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Die Gentechnik oder Gentechnologie ist ein Teilgebiet der Biotechnologie. Gentechnische Verfahren bauen auf den Kenntnissen der Molekularbiologie und Genetik auf und ermöglichen gezielte Eingriffe in das Erbgut und/oder in die biochemischen Steuerungsvorgänge von Lebewesen bzw. viraler Genome.
Es werden drei große Anwendungsbereiche der Gentechnik unterschieden:
Die Begriffe Grüne, Gelbe/Rote und Graue/Weiße Gentechnik sind keine fest definierten Bezeichnungen. Im öffentlichen Sprachgebrauch ist nur die Bezeichnung „Grüne Gentechnik”, in erster Linie unter den Befürwortern, weiter verbreitet.
Insbesondere erforscht Gentechnik die Methoden zur Isolierung von Genen und zur Herstellung neukombinierter DNA, vor allem auch über Art-Grenzen hinweg. Dies ist möglich, weil (fast) alle Lebewesen denselben genetischen Code benutzen (siehe aber: codon usage). Als Ziele gentechnischer Anwendungen werden die Verbesserung des Saatgutes oder die einfachere Herstellung von Medikamenten genannt.
In der öffentlichen Diskussion wird oft der Begriff „Gentechnologie“ verwendet. Sprachlich korrekt ist mit „Gentechnologie“ nur die Erforschung der Methoden zur Neukombination von DNA, mit „Gentechnik“ aber die Anwendung dieser Methoden in Forschung und Technik gemeint.
thumb|Züchtungsziele durch Gentechnik
Genauer beschäftigt sich die Gentechnik mit der in-vitro-Verknüpfung von Nukleinsäure-Molekülen zu neuen, vermehrbaren Molekülen, der Einführung solcher Moleküle in einen Empfängerorganismus und der Vermehrung der neu kombinierten Moleküle in diesem Organismus. Meistens wird zunächst die DNA eines Spenderorganismus isoliert und in Fragmente brauchbarer Größe zerlegt. Weiterhin muss ein geeigneter Vektor (ein Transportvehikel zur Übertragung der Spender-DNA in eine Wirtzelle) isoliert und aufgeschnitten werden. In einem dritten Schritt bringt man die Vektor-DNA mit der fragmentarischen Spender-DNA zusammen und sorgt dafür, dass ein Fragment der Spender-DNA vom Vektor aufgenommen wird. Danach überträgt man die im Vektor neu kombiniert vorliegende DNA in die Zellen eines geeigneten Empfängerorganismus und vermehrt die Zellen mit der gewünschten neuen genetischen Information. Neue Entwicklungen ermöglichen das Einpflanzen von Fremdgenen an vorherbestimmten Orten im Genom; dadurch werden die Produktionseigenschaften der modifizierten Zelle vorhersagbar (RMCE-Kassettenaustauschverfahren). Wenn all dies gelungen ist, stellen die Zellen des Empfängerorganismus zum Beispiel ein vom Menschen gewünschtes Genprodukt her, etwa ein Protein, das in gereinigtem Zustand vermarktet werden kann. Solcherart genetisch modifizierte Organismen nennt man transgene Organismen oder gentechnisch veränderte Organismen (GVO), zum Beispiel transgener Mais.
Als Vektoren werden oft Plasmide aus Bakterienzellen verwendet. Bei den Plasmiden handelt es sich um kleine, ringförmige DNA-Moleküle, die eine Schnittstelle für ein Restriktionsenzym besitzen, das den Plasmidring öffnet und dadurch für die Aufnahme von Fremd-DNA empfänglich macht. Mit Hilfe von Ligasen wird die Fremd-DNA im Plasmid fest verankert. Nach dieser Manipulation muss das veränderte Plasmid noch zur Vermehrung in eine Bakterienzelle eingeschleust werden. Mithilfe bestimmter Chemikalien lässt sich die Zellwand und Membran des Bakteriums für die Aufnahme des Plasmids durchlässiger machen.
Alternativ kann die Fremd-DNA auch durch ein modifiziertes Virus, das zur eigenen DNA auch die Spender-DNA und die DNA eines Plasmids trägt, in die Zelle des Empfängerorganismus gelangen. Siehe auch: Cosmid.
Gentechnik bezeichnet die Analyse oder gezielte Veränderung von DNA-Sequenzen. Etliche Produkte, die für den Menschen interessant sind (zum Beispiel Insulin, Vitamine), werden mit Hilfe genetisch veränderter Bakterien hergestellt. Für den medizinischen Bereich werden heute schon viele Medikamente gentechnisch produziert. In der Landwirtschaft werden Nutzpflanzen gentechnisch verändert. Dabei werden beispielsweise Resistenzen gegen Pestizide (z. B. Glyphosat oder Glufosinat) oder Resistenzen gegen Schädlinge eingebaut. Dieses Verfahren ist jedoch nicht ohne Risiken. So besteht beispielsweise die Gefahr, dass die veränderten Gene ungewollt auf andere Wildtyp-Pflanzen derselben Art oder sogar auf andere Arten übertragen werden (zum Beispiel durch Pollenflug). In welchem Maße und unter welchen Bedingungen dieser horizontale Gentransfer stattfindet, wird derzeit untersucht. Bei Ansätzen zur Nutzung in großem Stil (zum Beispiel Biopharming: Herstellung von Medikamenten durch gentechnisch veränderte Pflanzen) ist eine strenge Kontrolle notwendig. Es gibt auch erste Ansätze, Pflanzen mit verbesserten Ölen (zum Beispiel Raps) oder erhöhten Vitaminkonzentrationen (beispielsweise der Golden Rice) mit Hilfe der Gentechnik herzustellen.
Auch in der Medizin hat die Gentechnik Bedeutung erlangt. Die Zahl der gentechnisch hergestellten Medikamente auf dem Markt nimmt stetig zu. So waren beispielsweise 1999 in der Schweiz 40 Medikamente registriert und im Umlauf, deren Herstellung auf gentechnischem Wege erfolgte. Sie wurden gegen sehr unterschiedliche Krankheiten eingesetzt, wie Zuckerkrankheit (Insulin für Diabetiker), Blutarmut, Herzinfarkt, Wachstumsstörungen bei Kindern, verschiedene Krebsarten und die Bluterkrankheit (Hämophilie). Weltweit befinden sich über 350 Gentech-Substanzen in klinischen Prüfungen mit Patienten.
In der Krebstherapie sind gentechnisch hergestellte Medikamente heute weitgehend etabliert. Nach Meinung einiger Krebsexperten könnten durch den Einsatz monoklonaler Antikörper, Interferone und blutbildender Wachstumsfaktoren die Krebstherapien bei bestimmten Tumorarten optimiert, Krankenhausaufenthalte verkürzt oder gar vermieden sowie Lebensqualität gewonnen werden. Auch das Infektionsrisiko sei nachweislich gesunken.
Das bekannteste Hormon, das mit Hilfe der Gentechnik gewonnen wird und bereits auf dem Markt ist, ist das Insulin. Das früher produzierte Insulin stammte von Rindern und Schweinen und war nicht hundertprozentig baugleich mit dem des Menschen. Mittels Gentechnik wurde es nun ersetzt.
Für Diabetiker mit einer Unverträglichkeit gegenüber gentechnisch hergestellten Insulinen wurde es allerdings zum Problem, da heute kaum noch Tierinsulin auf dem Markt ist. In Deutschland betrifft dies rund 400 Erkrankte.
Schon bevor es möglich wurde, auf molekularer Ebene das Genom eines Organismus zu manipulieren, wurden Keime stark ionisierender Strahlung, Wärme oder anderen genverändernden Einflüssen (Mutagenen) ausgesetzt, um Mutationen im Erbgut häufiger als unter natürlichen Bedingungen hervorzurufen. Die Samen werden ausgesät und die Pflanzen, die die gewünschten Eigenschaften besitzen, werden weiter gezüchtet. Ob dabei auch noch andere, unerwünschte, Eigenschaften entstehen, wird bislang nicht systematisch überprüft.
Diese Technik wurde bei fast allen Nutzpflanzen und, in entsprechenden Verfahren, auch bei einigen Tierarten angewendet.
Die Ziele der Gentechniker unterscheiden sich prinzipiell nicht von denjenigen Jahrtausende alter "traditioneller" Pflanzen- und -tierzüchter.
Es geht beiden um eine Verbesserung der Eigenschaften von Pflanzen und Nutztieren, um
Nur bedient sich der eine nach Vorauswahl von geeigneten Individuen dem Zufallsprinzip der Natur, der andere nutzt die Kenntnisse der Genome um sie durch gentechnische Maßnahmen gezielt und schneller zu verändern.
Hierbei tun sich völlig neue Möglichkeiten auf:
Beide Methoden bergen jedoch das Risiko, dass bei einem großflächigen Einsatz veränderter Nutzpflanzen und Nutztiere die möglichen negativen Auswirkungen auf das ökologische Gleichgewicht noch nicht hinreichend erforscht sind. Auch eine unkontrollierte Verbreitung von veränderten Organismen und die Übertragung der veränderten Gene auf andere Organismen sowie Allergierisiken bei veränderten Lebensmitteln für den Menschen sind nicht auszuschließen.
Vor allem das hohe Tempo gentechnischer Veränderungen und die Kombinationsvielfalt der Genmanipulationen der Gentechnik zwingen jedoch, wie bei jeder neuen Technologie, zu besonderen Vorsichtsmaßnahmen.
