Klima

Grundbegriff und wissenschaftliche Untersuchung

Klima ist die statistische Zusammenfassung der Wettererscheinungen und der dynamischen Prozesse in der Erdatmosphäre für einen Ort, ein Gebiet oder die gesamte Erde. Anders als das kurzfristige Wetter – Stunden bis wenige Tage – und die Witterung – meist bis etwa eine Woche, seltener einen Monat oder eine Jahreszeit – beschreibt Klima typische Verhältnisse über längere Zeiträume. Berücksichtigt werden nicht nur Mittelwerte, sondern auch Schwankungen, Häufigkeiten, Dauer und Extremwerte.

Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) definiert Klima im engeren Sinn als statistische Beschreibung des durchschnittlichen Wetters und seiner Variabilität über Monate bis hin zu Tausenden oder Millionen Jahren. Im weiteren Sinn ist es der Zustand des gesamten Klimasystems. Der Deutsche Wetterdienst (DWD) betont dagegen den mittleren Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort oder in einem Gebiet und legt im Allgemeinen 30 Jahre zugrunde.

Die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) empfiehlt solche 30-jährigen Klimanormalperioden. Bis einschließlich 2020 war 1961–1990 der allgemein gebräuchliche Vergleichszeitraum; seit 2021 gilt 1991–2020. Zusätzlich werden etwa 1981–2010 und für langfristige Untersuchungen größere Zeiträume verwendet. Globale Durchschnittswerte sind nicht automatisch für einzelne Regionen repräsentativ: Eine Region kann zeitweise sogar einen gegenläufigen Trend zeigen.

Die Klimatologie untersucht Gesetzmäßigkeiten, Prozesse, Einflussfaktoren und mögliche zukünftige Entwicklungen des Klimas. Sie arbeitet unter anderem mit Physik, Meteorologie, Geographie, Geologie und Ozeanographie zusammen. Die Paläoklimatologie rekonstruiert vergangene Klimate mithilfe von Klimaarchiven und indirekten Klimaanzeigern, sogenannten Proxys. Dazu gehören Sedimente, Fossilien, Isotope, Eisbohrkerne, Baumringe, Pollen, Bändertone und Tropfsteine. Klimamodelle müssen das komplexe System vereinfachen; deshalb können ihre Ergebnisse von den tatsächlichen Verhältnissen an einem konkreten Ort abweichen.

Räumliche Größenordnungen und Klimazonen

Nach der räumlichen Ausdehnung werden drei grundlegende Ebenen unterschieden:

• Mikroklima oder Kleinklima umfasst wenige Meter bis wenige Kilometer beziehungsweise die bodennahe Luftschicht bis etwa zwei Meter Höhe. Beispiele sind eine Terrasse, ein Straßenzug, ein Hang oder eine Agrarfläche. Oberflächenstruktur, Boden, Gelände, Pflanzen, Bebauung, Sonneneinstrahlung und Beschattung können hier große Temperaturunterschiede erzeugen. Das Mikroklima ist unter anderem für niedrig wachsende Pflanzen, Weinbergslagen und das Leben in Städten wichtig.
• Mesoklima reicht von einigen hundert Metern bis zu wenigen hundert Kilometern, meistens jedoch über Gebiete im unteren Kilometerbereich. Dazu zählen Lokal-, Gelände-, Stadt- und Ökosystemklimate. Die Grenzen zum Mikroklima sind fließend.
• Makroklima beschreibt großräumige Zusammenhänge ab etwa 500 Kilometern, beispielsweise atmosphärische Zirkulationsmuster, Meeresströmungen, Monsun, Passat und Rossby-Wellen. Alle Makroklimate wirken zusammen und bilden das globale Klimasystem.

Das Regionalklima ist das Klima einer räumlich abgegrenzten Einheit auf der Mesoskala. Es hängt besonders von Landnutzung und Geländeform ab und ist für Land- und Forstwirtschaft sowie Infrastruktur bedeutsam. Ein Klimatyp fasst ähnliche Großklimate verschiedener Kontinente zusammen, etwa die immerfeuchten heißen Regenwälder am Amazonas, am Kongo und in Südostasien zum Typ des äquatorialen Regenwaldklimas.

