Das Klimasystem

ein Beitrag zum ESPERE Wettbewerb 2003 von Sina Frank (17 J.) aus Pforzheim.

Aufgabe war es, das Klimasystem in einem bis zu 10-seitigen Text zu beschreiben und bildlich darzustellen. Der hier veröffentlichte Beitrag stellt bis auf kleine Korrekturen die Originalarbeit von Sina Frank dar. Einzelne Mißverständnisse wurden im Text belassen und separat kommentiert, da es sich in fast allen Fällen um verbreitete Verständnisprobleme handelt, deren Klärung in den Medien und Literatur zum Thema nicht immer gelingt.

Klimasystem

Das Klimasystem ist ein komplexes System aus verschiedenen Untersystemen (Subsystemen). Diese sind die Atmosphäre, die Hydrosphäre, die Biosphäre, die Kryosphäre, die Lithosphäre und die Pedosphäre.
Die Hydrosphäre ist die Wasserhülle der Erde ( Ozeane, Binnenseen, Flüsse, Grundwasser). Sie liefert durch Verdunstung den Wasserdampf für die Atmosphäre, aus dem sich später  Wolken bilden (Kondensation).
Dieser geht dann wieder in Form von Regen oder Schnee auf die Erde nieder. Wasser ist zusätzlich noch ein sehr guter Wärmespeicher, die Wärme kann viel länger gespeichert werden als im Boden. Aus diesen Gründen sind die Ozeane riesige Energiespeicher (Reservoire).
Die Kryosphäre ist die Eis- und Schneeschicht der Erde. In dieser sind große Wassermengen gespeichert, vor allem in den großen "Eiswüsten" der Arktis und der Antarktis. Diese Wassermengen beeinflussen den Wasserhaushalt der Erde stark.

Kommentar (Ergänzung Wasserhaushalt): Der atmosphärische Wasserhaushalt wird wenig über die arktischen Eisschilde bestimmt, über denen die Verdunstung aufgrund der niedrigen Temperatur und Oberfläche recht gering ist. Die meiste Verdunstung erfolgt in den Tropen. Die Pflanzenwelt (Biosphäre) hat hieran aufgrund der großen Blattoberfläche der Bäume und Sträucher einen erheblichen Anteil. Wir spüren dies z.B. wenn wir durch Grünzonen in der Stadt gehen, wo es stärker abkühlt, da hier mehr Verdunstungsenergie verbraucht wurde. Die Rolle der polaren Eisgebiete am Meeresspiegelanstieg (berühmter Satz: "Wir bringen die Pole zu schmelzen.") ist lange überschätzt worden. Der erwartete Meeresspiegelanstieg von maximal 1 m über die nächsten 100 Jahre wird vor allem durch die Ausdehnung des Wassers durch Erwärmung und durch Schmelzen der Innlandgletscher bestimmt.

Die Biosphäre, die Lebenswelt der Pflanzen und Tiere. Diese Sphäre wirkt sich durch ihre Vegetationsdecke hauptsächlich auf den Verdunstungshaushalt aus.
Die Gesteinsflächen der Erde werden als Lithosphäre bezeichnet und die Bodenflächen als die Pedosphäre. Diese beiden sind am Energieumsatz der Erde beteiligt.

Das Klimasystem kann man mit einem Kraftwerk vergleichen, einer riesigen Wärmekraftmaschine, ihre Energie bezieht sie von der Sonne. Diese solar Energie ist entscheidend für das Leben auf der Erde. Deshalb ein paar Daten zur Sonne:

Fakten zur Sonne:

Radius:   696 000 km (entspricht 109 Erdradien)

Oberfläche:   6.087 x 10¹² km² (entspricht 11 930 Erdoberflächen)

Volumen:   1.412 x 10¹⁸ km³ (entspricht 1 304 000 Erdvolumen)

Masse:   1.98 x 10³⁰ (entspricht 333 000 Erdmassen)

Mittlere Dichte:   1.41 g/cm^-3 (entspricht 0,26 Erddichte)

Temperatur (Oberfläche):   5785 K (Kelvin)