Es sei daran erinnert, dass bei der Einführung der Eisenbahn in Deutschland ernsthaft darüber diskutiert wurde welche negativen gesundheitlichen Folgen die hohe Geschwindigkeit von 20-30 km/h auf den Menschen haben würde.
Die Gentechnik hat ein sehr großes Potenzial zur gezielten Verbesserung der Eigenschaften von Nutzpflanzen- und Nutztieren, unheilbare Krankheiten können mit neuen gentechnisch hergestellten Medikamenten geheilt werden, veränderte Mikroorganismen bieten völlig neue Möglichkeiten in der weißen Biotechnologie für die Industrie.
Auch kann die Kenntnis der Genome den Tier- und Pflanzenzüchtern bei der Vorauswahl der Individuen helfen.
All das führt letztendlich zur Verbesserung unserer Lebensqualität.
Neue Technologien lassen sich vielleicht in einzelnen Ländern zeitweise aufhalten, aber nicht in der Welt.
Die Forscher werden dann mit den Füßen abstimmen.
Es besteht die Gefahr der unumkehrbaren Auskreuzung der gentechnisch eingebrachten Eigenschaften (z. B. Herbizidresistenzen) in Wildkräuter und die Möglichkeit unerwünschter Nebenwirkungen durch absichtlich oder unabsichtlich mitübertragenen Gene. Daneben sehen Kritiker eine mögliche Gefahr für die Arten- und Sortenvielfalt, da die Patentierung und der exklusive Vertrieb von Hybridsaatgut sowie gentechnisch manipuliertem Saatgut durch einzelne Hersteller zur Verdrängung anderer Arten führen und Bauern letztlich abhängig von Saatgut-Herstellern machen könnten. Gentechnisch verändertes Saatgut stelle dabei eine Verschärfung des allgemeinen Problems der Kommerzialisierung der Saatgutproduktion dar. Im Zusammenhang hiermit steht die oft gleichzeitig vorgebrachte Kritik an der Patentgesetzgebung, die sich in den letzten 10 Jahren entscheidend geändert hat (vgl. Biopiraterie).
Gentechnische Veränderungen können zu einer Veränderung im Primär- und Sekundärstoffwechsel in den Pflanzen führen, was die stoffliche Zusammensetzung der Pflanzen verändern kann. Insbesondere pflanzliche Hilfsstoffe wie Hormone, Spurenelemente und pflanzliche Phenole, auf die der Säugetierorganismus angewiesen ist, weil er sie selbst nicht produzieren kann, können fehlen oder in nur geringeren Konzentrationen in den Pflanzen vorhanden sein. Das kann – langfristig – Konsequenzen für das reibungslose Funktionieren des tierischen bzw. menschlichen Organismus haben. Um die einzelnen möglichen Effekte nachzuweisen oder auszuschließen, bedarf es jedoch sehr aufwendiger Studien, für die meist die Finanzierung fehlt.
Dem Argument, Gentechnik zur Bekämpfung des Hungers einzusetzen, wird entgegnet, dass die Kapazitäten zur Nahrungsmittelproduktion schon jetzt ausreichend seien und Hungerkatastrophen andere Ursachen hätten, darunter Missmanagement vor Ort und Verteilungsungerechtigkeiten im Welthandel etwa durch Agrar-Exportsubventionen. Der UN-Sonderberichterstatter für das Recht auf Nahrung Jean Ziegler sagt unter Berufung auf Daten der FAO, dass mit derzeitigen und konventionellen Mitteln bis zu 12 Milliarden Menschen ausreichend ernährt werden könnten. Auch Mangelernährung, etwa in Form von zur Erblindung führendem Vitamin-A-Mangel, wird auf andere Ursachen wie durch unzureichende Hygiene verursachte Durchfallerkrankungen zurückgeführt. Dadurch fehlt dem Körper die Zeit, Beta-Carotin in Vitamin A umzuwandeln und dem Stoffwechsel hinzuzufügen. Zudem ist für diesen Prozess Fett notwendig. Eine gesteigerte Nahrungsproduktion durch den Einsatz der Gentechnik könne an diesen Problemen nur wenig ändern, im Gegenteil würden neue Abhängigkeiten geschaffen, da das Gentechnik-Saatgut von den Saatgutunternehmen jährlich neu und zu einem relativ hohen Preis erworben werden muss.
Daneben stehen eine Reihe weitere Argumente im Raum:
Eine sachliche Debatte wird erschwert durch die weitverbreitete Unkenntnis über die Möglichkeiten und Gefahren der Gentechnologie in der Bevölkerung, so dass, ähnlich wie bei der modernen EDV (z. B. zur Überwachung einzelner Personen), die Möglichkeiten und Gefahren gleichzeitig unter- und überschätzt werden. Der Kenntnisstand könnte höher sein, wenn die Gentechnik-Industrie die Ergebnisse der eigenen Risikoforschung öffentlich zugänglich machen würde. Das ist allerdings nicht immer der Fall; so mussten genkritische Organisationen die Veröffentlichung solcher Forschungsergebnisse im Sommer 2005 gerichtlich erzwingen (Fütterungsversuche an Ratten mit gentechnisch manipuliertem Mais). Ein zur Zeit in den Diskussionen über Bioethik wichtiger Aspekt ist, inwiefern auch andere Eingriffs- und Manipulationsmöglichkeiten eingeschränkt oder ausgeweitet werden sollten. Dabei sollen auch die möglichen Vor- und Nachteile ins Auge gefasst werden und nicht allein die Methoden, mit denen sie bewirkt werden.
Ein Ausdruck des Protestes gegen gentechnisch veränderte Pflanzen stellen sogenannte Feldbefreiungen dar, wobei entsprechende Anbaugebiete rechtswidrig von Umweltaktivisten besetzt oder beschädigt werden. Bisweilen treffen solche Aktionen auch völlig Unbeteiligte. So zerstörten zum Beispiel 250 Aktionisten der Organisation mutatoes.org im April 2007 nahe der englischen Stadt Kingston upon Hull einen Acker auf dem ganz normale Bohnen gepflanzt waren in der falschen Überzeugung, dort befände sich ein Freisetzungsversuch mit Kartoffeln. <ref>GM protesters pick wrong field in bid to disrupt potato trial, The Guardian, 25 April 2007</ref>
Zu den bedeutenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Gentechnik im Agrar-Bereich gehört in Deutschland das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben und das Molekularbiologische Zentrum der Bundesforschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel in Karlsruhe.
Moderne Pflanzenphysiologie beschäftigt sich auch mit den molekularen Vorgängen innerhalb der Pflanzen. War es vor 100 Jahren gerade möglich, die Sauerstoffproduktion von Pflanzen und einige andere globale Parameter zu untersuchen, so kann man heute mit verschiedenen Techniken in das molekulare Geschehen einzelner Zellen hineinsehen. Eine sehr wichtige Rolle wird dabei der Gentechnik beigemessen, da sie es ermöglicht, das Verhalten von Genen in der Pflanze zu beeinflussen. Jede Pflanzenzelle enthält zwischen 20.000 und 60.000 Gene, von denen erst bei einem Bruchteil die Funktion bekannt ist. Selbst bei der bestuntersuchten Pflanze (Arabidopsis thaliana) ist noch mehr als die Hälfte der Gene ohne bekannte Funktion. Um die Funktion zu erkennen, ist es nötig, die Steuerung des Gens zu modifizieren.
So werden Effekte von Genen normalerweise durch einen Vergleich dreier Pflanzenpopulationen aufzuklären versucht. Die erste, unveränderte Population wird als Wildtyp bezeichnet. Eine Population, die als Überexpressoren bezeichnet werden, produziert vermehrt das Genprodukt (meist ein Protein). Dies geschieht meist, in dem das Gen hinter einen viralen Promoter kloniert und in die Pflanze übertragen wird. Virale Promoter sind auf maximale Effizienz optimiert und werden deshalb für besonders geeignet gehalten, große Mengen RNA zu produzieren. Eine dritte, die so genannte „Knock out”-Population, produziert das Genprodukt in geringerem Maße oder gar nicht mehr. Hierfür gibt es verschiedene Techniken, wie etwa RNAi. Allen Techniken ist gemeinsam, dass sie doppelsträngige RNA produzieren, die der Pflanze den „Befehl“ gibt, dass „normale” Ribonukleinsäure des zu untersuchenden Gens abgebaut wird.
Auch komplizierte Regulationsmechanismen sollen so aufgeklärt werden, indem nicht nur das Genprodukt, sondern die gesamten Änderungen innerhalb der Zelle bzw. Pflanze betrachtet werden.
Diese Methoden sollen das klassische Durchmustern von Mutanten um eine viel gezieltere Technik erweitern, mit der es möglich ist, den Effekt von gefundenen „Kandidatengenen” direkt zu untersuchen.
Zusätzlich zu den oben genannten Techniken gehören auch deskriptive Techniken zur Standardausrüstung der gentechnischen Pflanzenforschung. So werden über Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) Gene kloniert, es werden Häufigkeiten von Transkripten (Bauanleitungen für Proteine) mittels quantitativer PCR bestimmt oder mittels so genannter DNA-Chips gleich die meisten Gene einer Pflanze in ihrer Ablesehäufigkeit bestimmt.
Forscher, die praktische Gentechnik betreiben, sind zur Einhaltung zahlreicher Sicherheitsvorschriften verpflichtet. Die Gentechnik-Sicherheitsverordnung regelt in Deutschland die Arbeit mit gentechnisch veränderten Organismen.
Seit dem 18. April 2004 besteht innerhalb der EU eine Kennzeichnungspflicht für gentechnisch veränderte Produkte. Sie schließt ein, dass alle Produkte, die eine genetische Veränderung besitzen, gekennzeichnet werden müssen, auch dann, wenn die Veränderung im Endprodukt nicht mehr nachweisbar ist.
