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1. Auflage 2020
Copyright © 2020 by Eike Roth
All rights reserved.
Herstellung und Verlag: BoD – Books on Demand GmbH, Norderstedt
Covergestaltung: C. Mitura
Coverfoto: istockphoto.com | vchal No. 502039644
Satz und Layout: Joh.-Christian Hanke
ISBN: 978-3-7526-5530-8
Bildnachweis: Abb. 1 bis 3 vom Autor; Abb. 4 – Wikimedia Commons,
Urheber Stefan Pohl; hintere Umschlagseite – Micaela Parente (Unsplash)
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Der Kohlenstoffkreislauf der Erde regelt, wie viel CO2 sich in der Atmosphäre ansammelt. Er ist damit die Basis aller Klimarechnungen. Gegenstand der Untersuchungen hier ist eine Überprüfung der Modelle, mit denen der »Weltklimarat« IPCC diesen Kreislauf beschreibt. Es zeigt sich, dass sie das nur unbefriedigend können.
Der zentrale Ansatz in diesen Modellen ist die Annahme eines »natürlichen Gleichgewichtes« mit hohem CO2-Austausch zwischen der Atmosphäre und den Speichern »Wasser« und »Biomasse«, dem durch die vergleichsweise kleinen anthropogenen CO2-Freisetzungen eine »Störung« aufgesetzt wird, die sich nach eigenen Gesetzen entwickelt. Diese Gesetze werden in den Modellen so festgelegt, dass mit ihnen der beobachtete Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre vollständig als Folge der anthropogenen CO2-Freisetzungen erklärt werden kann. Für eine fortgesetzte anthropogene Freisetzung berechnen die Modelle folgerichtig eine weitere hohe Zunahme der CO2-Konzentration. Zusammen mit der Annahme einer hohen Klimawirksamkeit des CO2 ist das die Basis für die Forderung nach einer drastischen Reduzierung der anthropogenen CO2-Freisetzungen. Als Reaktion darauf haben Kommunen, Länder und die EU den Klimanotstand ausgerufen.
In diesem Buch wird gezeigt, dass die genannten Annahmen von IPCC logisch zwingend die Existenz von unterschiedlichen Zeitkonstanten für die Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre voraussetzen, dass es unterschiedliche Zeitkonstanten aber infolge der guten Durchmischung der Atmosphäre, der Gleichheit aller CO2-Moleküle und der Konzentrationsabhängigkeit der natürlichen Umwälzung nicht geben kann! Als Folge davon kann das in der Atmosphäre angesammelte CO2 gar nicht vollständig aus den anthropogenen Freisetzungen kommen, ein Großteil muss vielmehr aus einer anderen Quelle stammen! Der wahrscheinlichste Kandidat hierfür ist die allgemeine Erwärmung, wodurch auch immer diese ausgelöst worden ist, doch kommen prinzipiell auch andere Quellen infrage.
Als Alternative zu den IPCC-Modellen wird, in Anlehnung an Vorbilder in der Literatur, ein Modell vorgeschlagen, das hier als »Umwälz-Modell« bezeichnet wird. In ihm ist die Umwälzung nicht fest vorgegeben, sondern sie ändert sich nach physikalischen Gesetzen in Abhängigkeit von der CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Eine Trennung zwischen »natürlichem Gleichgewicht« und »aufgesetzter Störung« kennt das Modell nicht. Seine Ergebnisse stimmen gut mit den realen Gegebenheiten überein. Für das viele CO2 in der Atmosphäre fordert das Modell die Existenz einer zusätzlichen Quelle. Der im Modell beschriebene Ansatz wird zur Diskussion gestellt.
