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Klima, Witterung und Wetter
Klima und Wetter beschäftigen die Menschen seit alters her, natürllich ganz besonders die Menschen in der Landwirtschaft oder in der Seefahrt.
Aber auch bei Wanderungen, beim Bergsteigen oder beim Segeln und natürlich bei den zahlreichen Veranstalten, die im Freien stattfinden, spielt das Wetter eine große, wenn nicht sogar eine entscheidende Rolle.
Die Gesundheit der Menschen ist zusätzlicht stark vom Wetter abhängig - man spricht hier meist von Wetterfühligkeit.
Die gesamte Kultur- und Siedlungsgeschichte der Menschen ist zudem vom Klima beeinflusst.
Einleitung, Was ist Klima?
Das Klima ist bekanntermaßen nicht beständig und hat sich während der Erdgeschichte kontinuierlich geändert. Unser heutiger Klimawandel ruft die Diskussion hervor, ob der Einfluss des Menschen die Klimaänderung beeinflusst oder sogar beherrscht. Obwohl es in der Erd- und Menschheitsgeschichte immer wieder starke Klimaschwankungen gegeben hat, ist die derzeitige Entwicklung deswegen so beunruhigend, da sie sich wahrscheinlich innerhalb extrem kurzer Zeiträume vollzieht und daher kaum eine Anpassung daran möglich ist. Der Winter 2006/2007 war weltweit der wärmste Winter seit es Aufzeichnungen gibt und die 10 wärmsten Winter überhaupt kamen in den letzten 12 Jahren vor. Über die Tatsache, dass sich das Klima verändert, gibt es keinen Zweifel und auch immer weniger darüber, dass der Mensch dafür verantwortlich ist.
In den späten Achtzigern begann die mediale Debatte zum Klimaschutz. „Der Spiegel“ betitelte eine Ausgabe sogar mit einer Fotomontage des Kölner Doms, der im Meer versinkt. In den folgenden Jahren wurde die Klimaentwicklung immer häufiger ein zentrales Themen in den Medien. Zeitungen illustrierten Szenarien von Eisbergen im Hamburger Hafen bis hin zu Palmen und Papageien an der Alster. Heute ist die Tatsache, dass unsere momentane Klimaerwärmung anthropogene (= vom Menschen) Ursachen hat allgemein anerkannt. Natürliche Ursachen spielen jedoch eine zusätzliche Rolle. Dennoch ist unklar welche Szenarien Realität werden könnten. Was passiert beispielsweise genau, wenn die Gletscher schmelzen? Was geschieht, wenn der Golfstrom versiegt? Werden in Zukunft große Landmassen im Meer versinken? Werden Millionen Menschen ihre Heimat verlieren. Kommt es zur Ausdehnung der Wüsten oder zu Hungersnöten und schweren Unwettern? Korrekterweise sollte man jedoch anstelle des Begriffs "Klimakatastrophe" lieber etwas neutraler von "Klimawandel" sprechen.
Was versteht man unter Klima?
Der Schweizer Meteorologe Jörg Kachelmann definierte (etwas humorvoll) den Unterschied zwischen Wetter, Witterung und Klima etwa wie folgt:
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Opa Benni schaut seit 40 Jahren zum Fenster hinaus: |
Der Begriff Klima hat seinen Ursprung im Griechischen Verb „klinein“und bedeutet „neigen“, was sich auf die Krümmung der Erdoberfläche bezieht. Spricht man heute von Klima meint man damit den Zustand der Atmosphäre an einem Ort, in einem Zeitraum von mehreren Jahrzehnten. Die World Meteorological Organization WMO schlägt als sinnvolle Periode, das Klima zu definieren einen Zeitabschnitt von 30 Jahren vor. In der geographischen Klimatologie wird Klima nach BLÜTGHEN wie folgt definiert:
Das geographische Klima ist die für einen Ort, eine Landschaft oder einen größeren Raum typische Zusammenfassung der erdnahen und die Erdoberfläche beeinflussenden atmosphärischen Zustände und Witterungsvorgänge während eines längeren Zeitraumes in charakteristischen Verteilung der häufigsten, mittleren und extremen Werte.
Das Klima wird bestimmt durch physikalische und chemische Vorgänge in der Troposphäre, der untersten Schicht der Atmosphäre, die ihren Ursprung in der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche haben.
Weitere Klimafaktoren, die die atmosphärischen Vorgänge beeinflussen sind Meeresströmungen, Relief, Vegetation, Land-Meer Verteilung, geographische Breite und nicht zuletzt der Mensch.
Sonne in Deutschland
Die sonnenreichste Region in Deutschland befindet sich mit über 2.000 Sonnenstunden auf der Insel Rügen, die sonnenärmste Region ist mit 1.360 Stunden um den 842 m hohen Kahlen Asten bei Winterberg im Rothaargebirge in NRW.
Die mittlere Sonnenscheindauer beträgt in Deutschland rund 1.585 Stunden.
Wetter
Unter Wetter versteht man den Zustand der Atmosphäre zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort.
Der Zustand der Atmosphäre wird durch die Temperatur, den Wind, die Wolken, den Niederschlag, den Luftdruck sowie die Luftfeuchtigkeit angegeben.
Bei Temperaturen über 25° C spricht man von einem Sommertag. Und bei Temperaturen von über 30° C wird von einem heißen Tag gesprochen.
Bei einer Temperatur, die während der Nacht nicht unter 20° C fällt, spricht man von einer tropischen Nacht.
In Kitzingen am Main in Bayern zeigte das Thermometer am Sonntag den 5. Juli 2015 mit 40,3° C die höchste bisher gemessene Temperatur in Deutschland seit Beginn der flächendeckenden Wetteraufzeichnungen im Jahr 1881.
Treibhauseffekt durch Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan
Anthropogener Treibhauseffekt
Unter dem anthropogenen Treibhauseffekt versteht man den vom Menschen verursachten Anteil am atmosphärischen Treibhauseffekt. (griechischen anthropos = Mensch)
Treibhausgase, die in einer bestimmten Konzentration vorkommen, regeln die Temperatur auf unserer Erde. Treibhausgase hindern die Sonnenstrahlung, die auf der Erdoberfläche reflektiert wird, am Austritt aus der Atmosphäre. Dadurch heizt sich die Atmosphäre auf. Die Temperatur der Erde hängt also empfindlich von der Konzentration der Treibhausgase ab. Die vom Menschen am stärksten beeinflussbaren Treibhausgase sind CO2 und etwas weniger Methan.
Natürlicher Treibhauseffekt
Die Durchschnittstemperatur über die gesamte Erde gemittelt beträgt etwa +15 °C. Diese Temperatur resultiert aus dem Strahlungsgleichgewicht zwischen der von der Sonne eingestrahlten Energie und der von der Erde wieder in den Raum abgestrahlten Energie. Eine Atmosphäre, die nur aus Sauerstoff und Stickstoff bestünde, würde zu Durchschnittstemperaturen auf der Erde von etwa -18°C führen. Da sich in der Atmosphäre aber weitere Bestandteile wie Wasserdampf und CO2 befinden, wird- ähnlich dem Glasdach in einem Treibhaus- die Sonnenstrahlung als langwellige Wärmestrahlung von der Erde in die Atmosphäre zurückgestrahlt. Die natürlichen Treibhausgase in der Atmosphäre wie beispielsweise Wasserdampf und CO2 sorgen dafür, dass die langwellige Wärmestrahlung an diesen Gasen reflektiert wird und damit wieder zur Erdoberfläche zurückkehrt wird und dadurch die Erde erwärmt. Man könnte nun folgern, dass es auf der Erde dadurch immer wärmer werden müsste. Das ist natürlich nicht so. Es stellt sich ein natürliches Strahlengleichgewicht ein, so dass genauso viel Sonnenenergie einstrahlt wie mit dem Infrarotlicht wieder austritt.
Die wichtigsten Treibhausgase sind, wie erwähnt Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4). Obwohl Wasserdampf mit dem erheblich größeren Anteil von 66% als CO2 mit 29% am natürlichen Treibhauseffekt beteiligt ist, liegt das Augenmerk vor allem auf dem CO2, wenn es um Fragen des Stopps des Klimawandels geht. Denn es kann zwar der CO2-Gehalt - aber nicht der des Wasserdampfs vom Menschen reguliert werden. Außerdem ist die Wirkung von Wasserdampf auf das Klima nach rund 30 Tagen kaum noch nachweisbar, während die von CO2 über 30 Jahre andauert.
Methan befindet sich zwar weniger in der Atmosphäre, jedoch hat ein Molekül Methan in diesem Zusammenhang die Wirkung wie die von 21 Molekülen Kohlenstoffdioxid. Die Landwirtschaft gilt dabei als Hauptverursacher von Methan. Reisfelder, Kühe, Ziegen und Schafe produzieren hier das meiste Methan. Aber auch unter den Permafrostböden und in größeren Meerestiefen sind immense Mengen an Methan gespeichert. Sobald im Zuge der weltweiten Klimaerwärmung das darin gebundene Methan frei wird, könnte sich der Methangehalt der Atmosphäre um etwa ein Viertel erhöhen und damit einen Temperaturanstig noch weiter verstärken..
