Erich Majer - Klimaschutz und 1,5 °C Leitplanke?

d) Polarzone: 60°–90°

Sehr kalt und sehr trocken

Abb. 3: Oben Klimazonen; unten Einfallswinkel des Sonnenlichts (Beleuchtungszonen). (2)

Es gibt auf der Erde viele Klimate, die das lokale mittlere Wettergeschehen beschreiben. Es gibt jedoch für die Erde kein Klima im Singular (!), also kein Globalklima (Erdklima). Diese einfache Tatsache werden Ihnen jeder Eskimo oder die Bewohner der Sahelzone bestätigen.

Um den Gegenstand unserer Betrachtungen, das Klima, auf unserem Planeten Erde beurteilen zu können, bedarf es einer Untersuchung der das Klima beeinflussenden möglichen Faktoren. Wie schwierig das ist, möge ein einfaches Beispiel zeigen. Schon Thales von Milet hat für 585 v. Chr. eine Sonnenfinsternis vorausgesagt, die dann auch eintrat. Er konnte aber nicht prophezeien, ob man die Sonne auch sehen kann, da er nicht voraussehen konnte, wie das Wetter sein wird! Dies hängt ganz einfach damit zusammen, dass das Wetter durch weit mehr Faktoren bestimmt wird als z. B. der Lauf der Sonne. Nach mehr als 2.500 Jahren sind wir nicht viel weiter.

1.2 Die Atmosphäre, Aufbau, chemische Zusammensetzung und Funktion

Die Atmosphäre ist ein Gasgemisch, das durch die Gravitation an der Erdoberfläche gehalten wird. Vom Weltraum aus betrachtet (Abb. 1) erscheint die Erde blau mit eingesprengten wei­ßen Feldern, den Wolken. Die blaue Farbe kommt durch die die Erde umhüllende Gasschicht, die Luft, zustande. In der Lufthülle wird das kurzwellige blaue Sonnenlicht stark in alle Richtungen gestreut, während das langwelligere rote Licht weitgehend die Atmosphäre, der dünne blaue Saum in Abb. 2, durchdringen kann.

Man kann sich die irdische Atmosphäre in fünf übereinanderliegenden Schichten aufgeteilt denken, die sich durch ihre Beschaffenheit und Funktion unterscheiden, Abb. 4.

Abb. 4: Am linken Bildrand sind die Höhenangaben zum Temperaturprofil der Erdatmosphäre zu sehen. Die Skalen am rechten Bildrand zeigen weitere Möglichkeiten, die Atmosphäre aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften zu gliedern, wie nach der Zusammensetzung der Luft in Homosphäre und Heterosphäre, oder nach dem Ionisierungsgrad der Gasteilchen in Neutrosphäre (bis etwa 80 km Höhe) und Ionosphäre. (3)

Die unterste Schicht, die Troposphäre, ist die Region, in der sich jene Vorgänge abspielen, die wir unter der Sammelbezeichnung Wetter zusammenfassen. In der Troposphäre nimmt die Temperatur der Luft im Allgemeinen mit der Höhe ziemlich gleichmäßig ab. Oberhalb der Tropopause dehnt sich, als zweite Schicht, die Stratosphäre bis ca. 50 km Höhe aus. Im Gegensatz zur Troposphäre ist die Temperatur der unteren Stratosphäre bis etwa 30 km Höhe nahezu konstant. Danach steigt die Temperatur wieder an, um in ca. 50 km Höhe ein Maximum zu erreichen. Der Grund dieser Erwärmung dürfte die Ozonschicht sein, von der die energiereiche UV-Strahlung absorbiert wird. Die dritte, mittlere Schicht ist die Mesosphäre. Als ein Teil der Ionosphäre und Homosphäre ist sie zur Erde hin durch die Stratopause in ca. 50 km Höhe von der Stratosphäre und nach oben durch die Mesopause (in 80 bis 85 km Höhe) von der Thermosphäre abgegrenzt.