Energieabstrahlung (Oberfläche):   63 500 kW m^-2

Der unterschiedliche Einfallswinkel der Sonnenstrahlen ist der Grund dafür, dass es verschiedene Klimazonen auf der Erde gibt (tropisches, subtropisches, gemäßigtes, kaltes und polares Klima). Dieses kann man auch aus dem Wort Klima schließen, griechisch "ich neige". Der Einfallswinkel der Sonne ist in niedrigen Breiten steiler als in höheren Breiten, dort ist er sehr flach. Daraus kann man schließen, dass Breiten wie der Äquator sehr viel solare Energie abbekommen, die Gebiete zu den Polen hin jedoch weniger. Hieraus ergibt sich ein Energiedefizit nördlich und südlich der tropischen Breiten, in den tropischen Breiten gibt es dagegen einen Energieüberschuss.
Unterschiede zwischen den warmen und kalten Zonen wirken sich im Luftdruck aus, wodurch Winde entstehen. Diese transportieren Wärme in höhere Breiten.

Die wichtigste Wechselwirkung zwischen den Subsystemen findet zwischen Atmosphäre und den Ozeanen (Hydrosphäre) statt. Luft und Wasser haben verschiedene Eigenschaften. Wasser nimmt Energie nur sehr langsam auf und gibt sie dementsprechend auch wieder sehr langsam ab. Die Wärmespeicherkapazität von Wasser ist ca. 1000mal höher als die der Luft. Dies kann auf die Atmosphäre aber auch auf benachbarte Landgebiete erwärmend oder kühlend wirken.
Das Meer bzw. das Meerwasser ist durch seine Fähigkeit Energie sehr lange zu speichern fähig diese über lange Strecken zu Transportieren. Durch diese Eigenschaft trägt das Meerwasser genau so viel zum Energieaustausch zwischen niederen und höheren Breiten bei wie atmosphärische Zirkulation.
Der Transport kann nur mit Hilfe von Winden statt finden. Diese treiben die Oberflächenströmung an. So transportiert z. B. der Golfstrom warmes Wasser in den Nordatlantik und gewährleistet somit ein überdurchschnittliches warmes Klima in Westeuropa.

Luft; Niederschlag und Verdunstung beeinflussen Temperatur und Salzgehalt des Meerwassers somit wird Wasser mit unterschiedlicher Dichte erzeugt.
Verdunstung lässt den Salzgehalt im Wasser steigen und somit auch die Dichte. Dichte und Salzgehalt werden von Niederschlag verringert. Auch die Erwärmung des Meerwassers führt zu einer Abnahme der Dichte.

Auch das Zusammenspiel der anderen Subsysteme mit der Atmosphäre ist von Bedeutung.
Die Biosphäre auf dem Land und im Meer beeinflusst vor allem die Chemie in der Atmosphäre. Dadurch wird der Kohlenstoffkreislauf gesteuert. Bei der Photosynthese entziehen die Pflanzen der Atmosphäre bzw. dem Meerwasser Kohlendioxid, dieses wird bei der Atmung, Zersetzung von Pflanzen oder bei Bränden wieder frei gesetzt. Der Kohlenstoffdioxidgehalt in der Atmosphäre bestimmt aber auch das Pflanzenwachstum. Somit kommt es zwischen den zwei Sphären, Biosphäre und Atmosphäre zu einer Wechselwirkung. Diese Wechselwirkung kann Klimaänderungen verstärken oder abschwächen. Die Biosphäre ist auch sehr wichtig für das Reflexionsvermögen (Albedo) der Erdoberfläche.

Für das Reflexionsvermögen ist die Bedeckung der Erdoberfläche mit Eis und Schnee (Kryosphäre) noch wichtiger. Der Ozean und der Ackerboden nehmen 80- 90 % der einfallenden Sonnenenergie auf und wandeln diese in Wärme um. Damit liegt das Reflexionsvermögen bei 10 - 20 %. Bei Schnee und Eis liegt die Albedo aber bei 50 - 90%. Die Hohe Reflexion von Eis und Schnee führt zu einer Abkühlung des Bodens, des Oberflächenwassers und der unteren Luftschichten. Durch dieses Verhalten wird eine erneute Schnee und Eisbildung begünstigt. (positive Rückkopplung). Dieses Verhalten kann aber auch in umgekehrter Reihenfolge ablaufen. Abschmelzen von Eis und Schnee führt zu einer Erwärmung der Luftschichten, des Bodens und somit wird der Abschmelzvorgang weiter angekurbelt. Besonders in höheren Breiten beschleunigt die Veränderung der Schnee- und Eisdecke einen möglichen Klimawandel.

