Treibhauseffekt und Emissionsszenarien Wie wirken sich Änderungen in der Zusammensetzung unserer Atmosphäre auf das Klimageschehen aus?

Frühere Szenarien des Weltklimarates IPCC

Eine der gesellschaftlich relevantesten Aufgaben der Klimaforschung sind Berechnungen der möglichen Entwicklung des künftigen Klimas bei einer weiter ansteigenden Treibhausgas-Konzentration. Die zukünftigen Emissionen von anthropogenen Treibhausgasen und Aerosolen sowie die Änderungen der Landnutzung sind von ökonomischen, technologischen, sozialen und politischen (auch klimapolitischen) Entwicklungen abhängig, die grundsätzlich nicht vorhersagbar sind.

Die Klimaforschung geht daher von einer breiten Varianz von Annahmen über die künftige sozioökonomische Entwicklung der Menschheit aus, aus denen sie eine vielfältige Palette von Emissions- und Konzentrations-szenarien mit Hilfe von Klimamodellen berechnet, die wiederum die Grundlage für Modell-Simulationen zur künftigen Klimaentwicklung bilden. Das Ergebnis ist keine Vorhersage oder Prognose der Zukunft der klimatischen Verhältnisse auf der Erde, sondern sind Projektionen bzw. Entwürfe alternativer zukünftiger Entwicklungen des Klimas.

Die Szenarien, die für verschiedene Modell-Generationen entwickelt werden, dienen außerdem dazu, die Ergebnisse der zahlreichen Modellgruppen der Klimaforschung vergleichbar zu machen. Die Entwicklung der Szenarien wird vom Weltklimarat IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) koordiniert.

Abb. 1: Projektionen der CO₂-Konzentration nach den IS92-Szenarien (SkepticalScience, 2011)

Der IPCC veröffentlichte seinen ersten Satz von Szenarien im Jahr 1992 unter der Bezeichnung IS92 (IPCC-Szenarien von 1992). Er bestand aus sechs Szenarien (IS92a-f) und berücksichtigte neben den wichtigsten Treibhausgasen zum ersten Mal räumlich differenziert die direkten und indirekten Effekte von anthropogenen Aerosolen als relevanten Einfluss auf die Klimaentwicklung. Dabei wurde allerdings im Gegensatz zu heutigen Auffassungen ein starker Aerosol-Antrieb auch für das gesamte 21. Jahrhundert angenommen (SkepticalScience, 2011). Die frühen Szenarien haben wesentliche Bestandteile der Klimaentwicklung schon recht gut abgebildet. So war die projizierte CO₂-Konzentration des mittleren Szenarios IS92a von 405 ppm für 2016 nahezu identisch mit dem später gemessenen Betrag (Abb. 1), während die modellierten Temperaturen für die 2010er Jahre etwas unterhalb der späteren Messwerte lagen (Hausfather, Z., CarbonBrief, 2017). Die IS92-Szenarien waren die Grundlage für den 2. Bericht des IPCC von 1995.

Die SRES-Szenarien

Im Jahr 2000 wurden die IS92-Szenarien durch die sogenannten SRES-Szenarien (Special Report on Emissions Scenarios) ersetzt, die die sozioökonomischen Entwicklungen im 21. Jahrhundert in den Sektoren Bevölkerungswachstum, ökonomische und soziale Entwicklung, technologische Veränderungen, Ressourcen-Verbrauch und Umweltmanagement gründlicher als bis dahin berücksichtigten. Die in die "Szenario-Familien" A1, B1, A2 und B2 unterteilten 40 Klimaszenarien lagen sowohl dem 3. Bericht des Weltklimarats IPCC von 2001 als auch dem 4. Bericht von 2007 zugrunde. Szenarien, die eine mehr an der Ökonomie orientierte Entwicklung beschrieben, wurden mit A gekennzeichnet, Szenarien mit einer ökologischen Ausrichtung mit B. Szenarien, die von einer eher global einheitlichen Entwicklung ausgingen, erhielten zusätzlich die Ziffer 1, und bei einer regional eher unterschiedlichen Entwicklung die Ziffer 2 (Abb. 2). Klimapolitische Maßnahmen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen wurden bei den SRES-Szenarien nicht in Betracht gezogen.

Abb. 2: Die SRES-Szenarien und ihre Antriebskräfte (Eigene Darstellung nach: IPCC 2000)

Die umweltorientierte und auf eine global koordinierte nachhaltige Entwicklung ausgerichtete Szenarien-Familie B1 der SRES-Szenarien führt zur geringsten Konzentration von Treibhausgasen und einer nur mäßigen globalen Erwärmung von 1,8°C zwischen dem Ende des 20. und dem Ende des 21. Jahrhunderts. Auch B2 strebt eine nachhaltige Entwicklung an, jedoch mit starken regionalen Unterschieden in der Realisierung und ist daher weniger in der Lage, den globalen Klimawandel zu begrenzen. A2 ist dagegen auf ein starkes Wirtschaftswachstum ausgerichtet, allerdings bei starker regionaler Konkurrenz. Ein nachhaltiger Energieverbrauch oder eine nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen spielen kaum eine Rolle, weshalb die Treibhausgas-Emissionen deutlich ansteigen und die globale Erwärmung im 21. Jahrhundert um 3,4°C zunimmt.

