Das Weltklima


  • Natürliche Klimaveränderungen
  • Der Begriff Klimaveränderung bezeichnet eine Veränderung des Klimas auf der Erde über einen längeren Zeitraum. Seit Bestehen der Erde verändert sich das Klima ständig. Eine Klimaveränderung kann beispielsweise eine tendenzielle Abkühlung oder Erwärmung der Oberflächentemperatur über Jahrtausende bezeichnen.
    Auch die gegenwärtig stattfindende globale Erwärmung ist eine Klimaveränderung- diese wird aber überwiegend auf menschliche Einflüsse, insbesondere auf den Ausstoß von Treibhausgasen zurückgeführt.

    Einige Ursachen für natürliche Klimaveränderungen
    Klimaveränderungen können sehr verschiedene Ursachen haben. Zahlreiche zyklische und nichtzyklische Prozesse und Ereignisse wirken auf das Erdklima ein und verstärken oder neutralisieren sich gegenseitig. Einige von diesen Einflussgrößen sind mittlerweile wissenschaftlich genau verstanden und allgemein akzeptiert, andere sind als grundsätzlicher Wirkungszusammenhang plausibel aber noch nicht quantifiziert, wieder andere sind aufgrund von guten Korrelationen der vermuteten Einflussgrößen mit bestimmten Klimadaten naheliegend, werden aber vom notwendigen Wirkungszusammenhang noch nicht genau verstanden.

    Die Sonne
    Die Sonne und die von ihr ausgestrahlte Solarenergie sind die treibende Kraft für den energetischen Antrieb des irdischen Wetters und Klimas. Offenbar hängen sowohl langfristige Klimaveränderungen als auch unser tägliches Wetter eng mit den Aktivitäten unserer Sonne zusammen. So wie wir das Licht der Sonne täglich sehen, erscheint es uns stabil und gleichmäßig. Satellitendaten zeigen aber, dass sich in den für das menschliche Auge unsichtbaren Spektralbereichen teilweise starke Veränderungen sowie Schwankungen der Sonnenaktivität verbergen. Die Solarkonstante unterliegt daher teils großen Schwankungen, welchen gerade in kleineren Zeitskalen, wenn also die Plattentektonik keine wesentliche Rolle spielt, die Veränderung des Klimas wesentlich mitbestimmt. Zudem kommt von der Sonne ein ständiger Sonnenwind, der aus einem beständigen Strom elektrisch geladener Teilchen besteht und dessen Stärke stark variiert. Die Erfassung der Wechselwirkung zwischen der sich ändernden Sonnenaktivität und dem Magnetfeld unseres Planeten untersucht die Wissenschaft unter dem Begriff „Weltraumwetter“. Die solaren Schwankungen lassen sich durch permanente Veränderungen im Magnetfeld der Sonne erklären. Das magnetische Verhalten der Sonne unterliegt wiederkehrenden zyklischen Schwankungen. Ein solcher Sonnenzyklus, also der Zeitraum zwischen einem Solarmaximum und einem erneuten Solarmaximum, dauert etwa 11 Jahre. Auf dem Zyklus-Höhepunkt, der das letzte Mal 2001 erreicht worden ist, wird der Sonnenwind zu einem regelrechten Sonnensturm.

    Der Vulkanismus
    Große Vulkanausbrüche können zu einer mehrjährigen Abkühlung des Klimas führen. Gase und Asche werden dann weit hinauf in die Atmosphäre geschleudert. Insbesondere die Gase können dabei bis in die Stratosphäre (17 bis 50 km Höhe) gelangen. Durch photochemische Prozesse in der Atmosphäre können sich aus den Gasen winzige Partikel (Aerosole) bilden, die die Sonnenstrahlen reflektieren und damit die Einstrahlung von Wärmeenergie verhindern. Die Folge ist eine Abkühlung.