Ausgenommen von der Kennzeichnungspflicht sind Fleisch, Eier, Milchprodukte und mithilfe genetisch veränderter Bakterien hergestellte Produktzusätze. Ebenso Enzyme, Zusatzstoffe und Aromen, da sie im rechtlichen Sinne nicht als Lebensmittel gelten.
Kritiker von gentechnisch veränderten Lebensmitteln verweisen in diesem Zusammenhang darauf, dass derzeit (Stand: 2005) etwa 80 Prozent der angebauten gentechnisch veränderten Pflanzen in die Futtermittelindustrie einfließen. Sie fordern deshalb die Kennzeichnungspflicht auch für diese tierischen Produkte.
Eine Kennzeichnung muss weiterhin nicht erfolgen, wenn die Verunreinigung mit genetisch verändertem Material unter 0,9 % (Stand: 2007) Gewichtsprozent liegt und zufällig oder technisch unvermeidbar ist.
Seit der Verabschiedung der EU-Öko-Verordnung im Jahr 2007 ist auch die Verwendung von gentechnisch hergestellten Mikroorganismen (wie Enzyme, Vitamine und Aminosäuren) in Ökoprodukten erlaubt, ohne dass diese ihren Status als Ökoprodukte verlieren oder entsprechend gekennzeichnet werden müssen.
Eine diesbezügliche Angleichung der nationalen Regelungen in Deutschland durch eine Änderung der "Neue- Lebensmittel-Verordnung" (Novel Food) an die EU-Öko-Verordnung kündigte Bundeslandwirtschaftsminister Seehofer im Juli 2007 bei der Vorstellung einer Einigung der Großen Koalition zur Novellierung des Gentechnikrechts an.
Demnach dürfen Ökoprodukte in Deutschland künftig auf Initiative der SPD-Bundestagsfraktion den Zusatz "ohne Gentechnik" tragen, auch wenn sie gentechnisch veränderte Mikroorganismen enthalten. Die CDU/CSU-Bundestagsfraktion hatte dagegen eine umfassende Prozesskennzeichnung aller Lebensmittel gefordert, die mit, oder unter Zuhilfenahme von GVO hergestellt wurden, um für die Verbraucher eine vollständige Transparenz zu gewährleisten.
Die Schweizer stimmten mit der Abstimmung vom 27. November 2005 mehrheitlich für ein Moratorium zur Nutzung von Gentechnik in der Landwirtschaft. Für vorerst fünf Jahre ist damit der Anbau von Pflanzen oder die Haltung von Tieren verboten, die gentechnisch verändert wurden.
Im April 1997 wurde das Gentechnik-Volksbegehren<ref>http://www.parlinkom.gv.at/pls/docs/page/PG/DE/XX/I/I_00715/FNAMEORIG_000000.HTML Wortlaut des österreichischen Gentechnik-Volksbegehrens</ref> angenommen. Das bisher (April 2007) zweiterfolgreichste Volksbegehren der Zweiten Republik mit einer Beteiligung von über 21 % der Wahlberechtigten fordert ein gesetzlich verankertes Verbot der Produktion, des Imports und des Verkaufs gentechnisch veränderter Lebensmittel, ein ebensolches Verbot der Freisetzungen genetisch veränderter Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen, sowie ein Verbot der Patentierung von Lebewesen.<ref>http://www.parlinkom.gv.at/page?_pageid=908,151562&_dad=portal&_schema=PORTAL Parlamentarische Behandlung des Gentechnik-Volksbegehrens</ref> <ref>http://science.orf.at/science/news/147815 orf.at: Zehn Jahre Gentechnik-Volksbegehren: Bilanz</ref>
Der Verkauf von Saatgut mit einem Anteil von mehr als 0,1 % genmanipulierter Organismen ist seit Januar 2002 verboten. EU-Bestrebungen, höhere Toleranzwerte durchzusetzen, sind bisher gescheitert.
Grundlagen: Methoden der Gentechnik
Als globale Erwärmung bezeichnet man den während der vergangenen Jahrzehnte beobachteten allmählichen Anstieg der Durchschnittstemperatur der erdnahen Atmosphäre und der Meere sowie die erwartete weitere Erwärmung in der Zukunft. Ihre hauptsächliche Ursache liegt nach dem gegenwärtigen wissenschaftlichen Verständnis „sehr wahrscheinlich“<ref>Die Aussage folgt dem wissenschaftlichen Sprachgebrauch des IPCC, wonach „sehr wahrscheinlich“ eine mindestens 90-prozentige Wahrscheinlichkeit beinhaltet.</ref> in der Verstärkung des Treibhauseffektes durch den Menschen.<ref name="IPCC 2007">Intergovernmental Panel on Climate Change (2007): ''Fourth Assessment Report''.</ref> Dieser verändert die Zusammensetzung der Atmosphäre vorwiegend durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe und die daraus resultierenden Emissionen von Kohlendioxid (CO<sub>2</sub>) sowie durch die Freisetzung weiterer Treibhausgase.
Die Bezeichnung globale Erwärmung wurde im Verlauf der 1980er und 1990er Jahre geprägt und wird oft gleichbedeutend mit dem allgemeineren Begriff Klimawandel verwendet. Während Klimawandel die natürliche Veränderung des Klimas auf der Erde über einen längeren Zeitraum beschreibt und damit die bisherige Klimageschichte umfasst, bezieht sich die globale Erwärmung auf die gegenwärtige anthropogene, das heißt durch Menschen verursachte Klimaveränderung. Diese besteht nicht nur im Anstieg der Durchschnittstemperatur auf der Erde, sondern sie ist darüber hinaus mit einer Vielzahl weiterer globaler, regionaler und lokaler Folgen verbunden.
Der wissenschaftliche Sachstand über die globale Erwärmung wird regelmäßig im Abstand von mehreren Jahren durch die Zwischenstaatliche Sachverständigengruppe über Klimaänderungen (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) zusammengefasst. Die Analysen des IPCC, deren Vierter Sachstandsbericht beginnend im Februar 2007 schrittweise veröffentlicht wird, bilden den Kenntnisstand über den menschlichen Einfluss auf das Klimasystem der Erde ab und gelten als Basis der politischen und wissenschaftlichen Diskussion. Sie sind eine wesentliche Grundlage dieses Artikels, und die Darstellungen des IPCC stehen auch im Mittelpunkt der Kontroverse um die globale Erwärmung.
thumb|Schema des Treibhauseffektes: Kurzwellige Strahlung der Sonne trifft auf die Atmosphäre und die Erdoberfläche. Langwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche abgestrahlt und in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Im thermischen Gleichgewicht wird die absorbierte Energie je zur Hälfte in Richtung Erde und Weltall abgestrahlt.
thumb|Wachstumstrend der wichtigsten anthropogenen Treibhausgase seit den 1970er Jahren bis 2006. Kohlendioxid und Lachgas steigen unvermindert weiter an, während Methan und FCKWs/FKWs seit 1999 konstant geblieben sind.
Hauptartikel: Treibhauseffekt
Der Treibhauseffekt lässt sich auf Treibhausgase wie Wasserdampf (H<sub>2</sub>O), Kohlenstoffdioxid (CO<sub>2</sub>), Methan (CH<sub>4</sub>), Distickstoffoxid (N<sub>2</sub>O, auch bekannt als Lachgas) und fluorierte Verbindungen (FCKW und FKW) zurückführen. Diese lassen die von der Sonne kommende kurzwellige Strahlung weitgehend ungehindert auf die Erde durch, strahlen aber selbst im längerwelligen Bereich (Infrarotbereich). Dadurch erhält die Erdoberfläche mehr Strahlung als durch die Sonne allein und erwärmt sich stärker. Im Gleichgewicht muss der Atmosphäre so viel Energie zugeführt werden, wie durch die Strahlung aus der Atmosphäre verloren geht. Dieses geschieht auf mehrere Arten wie z. B. durch Konvektion. Eine wesentliche Rolle spielt auch die Absorption der längerwelligen Wärmeabstrahlung von der Erde in den Weltraum in bestimmten Wellenlängenbereichen, denn ein Körper, der Strahlung emittiert, absorbiert auch (Kirchhoffsche Gesetze). In populärwissenschaftlichen Darstellungen wird oft nur die Absorption genannt, die Emission ist der Faktor, der die globale Erwärmung bestimmt.
Die Strahlung aus den Treibhausgasen, die zur Erdoberfläche geht, wird, da sie der Wärmeabstrahlung der Erde entgegengesetzt gerichtet ist, auch als atmosphärische Gegenstrahlung bezeichnet.
Die Anteile von Konvektion und Strahlung am Energieaustausch variieren mit der Höhe.
Je wärmer die Erdoberfläche wird, um so mehr strahlt die Erde Energie in den Wellenlängenbereichen, in denen die Atmosphäre transparent ist, in den Weltraum ab. Gleichzeitig wird aber auch der Energieeintrag in die Atmosphäre auf zwei Wegen größer: Erstens dadurch, dass sich die Atmosphäre auf die warme Erdoberfläche stützt (Wärmeübertragung durch Konvektion) und zweitens durch die teilweise Absorption der erhöhten Abstrahlung des Bodens. Ein erhöhter Energieeintrag erfordert im Gleichgewicht auch einen höheren Energieaustrag, der durch die schon erwähnte Strahlung aus den Treibhausgasen erfolgt. Dieser Prozess der Erwärmung und Strahlungszunahme setzt sich so lange fort, bis alle Energiebilanzen ausgeglichen sind. Dann herrscht, auf erhöhtem Temperaturniveau, an der Erdoberfläche ein Gleichgewicht zwischen absorbierter Strahlung und Energieverlust.
