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Das globale Ökosystem

Das Klima der Erde

Die Auswirkung der Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche - Festland und Ozean - und die davon ausgelösten Wechselwirkungen bestimmen das Klima der Erde. Zu diesen Wechselwirkungen gehören das Festhalten der Wärme durch die Atmosphäre; weltweit wirkende Windsysteme und Meeresströmungen, die diese Wärme über die Erde verteilen; aber auch die Auswirkungen von Schnee und Eis, die Sonnenlicht besonders stark reflektieren, und der Pflanzendecke, die Treibhausgase bindet und den Wasserkreislauf reguliert.

Grafik der Strahlungsbilanz der Erde

Die Strahlungsbilanz der Erde: Sonnenstrahlung (gelb) erwärmt die Erdatmosphäre
und die Erdoberfläche, sie wird als Wärmestrahlung (rot) wieder abgegeben; ein
Teil der Wärmestrahlung wird von Gasen in der Atmosphäre zur Erde rückgestrahlt -
die Atmosphäre wirkt daher als eine Art natürliches “Treibhaus”. Eigene Abbildung,
Zahlenangaben nach >> UN-Klimabericht 2007.

Sonne, Treibhauseffekt und Strahlungsbilanz

Die treibende Kraft für alle Vorgänge, die das Klima bestimmen, ist die Strahlung der Sonne (>> mehr); auf einem der Sonne zugewandten Quadratmeter an der äußeren Grenze der Erdatmosphäre kommen 1366 Watt an; über die gesamte Erde verteilt ergibt sich ein Durchschnittwert von 342 Watt pro Quadratmeter. Knapp 30 Prozent dieser ankommenden Sonnenstrahlung (107 Watt/m²) werden reflektiert (701) – vor allem von den Wolken, aber auch von hellen Flächen auf der Erdoberfläche, wie Schnee und Eis. Es bleiben 235 Watt/m² übrig, die von der Atmosphäre und der Erdoberfläche einschließlich des Ozeans aufgenommen werden und diese erwärmen. Dieser Strahlungsmenge würde rechnerisch eine mittlere Temperatur der Erde von -18 Grad Celsius entsprechen (siehe auch >> hier); tatsächlich beträgt die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche aber 15 Grad Celsius. Verantwortlich hierfür ist der schon 1827 von Joseph Fourier entdeckte (>> hier) Treibhauseffekt: Einige Gase in der Atmosphäre lassen wie die Glasscheiben eines Treibhauses die ankommende (kurzwellige) Sonnenstrahlung weitgehend durch, halten aber die (langwellige) Wärmestrahlung der Erde zurück, wodurch sie sich erwärmen und Wärme zur Erde zurückstrahlen - in der Strahlungsbilanz der Erde ist diese Wärme als “Rückstrahlung” aufgeführt (siehe Abbildung oben). (Oberhalb der Treibhausgase beträgt die Temperatur übrigens tatsächlich die errechneten -18 °C; die thermodynamische Rechnung geht also für die Erde insgesamt auf.)

Zu den wichtigsten natürlichen Treibhausgasen gehören Wasserdampf mit einem Anteil von 60 Prozent am Treibhauseffekt, Kohlendioxid mit einem Anteil von 25 Prozent und Ozon mit einem Anteil von 8 Prozent; den Rest verursachen Spurengase wie Methan und Stickstoffoxide (heute kommen die vom Menschen freigesetzten Treibhausgase dazu; mehr zu Treibhausgasen >> hier). Der natürliche Treibhauseffekt ist eine Voraussetzung für das Leben: Bei minus 18 Grad Celsius wäre Wasser gefroren; Leben würde es mindestens in der uns bekannten Form nicht geben. Ohne die Wärmeregulierung durch die Atmosphäre (und die Ozeane) würde die Temperatur zudem je nach Sonneneinstrahlung viel stärker schwanken (auf dem Mond schwankt die Oberflächentemperatur um fast 300 Grad).

Die Strahlungsbilanz kann sich ändern

Die Strahlungsbilanz kann durch drei Faktoren verändert werden: Erstens durch Änderungen der ankommenden Strahlungsmenge - etwa durch Änderungen in der Sonne selbst oder durch Änderungen der Erdumlaufbahn; zweitens durch Änderungen der Reflektion - zum Beispiel durch die Freisetzung von Aerosolpartikeln bei Vulkanausbrüchen; und drittens durch Änderungen der Konzentration an Treibhausgasen - etwa eine Erhöhung durch die Freisetzung von Kohlendioxid bei Vulkanausbrüchen. Wie die Untersuchung der >> Klimageschichte zeigt, haben sich im Laufe der Erdgeschichte alle drei Faktoren und damit die Strahlungsbilanz und die Temperatur der Erde verändert. Dennoch ist die Temperatur immer in einem Bereich geblieben, der flüssiges Wasser vorkommen ließ - sonst wäre das Leben ausgestorben. Auch wenn es einige Male vermutlich knapp war, angesichts der erheblichen Änderungen der Strahlungsbilanz in der Erdgeschichte ist diese relative Konstanz des Klimas bemerkenswert.