  • Menschengemachte Klimaveränderungen

  • Neben natürlichen Faktoren kann auch der Mensch das Klima beeinflussen. So kam die Zwischenstaatliche Sachverständigengruppe für Klimaveränderungen (Intergovernmental Panel on Climate Change), die den Stand der Wissenschaft im Auftrag der Vereinten Nationen zusammenfasst, 2007 zu dem Schluss, dass die Erwärmung der Erdatmosphäre seit Beginn der Industrialisierung hauptsächlich durch die Anreicherung von Treibhausgasen durch den Menschen hervorgerufen wird. Die meisten Klimaforscher und alle größeren Wissenschaftsvereinigungen unterstützen diese Einschätzung, nur eine Reihe von Interessengruppen und wenigen Wissenschaftlern stellen in Frage, dass hauptsächlich der Mensch für den Treibhausgasanstieg verantwortlich ist.
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    Wie funktioniert der Treibhauseffekt?
    1. Elektromagnetische Strahlung

      Bekanntlich sendet Materie elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen in Form von Photonen aus (Emission), und zwar um so mehr je wärmer der emittierende Körper ist. So sorgt z.B. die Emission elektromagnetischer Strahlung an der (heissen) Sonnenoberfläche für Energie in Form des sichtbaren Lichtes auf der Erde. Einfallende elektromagnetische Strahlung wird aber auch von Materie verschluckt (Absorption) und trägt dadurch zur Energieerhöhung der Umgebung bei, die sich meist in einer Erwärmung ausdrückt. Das geschieht z.B. mit dem Licht der Sonne in der irdischen Atmosphäre und am Erdboden, was die Voraussetzung für das Leben auf diesem Planeten darstellt. Bei den Temperaturen des irdischen Klimasystems findet die Emission elektromagnetischer Strahlung durch Erdboden und/oder Atmosphärenbestandteile überwiegend im sogenannten thermischen Bereich des Spektrums (zwischen etwa 3 und 100 µm) statt, weshalb man auch oft von Wärmestrahlung spricht. Da hier die Wellenlängen viel grösser sind als die der energetisch wichtigen Sonnenstrahlung (zwischen etwa 0.4 und 3 µm), kann man diese beiden Strahlungsarten und Spektralbereiche getrennt betrachten, was die Überlegungen zur Strahlungsbilanz erheblich vereinfacht. Wichtig ist auch, daß Emission und Absorption vor allem bei Gasen sehr stark von der Wellenlänge abhängen können, weshalb oft von Emissionslinien oder -banden (Ansammlungen von Linien) die Rede ist. Insbesondere bei den beiden wichtigen Treibhausgasen Wasserdampf und CO2 finden die wesentlichen Absorptions- und Emissionsvorgänge in solchen Banden statt. Dagegen besitzen gerade die beiden Hauptgase der Atmosphäre Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2) im energetisch wichtigen Bereich des Spektrums keine wesentliche Emission und Absorption.

