Als globale Erwärmung bezeichnet man den Anstieg der Durchschnitts-temperatur der erdnahen Atmosphäre und der Meere seit der Industrialisierung in den letzten 50 bis 150 Jahren. Der berechnete Erwärmungstrend über die letzten 50 Jahre (1956 bis 2005) in Höhe von 0,13 °C ± 0,03 °C[Anm. 1] pro Jahrzehnt ist fast zweimal so groß wie derjenige über die letzten 100 Jahre (1906 bis 2005) in Höhe von vs. 0,07 °C ± 0,02 °C pro Jahrzehnt.[1] Dieser Prozess verläuft erheblich schneller als alle bisher bekannten Erwärmungsphasen der jüngeren Erdgeschichte, das heißt während des 66 Millionen Jahre umfassenden Känozoikums (Erdneuzeit).[2][3][4]

Der Temperaturanstieg zwischen 1880 und 2012 betrug nach Angaben des Weltklimarates (IPCC) 0,85 K.[5] Im Jahr 2015 war es um 1,0°C wärmer als während der vorindustriellen Zeit, zugleich stieg die von der Messstation Mauna Loagemessene mittlere Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Erdatmosphäre 
erstmals auf über 400 ppm.[6] Der IPCC schreibt in seinem 2013 erschienenen 
fünften Sachstandsbericht, dass es extrem wahrscheinlich ist, dass die beobachtete Erwärmung zu mehr als 50 % vom Menschen verursacht wird. Nach der besten Schätzung ist der menschliche Einfluss auf die Erwärmung etwa gleich groß wie die komplette beobachtete Erwärmung während dieses Zeitraums.[7]

Im Gegensatz zum Wetter, das kurzfristig-aktuelle Zustände der Atmosphäre beschreibt, werden hinsichtlich des Klimas Mittelwerte über längere Zeiträume erhoben. Üblicherweise werden dabei Normalperioden von jeweils 30 Jahren betrachtet. Oft werden die Bezeichnungen „Klimawandel“ und „globale Erwärmung“ synonym verwendet, obwohl die Gleichsetzung missverständlich ist: Der natürliche Klimawandel ist vom anthropogenen (menschengemachten) Einfluss überlagert. Die Klimaforschung sucht zu klären, welcher Anteil des beobachteten Temperaturanstiegs natürliche Ursachen hat und welcher Anteil vom Menschen verursacht wurde und weiterhin wird.

Die fortdauernde anthropogene Anreicherung der Erdatmosphäre mit Treibhausgasen (Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan und Distickstoffmonoxid), die vor allem durch die Nutzung fossiler Energie (Brennstoffe), durch weltumfassende Entwaldung sowie Land- und insbesondere Viehwirtschaft 
freigesetzt werden, erhöht das Rückhaltevermögen für infrarote Wärmestrahlung in der Troposphäre. Nach Modellrechnungen trägt Kohlenstoffdioxid am meisten zur globalen Erwärmung bei.

Die ersten wissenschaftlichen Erkenntnisse zum anthropogenen 
Treibhauseffekt stammen aus der Mitte des 19. Jahrhunderts.[8] Etwa ab den 1960er Jahren gab es auf internationaler Ebene erste Gespräche zu dem Thema. Mit der Aussage von James E. Hansen vor dem Energy and Natural Resources Committee des US-Senats am 23. Juni 1988 hat zum ersten Mal ein Wissenschaftler vor einem politischen Gremium geäußert, er sei zu 99 Prozent davon überzeugt, dass die Jahresrekordtemperatur nicht das Resultat natürlicher Schwankungen ist.[9] Bereits in dieser Sitzung wurden Forderungen nach politischen Maßnahmen gestellt, um die globale Erwärmung zu verlangsamen.[10] Dazu gehörte die Schaffung des Weltklimarats (IPCC), der den politischen Entscheidungsträgern und Regierungen zuarbeiten soll. Im IPCC wird der wissenschaftliche Erkenntnisstand zur globalen Erwärmung und zum anthropogenen Anteil daran diskutiert und in Berichten zusammengefasst.

Zu den laut Klimaforschung erwarteten und teils bereits beobachtbaren Folgen der globalen Erwärmung gehören je nach Erdregion: Meereis- und 
Gletscherschmelze, ein Meeresspiegelanstieg, das Auftauen von Permafrostböden, wachsende Dürrezonen und zunehmende Wetter-Extreme mit entsprechenden Rückwirkungen auf die Lebens- und Überlebenssituation von Menschen und Tieren (Artensterben). Nationale und internationale Klimapolitik zielt sowohl auf die Stoppen des Klimawandels wie auch auf eine Anpassung an die zu erwartende Erwärmung. Um die menschen-gemachte globale Erwärmung aufhalten zu können, müssen weitere Treibhausgasemissionen langfristig vollständig vermieden werden. Mit Stand 2016 sind bereits ca. 2/3 der maximal möglichen Emissionen für das im
Übereinkommen von Parisvereinbarten Zwei-Grad-Ziel aufgebraucht, sodass die weltweiten Emissionen schnell gesenkt werden müssen, wenn das Ziel noch erreicht werden soll.[11]

In der Klimatologie ist es heute Konsens, dass die gestiegene Konzentration der vom Menschen in die Erdatmosphäre freigesetzten Treibhausgase mit hoher Wahrscheinlichkeit die wichtigste Ursache der globalen Erwärmung ist,[13][14] da ohne sie die gemessenen Temperaturen nicht zu erklären sind.[15][16][17]

