Atmosphärisches Kohlendioxid und globale Temperatur

Steigende Kohlendioxid-Konzentrationen (CO₂) in der Atmosphäre haben zu einem Anstieg der Temperaturen auf der Erde geführt. Dieser Klimawandel ist unzweifelhaft durch vom Menschen verursachte (sog. anthropogene) Emissionen von Treibhausgasen bedingt. Die Treibhausgase verändern das Verhältnis zwischen eintreffender sichtbarer Sonnenstrahlung und abgestrahlter Infrarotstrahlung, die zunehmend in der Atmosphäre absorbiert wird.

Durchschnittliche monatliche Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre (grüne und rote Kurve) und gleitender Durchschnittswert (schwarze Linie), Messwerte von 1960 bis 2007.
Quelle: NOAA

Anomalien der globalen Temperatur in 10 m Höhe über der Erdoberfläche (Land und Wasser) zwischen 1880 und 2008. Die mittlere Temperatur in der Zeit von 1951 bis 1980 dient hierbei als Vergleichswert (Temperaturanomalie von 0°C).
Quelle: NASA

Der Graph oben links stellt eine Zeitreihe monatlicher Mittelwerte der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen auf der Nordhalbkugel dar. Die Zeitreihe ist das Ergebnis von Messungen des Mauna Loa Observatoriums auf Hawaii, die von 1960 bis 2007 durchgeführt wurden. Die Auslenkungen der grünen und roten Kurve sind durch jahreszeitliche Schwankungen in der Produktivität der Vegetation bedingt. Die schwarze Kurve stellt den gleitenden Durchschnitt dar, bei welchem die saisonalen Schwankungen nicht mehr zu sehen sind.

Das Diagramm oben rechts zeigt die Anomalien der globalen Temperatur in einer Höhe von 10 m über der Land- und Wasseroberfläche in der Zeit von 1880 bis 2008. Die mittlere Temperatur im Zeitraum 1951-1980 dient als Referenzwert (d.h. für diesen Zeitraum besteht eine Temperaturanomalie von 0°). Schwarze Punkte stehen für die Jahresmitteltemperatur in dem jeweiligen Jahr; die rote Linie deutet den gleitenden Durchschnitt der Jahrestemperaturen an. Grüne Fehlerbalken weisen auf einen Unsicherheitsbereich der Daten hin. Von 1951 bis 1980 gab es keinen bemerkenswerten Trend in Richtung ansteigender Temperaturen. Dazu kam es aufgrund der zunehmenden Verschmutzung der Atmosphäre mit Aerosolen, die das Sonnenlicht zurück in den Weltraum strahlten. Dadurch wurde die eintreffender Energie im Bereich sichtbarer Wellenlängen reduziert. Später haben abfallrechtliche Vorschriften zu einer Verminderung der atmosphärischen Verschmutzung geführt.

Szenario

Die Konzentration atmosphärischen Kohlendioxids und die Temperatur der Atmosphäre nahe der Erdoberfläche hingen während der letzten 50 Jahre anscheinend eng miteinander zusammen. Sie wollen nun die Entwicklung der globalen Temperatur im 21. Jahrhundert vorhersagen.

Fragen

Wodurch werden die Abweichungen der Kohlendioxidkurve (grüne und rote Linie im Diagramm oben links) von dem gleitenden Durchschnitt (schwarze Linie) verursacht? Überprüfen Sie, ob diese Schwankungen eine jährliche Periodizität aufweisen.
Die Daten zu den Kohlendioxidgehalten wurden (und werden noch immer) an einer Messstation auf Hawaii, d.h. auf der Nordhalbkugel, erhoben. Wäre eine Verschiebung der jahreszeitlichen Schwankungen zu erwarten, wenn man an einer Station auf der Südhalbkugel gemessen hätte?
Entnehmen Sie den Graphen die Werte der mittleren Kohlendioxidgehalte und der mittleren Temperaturen für den Zeitraum von 1960-2005 in 5-Jahres-Schritten. Tragen Sie in einem Diagramm die Kohlendioxidwerte gegen die Temperatur auf. Ist in den Daten ein linearer Trend zu erkennen, der mit einer Ausgleichsgerade angenähert werden kann? Berechnen Sie eine Ausgleichsgerade, indem Sie die Gleichungen aus der Lerneinheit Zeitreihenanalyse, Kapitel 2, Seite 4 verwenden. Berechnen Sie mit Hilfe der dort angegebenen Gleichungen auch den Korrelationskoeffizienten; dieser beschreibt, wie gut sich die von Ihnen bestimmte Ausgleichsgerade an die Datenpunkte annähert.
Extrapolieren Sie die Kohlendioxidkurve über den Zeitraum des 21. Jahrhunderts. Extrapolieren Sie ebenfalls Ihr Diagramm mit den Kohlendioxid- und Temperaturdaten in Bezug auf die Kohlendioxidkonzentrationen, die bis zum Ende des Jahrhunderts zu erwarten sind. Welcher Schätzwert ergibt sich für die Temperatur der Atmosphäre? Finden Sie Argumente für und gegen eine derartige Hochrechnung von Trends.

Benötigte Zeit:

Zwei Unterrichtsstunden und eine Aufgabe als Hausaufgabe

Ablauf:

Erste Unterrichtsstunde: Die Schüler bilden Gruppen von nicht mehr als fünf Personen und
- diskutieren die gestellten Fragen zur Kohlendioxidkonzentration und zum Temperaturanstieg
- überlegen, welche Hintergrundinformationen sie zum Beantworten der Fragen benötigen
- verteilen Aufgaben an alle Gruppenmitglieder, die bis zur nächsten Unterrichtsstunde bearbeitet werden sollen

Hausaufgabe: Die Schüler bearbeiten die Aufgaben, die ihnen von ihrer Gruppe zugewiesen wurden.
Zweite Unterrichtsstunde: Die Schüler
- stellen vor, was sie innerhalb ihrer Gruppe gelernt haben
- überlegen, wie ihnen ihre Ergebnisse dabei helfen können, Frage 4 zu beantworten, d.h. eine Vorhersage der zukünftigen Temperatur der Atmosphäre zu treffen
- tragen die Ergebnisse ihrer Gruppe dem Rest der Klasse vor

Benötigtes Material

Das Arbeitsblatt zum Thema als druckbare rtf-Datei
Die lineare Regressionsanalyse, d.h. die Berechnung von Ausgleichgeraden und Korrelationskoeffizienten, wird in der SEOS-Lerneinheit Zeitreihenanalyse, Kapitel 2, Seiten 4-6, erklärt.
Eine genaue Interpretation der Mauna Loa Kohlendioxidkurve ist ebenfalls in der Lerneinheit Zeitreihenanalyse, Kapitel 2, Seite 7, zu finden.
Eine Animation der Entwicklung der Kohlendioxidkonzentration im Jahresverlauf sowie eine Satellitenansicht der Biosphäre der Erde können in der SEOS-Lerneinheit Eine Welt der Bilder angesehen werden.
Satellitendaten der Biosphäre werden auch in der Lerneinheit zum Thema Meeresströmungen, Kapitel 4, Seite 1, erläutert.