Klimazonen sind vor allem in Ost-West-Richtung verlaufende Gebiete, die nach der von der geographischen Breite abhängigen Strahlungs- und Wärmebilanz abgegrenzt werden. Unterschieden werden polare, gemäßigte, subtropische und tropische Zonen. Klimaklassifikationen unterteilen sie anhand ähnlicher Bedingungen weiter. Eine bekannte Einteilung ist das 1936 veröffentlichte Geographische System der Klimate von Wladimir Köppen, das durch die Zusammenarbeit mit Rudolf Geiger weite Verbreitung fand.

Seit Mitte des 20. Jahrhunderts zeigt sich eine Tendenz zu wärmeren und trockeneren Klimaten. Bei anhaltender Entwicklung könnten bis 2100 knapp 40 Prozent der weltweiten Landflächen von einer Umwandlung bestehender Klimate betroffen sein. Klimazonen verschieben sich polwärts; besonders gefährdet sind unter anderem tropische und subtropische Gebiete, die Arktis, der Mittelmeerraum sowie Teile Chiles und Kaliforniens. Am 6263 Meter hohen Chimborazo in Ecuador breitete sich die Pflanzendecke innerhalb von 200 Jahren etwa 500 Meter weiter nach oben aus.

Klimasystem, Klimaelemente und Einflussfaktoren

Das hauptsächlich von der Sonnenstrahlung angetriebene Klimasystem besteht aus fünf miteinander wechselwirkenden Erdsphären:

• Die Atmosphäre ist die vor allem aus Stickstoff und Sauerstoff bestehende Gashülle. Das Wetter findet in der 7 bis 17 Kilometer hohen Troposphäre statt. Treibhausgase wie Kohlenstoffdioxid und Methan verhindern, dass die globale Oberflächentemperatur weit unter den Gefrierpunkt fällt.
• Die Hydrosphäre umfasst alles flüssige Wasser an und unter der Erdoberfläche, einschließlich Ozeanen, Seen, Flüssen und Grundwasser. Wasserdampf gehört zur Atmosphäre.
• Die Kryosphäre umfasst Schnee, Meereis, Schelfeis, Eisschilde, Gletscher, Permafrosteis und Eiskristalle in Wolken. Ihre hellen Flächen reflektieren viel Sonnenstrahlung.
• Die Biosphäre ist der von Lebewesen besiedelte Raum und umfasst auch den Menschen.
• Die Lithosphäre bildet Festland und Ozeanboden; ihre verwitternde, Wasser und organische Stoffe speichernde Oberfläche steht in engem Austausch mit den anderen Sphären.

Klimaelemente sind messbare Einzelerscheinungen der Atmosphäre. Dazu gehören Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Taupunkt, Luftdruck, Luftdichte, Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Niederschlagsart und -menge, Sonnenscheindauer, Bewölkung, Sichtweite, Globalstrahlung und Albedo. Die Messungen stammen von Wetterstationen, Sonden, Satelliten und geowissenschaftlichen Beobachtungen. In der Klimatologie werden sie mindestens über eine 30-jährige Normalperiode nach Mittelwerten, Häufigkeiten, Abfolgen und Extremwerten ausgewertet.

Klimafaktoren beeinflussen oder verändern diese Messgrößen und das gesamte System. Dazu zählen geographische Breite, Höhenlage und Geländeform, Land-Meer-Verteilung, Meeresströmungen, Böden, Wasserverhältnisse, Vegetation und Bebauung. Langfristig wirken außerdem die Entwicklung der Sonne, Vulkanismus, Treibhausgase, Plattentektonik, Verwitterung, Wolken und Meeresspiegelschwankungen.

Die Albedo bezeichnet das Rückstrahlvermögen einer Oberfläche. Schnee und Eis besitzen ungefähr den Wert 0,80 und reflektieren damit 80 Prozent; offene Meeresflächen erreichen etwa 0,20. Die mittlere sphärische Albedo der Erde beträgt ungefähr 0,3. Wasserdampf ist das insgesamt stärkste natürliche Treibhausgas und trägt je nach Bedingungen 36 bis 70 Prozent zum natürlichen Treibhauseffekt bei. Sein Gehalt steigt mit der Temperatur, wodurch eine positive Wasserdampf-Rückkopplung entsteht.

Weitere Einflüsse sind Aerosole, Sonnenfleckenzyklen, die Nordatlantische und Atlantische Multidekaden-Oszillation, El Niño-Southern Oscillation und Rossby-Wellen. Große Impakte und Magmatische Großprovinzen können abrupte, lang anhaltende Klimaänderungen auslösen. Die heutige globale Erwärmung hat sich seit Mitte des 20. Jahrhunderts nach breiter wissenschaftlicher Übereinstimmung vollständig von der Sonnenaktivität abgekoppelt.