    2. Der Treibhauseffekt

      Bei einer Erde ohne Atmosphäre wäre die Oberflächentemperatur ausschließlich durch die Bilanz zwischen eingestrahlter Sonnenenergie und der vom Boden abgestrahlten Wärmestrahlung festgelegt. Bei gleicher Albedo des Planeten wie heute würde diese Oberflächentemperatur im globalen Mittel etwa -18°C betragen. Selbst eine Atmosphäre aus reinem Sauerstoff und Stickstoff, die ja die Hauptkomponenten unserer Atmosphäre (zu ca. 99%) bilden, würde daran nichts wesentliches ändern, da diese Gase die beiden genannten Strahlungsarten nur unwesentlich beeinflussen. Dagegen absorbieren Wasserdampf und in geringerem Maße auch CO2 (und andere Spurengase) die Sonnenstrahlung zum Teil und geben selbst Wärmestrahlung ab. In Richtung zum Erdboden übertrifft diese zusätzliche Wärmestrahlung aus der Atmosphäre die Reduktion der Sonnenstrahlung und bewirkt so am Erdboden eine höhere Energieeinstrahlung, als dies ohne solche Gase der Fall wäre. Diese vermehrte Einstrahlung führt zu einer Erwärmung des Erdbodens und (infolge verschiedener Transportvorgänge) auch der unteren Atmosphäre. Diese Erwärmung des Bodens führt aber auch zu einem Ausgleich der Strahlungsbilanz am Atmosphärenoberrand, denn im längerfristigen Mittel muß die Erde ja genau so viel Wärmestrahlung in den Weltraum abgeben, wie sie Strahlung von der Sonne absorbiert. Die vom Erdboden nach oben gestrahlte Energie wird von den atmosphärischen Treibhausgasen (teilweise) auch absorbiert, gelangt also nur zum Teil direkt in den Weltraum. Dafür emittieren die Treibhausgase selbst entsprechend ihrer Temperatur, die aber wegen der Temperaturabnahme mit der Höhe in der Atmosphäre geringer ist als die des Erdbodens. Daher verlässt mit zunehmender Menge an Treibhausgasen bei konstanter Bodentemperatur immer weniger Energie in Form von Wärmestrahlung die Erde in den Weltraum. Durch die erhöhte Bodentemperatur wird dieses Defizit in der Strahlungsbilanz aber wegen der erhöhten Wärmestrahlungsmenge vom Boden wieder ausgeglichen. Für diesen Ausgleich ist vor allem das atmosphärische Strahlungsfenster hilfreich, ein Spektralbereich bei 10 µm Wellenlänge innerhalb dessen die Strahlung von der Oberfläche bei wolkenloser Atmosphäre überwiegend in den Weltraum entweichen kann. Wegen der Analogie mit den Vorgängen in einem Treibhaus, dessen Glasdach ebenfalls die Sonne gut durchlässt, die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche aber nicht hinauslässt, ist das hier beschriebene Phänomen auch als natürlicher Treibhauseffekt bekannt. Die dafür in der Atmosphäre verantwortlichen Gase werden häufig als Treibhausgase bezeichnet. Bei der Interpretation verschiedener Klimavorgänge ist aber Vorsicht geboten vor der allzu direkten Übertragung des Treibhausbildes. Insbesondere die Vernachlässigung von gleichzeitiger Absorption und Emission von Wärmestrahlung in verschiedenen Höhen der Atmosphäre, bei Argumentation mit einer Glasplatte in fester Höhe, führt hier immer wieder zu Verwirrung. Ausserdem sind natürlich die Verhältnisse in der strömenden Atmosphäre mit Bewölkung viel komplizierter als im Glashaus eines Gärtners. Werden die natürlich vorhandenen Treibhausgase (z.B. CO2) durch anthropogenen (menschlichen) Einfluss vermehrt oder durch neue Stoffe (z.B. FCKW) ergänzt, so übertrifft die dadurch verursachte zusätzliche Wärmestrahlung aus der Atmosphäre ebenfalls die verstärkte Reduktion von Sonnenstrahlung am Erdboden. Daher erhöht sich auch infolge dieses verstärkten (anthropogenen) Treibhauseffektes die Temperatur des Bodens und der unteren Atmosphäre.



    3. Ausmass des anthropogenen Treibhauseffektes

      Um wieviel die wichtigen Treibhausgase die Oberflächentemperatur der Erde anheben, ist nicht einfach zu bestimmen. Jetzt mögliche Messungen der Wärmeabstrahlung in den Weltraum durch Satelliten lassen auf eine Temperaturerhöhung des Bodens durch den natürlichen Treibhauseffekt um etwa 33°C schliessen. Ohne diesen läge die Bodentemperatur im globalen Mittel bei etwa -18°C. Zu dieser lebenserhaltenden Erwärmung trägt Wasserdampf den weitaus grössten Teil, etwa zwei Drittel, bei; es folgen Kohlendioxid (CO2) mit einem Anteil von ca. 15%, Ozon mit etwa 10% und schliesslich Distickstoffoxid (N2O) und Methan (CH4) mit je etwa 3%. Zur genauen Berechnung der Anteile müsste neben der Höhen- und Breitenabhängigkeit aller Gase auch die Wirkung der Bewölkung und der Schwebeteilchen (Aerosole) auf die Sonnen- und Wärmestrahlung bekannt sein.
      Die Konzentration der langlebigen Treibhausgase nimmt systematisch zu: seit Beginn der Industrialisierung bis heute bei Kohlendioxid (CO2) um ca. 30%, bei Methan (CH4) um 120% und bei Distickstoffoxid (N2O) um ca. 10%. Hierdurch wird eine langfristige Erwärmung der unteren Atmosphäre und der Erdoberfläche angestossen, deren Ausmass mit der Konzentrationsänderung ansteigt, aber auch stark von der Reaktion des Wasserkreislaufs (Wasserdampf, Bewölkung, Niederschlag, Verdunstung, Schneebedeckung, Meereisausdehnung) bestimmt wird. Der Wasserkreislauf kann sowohl verstärkend wie dämpfend eingreifen, weil viele seiner Zweige stark temperaturabhängig sind. Da die Erwärmung regional und innerhalb eines Jahres unterschiedlich ist und weil die Strahlungsbilanzstörung bei einer Konzentrationsänderung von der Struktur der Atmosphäre, der Jahreszeit und vom Oberflächentyp abhängt, führt ein erhöhter Treibhauseffekt auch zu veränderten Werten des Niederschlags, der Bewölkung, der Meereisausdehnung, der Schneebedeckung und des Meeresspiegels sowie zu anderen Wetterextremen, d.h. im Letzten zu einer globalen Klimaveränderung.
  • Mögliche Auswirkungen der Klimaveränderungen

