Stadt Krefeld

Angesichts der verheerenden Auswirkungen einer global wirkenden Klimakrise sieht sich die Stadt Krefeld mit vielfältigen Herausforderungen konfrontiert. Dieser Verantwortung will die Stadt nachkommen und hat hierzu im Rahmen des integrierten Klimaschutzkonzeptes "KrKN35" den Weg zu weitgehender Treibhausgasneutralität bis bestenfalls 2035 geebnet.

Anthropogene Klimabeeinflussung

Mit wachsender wissenschaftlicher Erkenntnis über die vielfältigen Mechanismen, welche den neuzeitlichen Wandel des Klimas verursachen, hiermit einhergehen und wechselwirken, stieg die Evidenz über den anthropogenen Einfluss auf die Erwärmung der Erdatmosphäre. Dieser begann mit einem kontinuierlich fortschreitenden Anstieg der durch anthropogene Emissionen bedingten atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen ab dem Jahr 1750 (Masson-Delmotte, et al., 2021).
Im sechsten Sachstandsbericht des IPCC werden hierzu klare Worte gewählt: „It is unequivocal that human influence has warmed the atmosphere, ocean and land. Widespread and rapid changes in the atmosphere, ocean, cryosphere and biosphere have occurred." (Masson-Delmotte, et al., 2021).

Observierte Erwärmung der bodennahen Lufttemperatur

Die observierte Erwärmung der bodennahen Lufttemperatur *1 ist im Durchschnitt der ersten zwei Jahrzehnte des 21. Jahrhunderts (2000- 2020) im Mittel 0,99 Kelvin (auch Grad Celsius) wärmer als im vieljährigen Mittel der Klimaperiode von 1850-1900, wobei die bodennahen Lufttemperaturen an Land stärker stiegen als über Ozeanen. Durch Observationen zeigte sich zudem, dass die letzten vier Dekaden im Mittel sukzessive wärmer waren als jede vorangegangene Dekade seit 1850. Die Erhöhung der atmosphärischen Treibhausgaskonzentration ist der Haupttreiber der seit 1979 observierten Erwärmung der Troposphäre, was die unterste Schicht der Erdatmosphäre meint (very likely *2) (Masson-Delmotte, et al., 2021).

*1 Die Messung der bodennahen Lufttemperatur erfolgt auf 2 Metern Höhe.
*2 Nach Definition des IPCC beschreibt sich das Maß an Vertrauen von im Sachstandbericht getätigten Aussagen wie folgt: virtually certain = 99- 100%, very likely = 90- 100 %, likely = 66- 100%, about as likely as not = 33- 66%, unlikely = 0- 33%, very unlikely 0- 10 %, exceptionally unlikely 0- 1% Wahrscheinlichkeit.

Welche Mechanismen stecken hinter dem Klimawandel? Die Physikalische Grundlagen

Vor dem Hintergrund des offensichtlich großen Einflusses anthropogener Treibhausgasemissionen auf den neuzeitlichen Wandel des Klimas werden die physikalischen Grundlagen des Energiehaushaltes der Erdatmosphäre im Folgenden näher beschrieben.
Alles Leben auf der Erde sowie das Klima hängen von der Sonne und den damit verbundenen astrophysikalischen Gegebenheiten ab. Die von der Sonne ausgehende Energie wirkt für das Klimasystem der Erde als primärer Klimafaktor. Bei der Betrachtung der auf das Klimasystem der Erde einwirkenden Strahlung kann zwischen kurzwelliger *3 (solarer) Strahlung, welche direkt von der Sonne auf die Erde einstrahlt, sowie langwelliger *4 (terrestrischer) Strahlung, welche durch Körper abgestrahlt wird, denen zuvor durch solare Strahlung Energie zugeführt wurde, unterschieden werden (Schönwiese, 2020).

*3 Das betrachtete elektromagnetische Wellenspektrum liegt bei 0,3 μm bis ~ 3,5 μm (Spektrum, 2022).
*4 Die betrachtete elektromagnetisches Wellenspektrum liegt bei 3,5 μm bis 100 μm (Spektrum, 2022).

Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erdatmosphäre

Solare Strahlung erreicht die Erdoberfläche in Form von direkter Sonneneinstrahlung sowie diffuser Himmelsstrahlung. Ein Teil der ankommenden Sonneneinstrahlung wird von Gasen und Partikeln in der Atmosphäre absorbiert, was eine direkte Erwärmung der Atmosphäre zur Folge hat. Ein weiterer Teil der ankommenden solaren5 Strahlung wird an den Gasen und Partikeln der Atmosphäre gestreut und gelangt schließlich durch Mehrfachstreuung anteilig in Form von diffuser Himmelsstrahlung an die Erdoberfläche sowie in den galaktischen Raum. Die Gesamtvorgänge aus Absorption und Streuung der solaren Strahlung werden als Extinktion bezeichnet (Schönwiese, 2020).
Jener Teil der solaren Strahlung, welcher nicht der Extinktion unterliegt und somit direkt auf die Erdoberfläche auftrifft, wird als direkte Sonneneinstrahlung, auch Transmission, bezeichnet. Im Gesamten spricht man bei der Summe aus diffuser Himmelsstrahlung und direkter Sonneneinstrahlung von der Globalstrahlung (Schönwiese, 2020).

