Klimasystem & Ursachen

wesentliche Teile des Klimasystems

Die Erde steht in einem sensiblen Gleichgewicht zwischen eingehender Sonnenstrahlung, reflektierten und absorbierten Strahlungsanteilen und Umsetzung dieses solaren Strahlungsklimas in komplexen Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Land- und Wasseroberfläche sowie Biosphäre (vgl. Abbildung). Zusätzlich ist die Wärmespeicherung des Landes und noch mehr diejenige der Ozeane von wesentlicher Bedeutung. Gekoppelte Atmosphäre-Ozean-Klimamodelle versuchen diese Wechselwirkungen so akkurat wie möglich abzubilden und entsprechend das Klima der Erde für die letzten Jahrzehnte zu rekonstruieren (v.a. zum Abgleich mit beobachteten Messwerten und somit zur Validierung der Modelle) sowie vor allem künftige Klimaänderungen zu modellieren.

Entscheidend für die letztliche Verteilung von Temperatur, Niederschlag, Luftdruck, Wind, Luftfeuchtigkeit usw. auf unserem Planeten sind zunächst der Anteil der entweder direkt oder indirekt in Wärmestrahlung umgesetzten Sonnenenergie. Diese verteilt sich sehr ungleich auf der Erde und folgt im Wesentlichen den Erdbahnparametern sowie dem jahreszeitenabhängigen Sonnenstand. Darüber hinaus kommt die physikalische Dynamik der Erdatmosphäre dazu. Diese schlägt sich in verschiedenen Luftdruckgürteln nieder, die sich thermodynamisch auszugleichen trachten. Dieser Ausgleich kann jedoch durch das Kräfteverhältnis der wesentlich wirkenden physikalischen Kräfte (Coriolis-, Gradient- und Reibungskraft) nie vollständig sein. Das Ergebnis ist die sich permanent ändernde Verteilung von Hoch- und Tiefdruckgebieten sowie die daraus resultierenden Winde und Meeresströmungen. Ein wichtiger Faktor in diesem Geschehen ist auch die Wolkenbildung, die einerseits konvektiv,  durch vertikale Luftmassenbewegungen und andererseits advektiv, durch horizontale Luftmassenbewegungen bestimmt wird.

Wolken sind wiederum ein wesentlicher Faktor in der Strahlungsbilanz der Erde. Sie vermindern die direkte Sonneneinstrahlung und erhöhen die so genannte atmosphärische Gegenstrahlung (die bereits an der Erdoberfläche in Wärme umgesetzte Strahlung, die von den Wolken wieder zurück zur Erdoberfläche reflektiert wird). Dieser Mechanismus wird auch als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet.

Genau die Erhöhung der Gegenstrahlung ist auch das Hauptproblem bei dem vom Menschen verstärkten Treibhauseffekt (auch als anthropogener Treibhauseffekt bezeichnet): Neben Wasserdampf (u.a. in Wolken) sind die bekannten Treibhausgase (mengenmäßig v.a. Kohlendioxid [CO₂] und Methan [CH₄] neben Lachgas [N₂O], Schwefelhexafluorid [SF₆] und fluorierten Kohlenwasserstoffen) ebenfalls in der Lage, die atmosphärische Gegenstrahlung zu erhöhen. Dabei werden durch diese (auch Kyoto-Gase genannten) Treibhausgase die so genannten Infrarot-Fenster der Atmosphäre teilweise geschlossen, die es natürlicherweise erlauben, einen Anteil der wärmewirksamen Infrarotstrahlung wieder in das Weltall zu transmittieren. Die Kyoto-Gase sind allesamt durch menschliche Aktivitäten (Verbrennung fossiler Rohstoffe, Rodung, Düngung usw.) in der Atmosphäre massiv konzentriert worden.

Der Mensch nimmt jedoch nicht nur durch die Emission von Treibhausgasen wesentlichen Einfluss auf das Erdklima: Durch die Umgestaltung der Erdoberfläche können zum einen die Strahlungsbilanzen (Reflexion, Absorption) und auch der Wasserhaushalt stark beeinflusst werden. Beispiele hierfür sind etwa Versiegelung von Landoberflächen durch Siedlungen oder sonstige Infrastrukturen. Dadurch wird die natürliche Verdunstung von der Erdoberfläche (Evaporation) bzw. von Pflanzen (Transpiration) etwa in Städten stark reduziert, weshalb städtische Luftmassen (bei geringem Austausch) meist weitaus trockener sind als die Luftmassen der Umgebung. In urbanen Räumen kann somit über den Verbau von Frischluftschneisen etwa die nächtliche Abkühlung an heißen Sommertagen und ggf. auch die Luftqualität verschlechtert werden.

Ausgedehnte Rodungen im tropischen Regenwald haben sowohl globale als auch regionale Folgen. Regional wird der so genannte „Kleine Wasserkreislauf“ unterbrochen. Dieser speist sich v.a. aus der Transpiration von der Vegetationsoberfläche (die im Regenwald besonders groß ist). Erfolgt hier nun großräumiger Einschlag kommt es in direkter Folge meist zu starkem Niederschlagsrückgang bis hin zur Versteppung ganzer Regionen. Im globalen Maßstab wirkt der Regenwald als Senke für Kohlendioxid. Mit dessen Abholzung bzw. Brandrodung sowie der Degradierung zu Ackerland bzw. Sekundärwald werden sowohl direkt als auch indirekt enorme Mengen an Kohlendioxid frei und der Treibhauseffekt somit verstärkt.