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Stichwort planetare Grenzen: was passiert genau, wenn ein System sich im Gleichgewicht befindet und die Konzentrationen von Stoffe oder Bedingungen wie zum Beispiel die Temperatur sich ändern?
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Genau so etwas macht die Menschheit seit Beginn der Industrialisierung. Wir entlassen Jahr für Jahr immer mehr zusätzliches Kohlenstoffdioxid (CO2) in die Erdatmosphäre und das hat Konsequenzen für zahlreiche gekoppelte Systeme im gesamten Kohlenstoffkreislauf.
Aufgaben
- Beschreiben Sie anhand des Kreislaufdiagramms, auf welche Weisen CO2 in die Atmosphäre gelangt und auf welche Weisen es wieder aufgenommen wird. Was verändert sich durch menschliche Eingriffe?
- Erklären Sie, warum ein erhöhter CO2-Anteil in der Atmosphäre zu einer höheren mittleren globalen Temperatur führt.
- Erklären Sie in eigenen Worten, was ein Kipppunkt ist.
Kohlenstoffdioxid - Gas mit großer Wirkung
Der gesamte Kohlenstoff(dioxid)-Kreislauf
Der Kohlenstoff(dioxid)-Kreislauf1
Worauf sollte ich achten im Kreislaufdiagramm?
Suche nach Gesetzmäßigkeiten:
- Welche Prozesse geben CO2 an die Atmosphäre ab?
- Welche Prozesse nehmen CO2 auf?
- Was ändert sich durch menschliche Eingriffe?
Kurzgesagt hängt alles zusammen:
🏭 der CO2-Ausstoß bedingt durch die zunehmende Verbrennung fossiler Brennstoffe gelangt in die Atmosphäre, die Temperatur steigt ↔ Ozeane sind zwar ein Aufnahmereservoir, aber ihr pH-Wert fällt ↔ in der Kryosphäre, die hier gar nicht gezeigt ist, sehen wir das Abschmelzen der Gletscher und wegfallender Permafrost setzt weiteres CO2 frei ↔ wir beobachten eine Veränderung der Lithosphäre (z. B. Erosion) ↔ und insgesamt verändern sich die Bedingungen der Biosphäre 🌳.
Resultat: Wir beobachten ein massives Artensterben
Kipppunkte – wenn Gleichgewichte außer Kontrolle geraten
Ein Kipppunkt ist erreicht, wenn ein System sich selbst so stark verstärkt, dass es in einen neuen Zustand kippt – und nicht mehr einfach zurückgeht.
Ein Beispiel: Steigt die CO2-Konzentration in der Atmosphäre, erwärmt sich die Erde. Wärmere Temperaturen lassen Gletscher und Permafrostböden schmelzen. Dabei wird zusätzliches CO2 und Methan freigesetzt – Gase, die die Erwärmung weiter verstärken. Gleichzeitig nimmt die Löslichkeit von CO2 im Ozean mit steigender Temperatur wie wir sehen werden ab. Der Ozean, der bisher einen Teil unserer Emissionen geschluckt hat, verliert diese Pufferwirkung zunehmend.
Das ist dann eine Rückkopplung und die Ursache verstärkt sich selbst.
Ab einem bestimmten Punkt reicht es nicht mehr, einfach weniger CO2 auszustoßen. Genau das macht Kipppunkte so folgenreich – und unterscheidet sie auch von einer „einfachen, reversiblen Störung“ eines chemischen Gleichgewicht, wie wir sie jetzt kennenlernen werden.
Ein Blick in die Atmosphäre
Wie wirkt CO₂ als Treibhausgas?
Die Sonne sendet kurzwellige Strahlung zur Erde. Die erwärmte Erdoberfläche gibt langwellige Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) zurück in die Atmosphäre.
CO₂-Moleküle absorbieren diese Infrarotstrahlung: Die Bindungen im linearen Molekül O=C=O geraten in Schwingung. Anschließend wird die Energie in alle Richtungen wieder abgestrahlt – auch zurück zur Erde. Je mehr CO₂-Moleküle in der Atmosphäre, desto mehr Wärme wird zurückgehalten.
In der Animation siehst du das: Orangefarbene Pfeile steigen von der Erdoberfläche auf – das ist die Wärmestrahlung. In der CO₂-Schicht werden sie absorbiert und als dunkelrote Pfeile zurück zur Erde geworfen. Je mehr CO₂-Moleküle vorhanden sind, desto mehr Strahlung wird zurückgelenkt.
Warum ist die Zeitachse nicht gleichmäßig aufgeteilt?
Schau dir die Markierungen unter dem Regler an: 1900 und 1958 liegen sehr nah beieinander – obwohl 58 Jahre dazwischen liegen. 2000 und 2026 sind dagegen fast genauso weit voneinander entfernt – in nur 26 Jahren.
