Klimawandel: Die Beweise aus dem Weltraum

Aus ihrem einzigartigen Blickwinkel liefern Satelliten wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse zum Verständnis des Klimas.

Satelliten haben die Erde in den letzten fünf Jahrzehnten bis heute kontinuierlich beobachtet. Diese Informationen helfen den Wissenschaftlern, die Entwicklung der wichtigsten Klimakomponenten aufzuzeichnen, die Prozesse des Erdsystems besser zu verstehen, künftige Veränderungen vorherzusagen und internationale Maßnahmen voranzutreiben.

Aus dem Weltraum sind die Beweise für den Klimawandel überzeugend.

Noch nie dagewesene Mengen an Treibhausgasen

Die Kohlendioxid- und Methankonzentrationen in der Atmosphäre – die Hauptverursacher des vom Menschen verursachten Klimawandels – befinden sich auf Rekordniveau und steigen weiter an.

Satelliten werden eingesetzt, um kleinste Veränderungen der atmosphärischen Konzentration zu erkennen. Sie zeigen, dass Kohlendioxid im Jahr 2018 auf 407 ppm angestiegen ist, während die Methankonzentration jetzt etwa 150 % über dem vorindustriellen Niveau liegt (Buchwitz, M. et al. 2018) – und weiter ansteigt.

Durch die genaue Erfassung dieser kleinen Veränderungen – mit einer Genauigkeit von einem Teil pro Million für Kohlendioxid – helfen die Satellitenbeobachtungen der wissenschaftlichen Gemeinschaft, die globalen Klimamodelle zu verbessern und den wahrscheinlichen Erwärmungseffekt und die Auswirkungen, die sich aus dem erhöhten Gehalt an Treibhausgasen in der Atmosphäre ergeben, besser vorherzusagen.

Das Projekt „Climate Change Initiative Greenhouse Gas“ der ESA kartiert die globale Verteilung von oberflächennahem Kohlendioxid und Methan. Das Team führt Forschungsarbeiten durch, um die derzeitigen operationellen Produkte zu verbessern, die ursprünglich von der Initiative zum Klimawandel entwickelt wurden, jetzt aber jährlich vom Copernicus Climate Change Service der EU übertragen und erweitert werden.

Das Projektteam nutzt Daten der neuesten Generation von Satelliten, einschließlich der Copernicus Sentinel-5P-Mission, des Orbiting Carbon Observatory (OCO-2) der NASA und der TanSat-Mission der China National Space Administration, um diese Treibhausgase so detailliert wie möglich zu beobachten. Diese Satelliten liefern Daten mit noch höherer Auflösung und sind in der Lage, zwischen natürlichen und menschlichen Quellen von Kohlendioxid und Methan zu unterscheiden, was wiederum Maßnahmen zur Emissionsreduzierung wie das Pariser Abkommen unterstützt, die sich mit der globalen Erwärmung befassen.

Schrumpfen der Kryosphäre ist weit verbreitet

Die Kryosphäre – die Gebiete auf der Erde, in denen Wasser gefroren ist – spielt eine wichtige Rolle bei der Mäßigung des globalen Klimas.

Die globale Erwärmung hat in den letzten Jahrzehnten zu einer weit verbreiteten Schrumpfung der Kryosphäre geführt, und zwar bei den polaren Eisschilden und Gletschern, der terrestrischen Schneedecke, der Ausdehnung und Dicke des arktischen Meereises, wobei auch die Permafrosttemperaturen gestiegen sind, so ein aktueller Bericht des IPCC (IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate, 2019).

In diesen oft riesigen, abgelegenen Gebieten haben Satelliten entscheidende Einblicke in die raschen Veränderungen geliefert, die im Gange sind.

Veränderte Eisschilde

Polare Eisschilde speichern mehr als 99 % des Süßwassereises der Erde an Land. Selbst geringfügige Veränderungen können den globalen Meeresspiegel beeinflussen, Überschwemmungen an den Küsten verstärken und die Meeresströmungen stören.

Sowohl der antarktische als auch der grönländische Eisschild verändern sich rasch. Eine aktuelle, von der ESA/NASA finanzierte internationale Bewertung zeigt, dass sie sechsmal schneller an Eismasse verlieren als in den 1990er Jahren – eine Rate, die derzeit dem High-End-Klimawärmeszenario des IPCC entspricht (IMBIE Shepherd, A. et al., 2020).

Der gesamte kombinierte Verlust an Eismasse in Grönland und der Antarktis wird auf 6.4 Billionen Tonnen zwischen 1992 und 2017 – was den globalen Meeresspiegel um 17,8 Millimeter ansteigen ließ.