Klimawandel und Klimageschichte

Ein weltweiter Klimawandel ist eine markante Veränderung des Strahlungsantriebs, durch die das Erdsystem von einem thermisch-radiativen Gleichgewicht in ein anderes übergeht. Je nach Bedingungen führt dies zu deutlicher Abkühlung oder Erwärmung. Regionale oder hemisphärische Schwankungen über Jahrzehnte oder Jahrhunderte werden dagegen als Klimafluktuationen beziehungsweise Klimaanomalien bezeichnet.

Wichtige Bestandteile globaler Klimaänderungen sind die Sonneneinstrahlung, die Albedo und die Konzentrationen von Treibhausgasen, besonders CO₂ und CH₄. Hinzu kommen Rückkopplungen durch Wasserdampf, Eisflächen, Vegetation und Verwitterung. Treibhausgase können einen Wandel antreiben, aber bei natürlichen Ereignissen auch als Rückkopplung einen bereits begonnenen Trend verstärken, beschleunigen oder abschwächen. Abrupte Klimawechsel wurden unter anderem durch Einschläge, Supervulkane, großflächige Magmaausflüsse, veränderte Meeresströmungen und schnelle Rückkopplungen verursacht.

Die Erde entstand vor 4,57 Milliarden Jahren; nach der Kollisionstheorie erhielt sie vor 4,52 Milliarden Jahren durch den Zusammenstoß mit dem marsgroßen Körper Theia ihre heutige Masse. Verwertbare Klimaarchive gibt es erst ab etwa 4,0 bis 3,8 Milliarden Jahren. Im frühen Proterozoikum begann vor 2,4 Milliarden Jahren die etwa 300 Millionen Jahre dauernde Paläoproterozoische Vereisung. Später ermöglichte die Ozonschicht die Besiedlung der Kontinente. An der Devon-Karbon-Grenze vor etwa 359 Millionen Jahren erreichte der Sauerstoffgehalt erstmals die heutige Konzentration von 21 Prozent; gegen Ende des Karbons lag er bei etwa 33 bis 35 Prozent.

Viele Massenaussterben der letzten 540 Millionen Jahre waren mit raschen Klimaänderungen verbunden. Biologische Krisen traten mehrfach bei globalen Abkühlungen um 4 bis 5 °C, häufiger aber bei Erwärmungen um 5 bis 10 °C auf. Zusätzliche Belastungen waren Vegetationsverlust, Schadstoffe, Sauerstoffmangel und Ozeanversauerung.

Die Milanković-Zyklen entstehen durch periodische Änderungen der Form der Erdbahn, der Neigung der Erdachse und der Präzession, also des Kreisens der Rotationsachse. Sie verändern die Verteilung und teilweise die Stärke der Sonneneinstrahlung. Der Exzentrizitäts-Großzyklus dauert 405.000 Jahre; für die Quartäre Kaltzeit sind außerdem Zyklen von etwa 40.000 und 100.000 Jahren wichtig. Sie wirken vor allem als Impulsgeber, während Rückkopplungen den Klimawechsel verstärken. Der Klimazustand der letzten 2,6 Millionen Jahre ist der eines Eiszeitalters mit dem Wechsel von Kaltzeiten und Warmzeiten.

Menschlicher Einfluss, Sensitivität, Modelle und Kipppunkte

Seit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert erhöht der Mensch die Treibhausgaskonzentrationen erheblich. Vor allem die Verbrennung fossiler Energieträger steigerte CO₂ von vorindustriell 280 ppm auf 415 ppm im Jahr 2020. Hinzu kommen Methan aus intensiver Tierhaltung, Distickstoffmonoxid, Carbonylsulfid und die großflächige Entwaldung tropischer Regenwälder. Nach wissenschaftlichem Konsens sind der Anstieg der Treibhausgase und die damit verbundene Erwärmung menschlich verursacht.

Bis 2018 betrug die Erwärmung gegenüber der vorindustriellen Zeit laut IPCC etwa 1,0 °C. Im ungünstigsten Szenario RCP 8.5 wurden bis zum Ende des 21. Jahrhunderts 2,6 bis 4,8 °C erwartet. Selbst 2 °C Erwärmung können steigende Meeresspiegel, mehr Wetterextreme und schwerwiegende Folgen für menschliche Gesellschaften verursachen.

