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Das globale Ökosystem

Hintergrundinformationen

Das Klima, ein komplexes System

Das Klima entsteht im Großen aus den Wechselwirkungen der Sonnenstrahlung mit der Atmosphäre und der Erdoberfläche, aber die zahlreichen Wechselwirkungen machen das Bild im Detail sehr komplex. Die Klimaforschung versucht heute, mit ebenso komplexen, gekoppelten Atmosphären-, Ozean-, Eis- und Biosphären-Modellen diese Wechselwirkungen zu verstehen.

Komponenten des Klimasystems und ihre Wechselwirkungen

Komponenten des Klimasystems und ihre Wechselwirkungen. Abb. aus >> UN-Klimabericht 2007, eigene Übersetzung.

Das Verständnis der Wechselwirkungen und Rückkoppelungen des Klimasystems sind heute von besonderem Interesse, da sie die Voraussetzung für richtige Vorhersagen zum Umfang und den möglichen Folgen des >> Klimawandels sind - entsprechend intensiv wird das Klimasystem gegenwärtig erforscht. Die wichtigsten Wechselwirkungen sind in der Abbildung oben zusammengefasst: Änderungen der Einstrahlung verändern die Gesamtmenge an Sonnenstrahlung, die an der äußeren Atmosphäre ankommt; Änderungen in der Atmosphäre können den Anteil der reflektierten/zur Erdoberfläche durchgelassenen Strahlung verändern; und diese Änderungen können wiederum selbst beispielsweise durch geologische Ereignisse wie Vulkanausbrüche (Freisetzung von Aerosolen) oder Gebirgsentstehung (Veränderung der Zirkulation in der Atmosphäre, >> Beispiel) oder durch menschliche Einflüsse wie Veränderungen der Vegetation oder Emission von Aerosolen in die Luft verursacht werden. Die Veränderung der Vegetation kann auch die Reflektion der Erdoberfläche verändern (dunkle Wälder etwa absorbieren mehr Sonnenlicht als Weide- und Ackerland); ebenso wirkt die Änderung der Ausdehnung von Eis- und Schneedecken. Diese reflektieren zum Beispiel bis zu 90 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung und beeinflussen damit insbesondere die Strahlungsbilanz der hohen Breiten und der hohen Gebirge. (Dieses Rückstrahlvermögen wird Albedo genannt, >> mehr.) Die Pflanzendecke verändert auch die Verdunstung und kann damit die Regenbildung fördern - tropische Regenwälder erzeugen einen großen Teil der über ihnen niedergehenden Regenfälle selbst. Pflanzen beeinflussen auch den Treibhauseffekt, indem sie das Treibhausgas Kohlendioxid aufnehmen und einen Teil davon in dauerhafte Strukturen (wie Holz) einbauen - und so der Atmosphäre entziehen.

Ebenso komplex sind die Wechselbeziehungen mit dem Ozean: Geologische Ereignisse können Meeresströmungen verändern und damit die Wärmeverteilung über die Erde verändern: So entstand etwa das “globale Förderband” (>> hier) erst vor drei bis vier Millionen Jahren, als Nord- und Südamerika sich verbanden - und einen warmen Ost-West-Meeresstrom unterbrachen. (Wobei sie gleichzeitig die Eiszeiten auslösten; >> mehr). In die Atmosphäre freigesetzte Stoffe werden in die Ozeane eingetragen und verändern die Chemie des Wassers und die Produktivität von Lebewesen; umgekehrt setzt das Phytoplankton in den Weltmeeren Dimethylsulfid (DMS) frei, das in der Atmosphäre zu Schwefelsäure oxidiert wird und damit zum Kondensationskeim für die Wolkenbildung wird. (Dies ist einer der Regelkreise, mit denen nach Lovelocks GAIA-Theorie (>> mehr) das Leben zu einer Stabilisierung der Erdtemperatur führt: Wolkenbildung reduziert die Sonneneinstrahlung, die Aktivität des Phytoplanktons geht zurück, wodurch weniger DMS freigesetzt wird und weniger Wolken gebildet werden und die Sonnenstrahlung wieder zunimmt.)

Und, und, und ... Manche von diesen Wechselwirkungen verstärken sich selbst: So führt eine ansteigende Temperatur beispielsweise zu mehr Wasserdampf in der Luft. Wasserdampf verstärkt die Wirkung des Kohlendioxids (>> hier) - kann aber in Form von Wolken auch Sonnenstrahlung reflektieren und damit abkühlend wirken. Solche Rückkoppelungen gibt es viele, sie können die Erwärmung verstärken oder das Klima abkühlen. Die wichtigsten sind:

  • Albedo: Weiße Flächen reflektieren mehr Licht als dunkle Flächen - wenn also Gletscher und das arktische Eis schmelzen, wird weniger Licht reflektiert und die Erde heizt sich stärker auf, was wiederum das Abschmelzen von Schnee und Eis beschleunigt.

  • Ozeane: Kaltes Wasser kann mehr Kohlendioxid speichern als warmes Wasser. Die Erwärmung der Ozeane führt daher dazu, dass weniger Kohlendioxid aufgenommen wird - also mehr Kohlendioxid in der Luft verbleibt, wo es zur Erwärmung führt (>> mehr).