Stichwort: Klima

Klima ist das durchschnittliche Wetter einer Region - mit durchschnittlich meint man das Mittel eines langen Zeitraums - meist wird ein Zeitraum von 30 Jahren verwendet. (Das Wetter ist im Gegensatz dazu eine kurzlebige Angelegenheit, es kann sich bekanntlich innerhalb von Minuten ändern.) Beschrieben wird das Klima wie das Wetter: Wichtig sind vor allem Temperatur und Niederschlagsmenge, und da sich diese in vielen Regionen der Erde im Laufe eines Jahres ändern, stellt man oft den charakteristischen Jahresverlauf dar - das Ergebnis wird Klimadiagramm genannt (Beispiele finden sich zum Beispiel in wikipedia, Stichwort “Klimadiagramm”).

Die Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche

Die Strahlungsbilanz kann zwar die durchschnittliche Temperatur der Erde erklären, aber nicht das jeweilige Klima einer Region: Da die Erde eine Kugel ist, verteilt sich die Sonnenstrahlung ja ungleich auf ihrer Oberfläche: Am Äquator trifft die Sonnenstrahlung senkrecht auf, weiter nach Norden oder Süden immer flacher. Dadurch wird zum einen die Strahlungsenergie auf eine größere Fläche verteilt (erkennbar am polwärts größer werdenden Schatten), zum anderen ist der Weg durch die Atmosphäre länger, in der Energie absorbiert und reflektiert wird:

Grafik, die die Veränderung der Sonnenstrahlung an der Erdorberfläche polwärts darstellt

Die Sonnenstrahlung trifft aus einer Richtung auf die Erde, daher wird zu
den Polen hin der Einfallswinkel flacher: Der Weg durch die Atmosphäre wird
länger und die Strahlung verteilt sich auf eine größere Fläche (zur
Verdeutlichung ist die Atmosphäre übergroß dargestellt). Eigene Abbildung.

Die Strahlung an der Erdoberfläche ändert sich also zum einen mit der geographischen Breite; sie ist am höchsten am Äquator und nimmt zu den Polen hin ab. Zum anderen beeinflussen aber auch Wolken und die Farbe der Oberfläche die Menge der absorbierten Sonnenstrahlung. Wasser reflektiert sehr wenig senkrecht einfallendes Licht, am meisten Energie wird daher in tropischen Meeren aufgenommen; in polnahen Regionen, wo das Licht ohnehin schon schräg einfällt, wird zudem ein großer Teil von Eis und Schnee reflektiert.

Grafik, die die Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche darstellt

Sonneneinstrahlung an der Oberfläche der Erde. Abbildung auf Basis von
>> NASA Earth Observatory Daten; Quelle: Encyclopedia of Earth, Lizenz: >> CC

Die latente Wärme im Wasserdampf

Die eingestrahlte Energie erwärmt nicht nur die Erdoberfläche, sondern lässt auch Wasser verdunsten: 90 Prozent des Wasser in der Atmosphäre sind aus Ozeanen, Flüssen und Seen verdunstet (>> Der Wasserkreislauf der Erde). Um ein Gramm Wasser zu verdunsten, sind 2,45 kJ Energie nötig; diese Energie ist in dem Wasserdampf als sogenannte “latente Wärme” gespeichert. Sie wird bei der Kondensation des Wasserdampfs - also wenn sich Regentropfen bilden - wieder frei. Da die Einstrahlung am Äquator am stärksten ist, sind auch Erwärmung und Verdunstung dort am stärksten. Warme Luft aber dehnt sich aus, ist daher weniger dicht und steigt auf (und führt daher Wärme von der Erdoberfläche ab, die “Konvektion” in der Strahlungsbilanz der Erde). In der Höhe kühlt diese Luft sich ab, der Wasserdampf kondensiert, und starke (tropische) Regenfälle sind eine Folge: Dieser Bereich täglicher, starker Regenfälle wird innertropische Konvergenzzone genannt. Ein Teil der feuchten Luft wird aber von den Winden auch polwärts getragen, und trägt damit zum Wärmetransport bei.