70 bis 75% des rot markierten, kurzwelligen Strahlungsanteils gelangen durch die Atmosphäre bis auf die Erdoberfläche, die sich dadurch aufheizt und wiederum Infrarotstrahlung aussendet (blau markiert), deren Abstrahlung ins All aber von Treibhausgasen behindert wird. Eingezeichnet sind drei Wellenlängenbereiche von Infrarotstrahlung, wie sie von Objekten mit auf der Erdoberfläche üblichen Temperaturen emittiert wird; violett (-63°C), blau und schwarz (+37°C) die Grafiken darunter zeigen, welche Treibhausgase welche Teile des Spektrums filtern

Treibhausgase lassen die von der Sonne kommende kurzwellige Strahlung weitgehend ungehindert auf die Erde durch, absorbieren aber einen Großteil der von der Erde ausgestrahlten Infrarotstrahlung. Dadurch erwärmen sie sich und emittieren selbst Strahlung im längerwelligen Bereich (vgl. Kirchhoffsches Strahlungsgesetz). Der in Richtung der Erdoberfläche gerichtete Strahlungsanteil wird als atmosphärische Gegenstrahlung bezeichnet. Im isotropen Fall wird die absorbierte Energie je zur Hälfte in Richtung Erde und Weltall abgestrahlt. Hierdurch erwärmt sich die Erdoberfläche stärker, als wenn allein die kurzwellige Strahlung der Sonne sie erwärmen würde. Das IPCC schätzt den Grad des wissenschaftlichen Verständnisses über die Wirkung von Treibhausgasen als „hoch“ ein.[18]

Das Treibhausgas Wasserdampf (H2O) trägt mit 36 bis 66 %, Kohlenstoffdioxid 
(CO2) mit 9 bis 26 % und Methan mit vier bis neun % zum natürlichen Treibhauseffekt bei.[19] Die große Bandbreite erklärt sich folgendermaßen: Einerseits gibt es sowohl örtlich wie auch zeitlich große Schwankungen in der Konzentration dieser Gase. Zum anderen überlappen sich deren Absorptionsspektren. Beispiel: Strahlung, die von Wasserdampf bereits absorbiert wurde, kann von Kohlenstoffdioxid nicht mehr absorbiert werden. Das bedeutet, dass in einer (Eis-)Wüste, in der Wasserdampf nur wenig zum Treibhauseffekt beiträgt, die übrigen Treibhausgase mehr zum Gesamttreibhauseffekt beitragen als in den feuchten Tropen.

Da die genannten Treibhausgase natürliche Bestandteile der Atmosphäre sind, wird die von ihnen verursachte Temperaturerhöhung als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet. Der natürliche Treibhauseffekt führt dazu, dass die Durchschnittstemperatur der Erde bei +15 °C liegt. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt läge sie bei ca. −18 °C.[20]

Seit der Industriellen Revolution verstärkt der Mensch den natürlichen Treibhauseffekt durch den Ausstoß von Treibhausgasen, wie messtechnisch belegt werden konnte.[21][22]

Der Anteil aller vier Bestandteile des natürlichen Treibhauseffekts in der Atmosphäre ist seit dem Beginn der industriellen Revolution gestiegen. Die Geschwindigkeit des Konzentrationsanstiegs ist die schnellste der letzten 22.000 Jahre.[5]

Die Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre ist vor allem durch die Nutzung fossiler Energie, durch die Zementindustrie und großflächige 
Entwaldung seit Beginn der Industrialisierung von ca. 280 ppmV um 40 % auf ca. 400 ppmV (parts per million, Teile pro Million Volumenanteil) im Jahr 2015 gestiegen.[23] Während der letzten 14 Millionen Jahre (seit dem Mittleren Miozän) existierten keine signifikant höheren CO2-Werte als gegenwärtig.[24][25] Nach Messungen aus Eisbohrkernen betrug die CO2-Konzentration in den letzten 800.000 Jahren nie mehr als 300 ppmV.[26][27]

Der Volumenanteil von Methan stieg von 730 ppbV im Jahr 1750 auf 1.800 ppbV (parts per billion, Teile pro Milliarde Volumenanteil) im Jahr 2011 an. Dies ist ein Anstieg um 150 % und wie bei Kohlenstoffdioxid der höchste Stand seit mindestens 800.000 Jahren.[28] Als eine der Ursachen hierfür ist die Viehhaltung[29] anzuführen, gefolgt von weiteren landwirtschaftlichen Aktivitäten wie dem Anbau von Reis. Das Treibhauspotenzial von 1 kg Methan ist, auf einen Zeitraum von 100 Jahren betrachtet, 25 mal höher als das von 1 kg Kohlenstoffdioxid.[30] Nach einer neueren Untersuchung beträgt dieser Faktor sogar 33, wenn Wechselwirkungen mit atmosphärischen Aerosolen
 berücksichtigt werden.[31] In einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre wird Methan jedoch oxidiert, meist durch Hydroxyl-Radikale. Ein einmal in die Atmosphäre gelangtes Methan-Molekül hat dort eine durchschnittliche Verweilzeit von zwölf Jahren.[30]