Die Szenario-Familie A1 ist nach den dominierenden Energiesystemen in drei Gruppen unterteilt: A1FI setzt bei einer dynamischen Wirtschaftsentwicklung intensiv auf die Nutzung fossiler Energien, wodurch es zu einem hohen CO₂-Anstieg kommt und zu einer Erwärmung, die mit 4,0°C auch den Temperaturanstieg der A2-Familie noch übertrifft. A1T kann dagegen trotz eines hohen Wirtschaftswachstums aufgrund des Einsatzes moderner Technologien in der Energieerzeugung die Erwärmung wie B2 auf 2,4°C begrenzen. Das A1B-Szenario beschreibt einen Mittelweg zwischen A1FI und A1T und steuert auf eine Erwärmung von 2,8°C zu (IPCC: AR4, WGI, Climate Change 2007).

Die RCP-Szenarien

Für den 5. Bericht von 2013 wurden sogenannte „Repräsentative Konzentrationspfade“ (Representative Concentration Pathways - RCPs) entwickelt, die sich auf publizierte Forschungsbeiträge stützten. Die beschriebenen Verläufe der Treibhausgaskonzentrationen sind repräsentativ, weil die vier Szenarien RCP2.6, RCP4.5, RCP6 und RCP8.5 für eine größere Anzahl von in der wissenschaftlichen Literatur beschriebenen Konzentrationsverläufen stehen. Die RCPs heißen Konzentrations-Pfade, weil bei ihnen die wachsende Treibhausgas-Konzentration und daraus abgeleitet der zusätzliche Strahlungsantrieb (Der Strahlungsantrieb bezeichnet die Änderung der Strahlungsbilanz der Atmosphäre durch anthropogene Treibhausgase, Aerosole und Veränderungen an der Erdoberfläche seit Beginn der Industrialisierung), der den Energiehaushalt der Erde verändert, den Ausgangspunkt der Modellsimulationen bilden, und nicht die sozio-ökonomischen Entwicklungen wie bei den SRES-Szenarien. Die Ziffern, die die RCP-Szenarien unterscheiden, beziehen sich auf die Änderung des Strahlungsantriebs bis 2100 gegenüber dem vorindustriellen Antrieb. So steht RCP6.0 für einen zusätzlichen Strahlungsantrieb durch anthropogene Treibhausgase von 6,0 W/m₂ im Jahre 2100 im Vergleich zu 1850.

Der wesentliche Unterschied zu den SRES-Szenarien besteht in einem geänderten methodischen Vorgehen zur Erstellung der Szenarien. Für die SRES-Szenarien wurden in einem Schritt für Schritt-Prozess zunächst sozioökonomische Szenarien entwickelt und daraus Änderungen der Emissionen von Treibhausgasen und Aerosolen sowie Landnutzungsänderungen abgeleitet, woraus wiederum die Konzentrationen von Treibhausgasen und Aerosolen in der Atmosphäre und schließlich die Strahlungs- und Klimaänderungen berechnet wurden. Dieser aufwendige und hohe Computerressourcen beanspruchende Prozess wurde bei den RCP-Szenarien verkürzt. Den RCP-Szenarien liegen spezifische Treibhausgas-Konzentrationen (z.T. auch korrespondierende Emissionen) zugrunde, die nicht direkt auf sozioökonomischen Narrativen basieren. Vielmehr sind verschiedene sozio-ökonomische Entwicklungspfade denkbar, die zu den Konzentrationspfaden führen können. Dazu können auch Klimaschutzmaßnahmen gehören.

Da in den Modellrechnungen Konzentrationen und Emissionen vorgeschrieben sind und nicht der Strahlungsantrieb, stimmen die Ergebnisse der RCP-Szenarien nicht exakt mit den Strahlungswerten (z.B. 6,0 W/m₂) überein. Diese sind lediglich als Vergleichsgrößen zu verstehen, unter denen sich einzelne Modellrechnungen subsumieren lassen. Das Mittel der Modellergebnisse entspricht daher auch nicht den Richtwerten des Strahlungsantriebs, sondern weicht davon ab (IPCC: Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 12.3.1.3 & Box 1.1). So liegt der Strahlungsantrieb 2100 gegenüber der vorindustriellen Zeit (ca. 1765) bei dem Szenario RCP8.5 nicht bei 8,5 W/m₂, sondern bei 8,0 W/m₂ und der des Szenarios RCP4.5 bei 4,1 W/m₂ statt bei 4.5 W/m₂.

Abb. 3: Strahlungsantrieb bis 2100 im Vergleich zur vorindustriellen Periode bei den RCP- und ausgewählten SRES-Szenarien (IPCC: Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure 1.15)

Der Strahlungsantrieb des höchsten RCP-Szenarios RCP8.5 entspricht ziemlich genau dem des hohen SRES-Szenarios A2. Ebenso liegen RCP4.5 und B1 dicht beieinander. RCP6.0 entwickelt sich zunächst wie das B1-Szenario, weicht in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts aber zunehmend davon ab. Gänzlich neu ist das Szenario RCP2.6, das für eine Klimaänderung entwickelt wurde, die am Ende des 21. Jahrhunderts unter der als „gefährlich“ eingestuften Zunahme der globalen Mitteltemperatur um 2°C liegt. Dieses Klimaschutzszenario ist nur realisierbar, wenn die CO₂-Emissionen bis 2030 um 25% gegenüber 2010 abnehmen und um 2070 auf null sinken (IPCC, dt. Koordinierungsstelle, 2019).

Eine weitere Möglichkeit wären sog. negative Emissionen, bei denen der Atmosphäre durch das Pflanzen von Bäumen, künstlich angetriebenes Algenwachstum im Ozean oder dem Abfangen von Kohlendioxid bei Verbrennungsprozessen und anschließender Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) CO₂ entzogen wird. Inzwischen wurde das Klimaschutzziel auf der Pariser Klimakonferenz von 2015 auf 1,5°C gesenkt, worauf die aktuellen SSP-Szenarien, die den Modellsimulationen für den 6. IPCC-Bericht zugrunde liegen wereden, reagiert haben.