Wie Gase Farbe schlucken
Sonnenlicht ist ein Gemisch aus vielen Farben. Unter anderem die Farben eines Regenbogens. Und jede Farbe hat eine eigene Wellenlänge. Wenn das Sonnenlicht durch unsere Atmosphäre geht, wird ein Teil von Gasen absorbiert, eigentlich geschluckt. Jedes Gas schluckt ganz bestimmte Farben des Lichts, also bestimmte Wellenlängen.

Vom Sonnenlicht zum Interferogramm
Das FTIR sammelt das Sonnenlicht, nachdem es durch die Atmosphäre gegangen ist, also das Licht, das noch übrig ist, und leitet es ins Innere des Geräts. Dort trifft das Licht auf einen sogenannten Strahlenteiler, der das Licht in zwei Strahlen aufteilt. Einer läuft zu einem festen Spiegel, der andere zu einem beweglichen Spiegel. Beide Strahlen werden reflektiert und kommen danach wieder am Strahlteiler zusammen. Der Strahl, der zum beweglichen Spiegel geleitet wurde, legt so einen minimal längeren oder kürzeren Weg zurück, je nach Position des Spiegels. Dieser winzige optische Wegunterschied ist der Kern der Messung. Denn wenn beide wieder zusammentreffen und sich überlagern, verstärken oder schwächen sie sich gegenseitig. So entsteht entweder ein heller oder ein dunkler zusammengesetzter Strahl. Der Detektor misst die Helligkeitsveränderungen dieses Strahls während sich der Spiegel bewegt. Diese Messungen ergeben ein Interferogramm.

Die bekannte Fourier-Transformation
Dieses Interferogramm ist ein Mix aller Lichtfarben zusammen. Jede Farbe reagiert aber anders auf den wechselnden Wegunterschied. Um dieses Gemisch zu lösen, braucht man die sogenannte Fourier-Transformation. Damit kann man berechnen, welche Farben im Licht enthalten sind und wie stark. Das Ergebnis der Fourier-Transformation ist ein Spektrum.

Der Fingerabdruck der Gase
In diesem Spektrum sieht man die typischen «Absorptionslinien», also welche Farben von den Gasen absorbiert wurden. Da jedes Gas ein anderes Absorptionsspektrum hat (wie ein eigener Fingerabdruck), kann man die Gase identifizieren und aus der Tiefe der Linien bestimmen, wie viel es davon in der Atmosphäre gab (Konzentration).

Die Forschungsstation auf dem Jungfraujoch steht genau dort oben, weil die Bedingungen für die Atmosphärenforschung nahezu ideal sind. In dieser Höhe ist die Luft kalt, trocken und sehr sauber. Da kalte Luft grundsätzlich weniger Wasserdampf aufnehmen kann als warme Luft, bedeutet das: Es gibt deutlich weniger Wasserdampf in der Atmosphäre. Gerade dies ist entscheidend, denn Wasserdampf ist das mengenmässig wichtigste Treibhausgas und beeinflusst Messungen stark. Er absorbiert Infrarotstrahlung und überlagert dabei die typischen «Fingerabdrücke» anderer Gase im Spektrum. Am Jungfraujoch sind diese Störungen sehr gering. So können Forschende die Zusammensetzung der Atmosphäre besonders präzise untersuchen und selbst kleinste Spuren anderer Gase zuverlässig nachweisen.

Die Zusammensetzung der Atmosphäre ist nicht konstant: Die Konzentration einiger Gase verändert sich im Laufe des Jahres in einem regelmässigen Rhythmus. Besonders deutlich zeigt sich dieser jahreszeitliche Verlauf beim CO₂. Die Saisonalität der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre entsteht hauptsächlich durch den Wechsel der Vegetation. Im Frühling und Sommer nehmen Pflanzen durch Photosynthese vermehrt CO2 auf, wodurch die Konzentration in der Luft sinkt. Im Herbst und Winter hingegen verlieren viele Pflanzen ihre Blätter oder stellen ihr Wachstum weitgehend ein. Dadurch wird weniger CO₂ aus der Luft aufgenommen, und die Konzentration steigt wieder an. Dieses Muster ist besonders ausgeprägt auf der Nordhalbkugel, da es dort deutlich mehr Landflächen und damit Vegetation gibt als auf der Südhalbkugel.

Eine Quelle ist alles, was ein Gas in der Atmosphäre abgibt, während eine Senke alles ist, was es wieder aufnimmt oder aus der Atmosphäre entfernt. Die tatsächliche Konzentration eines Gases in der Luft ergibt sich daraus, ob die Quellen oder die Senken überwiegen.

Man kann sich das gut mit einer Badewanne vorstellen: der Wasserhahn entspricht den Quellen, der Abfluss den Senken, und der Wasserstand entspricht der Konzentration in der Atmosphäre. Wenn mehr Wasser hineinfliesst als herausfliesst, steigt der Wasserstand. Genau das passiert bei den meisten Treibhausgasen.

Heute versucht man, gezielt zusätzliche Senken zu schaffen oder bestehende zu verstärken, um mehr Treibhausgase aus der Atmosphäre zu entfernen. Beispiel dafür sind Aufforstung oder die Wiedervernässung von Mooren, da Pflanzen über Photosynthese CO2 aufnehmen und langfristig speichern können. Solche Massnahmen können helfen, die Auswirkungen unseres Lebensstils zu verringern, ersetzen jedoch nicht die Reduktion der Emissionen an der Quelle.

Die Schweiz ist besonders stark vom Klimawandel betroffen und erwärmt sich schneller als der globale Durchschnitt. Wie stark diese Erwärmung ausfällt, hängt davon ab, wie viele Treibhausgase weltweit ausgestossen werden.

Klimaszenarien werden heute oft über Erwärmungsniveaus beschrieben: Sie zeigen, wie die Schweiz bei +2°C oder +4°C globaler Erwärmung aussieht und machen so verschiedene Zukunftswege vergleichbar. Je nach Entwicklung sind bis zur Mitte des Jahrhunderts etwa +2°C (bei starkem Klimaschutz) bis +4°C oder mehr möglich.

Zwischen Trockenheit und Starkregen
Diese Erwärmung hat spürbare Folgen: Hitzewellen werden häufiger, länger und intensiver, besonders in Städten und tieferen Lagen. Die Sommermonate werden trockener, da weniger Niederschlag fällt und gleichzeitig die Verdunstung zunimmt. Dies hat Folgen für Landwirtschaft, Wälder und Wasserverfügbarkeit. Wenn es regnet, dann oft heftiger: Starkniederschläge nehmen zu und erhöhen das Risiko von Überschwemmungen und Erdrutschen. Gleichzeitig steigt die Schneefallgrenze, und die Winter werden milder und schneeärmer.

Klimaszenarien zeigen keine feste Zukunft, sondern mögliche Entwicklungen. Sie machen sichtbar, wie stark unsere heutigen Entscheidungen das Klima von morgen beeinflussen.