Im Unterschied dazu liegt die Verweildauer von Kohlenstoffdioxid teilweise im Bereich von Jahrhunderten. Die Ozeane nehmen atmosphärisches Kohlenstoffdioxid zwar sehr rasch auf: Ein CO2-Molekül wird nach durchschnittlich fünf Jahren in den Ozeanen gelöst. Diese geben es aber auch wieder an die Atmosphäre ab, so dass ein Teil des vom Menschen emittierten Kohlenstoffdioxids letztlich für mehrere Jahrhunderte (ca. 30 %) und ein weiterer Teil (ca. 20 %) sogar für Jahrtausende im Kohlenstoffkreislauf von Hydrosphäre und Atmosphäre verbleibt.[32]

Der Volumenanteil von Lachgas stieg von vorindustriell 270 ppbV auf mittlerweile 323 ppbV.[33] Durch sein Absorptionsspektrum trägt es dazu bei, ein sonst zum Weltall hin offenes Strahlungsfenster zu schließen. Trotz seiner sehr geringen Konzentration in der Atmosphäre trägt es zum anthropogenen Treibhauseffekt 
etwa 6 % bei, da seine Wirkung als Treibhausgas 298 mal stärker ist als die von Kohlenstoffdioxid; daneben hat es auch eine recht hohe atmosphärische Verweilzeit von 114 Jahren.[30]

Die Wasserdampfkonzentration der Atmosphäre wird durch anthropogene Wasserdampfemissionen nicht signifikant verändert, da zusätzlich in die Atmosphäre eingebrachtes Wasser innerhalb weniger Tage auskondensiert. Steigende globale Durchschnittstemperaturen führen jedoch zu einem höheren Dampfdruck, das heißt einer stärkeren Verdunstung. Der damit global ansteigende Wasserdampfgehalt der Atmosphäre treibt die globale Erwärmung zusätzlich an. Wasserdampf wirkt somit im Wesentlichen als Rückkopplungsglied. Diese Wasserdampf-Rückkopplung ist neben der Eis-Albedo-Rückkopplung die stärkste, positiv wirkende Rückkopplung im globalen Klimageschehen.[34]

Neben Treibhausgasen beeinflussen auch die Sonnenaktivität sowie Aerosole das Erdklima. Aerosole liefern von allen festgestellten Beiträgen zum Strahlungsantrieb die größte Unsicherheit, und das Verständnis über sie wird vom IPCC als „gering“ bezeichnet.[18] Die Wirkung eines Aerosols auf die Lufttemperatur ist abhängig von seiner Flughöhe in der Atmosphäre. In der untersten Atmosphärenschicht, der Troposphäre, sorgen Rußpartikel für einen Temperaturanstieg, da sie das Sonnenlicht absorbieren und anschließend 
Wärmestrahlung abgeben. Die verringerte Reflektivität (Albedo) von Schnee- und Eisflächen und anschließend darauf niedergegangenen Rußpartikeln wirkt ebenfalls erwärmend. In höheren Luftschichten hingegen sorgen Mineralpartikel durch ihre abschirmende Wirkung dafür, dass es an der Erdoberfläche kühler wird.[35]

Einen großen Unsicherheitsfaktor bei der Bemessung der Klimawirkung von Aerosolen stellt ihr Einfluss auf die ebenfalls nicht vollständig verstandene Wolkenbildung dar. Trotz der Unsicherheiten wird Aerosolen insgesamt eine deutlich abkühlende Wirkung zugemessen.

Der zwischen den 1940er bis Mitte der 1970er Jahre beobachtete Rückgang der globalen Durchschnittstemperaturen sowie die Stagnation der globalen Durchschnittstemperaturen seit ca. dem Jahr 2000 wird zum großen Teil der kühlenden Wirkung von Sulfataerosolen zugeschrieben,[36] die im ersten Fall in Europa und den USA und im letzten Fall in der Volksrepublik China und Indien zu verorten waren.[37]

Eine Reihe von Faktoren beeinflussen das globale Klimasystem. In der Diskussion um die Ursachen der globalen Erwärmung werden oft Faktoren genannt, die nachrangig sind oder sogar kühlend auf das Klimasystem wirken.

So ist eine veränderte kosmische Strahlung nicht für die gegenwärtig beobachtete Erwärmung verantwortlich.[38][39][40]

Die Erde befindet sich seit ca. 1850, also etwa dem Beginn der industriellen Revolution, in einer Phase der Wiedererwärmung aus der kleinen Eiszeit. Ohne die Eingriffe des Menschen in den natürlichen Klimaverlauf würde sich aber der seit 6000 Jahren bestehende Abkühlungstrend fortsetzen, der – je nach Literaturquelle – in 20.000 bis 50.000 Jahren zur nächsten Eiszeit geführt hätte.[41][42]

Die Annahme, das Ozonloch sei eine wesentliche Ursache der globalen Erwärmung, ist ebenso falsch, denn der Ozonabbau wärmt nicht das Klima der Erde, sondern kühlt es.[43] Der Ozonabbau wirkt hierbei auf zweierlei Arten: Die verringerte Ozonkonzentration kühlt die Stratosphäre, da die UV-Strahlung dort nicht mehr absorbiert wird, wärmt hingegen die Troposphäre, wo sie absorbiert wird. Die kältere Stratosphäre schickt weniger wärmende Infrarotstrahlung nach unten und kühlt damit die Troposphäre. Insgesamt dominiert der Kühlungseffekt, so dass das IPCC folgert, dass der beobachtete Ozonschwund im Verlauf der letzten beiden Dekaden zu einem negativen Strahlungsantrieb auf das Klimasystem geführt hat,[44] der sich auf etwa −0,15 ± 0,10 Watt pro Quadratmeter (W/m²) beziffern lässt.[45]

