Erweiterung der im April 2019 publizierten Theorie

Die Berücksichtigung eines solaren Zyklus, der die mittleren globalen Oberflächen-Temperaturen neben der AMO beeinflußt, führt zu einer sehr guten Reproduktion des bisherigen Temperaturverlaufs mit einer TCR von 1,73°C

28.04.2020

Ausgangspunkt der Suche nach einem erweiterten Ansatz ist die Untersuchung der natürlichen Variabilität der mittleren globalen Oberflächen-Temperaturen (GMST), die ein Maß dafür darstellt, wie genau eine formelmäßige Reproduktion der GMST-Daten bestenfalls sein kann: Die natürliche Variabilität der GMST-Daten ist normalverteilt mit einer Standardabweichung σ = ±0,096 °C.

Der Umgang mit der natürlichen Variabilität stellt den entscheidenden Unterschied des Ansatzes dieser Arbeit im Vergleich zum IPCC-Ansatz dar:

• Die Abstraktion von der natürlichen Variabilität ist die Definition von „Klima“, denn die Variabilität verschwindet weitgehend bei einer Mittelung über 15 oder 30 Jahre. Es wird versucht, den GMST-Verlauf der letzten 170 Jahre durch einen Ansatz zu reproduzieren, der neben einem anthropogenen Anteil (proportional zu ln(C/C₀) ) natürliche periodische Einflüsse berücksichtigt wie die AMO und solare Zyklen (siehe Regressionsanalyse). Ein solcher Ansatz ist gut, wenn er physikalisch sinnvoll ist, und vertrauenswürdig, wenn die mittlere Abweichung der Jahrestemperatur-Meßwerte zum Ansatz nicht größer ist als die Standardabweichung der normalverteilten natürlichen Variabilität.
• Der IPCC setzt für die Reproduktion historischer oder zukünftiger Temperaturen ausschließlich auf Simulationen. Damit wird die Komplexität der realen Welt nicht sinnvoll vereinfacht (Abstraktion durch Verzicht auf Unwesentliches), sondern ihr eine simulierte – nur mit Supercomputern beherrschbare und von Dritten nicht durch­schau­bare – Komplexität ent­ge­gen­ge­stellt, deren Unschärfe mit der chaotischen Natur der Realität entschuldigt wird: „Unsicherheiten bei Klimaprojektionen ergeben sich aus natürlicher Variabilität: Aufgrund der chaotischen Natur des Klimasystems gibt es grundsätzliche Grenzen, wie genau die Jahrestemperaturen projiziert werden können.“
  Diese Antwort auf die FAQ-Frage 1.1 auf S. 140 im IPCC-Report 2013): „Wenn das Verständnis des Klimasystems zugenommen hat, warum konnte die Unschärfe der Tempe­ratur­vorher­sagen nicht reduziert werden?“ führt zu der neuen Frage: „Sollte nicht eigentlich das Klima projiziert werden – und nicht Jahrestemperaturen?“
  Der IPCC hält die Reproduktion natürlicher Variabilität sogar für ein Qua­li­täts­kri­te­rium (siehe S. 824 des IPCC-Reports zum Thema „Evaluation von Modellen“):
  „Eine wichtige Überlegung ist, daß die Modell-Leistung nur relativ zu früheren Beobachtungen bewertet werden kann, wobei die natürliche interne Variabilität berücksichtigt werden muss. Um Vertrauen in die Zukunftsprojektionen solcher Modelle zu haben, müssen das historische Klima – und seine Variabilität und Veränderung – gut simuliert werden.“

Ansatz 2019

Die Grundidee, natürliche periodische Klimaeinflüsse zu identifizieren, besteht darin, Differenzen von Meßwerten der mittleren globalen Ober­flä­chen-Tem­pe­ra­tu­ren mit Hypothesen vom Verlauf der anthropogenen Erwärmung zu bilden und zu untersuchen. Die 2019 hier publizierte Theorie ging von der Annahme aus, daß der IPCC mit seiner Zuschreibung recht hat, die Klima-Erwärmung um 1°C nach der Emission von 1600 Gt CO₂ sei komplett anthropogen. Daraus folgte der loga­rith­mi­sche Ansatz T = 3,1*ln(C/C₀).

Abb. 1 zeigt diesen Ansatz. In der ge­glät­te­ten Differenzkurve erkennt man deutlich die überlagerte AMO. Es ist jedoch er­staun­lich, daß diese gegen Ende des 20. Jahrhunderts mit immer kleineren Am­pli­tu­den in Erscheinung tritt, denn die AMO schwingt ganz gleichmäßig (siehe AMO-Index). Eine Publikation von Steinman et al. (2015) erklärte den zurückgehenden Anteil der AMO mit der in einer negativen Phase befindlichen PDO.

