The-never-ending-story: Das Kohlenstoffdioxid und der natürliche Klimawandel

Von Uli Weber

Kohlenstoffdioxid als alleiniger „natürlicher“ Paläoklima-Antrieb ist in der Klimawissenschaft ein echter Wiedergänger, der nur durch eine Nachfrage bei Radio Jerewan angemessen gewürdigt werden kann: „Ist Kohlenstoffdioxid wirklich der natürliche Paläoklima-Antrieb?“ –  Antwort von Radio Jerewan: „Im Prinzip nein, aber es wird immer wieder versucht, den Genossen dafür verantwortlich zu machen.“ Dabei macht den Klimawissenschaftlern offenbar bereits der anthropogen induzierte CO2-Klima-Antrieb ausreichend zu schaffen. Denn inzwischen gibt es erste Anzeichen dafür, dass die aktuell stark verbesserten IPCC-Klimamodelle trotz weiter gesteigerter Rechenleistung der Computer deutlich schlechtere Ergebnisse liefern als die vorherige Modellgeneration, Zitat:

Die Klimafachleute tappen vollkommen im Dunkeln. Angeblich genauere Klimamodelle liefern vollkommen unrealistische Ergebnisse. Das kommt auch dem IPCC nicht mehr ganz geheuer vor. Eine Folge scheint bereits jetzt absehbar: Der nächste IPCC-Bericht werde sich wahrscheinlich nicht so stark auf Klimamodelle stützen wie frühere Berichte. Das sagt jedenfalls laut Science Thorsten Mauritsen, Klimawissenschaftler an der Universität Stockholm und ebenfalls IPCC-Autor.“

Aber warum sind die Klimamodelle eigentlich grundsätzlich nicht in der Lage, die globalen Klimaschwankungen in ihrem zeitlichen Verlauf richtig abzubilden? Insbesondere die gesicherte Klimahistorie wie „Kleine Eiszeit“ und „Mittelalterliche Warmzeit“ stellen für Klimamodelle unüberwindbare Hindernisse dar und hatten in der Vergangenheit bereits zu wohlmeinendenWunschanpassungen“ von grundlegenden Klimadaten geführt. Der natürliche, also vorindustrielle, Klimawandel hat mit dem industriellen CO2-Ausstoß des Menschen nämlich zunächst einmal überhaupt nichts zu tun, denn dieser natürliche Klimawandel findet ja weiterhin statt. Wenn man die Aussage des IPCC ernst nimmt, der anthropogene CO2-Ausstoß sei zu mehr als der Hälfte die Ursache der gegenwärtigen Klimaerwärmung seit 1950, dann beträgt nämlich im Umkehrschluss der natürliche Klimaeinfluss immer noch knapp die Hälfte dieser Erwärmung. Und daher bleibt es ein echtes Problem für die Klimawissenschaft, die natürlichen Klimaschwankungen und den vorgeblich menschengemachten Klimawandel korrekt zusammen abzubilden.

Nun gibt es für diesen natürlichen Klimaantrieb bereits seit fast 100 Jahren ein klar definiertes Modell. In der Einleitung zu ihrem Buch “Die Klimate der geologischen Vorzeit” (Bornträger 1924) schreiben Wladimir Köppen und Alfred Wegener auf den Seiten 3 und 4, Zitat mit Hervorhebungen und eingefügten Internetlinks:

„… Unter diesen Voraussetzungen gewinnt die Kurve der sommerlichen Strahlungsmengen für die letzten 6500 000 Jahre [Anm.: Die entsprechende Abbildung ist unten angefügt] den Charakter einer absoluten Chronologie des Eiszeitalters. Ihre Einzelheiten stimmen, wie gezeigt werden wird, in weitgehendem Maße mit den Annahmen der hervorragendsten Eiszeitforscher überein, so daß es unnötig erscheint, nach weiteren Ursachen für Klimaänderungen in dieser Zeit zu suchen.