Wenn tatsächlich eine andere CO2-Quelle den überwiegenden Beitrag zum Anstieg des CO2 in der Atmosphäre geliefert hat, dann gibt es nur noch zwei Alternativen:
Die Konsequenzen sind in beiden Fällen gravierend: Der Mensch beeinflusst das Klima nicht! Jedenfalls beeinflusst er es durch seine CO2-Freisetzungen höchstens marginal, die müssen daher nicht drastisch reduziert werden! Für den Klimanotstand entfällt die Berechtigung. Das Gleiche gilt auch für den »Green Deal« der EU-Kommission, der 1000 Milliarden € oder sogar noch mehr kosten dürfte. Eine nochmalige Überprüfung scheint dringend geboten zu sein.
In der Wissenschaft gibt es, so wird immer wieder gesagt, einen Konsens: CO2 ist der wichtigste Klimatreiber, seine Konzentration in der Atmosphäre ist stark angestiegen und die wichtigste Ursache hierfür ist der Mensch mit seiner Verbrennung fossiler Energieträger. Wenn das so weiter geht, dann wird sich das Klima auf der Erde gravierend ändern, mit schmerzhaften Auswirkungen für die Menschen. Stellvertretend für eine Vielzahl entsprechender Aussagen seien die Sachstandsberichte des IPCC genannt, /1/ bis /5/.
Aber dieser Konsens ist nur vordergründig vorhanden. Real gibt es erhebliche Unsicherheiten, Zweifel und offene Fragen. Die betreffen die Zielsetzung, welches Klima wir überhaupt anstreben sollen, die Gegenrechnung positiver Auswirkungen erhöhter CO2-Konzentrationen, das Ausmaß und die Geschwindigkeit der anthropogenen Klimaänderungen, den Einfluss anderer Verursacher, die Erfolgsaussichten der vorgeschlagenen Abhilfemaßnahmen und noch vieles anderes mehr. In /6/ wird das ausführlich dargelegt. Solange diese Fragen offen sind, ist ein »Klimanotstand« prinzipiell nicht gerechtfertigt.
Im Zentrum der Auseinandersetzung steht die Klimawirksamkeit des CO2. Um wie viel wird es wärmer, wenn die CO2-Konzentration steigt? Trotz aller wissenschaftlichen Fortschritte in den letzten Jahrzehnten mit Satellitenmessungen, Supercomputern und dergleichen sind die Unsicherheiten kaum kleiner geworden und eine Lösung der Streitfrage ist auch nicht in Sicht. In seinem neuesten Sachstandsbericht /5/ gibt IPCC die Klimasensitivität des CO2, das ist die Erwärmung bei Verdoppelung der Konzentration, mit »1,5 bis 4,5 Grad« an. In diesem Intervall sind alle Werte gleichberechtigt, einen wahrscheinlichsten Wert kann IPCC »infolge der großen Unsicherheiten« gar nicht angeben. Ein Faktor drei als Unsicherheitsbereich und kein wahrscheinlichster Wert: Nüchtern betrachtet können wir nur extrem schlecht quantifizieren, welchen Einfluss das CO2 auf das Klima überhaupt hat! Doch als Basis für äußerst weitreichende Forderungen soll das genügen!?
Aber wenn man noch genauer hinsieht, dann gibt es noch eine andere offene Frage, die für die Beurteilung des anthropogenen Anteils am Klimawandel möglicherweise sogar noch viel wichtiger ist: Woher kommt das viele CO2 in der Atmosphäre tatsächlich? Dieser Frage wird im vorliegenden Buch detailliert nachgegangen.
IPCC meint, das viele CO2 stamme vollständig aus den anthropogenen Freisetzungen. Aber das ist fast genau so stark umstritten, wie die Klimasensitivität des CO2. Z. B. /7/ gibt an, dass nur ein kleiner Anteil des vielen CO2 anthropogen ist und der überwiegende Anteil aus einer anderen Quelle stammen muss. Wenn das stimmt, dann sind Reduzierungen der anthropogenen CO2-Freisetzungen weitgehend wirkungslos.
