Von Gerhard Keller
Gerhard Keller hat Frage zum Thema Schwefeldioxidemissionen und Temperatur an eine KI gestellt. Hier der verblüffende Dialog:
Fragen an Meta-AI
Der verhältnismäßig starke Temperaturanstieg in Europa seit den 1980er Jahren, insbesondere in Deutschland, legt die Frage nahe, welchen Anteil die starke Reduktion des Schwefeldioxidausstoßes an diesem Anstieg hatte, die ja gleichzeitig stattfand. Der leichte Rückgang der globalen Temperatur von 1945 bis 1975, der trotz des zunehmenden CO₂-Ausstoßes stattfand, wird ja andererseits mit den zunehmenden Aerosolen, vor allem mit dem Anstieg der Schwefeldioxidemissionen und den dadurch entstehenden Sulfaten, erklärt.
Im letzten IPCC-Bericht werden etwa 25% der Temperaturzunahme in Europa in den letzten Jahrzehnten auf die Abnahme dieser Emissionen zurückgeführt. Da diese Aerosole hauptsächlich in der Region wirken, in der sie ausgestoßen worden sind, ist vor allem in Deutschland, wo die Schwefeldioxidemissionen seit 1980 drastisch zurückgegangen sind, eine starke Temperaturzunahme zu erwarten. Laut Bundesumweltamt betrugen diese Emissionen im Jahr 1980 in Gesamtdeutschland 7,7 Tonnen pro Jahr, heute weniger als 0,25 Tonnen.
Insgesamt stellt sich die Frage, welcher Beitrag in der Temperaturentwicklung „seit der Industrialisierung“ in Europa, insbesondere in Deutschland, auf die Zu- und Abnahme der Schwefeldioxidemissionen zurückzuführen ist.
Darüber habe ich folgenden Dialog mit Meta-AI geführt.
Auf meine (GK) Frage an Meta-AI (AI) zum Zusammenhang von Schwefeldioxidemissionen und Temperaturänderungen fand folgender Dialog statt:
AI: Schwefeldioxid-Emissionen können tatsächlich die Temperatur beeinflussen, allerdings auf eine unerwartete Weise: Sie können sie senken. Hier ist, wie das funktioniert:
– Schwefeldioxid wird in die Atmosphäre freigesetzt, entweder durch natürliche Ereignisse wie Vulkanausbrüche oder theoretisch durch Geoengineering-Maßnahmen.
– Dort reagiert es mit der Luftfeuchtigkeit zu Schwefelsäure und bildet kleine Schwefelsalz-Partikel, sogenannte Sulfatpartikel.
– Diese Partikel reflektieren einen Teil der Sonnenstrahlung zurück ins Weltall, was zu einer Abkühlung der Erdoberfläche führt.
…
In Deutschland selbst sind die Schwefeldioxid-Emissionen seit 1990 um 95 Prozent gesunken, vor allem durch technische Maßnahmen und den Einsatz schwefelarmer Brennstoffe. Hauptverursacher der Schwefeldioxid-Emissionen sind stationäre Feuerungsanlagen der Kraft- und Fernheizwerke der Energiewirtschaft und die Industriefeuerungen des Verarbeitenden Gewerbes.
GK: Die Veränderung der Sonneneinstrahlung z.B. durch Schwefeldioxid wird in Watt pro Quadratmeter gemessen. Wie groß ist die Temperaturveränderung, wenn sich die Strahlung um 1 W/m2 verändert?
AI: Die Veränderung der Temperatur aufgrund einer Veränderung der Strahlungsbilanz (gemessen in Watt pro Quadratmeter) hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die spezifischen Eigenschaften der Atmosphäre und der Erdoberfläche. Ein vereinfachtes Modell zur Abschätzung der Temperaturveränderung aufgrund einer Veränderung der Strahlungsbilanz bietet die sogenannte *Klimasensitivität*.