  • Werden Hochwasser in deutschen Flüssen häufiger?
    Es gibt verschiedene Ursachen, die Hochwasser in Flüssen zu- oder abnehmen lassen. Erstens sind dies Eingriffe in die Fliessgeschwindigkeit der Flüsse und deren Zuläufe, wie z. B. Flussbegradigungen, Dammbau, Bewässerungssysteme oder Änderungen in der Bodennutzung des Flusseinzuggebietes (z.B. Abholzung von Wäldern). Diese Faktoren sind von Fluss zu Fluss verschieden und für die Zukunft schwer abschätzbar.
    Zweitens wird Häufigkeit und Schwere von Hochwassern entscheidend von einer Klimaänderung bestimmt. Insbesondere extreme Niederschlagsereignisse sind dabei von Bedeutung. Um mögliche zukünftige Niederschlagsänderungen und damit auch Klimaänderungen durch den Menschen abzuschätzen, werden mit Klimamodellen für verschiedene Verhaltensweisen der Menschheit die Niederschlagsverteilungen berechnet. Bei solchen Rechnungen wird z. B. ein Anstieg der Treibhausgase vorgegeben. Ergebnisse verschiedener internationaler Gruppen für solche Vorgaben wurden z. B. in den Berichten des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) vorgestellt.
    Durch den Anstieg der Treibhausgase kommt es nach Aussage aller Modelle neben einer mittleren Erwärmung zu einer Intensivierung des Wasserkreislaufes, d.h. global gemittelt zu mehr Niederschlag, aber auch zu stärkerer Verdunstung. Was das für einzelne Regionen bedeuten könnte soll jetzt anhand zweier Rechnungen mit dem globalen Modell der Atmosphäre ECHAM4 gezeigt werden. Zunächst wurde das heutige Klima für den Zeitraum 1970-1999 simuliert, indem beobachtete Konzentrationen der Treibhausgase verwendet wurden. Danach wurde zukünftiges Klima für den Zeitraum 2060-2089 simuliert, wobei Abschätzungen für zukünftige Treibhausgaskonzentrationen entsprechend dem Szenario IS92a hochgerechnet wurden.
    Demnach nimmt für Südeuropa die Niederschlagsmenge ab und in Nordeuropa zu (Abbildung 1a). Neben diesen Änderungen des mittleren Niederschlages wird in einigen Gebieten auch eine Zunahme von Starkniederschlägen registriert. In Nord- und Mitteleuropa steigt die Anzahl der Tage mit Niederschlägen über 20 mm/Tag deutlich an (Abbildung 1b). Nur im Mittelmeerraum werden teilweise weniger Starkniederschläge simuliert. Dies geht einher mit einer geringeren Gesamtmenge. Ein Vergleich mit der Simulation des heutigen Klimas (Abbildung 1c) zeigt, dass lokal sogar eine Verdoppelung der Tage mit Starkniederschlägen auftritt (z.B. an der norwegischen Küste).