Kohlendioxid (CO2)
Bis zum Jahr 1800 könnte man einen konstanten CO2 - Gehalt von 280 ppm (pars pro million = Teile pro Million) auf der Erde verzeichnen. Dies konnte wissenschaftlich nachgewiesen werden. Bis 1998 stieg er schon auf 365 ppm an und liegt heutzutage etwa bei 380 ppm, was 0,038% des Anteils in der Atmosphäre bedeutet. Verursacht wird die hohe CO2 Konzentration durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Erdöl und Kohle. Auch die fortschreitende Desertifikation (lateinisch desertus facer= verwüsten) und das Schwinden großer Waldflächen beeinflusst die CO2 Konzentration erheblich, da immer weniger Pflanzen durch die Photosynthese CO2 binden. Es ist bezeichnend, dass die CO2-Konzentration zunächst auf der Nordhalbkugel ansteigt, die ein viel höheres Industrievorkommen aufweist und sich erst dann in höheren Atmosphärenschichten mischt. Man schätzt den Beitrag des CO2 an der Klimaveränderung auf ca. 60%. In Deutschland beträgt der CO2-Ausstoß durch den Autoverkehr beispielsweise etwa 152 Mio. Tonnen pro Jahr. Näheres zum CO2-Ausstoß der verschiedenen Länder weiter unten!
Methan (CH4)
Eine große Wirkung hat auch das Treibhausgas Methan. Man spricht ihm 15% bis 20% Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt zu. Methan wird hauptsächlich beim Abbau organischen Materials gebildet. Reisfelder, Mülldeponien und Kühe, Ziegen und Schafe sind die Hauptverursacher von Methan. Methan ist außerdem in den Permafrostböden besonders von Kanda und Sibirien gespeichert. Ein Auftauen der Permafrostböden als Folge der Klimaerwärmung würde riesige Methangasvorkommenn freisetzen und die Erwärmung wiederum beschleunigen. Auch wenn die Konzentration von Methangasen in der Atmosphäre geringer ist als die CO2- Konzentration hat es doch eine etwa 23-fache stärkere Wirkung auf den Treibhauseffekt als CO2. Man schätzt, dass in Deutschland allein durch die Landwirtschaft jährlich etwa 133 Mio. Tonnen CO2-äquivalentes Treibhausgas freigesetzt wird. Davon sind ca. 42% Kohlendioxid (CO2), 41% Lachgas (N2O) und 17% Methan (CH4).
Lachgas
Lachgas mit der chemischen Formel N2O wurde früher in der Medizin als Narkosemittel verwendet. Als Treibhausgas entsteht es vor allem in der Landwirtschaft, bei der Herstellung von Kunstdünger und in Kläranlagen. Seine Wirkung als Treibhausgas ist etwa 296-mal stärker als die von CO2 . Wie erwähnt, sind von den jährlich in Deutschland in der Landwirtschaft 133 Mio. Tonnen CO2-äquivalenten entstandenen Treibhausgasen rund 41% Lachgas.
Fluorkohlekwasserstoffe (FCKW)
FCKW ist ein rein anthropogenes Treibhausgas. Es ist ein Gas, das bis zu 200 Jahren in der Atmosphäre bleibt bevor es langsam abgebaut wird. Seit dem Verbot, das Gas weiterhin in der Industrie einzusetzen, sinkt dessen Konzentration in der Atmosphäre langsam. Das FCKW stört das natürliche Gleichgewicht zwischen Ozonbildung und Ozonzerstörung und hat eine 15.000 mal so große Wirkung als Treibhausgas als CO2.
Wirkung der Treibhausgase
Sicher ist nur, dass die Durchschnittstemperatur der Erde seit geraumer Zeit ansteigt. Es gibt verschiedene Modellberechnungen, die einen Temperaturanstieg von bis zu 6°C in den kommenden 100 Jahren vorhersagen. Um eine Vorstellung der Dimension zu haben, muss man sich vorstellen, dass in der letzten Eiszeit auf der Erde die Durchschnittstemperatur nur um 5°C weniger betrug als heute. Eine Erhöhung von nur wenigen °C hätte einen unvorstellbaren Einfluss auf die Ökosysteme und die menschliche Zivilisationen. Erste Anzeichen der Folgen des anthropogenen Treibhauseffekts sind heute schon zum Beispiel vermehrt auftretende extreme Wetterphänomene wie Überschwemmungen, Dürreperioden und Wirbelstürme, Gletscherschmelzen und Eisrückzug am Nordpol, um nur einige zu nennen. Auch muss man den immensen Einfluss auf die Ökosysteme beachten.
Fossile Brennstoffe
Die gängige Lehrmeinung geht davon aus, dass Kohle, Erdgas und Erdöl aus dem anaeroben (= ohne Gegenwart von Sauerstoff) Zersetzungsprozess von Pflanzen und Tieren entstanden sind. Diese These ist jedoch nicht unumstritten. So ging der bedeutende Astrophysiker Thomas Gold (1920-2004), der u.a. Pulsare als rotierende Neutronensterne identifiert hatte, davon aus, dass die Entstehung von Erdöl und Erdgas nicht durch die Zersetzung organischer Substanzen zustande kam, sondern - dass seiner Ansicht nach - große Mengen von Kohlenwasserstoffen seit Entstehung der Erde in großen Tiefen vorhanden sind und beim Entweichen in der Erdkruste die damit nahezu unerschöpflichen Erdgas- und Erdöllagerstätten bildeten. Sollte das stimmen, wären Erdöl und Erdgas sehr viel länger vorhanden als es bis jetzt berechnet wurde.
Klimawandel
Geologische Geschichte der Temperatur und des CO2- und O2- Gehaltes vom Präkambrium bis zum Holozän
Es gab in der geologischen Vergangenheit immer wieder starke Schwankungen der Temperaturen, sowie des Gehaltes an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre. Die Stimmen derjeniger, die den Klimawandel als natürlichen Prozess verstehen berufen sich auf diese Daten der Erdgeschichte. Dem entgegen steht allerdings die Schnelligkeit, mit der sich die Konzentrationen an CO2 in unserer Atmosphäre ändert und zum anderen die Tatsache, dass die Änderung stark mit dem Ausstoß an CO2 seit der industriellen Revolution korreliert. Frühere Klimaschwankungen hatten immer eng mit plattentektonischen Aktivitäten zu tun. Beim heutigen Klimawandel können wir uns nicht darauf berufen. Schon immer haben geringe CO2-Gehalte mit geringer plattentektonischer Aktivität korreliert und hohe CO2 Gehalte mit einer starken Plattentektonik. Die Temperaturentwicklung im Phanerozoikum (545Millionen Jahre bis heute) richtet sich im Großen und Ganzen gesehen nach den sogenannten „Sandberg Zyklen“. Die Sandberg Zyklen gehen von einer intensiven Beziehung zwischen Plattentektonilk, CO2 Gehalt in der Atmosphäre und Temperaturen aus. Regional muss man natürlich lokale Variationen beachten.
Seit der letzten Eiszeit vor ca. 10.000 Jahren sind die Temperaturen auf der Erde relativ stabil gewesen. Regional kam es allerdings zu Temperaturschwankungen zwischen 5-7°C. So hatten die Römer beispielsweise eine um 1-2°C höhere Durchschnittstemperatur als wir heute, das Durchschnittsklima 1000 v.Chr. war dem hingegen 1-2°C kälter und wird als „kleine Eiszeit“ bezeichnet.
Direkte Klimamessungen sehr junger Zeit zeigen einen Temperaturanstieg von 0,6°C im Durchschnitt der letzten 100 Jahre. Diese Erwärmung erfolgte nicht gleichmäßig, sondern schubweise. Seit dem Beginn der Industrialisierung steigt die Temperatur stetig.
CO2 Entwicklung
Die CO2 Konzentration korrelierte immer stark mit plattentektonischer Aktivität und dem daraus resultierenden Vulkanismus. Das CO2 stieg stark an, als beispielsweise die Superkontinente Rodinia und später Pangäa zerfielen. Einen weiteren starken Abfall des CO2 Wertes fand im Karbon statt, als aufkommende ausgedehnte Wälder CO2 aus der Atmosphäre entzogen. Der damalige CO2 Wert lag noch unter dem heutigen Wert. Ansonsten leben wir seit 545 Jahren in dem Zeitalter mit den geringsten CO2 Werten. Diese CO2 Werte herrschen unterschiedlichen Untersuchungen zufolge seit 3-5 Millionen Jahren vor, eine sehr kurze Zeit in der Erdgeschichte. In diese Zeit- vor ca. 5 Millionen Jahren fällt auch die Entstehung des ersten Hominiden, den direkten Vorfahren des heutigen Menschen.
Momentan erleben wir einen CO2 Anstieg, den es in dieser Geschwindigkeit in der gesamten Erdgeschichte noch nie gegeben hat. Wie bereits oben erwähnt kann man auf der Erde seit 1800 einen Anstieg des CO2 Gehalts von 280ppm auf 380ppm heute auf der Erde verzeichnen. Das sind etwas mehr als 30%.