Veränderungen in der Sonne wird ein geringer Einfluss auf die gemessene globale Erwärmung zugesprochen.[46] Die seit 1978 direkt vom Orbit aus gemessene Änderung der Sonnenaktivität ist bei weitem zu klein, um als Hauptursache für die seither beobachtete Temperaturentwicklung in Frage zu kommen.[47][48][49][50] Seit den 1960er Jahren ist der Verlauf der globalen Durchschnittstemperatur von der Sonnenaktivität entkoppelt.[51]

Das IPCC schätzt den zusätzlichen Strahlungsantrieb durch die Sonne seit Beginn der Industrialisierung auf etwa 0,12 Watt pro Quadratmeter. Das 90-Prozent-Konfidenzintervall für diese Schätzung wird mit 0,06 bis 0,30 W/m² angegeben; im Vergleich dazu tragen die anthropogenen Treibhausgase mit 2,63 (± 0,26) W/m² zur Erwärmung bei. Das IPCC schreibt, dass der Grad des wissenschaftlichen Verständnisses bezüglich des Einflusses solarer Variabilität (siehe auch Streuung) vom Dritten zum Vierten Sachstandsbericht von „sehr gering“ auf „gering“ zugenommen hat.[18]

Bei fast allen Prozessen entsteht Wärme, so bei der Produktion von elektrischem Strom, bei der Nutzung von Verbrennungsmotoren (siehe Wirkungsgrad) oder beim Betrieb von Computern. In den USA und Westeuropa trugen Gebäude-heizung, industrielle Prozesse und Verbrennungsmotoren im Jahr 2008 mit 0,39 W/m² bzw. 0,68 W/m² zur Erwärmung bei und haben damit einen gewissen Einfluss auf das regionale Klimageschehen. Weltweit gesehen betrug dieser Wert 0,028 W/m² (also nur etwa 1 % der globalen Erwärmung).[52][53]
 Merkliche Beiträge zur Erwärmung sind für den Fall des weiteren ungebremsten Anstiegs der Energieerzeugung (wie in den vergangenen Jahrzehnten) ab dem Ende unseres Jahrhunderts zu erwarten.[52][54]

Als Hauptanzeichen für die derzeitige globale Erwärmung gelten die seit etwa 1860 vorliegenden weltweiten Temperaturmessungen sowie die Auswertungen verschiedener Klimaarchive. Verglichen mit den Schwankungen der Jahreszeiten sowie beim Wechsel von Tag und Nacht erscheinen die im Folgenden genannten Zahlen klein; als globale Änderung des Klimas bedeuten sie jedoch sehr viel, wenn man die um nur etwa 6 K niedriger liegende Durchschnittstemperatur auf der Erde während der letzten Eiszeitbedenkt.[55]

Im Jahr 2005 wurde u. a. aufgrund der gemessenen Temperaturzunahme der Meere über eine Dekade errechnet, dass die Erde 0,85 Watt pro Quadratmeter mehr Leistung aufnimmt als sie ins All abstrahlt.[56][57]

Laut einer im Jahr 2016 erschienenen Publikation begann die globale Durchschnittstemperatur bereits seit dem Jahr 1830 aufgrund menschlicher Aktivitäten zu steigen. Dies wurde im Rahmen einer breit angelegten Studie gefunden, bei der eine große Zahl weltweit verteilter, paläoklimatologischer Anzeiger vergangener Zeiten (sogenannte Klimaproxys) ausgewertet wurden. Zu dieser Zeit gab es noch kein dichtes Netz von Temperaturmessstationen.[58]

Zwischen 1880 und 2012 nahmen die global gemittelten, bodennahen Lufttemperaturen um 0,85 °C zu.[5] Im Jahr 2015 war es bereits um 1,0°C wärmer als während der vorindustriellen Zeit.[6] Eine deutliche Erwärmungsphase war zwischen 1910 und 1945 zu beobachten, in der aufgrund der noch vergleichsweise geringen Konzentration von Treibhausgasen auch natürliche Schwankungen einen deutlichen Einfluss hatten. Am ausgeprägtesten ist die Erwärmung von 1975 bis heute. Global war das Jahr 2015 vor dem Jahr 2014 das mit Abstand heißeste jemals gemessene Jahr. Die Oberflächentemperatur lag um 0,76°C über dem Durchschnitt der Jahre 1961–1990 und ca. 1°C über dem Durchschnitt der Jahre 1850-1900.[59]

Das Jahr 2015 verzeichnete mehrere Klimarekorde, so der Sachstandsbericht des US-amerikanischen National Weather Service, der 2016 im Bulletin of the American Meteorological Society veröffentlicht wurde. Demnach ist das Jahr 2015 das bisher wärmste Jahr seit der Aufzeichnung der Erdtemperatur. Zugleich erreichte die CO2-Konzentration in der Atmosphäre den höchsten Stand seit Beginn der Messungen und überschritt teilweise die 400ppm-Grenze. Zudem war der Meeresspiegelanstieg auf Rekordniveau, und das arktische Eis in einer Rekordschmelze.[60][61]

