Treibhausgase erhöht, sah aber noch wenige empirische Belege für menschengemachten Klimawandel. Der zweite Bericht von 1996 sagte, die Datenlage deute auf einen merklichen menschlichen Einfluss auf das Klima des 20. Jahrhunderts.
Der Wostok-Eisbohrkern aus der Ostantarktis rekonstruierte Ende der 1990er Jahre über 420.000 Jahre vier vollständige Eiszeitzyklen. Er zeigte den parallelen Anstieg und Abfall von Temperatur, CO₂ und Methan. Die Milanković-Zyklen lösten demnach geringe Änderungen der Strahlungsbilanz aus, die durch Treibhausgase, Eis-Albedo-Rückkopplung und Wasserdampf-Rückkopplung stark verstärkt wurden.
Klimamodelle verbesserten sich ebenfalls. Die kühlende Wirkung von Sulfataerosolen, etwa nach Vulkanausbrüchen, wurde einbezogen. Der Ausbruch des Pinatubo 1991 bestätigte Modellvorhersagen: Nach knapp 20 Millionen Tonnen Schwefeldioxid trat eine Abkühlung von etwa einem halben Grad auf, besonders in höheren nördlichen Breiten und über einige Jahre. In den späten 1990er Jahren wurde das Zwei-Grad-Ziel als Grenze für einen gerade noch akzeptablen Klimawandel formuliert. Es beruht auf der Annahme, dass bei mehr als 2 °C globaler Erwärmung Kipppunkte erreicht werden könnten, also Schwellen, nach denen Veränderungen kaum umkehrbar sind.
Beobachtungen und Kipprisiken im 21. Jahrhundert
Die 2000er Jahre waren das bis dahin wärmste Jahrzehnt seit Beginn systematischer Messungen; 2005 und 2010 waren die wärmsten Einzeljahre. Mehr als 90 % der durch Treibhausgase zusätzlich eingebrachten Wärme landen nicht in der Atmosphäre, sondern in den Weltmeeren. Das Argo-Projekt begann 2000 und misst mit automatischen Tauch- und Treibbojen Temperaturentwicklung und Wärmeinhalt der Ozeane. Im November 2002 wurde bereits das einmillionste Datenprofil übertragen; im Oktober 2025 waren etwa 4.130 Argo-Bojen im Einsatz.
Der dritte IPCC-Bericht von 2001 sprach von starken Hinweisen, dass der Mensch das Klima verändert. 2007 erklärte der vierte Bericht die Erwärmung des Klimas als eindeutig und nannte menschliche Treibhausgasemissionen mit über 90 % Wahrscheinlichkeit als Hauptursache. Das IPCC erhielt 2007 zusammen mit Al Gore den Friedensnobelpreis. Der fünfte Bericht von 2013 formulierte, es sei extrem wahrscheinlich, dass der Mensch der Hauptgrund für die beobachtete Erwärmung seit 1950 ist. Der sechste Sachstandsbericht von 2023 verengte die Gleichgewichtsklimasensitivität auf 2 bis 4 °C, mit bestem Schätzwert 3 °C. Zwischen 1850–1900 und 2011–2020 stieg die global gemittelte Oberflächentemperatur um 1,09 °C; die Geschwindigkeit des Meeresspiegelanstiegs hat sich seit 1970 verdreifacht.
Seit den 2000er Jahren wurden Kippelemente stärker erforscht, also Bestandteile des Erdsystems, die nach Überschreiten einer Schwelle in einen schwer oder nicht umkehrbaren Zustand wechseln können. Dazu zählen unter anderem der Grönländische Eisschild, der Amazonas-Regenwald und Teile der Antarktis. 2014 stellten mehrere unabhängige Studien fest, dass das Abschmelzen des westantarktischen Eisschilds höchstwahrscheinlich seinen Kipppunkt überschritten hat. Eine Eisfläche von der Größe Frankreichs könnte in 100 bis 300 Jahren zerfallen und den Meeresspiegel global um etwa einen Meter erhöhen. 2017 brach vom Larsen-C-Schelfeis ein Stück von etwa 5.800 km² ab, rund 12 % der Fläche.