O2 Entwicklung
Der Sauerstoffanteil in unserer Atmosphäre hat schon seit 545 Millionen Jahren unseren heutigen Wert erreicht. Er sank zu verschiedenen Zeiten ab, um dann wieder auf heutigen Wert anzusteigen. Den stärksten Anstieg erlebte die Atmosphäre vor ca. 350 Millionen Jahren, als erst ausgedehnte Wälder die Erde bedeckten und durch die Photosynthese erhebliche Mengen an Sauerstoff produziert wurden. Als die Tierwelt sich entwickelte und auf den Kontinenten ausbreitete entstand durch deren Sauerstoffverbrauch ein stabiles Gleichgewicht. Durch immer wieder auftretende Klimaabkühlung sinkt der Sauerstoffanteil und erhöht sich wieder bei Erwärmung.
Eiszeiten
Eine Eiszeit ist eine Periode in der Erdgeschichte, in der sowohl beide Pole wie auch die Gebirge der Erde mit Eis bedeckt waren. Nach dieser Definition leben wir heute also- trotz Klimaerwärmung- seit ca. 2,5 Millionen Jahren in einer Eiszeit. In der Erdgeschichte sind Eiszeiten nur selten aufgetreten und dauerten jeweils 15 Mio. bis 20 Mio. Jahre. Allerdings unterliegt das Klima auch in einer Eiszeit starken Schwankungen zwischen warmen und kalten Phasen.
Kalte Phasen nennt man Glaziale oder Kaltzeiten, warme Phasen nennt man Interglaziale oder Warmzeiten. Die Interglaziale beginnen meist sehr abrupt und dauern kürzer als die Kältephasen, welche sehr langsam aus einer schleichenden Abkühlung der Temperaturen folgen.
Wir leben heute in einer Warmzeit innerhalb einer globalen Eiszeit. Charakteristisch für das Klima einer Warmzeit innerhalb einer globalen Eiszeit ist, dass es im erdgeschichtlichen Vergleich relativ kalt ist und die Pole sowie auch hohe Gebirge dauerhaft mit Eis bedeckt sind. Allerdings kommt es zu keiner Gletscherbildung in den mittleren Breiten sondern eher zu milden Wintern und einem insgesamt gemäßigten Klima.
Seit der Entstehung des Planeten Erde vor 4,6 Milliarden Jahren gab es fünf große Eiszeiten. In Prozent ausgedrückt waren 80% der Erdenzeit Warmzeiten und 20% Eiszeiten.
Die älteste Eiszeit begann vor 2,3 Milliarden Jahren und hielt für rund 300 Millionen Jahre an. Heute kann man in den Ablagerungen des Nordamerikanischen Huron- Sees Sedimente aus dieser Zeit finden. Nach ihm benannte man dieses Eiszeitalter „Huronische Eiszeit“. Überregional spricht man auch vom „Archaischen Eiszeitalter“.
Etwa eine Milliarde Jahre später, vor rund 950 Millionen Jahren, kam es zur nächsten Eiszeit. Im Unterschied zur vorangegangenen Eiszeit war allerdings nur der Südpol vereist. Da das heutige Europa damals am Südpol lag, findet man Spuren dieser Eiszeit heute nur auf dem Europäischen Kontinent.
Vor 445 Millionen Jahren breiteten sich im Bereich des Südpols erneut Gletscher aus. Das Gebiet, das damals von Gletschern bedeckt war liegt heute in der Nordwest- Sahara, wo man heute noch Spuren der Vereisung in den Gesteinen findet. Daher nennt man diese Eiszeit auch „Sahara Eiszeit“, oder nach der Zeit ihres Auftretens auch Oberordovizische Vereisung. Die Sahara Eiszeit bedingte einen weltweiten starkem Meeresspiegelrückgang und eines von fünf großen Massenaussterbeereignisse der Erdgeschichte. Über die Ursache der „Sahara Eiszeit“ ist sehr wenig bekannt. Man nimmt an, dass die lang andauernde Position des Südpols über einer großen Kontinentalmasse zur Gletscherbildung beigetragen hat, da sich Eismassen schneller über Kontinenten als auf dem Meer ausbreiten. Ausreichend ist dies aber nicht um den Grund der Eiszeit zu erklären.
Es folgte das „Permokarbonische Vereisung“, die seine Hochzeit vor 280 Millionen Jahren hatte. Insgesamt hielt die Vereisung ungefähr 100 Millionen Jahre an. Mitteleuropa lag damals in Äquatornähe und war nicht von Vereisung geprägt. Zu der Zeit erlebte die Erde nur sehr geringe vulkanische Aktivität und plattentektonische Aktivität. Folge war ein sehr geringer CO2 Gehalt in der Atmosphäre. Hinzu kam die Lage des Südpols, der damals auf einem Kontinent und nicht im Ozean lag, und somit den Aufbau eines ausgedehnten Eisschildes erleichterte.
Das letzte Eiszeitalter der Erdgeschichte ist unser jetziges Zeitalter, in dem wir uns seit rund 3,2 Millionen Jahren befinden. Man nennt es nach der Ära in der wir leben „Jungkänozoische Vereisung“. Erste Anzeichen der Eiszeit gab es schon vor 30 Millionen Jahren, als die Antarktis erste Gletscher bildete. Die Vereisung des Nordpols hat allerdings erst verzögert vor 3,2 Millionen Jahren stattgefunden. Forscher können in den Sedimenten der Tiefsee erkennen, dass die Temperatur vor 3,2 Millionen Jahren stark abgefallen ist.
Ursache für die Eiszeit war die plattentektonische Schließung des Panamaisthmus, der bis heute Süd- und Mittelamerika miteinander verbindet. Die Schließung führte zur Bildung des Golfstroms. Der Golfstrom führte zwar zunächst zu einer Erwärmung der Nordhalbkugel, brachte aber gleichzeitig die nötige Feuchtigkeit, die im kalt bleibenden Klima nötig war, um Gletscher entstehen zu lassen. Eine weitere wichtige Ursache war der damalige geringe Neigungswinkel der Erdachse (s. Milankovic- Zyklen), der nur minimalste saisonale Temperaturschwankungen zuließ. Dadurch taute Schnee, der im Winter gefallen war im Sommer nicht mehr ab. Es begannen erste Inlandeisgletscher zu wachsen.
Abgesehen von den großen Eiszeitaltern gibt es, wie bereits erwähnt, innerhalb dieser Eiszeiten Kaltzeiten. Man erklärt die Entstehung von Warm- und Kaltzeiten innerhalb der Eiszeiten durch Veränderungen in der Erdbahngeometrie. (s.auch Milankovic Zyklen)
Die Kaltzeiten unserer momentanen Eiszeit sind nach Flüssen benannt und haben regional unterschiedliche Bezeichnungen. Im Alpenraum nennt man sie Günz (640-540 Tsd. Jahre), Mindel (480-430 Tausend Jahre) Riß (240-180 Tausend Jahre) und Würm (120- 10 Tausend Jahre). In Norddeutschland heißen sie Menap, Elster, Saale und Weichsel. Die letzte Kaltzeit innerhalb der bestehenden Eiszeit endete vor ca. 10.000 Jahren. Die maximale Ausdehnung des Eisschildes wurde im Elsterglazial erreicht. Die Gletscher reichten damals. bis zum Fuße der deutschen Mittelgebirge.
Um unsere Klimaentwicklung heute nachzuvollziehen, ist es interessant sich das Klima des letzten Jahrtausends zu betrachten. Zu Beginn des letzten Jahrtausends lagen die Temperaturen in einzelnen Regionen Europas um bis zu 1,5°C höher als zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Dies ermöglichte zum Beispiel Weinanbau in England und Getreideanbau in Norwegen und auf Island. Man spricht von dem mittelalterlichen Klimaoptimum. Diese warme Periode wurde von der so genannten „Kleinen Eiszeit“ abgelöst, als die Temperatur ab dem Jahr 1200 rapide absank. Bis Mitte des 19. Jahrhunderts blieb die Temperatur auf der Erde relativ kalt. Daher spricht man von dieser Zeit als „kleine Eiszeit“. In ganz Europa kam es vor allem im 14. Jahrhundert zu Missernten, Sturmfluten und daraus folgend zu einem starken Bevölkerungsrückgang. Auch die Besiedlung Grönlands endete mit der „kleinen Eiszeit“. Ab diesem Zeitpunkt folgte erneut eine Klimaerwärmung die bis jetzt anhält, auch wenn sie momentan so schnell vonstatten geht wie nie zuvor.
Rekonstruktion der Klimaentwicklung
Es ist natürlich von größtem Interesse zu wissen, welches Klima zu den unterschiedlichen Zeiten der Erdgeschichte vorherrschte. Aber wie ist die Rekonstruktion des Klimas überhupt möglich? Erst seit Mitte des 19. Jahrhunderts gibt es kontinuierliche Aufzeichnungen der Klimaparameter wie Temperatur, Niederschlag und Luftdruck. In den Zeiträumen der Erdgeschichte eine wahrlich nur sehr kurze Zeitspanne. Um längere Zeitspannen der Klimaentwicklung zu rekonstruieren, muss man mit indirekten Daten arbeiten. Hierzu haben Wissenschaftler verschiedene Methoden entwickelt, die im Folgenden erklärt werden sollen.