Treibhausgase gibt es in der Atmosphäre von Natur aus, vor allem die genannten Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Die von ihnen verursachte Temperaturerhöhung wird als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet. Ohne diesen läge die längerfristig und global gemittelte bodennahe Lufttemperatur der Erde bei etwa -18 °C und damit um ungefähr 33 °C unter dem heute tatsächlich vorhandenen Mittelwert von etwa +15 °C. Die Erde wäre damit für die meisten höheren Lebewesen unbewohnbar. Die Hauptbestandteile der Erdatmosphäre sind Stickstoff, Sauerstoff und Argon mit zusammen über 99,9 % Masseanteil. Sie entfalten dabei so gut wie keine Treibhauswirkung. Lediglich die geringen Konzentrationen der genannten Treibhausgase ermöglichen gemeinsam mit dem Wasserdampf menschliches Leben auf der Erde.
thumb|left|Entwicklung der CO2-Konzentration während der letzten 420.000 Jahre. Neuere Forschungen erweiterten den erforschten Zeitraum auf über 650.000 Jahre, veränderten das grundlegende Bild jedoch nicht.
Seit der Industriellen Revolution verstärkt der Mensch den natürlichen Treibhauseffekt durch den Ausstoß von Treibhausgasen.<ref name="Philipona et al. 2004">R. Philipona, B. Dürr, C. Marty, A. Ohmura, M. Wild (2004): Radiative forcing – measured at Earth's surface – corroborate the increasing greenhouse effect, in: Geophysical Research Letters, Vol. 31, 6. Februar, online</ref><ref name="Harries 2001">J.E. Harries, H.E. Brindley, P.J. Sagoo, R.J. Bantges (2001): Increases in greenhouse forcing inferred from the outgoing longwave radiation spectra of the Earth in 1970 and 1997, in: Nature, Vol. 410, S. 355–357, 15. März, online</ref> Die vorindustrielle Konzentration von CO<sub>2</sub> betrug 280 ppmV (parts per million, Teile pro Million Volumenanteil).
Dabei entsteht die zusätzliche Erwärmung der Erdoberfläche nicht durch zusätzliche Absorption (die Atmosphäre ist in den relevanten Wellenlängenbereichen schon so gut wie undurchsichtig), sondern hauptsächlich durch Veränderung der Emission, da für den Treibhauseffekt nur Strahlung relevant ist, die die Erdoberfläche erreicht. Strahlung aus größeren Höhen wird von den Treibhausgasen weitgehend absorbiert. Da mit zunehmender Konzentration der Treibhausgase der Höhenbereich, aus dem die Strahlung die Erdoberfläche erreicht, immer niedriger wird, wird die Strahlung, die die Erdoberfläche erreicht, immer stärker. Das ist so, weil in niedrigeren Höhen die Temperatur höher ist und die Strahlstärke mit der Temperatur steigt.
Die Konzentration des CO<sub>2</sub> ist, vor allem durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe sowie durch großflächige Entwaldung, auf heute über 380 ppmV gestiegen. Nach Messungen aus Eisbohrkernen ist dies die höchste Konzentration seit mindestens 650.000 Jahren<ref name="Siegenthaler et al. 2005">Siegenthaler, Urs, Thomas F. Stocker, Eric Monnin, Dieter Lüthi, Jakob Schwander, Bernhard Stauffer, Dominique Raynaud, Jean-Marc Barnola, Hubertus Fischer, Valérie Masson-Delmotte und Jean Jouzel (2005): Stable Carbon Cycle–Climate Relationship During the Late Pleistocene, in: Science, Vol. 310, No. 5752, S. 1313–1317, 25. November, siehe Abstract online</ref>, wahrscheinlich sogar schon seit 20 Millionen Jahren.<ref name="Prentice et al. 2001">Prentice, I., et al. (2001):The Carbon Cycle and Atmospheric Carbon Dioxide, in IPCC 2001: Climate Change 2001: The Scientific Basis (S.185), siehe online</ref> Der Volumenanteil von Methan beträgt statt 730 ppbV heute 1.783 ppbV. Als Hauptursache hierfür ist die Massentierhaltung<ref>FAO (2006): ''Livestock's Long Shadow – Environmental Issues and Options (PDF, 4,8 MB))</ref> anzuführen, gefolgt von weiteren landwirtschaftlichen Aktivitäten wie dem Anbau von Reis. Der Volumenanteil von Distickstoffoxid stieg von 270 ppbV auf mittlerweile 319 ppbV.<ref>T.J. Blasing and Karmen Smith: ''Recent Greenhouse Gas Concentrations'', CDIAC (Carbon Dioxide Information Analysis Center), 2006</ref>
In der Klimatologie ist es Konsens, dass diese gestiegene Konzentration der vom Menschen in die Erdatmosphäre freigesetzten Treibhausgase die wichtigste Ursache der globalen Erwärmung ist.<ref name="Oreskes 2004">Naomi Oreskes (2004): The Scientific Consensus on Climate Change, in: Science Vol. 306 vom 4. Dezember (korrigiert: 21. Januar 2005) (PDF, 81 KB)</ref><ref name="Scientific Academies 2005">Gemeinsame Stellungnahme der nationalen Wissenschaftsakademien der G8-Länder sowie Brasiliens, Indiens und Chinas (2005): Joint science academies’ statement: Global response to climate change (PDF)</ref> Ohne sie sind die gemessenen Temperaturen nicht zu erklären.<ref name="Meehl et al. 2004">Meehl, Gerald A., Warren M. Washington, Caspar M Ammann, Julie M. Arblaster, T. M. L. Wigleiy und Claudia Tebaldi (2004): Combinations of Natural and Anthropogenic Forcings in Twentieth-Century Climate, in: Journal of Climate, Vol. 17, 1. Oktober, S. 3721–3727 (PDF)</ref><ref name="Hansen et al. 2005">Hansen, James et al. (2005): Dangerous human-made interference with climate: a GISS modelE study, Journal of Geophysical Research, eingereicht (PDF, 7,8 MB)</ref> Das IPCC schätzt den Grad des wissenschaftlichen Verständnisses über die Wirkung von Treibhausgasen als „hoch" ein.<ref name="IPCC 2007"/>
Als Hauptbeweis für die derzeitige globale Erwärmung gelten die seit etwa 1860 vorliegenden weltweiten Temperaturmessungen sowie die Auswertungen verschiedener Klimaarchive. Diese zeigen eine Zunahme der global gemittelten bodennahen Lufttemperatur um 0,74 °C (± 0,18 °C Fehlertoleranz) zwischen 1906 und 2005. Am ausgeprägtesten ist die Erwärmung von 1976 bis heute. 2005 war das wärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen.<ref name="NASA 2005">NASA GISS: ''Surface Temperature Analysis 2005''. Der Winter 2006/2007 auf der nördlichen Hemisphäre war der wärmste seit Aufzeichnungsbeginn 1880. Die bodennahe Mitteltemperatur von Dezember 2006 bis Februar 2007 lag nach Angaben der Nationalen Behörde für Ozeane und Atmosphäre (NOAA), einer US-Regierungsbehörde, um 0,72 Grad Celsius über dem Mittelwert für das 20. Jahrhundert (Quelle: Der Tagesspiegel, 17. März 2007, S. 1 / S. 32)</ref> Eine zweite 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. Die Zwischenphase ohne Erwärmung war beeinflusst von Schmutz- und Staubteilchen in der Luft (den so genannten Aerosolen), die zunächst einen direkten abkühlenden Effekt haben, deren Gesamtwirkung auf das Klima aber nicht genügend erforscht ist.<ref>“During the last 30 years, scientist have identified several major aerosol types and they have developed general ideas about the amount of aerosol to be found in different seasons and locations. Still, key details about the amount and properties of aerosols are needed to calculate even their current effect on surface temperatures; so far, it has not been possible to make these measurements on a global scale.” Quelle: http://earthobservatory.nasa.gov/Library/Aerosols/aerosol2.html</ref>
In den zurückliegenden 30 Jahren nahm die globale Durchschnittstemperatur um ca. 0,17 °C pro Dekade zu. Dies wird durch Satellitenmessungen bestätigt, die ähnliche Erwärmungstrends zeigen. Die Satellitendaten wurden von verschiedenen Forschungsgruppen ausgewertet, die zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Nach RSS (Remote Sensing Systems) beträgt der Trend 0,184 °C<ref>http://www.ssmi.com/msu/msu_data_description.html#msu_decadal_trends</ref> und nach UAH (University of Alabama in Huntsville) 0,14 °C pro Dekade<ref>http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/t2lt/uahncdc.lt</ref> für die letzten 30 Jahre. Neben der Luft haben sich auch die Ozeane erwärmt. Während sich diese insgesamt seit 1955 aufgrund ihres enormen Volumens und ihrer großen Temperaturträgheit nur um 0,04 °C <ref>Die Fachzeitschrift Science erläuterte im Mai 2007 (Band 447, Nr. 7140, S. 9), dass aufgrund jüngerer Korrekturen von Messdaten-Ungenauigkeiten berechnet wurde, die Erwärmung der obersten 3000 Meter der Weltmeere habe zwischen 1957 und 1996 0,03 °C betragen.</ref> aufgeheizt haben, erhöhte sich ihre Oberflächentemperatur im selben Zeitraum um 0,6 °C.<ref name="WBGU 2006">Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (2006): Die Zukunft der Meere – zu warm, zu hoch, zu sauer. Sondergutachten, Berlin (PDF, 3,5 MB)</ref>