  •  Boden: Die Mikroorganismen im Boden setzen Kohlendioxid frei. Die Erwärmung der Erde führt zu gesteigerter Aktivität dieser Mikroorganismen, die dann mehr Kohlendioxid freisetzen. Außerdem tauen bei zunehmender Temperatur Dauerfrostböden, aus denen dann große Mengen des Treibhausgases Methan freigesetzt werden.

  • Wolken: Wolken können sowohl Sonnen- als auch Wärmestrahlung reflektieren; im ersten Fall wirken sie abkühlend, im zweiten erwärmend. Welche Wirkung in der Summe überwiegt, ist umstritten.

Ein anderes Beispiel für das komplexe Zusammenspiel verschiedener Faktoren ist das Ergrünen der Sahara am Ende der Eiszeiten. Dass die Sahara einst keine Wüste war, ist seit langem bekannt: Riesige unterirdische Grundwasservorkommen, Fischskelette und Felszeichnungen sind gar nicht anders zu erklären. Der Klimatologe Martin Claußen konnte zeigen, dass die vorrückende Vegetation weniger Sonnenlicht reflektierte, und veränderte Luftströmungen Regenwolken vom Atlantik heranführte: Dieser Rückkoppelungseffekt führte dazu, dass die Sahara zu einem Lebensraum für Tiere und Pflanzen wurde. Als die Niederschläge später ausblieben (nach manchen Theorien in der Folge der Hebung des Plateaus von Tibet, >> mehr), eroberte die Wüste die Sahara zurück.

Aber geologische Ereignisse können auch kurzfristigere Auswirkungen auf das Klima haben: Etwa bei Vulkanausbrüchen, die über die ganze Erde spürbar sein können: Der Ausbruch des Pinatubo auf den Philippinen im Jahr 1991 führte durch die Aerosolfreisetzungen auf der Nordhalbkugel der Erde zu einem Temperaturrückgang um 0,5 Grad Celsius.

Klimamodelle aus den UN-Klimareports 1990 bis 2007
 
Die Abbildung zeigt die Verbesserung der Klimamodelle, die in den UN-Klimareports verwendet wurden. Abbildung: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Fig. 1.4

 

Um die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten, etwa die zukünftiger Kohlendioxid-Emissionen, auf das Klima berechnen zu können, arbeiten Klimaforscher mit Modellrechnungen. Die zugrundeliegenden Klimamodelle sollen all diese Wechselwirkungen und Rückkoppelungen möglichst genau abbilden. Dazu werden mathematische Modelle der Atmosphäre, der Ozeane, der Schnee- und Eisdecken und der Biosphäre miteinander gekoppelt. Die Modelle werden getestet, indem Daten vergangener Zeiten eingegeben werden; die Modelle müssen die davon ausgelösten Klimaveränderungen richtig wiedergeben. Dabei gilt generell, dass die Modelle umso besser sind, je detaillierter die Erde in ihnen abgebildet ist. Leider gilt aber auch: Je mehr Details, desto mehr Rechenkapazität wird benötigt, und desto länger dauert es, bis Ergebnisse vorliegen. Klimamodelle sind so komplex, dass sie alle Computer an ihre Leistungsgrenze bringen; insofern sind die verwendeten Modelle immer so detailliert, wie die aktuelle Computertechnik erlaubt. Den Fortschritt zeigt die Abbildung rechts, die die Modelle, die für den ersten, zweiten, dritten und vierten >> UN-Klimareport verwendet wurden, darstellt - die dargestellte Auflösung gilt für kurzfristige Projektionen, für langfristige werden gröbere Raster verwendet.

Da in den Modellen immer Annahmen stecken (eine detaillierte Erfassung der Wolkenbildung etwa überfordert alle heute verfügbaren Computer bei weitem), werden jeweils verschiedene Modelle mit den gleichen Daten “gefüttert” (für den jüngsten UN-Klimareport waren es 23 verschiedene Modelle); und nur Daten, die bei allen Modellen gleich sind, gelten als “robust” (zuverlässig).

Die Ergebnisse der Klimamodelle bestimmen ganz wesentlich die Diskussion um mögliche Folgen der menschlichen Einwirkungen auf das Klima; sie sind aber nicht als Vorhersagen misszuverstehen: Sie berechnen, was passiert, wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind, etwa die angenommenen Kohlendioxid-Emissionen tatsächlich eintreten. Kritiker dieses Vorgehens weisen auf die Ähnlichkeiten zu den Modellen hin, mit denen das Wetter vorhergesagt wird und auf die bekannte Unzuverlässigkeit von Wettervorhersagen. Das Wetter ist aber von unvorhersagbaren, “chaotischen” Zufällen abhängig, die sich langfristig gegenseitig aufheben: Klimaänderungen sind daher, so paradox es klingt, viel besser vorhersagbar als das Wetter der nächsten Tage. Die Genauigkeit, mit der sich vergangenes Klima inzwischen mit den Modellen abbilden lässt, stärkt das Vertrauen der Klimaforscher in die grundsätzliche Zuverlässigkeit der Modelle - sie wissen aber auch, dass detailgenaue regionale Ergebnisse aufgrund der immer noch zu geringen Detaillierung im Augenblick noch schwierig sind.

Die Änderungen des Erdklimas in der Vergangenheit stellt die Seite >> Klimageschichte genauer dar; zu den menschlichen Einflüssen auf das Klima finden Sie mehr auf den Seiten zum >> Klimawandel.

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>> Klimageschichte
>> Der Klimawandel
>> Strategien gegen die Klimawandel

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