Die Böden (Pedosphäre) beeinflussen als Grundlage der terrestrischen Pflanzen indirekt das Klima. Von diesem wird dadurch die verschiedenen Witterungsformen bestimmt und somit auch die Art der Böden. Der Anteil von Land und Meer ist auch ein sehr wichtiger Klimafaktor.
Veränderungen im festen Gestein (Lithosphäre), welches aus einzelnen Platten besteht ist nur über Zeiträume von Millionen von Jahren relevant.
Eine Ausnahme sind Vulkanausbrüche, hierbei können Partikel und Gase bis in die Stratosphäre geschleudert werden. Dort können sie das Sonnenlicht reflektieren, was zu einer vorübergehenden Abkühlung führt.

Veränderungen und Wechselwirkungen der Komponenten, welche das Klima bestimmen, folgen unterschiedlichen Zeitskalen. Hier liegt auch die Schwierigkeit das Klimageschehen zu verstehen. Am schnellsten aber ändern sich die Zustände in der Atmosphäre. Wechsel von Hoch- oder Tiefdruckgebieten über den mittleren Breiten erfolgen in wenigen Tagen. Wolkenkonstellationen ändern sich in Stunden oder auch Minuten. Beim Ozean sind die obersten 50 bis 100m mit den Vorgänge in der Atmosphäre verbunden.

Der Aufbau der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist in sechs weiter Sphären eingeteilt. Diese sind die Troposphäre, die Stratosphäre, die Mesosphäre, die Thermosphäre, die Ionosphäre und die Exosphäre.
In der Troposphäre (griechisch: "Sphäre des Wandelns") spielt sich das Wettergeschehen ab. Sie reicht von 8km Höhe an den Polen bis, 11km in den gemäßigten Breiten bis zu einer Höhe von 16 km über dem Äquator.
In dieser Sphäre nimmt die Temperatur um 6oC pro Höhenkilometer ab. Die Troposphäre wird von der Tropopause begrenzt. In dieser dünnen Schicht nimmt die Temperatur nach oben hin wieder zu oder bleibt konstant.

Zwischen der Tropopause und der Stratosphäre befindet sich die Ozonschicht.
Die Ozonschicht ist eine 2,5 mm "dicke" Schicht.

[Nein! -> ein häufiges Missverständnis, siehe Kommentar]

Die Tropopause ist keine eigene Schicht, sondern im Grunde nur eine Grenze zwischen zwei Schichten, der Troposphäre und der Stratosphäre, genauso wie der Äquator eine gedachte Linie zwischen Nordhalbkugel und Südhalbkugel ist.

Die Ozonschicht erfüllt eine lebenswichtige Aufgabe für uns. Die Ozonmoleküle absorbieren die ultraviolette Strahlung, welche für uns schädlich ist und schützen uns so. Durch die ultraviolette Strahlung können z.B. Hautkrebs, Augenkrankheiten usw. entstehen.
Durch die Absorption von UV-Strahlung durch Ozonmoleküle (Aufnahme der Lichtenergie) wird Wärme freigesetzt. Da die Ozonkonzentration in der Stratosphäre am höchsten ist gibt es hier auch wieder einen Temperaturanstieg. Dieser führt im Maximun bis zu ca. bei 0°C, dies hört sich nicht viel an, ist aber gegenüber den Temperaturen der Tropopause gravierend mit -50 bis -80°C.
 
Die Stratosphäre (griechisch "Sphäre der Schichten") beginnt ab einer Höhe von 11 km und reicht bis zu einer Höhe von 50km. In dieser Sphäre gibt es kaum Wasserdampf, d.h. sie ist extrem trocken. Die Temperaturen reichen von -80 bis 0°C. Die obere Begrenzung wird von der Stratopause vorgenommen, hier sinkt die Temperatur mit der Höhe wieder.