Die *Gleichgewichtsklimasensitivität* (ECS) ist ein Maß dafür, wie stark sich die globale Durchschnittstemperatur ändert, wenn die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre sich verdoppelt. Sie wird oft in °C pro Verdopplung der CO₂-Konzentration angegeben. Um die Temperaturveränderung aufgrund einer Veränderung der Strahlungsbilanz (in Watt pro Quadratmeter) abzuschätzen, wird häufig ein Wert von etwa 0,8 bis 1,2 °C pro W/m² verwendet. Dieser Wert wird auch als *Klimasensitivitätsparameter* bezeichnet.
Wenn wir also eine Veränderung der Strahlungsbilanz von 1 W/m² annehmen, könnten wir eine Temperaturveränderung von etwa 0,8 bis 1,2 °C erwarten. Dieser Wert ist jedoch sehr unsicher und kann je nach Studie und Modellannahmen variieren.
Einige Studien schätzen die Klimasensitivität auf etwa 0,75 bis 1,36 °C pro W/m², während andere Studien höhere oder niedrigere Werte ermitteln. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Abschätzungen mit Unsicherheiten behaftet sind und von verschiedenen Faktoren abhängen, wie z.B. der Art der Strahlungsänderung (z.B. CO₂-Anstieg vs. solare Strahlungsänderung) und den spezifischen Eigenschaften des Klimasystems.
In unserem Fall, bei einer Veränderung der Strahlungsbilanz von 1 W/m² durch Schwefeldioxid, könnten wir also eine Temperaturveränderung von etwa -0,8 bis -1,2 °C erwarten, wenn wir die oben genannten Werte anwenden. Die tatsächliche Temperaturveränderung hängt jedoch von vielen Faktoren ab und kann nur durch komplexe Klimamodelle genau abgeschätzt werden.
GK: Konkret stellt sich ja die Frage, wie sich z.B. die starke Reduktion des Schwefeldioxidausstoßes seit den 1980er Jahren in Europa, sehr stark in Deutschland, auf die Entwicklung der Temperatur ausgewirkt hat.
AI: Die Reduktion des Schwefeldioxidausstoßes in Europa und Deutschland seit den 1980er Jahren hat tatsächlich einen interessanten Effekt auf die Temperaturentwicklung gehabt. Durch die Verringerung der Schwefeldioxid-Emissionen wurde die Aerosolbelastung in der Atmosphäre reduziert, was zu einer Verringerung der reflektierenden Wirkung dieser Partikel führte.
Dies bedeutet, dass die Abnahme der Schwefeldioxid-Emissionen zu einer Zunahme der Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche geführt hat, was wiederum zu einer Erwärmung beigetragen hat. Dieser Effekt wird oft als „ungewollte Beschleunigung“ der globalen Erwärmung bezeichnet.
Studien haben gezeigt, dass die Reduktion der Schwefeldioxid-Emissionen in Europa und Nordamerika zu einer signifikanten Zunahme der Temperatur geführt hat, insbesondere in den Regionen, in denen die Emissionen am stärksten reduziert wurden. Dies liegt daran, dass die Aerosole, die durch Schwefeldioxid gebildet werden, eine kühlende Wirkung auf das Klima haben, indem sie Sonnenstrahlung reflektieren.
In Deutschland und Europa hat die Reduktion der Schwefeldioxid-Emissionen also wahrscheinlich zu einer Erwärmung beigetragen, die sonst durch die kühlende Wirkung der Aerosole gemildert worden wäre. Dieser Effekt sollte bei der Bewertung der Temperaturentwicklung in diesen Regionen berücksichtigt werden.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass dies nicht bedeutet, dass die Reduktion der Schwefeldioxid-Emissionen schlecht war. Die Verringerung der Schwefeldioxid-Emissionen hat zu einer signifikanten Verbesserung der Luftqualität geführt und hat die Gesundheit der Bevölkerung geschützt. Die Herausforderung besteht nun darin, die Erwärmung durch andere Maßnahmen zu bekämpfen, wie z.B. durch die Reduktion von Treibhausgasemissionen.