Von den zahlreichen sonstigen Hypothesen, die zur Erklärung von Klimaänderungen aufgestellt worden sind, wird daher in diesem Buche nicht die Rede sein. Insbesondere erblicken wir in dem System der fossilen Klimazeugen keinen empirischen Anhalt für die Annahme, daß die von der Sonne ausgehende Strahlung sich im Laufe der Erdgeschichte geändert habe. Desgleichen fehlt es an Tatsachen, welche durch Änderung der Durchstrahlbarkeit der Atmosphäre (Arrhenius) oder des Weltalls (Nölke) zu erklären wären; …“

 

Abbildung: Sonnenstrahlung des Sommerhalbjahres in höheren Breiten im Quartär seit 650.000 Jahren (W. Köppen & A. Wegener, Berechnungen M. Milanković). Abbildung via Wikipedia

 

Wurde also der „natürliche Klimaantrieb“ durch Schwankungen der solaren Einstrahlung bereits vor knapp 100 Jahren von Köppen und Wegener korrekt beschrieben? – Die einen sagen „ja“ und die andern versuchen verzweifelt, das Gegenteil zu beweisen, indem sie dem Kohlenstoffdioxid (CO2) neben der Verantwortung für den befürchteten menschengemachten Klimawandel auch noch den natürlichen Klimaantrieb anhängen wollen. Aktuell versuchen sich Willeit et al. (2019) mit ihrer Veröffentlichung „Mid-Pleistocene transition in glacial cycles explained by declining CO2 and regolith removal” gerade wieder an einem monokausalen CO2-Klimaantrieb, wobei sie zu dem Ergebnis kommen, Zitat:

Our transient modeling results demonstrate that both previously proposed mechanisms—regolith removal and gradual lowering of CO2—are essential to reproduce the realistic evolution of climate variability during the Quaternary, and their combination controls the timing of regime changes of climate variability.”

Nach Willeit et al. (2019) soll also eine Kombination aus Regolith-Abtrag und einer allmählichen Absenkung des atmosphärischen CO2-Gehalts die Klimaentwicklung des Quartärs bestimmt haben. Ihre unten abgebildeten „Transient modeling results“ erstrecken sich über 3 Millionen Jahre und können, insbesondere beim CO2-Gehalt in Abbildung 2(D), den tatsächlichen Verlauf der betreffenden Paläodaten nicht so ganz richtig nachbilden.

 

Abbildung: Fig. 2 von Willeit et al. (2019): Transient modeling results. Results of model simulations driven by orbital forcing, optimal regolith removal scenario, and optimal volcanic outgassing scenario. In all panels, observations are shown in black and model results are shown as colored lines. (A) Benthic δ18O compared to the stack of (3). (B) Relative sea level compared to (49). (C) Calving from the Laurentide ice sheet into the North Atlantic compared to a proxy for ice-rafted debris at site U1313 (30). (D) Atmospheric CO2 concentration compared to ice core data (solid line) (50) and other proxies [circles: (16); squares: (18); *: (51); + and ×: (19); diamonds: (52); black box: (15); dotted lines: (17)]. (E) SST anomalies compared to the stack of (18). (F) Global annual surface air temperature compared to reconstructions (53). (G) Southern Ocean dust deposition compared to data (54). Anmerkung: Die jeweiligen (Zahlen) beziehen sich auf das Literaturverzeichnis  von Willeit et al. (2019)

 

Aus dieser Abbildung 2(D) von Willeit et al. (2019) ergibt sich für die dort benutzten Daten des CO2–Gehalts der Paläoatmosphäre von 1 bis 3 Millionen Jahren eher eine mittlere Verteilung zwischen 200 und 300 ppm, und davon entfernt sich deren Transientenmodell mit ansteigender Zeitachse immer weiter. Umgekehrt gibt es daher im zeitlichen Verlauf der datenbasierten CO2-Konzentration durch das Quartär hindurch also auch gar nichts abzusenken, wie das in Abbildung 2(F) bei der Temperatur zunächst deutlich zu werden scheint. Allerdings wird wiederum der Temperaturverlauf in Abbildung 2(F) nur bis 2 Millionen Jahre (2Ma) durch Proxydaten gestützt, obwohl deutlich längere Temperaturreihen verfügbar sind. Ein Abgleich mit solchen Zeitreihen macht deutlich, dass die Temperaturproxys ab 2Ma weiterhin ansteigen und sich damit zunehmend vom Transientenmodell von Willeit et al. (2019) entfernen. Offenbar ist das Fehlen von Proxydaten ab 2Ma in Abbildung 2(F) als eine reine Notfallmaßnahme zur Stützung des dort vorgestellten Modells zu verstehen. Und daher stellt sich unmittelbar die Frage nach dem konkreten Warum für ein solches Vorgehen.