Verglichen mit den Schwankungen der Jahreszeiten sowie beim Wechsel von Tag und Nacht erscheinen die genannten Zahlen gering, als globale Änderung des Klimas bedeuten sie jedoch sehr viel – besonders wenn man die um nur etwa 6 °C niedriger liegende Durchschnittstemperatur auf der Erde während der letzten Eiszeit bedenkt.<ref>Schneider, Thomas von, Andrey Deimling, Hermann Held Ganopolski und Stefan Rahmstorf (2006): How cold was the Last Glacial Maximum?, in: Geophysical Research Letters, Vol. 33, L14709, {{DOI|10.1029/2006GL026484}} (PDF)</ref> Wissenschaftler des US-amerikanischen National Research Council gehen von den gegenwärtig höchsten erlebten Temperaturen seit mindestens 400 Jahren aus, wahrscheinlich sogar seit wenigstens 1000 Jahren.<ref name="NRC 2006">National Research Council (2006): Surface Temperature Reconstructions for the Last 2,000 Years, siehe online</ref>
Im Zuge des anthropogenen Treibhauseffekts wird für die verschiedenen Luftschichten der Erdatmosphäre eine unterschiedliche Erwärmung erwartet. Während sich die Erdoberfläche und die niedrige bis mittlere Troposphäre erwärmen sollten, lassen Modelle für die höher gelegene Stratosphäre eine Abkühlung vermuten.<ref name="USCCSP 2006">U.S. Climate Change Science Program (2006): Temperature Trends in the Lower Atmosphere. Steps for Understanding and Reconciling Differences (PDF, 9,4 MB)</ref> Tatsächlich wurde genau dieses Muster in Messungen gefunden. Die Satellitendaten zeigen eine Abnahme der Temperatur der unteren Stratosphäre von 0,324 °C pro Jahrzehnt während der letzten 30 Jahre.<ref>http://www.ssmi.com/msu/msu_data_description.html#msu_decadal_trends</ref> Diese Abkühlung ist zum einen durch den verstärkten Treibhauseffekt und zum anderen durch Ozonschwund durch FCKWs in der Stratosphäre verursacht.<ref>Dr. Elmar Uherek, : ''Stratosphärische Abkühlung'', ESPERE-ENC Klimaenzyklopädie (Max Planck Institute für Chemie, Mainz), 11. Mai 2004</ref> <ref name="Ramaswamy 1996">V. Ramaswamy, M. D. Schwarzkopf, W. J. Randel (1996): Fingerprint of ozone depletion in the spatial and temporal pattern of recent lower-stratospheric cooling, in: Nature, Vol. 382, S.616–618, 15. August, siehe Abstract online</ref> Wäre die Sonne maßgebliche Ursache, hätten sich alle Schichten gleichermaßen erwärmen müssen.<ref name="USCCSP 2006"/> Nach dem gegenwärtigen Verständnis heißt dies, dass der überwiegende Teil der beobachteten Erwärmung durch menschliche Aktivitäten verursacht sein muss. In einer 2007 erschienenen Modellstudie konnte entsprechend der natürliche Anteil an der Erwärmung des 20. Jahrhunderts auf unter 0,2 °C eingegrenzt werden.<ref>Ammann, Caspar M., Fortunat Joos, David S. Schimel, Bette L. Otto-Bliesner und Robert A. Tomas (2007): Solar influence on climate during the past millennium: Results from transient simulations with the NCAR Climate System Model, in: PNAS, Vol. 104, S. 3713–3718, {{DOI|10.1073/pnas.0605064103}}</ref>
thumb|Graph über die Sonnenaktivität seit 1975.
Neben Treibhausgasen tragen noch andere, weniger bedeutende Faktoren zur globalen Erwärmung bei. Besonders der Beitrag der Sonne ist hier zu erwähnen, auch wenn er unterschiedlich stark gewichtet wird. Das wissenschaftliche Verständnis über den Einfluss der schwankenden Sonnenaktivität auf das Klima wird vom IPCC als „gering“ eingeschätzt.<ref name="IPCC 2007"/>
Ein Maximalwert in der wissenschaftlichen Literatur findet sich bei Stott et al., welcher den solaren Anteil an der beobachteten globalen Erwärmung zwischen 1950 und 1999 auf einen Bereich zwischen 16 % und maximal 36 % schätzt.<ref name="Stott et al. 2003">Stott, Peter A., Gareth S. Jones und John F.B. Mitchell (2003): Do Models Underestimate the Solar Contribution to Recent Climate Change? In: Journal of Climate, Volume 16, Dezember, S. 4079–4093 (PDF)</ref> Die Sonne befindet sich nach Sami Solanki, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, seit 70 Jahren in einem Aktivitätsmaximum, beobachtbar an der Zahl der Sonnenflecken, und strahle so stark wie seit 8.000 Jahren nicht mehr.<ref name="Solanki et al. 2004">Solanki, Sami, I.G. Usoskin, B. kromer, M. Schüssler und J. Beer (2004): Unusual activity of the Sun during recent decades compared to the previous 11,000 years, in: Nature, Vol. 431, 28 Oktober, S. 1084–1087 (PDF)</ref> Solanki selber sagt, dass trotz dieser ungewöhnlichen Aktivität eine solare Ursache der globalen Erwärmung während der vergangenen Dekaden unwahrscheinlich sei,<ref name="MPS 2004">Max Planck Society (2004): How Strongly Does the Sun Influence the Global Climate? Press Release, 2. August, siehe online</ref> die Sonne nicht der dominante Faktor gewesen sein und ihr Anteil an der Erwärmung seit 1970 bei maximal 30 % gelegen haben könne.<ref name="Solanki et al. 2003">Solanki, S.K. und N.A. Krivova (2003): Can solar variability explain global warming since 1970?, in: Journal of Geophysical Research, Vol. 108, No. A5, 1200, {{DOI|10.1029/2002JA009753}}</ref> Natalie Krivova, eine Kollegin Solankis, schreibt es sei „sehr wahrscheinlich, dass die Sonne nach 1980 nicht in irgendeiner signifikanten Weise zur globalen Erwärmung beigetragen“ habe.<ref>Natalie Krivova auf einer Webseite des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung: ''The Sun and Earth's Climate - Some Results''. Zitat im Original: „It is highly likely, however, that after 1980 the Sun has not contributed in any significant way to global warming.“</ref> Solankis Analyse der Sonnenaktivität ist zudem Kritik ausgesetzt, die vor allem seine Methode zur Rekonstruktion vergangener Jahrtausende umfasst.<ref name="Muscheler et al. 2005">Muscheler, Raimund, Fortunat Joos, Simon A. Müller und Ian Snowball (2005): How unusual is today’s solar activity?, in: Nature, Vol. 436, 28. Juli, S. E3–E4 (PDF)</ref> Andere Rekonstruktionen ergeben kaum einen Zusammenhang zwischen Sonnenflecken und Erdtemperaturen seit dem 17. Jahrhundert.
Zahlreiche andere Forscher schätzen den Anteil der Sonne an der beobachtbaren Erwärmung übereinstimmend als gering ein. Bis 1970 zeige sich zwar noch eine relativ gute Korrelation des Helligkeitsanstiegs der Sonne mit der gemessenen globalen Erwärmung, aber spätestens seitdem seien Treibhausgase eindeutig die hauptsächlichen Antreiber der Temperaturentwicklung gewesen.<ref name="Schmitt/Schüssler 2003">Schmitt, D. and M. Schüssler (2003): Klimaveränderung – Treibhauseffekt oder Sonnenaktivität? Max-Planck-Institut für Aeronomie (PDF)</ref> Das IPCC schätzt, dass die Sonne seit der Industrialisierung etwa 0,12 Watt pro Quadratmeter (mit einem Unsicherheitsbereich von 0,06 bis 0,30 W/m<sup>2</sup>) zur Erderwärmung beigetragen hat, im Vergleich zu anthropogenen Treibhausgasen und ihrem Beitrag von 2,63 (± 0,26) W/m<sup>2</sup> nur ein kleiner Bruchteil.<ref name="IPCC 2007"/>
Die seit 1978 direkt aus dem Orbit gemessenen Veränderungen der Sonnenaktivität sind für sich allein zu geringfügig, um die Ursache für die sich beschleunigende Erwärmung der letzten 30 Jahre gewesen zu sein.<ref name="Foukal et al. 2006">Foukal, P., C. Fröhlich, H. Spruit und T. M. L. Wigley (2006): Variations in solar luminosity and their effect on the Earth's climate, in: Nature, 443, S. 161–166, 14. September, {{DOI|10.1038/nature05072}}</ref> Wenn überhaupt, dann hätte sich die Erde in den letzten Jahren eher abkühlen müssen, weil die Aktivität im Vergleich zu den Jahrzehnten zuvor relativ gering ausfiel.<ref name="Lockwood und Fröhlich 2007">M. Lockwood und C. Fröhlich (2007): Recent oppositely directed trends in solar climate forcings and the global mean surface air temperature, in: Proceedings of the Royal Society A, online (PDF)</ref>
thumb|Die Antreiber der globalen Erwärmung seit 1750 und ihr Nettoeffekt auf den Wärmehaushalt der Erde.
thumb|Die physikalischen Antreiber und ihr Anteil an der globalen Erwärmung im Klimamodell.
