Abb. 10: Spektrale Verteilung der Bruttobodenstrahlung (a), der Gegenstrahlung (b) und der Nettobodenabstrahlung als Differenz von a und b (c) bei wolkenlosem Himmel (nach Roedel 1991)
Wie Satellitenmessungen zeigen, werden im Mittel exakt 237 W/m2 als Wärmestrahlung aus dem System in den Weltraum zurückgestrahlt. Unser Klimasystem befindet sich somit im Gleichgewicht eingestrahlter und ausgestrahlter Energie. Diesem Gleichgewicht würde eine mittlere Temperatur der Erdoberfläche von -19 °C entsprechen. Tatsächlich beträgt diese +15 °C liegt also um 34°C- höher. Dies verdanken wir dem Treibhauseffekt, der darauf beruht, daß die Atmosphäre Beimengungen von H2O, CO, O3, N2Ound CH4 (in der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit für den Treibhauseffekt) enthält, die einen Teil der thermischen Strahlung, welche die Erde ausstrahlt, absorbieren und entsprechend ihrer Temperatur als IR-Strahlung reemittieren können. Diese Strahlungsemission der Treibhausgase erfolgt isotrop in alle Richtungen, also auch zurück zur Erde. Diese erhält durch diese "atmosphärische Gegenstrahlung- (Abb. 10b) somit Energie zurück und kann daher eine höhere Gleichgewichtstemperatur aufrechterhalten, als dies ohne Treibhausgase der Fall wäre.
 
Folgen des sich verstärkenden Treibhauseffektes

Der an sich segensreiche Treibhauseffekt nimmt kontinuierlich zu.. weil die atmosphärischen Anteile der Treibhausgase als Folge menschlicher Aktivitäten ansteigen (s. Abschnitt 1). Dadurch wird mehr IR-Energie von der Atmosphäre abgestrahlt, was einerseits die Gegenstrahlung zum Erdboden verstärkt und dort zu einem allmählichen Ansteigen der Temperatur führt, was aber gleichzeitig verstärkte Strahlungskühlung in den höheren Atmosphärenschichten oberhalb etwa 20 km bewirkt (s. z. B. Ratnanathan et al. 1985). Allein der seit der Industrialisierung erfolgte Anstieg des CO2-Gehaltes um 75 ppm ist einer zusätzlich absorbierten Strahlungsenergie von 1,5 W/m2 äquivalent. Die Treibhauswirkung der einzelnen Gase hängt von der spektralen Verteilung ihrer IR-Absorptionsbanden ab. Man definiert ein relatives Treibhauspotential (relativ zur gleichen Molekülzahl von CO,). das besonders hoch für solche Treibhausgase ist, die im Bereich des atmosphärischen Fensters absorbieren (s. Abb. 10). CH, und N2O die bei etwa 8 pm bzw. 8,2 pm am Rande dieses Fensters absorbieren, besitzen ein relatives Treibhauspotential von 21 bzw. 206, während Ozon und die meisten CFKW, CKW, HCKW und HCFKW, die sämtlich im Fensterbereich absorbieren, auf relative Treibhauspotentiale zwischen 2000 und 16000 kommen (Enquêtekommission 1991). Hier können bereits wesentlich kleinere Mengen einen CO2 äquivalenten Beitrag leisten.

Die Zunahme des Treibhauseffektes durch alle anthropogenen Eingriffe ist etwa doppelt so groß wie diejenige durch CO, allein. Man definiert eine "äquivalente CO, Konzentration-, bei der neben CO, die gemäß den Treibhauspotentialen gewichteten Anteile der anderen Treibhausgase hinzugerechnet werden (Abb. 12). Nach dem heutigen Emissionsszenario wird sich die CO2 - Konzentration gegenüber dem Wert von 1850 bis zum Jahre 2030 etwa verdoppelt haben.

Die Berechnung des zukünftigen Klimas ist eine schwierige und komplexe Aufgabe, welche die größten und schnellsten Rechner erfordert. Sie ist mit großen Unsicherheiten behaftet, da noch viele Prozesse im Klimasystem nicht oder nur sehr ungenau berechnet werden können. Die Zunahme der Treibhausgase ist durch weltweite Messungen bewiesen, und die hieraus resultierende absorbierte Zusatzenergie ist genau zu berechnen. Wie sich diese zusätzliche Energie jedoch im Klimasystem verteilt, wie diese Verteilung in der Atmosphäre durch die angekoppelte Ozeanzirkulation, die Eismassen der Kryosphäre und den Wasserkreislauf verändert oder verzögert wird, ist heute noch umstritten.

Für eine Verdoppelung des äquivalenten CO2-Gehaltes. die etwa um 2030 zu erwarten ist. werden sich die globalen Mitteltemperaturen um etwa 2,5 K erhöhen (Schwankungsbereich der Prognosen: 1,5 bis 4,5 K) (IPCC 1990, Enquête-Kommission 1991).

Oberhalb 15 km Höhe wird sich die Atmosphäre abkühlen. Diese Abkühlung wird im Bereich der Stratopause mit 3 bis 5 K am größten sein. Ungleich stärker wird sich die Stratosphäre als Folge des fortschreitenden Ozonschwundes abkühlen (s. Abschnitt 2.4). Im Bereich der Stratopause ist bis 2030 mit einer Abkühlung um 12 bis 14 K zu rechnen, die sich der Abkühlung als Folge des fortschreitenden Treibhauseffektes überlagert.