    Abbildung 1

    Um den Einfluss der Änderungen geänderter Niederschläge auf die Flüsse zu untersuchen, wurden die eben vorgestellten Ergebnisse in ein Modell des lateralen Abflusses für Landflächen eingegeben, wobei Eingriffe des Menschen, z. B. durch Dammbau oder Begradigungen von Flüssen vernachlässigt wurden. In allen Regionen, wo sowohl der mittlere Niederschlag als auch extreme Niederschlagsereignisse zunehmen, werden starke Hochwasser häufiger. Dies gilt besonders für Nordeuropa und Teile Mitteleuropas. Für die Flüsse Südeuropas hingegen nimmt die Wahrscheinlichkeit extremer Hochwasser ab. Die deutschen Flüsse, wie z. B. Elbe, Oder, Rhein und Donau, liegen bei diesen Simulationen in einem Bereich, wo nur geringe Änderungen der Extremereignisse auftreten.
    Diese Abschätzungen aus Modellrechnungen können nur einen Hinweis geben, wie die zukünftige Entwicklung sein könnte. Es bleibt zum Beispiel offen, wie sich die Eingriffe des Menschen in die Flussläufe und deren Einzugsgebiete auswirken. Was sagen die Beobachtungen der vergangenen Jahrzehnte? Für zahlreiche Flüsse in Süddeutschland, Österreich, den Beneluxstaaten und Westdeutschland wurde seit Mitte der 70 iger Jahre eine Zunahme von Hochwasserereignissen beobachtet. Für verschiedene Flüsse in Südwestdeutschland führte Caspary diesen Anstieg auf eine seit den 70 iger Jahren einsetzende Zunahme der Grosswetterlage "Westlage zyklonal" im Winter zurück. Caspary stellt die Hypothese auf, dass eine häufigere Westwetterlage eine kräftige Zunahme des Hochwasserrisikos in Südwestdeutchland bedeutet.
    Quelle: Max-Planck-Institut für Meteorologie

    Kann es in Europa Hurrikane oder Tornados geben?
    Hurrikane?

    Als Hurrikane werden normalerweise tropische Wirbelstürme über dem Atlantik bezeichnet. Ihre Pendants über dem tropischen Pazifik werden Taifune genannt. Besonders im englischen Sprachgebrauch werden häufig starke Stürme mittlerer Breiten ebenfalls als Hurrikane bezeichnet, was aus meteorologischer Sicht falsch ist. Solche Wirbelstürme können nur über Ozeanen mit einer Oberflächentemperatur über 26.5 Grad Celsius entstehen. Viele Hurrikane folgen einer Zugbahn nach Norden, wobei sie sich öfters in normale Tiefdruckgebiete mittlerer Breiten umwandeln. Als solche können Sie dann auch Europa erreichen, wo sie aber in der Regel keine besondere Wetterwirksamkeit mehr aufweisen. Im Jahre 2005, dem bisher extremsten Hurrikan-Jahr der Aufzeichnungen, kam erstmals ein Hurrikan über dem Atlantik dem europäischen Kontinent sehr nahe. Hurrikan "Vince" hatte sich bei nur 23°C Wassertemperatur gebildet aufgrund besonderer meteorologischer Bedingungen (Höhentief). Allerdings schwächte sich der mit dem typischen "Auge" ausgestattete Hurrikan über dem vergleichsweise kalten Wasser schnell wieder ab und überquerte als tropisches Sturmtief den Südwesten der Iberischen Halbinsel. Neuere Untersuchungen zeigen, dass auch über dem Mittelmeer durch die bei Klimawandel zunehmenden Wassertemperaturen das Risiko zur Bildung von tropischen Wirbelstürmen besteht. (M. A. Gaertner, D. Jacob, V. Gil, M. Dominguez, E. Padorno, E. Sanchez, and M. Castro: Tropical cyclones over the Mediterranean Sea in climate change simulations; Geophys. Res. Letters, VOL. 34, LXXXXX, doi:10.1029/2007GL029977, 2007)