Dendrochonologie
Unter Dendrochronologie versteht man die Datierung mit Hilfe von Baumjahresringen (griechisch Dendron= Baum, griechisch Chronos= Zeit). Jahresringe in den Bäumen entstehen im Rhythmus der Jahreszeiten. Im Winter weisen Bäume in unseren Breiten kein Dickenwachstum auf. Nur im Sommer bilden Bäume neues Gewebe, das sich dann wie ein Ring um den Holzkörper legt. Betrachtet man den Querschnitt eines Baumes, kann man diese Schichten in Form von Jahresringen gut mit bloßem Auge erkennen. Die Häufigkeit und Breite dieser Ringe ist Untersuchungsgegenstand der Dendrochronologie. Da die Bildung der Baumringe stark von klimatischen Verhältnissen abhängt, nutzt man die Methode auch zur Rekonstruktion von Klimaverhältnissen an einem bestimmten Ort über einen bestimmten Zeitraum.
In Europa ist es auf diese Weise möglich, die klimatischen Verhältnisse bis in einen Zeitraum von bis zu 12.000 Jahren in die Vergangenheit zu beschreiben. Die Rekonstruktion von frühzeitlichen Klimaten erfolgt auf der Basis verschiedener Jahresringparameter. Das heißt, man verwendet stabile Isotope der Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff der Hölzer, um Aussagen über Temperatur, Niederschlag und relative Luftfeuchte zu treffen.
Eisbohrkerne
Eine weitere Methode das Klima der vergangenen Zeit zu rekonstruieren, bietet die Untersuchung des arktischen Eises oder alpiner Gletscher. Die Eisschilde bestehen aus Schichten der jährlich gefallenen Schneemassen. Je älter eine Schicht ist, desto tiefer liegt sie also. Die ältesten Schichten sind gleichzeitig die dünnsten Schichten, da sie durch die Auflast der auf ihnen lagernden Schichten stärker zusammengedrückt werden und zur Seite fließen als weiter oben liegende. Wenn der gefallene Schnee sich durch Druck und Schmelzen zu einem Eiskörper umwandelt, werden Staub, Aerosole, Spurengase, biologische Materialien und radioaktive Isotope mit eingeschlossen.
Besonders geeignet für die Entnahme von Bohrkernen sind Gebiete, die kaum Schneeschmelze oder Sublimation aufweisen. Sie sind ein lückenloses Archiv von Klimainformationen und eignen sich daher besonders für die Entnahme von Bohrkernen. Man unternimmt dazu Bohrungen in die Eisschilde der Erde, von denen die tiefste Bohrung bisher 3.085 m erreichte. Die Eisschichten an sich sind in der Antarktis und in Grönland bis zu 4.000 m mächtig und mehrere Millionen Jahre alt. Die Informationen, die uns die Eiskerne aus den eingeschlossenen Stoffen liefern sind vielfältig, und es gibt unterschiedliche Methoden, Informationen aus den Eisbohrkernen zu gewinnen.
Eine dieser Methoden ist die Analyse der im Eis eingeschlossenen Luft. Sie gibt uns Auskunft über die Atmosphärenzusammensetzung zur Zeit der Gletscherentstehung. Interessant sind dabei vor allem die Konzentrationen von Spurengasen wie Kohlendioxid und Methan, da schon geringe Unterschiede in der Konzentration erheblichen Einfluss auf das Klima haben kann. Da der Einschluss der atmosphärischen Gase ins Eis mehrere Jahre dauert, sagen die gewonnenen Daten nur etwas über die mittleren Werte mehrerer Jahrzehnte aus. Durch eine Untersuchung der eingeschlossenen Treibhausgase hat man einen Anstieg des CO2 um ca. 30% innerhalb der letzten 200 Jahre feststellen können.
Eine weitere Methode der Klimadatengewinnung ist die Temperaturanalyse. Sie basiert auf der Tatsache, dass die Sauerstoffisotope im Eis je nach Temperatur des Niederschlags aus dem es gebildet wurde, unterschiedliche Verhältnisse haben. Aus dem Massenverhältnis der Isotope O 18 und O 16 kann man auf die damalige Temperatur der Atmosphäre schließen, und zwar bis zu einem Zeitraum von vor einer Millionen Jahre. Zudem ist es möglich, aus dem Isotopenverhältnis das Alter der Eisschichten zu bestimmen. Die Analyse von stabilen Isotopen der Elemente Sauerstoff und Wasserstoff gibt Hinweise auf Niederschlags- und Verdunstungsvariabilität sowie auf globale Temperaturschwankungen. So können sowohl saisonale Schwankungen wie Sommer- und Winter als auch Großzyklen wie Eis- und Warmzeiten im Eisbohrkern erkannt werden. Eisschichten der Warmphasen weisen eine hohe Konzentration des O 18 - Isotops auf, während Kaltphasen an einer geringen O 16 Konzentration erkennbar sind.
Neben der O- Isotopenverhältnisse gibt es noch weitere Isotopenverhältnisse, die man untersucht. Analysiert man beispielsweise das Verhältnis zwischen den Kohlenstoffisotopen (C 14) mit Berryliumisotopen ( Be 10) kann man Aussagen über die Sonnenaktivität treffen.
In den oberen Schichten kann man allein durch eine optische Analyse jahreszeitliche Veränderungen feststellen. Winterliche Schichten weisen eine hellere Farbe als sommerlich abgelagerte Schichten auf. Diese verschiedene Färbung liegt an den im Sommer vermehrt eingebauten Staubpartikeln aus der Luft.
Auch kann man eine Aussage über die Aktivität des Windes in Abhängigkeit vom Klima treffen, wenn man den Staubgehalt bestimmt. Dickere Staubschichten weisen oftmals auf vulkanische Aktivitäten hin, die wiederum eine Änderung des Klimas bedingten.
Die relative Dicke der einzelnen Schichten weist auf die Menge der jahreszeitlichen Niederschläge hin.
Bereits 1930 erkannte ein Wissenschaftler auf der einjährigen Grönlandexpedition von Alfred Wegener, dass im Eis Klimainformation gespeichert sind. Er legte einen 15 Meter tiefen Graben an, anhand dessen er jahreszeitliche Unterschiede im Eis untersuchte. Die erste relevante Bohrung fand von 1963 bis 1966 in der Arktis statt, und zwar im Rahmen des Camp Century-Projektes der US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory (CRREL). Innerhalb dieses Projekts wurde eine Bohrung vorgenommen, anhand derer man die die europäischen Klimaphasen der letzten 1.000 Jahre nachwies. Der bisher tiefste Bohrkern von 3.085 m wurde 2003 gezogen. Das darin erhaltene Eis war bis zu 123.000 Jahre alt und stammt aus der letzten Warmzeit. Bis zu 900.000 Jahre altes Eis stammt aus einer Bohrung des Jahres 2004 im Rahmen des Projekts EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica). In diesem Eis sind Informationen von acht Kaltzeitzyklen enthalten.
Pollenanalyse
Die Pollenanalyse oder Palynologie stellt eine weitere Möglichkeit dar, einen Einblick in vergangene Klimata zu bekommen. Pollen werden von Pflanzen produziert und durch Wind und Wasser zur Fortpflanzung verteilt. Da die äußere Hülle von Pollen säureresistent und somit sehr widerstandsfähig ist, kann man Pollen als Einschluss in Sedimenten, Böden oder auch Eisbohrkernen finden. Je nach ihrem Zustand und ihrer Menge kann man Aussagen über die Ablagerungs- und Klimabedingungen zur Ablagerungszeit treffen. So sind manche Pollenarten Anzeichen für vegetationsreiches humides Klima, während andre Pollenfunde auf arides, vegetationsarmes Klima schließen lassen. Pollenspektren der gefundenen Pollen werden in Pollendiagrammen dargestellt. Man unterscheidet dabei in relative Pollendiagramme, die auf den prozentualen Anteilen jeden Pollentyps an der gesamten Pollensumme basieren und in absolute Pollendiagramme, die auf der Pollenkonzentration in der Matrix basieren. Vergleiche von beprobten Pollenspektren mit heutigen Pollenspektren erlauben dann so eine Aussage über die Zusammensetzung der Paläovegetation.
