Solar Radiation Management: Können wir mit Schwefel das Klima retten?

Das Erste, was wir von einem massiven Einsatz von «Solar Radiation Management» bemerken würden, wäre eine Veränderung der Himmelsfarbe. Bild: iStockphoto

Schwefel in die Stratosphäre pusten – können wir so das Klima retten?

Daniel Huber

Das Klima wird wärmer, und das so schnell wie noch nie zuvor in den vergangenen 66 Millionen Jahren. Der weitaus grösste Teil der Erwärmung seit Beginn des Industriezeitalters ist menschengemacht; er beruht vornehmlich auf der Verbrennung fossiler Energieträger, was Treibhausgase in der Atmosphäre anreichert. Das Problem der Klimaerwärmung verschärft sich weiter, und die Folgen sind zum Teil schon jetzt spürbar, etwa durch die Zunahme von Wetterextremen und der Wasserknappheit in trockenen Gebieten.

Wir müssen also dringend etwas gegen die Klimaerwärmung unternehmen. Grundsätzlich bedeutet das, dass wir viel weniger fossile Energieträger verbrennen – doch die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen verläuft harzig. Und sie ist teuer. Dazu kommt, dass der Ausstoss von Treibhausgasen besonders in den grossen Volkswirtschaften Asiens mit ihrem wachsenden Energiebedarf sogar noch zunimmt.

Warum also der Erwärmung nicht mit technischen Mitteln entgegenwirken? Solche technische Verfahren, die den globalen Klimawandel abbremsen oder stoppen sollen, werden unter dem Sammelbegriff «Geoengineering» zusammengefasst. Die Idee, mittels technischer Eingriffe das Klima zu verändern, führte bereits im Zukunftsoptimismus der 1950er- und 1960er-Jahre zu teilweise abenteuerlichen Plänen, etwa dem Bau eines Damms in der Beringstrasse, um das Wetter in der Arktis zu verbessern.

Heute wird Geoengineering wieder vermehrt als mögliche Lösung des Klimaproblems diskutiert, besonders seit der Meteorologe und Nobelpreisträger Paul Crutzen 2006 in einem Essay vorgeschlagen hat, Schwefeldioxid in die Stratosphäre zu bringen, um so die Sonneneinstrahlung zu reduzieren. Diese Idee stiess allerdings nicht nur auf Beifall – die Mehrzahl der Experten hält sie für gefährlich. Vor zwei Jahren forderte etwa eine Gruppe von Wissenschaftlern in der Fachzeitschrift «Wires Climate Change» nicht nur ein internationales Verbot dieses sogenannten Solar Radiation Managements, sondern sogar einen Bann gegen dessen Erforschung.

Das Thema ist damit aber keineswegs vom Tisch. So will die Schweiz an der Ende Februar beginnenden Jahrestagung des UNO-Umweltprogramms Unep darauf dringen, dass die Unep einen Bericht zu den Folgen und Risiken von Solar Geoengineering erstellt. Kürzlich haben amerikanische Wissenschaftler überdies darauf hingewiesen, dass diese Methode nicht Zukunftsmusik ist, sondern in den nächsten Jahren tatsächlich – etwa von einzelnen Staaten – eingesetzt werden könnte. Sie fordern ein Moratorium, bis ein solcher Einsatz wissenschaftlich bewertet wurde. Was also ist Solar Radiation Management genau, und welche Chancen und Risiken sind damit verbunden?

Was ist Solar Radiation Management und wie funktioniert es?

Solar Radiation Management (SRM), auch als «Solar Geoengineering» bezeichnet, ist eine Unterkategorie von Geoengineering. Unter diesen Oberbegriff fallen alle vorsätzlichen und grossräumigen menschlichen Eingriffe in geochemische oder biogeochemische Kreisläufe der Erde, die mit technischen Mitteln vorgenommen werden. Neben SRM steht im Kampf gegen die Klimaerwärmung vor allem die Reduzierung der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre – «Carbon Dioxide Removal» (CDR) – im Vordergrund. Die Technik zur CO₂-Entfernung im globalen Massstab ist aber derzeit nicht vorhanden, und zudem ist es unklar, ob die Speicherung des entnommenen CO₂ problemlos ist.