Klimasensitivität bezeichnet meist die Erwärmung bei einer Verdoppelung der atmosphärischen CO₂-Konzentration von 280 auf 560 ppm. Die reine Strahlungswirkung von CO₂ ergibt 1,2 °C; Rückkopplungen erhöhen den Wert. Der IPCC nannte 2007 wahrscheinlich 2 bis 4,5 °C und 2013 1,5 bis 4,5 °C, mit einem besten mittleren Schätzwert von rund 3 °C. CMIP6-Modelle lieferten 2019 teilweise 2,8 bis 5,8 °C, zeigten beim Vergleich mit paläoklimatischen Daten aber zum Teil erhebliche Abweichungen.

Klimamodelle sind Computermodelle, die Atmosphäre, Ozeane, Kryosphäre und Biosphäre verbinden. Sie rekonstruieren vergangene Entwicklungen und entwerfen Szenarien für die Zukunft. Da lange Zeiträume, viele Parameter und unsichere Rückkopplungen berücksichtigt werden müssen, liefern sie keine exakten Prognosen, sondern Wahrscheinlichkeitskorridore. Kurzfristige Schwankungen können langfristige Trends vorübergehend überdecken.

Kippelemente sind Bestandteile des Klimasystems, die nach Überschreiten eines Kipppunkts abrupt und teilweise unumkehrbar in einen neuen Zustand wechseln können. Dazu gehören das sommerliche arktische Meereis, der grönländische und der westantarktische Eisschild, die atlantische thermohaline Zirkulation, ENSO, der indische und westafrikanische Monsun, tropische und boreale Wälder, Korallenriffe sowie Methan in Ozeanen und Permafrost. Das Kippen eines Elements kann weitere Kipppunkte auslösen und so eine Kaskade verursachen.

Klima Deutschlands

Deutschland liegt in der gemäßigten Klimazone, in der Westwindzone und im Übergang zwischen dem maritimen Klima Westeuropas und dem kontinentalen Klima Osteuropas. Der Golfstrom trägt zum für die nördliche Lage relativ milden Klima bei.

Für 1961–1990 betrug die Jahresmitteltemperatur 8,2 °C. Das Monatsmittel reichte von −0,5 °C im Januar bis 16,9 °C im Juli. Im Oberrheingraben wurden über 11 °C, in Oberstdorf auf 800 Metern Höhe etwa 6 °C und auf der 2962 Meter hohen Zugspitze fast −5 °C erreicht. Der mittlere Jahresniederschlag lag bei 789 mm, mit Monatswerten von 49 mm im Februar bis 85 mm im Juni. In Alpen und Mittelgebirgen fallen über 1000 mm, im Regenschatten des Harzes teilweise unter 500 mm. Die Feuchtigkeit nimmt allgemein von West nach Ost ab.

Von 1881 bis 2018 stieg die Temperatur in Deutschland laut DWD im linearen Trend um 1,5 °C. Mit Ausnahme von 1996 und 2010 lagen seit 1988 alle Jahresmittel über 8,2 °C. Im Jahr 2014 wurden 10,3 °C, im Rekordjahr 2018 10,5 °C erreicht. Die Haselnussblüte trat 1991–2010 etwa 12 Tage früher auf als 1961–1990; Zugvögel bleiben fast einen Monat länger als in den 1970er Jahren.

Am Funtensee wurden am 24. Dezember 2001 in einer besonders exponierten Senke −45,9 °C gemessen. Der offizielle DWD-Kälterekord beträgt −37,8 °C, gemessen am 12. Februar 1929 in Hüll. Den Hitzerekord erreichten Duisburg-Baerl und Tönisvorst am 25. Juli 2019 mit jeweils 41,2 °C. Kap Arkona verzeichnete in der Referenzperiode 1981–2010 jährlich 1869 Sonnenstunden.

Zu den Wetterextremen gehören Dürren, Hitzewellen, Kältephasen, Sturm- und Orkantiefs, Hochwasser, Hagel, Gewitter und Tornados. Dürren betreffen meist den Nordosten, erfassten aber etwa 2003, 2015 und 2018 größere Gebiete. Deutschland erlebt jährlich ungefähr 30 bis 60 Tornados; 2006 waren es 119.