Schaunmeralsomal: Das generelle Problem für einen alleinigen „natürlichen“ CO2-Klimaantrieb ist die Tatsache, dass CO2 seine immer wieder vergebens postulierte vorindustrielle Klimawirkung selbst unter den maximalen IPCC-Annahmen gar nicht aufbringen kann. Schauen wir uns dazu einmal die Proxy-Daten an, die aus den Voskok-Eisbohrkernen abgeleitet worden sind, und die immerhin etwa 420.000 Jahre Klimageschichte überdecken. In der Abbildung unten wurde der theoretisch erforderliche CO2-Gehalt der Paläoatmosphäre für einen primären CO2-Klimaantrieb aus den Vostok-Temperaturproxies von PETIT et al. (2001) abgeleitet (blaue Kurve). Dazu wurde für CO2 die maximale Klimasensitivität des IPCC von 4,5 °C (IPCC 2013: 1.5°C to 4.5°C @ high confidence) für die Verdoppelung des atmosphärischen CO2-Gehaltes zugrunde gelegt, beginnend bei einer Temperaturdifferenz von 0 °C mit dem vorindustriellen CO2-Gehalt von 280 ppm. Die rote Kurve zeigt dann die tatsächlichen CO2-Messwerte für die Paläoatmosphäre aus den Vostok Eiskernen von BARNOLA et al. (2003).

 

Abbildung: Erforderlicher  theoretischer CO2-Antrieb für die Vostok-Temperatur-Proxies (blau) und tatsächlich gemessener paläo-atmosphärischer CO2-Gehalt aus den Vostok Eisbohrkernen (rot). Abbildung aus Weber 2016, dort sind auch die entsprechenden Literaturzitate zu finden. Anmerkung: Die Berechnung des theoretischen CO2-Antriebs erfolgte mit der maximalen IPCC-Klimasensitivität für eine Verdoppelung seines atmosphärischen CO2-Anteils von 4,5°C [@2xCO2]

 

Ein natürlicher CO2-Antrieb für den Temperaturverlauf des Paläoklimas der vergangenen 420.000 Jahre hätte nach den IPCC-Vorgaben also mindestens eine Schwankung des atmosphärischen CO2-Gehaltes zwischen etwa 65 und 460 ppm erfordert, was aber die gemessenen CO2-Gehalte der Paläoatmosphäre mit etwa 180 bis 300 ppm CO2 gar nicht abbilden. Aktuelle Werte für die CO2-Klimasensitivität kleiner als 4,5°C [@2xCO2] würden die erforderliche Schwankungsbreite für einen rechnerischen CO2-Klimaantrieb sogar noch einmal deutlich erhöhen. Und das ist noch nicht einmal alles, denn wenn man die gemessenen Vostok-CO2-Werte (etwa 18o bis 3oo ppm) und die Vostok Temperaturproxys (–9.39 to +3.23 °C) über die originale IPCC-Formel für die CO2-Klimasensitivität verknüpft, ergibt sich für deren direkte Wechselwirkung als alleiniger natürlicher Paläo-Klimaantrieb rechnerisch eine zweistellige CO2-Klimasensitivität, die weit außerhalb des vom IPCC veröffentlichten Vertrauensbereiches (IPCC 2013: 1.5°C to 4.5°C @ high confidence) liegt. Und damit ist der Nachweis erbracht, dass es sich bei CO2 nicht um den alleinigen natürlichen Paläo-Klimaantrieb handeln kann.

Die zwingende Anforderung an einen alleinigen CO2-Klimaantrieb, die entsprechenden Paläo-Proxys korrekt abzubilden, gilt natürlich auch für Willeit et al. (2019), deren atmosphärischer Paläo-CO2-Gehalt in etwa zwischen 200 und 300 ppm CO2 schwankt und damit im Wesentlichen der Schwankungsbreite der Vostok-CO2-Daten folgt. Das Regolith-CO2-Modell von Willeit et al. (2019) versucht diese Problematik zu umgehen, indem dort die Transientenantwort für den paläo-atmosphärischen CO2-Gehalt (Abb. 2D) deutlich überzeichnet dargestellt wird, der zugehörige Transienten-Temperaturverlauf (Abb. 2F) gegenüber den Paläotemperaturen dagegen stark reduziert ist. Mit einem mittleren paläo-atmosphärischen CO2-Gehalt um ca. 280 ppm bei einem DT größer 2°C, wie es die Paläodaten für 3 Millionen Jahre aber tatsächlich nahelegen, ist ein „natürlicher“ CO2-Paläoantrieb dagegen völlig unmöglich.