Die Meinung von /7/ ist zwar keine Einzelmeinung, aber doch klar in der Minderheit. Wissenschaft ist jedoch keine demokratische Veranstaltung, bei der die Mehrheit entscheidet. Die Mehrheit hat sich sogar schon oft geirrt. Letztlich entscheiden in der Wissenschaft immer nur die sachlichen Argumente. Und welche Argumente richtiger sind, das kann nur durch ergebnisoffene Diskussionen geklärt werden. Dieses Buch will einen Beitrag dazu leisten.
Noch eine kleine Ergänzung: Die Entwicklung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre hängt auf jeden Fall gravierend von zwei Faktoren ab: Von der Höhe der anthropogenen Freisetzungen und vom Anteil, der von diesen Freisetzungen in der Atmosphäre verbleibt (Einschub: Sie hängt möglicherweise auch noch von anderen Dingen ab, z. B., ob es noch weitere Quellen für CO2 gibt; das wird später noch eine wichtige Rolle spielen). Die anthropogenen Freisetzungen können wir vielleicht steuern, den verbleibenden Anteil aber nicht. Der wird ausschließlich von der Physik bestimmt. Und wenn der verbleibende Anteil klein ist, dann kann das Steuern unserer CO2-Freisetzungen das Klima gar nicht stark beeinflussen, selbst wenn wir beliebig gut steuern könnten!
Also ist der Anteil wichtig. Der wird in den Überlegungen hier ein wichtiger Punkt sein: Wie viel der anthropogenen Freisetzungen verbleibt tatsächlich in der Atmosphäre? Heißt die Antwort »viel«, ist die Frage nach der Klimasensitivität des CO2 wichtig, heißt die Antwort »wenig«, kommt es darauf nicht oder zumindest nur sehr wenig an.
Der »Kohlenstoffkreislauf« beschreibt den Austausch von Kohlenstoff zwischen verschiedenen Speichern. Er kann in den »kurzfristigen« und in den »langfristigen« Kohlenstoffkreislauf unterteilt werden. Der »kurzfristige« Kohlenstoffkreislauf umfasst die drei Speicher Atmosphäre, Ozean und Biomasse. Zwischen diesen findet ein reger Austausch von CO2-Molekülen statt (»Umwälzung«), wobei alle Prozesse »schnell« ablaufen, in Zeitbereichen bis hin zu etwa tausend Jahren. Zum »langfristigen« Kohlenstoffkreislauf gehören darüber hinaus auch langfristige Prozesse, wie die Sedimentation von Karbonatgesteinen im Meer, die Verwitterung von Gesteinen, Plattentektonik und Vulkanismus, etc. Diese Prozesse spielen sich in viel längeren Zeiträumen ab, bis hin zu Milliarden von Jahren. Sie werden hier nicht weiter betrachtet. Auch der in den fossilen Energieträgern Kohle, Öl und Gas gespeicherte Kohlenstoff gehört zum »langfristigen« Kohlenstoffkreislauf. Durch Verbrennungsprozesse dieser Energieträger wird Kohlenstoff aus dem langfristigen in den kurzfristigen Kohlenstoffkreislauf überführt.
Ein System, wie der Kohlenstoffkreislauf der Erde, ist »im Gleichgewicht«, wenn das Kohlenstoffinventar in den betroffenen Speichern gleich bleibt. Dabei kann Austausch zwischen den Speichern erfolgen, er muss nur ausgeglichen sein. Ein besonderes Gleichgewicht ist das »Fließgleichgewicht«, bei dem in einem Speicher durch Gleichheit von Zu- und Ausfluss das Inventar gleich bleibt, wobei das System insgesamt nicht im Gleichgewicht sein muss.