Übersicht über verschiedene Methoden im Rahmen von «Solar Radiation Management» (SRM) und «Carbon Dioxide Removal» (CDR).Bild: deutsches-klima-konsortium.de

Das Konzept des Solar Radiation Managements hingegen wäre grundsätzlich schon heute realisierbar. Es besteht darin, die Erwärmung von Atmosphäre und Erdoberfläche zu reduzieren, die durch Sonneneinstrahlung verursacht wird. Die global gemittelte Oberflächentemperatur der Erde hängt – vereinfacht gesagt – von zwei Komponenten ab: zum einen eben von der Sonneneinstrahlung, die von Atmosphäre und Erdoberfläche absorbiert wird, zum andern vom Anteil dieser Strahlung, der durch Treibhausgase daran gehindert wird, in den Weltraum abzustrahlen.

Die meisten vorgeschlagenen SRM-Methoden zielen entweder darauf ab, die Menge des auf der Erde ankommenden Sonnenlichts zu reduzieren, oder dessen Rückstrahlung durch Aufhellung der Erdoberfläche zu verstärken – also durch Erhöhung der sogenannten Albedo. Dies könnte etwa durch den Anbau von Nutzpflanzen geschehen, die mehr Licht reflektieren, oder durch die Abdeckung von grossen Wüstenflächen mit reflektierenden Materialien.

Der weitaus meistdiskutierte Vorschlag ist jener von Crutzen: Er besteht darin, grosse Mengen von Schwefeldioxid (SO₂) in die Stratosphäre zu bringen. Das Sulfat SO₂ ist ein natürlich vorkommendes, stechend riechendes Gas, das Aerosole – das sind in einem Gas schwebende Partikel – bilden kann. Diese wirken wie ein weltumspannender Sonnenschutz, der die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche verringert.

Schematische Darstellung des Solar Radiation Managements.Grafik: UNEP

Wird die Menge des vorhandenen SO₂ erhöht, verstärkt sich dieser Kühlungseffekt. Da Aerosole in der Stratosphäre viel länger verweilen als in der darunterliegenden Troposphäre, in der sich das Wettergeschehen abspielt, würden sie dort eine 100-mal grössere Abkühlungswirkung entfalten. Sulfate wie SO₂ kommen zudem in grossen Mengen auf der Erde vor und sie sind kostengünstig.

Die kühlende Wirkung der Sulfate ist bekannt. Dass die Methode, sie in die Stratosphäre zu injizieren, grundsätzlich funktioniert, belegen Vulkanausbrüche – etwa die gut beobachtete Eruption des Pinatubo 1991, bei der insgesamt 17 Millionen Tonnen Schwefeldioxid in die Stratosphäre gelangten. Dieser massive temporäre Anstieg von Aerosolen reduzierte das einfallende Sonnenlicht um 5 Prozent, was in den folgenden anderthalb Jahren zu einem weltweiten Temperaturabfall um etwa 0,4 Grad führte. Ähnliches geschah 1982 beim Ausbruch des El Chichón in Mexiko.

Ausbruch des Vulkans Pinatubo auf den Philippinen, 1991. Die Aschewolke stieg bis in die Stratosphäre auf. Bild: AP

Ein drastisches Beispiel für die Wirkungsweise ist auch der Einschlag des Asteroiden, der vor 66 Millionen Jahren die Ära der Dinosaurier beendete. Dabei verdampften mehr als 325 Milliarden Tonnen Schwefel, mischten sich mit Wasserdampf und gelangten in die Atmosphäre. Die Sulfate verdunkelten zusammen mit Russteilchen die Sonne etwa 15 Jahre lang – die Folge war ein sogenannter Impaktwinter. Dieser ähnelt dem Szenario eines nuklearen Winters nach einem Atomkrieg.