Insbesondere bei kurzen Zeitreihen ist zu berücksichtigen, dass Anfangs- und Endjahr starken Einfluss auf den Trend haben können und somit nicht zwingend langfristige Trends widerspiegeln müssen. Ein Beispiel für eine solche Abweichung ist der Zeitraum zwischen 1998 und 2012, der mit einem starken El Niño und damit außergewöhnlich heißen Jahr begann, weshalb der Erwärmungstrend mit 0,05 °C pro Jahrzehnt in diesem Zeitraum deutlich unter dem langfristigen Trend von 0,12 °C pro Jahrzehnt im Zeitraum 1951 bis 2012 zurückblieb.[62]

Die 30 Jahre von 1983 bis 2012 waren auf der Nordhalbkugel die wärmste Normalperiode seit 1400 Jahren.[5]

Im Zeitabschnitt 1979 bis 2012 (34 Jahre) nahm die globale Durchschnittstemperatur nach Bodenmessungen von 0,151 °C bis 0,161 °C pro Jahrzehnt zu.[63]

Die linearen Trends der mittleren globalen Erdoberflächentemperatur (GMST) in den Zeitabschnitten 1880 bis 2012 und 1979 bis 2012 betragen:[64]

Das IPCC weist darauf hin, dass die natürliche Variabilität des Klimas auf kurzen Zeitskalen Trends zeigt, die sich signifikant von denen längerer Betrachtungszeiträume unterscheiden können. So betragen die Trends der mittleren globalen Erdoberflächentemperatur für diese 15-Jahres-Perioden:[62]

·         1995 bis 2009: Trend = 0,13 [0,02 bis 0,24] °C pro Jahrzehnt,

·         1996 bis 2010: Trend = 0,14 [0,03 bis 0,24] °C pro Jahrzehnt,

·         1997 bis 2011: Trend = 0,07 [-0,02 bis 0,18] °C pro Jahrzehnt,

·         1998 bis 2012: Trend = 0,05 [-0,05 bis 0,15] °C pro Jahrzehnt.[65][66][67][68][69][70]

Die linearen Trends der mittleren globalen Erdoberflächentemperatur nach NCDC/NESDIS/NOAA in den Zeitabschnitten 1880–2014 und 1998–2014 betragen:[71]

·         1880 bis 2014 Trend: + 1,17 °F per century” (0,65 °C pro Jahrhundert),

·         1998 bis 2014 Trend: + 1,04 °F per century” (0,58 °C pro Jahrhundert).

Die Daten der Satellitenmessungen werden von verschiedenen Forschungsgruppen ausgewertet, die zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Nach der Gruppe RSS beträgt der Trend 0,12 K und nach Messungen an der University of Alabama in Huntsville 0,14 K pro Jahrzehnt in dem Zeitabschnitt 1979 bis 2014.[72][73] Hierbei ist zu beachten, dass Satellitenmessungen (UAH, RSS) und Messungen an der Erdoberfläche nicht direkt vergleichbar sind, da sie unterschiedliche physikalische Eigenschaften wiedergeben.[74][75]

Die Trendwerte (°C/Dekade) der globalen mittleren Erdoberflächen- und Oberluftanomalien sind aus den unterschiedlichen Datenquellen und Perioden im Dritten Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, Abschnitt 2.2.4, Tabelle 2.3) angezeigt und verglichen.[76]

Die dekadischen linearen Trends der mittleren globalen Oberlufttemperaturen der unteren Troposphäre (TLT) im Zeitabschnitt 1979–2015 betragen:[77][78][79]

·         RSS------------------------, Zeitabschnitt: 1979 bis 2015 (37 Jahre), linearer Trend = 0,123 °C pro Jahrzehnt,

·         UAH ver.5.6--------------, Zeitabschnitt: 1979 bis 2015,(37 Jahre), linearer Trend = 0,14 °C pro Jahrzehnt,

·         UAH Version 6.0beta4, Zeitabschnitt: 1979 bis 2015,(37 Jahre), linearer Trend = 0,11 °C pro Jahrzehnt.

In einer 2007 erschienenen Studie konnte der natürliche Anteil der Erwärmung des 20. Jahrhunderts auf unter 0,2 K eingegrenzt werden.[80]

Neben der Luft haben sich auch die Ozeane erwärmt, die über 90 % der Wärmeenergie aufgenommen haben.[81] Während sich die Weltmeere seit 1955 aufgrund ihres enormen Volumens und ihrer großen Temperaturträgheit insgesamt nur um 0,04 K aufgeheizt haben, erhöhte sich ihre Oberflächentemperatur im selben Zeitraum um 0,6 K.[82] Im Bereich zwischen der Meeresoberfläche bis zu einer Tiefe von 75 Metern stieg die Temperatur von 1971 bis 2010 um durchschnittlich 0,11 K pro Jahrzehnt an.[5]

Der Energieinhalt der Weltmeere nahm zwischen Mitte der 1950er Jahre bis 1998 um ca. 14,5 × 1022 Joule zu, was einer Heizleistung von 0,2 Watt pro m² der gesamten Erdoberfläche entspricht.[83] Die Energiezunahme der Weltmeere in Höhe von 14,5 × 1022 Joule entspricht der Energie von 100 Millionen Hiroshima-Atombomben; diese Energiemenge würde die unteren 10 Kilometer der Atmosphäre um 22 K erwärmen.[84]

Seit dem Jahr 2000 wird der Wärmeinhalt der Ozeane mit Hilfe des Argo-Programms vermessen, wodurch seit dieser Zeit erheblich genauere Daten über den Zustand wie auch die Veränderung von klimatologisch relevanten Messwerten (z. B. Wärmeinhalt, Salinität, Tiefenprofil) verfügbar sind.