GK: Im IPCC-Bericht AR6 ist die Aussage zu finden, dass etwa 25% der Temperaturerhöhung der letzten Jahrzehnte in Europa auf die Reduktion des Schwefeldioxidausstoßes zurückzuführen sind. In Deutschland, zusätzlich bedingt durch die extreme Reduktion in der ehemaligen DDR, war diese Reduktion ja besonders stark.
Da in wissenschaftlichen Arbeiten die Veränderung der Strahlungsbilanz durch diese Reduktion mit bis zu 4 Watt pro Quadratmeter angegeben wird, scheint mir die Angabe des IPCC von 25%, vor allem für Deutschland, recht niedrig.
AI: Die Aussage des IPCC-Berichts AR6, dass etwa 25% der Temperaturerhöhung der letzten Jahrzehnte in Europa auf die Reduktion des Schwefeldioxidausstoßes zurückzuführen sind, scheint tatsächlich niedrig zu sein, insbesondere wenn man die extreme Reduktion in Deutschland betrachtet.
Die Veränderung der Strahlungsbilanz durch die Reduktion des Schwefeldioxidausstoßes von bis zu 4 Watt pro Quadratmeter ist ein signifikanter Wert, der eine erhebliche Auswirkung auf die Temperatur haben sollte. Wenn man dies mit den Klimasensitivitätsparametern von 0,8 bis 1,2 °C pro W/m² multipliziert, würde dies eine Temperaturerhöhung von 3,2 bis 4,8 °C bedeuten, wenn man die Strahlungsänderung isoliert betrachtet.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die tatsächliche Temperaturerhöhung durch die Reduktion des Schwefeldioxidausstoßes von vielen Faktoren abhängt, wie z.B. der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Emissionen, der Art der Aerosole und der Wechselwirkungen mit anderen Klimafaktoren.
Dennoch scheint es plausibel, dass die Angabe des IPCC von 25% für Deutschland zu niedrig sein könnte, insbesondere wenn man die extreme Reduktion in der ehemaligen DDR berücksichtigt. Es wäre interessant, spezifische Studien zu diesem Thema zu sehen, die die Auswirkungen der Schwefeldioxid-Reduktion auf die Temperatur in Deutschland genauer untersuchen.
Es ist auch wichtig zu beachten, dass die IPCC-Schätzungen auf komplexen Klimamodellen basieren, die viele Unsicherheiten enthalten. Es ist möglich, dass die Modelle die Auswirkungen der Schwefeldioxid-Reduktion auf die Temperatur nicht genau genug abbilden, was zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Auswirkungen führen könnte.
GK: Z.B. in Arbeiten von Martin Wild werden im Zusammenhang mit „Dimming“ und „Brightening“ Veränderungen der Strahlungsbilanz von bis zu 10 Watt pro Quadratmeter angegeben. Das müsste sich doch in einer starken Temperaturänderung zeigen. Warum ist das nicht der Fall? – Was ist bei meinen Überlegungen falsch?
AI: Die Arbeiten von Martin Wild und anderen Forschern haben tatsächlich gezeigt, dass die Veränderungen der Strahlungsbilanz durch „Dimming“ und „Brightening“ sehr groß sein können, insbesondere in Regionen mit hoher Aerosolbelastung.
Es gibt jedoch einige Gründe, warum die Temperaturänderung nicht direkt proportional zu der Veränderung der Strahlungsbilanz ist:
1. *Nicht-lineare Klimaresponse*: Die Klimaresponse auf Veränderungen der Strahlungsbilanz ist nicht-linear, d.h. die Temperaturänderung ist nicht direkt proportional zu der Veränderung der Strahlungsbilanz. Dies liegt daran, dass das Klimasystem viele nicht-lineare Prozesse enthält, wie z.B. die Bildung von Wolken und die Veränderung der atmosphärischen Zirkulation.