Der Begriff »Störung« wird in zwei Bedeutungen verwendet: Er bezeichnet einerseits einen Effekt, der ein System aus dem Gleichgewicht bringt, er kann andererseits aber auch das Ausmaß der Abweichung vom Gleichgewicht angeben. Je nachdem, ob man das Ausmaß der Abweichung auf das alte Gleichgewicht vor Aufbringen der Störung bezieht, oder auf das neue Gleichgewicht, das sich nach Beendigung der Störung einstellt, erhält man unterschiedliche Werte für die Störung.
Eine »Störung« ist »reversibel«, wenn sich nach ihrer Beendigung das alte Gleichgewicht wieder einstellt, und sie ist »irreversibel«, wenn sich nach ihrer Beendigung ein neues Gleichgewicht einstellt (oder keines). »Reversibel« kann eine Störung nur dann sein, wenn durch sie die Gesamt-Kohlenstoffmenge im System nicht verändert wird (und dann ist sie meist auch reversibel). Wird die Gesamt-Kohlenstoffmenge jedoch geändert, dann ist die Störung auf jeden Fall »irreversibel«.
Die »Verweilzeit« (»residence time« oder »turn over time«) ist die Zeit, die CO2-Moleküle im Mittel in der Atmosphäre verbleiben. Mathematisch definiert ist sie als das Inventar [Menge] in der Atmosphäre, dividiert durch die Entnahmerate [Menge pro Zeiteinheit] aus der Atmosphäre.
Die »Zeitkonstante« (»e-folding-time«) beschreibt generell, wie schnell ein bestimmter Prozess abläuft, z. B. die Entnahme von CO2-Molekülen aus der Atmosphäre. Angegeben wird grundsätzlich die Zeit, in der der Prozess auf den Wert 1/e abgelaufen ist (mit e = Eulersche Zahl ≈ 2,7, 1/e ist dann ≈ 0,37 = 37 %). Mathematisch erhält man die Zeitkonstante durch Ableitung der Gleichung für die Prozessgröße (z. B. CO2-Inventar in der Atmosphäre) nach der Zeit. Bei exponentiell verlaufenden Prozessen ist diese »Zeitkonstante« tatsächlich eine Konstante und sie ist um den Faktor 1/ln(2) länger als die »Halbwertszeit«, das ist die Zeit, in der der Prozess zur Hälfte abgelaufen ist (mit ln(2) = natürlicher Logarithmus von 2 ≈ 0,69). Sofern das ausfließende Inventar und die Ausflussrate bekannt sind, lässt sich die Zeitkonstante einfach als Quotient aus diesen beiden Größen berechnen.
Hinweis: Ein Prozess verläuft immer dann exponentiell, wenn die Geschwindigkeit des Ablaufes proportional zur Antriebskraft für den Ablauf ist. Ein Beispiel dafür ist der Ausfluss von Wasser durch eine dünne Ausflussleitung aus einem Behälter (dünn, damit laminare Strömung herrscht): Füllstand und Ausfluss sind proportional zueinander.
Die »Störungszeit« (»adjustment time«) beschreibt nach /5/, wie schnell die CO2-Konzentration in der Atmosphäre nach Beendigung einer Störung wieder zurückgeht. Jedenfalls soll sie das beschreiben. Mathematisch ist sie der Quotient aus dem Überschussinventar (Überschuss gegenüber dem neuen Gleichgewicht) und der Abbaurate des Inventars. Aber die Definition wird nicht einheitlich verwendet und der Begriff führt vielfach zu Missverständnissen. In Ziff. 5.16 wird die Problematik näher erläutert.
Ein »Modell« schließlich ist ein mathematisches Abbild der Natur, das manche Eigenschaften und Zusammenhänge besser transparent machen soll. Es ist immer nur eine Annäherung an die Wirklichkeit mit mehr oder weniger großen Abweichungen. »Fehler in einem Modell« können Fehler innerhalb des Modells sein, z. B. Rechenfehler oder logische Fehler, die Fehler können aber auch darin liegen, dass das Modell im relevanten Bereich so weit von der Wirklichkeit abweicht, dass aus dem Modell falsche Rückschlüsse auf die Wirklichkeit gezogen werden.