Historische Daten
Die wohl einfachste Methode zur Klimarekonstruktion bieten historische Dokumente. Die ältesten Aufzeichnungen über Wetter und Klima findet man in Ägypten und China. Sie sind aus den Jahren 3.000 vor Christus bzw. 1750 vor Christus. Die ältesten Aufzeichnungen Europas sind aus dem Jahre um 500 vor Christus. Die damals niedergeschriebenen Daten sind oftmals sehr subjektiv. So ging es meist um die Beschreibung phenologischer Phänomene, die die Ernte oder das Siedlungsverhalten beeinflussten. Mögliche Informationsquellen sind zum Beispiel Ertragsdaten, Hochwassermarken, Archive direkter Wetterbeobachtungen oder Klostertagebücher. Auch Malereien dienen oft als guter Hinweis auf vorzeitliche klimatische Bedingungen. Beispielsweise sieht man auf Gemälden der holländischen Meister ab Mitte des 16.Jahrhunderts immer wieder große Eisflächen dargestellt. Sedimentuntersuchungen in Binnenseen haben ergeben, dass das Klima in Europa zwischen Mitte des 16. bis Ende des 19. Jahrhunderts tatsächlich stark abgekühlt ist. Dieses Phänomen ist als „kleine Eiszeit“ bekannt. Interessant ist auch, dass sich die holländische Landschaftsmalerei erst zu Beginn der kleinen Eiszeit entwickelte, da Wetter und Landschaft höchsten Stellenwert in der Agrargesellschaft einnahm. Sobald sich die Lebensbedingungen änderten, wurde dies in der Kunst thematisiert. So sind die Gemälde eine wertvolle Ergänzung zu technisch rekonstruierten Klimadaten.
Sedimente
Sedimentablagerungen in Seen und im Meer stellen ein hoch auflösendes Klimaarchiv dar. Das biologisch eingeschlossene Material wie Pollen und Plankton geben Auskunft über frühere Vegetation und auch über damalige Temperatur, Sauerstoffgehalt und Zusammensetzung der Ozeane. Das damalige Klima wird über Isotopenuntersuchungen der Isotope 18O und 14C rekonstruiert. Mit dem Auge kann man jährliche Sedimentablagerungen unterscheiden. Niederschlagsarme Jahreszeiten weisen eine hellere Färbung in Ihren Schichten auf als niederschlagsreiche, da sie weniger Material erodieren. Die Schichten eines gesamten Jahres nennt man Varven.
Bodensedimente an Land sind in Ihrer Bedeutung für die Klimarekonstruktion direkt vergleichbar mit marinen oder lacustrinen (von lacus = See) Sedimenten. Auch in Bodensedimenten untersucht man biologisch eingeschlossenen oder umgewandelte Materialien, die eine Rekonstruktion der zur Ablagerungszeit herrschenden Bedingungen rekonstruieren kann. Weiterhin kann man über eine Bodenprofilanalyse und über die Bodeneigenschaften Informationen über das frühere Klima gewinnen.
Tiefmarine Sedimente, flachmarine Sedimente und Bodensedimente geben einen Rückschluss über das Klima bis zu ca. 105 Jahren vor heute.
Natürliche Ursachen von Klimaveränderungen, Sonnenflecken
Wie bereits betrachtet, unterlag das Klima in der geologischen Vergangenheit teilweise erheblichen natürlichen Schwankungen. Schon immer wurde das Leben auf der Erde durch Natur- und Klimakatastrophen bedroht. Diese resultierten aus verschiedenen Ursachen wie vulkanischen und tektonischen Aktivitäten oder besonders durch eine Änderung der Sonneneinstrahlung.
Sonnenflecken
Die Sonne besitzt ein Magnetfeld, das sich aufgrund der Eigenrotation der Sonne "verzwirbelt" und damit zu Sonnenflecken führt. Diese als Flecken sichtbaren Erscheinungen sind Ausbuchtungen des Sonnenfeldes und führen in ihrem Bereich zu einem verminderten Austritt der Strahlungsenergie der Sonne. Jedoch führt das in den so genannten Fackeln gleichzeitig zu einer Erhöhung der Abstrahlung von Sonnenenergie, was in der Gesamtbilanz zu einer Erhöhung von ca. 0,1% führt. Jedoch steigt während des Maximums der Sonnenfleckenaktivität die UV-Strahlung weit über den Wert von 0,1% der Gesamtstralungsmenge hinaus an. Diese stark erhöhte UV-Aktivität führt auf der Erde dann zu einem Anstieg der mittleren Temperaturen. Es kommt etwa im Zeitabständen von 11 Jahren zu einer Erhöhung der Anzahl von Sonnenflecken, was zum ersten Mal in unserem Kulturkreis von dem deutschen Apotheker und Hobbyastronomen Heinrich Schwabe im Jahr 1843 festgestellt wurde. So wurden im Jahr 2001 beispielsweise bis zu ca. 200 Sonnenflecken von den Astronomen pro Tag gesichtet. Interessant ist die Tatsache, dass in Zeiten, in denen es über längere Zeit zu einem Absinken der Sonnfleckenhäufigkeit kam, sich auch die mittleren Temperaturen erniedrigten - so beispielsweise zwischen 1675 und 1715. Diese Zeit wird zusammen mit der Zeit von 1570 bis 1630 als "Kleine Eiszeit" bezeichnet. Für die Zeit von 1570 bis 1630 gibt es jedoch keine zuverlässigen Angaben über die Anzahl der Sonnenflecken, währen die Zeit von 1675 bis 1715 durch das Studium alter Aufzeichnungen durch den Briten Edward Maunder gut dokumentiert sind. Wegen fehlender Daten konnten die "Mittelalterlichen Warmzeiten" ebenfalls nicht mit den Sonnenfleckenhäufigkeiten in Verbindung gebracht werden. Es ist abzuwarten, zu welchen Ergebnissen die Forscher in der nächsten Zeit bezüglich des Einflusses der Sonnenflecken-Aktivitäten auf unser Klima kommen. Derzeit werden die Messdaten des im Juni 2009 mit Hilfe eines Ballons auf eine Höhe von 40 km gebrachten "Sunrise-Teleskops" intensiv ausgewertet.
Milankovic-Zyklen
Schon im Jahre 1929 erkannte der Geophysiker Milutin Milankovic, dass das Auftreten von Kalt- und Warmzeiten in Zusammenhang mit Schwankungen der Erdbahnparameter zusammenhängt, die eine Folge von Bewegungen von Gravitationsfeldern in der Sonne sind.
Es gibt drei Erdbahnparameter, die sich periodisch ändern. Über eine Periode von 100.000 bis 400.000 Jahren ändert sich der Grad der „Elliptizität“ der Erdumlaufbahn zwischen fast kreisförmig und mehr elliptisch. Das hat zur Folge, dass sich die Sonnen- Energiestrahlung, die auf die Erde gelangt, dabei ändert.
Alle 19.000 bis 23.000 Jahre ändert sich die Richtung, in die die Erdachse geneigt ist. Die Erdachse beschreibt eine kreisförmige Bewegung um einen Mittelpunkt und beschreibt so insgesamt eine kegelförmige Bahn. Man kann sich diese Bewegung als Taumelbewegung der Erde auf der Umlaufbahn vorstellen. Der dritte Erdbahnparameter, der sich ändert ist die Inklination. Das ist die Neigung der Erdachse zur Ebene der Umlaufbahn um die Sonne, also die Ekliptik. Sie schwankt alle 40.000 Jahre zwischen 21.8° und 24,4°. Derzeit beträgt der Winkel rund 23,5°. Diese Bahnneigung beeinflusst die Jahreszeiten, je größer die Neigung desto ausgeprägter werden sie.
Es gibt Perioden der Erdgeschichte, in denen sich die beschriebenen Variationen überlagern und so die Klimaeffekte verstärken.
In den letzten 3 Millionen Jahren bewirkten diese Zyklen den Aufbau und das Abschmelzen großer Eisschilde auf der Nordhalbkugel. Da vor 3 Millionen Jahren der Neigungswinkel der Erdachse minimal war, gab es nur sehr geringe Temperaturschwankungen zwischen Winter und Sommer. Folglich taute der im Winter gefallene Schnee im Sommer nicht mehr ab und bildete mit der Zeit Tieflandgletscher. Das war der Beginn der Nord- Eiszeit, in der wir uns immer noch befinden (Näheres zu den Eiszeiten siehe unter Eiszeiten).
Vulkanismus
Vulkanische Aktivitäten können das Klima und die Lebewelt extrem beeinflussen. Vulkane treten immer da auf, wo zwei Erdplatten aufeinander treffen. Dort wird Material geschmolzen und tritt durch enorme Druckentwicklung wieder an die Erdoberfläche.
Das Klima wird bei Vulkanausbrüchen, und das auch lange danach, beeinflusst durch vulkanische Gase, Staub und Asche. Ausgestoßener Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan können zum Treibhauseffekt der Atmosphäre beitragen. Staub verdunkelt die Atmosphäre und hindert Sonnenstrahlung am durchdringen bis zur Erdoberfläche. Zudem dient er als Kondensationskeim für Wasserdampf und fordert so die Wolkenbildung. Mehr Wolken bedeutet mehr Rückstrahlung der eingehenden Sonnenenergie. Dies führt zur Abkühlung der Erdoberfläche. Satellitenmessungen haben ergeben, das die Temperatur der unteren Erdatmosphäre nach dem Ausbruch des philippinischen Vulkans Mt. Pinatubo 1992 um 0,4°C abnahm. Nordamerika erlebte im Jahr 1815 keinen Sommer durch den Ausbruch des Vulkans Tambora in Indonesien. Der Krakatau Ausbruch 1883 führte zum weltweit kältesten Jahr seit 1880 bis heute. Im Gegensatz zu punktförmigen Austritten der geförderten Vulkanmaterialien gibt es auch flächenhafte Ausbrüche entlang einer Spalte an Plattengrenzen. Dabei wird wesentlich mehr Lava gefördert als bei gewöhnlichen Vulkanausbrüchen. Vor 65 Mio. Jahren ließen so ausfließende Flutbasalte den Westteil Indiens entstehen. Man nennt diese Formation auch Dekkan Trapp.