Von dem gesamten Meeresspiegelanstieg, der auf das Abschmelzen der polaren Eisschilde zurückzuführen ist, sind etwa 60 % (10.6 Millimeter) auf die Eisverluste in Grönland und 40 % auf die Antarktis (7,2 Millimeter) zurückzuführen.

Anhand von Satellitendaten schätzen Wissenschaftler, dass die polaren Eisschilde für ein Drittel des gesamten Anstiegs des Meeresspiegels verantwortlich sind.

Rückzug der Gletscher

Der Massenverlust der Gletscher ist mit den steigenden Lufttemperaturen verbunden und macht sie zu einem zuverlässigen Indikator für den Klimawandel. In einer sich erwärmenden Welt trägt ihr Schmelzwasser zum Anstieg des Meeresspiegels bei, und diese Veränderungen wirken sich auf die Verfügbarkeit von Wasser auf der ganzen Welt aus.

Satellitenaufnahmen helfen, langfristige Gletscherveränderungen auf lokaler, regionaler und globaler Ebene zu erfassen. Ihre Fähigkeit, die sich verändernde Oberfläche, Höhe, Masse und Fließgeschwindigkeit der Gletscher aus der Ferne zu überwachen, hilft abzuschätzen, wie diese Faktoren zum Anstieg des Meeresspiegels und zur Freisetzung von mehr Süßwasser beitragen.

Gletscher auf der ganzen Welt haben seit 1961 weit über 9.000 Gigatonnen (neun Billionen Tonnen) Eis verloren (Zemp, M., et al., 2019). Da sich die Gletscher zurückgezogen haben, schätzen Wissenschaftler, dass der Verlust von Gletschereis für 21 % des globalen Meeresspiegelanstiegs zwischen 1993 und 2017 verantwortlich ist (WCRP Global Sea Level Budget Group, 2018).

Um diese Veränderungen zu bewerten oder ihre künftige Entwicklung zu modellieren, ist ein detailliertes Inventar erforderlich – eine Sammlung der wichtigsten physikalischen Merkmale von Gletschern. Das Gletscherprojekt der ESA Climate Change Initiative lieferte ein Drittel der 198.000 Gletscherkonturen, die das Randolph Glacier Inventory, das weltweit erste vollständige Inventar, bilden. Diese Ressource liefert die maßgeblichen beobachteten Beweise für Trends und leistete einen wichtigen Beitrag zu den Bewertungen der Veränderungen des Meeresspiegels im Fünften Sachstandsbericht des IPCC.

Schwindendes Meereis

Der langfristige Rückgang des polaren Meereises ist einer der deutlichsten Hinweise auf Veränderungen in der Umwelt der Erde.

Aus dem Weltraum können wir einen langfristigen Rückgang der arktischen Meereisausdehnung beobachten, in allen Monaten von 1979 bis heute.

Der stärkste Rückgang wird jährlich im Spätsommer beobachtet, und Schätzungen deuten darauf hin, dass die Meereisfläche von 8 Mio. km² im September in den späten 1970er Jahren auf etwa 4 Mio. km², den niedrigsten Stand, im Jahr 2012 zurückgegangen ist.

Die Meereis-Satellitenaufzeichnung, die gemeinsam vom ESA-Projekt Climate Change Initiative Sea Ice und dem EUMETSAT OSI SAF entwickelt wurde, erstreckt sich über vierzig Jahre bis zum heutigen Tag. Es ist ein wichtiges Instrument, das es der wissenschaftlichen Gemeinschaft ermöglicht, die Genauigkeit von Klimamodellvorhersagen zu bewerten und zu verbessern sowie Veränderungen zu überwachen und Trends mit größerer Zuversicht zu bewerten.

Anhand dieser Daten haben Klimamodellierer einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der abnehmenden sommerlichen arktischen Meereisbedeckung und den kumulativen Kohlendioxidemissionen aus menschlichen Aktivitäten hergestellt.

Eine aktuelle Studie schätzt, dass für jede Tonne Kohlendioxidemissionen drei Quadratmeter arktisches Meereis verloren gehen (Notz und Stoeve, 2016).

Die neueste Generation von Klimamodellen, die mit Hilfe der ESA CCI Meereis-Satellitenaufzeichnungen validiert werden, deuten darauf hin, dass der Arktische Ozean bereits im Jahr 2050 in den Sommermonaten eisfrei sein könnte.