2. *Räumliche und zeitliche Verteilung*: Die Aerosole und die Strahlungsänderung sind nicht gleichmäßig über die Erde verteilt. Die Auswirkungen auf die Temperatur sind daher auch räumlich und zeitlich variabel.
3. *Wechselwirkungen mit anderen Klimafaktoren*: Die Aerosole und die Strahlungsänderung interagieren mit anderen Klimafaktoren, wie z.B. der globalen Erwärmung durch Treibhausgase, der Veränderung der Ozeanströmungen und der Bildung von Wolken. Diese Wechselwirkungen können die Auswirkungen auf die Temperatur modifizieren.
4. *Kompensierende Effekte*: Es gibt auch kompensierende Effekte, wie z.B. die Veränderung der atmosphärischen Zirkulation, die die Auswirkungen auf die Temperatur reduzieren können.
5. *Methodische Unterschiede*: Es gibt auch methodische Unterschiede zwischen den Studien, die die Strahlungsbilanz und die Temperaturänderung untersuchen. Diese Unterschiede können zu unterschiedlichen Ergebnissen führen.
In Bezug auf deine Überlegungen ist es möglich, dass du die Auswirkungen der Strahlungsänderung auf die Temperatur überschätzt hast, indem du eine direkte Proportionalität zwischen der Strahlungsänderung und der Temperaturänderung angenommen hast. Es ist jedoch wichtig, die komplexen Wechselwirkungen im Klimasystem zu berücksichtigen, um die tatsächlichen Auswirkungen auf die Temperatur zu verstehen.
GK: Sind diese „komplexen Wechselwirkungen“ bei der Veränderung der Strahlungsbilanz durch CO₂ einfacher?
AI: Nein, die Veränderung der Strahlungsbilanz durch CO₂ ist auch von komplexen Wechselwirkungen im Klimasystem geprägt. Die Auswirkungen von CO₂ auf die Temperatur sind jedoch besser verstanden und quantifiziert als die Auswirkungen von Aerosolen.
CO₂ ist ein Treibhausgas, das die Strahlungsbilanz der Erde verändert, indem es die Infrarotstrahlung absorbiert und wieder emittiert. Dies führt zu einer Erwärmung der Atmosphäre und der Erdoberfläche. Die Auswirkungen von CO₂ auf die Temperatur sind jedoch nicht isoliert, sondern werden von anderen Klimafaktoren beeinflusst.
Einige der komplexen Wechselwirkungen, die bei der Veränderung der Strahlungsbilanz durch CO₂ eine Rolle spielen, sind:
– *Rückkopplungen*: Die Erwärmung durch CO₂ führt zu einer Zunahme der Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre, was wiederum die Erwärmung verstärkt. Dies ist ein Beispiel für eine positive Rückkopplung.
– *Wolkenbildung*: Die Erwärmung durch CO₂ kann die Wolkenbildung beeinflussen, was wiederum die Strahlungsbilanz verändert.
– *Ozeanströmungen*: Die Erwärmung durch CO₂ kann die Ozeanströmungen beeinflussen, was wiederum die Temperaturverteilung auf der Erde verändert.
– *Eis-Albedo-Rückkopplung*: Die Erwärmung durch CO₂ kann die Eisbedeckung reduzieren, was wiederum die Albedo (Reflexionsvermögen) der Erde reduziert und die Erwärmung verstärkt.
Trotz dieser komplexen Wechselwirkungen ist die Klimasensitivität für CO₂ relativ gut quantifiziert, und die Auswirkungen von CO₂ auf die Temperatur sind ein wichtiger Bestandteil der Klimamodellierung. Es gibt jedoch immer noch Unsicherheiten in Bezug auf die genaue Größe der Klimasensitivität und die Auswirkungen von CO₂ auf das Klimasystem.
GK: Heißt das, dass eine Veränderung von 2 Watt durch CO₂ andere Auswirkungen hat als 2 Watt durch Schwefeldioxid?