Meteoriten
Rund 20.000 Meteoriten nehmen jährlich Kurs auf die Erde, von denen jedoch ein Großteil in unserer Atmosphäre verglüht oder im Meer versinkt. Treffen sie dennoch auf die Erdoberfläche, lassen sie Krater entstehen und können sich je nach Größe enorm auf die Lebensumstände auf unserem Planeten auswirken. Die freiwerdenden Gase können, ähnlich wie nach Vulkanausbrüchen, zu einer Abkühlung der Temperaturen führen. Der wohl bekannteste Meteoriteneinschlag war vor ca. 65 Mio. Jahren. Ein Meteorit von mehr als 10 km Durchmesser schlug mit einer Geschwindigkeit von rund 25 km pro Sekunde auf die Erdoberfläche auf die Fläche der heutigen mexikanischen Halbinsel Yucatan ein. Zum Zeitpunkt des Einschlags war diese Fläche noch im Flachwasserbereich des Meeres gelegen. Der Meteorit drang mehrere Kilometer tief in die Erdkruste ein, wobei Wasser verdampfte und das Erdkrustengestein aufschmolz. Dadurch gelangten innerhalb weniger Minuten enorme Mengen von CO2, SO2, Wasserdampf und Staub in die Atmosphäre. Eine riesige Flutwelle überschwemmte große Teile der festen Landmassen auf dem gesamten Globus. Die Folge des Einschlags war eine rasche Klimaänderung. Staub schirmte das Sonnenlicht ab, so dass die Temperaturen kälter wurden und die Photosynthese der Pflanzen gehemmt wurde. Es ist wissenschaftlich allgemein anerkannt, dass dieses Ereignis vor 65 Mio. Jahren auch der Grund für das Aussterben der Dinosaurier ist. Aber so wie Meteoriteneinschläge Leben auf der Erde auslöschen können, sind sie auch dafür verantwortlich, dass das Leben auf der Erde überhaupt entstehen konnte. Man nimmt an, dass das Wasser unserer Erde zum größten Teil durch Meteoriten auf die Erde gelangt.
Rolle der Ozeane und der thermohalinen Zirkulation auf das Klima
Die Einstrahlung der Sonne auf die Erde ist, wie jeder aus Erfahrung weiß, unterschiedlich verteilt. In Äquatornähe strahlt mehr Energie ein als in Polnähe. Es gibt physikalisch wirkende Kräfte, die dieses Ungleichgewicht ausgleichen. Das sind so genannte Konvektionsbewegungen, die sowohl im Ozean als auch in der Atmosphäre durch den Transport von Luftmassen, Wasserdampf und Wasser die eingestrahlte Energie umverteilen. Da Wasser eine hohe Wärmekapazität hat, das heißt eine große Fähigkeit besitzt, Wärme zu speichern, sind vor allem die Oberflächenströmungen der Ozeane für den Wärmetransport wichtig und ein wesentlicher Faktor für den globalen Wärmehaushalt. Eine große Relevanz für das Klima kommt den Ozeanen auch als Speicher klimawirksamer Gase, wie dem CO2 zu.
Das Wasser der Weltmeere zirkuliert ständig sowohl vertikal, also von der Oberfläche in die Tiefe und umgekehrt als auch horizontal, also auf der Oberfläche. Diese Zirkulation wird vom verschiedenen Salzgehalt des Wassers, von unterschiedlichen Wassertemperaturen und vom Wind angetrieben. Man bezeichnet die Zirkulation als thermohaline Zirkulation. (thermo= Wärme, halin= salzig) .
In der Nähe von Grönland wird warmes Oberflächenwasser aus dem Atlantik, das von Süden her kommt, von den kalten arktischen Winden gekühlt. Da kaltes Wasser schwerer als warmes Wasser ist, sinkt es danach in die Tiefe ab und strömt um den halben Erdball herum in den Südatlantik. Im Südatlantik herrschen an der Oberfläche hohe Temperaturen, wodurch die oberen Wasserschichten stark verdunsten. Durch die Verdunstung des Wassers - ohne das Salz - werden die oberen Wasserschichten salzreicher und somit dichter und sinken deshalb in die Tiefe ab. Der Dichteunterschied ist somit die treibende Kraft dieses vertikalen Zirkulations-Prozesses. Das Wasser, aus dem Nordatlantik kommend steigt also im Südatlantik wieder auf und strömt auf diesem Transportband wieder nach Norden. Im Nordatlantik kühlt es ab, sinkt wieder zum Meeresboden und die Zirkulation beginnt von neuem. Auf diese Weise wird Wärme vom Atlantik in den Nordatlantik transportiert, die durch arktische Luftströmungen dann nach Europa gelangt. Heute beobachten wir auch Veränderungen der Ozeanzirkulation als Folge der globalen Erwärmung. Der Salzgehalt des Nordatlantiks ist über die letzten 40 Jahre stetig gesunken.
Golfstrom
Zu den stärksten Oberflächen-Strömungen der Meere gehört der Golfstrom. Er führt warmes Wasser aus dem subtropischen Westatlantik an der Ostküste der USA nach Norden und weiter nach Westeuropa, wo er dann nicht mehr Golfstrom, sondern Nordatlantischer Strom heißt. Durch diesen Prozess wird Energie aus subtropischen in mittlere und höhere Breiten verlagert. Nur aus diesem Grund ist es in den Breiten West- und Nordeuropas relativ milder als an anderen Orten gleicher geographischer Breite. Der Golfstrom verläuft von der Ostküste der USA auf der Höhe von Florida nach Norden. Im offenen Ozean beginnt der Strom wie ein Fluss zu mäandrieren und es bilden sich mit der Zeit Ringe warmen Wassers ähnlich einem Luft-Tiefdruckgebiet, die durch den Atlantik Richtung Europa ziehen. Diese Ringe nennt man in der Wissenschaft „Eddies“. Sie erreichen Europa als diffuse warme Wassermassen und bewirken zum Beispiel, dass der Hafen von Murmansk die meiste Zeit des Jahres eisfrei bleibt.
Der Golfstrom ist von enormer Bedeutung für den gesamten Wasser- und Energietransport der Weltmeere. Würde ohne den Golfstrom kein salzreiches Wasser mehr in den Nordatlantik zwischen Island und Grönland gelangen, könnte es dort nicht absinken, sondern würde als relativ warmes Wasser an der Meeresoberfläche bleiben. So wäre die Tiefenwasserzirkulation unterbrochen. Als Folge würde der Golfstrom, der als Wärmegarant von Europa gilt, zum Erliegen kommen. Dies könnte auch passieren, wenn durch Gletscherschmelzen soviel Süßwasser in den Nordatlantik gerät, das keine schweren salzreichen Wassermassen mehr absinken können. Man nimmt an, dass dies in den letzten 75.000 Jahren der Erdgeschichte sechsmal geschehen ist. Diese „events“ sind als „Heinrichevents“ bekannt.
Bei einer Erwärmung des Klimas würde also die Süßwasserzufuhr in den Nordatlantik durch Gletscherschmelzen zunehmen. Infolge des Treibhauseffekts würde die Wassertemperatur zusätzlich ansteigen. Damit würde die Dichte des Oberflächenwassers geringer. Man hat für die nächsten 100 Jahre eine Schwächung der thermohalinen Zirkulation von 20-50% berechnet. Bei einem globalen Temperaturanstieg von 4-5 °C geht man davon aus, dass die thermohaline Zirkulation versiegen würde. Zudem kann warmes Wasser weniger Kohlendioxid binden als kaltes Wasser, was den Treibhauseffekt verstärken würde. Allerdings gibt es auch gegenteilige Berechnungen, die die erhöhte Verdunstung infolge der Erwärmung als Stabilisator der Zirkulation prognostizieren.
Thermohaline Zirkulation in der geologischen Vergangenheit
Als Beispiel für die Relevanz der thermohalinen Zirkulation für das Klima soll hier als Beispiel die Ursache für die letzte kleine Eiszeit betrachtet werden. Vor circa 11.000 Jahren befand sich die Erde am Ende der letzten Eiszeit. Dieses Erdzeitalter nennt man Dryas- Zeit nach der sich nun ausbreitenden Silberwurz (Dryas), einem Rosengewächs, das z.B. in den Alpen vorkommt. Innerhalb von nur 40 Jahren hatte sich damals das Klima um 7°C erwärmt. Dies überschritt die derzeitige Klimaerwärmung ganz erheblich. Diesem Effekt vorangegangen ist das Ausfließen großer Eisstauseen auf den Landmassen der Westküste der heutigen USA. Das Gebiet war damals geprägt vom Rückzug des kanadischen Eisschildes nach Norden. Das Süßwasser dieser Eisstauseen verdünnte das von der Karibik kommende Meerwasser des nordatlantischen Stroms so stark, dass die thermohaline Zirkulation zusammenbrach. So gelang nun kein warmes Wasser mehr in den Nordatlantik, wodurch dieser immer stärker abkühlte. Dadurch sanken die Temperaturen in Europa um durchschnittlich 5°C. Erst als sich das Gleichgewicht wieder hergestellt hatte, kam es zu der beschriebenen abrupten Erwärmung.