Gleitende Mittel über die AMO-Periode von 68 Jahren eliminieren die AMO-Effekte in der Differenzkurve. Wenn dadurch eine Null-Linie entsteht, kann auf Identität zwischen Differenzkurve und AMO geschlossen werden. Die rote Kurve in Abb. 1 verläuft fast auf der Null-Linie (aus heutiger Sicht: jedoch weder vor 1930 noch nach 1975). Das Ignorieren der Abweichungen von der Null-Linie führte 2019 zu der Schlußfolgerung, die mittleren globalen Oberflächentemperaturen seien eine Überlagerung der AMO mit 3,1*ln(C/C₀) – zumindest bis Ende des 20. Jahrhunderts. Die mittlere Abweichung der Meßwerte von diesem theoretischen Ansatz lag bei ±0,12°C, also deutlich über der Standardabweichung der natürlichen Variabilität (s.o.).

Verbesserter Ansatz 2020

Die mittlere Abweichung einer guten Theorie sollte der Standardabweichung σ=±0,096°C der normalverteilten natürlichen Variabilität nahe kommen; in diesem Sinne war der Ansatz von 2019 nicht vollständig und daher verbesserungsfähig.

In „Temperatur-Kalibrierung (IPCC 2013)“ wird her­ge­lei­tet, daß der IPCC-Ansatz T = m/1600 bis ca. 1970 mit dem Ansatz T = 2,5*ln(C/C₀) nahezu identisch ist, weil für kleine x=(C-C₀)/C₀ gilt: ln(1+x) ≈ x.

Wie Abb. 2 zeigt, schwingt die Differenz des Ansatzes T = 2,5*ln(C/C₀) zu den Meßwerten mit gleichbleibender Amplitude synchron zur AMO, wobei die Schwingung um eine langsam steigende Kurve erfolgt, die als der solare deVries / Suess-Zyklus mit einer Amplitude von 0,07°C, einer Periode von 208 Jahren, einem Minimum um 1880 und einem Maximum um 1985 interpretiert werden kann. Im IPCC-Report 2013 wird ab Seite 392 zu der Frage Stellung genommen „Is the Sun a Major Driver of Recent Changes in Climate?“ und in diesem Zu­sam­men­hang der vom 11jährigen Son­nen­flecken-Zyk­lus überlagerte deVries/Suess-Zyklus als „Solar Component“ in einer Grafik dargestellt – siehe Abb. 3.

Der in Abb. 2 gefundene von der AMO überlagerte Zyklus paßt exakt zu dem in Abb. 3 vom IPCC beschriebenen Kurvenverlauf einer solaren „Komponente“ an der globalen Er­wär­mung – nur mit einer fünfmal so großen Amplitude. Die Theorie von 2019 wird damit um einen solaren Zyklus erweitert. Der neue Ansatz kann die Meßdaten ΔT mit einem mittleren Fehler von ±0,099°C wesentlich exakter be­schreiben (siehe Regressionsanalyse; t=Jahr; C=CO₂-Konz.):

ΔT = 0,02 + 0,1*sin(2π/68*(t-1927)) – 0,07*cos(2π/208*(t-1880)) + 2,5*ln(C/C₀)

Abb. 4 zeigt, daß theoretische Kurve und gleitendes Mittel über ±7 Jahre sehr gut übereinander liegen, was erklärt, daß der mittlere Approximationsfehler sehr nahe an der mittleren Abweichung der Meßwerte von den geglätteten Werten liegt. Auch die mittleren Abweichungen der Meßwerte von der theoretischen Kurve sind normalverteilt – d.h. beispielsweise Vulkanausbrüche oder El-Niño-Ereignisse sind Teil dieser Zufalls-Schwankungen und müssen nicht gesondert betrachtet werden.

Die Berücksichtigung des solaren Zyklus verringert die Steigung der anthropogenen Komponente von 3,1°C auf 2,5°C; d.h. die TCR sinkt auf 1,73°C für eine Verdoppelung der CO₂-Konzentration ab.

