Stefan Uhlig - Der natürliche Klimawandel

Abb. 1(folgend): Aufbau der nach oben offenen Atmosphäre und durchschnittliche Temperaturen der Luft in Abhängigkeit von der Höhe bzw. unterschiedlichen Atmosphärenschichten. Das Wettergeschehen spielt sich in der Troposphäre ab, in deren oberen Bereichen sich die Luft bis auf -60°C abkühlt, Darüber folgt die Stratosphäre, die mit der Troposphäre interagiert. Oberhalb einer Höhe von ca. 110 km steigen die Lufttemperaturen wieder auf über 0°C.

Abb. 1

Das Wettergeschehen spielt sich hauptsächlich in der unteren Schicht der Atmosphäre, in der Troposphäre, ab ( Abb. 1). Diese reicht am Äquator in bis zu 16 km Höhe, über den Polen jedoch nur in bis zu 8 km Höhe. An der Erdoberfläche liegt die Atmosphärentemperatur im Mittel bei 15°C und nimmt in Richtung der Grenze Troposphäre/Stratosphäre auf bis zu -60°C ab. Die Lufttemperatur wird mit jedem Höhenkilometer zirka 6,5°C kälter. Die Tropopause trennt die Troposphäre von der Stratosphäre, in der die Lufttemperaturen wieder leicht ansteigen bis knapp unter 0°C. Darüber kühlt die Luft dann wieder schnell ab, auf bis zu -110°C, bevor sie sich in weiterer Höhe (> 100 km) wieder erwärmt. Auch wenn die unterschiedlichen Atmosphärenschichten durch Grenzzonen, wie die Tropopause oder die Stratopause, voneinander getrennt sind, was man auch am Temperaturverlauf erkennen kann, so bildet die Atmosphäre kein geschlossenes System, ähnlich einem Gewächshaus, sondern erlaubt einen internen Austausch von Luftströmungen und strahlenphysikalischen Interaktionen zwischen den verschiedenen Atmosphärenschichten. Durch bodennahe Verdunstung erhält die Atmosphäre ihre Feuchte in Form von Wasserdampf, vor allem aus den Ozeanen. Der gasförmige Wasseranteil (Wasserdampf) der Atmosphäre beträgt durchschnittlich 0,3-0,4 % und nimmt mit der Höhe stark ab. In den unteren Bereichen der Troposphäre, d.h. in Bodennähe, kann der Anteil von atmosphärischem Wasserdampf bis zu 4 % erreichen, wobei Gehalte von 3-4 % hauptsächlich nur in der extrem feuchten Luft der Tropen erreicht werden. Die Polargebiete hingegen sind extrem trocken. Auch die Stratosphäre, vor allem ihre unteren Bereiche, enthält atmosphärischen Wasserdampf, dem ebenfalls eine bedeutende Rolle bei der Wetterentwicklung zukommt. Die Interaktionen von Troposphäre und Stratosphäre sind noch nicht abschließend erforscht und daher gegenwärtig Gegenstand intensiver Forschung, die unterstützt wird durch zahlreiche Forschungssatelliten.

Die Hauptargumentation für einen Einfluss von Kohlendioxid (CO 2) als Treibhausgas im Zusammenhang mit einem Treibhauseffekt, und damit auf eine Änderung der Temperatur, bzw. des „globales“ Klimas, beruht darauf, dass das CO 2, wie andere Gase, der Erdatmosphäre Teile der von der Erde reflektieren Wärmestrahlung absorbieren kann, die somit nicht vollkommen ins Weltall entweicht und die Erde aufwärmt. Diese Absorptionsfähigkeit verschiedener Atmosphärengase ist allerdings nur in eng begrenzten Wellenlängenbereichen der Wärmestrahlung möglich. Es ist wichtig, darauf hier schon kurz einführend einzugehen, auch als Vorbereitung auf Kapitel 10, wo das Thema CO 2detaillierter diskutiert werden wird. Die Sonnenstrahlung, die die Erde erreicht, besteht aus einem breiten Band von unterschiedlichen Wellenlängen ( Abb. 2, und auch Abb. 69). Die für Lebewesen schädliche kurzwellige ultraviolette (UV) Strahlung wird größtenteils durch das Ozon der Ozonschicht der mittleren Stratosphäre (ca. 20-40 km Höhe) absorbiert ( Abb. 1). Kapitel 12wird das Thema Ozon näher beleuchten.