IPCC berechnet die zukünftige Entwicklung der CO2-Konzentration der Atmosphäre mit Modellen für den Kohlenstoffkreislauf der Erde. Dabei geht IPCC insbesondere von folgenden Beobachtungen bzw. Annahmen aus:
Aus diesen Annahmen leitet IPCC insbesondere die nachfolgend angegebenen Konsequenzen ab. Die Diskussion darüber erfolgt in den Ziff. 5 bis 7:
1. Es gibt zwei Zeitkonstanten:
Nach Meinung von IPCC wird das CO2 in der Atmosphäre in Abhängigkeit von seiner Herkunft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wieder aus der Atmosphäre entnommen (bitte den nachfolgenden Hinweis beachten!): Die natürlich freigesetzten CO2-Moleküle werden sehr schnell wieder ausgeschieden. Die Zeitkonstante hierfür wird durch die hohe natürliche Umwälzung bestimmt. Sie beträgt nur wenige Jahre. Die anthropogen freigesetzten CO2-Moleküle verbleiben demgegenüber sehr viel länger in der Atmosphäre, Jahrhunderte oder noch länger. Ihre Entnahme erfolgt unabhängig von der natürlichen Umwälzung. Die Zeitkonstante für diese Entnahme ergibt sich aus der Höhe der anthropogenen Freisetzungen und aus dem beobachteten Anstieg der CO2-Konzentration.
Hinweis: Genau genommen verbleiben nach IPCC die anthropogen freigesetzten CO2-Moleküle nicht als individuelle Moleküle so lange in der Atmosphäre, sondern es verbleibt nur eine entsprechende Anzahl von CO2-Molekülen. Die individuellen Moleküle selbst werden durch die Umwälzung rasch ausgetauscht und durch andere Moleküle ersetzt. Die unterschiedlichen Zeitkonstanten gelten daher nicht für Moleküle als solche, sondern für die entsprechenden Mengen an CO2-Molekülen. Die eine Zeitkonstante gibt an, wie lange die CO2-Moleküle (im Schnitt) in der Atmosphäre verbleiben, die andere, wie schnell eine erhöhte CO2-Konzentration wieder abgebaut wird.
Ergänzung: In einer verfeinerten Version seiner Modelle (»Bern Carbon Cycle Model«) teilt IPCC die anthropogen freigesetzten CO2-Moleküle nochmals in Gruppen ein, für die jeweils unterschiedliche Zeitkonstanten gelten, von etwa einem Jahr bis zu unendlich. Die hier gemachten Ausführungen zu zwei Zeitkonstanten gelten sinngemäß auch für die zusätzlichen Zeitkonstanten gemäß Bern Carbon Cycle Model. Wenn die hier gemachten Ausführungen stimmen, dann kann auch das Bern Carbon Cycle Model nicht richtig sein! Weil es beim Bern Carbon Cycle Model aber auch noch andere Probleme gibt, wird ihm in Ziff. 7 ein eigenes Kapitel gewidmet, in dem dann auf diese anderen Probleme näher eingegangen wird.
2. Das viele CO2 in der Atmosphäre ist anthropogen:
Weil die anthropogenen Freisetzungen nach Meinung von IPCC die einzige Störung sind, sind sie voll für den beobachteten Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration seit 1750 verantwortlich. Andere Ursachen sind nicht existent, zumindest aber vernachlässigbar. Damit die anthropogenen Freisetzungen den genannten Anstieg aber überhaupt bewirkt haben können, müssen sie ausreichend lange in der Atmosphäre verbleiben. Für ihre Entnahme aus der Atmosphäre muss daher eine lange Zeitkonstante gelten (das gilt wieder nicht für die individuellen Moleküle, sondern nur für eine entsprechende Menge an Molekülen).