Eine Übersicht über alle Ergebnisse findet man unter „Globale Erwärmung“ ; was diese Ergebnisse für Prognosen bedeuten, wird für verschiedene Szenarien unter Extrapolationen dargestellt. Extrapolationen für 3 realistische Szenarien zeigt Abb. 5:

Die drei für Abb. 5 gewählten Szenarien sind realistisch in dem Sinne, daß keine der drei Szenarien annimmt, den Pro-Kopf-CO₂-Ausstoß unter 2,5 t/Jahr drücken zu können. Alle drei Szenarien zeigen bis 2060 einen fast identischen Verlauf. AMO und deVries/Suess-Zyklus werden bis 2045 parallel eine negative Tendenz haben; daher wird die mittlere globale Oberflächentemperatur (GMST) bis dahin kaum ansteigen. Der Tem­pe­ra­tur­an­stieg danach wird von der wieder ansteigenden AMO verstärkt. Das „weiter-wie-bisher“-Szenario 9.0 wird bis 2100 die GMST auf ca. 1,9°C steigen lassen; das IPCC-Szenario RCP 6.0, das auf eine bei 10 Mrd. stagnierende Weltbevölkerung setzt, aber sonst nichts ändert, kommt bis 2100 auf 1,7°C, während das IPCC-Szenario 4.5 maximal 1,5°C erreicht und dafür annimmt, daß die Weltbevölkerung nur bis 9 Mrd. anwächst, und daß es nach 2055 gelingt, die Pro-Kopf-Emissionen von 5 t/Jahr bis 2075 auf 2,5 t/Jahr abzusenken. Alle drei Szenarien halten das ursprüngliche Paris-Ziel einer maximal 2°C betragenden Erhöhung bis 2100 ein.

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Übersichtsartikel vom 10.04.2019

Mittlere globale Temperaturen steigen logarithmisch mit den CO2-Konzentrationen – nicht linear, wie vom IPCC behauptet

Zuverlässige Extrapolationen in die Zukunft, ein wesentliches Anliegen der derzeitigen Klimaforschung, basieren auf der Fähigkeit, die bisherigen CO₂-Konzentrations-bedingten Temperaturerhöhungen genau beschreiben und von natürlichen tempe­ratur­ver­än­dern­den Einflußgrößen wie Multidekaden-Oszillationen der Ozeane (im 20. Jahrhundert vor allem der AMO-Schwingung) unterscheiden zu können. Solche Überlegungen fehlen im IPCC-Report „Climate Change 2013 – The Physical Science Basis“ trotz seines Umfangs von 1550 Seiten. Auf Seite 60 wird der AMO-Einfluß abgetan mit den Worten „… the AMO is assessed with high confidence to have made little contribution to the GMST trend between 1951 and 2010 (considerably less than 0.1°C)“, und auf Seite 27 wird behauptet „Cumulative total emissions of CO2 and global mean surface temperature (GMST) response are approximately linearly related“.

Der IPCC setzt sowohl bei der Beschreibung der Gegenwart als auch bei seinen Zukunftsprognosen auf Simulationen, die er „model experiments“ (S. 79) nennt, obwohl für Dritte kaum nachvollziehbare Berechnungen aus Simulations-Modellen nichts mit echten physikalischen Experimenten und ihrer Aussagekraft zu tun haben.

Nachvollziehbar und ohne Simulationen läßt sich aus den öffentlich zugänglichen Daten zu CO₂-Emissionen, -Konzentrationen und mittleren globalen Oberflächen-Temperaturen herleiten, daß die globale Erwärmung nicht linear, sondern logarithmisch mit der atmosphärischen CO₂-Konzentration (bzw. kumulativen CO₂-Emissionen) zusammen­hängt.

Bild (a) zeigt, daß die mittleren globalen Temperaturen T um den vom IPCC behaupteten Zusammenhang T = m/1600 (m=kumulative CO₂-Emissionen bis zum betrachteten Jahr) schwingen. Bild (b) verdeutlicht diese Schwingung durch Differenzbildung. Die Schwin­gung hat eine Periode von ca. 68 Jahren, schwingt aber nicht um die Null-Linie, sondern um eine schräg liegende Gerade, die durch gleitende Mittelwerte über die Periode der Schwingung erzeugt wurde.

In Bild (c) wurde die IPCC-Funktion T = m/1600 durch die logarithmische Funktion

(1) T = 3,1*ln(C/C₀) (°C)

ersetzt, die 2017 ebenfalls den Wert 1°C angenommen hat (C=407 ppm, C₀=295 ppm), als die kumulativen CO₂-Emissionen 1600 Gt erreichten. Die dadurch erzeugte Multidekaden-Oszillation schwingt um die Null-Linie, und zwar vollkommen synchron zur „Atlantischen Multidekaden-Oszillation“ (AMO). Der AMO-FAQ-Seite der NOAA AOML Physical Oceanography Division kann man entnehmen, daß die AMO die globale Erwärmung überlagert, so wie es in Bild (c) verdeutlicht wird (grüne Kurve). Sie ist natürlichen Ursprungs und in Baumringen und Eisbohrkernen bis zu 1000 Jahre in der Vergangenheit beobachtbar.