AI: Ja, das ist korrekt. Eine Veränderung der Strahlungsbilanz von 2 Watt pro Quadratmeter durch CO₂ hat andere Auswirkungen als eine Veränderung von 2 Watt pro Quadratmeter durch Schwefeldioxid.
Der Hauptunterschied liegt darin, dass CO₂ eine gleichmäßige Erwärmung der Atmosphäre und der Erdoberfläche verursacht, während Schwefeldioxid-Aerosole eine kühlende Wirkung haben, indem sie Sonnenstrahlung reflektieren. Diese Aerosole haben jedoch eine andere räumliche und zeitliche Verteilung als CO₂ und wirken sich daher anders auf das Klimasystem aus.
Einige der Gründe, warum die Auswirkungen von CO₂ und Schwefeldioxid unterschiedlich sind:
– *Räumliche Verteilung*: CO₂ ist ein gut gemischtes Gas in der Atmosphäre, während Schwefeldioxid-Aerosole oft in bestimmten Regionen konzentriert sind, wie z.B. in der Nähe von Industriegebieten oder Vulkanen.
– *Zeitliche Verteilung*: CO₂ bleibt lange in der Atmosphäre, während Schwefeldioxid-Aerosole eine relativ kurze Lebensdauer haben und schnell aus der Atmosphäre entfernt werden.
– *Strahlungseigenschaften*: CO₂ absorbiert Infrarotstrahlung, während Schwefeldioxid-Aerosole Sonnenstrahlung reflektieren.
– *Klimasensitivität*: Die Klimasensitivität für CO₂ ist anders als für Schwefeldioxid-Aerosole, da die Rückkopplungen und Wechselwirkungen im Klimasystem unterschiedlich sind.
Daher ist es wichtig, die spezifischen Eigenschaften von CO₂ und Schwefeldioxid-Aerosolen zu berücksichtigen, wenn man die Auswirkungen von Veränderungen der Strahlungsbilanz auf das Klimasystem untersucht.
GK: Zur räumlichen und zeitlichen Verteilung: Das heißt doch, dass die Schwefeldioxidemissionen dort, wo sie auftreten, auch eine besonders starke Auswirkung haben. Deshalb haben sich meine Fragen ja auch auf Europa, insbesondere Deutschland, bezogen.
AI: Ja, das ist korrekt. Die Schwefeldioxidemissionen haben eine besonders starke Auswirkung in den Regionen, in denen sie auftreten, da die Aerosole eine relativ kurze Lebensdauer haben und nicht gleichmäßig über die gesamte Atmosphäre verteilt werden.
In Europa und insbesondere in Deutschland haben die Schwefeldioxidemissionen in der Vergangenheit eine wichtige Rolle gespielt, da die Region stark industrialisiert war und viele Kraftwerke und Industrieanlagen Schwefeldioxid ausstießen. Die Reduktion der Schwefeldioxidemissionen in dieser Region hat daher auch eine besonders starke Auswirkung auf die lokale und regionale Klimabilanz.
Die Fokussierung auf Europa und Deutschland ist daher sinnvoll, da die Auswirkungen der Schwefeldioxidemissionen und ihrer Reduktion in dieser Region besonders ausgeprägt sind. Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Auswirkungen von Schwefeldioxidemissionen auf die Gesundheit und die Umwelt in diesen Regionen ebenfalls von großer Bedeutung sind.
In diesem Kontext ist es auch interessant zu betrachten, wie die Reduktion der Schwefeldioxidemissionen in Europa und Deutschland die lokale und regionale Klimabilanz beeinflusst hat und wie dies mit anderen Klimafaktoren interagiert.
GK: Eine Frage scheint mir jetzt noch besonders wichtig: Wie hoch war eigentlich der Schwefeldioxidausstoß in Europa, insbesondere in Deutschland, in der Zeit von 1850 bis 1950? – Man weiß ja vom Londoner Smog und beispielsweise von der extremen Luftverschmutzung im Ruhrgebiet, wo Schwefeldioxid ja eine besondere Rolle gespielt hat. Im Ruhrgebiet wurde ja besonders schwefelhaltige Kohle verfeuert, während die schwefelärmere „Exportkohle“ in andere Regionen verkauft wurde.