Neben Schwefeldioxid und anderen Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff (H₂S) oder Schwefelkohlenstoff (CS₂) werden auch weitere Materialien diskutiert, etwa Salze, Aluminium, oder Kalzit. Sie alle haben aber – wie übrigens auch das SO₂ – unerwünschte Nebenwirkungen. Die Partikel würden auch nicht permanent in der Stratosphäre bleiben, sondern lediglich etwa ein Jahr. Der Abkühlungseffekt wäre damit – genau wie nach einem Vulkanausbruch – temporär; das bedeutet, dass der Transport von SO₂ in die Stratosphäre dauerhaft erfolgen müsste.

Das SO₂ müsste mit Flugzeugen in die Stratosphäre gebracht werden. Heutige Passagierjets können dies nicht leisten, da sie die notwendige Höhe knapp nicht erreichen. Militärjets hingegen fliegen hoch genug. Um ausreichend SO₂ in die Stratosphäre zu transportieren, müsste daher eine Flotte von einigen hundert geeigneten Flugzeugen gebaut werden. Dies wäre innerhalb weniger Jahre zu schaffen, wie die Wissenschaftler David W. Keith und Wake Smith in einem Artikel in «MIT Technology Review» schreiben.

Wie hoch wären die Kosten?

Da die Grenze zur Stratosphäre zu den Polen hin niedriger verläuft, könnten Flugzeuge wie etwa die G650 von Gulfstream sie ab ca. 35 Grad nördlicher oder südlicher Breite erreichen. Sie müssten nur noch für diesen Einsatz umgerüstet werden und könnten dann pro Jahr und Maschine etwa 10 Kilotonnen Schwefel in die Stratosphäre bringen. Keith und Smith veranschlagen in ihrem Artikel die Gesamtkosten für den Kauf einer Flotte von 15 Flugzeugen zuzüglich der Kosten für Umrüstung, Wartung, Ersatzteile, Gehälter, Treibstoff, Material und Versicherung auf rund 500 Millionen US-Dollar pro Jahr. Dies gilt für einen zehnjährigen Einsatz in kleinem Massstab.

Jets des Typs Gulfstream G650 könnten in höheren Breitengraden bereits die Stratosphäre erreichen. Bild: Shutterstock

Bei einem globalen Einsatz kommt Wake Smith in einem anderen Papier für den Bau einer Flugzeugflotte, Betrieb und Materialbedarf auf rund 30 Milliarden US-Dollar pro Jahr bis 2100. Das entspricht nach seinen Berechnungen etwa dem Betrag, den die Amerikaner jährlich für das Futter ihrer Haustiere ausgeben – im Vergleich zu den Kosten, die schätzungsweise für eine weltweite klimaneutrale Transition anfallen würden, fällt er quasi ins Nichts.

Welche Vorteile hätte die Methode?

Der Vorteil von Solar Radiation Management liegt darin, dass dieses Verfahren schnell und radikal wirken würde. Im grossen Massstab in die Stratosphäre eingebracht, könnte Schwefeldioxid oder eine vergleichbare geeignete Substanz die Erde innerhalb von nur ein, zwei Jahrzehnten auf vorindustrielles Niveau abkühlen – daran besteht wissenschaftlich kein Zweifel. Um dieses Ziel zu erreichen, würde es laut Modellrechnungen bereits ausreichen, ein bis zwei Prozent der Sonneneinstrahlung abzuschirmen.

Ein Einsatz in kleinerem Massstab würde etwa so viel Abkühlung bringen, wie der internationale Schiffsverkehr durch die Schwefelverschmutzung bewirkte, bevor strengere Regeln für Schiffskraftstoffe eingeführt wurden. Allerdings wäre das Ausmass dieser Abkühlung so gering, dass ihre Auswirkungen auf das Klima auf regionaler Ebene nur schwierig zu erkennen wären.