Die 10 wärmsten Jahre im Zeitraum von 1880 bis 2015 – Abweichung von der langjährigen Durchschnitts-Temperatur in °C

A. Globale Oberflächentemperatur – Land und Meer[85]

B. Globale Oberflächentemperatur an Land[86]

Luft über Landflächen erwärmt sich allgemein stärker als über Wasserflächen,[87]
was in der zweiten Abbildung dieses Artikels erkennbar ist. Die Erwärmung der Landflächen zwischen 1970 und 2014 lag im Mittel bei 0,26 K und damit mehr als doppelt so hoch wie über dem Meer, das sich im selben Zeitraum um 0,12 K erwärmte.[88] Dementsprechend stiegen die Temperaturen auf der Nordhalbkugel, auf der sich der Großteil der Landflächen befindet, in den vergangenen 100 Jahren stärker an als auf der Südhalbkugel, wie auch die nebenstehende Grafik zeigt.[89]

Die Nacht- und Wintertemperaturen stiegen etwas stärker an als die Tages- und Sommertemperaturen.[90][91] Aufgeteilt nach Jahreszeiten wurde die größte Erwärmung während der Wintermonate gemessen, und dabei besonders stark über dem westlichen Nordamerika, Skandinavien und Sibirien.[92] Im Frühling stiegen die Temperaturen am stärksten in Europa sowie in Nord- und Ostasien an. Im Sommer waren Europa und Nordafrika am stärksten betroffen, und im Herbst entfiel die größte Steigerung auf den Norden Nordamerikas, Grönland und Ostasien.[93] Besonders markant fiel die Erwärmung in der Arktis aus, wo sie im jährlichen Mittel etwa doppelt so hoch ist wie im globalen Durchschnitt.[94][95] Mit Ausnahme weniger Regionen ist die Erwärmung seit 1979 weltweit nachweisbar.[93]

Für die verschiedenen Luftschichten der Erdatmosphäre wird theoretisch eine unterschiedliche Erwärmung erwartet und faktisch auch gemessen. Während sich die Erdoberfläche und die niedrige bis mittlere Troposphäre erwärmen sollten, lassen Modelle für die höher gelegene Stratosphäre eine Abkühlung vermuten.[96] Tatsächlich wurde genau dieses Muster in Messungen gefunden. Die Satellitendaten zeigen eine Abnahme der Temperatur der unteren Stratosphäre von 0,314 K pro Jahrzehnt während der letzten 30 Jahre.[97] Diese Abkühlung wird zum einen durch den verstärkten Treibhauseffekt und zum anderen durch Ozonschwund durch FCKWs in der Stratosphäre verursacht,[98][99] siehe auch Montrealer Protokoll zum Schutz der Ozonschicht. Wäre die Sonne maßgebliche Ursache, hätten sich sowohl die oberflächennahen Schichten, die niedere bis mittlere Troposphäre wie auch die Stratosphäre erwärmen müssen.[96] Nach dem gegenwärtigen Verständnis heißt dies, dass der überwiegende Teil der beobachteten Erwärmung durch menschliche Aktivitäten verursacht sein muss.

Auch bei Annahme einer Erwärmung um 4 K bis zum Ende des 21. Jahrhunderts wird es im Verlauf immer wieder Phasen der Stagnation oder sogar der Abkühlung geben. Diese Phasen können bis zu ca. 15 Jahre andauern.[100] Ursachen sind der elfjährige Sonnenfleckenzyklus, kühlende starke Vulkanausbrüche sowie die natürliche Eigenschaft des Weltklimas, einen schwingenden Temperaturverlauf zu zeigen (AMO, PDO, ENSO). So kann beispielsweise das Auftreten von El-Niño- bzw. La-Niña-Ereignissen die globale Durchschnittstemperatur von einem Jahr auf das andere um 0,2 K erhöhen bzw. absenken und für wenige Jahre den jährlichen Erwärmungstrend von ca. 0,02 K überdecken, aber auch verstärken.[101][102]

Das globale Klimasystem ist von Rückkopplungen geprägt, die Temperatur-veränderungen verstärken oder abschwächen. Eine die Ursache verstärkende Rückkopplung wird als positive Rückkopplung bezeichnet. Bei bestimmten Zuständen des globalen Klimageschehens sind nach heutigem Kenntnisstand die positiven Rückkopplungen deutlich stärker als die negativen Rückkopplungen, so dass das Klimasystem in einen anderen Zustand kippen kann.

Die beiden stärksten, positiv wirkenden Rückkopplungsprozesse sind die Eis-Albedo-Rückkopplung und die Wasserdampf-Rückkopplung. Ein Abschmelzen der Polkappen bewirkt durch verminderte Reflexion einen zusätzlichen Energieeintrag über die Eis-Albedo-Rückkopplung. Die Wasserdampfrückkopplung entsteht dadurch, dass die Atmosphäre einer wärmeren Welt auch mehr Wasserdampf enthält. Da Wasserdampf das mit Abstand mächtigste Treibhausgas ist, wird dadurch ein eingeleiteter Erwärmungsprozess weiter verstärkt – unabhängig davon, was diese Erwärmung letztlich ausgelöst hat.[34] Gleiches gilt auch bei einer Abkühlung, die durch dieselben Prozesse weiter verstärkt wird. Zur quantitativen Beschreibung der Reaktion des Klimas auf Veränderungen der Strahlungsbilanz wurde der Begriff der Klimasensitivität etabliert. Mit ihr lassen sich unterschiedliche Einflussgrößen gut miteinander vergleichen.