Der Regler misst keine Zeit, sondern CO₂-Konzentration. Die Position jedes Jahres richtet sich danach, wie viel CO₂ damals in der Atmosphäre war. Der Abstand zwischen zwei Markierungen zeigt also, um wie viel ppm die Konzentration in diesem Zeitraum gestiegen ist:
Warum ausgerechnet 1958? In diesem Jahr begann der amerikanische Wissenschaftler Charles David Keeling auf dem Vulkan Mauna Loa auf Hawaii, die CO₂-Konzentration der Atmosphäre systematisch zu messen – als Erster überhaupt, dauerhaft und präzise. Die daraus entstandene Kurve trägt seinen Namen: die Keeling-Kurve. Sie ist eines der bekanntesten Dokumente der Klimaforschung und zeigt erstmals lückenlos, wie der CO₂-Gehalt Jahr für Jahr steigt. Hawaii wurde gewählt, weil der Mauna Loa weit weg von Städten und Industrie liegt – die Luft dort ist besonders rein und repräsentativ für die gesamte Atmosphäre.
1958 → 2000 (42 Jahre): +54 ppm
2000 → 2026 (26 Jahre): +62 ppm
In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts war der weltweite Energieverbrauch noch vergleichsweise gering. Ab den 1960er Jahren beschleunigte sich alles: Massenmotorisierung, globaler Luftverkehr und rasantes Wirtschaftswachstum ließen den Ausstoß fossiler Brennstoffe explodieren. Mehr Verbrennung = mehr CO₂ in kürzerer Zeit.
Folgen und Kipppunkte
Bereits bei +1,5 °C Erwärmung (Pariser Klimaabkommen) drohen ernste Folgen: häufigere Extremwetterereignisse, Gletscherschmelze, Anstieg des Meeresspiegels und Verlust von Korallenriffen.
Kipppunkte sind Schwellenwerte, ab denen sich das Klimasystem selbst verstärkt – z. B. das Auftauen von Permafrostböden (setzt CH₄ frei) oder das Abschmelzen des Grönlandeises (reduziert die Reflexion der Sonnenstrahlung).
Zukunftsszenarien – was steckt hinter SSP5-8.5?
Niemand kann die Zukunft exakt vorhersagen. Deshalb arbeiten Klimaforscherinnen und -forscher mit Szenarien – verschiedenen Annahmen darüber, wie die Welt sich entwickeln könnte. Der IPCC (der Weltklimarat der Vereinten Nationen) nutzt dafür die sogenannten SSP-Szenarien.
SSP steht für Shared Socioeconomic Pathway – auf Deutsch: gemeinsamer gesellschaftlicher Entwicklungspfad. Die erste Zahl (1–5) beschreibt, wie die Gesellschaft sich verändert: Zahl 1 steht für eine nachhaltige, kooperative Welt; Zahl 5 für eine fossil-intensive, wachstumsorientierte Welt.
Die Zahl nach dem Bindestrich (z. B. 8,5) gibt an, um wie viel Watt pro Quadratmeter die Erde bis 2100 mehr Energie aufnimmt als abgibt – der sogenannte Strahlungsantrieb. Je höher dieser Wert, desto stärker die Erwärmung.
Woher kennen wir den Ausgangswert? Alle Temperaturangaben in den Szenarien beziehen sich auf das vorindustrielle Niveau – also auf die Zeit um 1750, bevor der Mensch nennenswert in den Kohlenstoffkreislauf eingegriffen hat. Woher wissen wir, wie die Atmosphäre damals war? Aus Eisbohrkernen: In Gletschern – zum Beispiel in der Antarktis – haben sich über Jahrtausende Schichten aus Schnee und Eis gebildet. Darin eingeschlossene Luftblasen konservieren die Luft vergangener Epochen, bis zu 800.000 Jahre zurück. Aus diesen Blasen lässt sich die CO₂-Konzentration direkt messen. Das Ergebnis: Um 1750 lag der CO₂-Gehalt bei etwa 280 ppm – dieser Wert ist aus mehreren unabhängigen Eisbohrkernen gut gesichert. Die globale Durchschnittstemperatur lässt sich dagegen nicht direkt messen; sie wird auf Basis von Proxydaten (Baumringe, Korallen, Sedimentkerne) auf rund ~14 °C geschätzt, mit einer Unsicherheit von etwa ±0,5 °C. Das ist der Nullpunkt, auf den sich alle Erwärmungsangaben beziehen – auch in dieser Simulation.
SSP2-4.5 → mittlere Maßnahmen → ca. +2,7 °C bis 2100
SSP5-8.5 → weiter wie bisher → ca. +4,4 °C bis 2100
Der rechte Rand dieses Reglers entspricht dem SSP5-8.5-Szenario für das Jahr 2050 – also dem pessimistischsten Fall, wenn der globale CO₂-Ausstoß weiter stark ansteigt.
Mehr CO2 führt zu höheren Temperaturen: Treibhauseffekt auf molekularer Ebene2