Welche Risiken sind damit verbunden?

Der wohl wichtigste Einwand gegen Solar Radiation Management liegt darin, dass die Auswirkungen auf regionale Wetter- und damit Ökosysteme unvorhersehbar sind. Auch der Vergleich mit Daten aus Vulkanausbrüchen kann diese Unvorhersehbarkeit nicht ausräumen. Aber auch davon abgesehen ist die Reihe der möglichen unerwünschten Folgen und Nebenwirkungen beeindruckend:

• Ozonabbau: Sulfat-Aerosole aus Vulkaneruptionen, die bis in die Stratosphäre reichen, bauen stratosphärisches Ozon ab, besonders wenn Chlor aus Fluorchlorkohlenwasserstoff-Emissionen in der Atmosphäre vorhanden ist. Man kann davon ausgehen, dass dies auch für künstlich in die Stratosphäre gebrachte Sulfat-Aerosole gilt. Der Abbau der Ozonschicht würde dazu führen, dass terrestrische und marine Ökosysteme durch vermehrte UV-Strahlung geschädigt würden.
• Kein Stopp der Ozeanversauerung: Die Versauerung der Ozeane, die unter anderem den Korallen zu schaffen macht, hat mit der zunehmenden CO₂-Konzentration in der Atmosphäre zu tun, die den Treibhauseffekt verstärkt. Da SRM weder die CO₂-Emissionen bremst noch das Treibhausgas aus der Atmosphäre entfernt, würde die Ozeanversauerung unvermindert weitergehen und damit die Schädigung mariner Ökosysteme.
• Keine langfristige Lösung: SRM könnte das Klimaproblem nicht lösen; es würde lediglich die Symptome der Klimaerwärmung bekämpfen, aber nicht deren Ursachen. Die Massnahmen müssten also dauerhaft durchgeführt werden, falls die Ursachen nicht angegangen würden.
• Ein abrupter Stopp wäre daher gefährlich: Solange die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre hoch ist, mithin nicht durch Verringerung der Emissionen oder durch Entnahme und Speicherung von CO₂ reduziert wird, dürfte das SRM nicht gestoppt werden. Dann käme es nämlich zu einer massiven und sehr schnell verlaufenden Klimaerwärmung – mit einem Temperaturanstieg von 0,5 bis 1 Grad pro Jahr. Dies würde sämtliche Ökosysteme extrem belasten.
• Verringerter Niederschlag: Modellrechnungen haben ergeben, dass die Stabilisierung der Erdoberflächentemperatur durch SRM den global gemittelten Niederschlag etwas verringern würde. Hinzu kämen vermutlich auch regionale Änderungen. So dürfte der Effekt in den Tropen am stärksten sein – ausgerechnet dort, wo sich die ohnehin bedrohten Regenwälder befinden, die viel Wasser benötigen. Die Massnahmen würden höchstwahrscheinlich kein Klima erzeugen, das genau dem entspricht, das heute herrscht oder in der Vergangenheit herrschte.

Simulationen zeigen die Auswirkungen eines abrupten Stopps von SRM-Massnahmen, die einen Anstieg der CO₂-Konzentration von 1 % pro Jahr kompensieren, 50 Jahre nach Beginn: Die global gemittelte Erdoberflächentemperatur (a) würde danach rasant ansteigen (durchgezogene Linie). Dasselbe gilt für die Niederschläge (b). Die gestrichelten Linien zeigen die Veränderungen, die bei einem Anstieg der CO₂-Konzentration von 1 % pro Jahr ohne SRM-Massnahmen erfolgen würden.Grafik: deutsches-klima-konsortium.de