Die Jahre 2014, 2015 und 2016 waren jeweils globale Rekordjahre; damit wurde die in den 1980er Jahren diskutierte 1-Grad-Grenze erreicht. Gleichzeitig überschritt die CO₂-Konzentration 400 ppm. In den 2020er Jahren wurden beschleunigte Entwicklungen beobachtet: Der Thwaites-Gletscher trägt gegenwärtig 4 % zum Meeresspiegelanstieg bei; sein vollständiges Abschmelzen allein würde etwa 65 cm globalen Meeresspiegelanstieg verursachen. Genanalysen eines antarktischen Oktopus deuteten 2023 darauf hin, dass die Westantarktis während der Eem-Warmzeit vor 120.000 Jahren vollständig abgeschmolzen war. Da die Erde damals nur etwa 1 °C wärmer war als vorindustriell, wird aus der heutigen Erwärmung von etwa 1,5 °C langfristig ein Risiko für vollständiges Abschmelzen und 5 bis 10 Meter Meeresspiegelanstieg abgeleitet.
Folgen, Dauer und Gesellschaft
Die Forschung geht weitgehend davon aus, dass der gegenwärtige Klimawandel im weiteren Verlauf schneller ablaufen wird als alle bekannten Erwärmungsphasen der letzten 50 Millionen Jahre. Selbst beim Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum waren Kohlenstoffeintrag und Temperaturanstieg im jährlichen Durchschnitt deutlich langsamer als heute. Zusätzliches CO₂ wird sich auch bei stark sinkenden Emissionen nur allmählich verringern und noch über mehrere tausend Jahre nachweisbar bleiben.
Natürliche Prozesse zur CO₂-Bindung, etwa Sedimentation und geochemische Verwitterung, wirken zu langsam, um die aktuelle Zunahme rasch auszugleichen. Ein kompletter Austausch des atmosphärischen Kohlenstoffdioxids über den Carbonat-Silicat-Zyklus benötigt ungefähr 500.000 Jahre. Die Ozeane sind zwar eine wichtige Kohlenstoffsenke, aber mittelfristig wird nur ein relativ kleiner Teil des CO₂ in Tiefsee-Sedimenten gespeichert; bei steigenden Meerwassertemperaturen könnten zudem CO₂ und Methan wieder ausgasen.
Die aktuelle Erwärmung beeinflusst auch das nächste natürliche Glazial-Ereignis. Ohne anthropogene Emissionen würde die nächste Eiszeit nach neueren Studien erst in einigen zehntausend Jahren beginnen. Bei einem atmosphärischen CO₂-Ausgangswert von über 500 ppm könnte sich dieser Zeitraum mit hoher Wahrscheinlichkeit auf insgesamt 100.000 Jahre ausdehnen. Das bedeutet den Ausfall eines kompletten Eiszeitzyklus durch menschliche Eingriffe in das Klimasystem.
Seit den 1970er Jahren wird Klimawandel auch sozialwissenschaftlich untersucht, weil Emissionen von menschlichem Verhalten und gesellschaftlichen Entscheidungen abhängen. Stephen Schneider betonte 1983, dass das CO₂-Problem eine sozialwissenschaftliche Grundlage hat: Bevölkerungszahl, Pro-Kopf-Verbrauch fossiler Energien, Entwaldung und Wiederaufforstung beeinflussen die künftigen Emissionen. Weitere Forschung untersucht Risikowahrnehmung, politische Entscheidungen, Anpassung an Klimaveränderungen und wirtschaftliche Folgen, etwa im Stern-Report von 2006. Außerdem wurde untersucht, warum trotz zunehmender wissenschaftlicher Sicherheit oft wenig Klimaschutz erfolgt und wie wirtschaftlich motivierte Interessengruppen gezielt Zweifel an Forschungsergebnissen verbreiten.