Sowohl in Bild (b) als auch in Bild (c) ist zu erkennen, daß die Mittelwerte über je eine Schwingungsperiode von 68 Jahren (d.h. +-34 Jahre) – die bei einer gleichmäßigen Schwingung den Wert 0 haben müssen – ab ca. 1973 immer mehr ins Negative gehen. Darin kommt zum Ausdruck, daß neben der AMO auch die „Pazifische Dekaden-Oszillation“ (PDO) die globalen Temperaturen beeinflußt. In den 1990er Jahren ging der temperaturerhöhende Einfluß der AMO allmählich zurück, und die in einer negativen Phase befindliche PDO wurde dominant – siehe Publikation Steinman et al. (2015), in der die Erwärmungspause Anfang der 2000er Jahre ebenfalls auf die plötzliche Dominanz der PDO nach ca. 100 Jahren AMO-Dominanz in Zusammenhang gebracht wurde. Die rote Kurve der Perioden-Mittelwerte der in Bild (c) gelb dargestellten Multidekaden-Oszillation liegt zwischen ca. 1927 und 1973 exakt auf der Null-Linie; d.h. zwischen ca. 1895 und 2005 wurden die Temperaturmeßwerte von einer sehr gleichmäßigen Schwingung überlagert. Mittelwertbildung von Temperaturmeßwerten über je 68 Jahre eliminiert die überlagerte Schwingung, so daß man auf der Ebene dieser Periodenmittelwerte berechnen kann, welche Funktion mit welchen Parametern die globale Erwärmung optimal beschreibt: Es ist eindeutig der logarithmische Zusammenhang ln(C/C₀) mit dem Faktor 3,1 +- 0,05 °c. Genaueres dazu findet man auf dieser Web-Seite unter „Globale Erwärmung“.

Bild (d) zeigt das Ergebnis: Der von AMO und (ab 1995) PDO überlagerte logarithmische Zusammenhang beschreibt die mittleren globalen Temperaturen von 1855 bis heute sehr genau.

Formel (1) kann verwendet werden, um CO₂-Konzentrationen Temperaturen zuzuordnen, die auf der Basis von Szenarien mit Hilfe des Bern Carbon Cycle Modells berechnet wurden. Das IPCC-Szenario RCP6.0 nimmt gleichbleibende Pro-Kopf-Emissionen von ca. 5 t CO₂/Jahr an (den Wert, der seit ca. 1970 nahezu konstant blieb), beschränkt aber den Bevölkerungszuwachs bis 2100 auf 10 Milliarden. Unter diesen Umständen würde ca. 2045 die 1,5°-Grenze bei einer kumulierten CO₂-Emission von ca. m=2750 Gt erreicht werden, und erst 2080 würde die 2°-Grenze bei m=4300 Gt geschnitten werden. Wenn man hingegen annimmt, daß weiterhin – wie seit 1970 – alle 12 Jahre eine Milliarde mehr Menschen auf der Erde leben, würde sich die Bevölkerungszahl bis 2100 fast auf 14,5 Mrd verdoppeln. Die 1,5°-Grenze würde weiterhin im Jahr 2045 bei m=2750 Gt erreicht werden, aber bereits 2070 würden 2°C globale Erwärmung gemessen werden (bei m=4200 Gt).

Der langsamere Temperaturanstieg infolge des logarithmischen Zusammenhangs verhindert also nicht das Überschreiten der in Paris propagierten 2°-Grenze; aber es bleibt mehr Zeit, sowohl für Gegenmaßnahmen als auch für Anpassungen an wärmeres Klima. Es besteht kein Grund zu Alarmismus und unüberlegtem Aktionismus.

„Klimaschutz“-Maßnahmen (wie der teure Verzicht auf CO₂-Emissionen bei Energie-Gewinnung, Heizung, Verkehr usw.) haben eine ähnliche Problematik wie (einseitige) Abrüstung: Wenn nicht alle mitmachen, schwächt sich derjenige selbst, der in Vorleistung tritt, stärkt damit andere, verdrängt Emissionen in andere Länder, und für die Welt ist nichts gewonnen. Im Unterschied zum Abrüstungs-Dilemma gibt es jedoch eine Alternative: Verzicht auf CO₂-Emissionen nicht als planwirtschaftlich durchgesetzte (Zwangs-)Maßnahme für einzelne Länder – was nichts bringt, weil fossile Energien dadurch für die Länder, die nicht mitmachen, konkurrenzlos günstig würden -, sondern als Folge einer Verdrängung vom Markt durch die Entwicklung billigerer und emissionsfreier Energiegewinnungsverfahren. Der Einsatz finanzieller Mittel für solche Entwicklungen wäre weitaus sinnvoller als die Finanzierung letztlich wirkungslosen und schädlichen Verzichts.