Anstieg des Meeresspiegels
Es gibt Meeresspiegelschwankungen, die in allen Gebieten der Erde gleichzeitig und in ähnlichem Ausmaß auftreten. Ist dies der Fall, spricht man von „eustatischen“ Meeresspiegelschwankungen. Diese eustatischen Meeresspiegelschwankungen hat es in geologischer Vergangenheit immer wieder gegeben. Dieser Prozess ist ein natürlicher Prozess und kann mehrere Ursachen haben. Sehr bedeutsam sind kontinentale Vereisungen, wodurch Wasser in großen Eisschilden gebunden wird und somit dem Meer entzogen wird. Schmelzen diese, kommt es zu einer Transgression des Meeres. Auch verstärkte plattentektonische Aktivität beeinflusst in hohem Maße den Meeresspiegel. Tritt nämlich an den mittelozeanischen Krusten junges Magma aus, ist dieses noch sehr leicht und bildet einen höher liegenden Untergrund. Meerwasser wird nach oben verdrängt und weicht auf die Kontinente aus. In der geologischen Vergangenheit korrelierte der Meeresspiegel immer mit Temperaturentwicklung und tektonischer Aktivität. Warme Klimata führten zu einem Meresspiegelhochstand (Kambrium bis Karbon)- 545-300 Millionen Jahre vor heute und Jura bis Känozoikum- 200- 65 Millionen Jahre vor heute). In den Zeiten dazwischen und danach sank der Meeresspiegel aufgrund von Vereisungen wieder ab.
Seit Ende der letzten Eiszeit kann man einen kontinuierlichen Meeresspiegelanstieg betrachten. Im letzten Jahrhundert stieg der Meeresspiegel auf bis zu 25 cm an. Zu diesem Meeresspiegelanstieg prognostizieren Wissenschaftler einen weiteren Meeresspiegelanstiegs zwischen 20 bis 50 cm in den nächsten 100 Jahren durch die thermische Expansion des Wassers sowie um 16 cm durch das Schmelzen von Gletschern - auch von Inlandgletschen, von denen es ca. 100.000 gibt - sowie der Eiskappen der Pole. Ein Abschmelzen der gesamten grönländischen Inlandeisdecke würde zu einem Anstieg der Meere bis zu ca. 7 m führen und damit das Leben in zahlreichen Küstengebieten unmöglich machen. Ein vollständiges Abschmelzen des Eises der Westantarktis würde den Meeresspiegel um ca. 5 m steigen lassen, der des Eises der Ostantarktis sogar um 50 m. Das Schmelzen von schwimmenden Eis - z.B. am Nordpol - würde allerdings nach dem Prinzip des Archimedes zu keinem Anstieg führen. Es sei erwähnt, dass vor ca. 400.000 Jahren der Meeresspiegel 120 m unter dem heutigen Niveau lag.
Man schätzt, dass der Meeresspiel in den folgenden Jahrhunderten als Langzeitfolge allerdings pro Grad Erwärmung um bis zu 20 m ansteigen wird.
Kohlendioxid-Kreislauf in der Atmosphäre
Der Mensch gibt bei der Atmung an die Atmosphäre ab. Das CO2 sowie weitere so genannte Treibhausgase sorgen dafür, dass die von der Erde reflektierte Sonnenstrahlung nicht ganz in den Weltraum entweicht, sondern wieder auf die Erde zurückgeworfen wird. Nur durch diesen Prozess leben wir auf der Erde mit einer Durchschnittstemperatur von 15°C. Ohne diesen Effekt würde eine Temperatur von minus 18°C herrschen in einem Klima, in dem es dem Menschen nicht möglich gewesen wäre sich zu entwickeln. In einem Zyklus wird der für alle Lebewesen lebenswichtige Kohlenstoff in Form von CO2 zwischen Luft, Wasser und Boden transportiert. Pflanzen entziehen der Atmosphäre während Ihrer Wachstumsphase im Frühling und Sommer viel CO2, so dass die Konzentration im Herbst und Winter abnimmt. Verrotten die Pflanzen dann im Winter wird bei diesem Prozess das CO2 wieder an die Atmosphäre abgegeben. Neben diesem Jahreszyklus gibt es auch einen langfristigen CO2 - Kreislauf, der sich über Jahrmillionen erstreckt. Das CO 2 liegt in fossiler Form in Kohle und Gas vor. Durch die Verbrennung dieser fossilen Brennstoffe gibt der Mensch zusätzlich zum natürlichen Kreislauf das freigesetzte CO2 in die Atmosphäre ab. Je mehr CO2 in der Atmosphäre vorhanden ist, desto mehr Sonnenenergie wird zur Erde zurückreglektiert und desto wärmer wird es also. Durch diesen Prozess wird der gleichmäßige natürliche Kreislauf extrem gestört. Von 1975 bis heute ist der CO2 Ausstoss um ca. 50% angestiegen. Weltweit war ein Anstieg der CO2-Emissionen von 1975 bis 2000 um rund 45% zu verzeichnen.
Solarenergie, Fotovoltaik
Allgemeines
Von der Sonne trifft Strahlung auf die Erde, in der sich sehr viele verschiedene Frequenzen befinden - vom unsichtbaren UV-Licht, über das sichtbare Licht hin bis zum wiederum unsichtbaren Infrarot (= Wärmestrahlung). Die Energie, die von der Sonne die Erdoberfläche trifft, wird durch die so genannte Solarkonstante bestimmt. Die Solarkonstante - mit E0 symbolisiert - ist die gemittelte Leistung pro m², die bei einem mittleren Abstand der Erde von der Sonne ohne den Einfluss der Atmosphäre senkrecht auf die Erde trifft. Der Wert für die Solarkonstante wurde 1982 von der Weltorganisation für Meteorologie in Genf festgelegt:
E0 = 1.367 Watt/m²
Somit wäre die theoretisch maximale Energieausbeute (korrekt: Leistung) pro m² - bei senkrechtem Einfall (=90°) auf die Erdoberfläche - 1.367 Watt. Dieser Wert gilt aber nur ohne den Einfluss der Lufthülle. Durch die Atmosphäre wird ein Teil der Sonnenenergie absorbiert.
Bei geringeren Einfallswinkeln als 90% verringert sich der Wert der Solarkonstante mit dem "Sinus". Im Sommer steht die Sonne in Deutschland beispielsweise um die Mittagszeit um 60° hoch über dem Horizont. Der Sinus von 60° besitzt einen Wert von 0,866 - dies mit 1.367 multipliziert ergibt = 1.183,9. Dieser Wert ist aber nur theoretisch von Interesse, da der Einfluss der Atmosphäre nicht berücksichtigt wurde.
Die Sonnenenergie kann zur Erwärmung z.B. von Wasser genutzt werden, aber man kann sie auch zur Stromerzeugung nutzen.
Fotovoltaik
Zur Stromerzeugung werden dünne (ca. 0,1 mm) Siliziummodule verwendet, in denen das auffallende Sonnenlicht Elektronen freisetzt und damit Strom erzeugt. Die besten Module haben mittlerweile Wirkungsgrade von etwas weniger als 20%. So erzeugen moderne Solarmodule pro m² einen Strom von 1,5 Ampere bei einer Spannung von 40 Volt. Wegen der Verknappung des Siliziums und der einfacheren und preiswerteren Herstellung werden zunehmend so genannte Dünnschicht-Module verwendet. Diese werden meist in der "Triple-Junction-Technologie" (Drei-Ebenen- Technologie) angewandt. Dabei befinden sich drei sehr dünne Schichten (0,001 mm pro Schicht) übereinander, wobei die oberste Schicht die blauen Anteile des Sonnenlichts, die mittlere die grün/gelben und die unterste Schicht die roten Anteile zur Stromerzeugung dienen.
Ein Solarelement besitzt in der Regel eine Fläche von ca. 1 m² bei einer Leistung von ca. 60 Watt (40 Volt und 1,5 Ampere).
Da die Sonne nachts gar nicht und an vielen Tagen nur wenig scheint, rechnet man in Deutschland - mit Berücksichtigung der Atmosphäre - pro kW Leistung eines Moduls pro Jahr mit Energien zwischen 800 bis 1.000 kWh = 1 MWh. In der Sahara sind das pro Jahr sogar rund 2.500 kWh = 2,5 MWh. Die Leistung eines Atomkraftwerks beträgt rund 1.000 MW (Megawatt). Sofern ein derartiges Kraftwerk das ganze Jahr über diese Leistung erbringt, ergibt sich bei 8.760 Stunden, die das Jahr im Mittel hat, eine jährliche Energieabgabe von von 8.760 h · 1.000 MW = 8,76 TWh = 8,76 ·109 kWh. (1 TW = 1 Terawatt = 1012 W). da ein Modul mit einer Fläche von 1 m² etwa 60 watt Leistung erbringt, würden ca. 16 derartige Module eine Leistung von rund 1 kW erbringen. Um daher dieselbe Energie wie ein Atomkraftwerk erzeugt über Solarmodule zu erhalten, müsste man in Deutschland eine Fläche von ca. 16 · 8,76 Mio. m² mit Solarmodulen belegen. Das sind gerade mal 16 · 8,76 km² = 140,16 km².
