In diesem Klima-Quickie geht es um die Temperatur. Was ist Temperatur, wie wird sie gemessen, was wird daraus berechnet und welche Probleme ergeben sich bei den Berechnungen.
Was ist nun die Temperatur ? Überspitzt ausgedrückt ist die Temperatur für viele Klimaforscher gleichbedeutend mit dem Klima, für Wissenschaftler einer der vielen Messwerte die zusammen das Wetter, und damit auch das Klima, darstellen können.
Bleiben wir wissenschaftlich korrekt, man bezeichnet Temperatur als den messbaren Wärmezustand eines Stoffes oder Stoffsystems. Die Lufttemperatur, um die es hier hauptsächlich geht, wird in der Meteorologie gemäß dem internationalen Einheitensystem in Kelvin [K] oder Grad Celsius [°C] gemessen (Ausnahmen: USA, Großbritannien mit Messungen in Grad Fahrenheit [°F] ). Wer es noch etwas detaillierter wissen möchte, kann dies im Lexikon beim Deutschen Wetterdienst DWD nachschlagen1.
DIE Grafik
Die Temperatur, die uns in den Medien regelmässig ungefragt und als laute Drohung aufgedrängt wird, ist die globale Lufttemperatur im jährlichen Mittel. Eine der am meisten benutzten Grafiken zur Darstellung der Temperaturentwicklung der letzten Jahrzehnte, ist die Grafik vom NASA Goddard Institue of Space Studies. Sie zeigt die Entwicklung der jährlichen Durchschnittstemperaturen der Luft seit 1880, wie links erwähnt, anhand einer klimatologischen Referenzperiode von 1951-1980, deshalb auch Temperaturanomalie genannt. Die Daten betreffen die ganze Erdoberfläche, also Festland und Ozeane.
NASA Goddard Institute of Space Studies (GISS)2 (Grafik : Global Annual Mean Surface Air Temperature Change). Wer es gerne interaktiv haben möchte, kann sich die gleiche Grafik auf der Webseite bei NASA Vital Signs of the Planet3 anschauen.
Etwas verständlicher erklärt in absoluten Werten : wir sehen hier einen Anstieg der Luftdurchschnittstemperatur der Erde von ungefähr 13,84 Grad Celsius in 1880, auf ungefähr 14,9 Grad Celsius in 2022, in 142 Jahren also ein Anstieg um knapp 1 Grad Celsius. Zur Zeit bleibt seit 2016 diese Temperatur allerdings weitestgehend stabil. Zum Vergleich: die jährliche Luftdurchschnittstemperatur in Deutschland liegt aktuell bei ungefähr 10 Grad Celsius.
Zusammentragen der meteorologischen Daten
Wie kommt man nun zu solch schönen Diagrammen ? Grundlage aller meteorologischen und klimatologischen Betrachtungen zur Temperatur ist die kontinuierliche Messung derselben, unter möglichst gleichwertigen und vergleichbaren Bedingungen. Ab der zweiten Hälfte des 19.Jahrhunderts wurden deshalb genormte Wetterhütten überall auf der Erde aufgestellt, welche diese Bedingungen erfüllen konnten. Die in diesen Wetterhütten installierten Thermometer (oder Sensoren) messen in 2 Meter Höhe über dem Erdboden die Lufttemperatur, und auch andere Werte, wie zum Beispiel die Luftfeuchtigkeit. Auf den Ozeanen ist dies naturgemäss etwas schwieriger, hier hatte früher die Besatzung von Handelsschiffen die Aufgabe an bestimmten Punkten regelmässig zu messen, mittlerweile wird diese Arbeit von im Meer verankerten Bojen erledigt.
Weitere Methoden zur Messung der Lufttemperatur sind die Messungen mit Hilfe von Wetterballons, und Satellitenmessungen. Satellitenmessungen sind zwar noch nicht sehr lange im Einsatz, aber sie haben den Vorteil bei entsprechender Kalibrierung eine gleichmässigere Datenreihe zu erzeugen, und das auch über mehrere Höhen. Sie können deshalb auch einen guten Überblick über den vertikalen Temperaturverlauf geben. Eine zu oben vergleichbare, regelmässig aktualisierte Temperaturgrafik auf Basis von Satellitendaten, findet man auf der Webseite von Dr. Roy Spencer 4.