Planet der Winde

Der durch den Aufstieg warmer Luft in Bodennähe entstehende Unterdruck zieht dort Luft aus Regionen mit höherem Luftdruck an, und dahin fließt dann die Äquatorluft nach - bis sie soweit abgekühlt ist, dass sie wieder absinkt: So entsteht eines der globalen Zirkulationssysteme, die Hadley-Zelle (siehe Abbildung). Das Ergebnis für das Klima: mit diesen Luftströmungen wird Wärme vom Äquator in Richtung der Pole transportiert.

Grafische Darstellung der Hadley-Zelle, eines globalen Windsystems

Schematische Darstellung der Entstehung der Hadley-Zelle. Die blauen Pfeile
stellen die Fließrichtung der Luft dar. Eigene Abbildung.

An der Erdoberfläche haben die Luftströmungen der Hadley-Zelle einen bekannteren Namen: Es sind die Passatwinde. Da diese zudem durch die Rotation der Erde nach rechts abgelenkt werden, werden der Nordostpassat auf der Nordhalbkugel und der Südostpassat auf der Südhalbkugel unterschieden (siehe Abbildung unten). An den Polen findet das gleiche mit umgekehrten Vorzeichen statt: Kalte Luft sinkt über den Polen ab und drängt nach Süden, bis sie soweit erwärmt ist, dass sie aufsteigt. Dadurch entstehen die Polarzellen, Auslöser der polaren Ostwinde. Und zwischen den beiden Systemen liegen als drittes, gegenläufiges die “Ferrel-Zellen” (deren Entstehung oft Reaktion auf die anderen Zellen, wie die Laufrichtung eines Zahnrades, beschrieben wird), für sie sind in Bodennähe Westwinde charakteristisch.

Grafik der Windsysteme der Erde

Die großen Zirkulationssysteme der Erde. Übersetzte Abbildung der NASA (http://sealevel.jpl.nasa.gov/overview/climate-climatic.html).

Die “Ferrel-Zellen” sind eigentlich keine Zellen; die Westwinde sind viel stürmischer und unstetiger als die Passatwinde und die polaren Ostwinde; sie sind eher ein Durcheinander von Stürmen und Wettersystemen, die von den beiderseits der Westwindzone in der Höhe wehenden Jetstreams (>> mehr) um die Welt gelenkt werden.

Die Windsysteme tragen entscheidend zur Verteilung der Wärme der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche bei und mildern damit die Unterschiede der Sonneneinstrahlung ab. Die Winde verteilen auch die verdunstete Feuchtigkeit und damit die latente Wärme über die Erdoberfläche; und sie bestimmen auch die Niederschläge und damit die Verfügbarkeit von Wasser. Niederschläge setzen die bei der Verdunstung gespeicherte “latente Wärme” frei und spielen daher auch eine Rolle beim Wärmetransport bei - ohne die Windsysteme wären die Tropen im Schnitt 14 Grad wärmer und die Polarregionen 25 Grad kälter als heute. Die Entstehung der Niederschläge wird auch von der Ausprägung der Erdoberfläche beeinflusst: Wo sich Gebirge den Winden in den Weg stellen, steigt die Luft auf und regnet ab; im Regenschatten der Gebirge bilden sich dagegen oft Wüsten.

Der Ozean und das Erdklima

Der Ozean enthält schon in den oberen, sonnendurchfluteten drei Metern genauso viel Wärme wie die gesamte Atmosphäre (710). Wegen der hohen Wärmekapazität von Wasser haben die Meere eine ausgleichende Wirkung auf das Klima - sie schwächen die Temperaturunterschiede zwischen Winter und Sommer ab (weil dieser Ausgleich fehlt, sind die Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter im Inneren der Kontinente so viel größer sind als an den Küsten). Die Wärme des Meerwassers wird von Strömungssystemen über die Erde verteilt - die Wärmeverteilung durch die Winde macht etwa 80 Prozent der gesamten Wärmeverteilung aus, die restlichen 20 Prozent werden durch den Ozean verteilt. Auch hier spielt der Wind eine Rolle: Er treibt die Oberflächenzirkulation an. Durch die vorherrschenden Windrichtungen und die ablenkende Kraft der Erdrotation entstehen in den großen Ozeanbecken runde Wirbel, die warmes Wasser vom Äquator weg und kaltes Wasser zum Äquator hin bringen.

Zeichnung der Meeresströmungen an der Oberfläche der Weltmeere

Die Oberflächenzirkulation der Weltmeere (blau: kalte Strömungen, rot: warme Strömungen).
Eigene Abbildung.