    Tornados?
    Anders ist die Situation bei Tornados (das Wort stammt aus dem Spanischen), die sehr kleinräumige aber intensive Wirbelstürme darstellen, die auch in mittleren Breiten und damit auch in Europa auftreten. Typisch für diese Wirbelstürme ist ein Wolkenrüssel, der sich von einer Schauer- oder Gewitterwolke in Richtung Boden erstreckt und in dem eine extrem hohe Rotationsgeschwindigkeit bis zu einigen Hundert Kilometer pro Stunde auftritt. im deutschen Sprachgebrauch heißen Tornados über Land Wasserhosen und über Wasser oder allgemein in der Meteorologie Tromben. Sie wandern meist mit einer Geschwindigkeit von 50-60 km/h in Richtung der vorherrschenden Höhenströmung über Distanzen von 5-10 km, in Extremfällen auch bis 300 km. Sie hinterlassen oft eine Schneise der Verwüstung mit einer Breite von 300 m bis über 1000 m. Im Mittel werden pro Jahr in den USA 750 und über Mitteleuropa immerhin etwa 10 Tornados gezählt.

    Ozon und UV-Strahlung

    Struktur der unteren Atmosphäre, stratosphärisches Ozon.



    Das obere Diagramm zeigt den vertikalen Aufbau der Atmosphäre vom Erdboden bis in etwa 50 km Höhe:
    Die Temperatur nimmt (im Mittel) vom Boden her kontinuierlich ab bis zur (imaginären) Grenze zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre zwischen 10 und 16 km, darüber nimmt die Temperatur wieder zu (übrigens hauptsächlich aufgrund der Ozonbildung). Ozon tritt in der Troposphäre in Konzentrationen zwischen 20 und 100 ppb auf (in Episoden auch höhre oder niedrigere Konzentrationen möglich) und steigt in der Stratosphäre stark an; das Konzentrationsmaximum liegt bei etwa 30 km. In der Stratosphäre wird Ozon aus der Photolyse (d.h. Spaltung durch Lichteinwirkung) von Sauerstoffmolekülen erzeugt (O2 im roten Oval). Die beiden dadurch entstehenden Sauerstoffatome (O) reagieren dann jeweils mit einem anderen Sauerstoffmolekül, um Ozon zu bilden. Ozon selbst wird dann ebenfalls durch Lichteinwirkung gespalten und zerfällt in ein Sauerstoffatom und ein -molekül.
    Wenn man aus diesem Reaktionszyklus die theoretische Ozonkonzentration berechnet, erhält man Konzentrationen, die etwa doppelt so hoch sind, wie die beobachteten. Der Grund liegt in den katalytischen Ozonabbauzyklen (blaues Oval). Der Katalysator X reagiert mit Ozon und klaut sich ein Sauerstoffatom. Das entstehende XO Molekül kann dann mit einem weiteren Sauerstofatom reagieren und dabei wird X zurückgewonnen. Als Katalysatoren treten vor allem Wassertoffatome (H), Stickstoffmonoxid (NO), Chlor- (Cl) und Brom- (Br)Atome in Erscheinung.
    Im unteren Bild wird der Zusammenhang zwischen UV-Strahlungsanstieg und der stratosphärischen Ozonabnahme dargestellt.
    Die etwa 4% Ozonabnahme in den mittleren Breiten seit 1980 haben demnach zu etwa 5% mehr UV Strahlung geführt.


    Es gibt Spekulationen über den Zusammenhang erhöhter Hautkrebshäufigkeit mit der UV Zunahme, allerdings sind diese Studien nicht schlüssig (z.T wegen des langen Krankheitsverlaufes), und man geht eher davon aus, dass es das geänderte Sozialverhalten (vermehrtes Sonnenbaden) ist, welches zu dem signifikanten Anstieg der Hautkrebsfälle geführt hat.
    Quelle: Max-Planck-Institut für Meteorologie

    Fazit
    Wie Sie den obigen Beiträgen entnehmen können, kann eine Klimaveränderung zu vielen Veränderungen führen. Einwirkungen auf die menschliche Gesundheit, denken Sie nur an neue Krankheiten durch die Ausbreitung von Insekten, Hungerkatastrophen durch Dürre und den daraus resultierenden sozialen Spannungen und viele andere Probleme, kommen als Folgeerscheinung einer raschen Klimaveränderung hinzu. Es ist wirklich an der Zeit, dass jeder einzelne sich Gedanken macht, wiie er durch persönliches Handel der Klimakatastrophe entgegenwirken kann.