Zur Schätzung von Temperaturdaten aus weit zurückliegender Zeit benutzt man unter anderem Bohrkerne, Fossilien oder Baumringe.
Was bei den Temperaturmessungen auffallend fehlt ist die Messung der Temperatur unseres Planeten Erde, genauer der Erdmasse, darum gibt es dazu auch nur Schätzungen. Die Temperatur des inneren Kernes soll 7000 Grad Celsius betragen, der äussere Kern noch 4000 bis 6000 Grad Celsius. Und die Temperatur knapp unter der äusseren Erdkruste wird auf ungefähr 870 Grad Celsius geschätzt. Die Frage welche Auswirkungen das auf unser Klima hat, oder wie die Erde bei Abkühlung oder Überhitzung der Atmosphäre reagiert, wird bisher nicht gestellt.
Verarbeitung der Messdaten
Diese so ermittelten Daten werden nun an die verschiedenen meteorologischen Institute weiter gegeben, und dort auf zweierlei Methoden weiterverarbeitet : zum einen zeitlich, und zum anderen örtlich.
Für die zeitliche Weiterverarbeitung werden die Messdaten eines Tages zusammengerechnet und daraus dann ein Mittelwert erstellt, die Tagesdurchschnittstemperatur. Aus den gesammelten Tagesdurchschnittstemperaturen eines Monats wird dann die Monatsdurchschnittstemperatur ermittelt, und aus den Monatswerten eines Jahres dann die Jahresdurchschnittstemperatur, wie sie oben in der Grafik auch pro Jahr dargestellt ist.
Da es selbstverständlich auch Messfehler oder Ablesefehler geben kann, lässt man über diese Berechnungen noch eine Formel zum Auffinden von Extremwerten laufen, um diese zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren.
Die örtliche Weiterverarbeitung läuft dazu parallel, die Daten werden für die einzelnen Stationen berechnet, und dann gesammelt als Mittelwerte für Städte, Regionen oder Länder, und zu guter Letzt, der Erde, dem Universum und dem ganzen Rest, kalkuliert.
Fehlermöglichkeiten bei den Berechnungen
Wie oben schon angedeutet können bei den Temperaturmessungen und den anschliessenden Berechnungen auch Fehler auftreten, seien es Ablesefehler oder Rechenfehler.
Lokaler Messbereich : Ein Problem normaler Quecksilber, aber auch modernerer Thermometer mit elektrischen Thermistoren, ist dass sie nur einen lokalen Bereich berücksichtigen, das heisst sie messen nur die Temperatur im direkten Umfeld. Damit sind sie aber auch anfällig für lokale Beeinflussungen wie zum Beispiel eine massive Mauer, eine Air-Condition oder eine Wärmepumpe in ihrer näheren Umgebung.
Hitzeinseln : Eine Messstation, die vor 100 Jahren noch an einem Bauernhof gestanden hat, kann heute durch intensive Besiedlung und Bebauung mitten in einer Kleinstadt stehen, und dadurch natürlich wärmere Temperaturen anzeigen. Oder eine Messstation auf einem Flughafen kann durch die extreme Zunahme des Flugverkehrs regelmässig neue Temperaturhöchstwerte vermelden, wie es zum Beispiel beim britischen Flughafen Heathrow letztes Jahr vorgekommen ist. Dies versucht man mit entsprechenden Formeln auszugleichen.
Das Problem ist nur, welches ist hier der richtige Wert ? Die höhere Temperatur solcher Hitzeinseln ist ja keine Fehlmessung, sondern eine korrekt angezeigte Temperatur. Hier zeigen sich wieder die Probleme von Durchschnittstemperaturen.
Zunahme von Messstationen : Ein ähnliches Problem ist die Zunahme der Messstationen im Laufe der Jahrzehnte. Je nachdem wo ich eine neue Station aufstelle beeinflusst sie die bisherigen Daten. Wenn ich sie in eine Grossstadt stelle werden die Durchschnittstemperaturen erhöht, wenn ich sie in ein unbebautes Naturschutzgebiet stelle werden die langfristigen gesammelten Temperaturdaten niedriger.