Damit ist zum wiederholten Male ein aktiver Versuch gescheitert, die vordergründige Korrelation von CO2 und Temperaturveränderung aus dem Industriezeitalter auf das Paläoklima zu übertragen.

Abschließend stellt sich natürlich die Frage, was die oben zitierte Aussage, „Angeblich genauere Klimamodelle liefern vollkommen unrealistische Ergebnisse“, zu bedeuten hat. Zunächst einmal wäre die Frage zu beantworten, was eigentlich an den neuen IPCC-Klimamodellen gegenüber der vorherigen Generation verändert worden ist. Der oben erwähnte Thorsten Mauritsen ist Lead-Autor der Veröffentlichung „Developments in the MPI‐M Earth System Model version 1.2 (MPI‐ESM1.2) and Its Response to Increasing CO2” (Mauritsen et al. 2019), Zitat aus dem Abstract:

The development focused on correcting errors in and improving the physical processes representation, as well as improving the computational performance, versatility, and overall user friendliness. In addition to new radiation and aerosol parameterizations of the atmosphere, several relatively large, but partly compensating, coding errors in the model’s cloud, convection, and turbulence parameterizations were corrected. The representation of land processes was refined by introducing a multilayer soil hydrology scheme, extending the land biogeochemistry to include the nitrogen cycle, replacing the soil and litter decomposition model and improving the representation of wildfires. The ocean biogeochemistry now represents cyanobacteria prognostically in order to capture the response of nitrogen fixation to changing climate conditions and further includes improved detritus settling and numerous other refinements.”

Und dann steht da ja auch noch die Frage im Raum, was eigentlich „vollkommen unrealistische Ergebnisse“ sind. Es gibt nämlich die beiden Möglichkeiten, dass diese Modelle entweder an der gemessenen Realität scheitern oder dass sie die Erwartungen der Klimaforscher nicht bestätigen können. Und da Klimamodelle den Verlauf der gemessenen Realität bisher niemals zufriedenstellend abgebildet hatten, bleibt hier also nur die Vermutung, dass die Erwartungen der Klimaforscher nicht erfüllt werden konnten.

Denken wir also einmal positiv: Vielleicht sind ja die aktuellen IPCC-Klimamodelle durch viele kleine Verbesserungen, hoffentlich inzwischen auch unter Berücksichtigung von solaren und ozeanischen Zyklen, schließlich in der Klimarealität angekommen. Und dann sind sie möglicherweise nur deshalb „schlechter geworden“, weil sie inzwischen zusätzlich auch die vom IPCC mit knapp 50% angegebene Wirkung des natürlichen Klimaantriebs abbilden. Für deutlich bessere Ergebnisse müsste man dann eigentlich nur noch die übersteigerte CO2-Klimawirkung dieser Modelle auf ein vernünftiges Maß reduzieren…

Es wird schließlich Zeit, dass Wladimir Köppen, Alfred Wegener und Milutin Milanković nach fast 100 Jahren endlich die ihnen gebührende Anerkennung in der Klimawissenschaft finden.

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Anmerkung der Redaktion:

Um Missverständnissen vorzubeugen: Sowohl Willeit et al. (2019) als auch Köppen und Wegener (1924) berücksichtigen das orbitale Forcing gemäß der Milankovic-Zyklik. Dies wird in den Arbeiten üblicherweise als Veränderung der “Insolation” dargestellt, die zu Beginn des Holozäns ein Maximum erreicht. Allerdings reicht die “Insolation” nicht aus, um die beobachteten Temperaturveränderungen vollständig zu erklären. Im aktuellen Beitrag von Uli Weber geht es um die Ursache dieser Diskrepanz von Modellen und empirisch beobachteten Werten (“Rekonstruktionen”). PIK und andere Klimawarner-Organisationen favorisieren einen starken Beitrag des CO2 im Maßstab von zehntausenden von Jahren. Die Belege hierfür sind allerdings dünn.