Das globale Ökosystem
Das Klima der Erde
Die von der Erde absorbierte Sonnenstrahlung ist
der wichtigste Faktor, der das "mittlere" Klima der Erde bestimmt.
Sie bestimmt – beeinflusst von Gasen in der Atmosphäre – nicht nur
die mittlere Temperatur der Erde und sorgt über die Verdunstung von
Wasser für Niederschläge, sondern bestimmt im Zusammenspiel mit (von
der Sonnenstrahlung angetriebenen) weltweit wirkenden Windsystemen
und Meeresströmungen, die die Wärme und Regenwolken über die Erde
verteilen, auch das lokale Klima. Wichtige Mitspieler in diesem
System sind auch Schnee und Eis, die Sonnenlicht besonders stark
reflektieren, und die Pflanzendecke, die Treibhausgase aus der
Atmosphäre bindet und den Wasserkreislauf reguliert.
Energiehaushalt der Erde:
Sonnenstrahlung (gelb) erwärmt die Erdatmosphäre und die
Erdoberfläche, sie wird als Wärmestrahlung (rot) wieder abgegeben.
Zahlenangaben 10-Jahres-Durchschnittswerte in Watt/m². Ein Teil der
Wärmestrahlung wird von Gasen in der Atmosphäre zur Erde
rückgestrahlt – die Atmosphäre wirkt daher als eine Art natürliches
“Treibhaus”. Abbildung NASA
(public domain), eigene Übersetzung.
Sonne, Treibhauseffekt und Strahlungsbilanz
Die treibende Kraft für alle Vorgänge, die das
Klima bestimmen, ist die Sonnenstrahlung (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 Durchschnittswert von 340,4 Watt pro
Quadratmeter. Knapp 30 Prozent dieser ankommenden Sonnenstrahlung
(99,9 Watt/m²) werden reflektiert (701)
– vor allem von den Wolken, aber auch von hellen Flächen auf der
Erdoberfläche, wie Schnee und Eis. Es bleiben 240,5 Watt/m² übrig,
die von der Atmosphäre und der Erdoberfläche (dazu zählt auch der
Ozean) aufgenommen werden und diese erwärmen. Diese Energie muss
wieder abgegeben werden, das erfolgt in Form von Wärmestrahlung.
Eine Abstrahlung von 240,5 Watt/m² entspricht einer mittleren
Temperatur der Erde von -18 Grad Celsius entsprechen (703);
tatsächlich beträgt die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche
aber 15 Grad Celsius. Verantwortlich hierfür ist der schon 1824 von
Jean Baptiste Fourier vermutete (705)
Treibhauseffekt: Einige Gase in der Atmosphäre
lassen wie die Glasscheiben eines Treibhauses die ankommende
(kurzwellige) Sonnenstrahlung weitgehend durch, halten aber die
(langwellige) Wärmeabstrahlung der Erde zurück, wodurch sie sich
erwärmen. Auch diese Gase strahlen die Wärme wieder ab. Die
Abstrahlung erfolgt in alle Richtungen; ein Teil gelangt also wieder
an die Erdoberfläche – in der Strahlungsbilanz der Erde ist diese
Wärme als “Rückstrahlung” aufgeführt (siehe Abbildung oben). Damit
kommt an der Erdoberfläche also mehr Strahlung an als ohne diese
Gase, nämlich die Sonnenstrahlung und die von der Atmosphäre
zurückgestrahlte Wärme; und daher ist die Erdoberfläche wärmer als
aufgrund der absorbierten Sonnenstrahlung zu erwarten wäre.
(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 Wärmespeicherung und
-verteilung durch die Ozeane) würde die Temperatur zudem je nach
Sonneneinstrahlung viel stärker schwanken: auf dem Mond schwankt die
Oberflächentemperatur um fast 300 Grad. (Auf anderen Planeten ist
der Treibhauseffekt viel größer als auf der Erde: An der Oberfläche
der Venus, die (aufgrund einer dichten Wolkenschicht) nur 130
Watt/m² Sonnenstrahlung empfängt, beträgt die mittlere Temperatur
460 Grad Celsius – Ursache ist eine zu 96 Prozent aus Kohlendioxid
bestehende Atmosphäre.)
Die Energiebilanz kann sich ändern
Die Energiebilanz der Erde 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 in die Atmosphäre bei Vulkanausbrüchen; und
drittens durch Änderungen der Konzentration an Treibhausgasen – etwa
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 Energiebilanz und die mittlere
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 mittlere 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:
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.
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.
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.
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.
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”,
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")