Strahlungsbilanz der Erde

Mit Hilfe der Strahlungsbilanz der Erdatmosphäre und Erdoberfläche lässt sich vollständig der Strahlungshaushalt der Erde beschreiben. Die Strahlungsbilanz der Erde beschreibt die prozentualen Anteile der globalen, vieljährig gemittelten kurz- und langwelligen Strahlungsenergieflüsse im System der Erdatmosphäre, welche sich über alle Wellenlängen zeitlich integriert im Fließgleichgewicht befinden. Die Bilanz ist bezogen auf die von der Sonne ausgehenden und auf der Erdatmosphäre auftreffenden solaren Strahlung. Es wird eine differenzierte Betrachtung vorgenommen zwischen der Obergrenze der Erdatmosphäre, der gesamten Erdatmosphäre sowie der Erdoberfläche. Die Strahlungsbilanz wird angegeben für kurzwellige- und langwellige Strahlung (Kelletat, 2022).

Betrachtung des solaren Strahlungsganges

Die am oberen gedachten Teil der Atmosphäre ankommende solare Strahlung besitzt eine Energiedichte von 1367 Watt/m2. Aufgrund der Kugel-Form der Erde und der Tatsache, dass immer nur lediglich eine Hälfte der Erde zugleich Solarer Strahlung
ausgesetzt ist, wird in der Strahlungsbilanz mit einem Viertel der Solarkonstante, also 341,75 Watt/m^2 gerechnet.

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Abbildung 1:Verteilung solarer Strahlung auf der gesamten Erdkugel (eigene Darstellung)

Nimmt man die auftreffenden 341,75 Watt/m2 als Basiswert (I0=100%), so werden hiervon 50% als direkte Strahlung, also frei von Extinktion auf der Erdoberfläche auftreffen, wovon nach der teilweisen Reflexion von Strahlung in den galaktischen Raum noch etwa 25% auf der Erdoberfläche verleiben und absorbiert werden. Durch Mehrfachstreuung gelangen ausgehend von Gasen und Wolken etwa 20% der an der Oberfläche der Atmosphäre auftreffenden solaren Strahlung in Form von diffuser Streustrahlung an die Erdoberfläche.
Etwa 30% der ankommenden Strahlung ausgehend von der Erdoberfläche (5%) sowie in der Atmosphäre befindlichen Wolken und Gasen (25%) werden zurück in den galaktischen Raum reflektiert. Hierbei spricht man vom Albedo des terrestrischen Systems (Schönwiese, 2020).

Betrachtung des terrestrischen Strahlungsganges

Der am oberen Rand der Erdatmosphäre auftreffenden kurzwelligen Strahlung wird die langwellige terrestrische Strahlung in Relation zueinander gesetzt. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ergibt sich für die Wärmeausstrahlung (Energieflussdichte) der Erde ein Wert von etwa 390 Watt/m2 (Schönwiese, 2020).
Setzt man die von der Erdoberfläche ausgehende terrestrische Strahlung mit der am oberen Rand der Erdatmosphäre auftreffenden solaren Strahlung in Relation, so zeigt sich, dass die terrestrische Wärmeabstrahlung zunächst etwas höher als die effektive solare Sonneneinstrahlung ist (Schönwiese, 2020).

Die terrestrische Strahlung unterliegt jedoch ebenso wie die solare Strahlung der Extinktion. Dies bedeutet, dass Strahlung durch Absorption und Streuung in der Erdatmosphäre verbleibt. Die aus der Extinktion resultierende Rückstrahlung liegt bei 96% der ausgehenden terrestrischen Strahlung, sodass die effektive terrestrische Ausstrahlung nur 18% beträgt. Dieser Unterschied von nur 18% effektiver terrestrischer Ausstrahlung statt 114% potenzieller terrestrischer Ausstrahlung, welchen es ohne die Wolken und Gase der Erdatmosphäre nicht gäbe, wird als Treibhauseffekt bezeichnet (Schönwiese, 2020).
Durch die Wärmeabstrahlung der Atmosphäre (10% Wolken, 56% Treibhausgase) sowie direkt durch die Erdoberfläche (14%) gelangen 70% der abgestrahlten terrestrischen Strahlung in den interplanetarischen Raum (Schönwiese, 2020).
Somit ergibt sich aus der Gesamtbilanz der einstrahlenden kurzwelligen Strahlung (- 70%) und ausstrahlenden terrestrischen Strahlung (70%) sowie der Energiebilanz der Erdoberfläche (27%) und der ebenso großen Energiebilanz der Erdatmosphäre (-27%) räumlich und zeitlich über alle Wellenlängen integriert ein Strahlungsgleichgewicht (Schönwiese, 2020). Der abwärts gerichtete Strahlungsfluss langwelliger Strahlung, welcher die Erde erreicht und zur Erwärmung der Erdoberfläche beiträgt, wird durch die Emission von Treibhausgasen positiv beeinflusst, sodass mehr Energie in der Atmosphäre verbleibt und es zu einer allmählichen Erwärmung der Troposphäre6 kommt (Schönwiese, 2020) (Spektrum, 2022).

Abbildung 2: Global und vieljährig gemittelte prozentuale Energieflüsse (Extraatmosphärische Einstrahlung I0 = 100%) im System Atmosphäre-Erdoberfläche, entsprechend terrestrische Ausstrahlung und resultierende Flüsse latenter sowie sensibler Wärme. (Schönwiese, 2020)

Quellen

Schönwiese, C.D. (2020). Klimatologie. Stuttgart: Eugen Ulmer KG

Spektrum. (10.05.2022): spektrum.de. Von: www.spektrum.de/lexikon/geographie/terrestrische-strahlung/8025

Spektrum. (10.05.2022): spektrum.de. Von: www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/sonnenstrahlung/15219

Spektrum. (05.05.2022): spektrum.de. Von: www.spektrum.de/lexikon/biologie/strahlungsbilanz/64111

Masson-Delmotte, V. et al. (2021). Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021. Cabridge University Press, Cabridge, United Kingdom and New York, NY, USA: IPCC.