Im Klimasystem ebenfalls eine nicht zu vernachlässigende Rolle spielen feine Partikel in der Atmosphäre, die so genannten Aerosole. Diese reflektieren teilweise einkommende Strahlung und tragen so zur Abkühlung der unteren Luftschichten bei. Welche Effekte sie genau auf das Klima haben, kann gegenwärtig nur mit recht großen Unsicherheiten beschrieben werden. Das IPCC stuft den Grad des wissenschaftlichen Verständnisses bezüglich der Aerosole zwischen „mittel“ und „gering“ ein.<ref name="IPCC 2007"/>
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. In der Region um den Indischen Ozean konnte beispielsweise der Beitrag einer so genannten permanenten „braunen Wolke“ an der regionalen Erwärmung auf etwa den gleichen Anteil beziffert werden wie durch Treibhausgase.<ref>Ramanathan, Veerabhadran, Muvva V. Ramana, Gregory Roberts et al. (2007): Warming trends in Asia amplified by brown cloud solar absorption, in: Nature, Vol. 448, S. 575-578 {{DOI|10.1038/nature06019}}</ref> Ebenfalls zu einer Erwärmung führt die verringerte, Albedo genannte Reflexivität der Oberfläche von Schnee- und Eisflächen in Folge von niedergegangenen Rußpartikeln. In höheren Luftschichten hingegen sorgen diese Partikel durch ihre abschirmende Wirkung dafür, dass es an der Erdoberfläche kühler wird. Neben Ruß kommen vor allem Mineralpartikel als Aerosole in der Atmosphäre vor. Sie werden hauptsächlich durch Landwirtschaft und Industrieanlagen freigesetzt. Ihre helle und reflektierende Oberfläche sorgt vermutlich ebenfalls hauptsächlich für eine Abkühlung der unteren Atmosphäre.
Einen großen Unsicherheitsfaktor bei der Bemessung der Klimawirkung von Aerosolen macht auch ihr Einfluss auf die ebenfalls nicht vollständig verstandenen Wolken aus. Trotz aller Unsicherheiten wird der Nettoeffekt aller Schwebeteilchen als deutlich abkühlend eingeschätzt. Die nach dem Zweiten Weltkrieg schnell wachsende Wirtschaft und die in der Folge entstehende starke Luftverschmutzung hatte dafür gesorgt, dass bis in die 1970er Jahre hinein ein starker aerosolbedingter Kühleffekt die eigentlich zu erwartende Erwärmung „maskiert“ hat. Zwischen 1950 und 1975 verdoppelte sich der Ausstoß von Sulfaten von etwa 35 auf über 70 Millionen Tonnen jährlich, um dann zunächst auf diesem Niveau zu verharren und ab Ende der 1980er Jahre wieder zu fallen. 2000 lag der Sulfatausstoß bei etwa 55 Millionen Tonnen.<ref name="Stern 2005">Stern, David I.: (2005): Global sulfur emissions from 1850 to 2000, in: Chemosphere, Vol. 58, S. 163–175, {{DOI|10.1016/j.chemosphere.2004.08.022}} (PDF)</ref> Ab 1960 hatte sich der Ausstoß von Treibhausgasen rapide verstärkt, so dass die von den Sulfaten verursachte Luftverschmutzung die aufheizende Wirkung der Gase nicht mehr ausgleichen konnte.<ref name="Meehl et al. 2004"/> Die starke Präsenz von Sulfaten in der Atmosphäre ist zudem von deutlichen negativen Folgen etwa in Form des sauren Regens oder verbreiteter auftretenden Gesundheitsproblemen wie Asthma begleitet.
Siehe auch: Globale Verdunkelung
thumb|left|Einige Projektionen der Temperaturentwicklung bis 2100.
Bei einer Verdoppelung der CO<sub>2</sub>-Konzentration in der Atmosphäre geht die Klimaforschung davon aus, dass die Erhöhung der Erdmitteltemperatur mit 95 %iger Wahrscheinlichkeit innerhalb von 1,5 °C bis 4,5 °C liegen wird.<ref name="Annan 2006">Annan, J.D. und J.C. Hargreaves (2006): Using multiple observationally-based constraints to estimate climate sensitivity, Entwurf vom 30. Januar (PDF)</ref> Dieser Wert ist auch als Klimasensitivität bekannt. Das IPCC rechnet abhängig von den Zuwachsraten aller Treibhausgase und dem angewandten Modell bis 2100 mit einer Zunahme der globalen Durchschnittstemperatur um 1,1 °C bis 6,4 °C.<ref name="IPCC 2007"/>
Der dabei maßgebliche, allerdings auch der mit der größten Unsicherheit behaftete Parameter ist die Prognose über die zukünftige Entwicklung der Weltwirtschaft. Da das Wirtschaftswachstum der Welt in der Vergangenheit stark mit dem Verbrauch an fossilen Energieträgern korrelierte<ref name="NEF 2006">New Economics Foundation (Januar 2006): Growth Isn't Working (PDF, ca. 890 KB)</ref> und dies auch in der näheren Zukunft erwartet werden kann, erklärt sich hieraus die relativ große Bandbreite der von den Klimatologen prognostizierten globalen Erwärmung.
thumb|Karte der berechneten globalen Erwärmung zum Ende des 21. Jahrhunderts. In diesem verwendeten HadCM3-Klimamodell beträgt die durchschnittliche Erwärmung 3 °C.
Des Weiteren kann das Klimasystem noch einige „Überraschungen“ in Form von Rückkopplungen beinhalten. Diese können die globale Erwärmung entweder verstärken oder abschwächen. Zum Beispiel führt die schmelzende Eisdecke in der Arktis zu einer Verringerung der Albedo. Das an der Stelle des bisherigen Eises dann vorzufindende dunklere Meerwasser nimmt deutlich mehr Wärmeenergie auf und führt zu weiterem Abschmelzen des umliegenden Polareises. Solche Rückkopplungen sind sehr schwierig zu modellieren. Dennoch schätzt aus diesem und anderen Gründen ein Beitrag von Barrie Pittock in Eos, der Publikation der American Geophysical Union, dass die zukünftige Erwärmung unter Umständen noch über die vom IPCC genannten Bandbreiten hinausgehen könnte. Unter den acht Gründen für seine Vermutung befinden sich unter anderem der Rückgang der globalen Verdunkelung, das vorher ungeahnt schnelle Zurückweichen des arktischen Meereises und das Auftreten von mit Biomasse zusammenhängenden Rückkopplungs-Effekten.<ref name="Pittock 2006">Pittock, Barrie (2006): Are Scientists Underestimating Climate Change?, in: Eos, Vol. 87, No. 34, 22. August, S. 340–341 (PDF)</ref>
Eine Berechnung unter Annahme von solchermaßen ungünstig eintretenden Rückkopplungen wurde von Wissenschaftlern der University of California, Berkeley erstellt. Diese nahmen an, dass der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre sich von den derzeitigen etwa 380 ppmV bis 2100 auf etwa 550 ppmV erhöhen wird. Dies sei allein der von der Menschheit bewirkte anthropogene Zuwachs. Die Forscher machen dann darauf aufmerksam, dass die erhöhte Temperatur selbst wieder ökologische und chemische Prozesse anstößt oder verstärkt, die zu zusätzlicher Freisetzung von Treibhausgasen, insbesondere Kohlendioxid und Methan, führen. Sie nennen die bei ansteigender Temperatur erhöhte Freisetzung von Kohlendioxid aus den Weltmeeren und die beschleunigte Verrottung von Biomasse, was zu zusätzlichen Mengen an Methan und Kohlendioxid führt. Am Ende kommen sie zu dem Ergebnis, dass die globale Erwärmung noch um 2 °C stärker ausfallen kann, als dies mit den Klimasimulationen ohne Berücksichtigung dieser Rückkopplung der Fall wäre.<ref name="Berkeley Lab Research News">Berkeley Lab Research News (2006): Feedback Loops in Global Climate Change Point to a Very Hot 21st Century, Online-Version</ref>
thumb|Wechselwirkungen der globalen Erwärmung.
thumb|Der gemessene Anstieg des Meeresspiegels zwischen 1900 und 2000 beträgt 18,5 cm und erhöht sich weiter.
Hauptartikel: Folgen der globalen Erwärmung
Wegen der Auswirkungen auf menschliche Sicherheit, Gesundheit, Wirtschaft und Umwelt ist die globale Erwärmung mit großen Risiken behaftet. Einige mit ihr zusammenhängende Umweltveränderungen sind schon heute wahrzunehmen. Diese Veränderungen wie die verringerte Schneebedeckung, der steigende Meeresspiegel, die Gletscherschmelze und zu beobachtende Wetterveränderungen gelten neben den Temperaturmessungen als Belege für den Klimawandel. Sie sind Beispiele für jene Konsequenzen der globalen Erwärmung, die nicht nur Aktivitäten des Menschen beeinflussen, sondern auch die Ökosysteme. Die Folgen des Klimawandels könnten dabei so vielfältig und umfassend sein, dass im Folgenden nur ein kleiner Ausschnitt von ihnen aufgezeigt werden kann.