Eine weitere positive Rückkopplung erfolgt durch das CO2 selbst. Mit zunehmender Erderwärmung wird auch das Wasser in den Ozeanen wärmer und kann dadurch weniger CO2 aufnehmen. Als Folge davon gelangt vermehrt CO2 in die Atmosphäre, was den Treibhauseffekt zusätzlich verstärkt.

Neben diesen drei physikalisch gut verstandenen Rückkopplungen existieren jedoch noch weitere Rückkopplungsfaktoren, deren Wirken weit schwieriger abschätzbar ist:

Wolken beeinflussen das Klima der Erde maßgeblich, indem sie einen Teil der einfallenden Strahlung reflektieren. Strahlung, die von der Sonne kommt, wird zurück ins All, Strahlung darunter liegender Atmosphärenschichten in Richtung Boden reflektiert. Die Helligkeit der Wolken stammt von kurzwelliger Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich.[103]

Eine größere optische Dicke niedriger Wolken bewirkt, dass mehr Energie ins All zurückgestrahlt wird; die Temperatur der Erde sinkt. Umgekehrt lassen weniger dichte Wolken mehr Sonnenstrahlung passieren, was darunter liegende Atmosphärenschichten wärmt. Niedrige Wolken sind oft dicht und reflektieren viel Sonnenlicht zurück in den Weltraum. Sie liegen auch niedriger in der Atmosphäre, wo Temperaturen höher sind, und strahlen deshalb mehr Wärme ab. Die Tendenz niedriger Wolken ist daher, die Erde zu kühlen.[103]

Hohe Wolken sind meist dünn und nicht sehr reflektierend. Sie lassen einen Großteil der Sonnenwärme durch und da sie sehr hoch liegen, wo die Lufttemperatur sehr niedrig ist, strahlen diese Wolken nicht viel Wärme ab. Die Tendenz hoher Wolken ist, die Erde zu erwärmen.[103]

Die Vegetation und die Beschaffenheit des Bodens und insbesondere seine Versiegelung, Entwaldung oder landwirtschaftliche Nutzung haben maßgeblichen Einfluss auf die Verdunstung und somit auf die Wolkenbildung und das Klima.[103] Nachgewiesen wurde ebenfalls eine Verminderung der Wolkenbildung durch Pflanzen, welche bei einem Kohlenstoffdioxid-Anstieg bis zu 15 Prozent weniger Wasserdampf freigeben und somit die Wolkenbildung reduzieren.[104][105]

Vegetation und Bodenbeschaffenheit reflektieren je nach Beschaffenheit das einfallende Sonnenlicht unterschiedlich. Reflektiertes Sonnenlicht wird als kurzwellige Sonnenstrahlung in den Weltraum zurückgeworfen (ansonsten wäre die Erdoberfläche aus Sicht des Weltalls ohne Infrarotkamera schwarz). Albedo ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen von diffus reflektierenden (reemittierenden), also nicht spiegelnden und nicht selbst leuchtenden Oberflächen.

Nicht nur der Verbrauch von fossilen Energieträgern führt zu einer Freisetzung von Treibhausgasen. Die intensive Bestellung von Ackerland und die Entwaldung sind ebenfalls eine bedeutende Treibhausgasquelle. Die Vegetation benötigt für den Prozess der Photosynthese Kohlenstoffdioxid zum Wachsen. Bäume benötigen CO2 in größeren Mengen als Getreide. Der Boden ist eine wichtige Senke, da er organisches, kohlenstoffhaltiges Material enthält. Durch ackerbauliche Tätigkeiten wird dieser gespeicherte Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffdioxid jedoch teilweise freigesetzt.[106]

Im Permafrost Westsibiriens lagern 70 Milliarden Tonnen Methan, in der Tiefsee ungleich größere Mengen Gashydratvorkommen.[107][108] Durch lokale Klimaveränderungen (aktuell: +3 K innerhalb von 40 Jahren in Westsibirien) könnten auch bei geringer globaler Erwärmung regional kritische Temperaturen erreicht werden; es besteht die Gefahr der Freisetzung der dort gespeicherten Methanressourcen in die Atmosphäre.[109]

Eine Berechnung unter Annahme derartiger Rückkopplungen wurde von Wissenschaftlern der University of California, Berkeley erstellt, die annahmen, dass der Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre sich von den derzeitigen etwa 390 ppmV bis 2100 auf etwa 550 ppmV erhöhen wird. Dies sei allein der von der Menschheit bewirkte anthropogene Zuwachs. Die erhöhte Temperatur führt zu zusätzlicher Freisetzung von Treibhausgasen, insbesondere Kohlenstoffdioxid und Methan. Bei ansteigender Temperatur erfolgt eine erhöhte Freisetzung von Kohlenstoffdioxid aus den Weltmeeren und die beschleunigte Verrottung von Biomasse, was zusätzliches Methan und Kohlenstoffdioxid freisetzt. Durch diese positive Rückkopplung könnte die globale Erwärmung um 2 K stärker ausfallen als gegenwärtig angenommen wird.[110] Aus diesem und anderen Gründen schätzt Barrie Pittock in Eos, der Publikation der American Geophysical Union, dass die zukünftige Erwärmung über die vom IPCC genannten Bandbreiten hinausgehen könnte. Er nennt acht Gründe für seine Vermutung, darunter unter anderem auch den Rückgang der globalen Verdunkelung und Rückkopplungseffekte durch Biomasse.[111]

Bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre gehen Klimaforscher davon aus, dass die Erhöhung der Erdmitteltemperatur innerhalb von 1,5 bis 4,5 K liegen wird.[5] Dieser Wert ist auch als Klimasensitivität 
bekannt und ist auf das vorindustrielle Niveau (von 1750) bezogen, ebenso wie der dafür maßgebende Strahlungsantrieb; mit dieser Größe werden alle bekannten, die Strahlungsbilanz der Erde beeinflussenden Faktoren vom IPCC quantitativ beschrieben und vergleichbar gemacht. Das IPCC rechnet, abhängig von den Zuwachsraten aller Treibhausgase und dem angewandten Modell, bis 2100 mit einer Zunahme der globalen Durchschnittstemperatur um 0,9 bis 5,4 K.[5] Zum Vergleich: Die schnellste Erwärmung im Verlauf von der letzten Eiszeit zur heutigen Warmzeit war eine Erwärmung um etwa ein Grad pro 1000 Jahre.[112][113]

Nach einer Studie[114] an der Carnegie Institution for Science, in der die Ergebnisse eines Kohlenstoff-Zyklus-Modells mit Daten aus Vergleichsuntersuchungen zwischen Klimamodellen des fünften IPCC-Sachstandsberichts ausgewertet wurden, reagiert das globale Klimasystem auf einen CO2-Eintrag mit einer zeitlichen Verzögerung von etwa 10 Jahren mit einer Sprungfunktion; das bedeutet, dass die Erwärmung nach etwa 10 Jahren ihr Maximum erreicht und dann für sehr lange Zeiträume dort verharrt.[115]

Der Climate Action Tracker gibt die wahrscheinlichste, bis zum Ende dieses Jahrhunderts zu erwartende Erderwärmung an. Demnach ist die Welt aktuell (2016) auf dem Weg zu einer Erwärmung um 3,6°C im Vergleich zur vorindustriellen globalen Durchschnittstemperatur. Zur Berechnung dieses Wertes werden die Selbstverpflichtungen der wichtigsten Emittenten, die Treibhausgasemissionen zu verringern, in ein Klimamodell eingespeist.[116]

Der dabei maßgebliche, allerdings auch der mit der größten Unsicherheit behaftete Parameter ist die Prognose über die künftige Entwicklung der Weltwirtschaft. Da das Wirtschaftswachstum der Welt in der Vergangenheit stark mit dem Verbrauch an fossilen Energieträgern korrelierte[117] und dies auch in der näheren Zukunft erwartet werden kann, erklärt sich hieraus die relativ große Bandbreite der von den Klimatologen projizierten globalen Erwärmung.

Ein weiterer wahrscheinlicher Einfluss ist ein Rückgang der Förderung konventionellen Erdöls aufgrund des Eintretens des globalen Erdölfördermaximums (des sogenannten „Peak Oil“), das von vielen Experten bis etwa 2030, möglicherweise jedoch auch deutlich früher, erwartet wird. Wird das dann fehlende Öl durch nicht-konventionelles Erdöl wie z. B. Ölsande ausgeglichen, so kann sich die Menge an Treibhausgasen bis zu einem Faktor von 2,5 vergrößern und Anstrengungen zur Reduktion von Emissionen zunichtemachen.[118][119][120]

Nach einer im Jahr 2009 erschienenen Studie wird die gegenwärtig bereits angestoßene Erwärmung noch für mindestens 1000 Jahre irreversibel sein, selbst wenn heute alle Treibhausgasemissionen vollständig gestoppt würden.[121] In weiteren Szenarien wurden die Emissionen schrittweise bis zum Ende unseres Jahrhunderts fortgesetzt und dann ebenfalls abrupt beendet. Dabei wurden wesentliche Annahmen und Aussagen, die im 4. IPCC-Bericht über die folgenden 1000 Jahre gemacht wurden,[18][122] bestätigt und verfeinert. Langfristige Klimasimulationen deuten darauf hin, dass sich die von einer erhöhten Kohlenstoffdioxidkonzentration aufgeheizte Erde nur um ca. ein Grad pro 12.000 Jahre abkühlen wird.[123]

Implizit wird dabei ein nahezu verschwindendes Wachstum der anthropogenen Abwärmeproduktion vorausgesetzt, die anderenfalls in den nächsten Jahrhunderten zu noch höheren Temperaturen führen würde, wie einfache Abschätzungen zeigen.[124] Simulationsrechnungen zum Einfluss anthropogener Abwärme ergaben Beiträge zur kontinentalen Temperaturerhöhung von einigen Zehntel Grad für das Jahr 2100, wenn eine jährliche Wachstumsrate der Energieproduktion aus nicht erneuerbaren Quellen von 2 % angenommen wird.[52][125] Dies entspricht der Fortschreibung des Wachstums seit der ersten Ölkrise von 1973 und schließt die Möglichkeit einer Nutzung Nor0� its 4836tration aufgeheizte Erde nur um ca. ein Grad pro 12.000 Jahre abkühlen wirse�tigahrhuareas-serif'; mso>Implizit wird dabei -seim JJah','a','bverppan style="font-size: 10.0pt; font-family: 'Verdana','sans-serif';">Permafron,<5pan>[124][115]

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