Diese massiven Eingriffe werden nicht ohne Wirkung auf die atmosphärischen Zirkulationssysteme bleiben, mit Folgen für die globale Verteilung der Niederschläge. für die eine Abnahme im Breitenbereich 30° S bis 30° N prognostiziert wird. Die atmosphärische Schichtung wird zunehmend instabiler. was die Entstehung katastrophaler Stürme. Hurricans etc. begünstigt. Der Anstieg des Meeresspiegels, der heute schon etwa 15 cm/Jahrhundert beträgt. wird sich verstärken. weil Eismassen kontinentaler Gletscher schneller schmelzen werden und die thermische Ausdehnung der wärmer werdenden Ozeane diesen Anstieg noch verstärken wird. (s. z. B. Schlesinger 1991, Flohn et al. 1992. Cubasch 1992).

Indizien für globale Klimaveränderungen

Das irdische Klima war im Laufe der Erdgeschichte erheblichen durch natürliche Prozesse bedingten Schwankungen unterworfen. Die Entwicklung der letzten 200000 Jahre, die aus Bohrkernen im antarktischen Eis rekonstruiert werden kann (Lorius et al. 1990), ist in ihrem Wechsel von Warm- und Kaltzeiten durch die Prozession der Erdrotationsachse (Periode von 19000 bis 213000 Jahren), die Schiefe der Ekliptik (Periode etwa 41000 Jahre) und die Exzentrizität der elliptischen Erdbahn (Periode etwa 100000 Jahre zu erklären (Milankovitch l930, Lamb 1977, Brocken und Denton, 1990).

Diese langperiodischen Klimaschwankungen werden sicherlich auch in Zukunft erfolgen, im Zusammenhang mit den hier diskutierten Immissionswirkungen sind sie jedoch ohne Relevanz. Hier ist vielmehr zu fragen: gibt es Indizien dafür. daß die seit Beginn der Industrialisierung, also über die letzten 100 bis 200 Jahre erfolgten Veränderungen der atmosphärischen Zusammensetzung bereits klimawirksam sind: hat sich der Treibhauseffekt bereits verstärkt?

Seit etwa 100 Jahren hat sich weltweit eine Erwärmung um 0,6 K vollzogen (Jones und Wigley, 1990). Während dieser Zeit hat sich der CO2-Gehalt der Atmosphäre um 60 ppm erhöht. Extrapoliert man diese Erwärmung auf eine CO2Verdoppelung. ergäbe dies eine Temperaturerhöhung von etwa 3 K, also genauso viel, wie die Klimamodelle berechnen. Dennoch ist die beobachtete Erwärmung, von 0,6 K kein Beweis dafür, daß der wachsende Treibhauseffekt bereits klimawirksam ist, denn Schwankungen dieser Größenordnung hat man zu allen Zeiten beobachtet.

Sie ist eines der vielen Indizien weltweit beobachteter Klimaanomalien, welche in ihrer Gesamtheit keinen Zweifel daran lassen, daß sich der fortschreitende Treibhauseffekt bereits jetzt in deutlichen Klimaänderungen manifestiert. Genannt seien zum Beispiel die zunehmende Erwärmung des tropischen Ozeans und der Anstieg des atmosphärischen Wasserdampfgehaltes über den Tropen (Flohn 1988), die sich seit 1960 kontinuierlich vermindernden Niederschläge zwischen 5° und 35° N, insbesondere in der Sahelzone (Flohn 1988), die dagegen zunehmenden Niederschläge zwischen 35° und 70° N (Bradley   1987, Dia,- et al. 1989). Genannt seien auch Berichte über die Zunahme von Trockenzeiten (Karl und Heim 1990), die Rückgänge der Alpengletscher (Maisch 1989) und den Anstieg des Meeresspiegels (Flohn 1988). Sehr gewichtige Indizien sind ferner die signifikante Abkühlung der Stratosphäre beider Hemisphären (Angel 1988) sowie der Mesosphäre (Taubenheim et al. 1990). Keines dieser Indizien ist für sich ein Beweis für die sich vollziehende Klimaveränderung, Der überwiegende Teil der in aller Welt beobachteten Klimaanomalien ist aber im Einklang mit den von den Klimamodellen berechneten Prognosen und stellt somit gewissermaßen die Basis für einen Indizienbeweis dar. Die beobachteten Anomalien werden sich verstärken. und in kommenden Jahrzehnten dürfte mit einer Zunahme der Häufigkeit extremer Wetterlagen und extremer Jahreszeiten zu rechnen sein (s. hierzu Hansen und Lebedeff 1987, Schönwiese und Stähler 1991, Schönwiese und Runge 1991, White 1993).

Abschließend sei auf ein interessantes Beispiel der Koppelung von Immissionswirkungen und Klimaveränderungen hingewiesen: Austin et al. (1992) berechnen, daß die durch CO2-Verdoppelung initiierte stratosphärische Abkühlung Bedingungen schafft, unter denen sich im Frühjahr auch Über der Arktis ein Ozonloch ähnlich dem heute über der Antarktis beobachteten entwickeln kann.