Die Risiken für Ökosysteme auf einer erwärmten Erde wachsen erheblich mit dem Grad des Temperaturanstiegs. Nach einer Studie von William Hare vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung sind die Risiken unterhalb einer Erwärmung von 1 °C vergleichsweise gering, für anfällige Ökosysteme jedoch bereits nicht zu vernachlässigen. Zwischen 1 °C und 2 °C Erwärmung liegen signifikante und auf regionaler Ebene mitunter substanzielle Risiken vor. Eine Erwärmung oberhalb von 2 °C birgt enorme Risiken für das Aussterben zahlreicher Tier- und Pflanzenarten, deren Lebensräume nicht länger ihren Anforderungen entsprechen. Diese Arten werden verdrängt oder können aussterben, wenn sie den sich geografisch schnell verschiebenden Ökozonen nicht folgen können.<ref name="Hare 2003">Hare, William (2003): Assessment of Knowledge on Impacts of Climate Change – Contribution to the Specification of Art. 2 of the UNFCCC. Externe Expertise für das WBGU-Sondergutachten „Welt im Wandel: Über Kioto hinausdenken. Klimaschutzstrategien für das 21. Jahrhundert“ (PDF, 1,7 MB)</ref> Andere Arten können sich unter den veränderten Bedingungen stärker ausbreiten. Bei über 3 °C droht sogar der völlige Kollaps von Ökosystemen, deutlich verstärkt auftretende Hunger- und Wasserkrisen sowie weitere sozioökonomische Schäden, besonders in Entwicklungsländern.<ref name="Hare 2005">Hare, William (2005): Relationship between increases in global mean temperature and impacts on ecosystems, food production, water and socio-economic systems (PDF)</ref>
Schließlich erfolgt die globale Erwärmung nicht zwingend graduell, sondern sie kann auch abrupt stattfinden. Auch wenn das folgende Szenario als zumindest mittelfristig sehr unwahrscheinlich bewertet wird, kann der Klimawandel zu veränderten Meeresströmungen und hierbei besonders zu einem Versiegen des Nordatlantikstrom, einem Ausleger des Golfstroms, führen. Dies hätte einen massiven Kälteeinbruch in ganz Westeuropa und Nordeuropa zur Folge. Falls sich das Klima weiter erwärmt, könnte es mit der Zeit auch zu Veränderungen anderer ozeanischer Strömungen kommen, mit weitreichenden Konsequenzen für den globalen Energiehaushalt. Diese Worst-Case-Annahme war Thema einer Studie des US-Verteidigungsministeriums von 2003, die von massiven politischen Umwälzungen in Folge einer solchen Entwicklung ausging.<ref name="Schwartz/Randall 2003">Schwartz, Peter und Doug Randall (2003): An Abrupt Climate Change Scenario and Its Implications for United States National Security, Studie im Auftrag des US-Verteidigungsministeriums (PDF, 0,9 MB)</ref>.
Hauptartikel: Klimaschutzpolitik
Das Ausmaß der möglichen Konsequenzen der globalen Erwärmung führt zur Frage, wie diese verhindert oder ihre Folgen zumindest gemildert werden können. Die Grenze von tolerablem zu „gefährlichem“ Klimawandel wird politisch beispielsweise von der Europäischen Union mit einer Erwärmung um höchstens 2 °C benannt. Auch der Wissenschaftliche Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU) empfiehlt die Erwärmung bei höchstens 2 °C zu begrenzen.<ref name="WBGU 2003">WBGU (2003):Über Ky?to hinaus denken – Klimaschutzstrategien für das 21. Jahrhundert., Sondergutachten für die Bundesregierung (PDF, 1,7 MB)</ref> Bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts müsste dafür der CO<sub>2</sub>-Ausstoß um etwa 80 % bis 90 % im Vergleich zu 2005 reduziert werden, damit die CO<sub>2</sub>-Konzentration nicht über 450 ppm steigt. Bislang zeigt die Entwicklung der weltweiten Emissionen von Treibhausgasen allerdings weiterhin einen deutlichen Anstieg und keine Verminderung an.<br/>
thumb|left|[[Windkraftanlagen wie hier an der dänischen Küste gelten als ein wesentlicher Teil des Klimaschutzes mittels erneuerbarer Energien.]]
Auf globaler, regionaler und lokaler Ebene sind zahlreiche Maßnahmen zum Klimaschutz möglich und teilweise bereits beschlossen. Global stellen die Klimarahmenkonvention (UNFCCC) der Vereinten Nationen und das daran angeschlossene Ky?to-Protokoll die einzig völkerrechtlich verbindlichen Regelungen zum Klimaschutz dar. Die Klimarahmenkonvention wurde 1992 in New York City verabschiedet und im gleichen Jahr auf der UN-Konferenz für Umwelt und Entwicklung (UNCED) in Rio de Janeiro von den meisten Staaten unterschrieben. Mit der Rahmenkonvention geht als neu entstandenes Prinzip der Staatengemeinschaft einher, dass auf eine massive Bedrohung der globalen Umwelt auch ohne endgültige Beweise für ihr genaues Ausmaß reagiert werden soll. Auf der Rio-Konferenz wurde auch die Agenda 21 verabschiedet, die seitdem Grundlage für viele lokale Schutzmaßnahmen ist.
Die derzeit 189 Vertragsstaaten der Rahmenkonvention treffen sich jährlich auf der UN-Klimakonferenz. Die bekannteste dieser Konferenzen fand 1997 im japanischen Ky?to statt und brachte als Ergebnis das genannte Ky?to-Protokoll hervor. Hierin wurde die Reduktion der Treibhausgasemissionen aller industrialisierten Staaten auf ein bestimmtes Niveau festgeschrieben. Einigen dieser Staaten wurden noch begrenzte Steigerungen ihres Ausstoßes zugestanden. Das Ky?to-Protokoll ist mittlerweile von fast allen Staaten mit Ausnahme der USA und Australiens ratifiziert worden. Es enthält aus Sicht des Klimaschutzes nur vergleichsweise geringe und unzureichende Reduktionsverpflichtungen, die zudem nicht über das Jahr 2012 hinaus reichen. Derzeit läuft der Post-Ky?to-Prozess, in dem über die Zukunft der Klimaschutzpolitik verhandelt wird.
Hauptartikel: Klimaschutz
Neben der politischen existieren auf der technischen Ebene eine Vielzahl von Optionen zur Verminderung von Treibhausgasemissionen. So ließe sich theoretisch auch mit heutigen Mitteln ein effektiver Klimaschutz realisieren.<ref name="Pacala/Solow 2004">Pacala, Stephen und Robert Socolow (2004):Stabilization Wedges: Solving the Climate Problem for the Next 50 Years with Current Technologies, in: Science 305, 14. August, S. 968–972 (PDF)</ref> Besonders den erneuerbaren Energien kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu.<ref name="NEF 2005">New Economics Foundation (2005): Mirage and oasis. Energy choices in an age of global warming, London (PDF, 1,2 MB)</ref> Die bestehenden Schwierigkeiten und vor allem die Kosten einer solchen Vermeidungsstrategie hemmen bislang die notwendigen Investitionen. Dem gegenüber wurde ein vollständiger Klimaschutz mit Kosten von weniger als 1 % des Welt-Bruttosozialprodukts geschätzt.<ref name="Leggett 2006"> Leggett, Mark (2006): An indicative costed plan for the mitigation of global risks, in: Futures 38, Vol. 7, S. 778–809, {{DOI|10.1016/j.futures.2005.12.004}}</ref> <ref name"Edenhofer 2006">O. Edenhofer, K. Lessmann, C. Kemfert, M. Grubb, J. Köhler (2006):Induced Technological Change: Exploring its Implications for the Economics of Atmospheric Stabilization. Synthesis Report from the Innovation Modeling Comparison Project, in: The Energy Journal (PDF)</ref> Im Kontrast zu den genannten möglichen Schäden eines ungebremsten Klimawandels würde dieser Vermeidungsansatz je nach Quelle unter 30 Billionen Dollar kosten. Die Kosten für rasche globale Maßnahmen gegen die Belastung der Erdatmosphäre beziffert Nicholas Stern, der frühere Chefökonom der Weltbank, mit 275 Milliarden Euro.<ref>ZDF heute.de: ''Studie: Klimawandel lässt Weltwirtschaft schrumpfen'', 30. Oktober 2006</ref>
Zudem bestehen Möglichkeiten, durch individuelle Verhaltensumstellungen und veränderten Konsum, einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Hierzu können unter anderem verstärkte Energieeinsparung durch sparsameres Verhalten oder den Einsatz effizienterer Geräte, der Umstieg auf umweltfreundlichere Verkehrsmittel, der Kauf von Produkten der eigenen Region, was emissionsintensive weite Transportwege vermeidet, die Verkürzung der Nahrungskette durch Umstieg von tierischen auf pflanzliche Nahrungsmittel, sowie die Investition in erneuerbare Energieträger im privaten Bereich, gezählt werden.
Hauptartikel: Klimatologie
Mit den Methoden der Klimaforschung ist das Problem der globalen Erwärmung in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter untersucht worden. Die Hauptarbeit der Klimatologie in diesem Bereich besteht in der Feldbeobachtung und der Auswertung klimatologischer Daten. Hierzu gehören Temperaturmessungen, Niederschlagsdaten, Satellitenbilder, Eisbohrkerne, das Wanderverhalten von Tierarten und vieles mehr. Entgegen der weit verbreiteten Annahme, die globale Erwärmung sei hauptsächlich durch Computermodelle ermittelt worden, sind die so gesammelten Daten der eigentliche Kern des Wissens um den Klimawandel.
thumb|right|[[Svante Arrhenius, der „Vater“ der Theorie der globalen Erwärmung.]]