Aufgrund der hier sehr ausgedünnten Luft und der Tatsache, dass kaum noch Ozon vorhanden ist und sich die Absorption der energiereichen UV-Strahlung in der Stratosphäre abspielt, sinkt die Temperatur wieder von ca. 0 °C auf durchschnittlich –90 °C in 85 km Höhe ab. Als vierte Schicht schließt sich die Thermosphäre an. In ihr nimmt die Temperatur nach oben hin ständig zu und erreicht in ca. 500 km über dem Erdboden Temperaturen zwischen 1.000 °C (nachts) und 2.000 °C (mittags).

Die hohe Temperatur, die „scheinbar“ in der Thermosphäre herrscht, bezieht sich auf die Geschwindigkeit der noch spärlich vorhandenen Gasmoleküle, denn die Temperatur selbst ist ein Maß für die kinetische Energie der Atome und Moleküle eines Körpers. Ein Thermometer würde Minus-Temperaturen anzeigen, da die Gasdichte in dieser Höhe viel zu gering ist, um einen messbaren Wärmetransport zu verursachen.

Als fünfte Schicht schließt sich die Exosphäre an die Thermosphäre an. Sie markiert den fließenden Übergang zum interplanetaren Raum, ist jedoch nach Definition von NASA und Federation Aeronautique International bereits ein Teil dessen. Sie ist ein Teil der Heterosphäre, Abb. 4, das heißt jenem Bereich der Atmosphäre ab ca. 100 km Höhe, in dem sich Gase entsprechend ihrer Atommassen entmischen und schichten. Die Exosphäre ist die einzige Atmosphärenschicht, aus der Gasmoleküle aufgrund der ihnen eigenen Geschwindigkeit das Gravitationsfeld der Erde verlassen können. Grundsätzlich kann die Atmosphäre mit einem Luftmeer verglichen werden, das die ganze Erdoberfläche überschwemmt und auf dessen Grund wir leben.

Die in Abb. 4 eingezeichnete planetarische Grenzschicht, häufig auch Bodenreibungsschicht genannt, ist der Teil der Troposphäre, dessen Luftmassen, neben der horizontal wirkenden Coriolis-Kraft1, (4), gravierend durch die Beschaffenheit der Erdoberfläche und durch thermische turbulente Austauschprozesse geprägt sind. Sie ist der bedeutendste Teil der Biosphäre.

Die Mächtigkeit dieser Grenzschicht hängt von der Beschaffenheit des Untergrundes und der Witterung ab und unterliegt einem Tagesgang. Am Tage hat sie eine Mächtigkeit von ca. 1.000 m. In der Nacht ist die Dicke meist unter 500 m. Während einer windarmen Wetterlage endet die Grenzschicht über Freiland nachts schon bei 30 m, während sie sich über der Stadt auch nachts weit höher als 100 m über Grund erstreckt. Die vertikalen thermischen Austauschprozesse durch Turbulenz sind entscheidend für die Luftqualität. Die Lufthygiene hängt also stark von der Menge der emittierten Schadstoffe und dem Austausch zwischen bodennahen und höheren Luftschichten ab. (5)

Nach der Darstellung des Profils der Atmosphäre nun zu der chemischen Zusammensetzung.

1.3 Natürliche Hauptbestandteile der trockenen Luft (6)

2

1.4 Wichtige Spurengase der Luft

Die Atmosphäre hat viele lebenswichtige Funktionen, indem sie u. a. …

1 die Lebewesen vor schädlicher bzw. tödlicher Strahlung aus dem Weltraum schützt (Filter für UV- und Röntgenstrahlung der Sonne),

2 lebensnotwendiges Sonnenlicht zu Oberflächen der Kontinente und Ozeane durch lässt (Energiequelle),

3 vor schneller Auskühlung und Überhitzung schützt (z. B. Wärmeausgleich zwischen Tag und Nacht),

4 Energie (fühlbare Wärme der Luft und latente Wärme des Wasserdampfs) aus Bereichen in Äquatornähe zu mittleren und höheren Breiten transportiert,