3. Die Hälfte verbleibt in der Atmosphäre:
Aus der beobachteten Konzentrationszunahme von 2 ppm / a und den anthropogenen Freisetzungen von 4 ppm / a schließt IPCC, dass die Hälfte der anthropogenen Freisetzungen in der Atmosphäre verbleibt und die andere Hälfte wieder ausgeschieden wird. Der verbleibende Anteil wird als »airborne fraction« bezeichnet.
Anmerkung: 50 % Verbleib ist ein gerundeter Wert. Manchmal wird als genauerer Wert 43 % angegeben. Manchmal auch ein leicht anderer Wert. In dieser Arbeit hier wird grundsätzlich der gerundete Wert »50 %« verwendet. Und nochmals der Hinweis auf das Bern Carbon Cycle Model: In dem Modell verbleiben nur ca. 20 % der anthropogen freigesetzten Moleküle dauerhaft in der Atmosphäre. Aber wenn die Zurückweisung der 50 % richtig ist, dann gilt das auch für die 20 %! Das gilt unabhängig von den anderen Problemen im Bern Carbon Cycle Model, die in Ziff. 7 besprochen werden.
4. Reduktion auf null erforderlich:
Weil der Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration proportional zu den anthropogenen Freisetzungen weitergeht (feste, möglicherweise sogar mit der Zeit größer werdende airborne fraction), fordert IPCC, die anthropogenen Freisetzungen vollständig einzustellen, um eine anderenfalls drohende Klimakatastrophe abzuwenden!
Anmerkung: Diese 4 Punkte sowie die in der vorigen Ziffer aufgeführten 5 Punkte sind natürlich nur eine subjektive Auswahl der vermeintlich besonders wichtigen Grundlagen bzw. Schlussfolgerungen von IPCC. Sie versuchen aber zusammenzufassen, wie der Autor die IPCC-Berichte /1/ bis /5/ und viele andere wissenschaftliche Literatur hierzu interpretiert. Missverständnisse können nicht ausgeschlossen werden, es ist aber eher unwahrscheinlich, dass sie die in diesem Buch gezogenen Schlussfolgerungen infrage stellen.
Die Interpretation der Ausgangslage durch IPCC (Ziff. 3) und die von IPCC hieraus abgeleiteten Konsequenzen (Ziff. 4) werden in der wissenschaftlichen Literatur zum Teil äußerst kontrovers diskutiert. Gestritten wird sowohl über Grundsätzliches als auch über zahlreiche Einzelpunkte. Einige für eine Gesamtbeurteilung besonders wichtige Punkte werden nachfolgend erörtert und bewertet. Eine zentrale Rolle wird dabei immer wieder die Frage spielen, ob die Zunahme der CO2-Konzentration in der Atmosphäre um fast 50 % vollständig den anthropogenen Freisetzungen geschuldet sein kann, oder ob eine andere Ursache erheblich dazu beigetragen haben muss. Angestrebt wird jeweils eine in sich geschlossene und möglichst nachvollziehbare Argumentation. Durch Überschneidungen der Punkte lassen sich dabei manche Wiederholungen einzelner Sachverhalte oder Aussagen leider nicht vermeiden.
Um das Jahr 1000 herum war das Klima ähnlich warm, wie es heute ist (»Mittelalterliches Klimaoptimum«). Dann kam die »Kleine Eiszeit« mit einer deutlichen Abkühlung. Ihren Höhepunkt (eigentlich Tiefpunkt) hatte die Kleine Eiszeit ca. 1650, ihr Ende fand sie ca. 1850. Auch wenn die für das Jahr 1750 rekonstruierte CO2-Konzentration von 280 ppm weitgehend unumstritten ist, dass damals ein Gleichgewichtszustand vorgelegen haben soll, das ist keinesfalls gesichert.
Ohne Änderung kann kein Ende eingetreten sein!noch nie einen 270 Jahre langen Zeitraum mit konstantem Klima