Diese Strömungen stehen in Verbindung mit einem zum Teil in der Meerestiefe verlaufenden Strömungssystem, das die ganze Erde umspannt: Auf deren Spur kam Benjamin Franklin, einer der späteren Gründerväter der USA, der sich als Deputy Postmaster für die britischen Kolonien fragte, warum Schiffe länger von London nach New York brauchten als für die Gegenrichtung und 1770 eine Karte des Golfstroms veröffentlichte: eine warme Meeresströmung, die aus dem Golf von Mexiko kommend über die Straße von Florida entlang der Ostküste der USA verläuft und diese wärmt. Durch Westwinde und die Erddrehung sowie den kalten Labradorstrom abgelenkt biegt der Strom dann vor der Küste von South Carolina aufs offene Meer ab und fließt Richtung Europa, wo er sich mit dem “Nordatlantikstrom” vereint. Der Golfstrom bringt riesige Wärmemengen (man schätzt: 1,3 Milliarden Megawatt) aus den Tropen nach Norden. Ohne ihn wäre das Klima in Mitteleuropa erheblich kälter und mit dem auf gleicher Breite liegenden Neufundland vergleichbar. So aber können in Schottland die nördlichsten Palmen der Erde wachsen.

Das weitere Schicksal des Golfstroms entdeckte Franklins 1791 zum Count Rumford ernannter Landmann Benjamin Thompson. Er vermutete, dass das Wasser, wenn es im Norden durch die kalten Winde abgekühlt wird, durch seine zunehmende Dichte in die Tiefe absinken und sich am Meeresboden ausbreiten würde. Die Vermutung erwies sich als richtig; sie wird heute thermohaline Zirkulation genannt, da sie neben der Temperatur auch durch Unterschiede im Salzgehalt angetrieben wird: da das warme Wasser durch die Winde im Norden schneller verdunstet, nimmt sein Salzgehalt (und damit auch seine Dichte) zu, und das absinkende, kalte Wasser zieht Oberflächenwasser nach - das ist neben dem Wind die zweite Energiequelle des Strömungssystems. Heute wissen wir, dass es Teil eines als “globales Förderband” bezeichneten, erdumspannenden Strömungssystems ist.

Das Globale Förderband, die wichtigste Tiefseeströmung

Das “globale Förderband”, das wichtigste erdumfassende Strömungssystem (blau: Tiefenströmungen,
rot: Oberflächenströmungen). Die gelben Punkte markieren die Orte des Absinkens kalten Wassers.
Eigene Abbildung.

Das Förderband wird unter anderem durch Passatwinde angetrieben, die Oberflächenwasser von Westafrika nach Amerika schieben. Dort gelangen sie in den Golf von Mexiko, wo der “Golfstrom” entsteht. Im Europäischen Nordmeer ist das Wasser dann durch Verdunstung so salzig und so kalt geworden, dass es - wie oben dargestellt - aufgrund seiner Dichte absinkt und einen Sog für nachfließendes Oberflächenwasser erzeugt. Wasser sinkt zudem auch in der Labradorsee ab. Aufgrund der weltweiten Verbreitung radioaktiver Stoffe durch >> Atombombentests in den 1960er Jahren konnte damals die Sinkgeschwindigkeit gemessen werden: Im Norden versinken jede Sekunde 15,5 Millionen Kubikmeter Wasser (das ist das 80-fache der Wassermenge des Amazonas, des größten Süßwasserflusses). Als Tiefseeströmung gelangt das Wasser wieder zurück in den Südatlantik, wo es sich mit absinkendem Wasser aus der Antarktis vermischt. In der Antarktis sinkt Wasser ab, weil sich beim Gefrieren Süßwasser und Salzwasser trennen, so dass der Salzgehalt zunimmt - dieser Vorgang wird Tiefenwasserbildung genannt. Diese findet hauptsächlich im Weddell-und Rossmeer statt (gelbe Punkte in der Abbildung oben); in der Antarktis werden 21 Millionen Kubikmeter Wasser pro Sekunde in die Tiefe transportiert. (In der Summe versinken also rund das 190-fache der Wassermenge des Amazonas; trotz dieser gewaltigen Menge würde es rechnerisch aber 1.200 Jahre dauern, bis das gesamte Meereswasser einmal mit dem globalen Förderband umgewälzt wäre.)

Damit der Kreislauf von neuem beginnen kann, muss das kalte Wasser wieder aufsteigen: Zum Teil geschieht dies in den Tropen durch eine sanfte Durchmischung, zum Teil durch vom Wind verstärkte Aufwärtsströmungen an den östlichen Rändern der Ozeane, etwa vor der amerikanischen Westküste und vor Westafrika. (Da diese Aufwärtsströmungen Nährstoffe vom Meeresboden an die Wasseroberfläche bringen, entstehen hier reiche Fischgründe - die zum Teil heute jedoch durch >> Überfischung zerstört sind.)