Die langwelligere Strahlung, vor allem das für uns sichtbare Licht, das von großer Bedeutung ist für die Photosynthese der Pflanzen und die infrarote (IR) Strahlung, die von der Atmosphäre weniger oder kaum absorbiert oder gestreut wird, erreicht die Erdoberfläche und beeinflusst das Wetter- und Klimageschehen auf der Erde. In umgekehrter Richtung gibt die Erdoberfläche langwellige Wärmestrahlung ab in Richtung Weltall. Die Erdatmosphäre sorgt glücklicherweise dafür, dass diese nicht wieder vollständig die Erde verlässt. Man spricht vom Atmosphärischen Fenster der Erde hinsichtlich der Wellenlängenbereiche, in denen die Sonnenstrahlung bzw. die Wärmerückstrahlung der Erde von den verschiedenen Gasen der Erdatmosphäre nicht oder kaum absorbiert bzw. gestreut werden. Davon wird im Detail in Kapitel 10zu sprechen sein, vor allem welche Gase der Atmosphäre welche Wellenlängenbereiche absorbieren können, und in welchem Maße. Die hochenergetische ionisierende kosmische Strahlung, die auf die Erde einwirkt und die damit verbundenen sekundären Strahlungen, die ebenfalls Einfluss haben auf die Temperaturentwicklung in der Atmosphäre, sind in Abb. 2nicht dargestellt.

Wie wir im Folgenden sehen werden, haben sich die Klimazonen, bzw. die Temperaturen auf unserem Planeten wiederholt geändert. So war z.B. das Gebiet der nördlichen Sahara vor 8.000 Jahren nicht trocken, wie heute, sondern grün aufgrund wiederholter Feuchtperioden. Hinweise hierfür sind Höhlenmalereien und -Gravuren von typischen Savannentieren, wie Nashörnern, Antilopen, Flusspferden und anderen Tieren, sowie den Funden von Steingutscherben, Straußeneierschalen, Pollen und Samen, die auf eine Vegetation feuchteren Klimas hinweisen, bzw. darauf, dass die Saharawüste zu dieser Zeit von Tieren, Pflanzen und Menschen belebt bzw. bewohnt war. Vor ca. 5.500 Jahren setzte in Nordafrika abrupt eine sehr aride Phase ein, verbunden mit einem sehr schnellen Vegetationsrückzug in der Sahara – etwa zeitgleich mit dem 2. Temperaturmaximum des „Atlantikums“ ( Abb. 6und 47). Dies war vermutlich auch ein Grund für die spätere Konzentration der landwirtschaftlichen Entwicklung entlang des fruchtbaren Niltales vor 5.000 bis 3.000 Jahren während der Pharaonen-Hochkulturen in Ägypten. Allem Anschein nach, nehmen die Niederschläge in Nordafrika in der Gegenwart wieder etwas zu.

Abb. 2(folgend): Vereinfachte Darstellung der Strahlung (2-A), die die Erde von der Sonne erreicht (in Rot: kurzwelliges Atmosphärisches Fenster) und die, die von der Erdoberfläche wieder abgegeben wird (in Blau: langwelliges Atmosphärisches Fenster). 2-B: Gesamtabsorption und -streuung in der Atmosphäre (ein- und austretende Strahlung), 2-C: Wellenlängenbereiche, die von den verschiedenen Atmosphärengasen absorbiert werden können. Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Atmosphärisches_Fenster; s. auch Abb. 69.

Abb. 2

Abhängig von den Klimazonen, aber nicht gleichzusetzen mit Klima, ist das Wettergeschehen. Lokale anthropogen verursachte Wetterphänomene, wie z.B. winterlicher Schneefall (auch Industrieschnee genannt) bei Frost in der Nähe von Wasserdampf emittierenden Fabriken, wie z.B. Papierfabriken, sind keine Klimaänderung, sondern lokale Wetter-Geschehnisse. Ein auffälliges anthropogenes Temperaturphänomen beobachtet man in modernen Städten, vor allem in den gemäßigten Breiten. Städte und Metropolen können „urbane Wärmeinseln“ bilden, im Vergleich zu ihrem Umland, mit bis zu 3°C höheren Temperaturen (je nach Größe der Stadt). Dies wird hervorgerufen durch Wechselwirkungen mehrerer unterschiedlicher Effekte, wie z.B. eine starke Aufwärmung tagsüber (der betonierten und asphaltierten Flächen) und eine eingeschränkte Abkühlung nachts. Dies wird vor allem verstärkt während den Heizperioden im Winter.