Eine Beschreibung der Geschichte der Wissenschaft über die globale Erwärmung findet sich bei Spencer R. Weart, Direktor des Center for History of Physics in den USA.<ref name="Weart 2003">Weart, Spencer (2003): The Discovery of Global Warming, siehe online</ref> Ihm zufolge hat den Beginn der Erforschung der globalen Erwärmung vermutlich Jean Baptiste Joseph Fourier (1768–1830) mit seiner Entdeckung des Treibhauseffektes im Jahr 1824 gemacht. John Tyndall konnte 1862 auf Fouriers Arbeiten aufbauend die für diesen Effekt verantwortlichen Gase identifizieren, allen voran Wasserdampf und Kohlendioxid. Über dreißig Jahre später, im Jahr 1896, veröffentlichte der schwedische Wissenschaftler Svante Arrhenius (1859–1927) als erster darauf aufbauend die Theorie, dass die Anreicherung von Kohlendioxid in der Atmosphäre die Temperatur auf der Erde erhöhen könnte.<ref name="Arrhenius 1896">Arrhenius, Svante (1896): On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, in: Philosophical Magazine and Journal of Science, Vol. 41, S. 239–276 (PDF, 8 MB)</ref> Für diesen war die Zeitskala, auf der sich solche Veränderungen abspielen konnten, allerdings auf zehntausende von Jahren gestreckt.
In den 1930er Jahren bemerkten einige US-Amerikaner, dass sich die Temperaturen in ihrer Region in den vorangehenden Jahrzehnten erhöht hatten. Bis auf einzelne Stimmen wurde dieses Ereignis allerdings weithin für ein natürliches Phänomen gehalten. Der deutsche Klimatologe Hermann Flohn war in Deutschland der erste Wissenschaftler, welcher aufgrund empirischer Daten auf den Klimawandel hinwies. Flohn habilitierte im Deutschland des Nationalsozialismus und veröffentliche 1941 seinen ersten Artikel zur globalen Erwärmung, Die Tätigkeit des Menschen als Klimafaktor in der Zeitschrift für Erdkunde. In den späten 1950er Jahren wurde dann erstmals nachgewiesen, dass sich künstlich freigesetztes Kohlendioxid in der Atmosphäre anreichern kann. Pionierarbeit leistete hierbei der US-Amerikaner Roger Revelle als Direktor der Scripps Institution of Oceanography. Der ebenfalls dort angestellte Charles David Keeling (1928–2005) bestieg 1958 den Berg Mauna Loa auf Hawaii (Big Island) und begann dort mit regelmäßigen Messungen des CO<sub>2</sub>-Gehalts in der Atmosphäre. Dabei fand er ein typisches, schwankendes Muster des Kohlendioxidanteils von etwa 5 ppm CO<sub>2</sub> pro Jahr, das auf die im Frühjahr wachsende Vegetation der größeren Landfläche der Nordhalbkugel zurückzuführen ist. Trotz der Schwankungen wurde bald klar, dass der Gesamtanteil des Treibhausgases in der Atmosphäre kontinuierlich anstieg. Beide Phänomene sind gut sichtbar in der sägezahnartig nach oben weisenden, nach ihrem Ersteller ernannten Keeling-Kurve.
Mit dem Aufkommen der Umweltbewegung in den 1970er Jahren wurde das Thema auch einer breiteren Öffentlichkeit bekannt. Kurioserweise kühlte sich die Erde zwischen den 1940er und 1970er Jahren ab, so dass in den verunsicherten Medien stellenweise über das so genannte global cooling berichtet wurde. In der Wissenschaft wurde hingegen bereits damals die Meinung vertreten, dass die stark gestiegene Luftverschmutzung für die Abkühlung verantwortlich sei.
Erste Computerprogramme zur Modellierung des Klimas wurden geschrieben und begannen die Wirkung eines erhöhten CO<sub>2</sub>-Gehalts in der Atmosphäre zu simulieren. Im Jahr 1988, dem damals wärmsten seit Beginn der Aufzeichnungen, richtete die internationale Staatengemeinschaft dann ein wissenschaftliches Gremium ein, das systematisch die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf das Klima untersuchen sollte: Das IPCC.
Hauptartikel: Intergovernmental Panel on Climate Change
Als internationale Institution wurde 1988 der Zwischenstaatliche Ausschuss über den Klimawandel (Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)) eingerichtet. Er fasst für seine Berichte die weltweiten Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Klimaveränderung zusammen und bildet damit den aktuellen Stand des Wissens in der Klimatologie ab. Die jüngste Zusammenfassung, der Vierte Sachstandsbericht, wird in drei Teilschritten zwischen Februar und Mai 2007 veröffentlicht. In jedem Sachstandsbericht werden mehrere tausend wissenschaftliche Einzelbeiträge gesichtet und zusammenfassend dargestellt. Bislang ist vom jüngsten Report lediglich die stark gekürzte Zusammenfassung für Entscheidungsträger verfügbar.
Die Berichte können als Abbildung einer Konsensposition innerhalb der Klimatologie gelten, da sie alle relevanten Informationen und Ergebnisse aus Fachbeiträgen bündeln. Diesen Konsens verdeutlicht auch ein Essay von Naomi Oreskes, dem zufolge sich in einer Auswahl von 928 Abstracts aus einer wissenschaftlichen Datenbank mit dem Stichwort „global climate change“ unter diesen kein einziger finden ließ, der den grundlegenden vom IPCC vertretenen Thesen widersprochen hätte.<ref name="Oreskes 2004"/> Der starke Konsens wird auch in einer gemeinsamem Stellungnahme der Nationalen Akademien der Wissenschaften aller G8-Länder sowie Indiens, Brasiliens und Chinas von 2005 deutlich, die ihn ausdrücklich bestätigten.<ref name="Scientific Academies 2005"/>
Im vierten IPCC-Bericht wird als Bandbreite aller Modelle und aller Szenarien bis 2100 eine Erhöhung der bodennahen Lufttemperatur von 1,1 °C bis 6,4 °C und eine Erhöhung des Meeresspiegels von 0,19 m bis 0,58 m prognostiziert. Die hauptsächliche Ursache der Erderwärmung sind mit einer angegebenen Wahrscheinlichkeit von über 90 % „sehr wahrscheinlich“ die menschlichen Emissionen von Treibhausgasen. Das IPCC berücksichtigt auch die von den erwarteten Klimaänderungen verursachten Folgen für die Zivilisation und wägt die Kosten der erwarteten Folgen gegen die Kosten der vorgeschlagenen Maßnahmen ab. Die IPCC-Berechnungen der zukünftig wahrscheinlichen Erwärmung basieren auf diversen Klimamodellen. Insgesamt wurden 400 computerberechnete Simulationen durchgeführt. In Abhängigkeit von den diversen Grundannahmen resultieren unterschiedliche Mengen von Treibhausgasen und Aerosolen, die vom Menschen verursacht werden. Die Daten berücksichtigen dabei auch die Vorhersagen von ökonomischen Modellen.
Siehe auch: World Meteorological Organization (WMO)
thumb|Ergebnisse zweier Klimamodelle bei der Nachberechnung des 20. Jahrhunderts.
thumb|Ein Klimamodell vom Projekt [[ClimatePrediction.net]]
Hauptartikel: Klimamodell
In Ermangelung einer Ersatzerde, mit der reale Experimente möglich wären, werden zur Berechnung des globalen Klimas in der Zukunft sehr aufwändige Computermodelle verwendet. Diese benötigen entsprechend leistungsfähige Supercomputer, um in vertretbarer Zeit das Klima zu modellieren. Einen anderen Ansatz verfolgt das Projekt Climate''Prediction''.net, das auf das Modell des verteilten Rechnens zurückgreift. Dieses verwendet die nicht genutzte Rechenkapazität auf zehntausenden Heimcomputern, um möglichst viele Läufe eines Klimamodells zu ermöglichen.
Die Modellierung des Klimas befindet sich in einer steten Weiterentwicklung.<ref name="mcguffie 2001">McGuffie, K. und A. Henderson-Sellers (2001): Forty Years of Numerical Climate Modelling, in: International Journal of Climatology, Vol. 21 (PDF)</ref> Die Berechnung des Klimas anhand von Modellen ist wegen der Komplexität des Klimasystems mit Unsicherheiten verbunden. Diese bringen eine nicht zu vernachlässigende Fehlergrenze besonders bei Berechnungen in die Zukunft mit sich, stellen aber nach derzeitigem Kenntnisstand keine prinzipielle Hürde für die Berechnung von Temperaturen, Niederschlagsverhältnissen und weiteren Effekten der globalen Erwärmung dar. Die verfügbaren Klimamodelle wurden entsprechend angepasst, um den Verlauf des Klimas im 20. Jahrhundert recht genau wiederzugeben, so dass auch Ergebnisse für das 21. Jahrhundert trotz ihrer Fehlerspanne als plausibel angesehen werden können.
Von Klimamodellen nachvollzogene Elemente des Klimas der Erde umfassen neben den selbstverständlichen jahreszeitlichen Übergängen oder dem Tag-Nacht-Wechsel mit unterschiedlicher Genauigkeit auch Besonderheiten wie Vulkanausbrüche, Hitzewellen oder El Niños. Neben den Treibhausgasen in der Atmosphäre werden besonders Aerosole, Wolken, Ozon und Wechselwirkungen mit den Ozeanen wie auch die Einwirkung von solaren Veränderungen berücksichtigt. Dabei wird beispielsweise die Temperaturentwicklung genauer abgebildet als die Verteilung und die Menge von Niederschlägen. Eine Einschränkung der Klimamodelle stellt bislang vor allem ihre räumliche Auflösung dar. Diese erlaubt bereits relativ genaue Berechnungen für die kontinentale Ebene. Regionale Modelle weichen jedoch noch stark von dem tatsächlich beobachteten Klima ab. Die weitere Verfeinerung der regionalen Auflösung stößt einstweilen an die Grenzen des jeweiligen Standes der Computerentwicklung.