Wie die Erforschung der >> Klimageschichte zeigt, haben die Meeresströmungen das Klima mehrfach tief greifend beeinflusst; heute gilt eine Beeinflussen des globalen Förderbands durch den >> Klimawandel (etwa durch eine Verringerung der thermohalinen Zirkulation infolge abnehmenden Salzgehaltes in den Polregionen durch tauendes Eis und zunehmende Wassertemperatur) als möglicher Kippelement, das die Klimaforscher beunruhigt. Im Vergleich zur Atmosphäre ist der Einfluss des Ozeans auf das Klima aber noch wenig verstanden. So gibt es sowohl im Atlantik als auch im Pazifik periodische Temperaturschwankungen, deren Zusammenhang mit den Meeresströmungen und deren Einfluss auf das Klima gerade erst untersucht werden.

El Niño - wie das Klima schwanken kann

Wie dynamisch das Klima der Erde ist, zeigt eines der wichtigsten Klimaphänomene mit globalen Auswikungen - El Niño, “das (Christ-)Kind”. So nennen die Bewohner der peruanischen Küstenregion einen unregelmäßig alle paar Jahre im Dezember auftretenden Warmwasserstrom, der ihnen den Fischfang verdirbt, aber der üblicherweise trockenen Küstenregion Regen bringt. Heute weiß man, dass er zu einem El Niño - Südliche Oszillation (ENSO) genannten Klimasystem gehört, das weltweite Auswirkungen hat. In normalen Jahren treiben die Winde des Südostpassats warmes Oberflächenwasser von Südamerika bis vor die Küsten Südostasiens; vor der Küste Südamerikas steigt dann kaltes, nährstoffreiches Meereswasser auf. Dieses ernährt die Fischschwärme, von denen die Fischer leben, verursacht aber auch die Trockenheit der Küstenregion, da kaltes Wasser weniger leicht verdunstet und daher kaum Regen bildet. Das in den Westpazifik getriebene warme Wasser bildet dagegen die Basis der Monsunregen in Südasien.

Aus noch unbekannten Gründen schwächen die Winde sich aber gelegentlich ab; dann verhindert warmes Oberflächenwasser das Aufsteigen des kalten Tiefenwassers - El Niño ist da. In solchen Jahren fallen die Monsunregen in Südasien schwächer aus; dort fehlt das warme Wasser. Aufgrund verschobener Windsysteme in großen Höhen beeinflusst El Niño, wie man heute weiß, das Klima weltweit - er bringt typischerweise auch Trockenheit im Nordosten Brasiliens und feuchte Sommer in der USA mit sich. Nach den Klimamodellen könnten El Niño-Ereignisse durch den vom Menschen verursachten >> Klimawandel in Zukunft häufiger werden.

Die Klimazonen der Erde

Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen, die von der Lage auf dem Breitengrad abhängen, der unterschiedlichen Niederschläge und der Höhenlage kann man verschiedene Klimazonen auf der Erde unterscheiden - so unterscheidet etwa die gebräuchliche Klassifikation des Deutschrussen Wladimir Köppen tropische Regenklimate, Trockenklimate, warmgemäßigte Regenklimate, boreale Klimate (Schnee-Wald-Klimate), polare Klimate und Höhenklimate. Sonneneinstrahlung und Verfügbarkeit von Wasser bestimmen wesentlich die Pflanzendecke und damit die Lebensräume der Erde (siehe >> Die Lebensräume des Festlands).

Siehe zum Thema auch:
Hintergrund: >> Das Klima - ein komplexes System
>> Die Klimageschichte der Erde
>> Der Klimawandel

Weiter mit:
>> Lebensraum Ozean

>> Übersicht (Seiten zum Thema "Das globale Ökosystem Erde")

© Jürgen Paeger 2006 - 2014

Die Strahlungsbilanz geht auf die Gesetze der Thermodynamik zurück: Ein Körper mit gleichbleibender Temperatur muss genauso viel Energie abstrahlen wie er aufnimmt.

Der Treibhauseffekt ist im Zuge des >> Klimawandels allgemein bekannt geworden und wird von manchen “Skeptikern” schlicht bestritten: Tatsächlich ist er seit dem frühen 19. Jahrhundert bekannt  und stellt eine physikalische Tatsache dar. Er ist auch keinesfalls “schlecht” (siehe Text links). Ursache des Klimawandels ist die vom Menschen verursachte Verstärkung des Treibhauseffektes (>> mehr).