• Ungleichmässige Wirkung: Die global gemittelte Erdoberflächentemperatur würde sich zwar entsprechend der Reduzierung der Sonneneinstrahlung ändern, doch die Lufttemperatur an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit wird von vielen weiteren Faktoren beeinflusst. Zudem würde die Abkühlung durch die SRM-Massnahmen nicht generell die durch Treibhausgase verursachte Erwärmung kompensieren, da die Dämpfung des Sonnenlichts nur am Tag wirksam wäre, während der Effekt der Treibhausgase auch in der Nacht bestehen bleibt.
• Verlangsamung des Jetstreams: Da der Effekt von SRM in den Tropen, in denen die Sonnenstrahlung ganzjährig stark ist, besonders ausgeprägt wäre, während er in den Polargebieten weniger zum Tragen käme, würden die Tropen stärker abkühlen als die Polarregionen. Dies würde die globale Luftdruckdifferenz vermindern, die die Wettersysteme weltweit antreibt. Genau dies geschieht ohnehin durch den Klimawandel, der die Pole stärker erwärmt. Bereits ist seit einiger Zeit eine Verlangsamung des Jetstreams zu beobachten, die sich durch SRM wohl akzentuieren würde.
• Internationale Konflikte: Verschiedene Länder haben unterschiedliche Interessen, und das erstreckt sich auch auf die globale Temperatur. Wer würde entscheiden, welche Temperatur anzustreben wäre? Welche Kriterien wären massgeblich, die Statistik der Hitzetoten in Indien oder die Weinernte in Deutschland? Es könnte dazu kommen, dass verschiedene Parteien, die dazu in der Lage sind, eigene SRM-Programme verfolgen, was unabsehbare Folgen hätte. Befürchtet wird obendrein, dass die SRM-Flugobjekte bewaffnet werden könnten.
• Gleichgültigkeit bei der CO₂-Reduktion: Sollten die SRM-Massnahmen erfolgreich sein, könnte die Bereitschaft schwinden, weiterhin etwas gegen die CO₂-Emissionen zu unternehmen – immerhin hätte man ja die Klimaerwärmung im Griff. Dies wäre zum einen riskant, da es aus verschiedensten Gründen zu einem plötzlichen Stopp der Massnahmen kommen könnte, der wie erwähnt zu einer starken Erwärmung führen würde. Zum andern würden sich andere Probleme wie die Versauerung der Ozeane trotz SRM unvermindert verschärfen.
• Zunehmende Abhängigkeit von SRM: Erfolgte der Einsatz von SRM ohne gleichzeitige Reduktion von Treibhausgasen, würde die Gesellschaft von immer umfassenderen SRM-Massnahmen abhängig werden.
• Veränderte Farbe des Himmels: SRM würde als Erstes die Farbe des Himmels verändern; das Blau würde durch einen milchigen Schleier getrübt.

Die Forschungsgemeinde verteilt sich im Hinblick auf Chancen und Risiken von SRM auf verschiedene Lager. Einige warnen vor dessen unabsehbaren Folgen, während andere die Forschung daran vorantreiben wollen. So hat im vergangenen August ein Forscherteam der Universität Bern in der Fachzeitschrift «Nature Climate Change» eine Studie veröffentlicht, die sich mit der Frage befasst, ob sich durch künstliche Beeinflussung der Sonneneinstrahlung das Abschmelzen des Eises in der Westantarktis verhindern liesse. Auch diese Wissenschaftler warnen aber zugleich vor nicht absehbaren Nebenwirkungen solcher Methoden.

Selbst die Befürworter von Solar Radiation Management gehen durchs Band davon aus, dass gleichzeitig die Ursachen der Klimaerwärmung angepackt und die Treibhausgas-Emissionen massiv reduziert werden müssen. Ihr Argument lautet, dass SRM dazu dienen könnte, Zeit zu gewinnen. Und falls die Erderwärmung zusehends katastrophale Folgen nach sich ziehen würde, könnte SRM als letzte Notfallmassnahme relativ schnell Wirkung zeigen. Ob jedoch Politik und Gesellschaft tatsächlich bereit wären, die aufwendige und unbequeme Ursachenbekämpfung weiterhin beizubehalten, wenn SRM schnelle und bequeme Linderung verspräche, darf bezweifelt werden.