Sonnenergie als Wärmequelle
Neben der Umwandlung der Sonnenenergie in elektrischen Strom kann man sie auch zum Erhitzung von Flüssigkeiten verwenden. Das kann auch in Deutschland z.B. auf einem Hausdach dadurch geschehen, dass warmes Waseer in speziellen Behältern zum Heizen und für andere Zwecke erzeugt wird.
In Solarkraftwerken wird das Sonnenlicht z.B. mit Hilfe von Spiegeln so gebündelt, dass Wasser so heiß wird, dass damit Turbinen betrieben werden - wie in einem konventionellen Kraftwerk - um Strom zu erzeugen.
Biogas als Energiequelle
Unter Biogas versteht man im Prinzip die Entstehung von Gasgemischen infolge des anäroben (ohne Sauerstoff) Abbaus von organischen Substanzen mit Hilfe von Bakterien. Das geschieht schon immer in der Natur und mittlerweile zur Gasgewinnung auch in technischen Anlagen. In den technischen Anlagen kann Gülle, Mais, Getreide oder Grasschnitt verwendet werden. Bei dem Prozess entstehen Methan (CH4) - je nach verwendeten Substanzen und den Gätprozessen zwischen 50-70%, weiterhin Kohlendioxid (CO2) - zwischen 30-40% - sowie in geringeren Mengen Wasserstoff (H2), Schwefelwasserstoff (SH2) oder Ammoniak (NH3). Zur Verbrennung und damit zur Energiegewinnung wird jedoch nur das Methan verwendet, sodass das ursprüngliche Biogas über diverse chemische Prozesse von den anderen Gasen "befreit" werden muss. Methan ist farb- und geruchlos und verbrennt in der folgenden Weise:
CH4 + 2· O2 --> CO2 + 2· H2O
Bei der Verbrennung des Biogases entsteht damit auch das "Klimagas" CO2. Aber im Unterschied zu den anderen fossilen Brennstoffen wie Kohle, Diesel, Benzin oder Erdgas wäre mehr oder weniger die gleiche Menge an CO2 freigeworden, da die Substanzen sich auf der Erdoberfläche - wenn auch langsamer - in der gleichen Weise zersetzt hätten wie durch die Umwandlung in Biogas und dessen späterer Verbrennung. Sofern aber Pflanzen extra dafür angepflanzt werden, gilt das Argument natürlich so nicht mehr. Außerdem könnte es wegen der günstigen Vermarktung von Biogas zu einer Verdrängung anderer Pflanzenarten kommen. Dies zeigte sich z.B. sehr deutlich in Brasilien, wo der Urwald gerodet wurde, um Biospritpflanzen in riesigen Monokulturen anzupflanzen - mit verheerenden Folgen für die Umwelt!
Die größte Biogasanlage Deutschlands befindet sich in Güstrow in Mecklenburg Vorpommern. Nach deren Fertigstellung 2010 werden hier jährlich rund 46 Mio. m³ Biogas ins Netz eingspeist. Daraus entstehen jährlich rund 160 Mio. Kilowattstunden (kWh) Strom und 180 Mio. kWh Wärmeenergie. Zur Gewinnung dieser Gasmenge werden jährlich ca.450.000 Tonnen Biomasse benötigt, die von den Landwirten der Umgebung geliefert werden.
Zur Zeit liegt der gesamte Biogasanteil in Deutschland - verglichen mit dem Erdgasverbrauch - allerdings erst bei etwa 0,1%! Nach Plänen der Bundesregierung sollen bis zum Jahr 2020 allergings ca. 6 Milliarden m³ Biogas in die Gasnetze eingespielt werden.
Es sei erwähnt, dass 1 kg Methan bei vollständiger Verbrennung eine Energie von 15,5 kWh und - zum Vergleich - 1 kg Benzin 13,3 kWh freisetzt. Dabei entstehen pro kg verbranntes Methan rund 2,73 kg CO2 und beim Benzin ? kg.
Geothermie als Energiequelle
Je tiefer man ins Erdinnere vordringt, umso wärmer bzw. Heißer wird es dort. Schon seit längerem macht man sich diesen Temperaturunterschied in der Tiefe in Bezug zur Erdoberfläche zunutze. Besonders bekannt und markant ist diese Energienutzung auf Island.
Im Zuge der Klimaerwärmung bekommt diese nahezu unerschöpfliche Energiequelle eine besondere Bedeutung. In Deutschland gibt es mittlerweile eine Reihe derartiger - allerdings noch kleinerer Anlagen. Das Grundprinzip ist, dass heißes Wasser oder Wasserdampf an die Oberfläche verbracht wird und hier entweder zum Heißen (Fernwärmenetz) oder zur Stromerzeugung verwendet wird. Bei der Stromerzeugung treibt das heiße Wasser eine Turbine, die dann den Strom erzeugt. Dabei ist das Prinzip absolut dasselbe, egal, ob das heiße Wasser auf diese Weise oder mit Hilfe von Gas, Öl. Kohle oder der Kernerngie erzeugt wurde. Nach dem Verlassen der Heizung oder der Turbine wird das dann kältere Wasser über Rohrleitungen wieder in die Tiefe verbracht. Man bohrt mittlerweile zur Gewinnung der Erdwärme in Tiefen bis zu ca. 5.000 m. Besonders geeignet für Geothermieanlagen ist die Region um München, der oberrheinische Graben zwischen Basel und Frankfurt sowie die norddeutsche Tiefebene.
Es gibt im Prinzip dabei zwei Arten der Energiegewinnung:
Hydrothermale Geothermie
Bei dieser Art der Nutzung der Erdwärme wird ein narürlicherweise vorhandener heißer Wasserspeicher in der Tiefe angbohrt und das Wasser über Rohrleitungen nach oben befördert. Dort wird es wie beschrieben genutzt und anschließend zurückgeleitet. Dabei muss zwischen einer Oberflächennutzung (in wenigen m Tiefe) z.B. für Ein- oder Mehrfamilienhäuser und der Tiefenbohrung für größere Einheiten unterschieden werden. Bei der Oberflächennutzung wird das 9° bis 15° warme Grundwasser nach dem Prinzip eines Kühlschranks zur Wärmeerzeugung genutzt.
Petrothermale Geothermie (Hot-Dry-Hot-Rock-Verfahren)
Über Druckleitungen wird kaltes Wasser in der Tiefe durch trockenes und heißes Gestein gepresst. Dort verteilt sich das Wasser über Fugen und Risse - die es zudem noch weitet - und wird dabei erhitzt. Über ein Steigrohrleitungssystem wird der dabei erzeugte Dampf wie beschrieben verwendet. Das abgkühlte Wasser durchläuft dan den gleichen Kreislauf.
Gefahren
Es hat in der Umgebung derartiger Anlagen - z.B. in der Nähe von Basel - Erdbeben bis zur Stärke 3,4 auf der Richterskala gegeben. Außerdem führte Wasser, das möglicherweise in gips- oder anhydrithaltige Schichten eingedrungen war, zum Aufquellen dieser Schichten, was z.B. in der Stadt Staufen im Breisgau/Baden-Württemberg zu einem ständigen Anstieg des Bodens führte. Allerdings steht ein letzter Beweis der tatsächlichen Gründe für dieses Phänomen noch aus. Weiterhin können Gase - wie giftiger Schwefelwasserstoff (SH2) - in die Atmosphäre gelangen und die Gesundheit der Menschen beeinträchtigen. Ein weiterer Zwischenfall ereignete sich am 6. November auf dem Hof des Finanzministeriums in Wiesbaden, als man dort im Zuge der Energieversorgung eines Anbaus in ca. 130 m eine Wasserblase anstach. Daraufhin ergossen sich um 6.000 l Wasser pro Minute in die Wiesbadener Innenstadt und es dauerte eine ganze Weile, den Wasser-Ausstrom zu stoppen.
Kernkraftwerke
Die deutschen Kernkraftwerke erzeugten im Jahr 2014 insgesamt 97,120 Milliarden kWh (Kilowattstunden) Strom - bei einer Gesamtstromerzeugung von 614 Milliarden kWh.
Nach Inkrafttreten der Atomgesetznovelle vom 31.07.2011 - nicht zuletzt infolge des Reaktorunfalls von Fukushima in Japan - waren noch neun Kernkraftwerke in Betrieb.
Seit Beginn der Nutzung der Kernenergie zur Stromerzeugung im Jahr 1961 wurden in Deutschland bis zum Jahr 2014 rund 5.030 Milliarden kWh Strom erzeugt.
Im Jahr 2015 waren in Deutschland noch acht Kernkraftwerke in Betrieb. Bis zum Jahr 2022 sollen alle deutschen Kernkraftwerke vom Netzt gegangen sein.
Eine ausführliche Darstellung der Kernkraft bzw. der Kernkraftwerke finden Sie hier >>>
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