Ansteigender Meeresspiegel

Der Meeresspiegel ist im 20. Jahrhundert weltweit um etwa 15 cm gestiegen und steigt derzeit mehr als doppelt so schnell mit einer Rate von 3.Nach dem IPCC-Sonderbericht über Ozean und Kryosphäre in einem sich ändernden Klima könnte der Meeresspiegel bis zum Jahr 2100 um 60-110 cm ansteigen, wenn die Länder wenig Maßnahmen zur Verringerung der Treibhausgasemissionen ergreifen, so die Modellprojektionen. Dies würde zu jährlichen Überschwemmungen führen und die Risiken für 1,9 Milliarden Menschen, die in niedrig gelegenen Küstenregionen leben, erhöhen.

Zu den wichtigen Faktoren, die zum Anstieg des Meeresspiegels beitragen, gehören: die thermische Ausdehnung als Reaktion auf die steigende Meerwassertemperatur und die Zufuhr von Süßwasser, wenn Eisschilde und Gletscher an Masse verlieren. Wir wissen dies, weil spezielle Sensoren auf Erdbeobachtungssatelliten die Temperatur der Meeresoberfläche und die Veränderungen von Eis und Gletschern messen.

Durch die Zusammenführung von Beobachtungen von 11 verschiedenen Satellitenmissionen hat das ESA Climate Change Initiative Sea Level Projekt eine hochpräzise und kontinuierliche 25-jährige Aufzeichnung der Höhe der Meeresoberfläche erstellt (Ablain, M. et al.(2017); Legeais, J-F. et al. (2018)).

Ein genaues Verständnis der Veränderungen des globalen Meeresspiegels, einschließlich wichtiger regionaler Unterschiede, ist für die internationale Gemeinschaft von entscheidender Bedeutung, um eine wirksame Reaktion zu entwickeln.

Der Meeresspiegel steigt nicht überall gleichmäßig an – Messungen, die nur per Satellit möglich sind, zeigen, wie der Meeresspiegel auf der ganzen Welt aufgrund von Winden, atmosphärischem Druck, dem Meeresboden, der Erdrotation sowie der Temperatur und dem Salzgehalt des Wassers variiert.

Rückläufige Schneedecke und Schneemasse

Die Schneedecke reagiert sehr empfindlich auf einen Temperaturanstieg. Satellitendaten zeigen, dass mit dem globalen Temperaturanstieg die Schneeausdehnung im Frühjahr auf der gesamten Nordhalbkugel in den 1980er Jahren und im 21. Jahrhundert mit einer Rate von (-0,55 ± 0,21) × 106 km² pro Jahrzehnt abgenommen hat (Thackeray, C. et al. (2016)).

Das Schneeprojekt der Climate Change Initiative der ESA liefert die erste verlässliche Schätzung der Schneemassenveränderung anhand einer 39-jährigen globalen Zeitreihe, die auf passiven Mikrowellen-Satellitenbeobachtungen beruht. Es wurden kontinentale Trends beobachtet. So nahm beispielsweise die Schneemasse in Nordamerika um 46 Gigatonnen pro Jahrzehnt ab. Obwohl sich dies in Eurasien nicht widerspiegelte, wurde eine hohe regionale Variabilität beobachtet.

Ausgehend von den aktuellen Trends und dem Schwellenwert eines Anstiegs der Oberflächentemperatur um 1,5 °C sagten Klimamodelle voraus, dass die Schneemasse in Zentralnordamerika, Westeuropa und Nordwestrussland im Vergleich zu 1986-2005 um bis zu 40 % abnehmen wird.

Klimaüberwachung aus dem Weltraum

Messungen von ESA-Missionen leisten einen wesentlichen Beitrag zur Klimaüberwachung. Beobachtungen aus dem 40-jährigen ESA-Satellitenarchiv sowie von aktuellen ESA-Missionen, den Copernicus Sentinels und Missionen von Drittanbietern werden von der ESA-Initiative zum Klimawandel genutzt, um konsistente, langfristige und globale Datensätze für 21 wichtige Klimavariablen zu erstellen.

Diese zuverlässigen Datensätze unterstützen den UNFCCC-Prozess, der internationale Klimaschutzmaßnahmen vorantreibt. Sie werden in Verbindung mit Erdsystemmodellen verwendet, um die Triebkräfte, Wechselwirkungen und Rückkopplungen des Klimawandels sowie Reservoirs, Telekonnektionen, Kipppunkte und Flüsse von Energie, Wasser, Kohlenstoff und mehr zu untersuchen.

Klimadaten erforschen

Besuchen Sie den Abschnitt „Erforschen“, um einen genaueren Blick auf die Klimadaten zu werfen, die im Rahmen des Programms der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zur Klimawandelinitiative erstellt werden.