Die Mesosphäre (griechisch "Sphäre der Mitte")  reicht von 50 bis 80 km. Die Temperaturabnahme pro Kilometer beträgt 3°C.  Die obere Begrenzung findet durch die Mesopause statt. Hier liegt die Temperatur bei -90°C und ist die geringste in der Atmosphäre.
Weiter folgt nun die Thermosphäre (griechisch "Sphäre der Wärme") sie umfasst den größten Teil der Atmosphäre, 80 bis 480 km Höhe. In dieser Sphäre werden die Luftmoleküle durch die aus dem All auftretende Kurzwellenstrahlung aufgeladen. Durch diesen Prozess entsteht Wärme, dadurch nimmt die Temperatur mit der Höhe zu, Höchsttemperatur bis ca. 1000°C.
Anschließend folgt die letzte Sphäre, die Exosphäre (griechisch "Äußere Sphäre"). Dies ist eine sehr finstere Region. Sie beginnt in etwa 500km Höhe und endet in ca. 1000 km Höhe. Hier lassen sich nur einzelne Luftteilchen finden.
Ab 1000km beginnt der interstellarer Raum.

Ozonloch

Wie beschrieben befindet sich die ca. 25 km starke Ozonschicht zwischen der Tropopause und der Stratopause. In der Stratosphäre wird Sauerstoff (O2) nach Spaltung durch Sonnenlicht durch eine chemische Reaktion in Ozon umgewandelt (O3). Lange Zeit war die Konzentration des Gases hoch um die Menschen vor den gefährlichen  UV- Strahlungen zu schützen. Doch aggressive und langlebige Schadstoffe wie z. B. FCKW, wurde lange z.B. in Kühlschränken verbaut. In den letzten Jahrzehnten sind große Mengen in die Stratosphäre gelangt und zerstören die lebenswichtige Schutzschicht. Diese gefährliche Entwicklung betrifft hauptsächlich  Bereiche über der Antarktis. Weitere Teile der Erde sind zunehmend betroffen, z.B. Nordamerika.
Immer intensiver dringen die gefährlichen Strahlungen bis zu Erde und somit auch auf die menschliche Haut, dadurch kann diese massiv geschädigt werden.

Treibhauseffekt

Es gibt Klimaschwankungen seit es die Erde gibt. Es gab Wärme- Kälte- und sogar Eisperioden. Doch seit der Mensch aktiv in dieses Geschehen eingreift, durch Verbrennung von fossiler Energie, wie z.B. Erdöl, Erdgas, Kohle, usw. kommt ein bisher unbekannter Klimawandel dazu. Die schnellere Erwärmung der Erdatmosphäre durch den sogenannten Treibhauseffekt.
In den unteren Luftschichten befinden sich Treibhausgase (Kohlendioxid, Methan, usw.).Die von der Erde zurück geworfene Wärmestrahlung wird von den Treibhausgasen mehr absorbiert als durch unbelastete Luft.

Abb. links: Strahlungsbilanz
(Quelle: Das große Buch vom Wetter, Christian König, Ludwig, 1999 München)

Wissenschaftler haben berechnet das die Durchschnittstemperatur um 1°C bis 2,5°C steigen wird. Dies hat zu Folge, dass sich die Ozeane erwärmen und Inlandeis abschmilzt, was wiederum zu einer Erhöhung des Meeresspiegels um ½ Meter bewirkt. Es wird weniger Gletscher in den Alpen geben, schneearme und milde Winter, heißere Sommer mit Temperaturen bis zu 400°C. Öftere Orkantiefs dadurch massive Sturmschäden und Sturmfluten, extrem Wetterstürze von mild/warm/heiß auf kühl/kalt. Es wird ausgiebige Trocken- und Dürreperioden geben, genau wie Dauer- oder Starkregenwetterlagen mit neuen Hochwasserrekorden.

Übersicht der Anzahl der Katastrophen weltweit.
( Quelle: www.hamburger-bildungsserver.de )

Text: Sina Frank, Kommentare: Elmar Uherek