Austausch oder Einstellung von Messstationen : Im Prinzip gilt hier das Gleiche wie oben, langfristige Datenreihen werden nach oben oder unten beeinflusst; gerade wenn am Anfang die neuen Messstationen nicht mit den alten parallel laufen, um die Daten vergleichen und anpassen zu können. Speziell die Umstellung von alten Quecksilberthermometern auf digitale Instrumente verändert die Daten gehörig, die bisher ermittelten Daten der Station sind dann mit den neuen Daten nicht mehr wirklich vergleichbar.
Ausserdem sollte noch erwähnt werden dass früher nicht nur weniger oft abgelesen wurde, sondern auch das die neuen Thermometer mehr Messungen übertragen, und durch ihre neuere Technik schneller auf Temperaturwechsel reagieren. Dadurch können mit der neuen Technik mehr Temperaturspitzen gemessen werden, oder andersrum ausgedrückt, es könnte früher durchaus auch höhere Temperaturen gegeben haben, nur wurden diese nicht registriert, auf Grund der längeren Ableseintervalle.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen das es eine Menge Möglichkeiten gibt wie sich Fehler einschleichen können, und eine Menge Möglichkeiten diese Fehler durch eine unbedachte Korrektur noch zu verschlimmern. Diese Lücken im System können natürlich auch ausgenutzt werden um bestimmte Ergebnisse zu bevorzugen, zum Beispiel wenn man Panik erzeugen will, wie eine bekannte schwedische Schulschwänzerin.
Eigentlich müsste hier noch etwas zu Statistiken und deren grafische Darstellung stehen, aber ich glaube das den meisten Lesern schon bewusst ist, wie extrem dabei getrickst und getäuscht wird. Deshalb nur meine kurze Empfehlung bei Grafiken sich doch die Texte genau durchzulesen, um zum Beispiel festzustellen welche klimatische Referenzperiode als Vergleich dient, oder ob die Temperatur in Kelvin oder in Celsius dargestellt wird.
Schlussbemerkung
Der aufmerksame Leser wird nun hoffentlich festgestellt haben, dass für die simple Angabe der durchschnittlichen Lufttemperatur der Erdoberfläche mit ungefähr 14 Grad Celsius eine ganze Menge Berechnungen erfolgen, mit einer ganze Menge Fehlermöglichkeiten. Es gibt ein zeitlich und örtlich inkonsistentes Netzwerk, welches eigentlich keine genauen Schlussfolgerungen zulässt, und doch bastelt man sich daraus etwas zusammen.
Und dann ist da noch der Mittelwert, oder auch Durchschnittswert der Temperaturen. Nehmen wir an das die Erde in einem fiktiven Jahr 14,0 Grad Celsius im Schnitt warm war, und im Folgejahr auch. Nun gab es aber im Folgejahr eine Hitzewelle in Sibirien mit Temperaturen die 10 Grad über den normalen Temperaturen lagen. Gleichzeitig gab es in Afrika eine Kältewelle bei denen die Temperaturen 10 Grad unter den normalen Temperaturen lagen. Durchschnittlich gesehen ist damit die Jahrestemperatur der Erde gleich geblieben, aber die Bewohner dieser beiden Regionen würden das wohl etwas anders interpretieren. Dies kann man auch mit der Mitteltemperatur in regionalem Rahmen mit zum Beispiel Nord- und Süddeutschland machen.
Das Erdklima kann ich also gar nicht mit einem Mittelwert beschreiben, sondern ich muss die verschiedenen Klimazonen einzeln und im Zusammenhang betrachten. Was passiert wenn es in einer Klimazone wärmer wird, wie wirkt sich das auf die anderen Klimazonen aus ? Dieses Beobachten und Vergleichen nennt man Wissenschaft.
Das Auswerten von Millionen von Daten ist da wenig hilfreich. Die Amerikaner haben zwei sehr schöne Sprichworte : Garbage In, Garbage Out, was soviel bedeutet wie wer fehlerhafte Daten einliest bekommt auch nur fehlerhafte Ergebnisse; und Big Data Is For Big Idiots, was diskret darauf hinweist das viele Daten nicht unbedingt viel helfen, sondern oft auch den Blick fürs Wesentliche verstellen … was manchmal auch Absicht sein kann.