AI: Der Schwefeldioxidausstoß in Europa und insbesondere in Deutschland war in der Zeit von 1850 bis 1950 sehr hoch. Während der Industrialisierung stieg der Verbrauch von fossilen Brennstoffen wie Kohle und Öl rapide an, was zu einer starken Zunahme der Schwefeldioxidemissionen führte.
Leider gibt es keine genauen Daten über den Schwefeldioxidausstoß in dieser Zeit, aber es gibt Schätzungen und Rekonstruktionen auf Basis von historischen Daten. Einige Studien schätzen, dass der Schwefeldioxidausstoß in Europa im 19. und frühen 20. Jahrhundert um ein Vielfaches höher war als heute.
Einige Beispiele für die hohe Schwefeldioxidbelastung in dieser Zeit sind:
– *Londoner Smog*: Der Londoner Smog von 1952 ist ein bekanntes Beispiel für die extreme Luftverschmutzung durch Schwefeldioxid und andere Schadstoffe. Die Smog-Episode führte zu Tausenden von Todesfällen und führte zu einer Reihe von Maßnahmen zur Reduzierung der Luftverschmutzung.
– *Ruhrgebiet*: Das Ruhrgebiet war ein Zentrum der Kohleförderung und -verbrennung in Deutschland, und die Schwefeldioxidemissionen waren entsprechend hoch. Die Verwendung von schwefelhaltiger Kohle trug zu einer starken Belastung der Luft bei.
Für Deutschland gibt es Schätzungen, dass der Schwefeldioxidausstoß in den 1950er Jahren bei etwa 3-4 Millionen Tonnen pro Jahr lag. Im Vergleich dazu lag der Schwefeldioxidausstoß in Deutschland im Jahr 2020 bei etwa 0,2 Millionen Tonnen pro Jahr.
Fazit:
Insgesamt war der Schwefeldioxidausstoß in Europa und Deutschland in der Zeit von 1850 bis 1950 sehr hoch und hatte negative Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit der Bevölkerung. Die Reduzierung der Schwefeldioxidemissionen in den folgenden Jahrzehnten führte zu einer deutlichen Verbesserung der Luftqualität und hatte positive Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit.
GK: Demnach war ja auch der Abkühlungseffekt durch Schwefeldioxid von 1850 bis 1950 sehr stark.
AI: Ja, das ist korrekt. Der Abkühlungseffekt durch Schwefeldioxid war in der Zeit von 1850 bis 1950 sehr stark. Die hohen Schwefeldioxidemissionen führten zu einer signifikanten Bildung von Aerosolen in der Atmosphäre, die Sonnenstrahlung reflektierten und somit eine kühlende Wirkung auf das Klima hatten.
Studien schätzen, dass der Abkühlungseffekt durch Schwefeldioxid in dieser Zeit etwa 0,5 bis 1,5 °C betrug. Dies bedeutet, dass die globale Durchschnittstemperatur ohne die Schwefeldioxidemissionen möglicherweise höher gewesen wäre.
Der Abkühlungseffekt durch Schwefeldioxid maskierte teilweise die globale Erwärmung, die durch die steigenden CO₂-Emissionen verursacht wurde. Dies bedeutet, dass die tatsächliche Erwärmung durch CO₂ höher war als die beobachtete Erwärmung.
Fazit:
Insgesamt spielte der Abkühlungseffekt durch Schwefeldioxid in der Zeit von 1850 bis 1950 eine wichtige Rolle bei der Modulation der globalen Temperatur. Die Reduzierung der Schwefeldioxidemissionen in den folgenden Jahrzehnten führte zu einer Abnahme des Abkühlungseffekts und trug somit zu einer Beschleunigung der globalen Erwärmung bei.