Seitenpfad:

Klimasystem der Erde

Kaiser-Franz-Fjord an der Ostküste Grönlands

Ein komplexes Gefüge - das Klimasystem

> Das Klima der Erde wird durch viele Faktoren wie Sonnenstrahlung, Wind oder Meeresströmungen geprägt. Forscher versuchen diese Einflussgrößen in Modellen zu vereinen. Inzwischen hat man viele Prozesse verstanden. Das Zusammenspiel der verschiedenen Faktoren ist aber derart komplex, dass noch immer viele Fragen offen sind.

Die Trägheit des Klimas

Der Weltozean ist eines der wichtigsten Elemente des globalen Klimasystems. Das lernt man schon in der Schule. Aber was ist eigentlich Klima? Der Unterschied zwischen Wetter und Klima lässt sich durch einen einzigen Satz verdeutlichen: Klima ist das, was man erwartet; Wetter ist das, was man bekommt. Demnach gibt es einen fundamentalen Unterschied zwischen Wetter und Klima. Die Wetterforschung befasst sich mit der Entstehung, Verlagerung und der Vorhersage einzelner Wetterelemente, etwa eines bestimmten Tiefdruckgebiets. Die Klimaforschung ist hingegen an der Gesamtheit der Tiefs und Hurrikans interessiert und widmet sich beispielsweise der Frage, wie viele Tiefs oder Hurrikans es nächstes Jahr geben wird oder ob sie sich infolge der globalen Erwärmung in den kommenden Jahrzehnten häufen oder intensivieren werden. Mit dem Begriff Wetter bezeichnet man also die kurzfristigen Geschehnisse in der Atmosphäre, während sich der Begriff Klima auf längere Zeiträume bezieht. Zur Beschreibung des Klimas verwendet man in der Regel eine Zeitspanne von 30 Jahren als Bezugszeitraum.

Klimaänderungen nimmt der Mensch vor allem durch die Änderung atmosphärischer Größen wahr, etwa Änderungen der Temperatur oder des Niederschlags. Im Prinzip kann die Atmosphäre selbst wegen ihrer chaotischen Dynamik viele natürliche Klimaänderungen erzeugen. Ein Beispiel hierfür ist die Nordatlantische Oszillation (NAO), die das Klima über Teilen Europas und Nordamerikas erheblich beeinflusst. Sie ist eine Art Druckschaukel zwischen dem Islandtief und dem Azorenhoch, welche die Stärke der winterlichen Westwinde über dem Nordatlantik bestimmt: Sind sie stark, gibt es in Westeuropa mildes und regenreiches Wetter. Sind sie schwach, ist es eher trocken und kalt. Derartige Schwankungen machen es schwer, Klimaveränderungen zu erkennen, die auf den Einfluss des Menschen und den Treibhauseffekt zurückgehen. Die Atmosphäre ist kein isoliertes System, sondern steht mit anderen Komponenten des Erdsystems in Wechselwirkung, dem Ozean etwa. Sie ist aber auch mit der Kryosphäre (Eis und Schnee), der Biosphäre (Tiere und Pflanzen), der Pedosphäre (Böden) und der Lithosphäre (Gestein) in Kontakt. Alle Bestandteile zusammen bilden das Klimasystem, dessen Einzelkomponenten und -prozesse auf vielfältige Weise miteinander verknüpft sind und sich gegenseitig beeinflussen.

Alle diese Komponenten reagieren unterschiedlich schnell auf Veränderungen. Die Atmosphäre passt sich in Stunden bis Tagen den Bedingungen an der Erdoberfläche wie etwa der Meerestemperatur oder der Eisbedeckung an. Das Wetter ist zudem wechselhaft und daher nur einige Tage im Voraus zu prognostizieren. In der Tat kann man zeigen, dass die theoretische Grenze der Wettervorhersagbarkeit bei etwa 14 Tagen liegt. Die Strömungen der Tiefsee hingegen reagieren erst in vielen Jahrhunderten voll auf veränderte Randbedingungen, wie etwa Variationen der Nordatlantischen Oszillation und die daraus resultierenden Änderungen von Temperaturen und Niederschlägen an der Meeresoberfläche, die die Bewegungen in der Tiefe antreiben. Ein großes Inlandeisgebiet wie die Antarktis wird durch den Klimawandel vermutlich sogar über viele Jahrtausende sein Gesicht verändern und ohne Gegenmaßnahmen in diesem Zeitraum nach und nach abschmelzen.

Verschiedene Komponenten des Klimasystems
Die verschiedenen Komponenten des Klimasystems reagieren unterschiedlich schnell oder träge auf Veränderungen. Der tiefe Ozean zum Beispiel ist eine wichtige Ursache der Trägheit des Klimas. Der farblich markierte Skalenbereich oben stellt den kurzen Zeitausschnitt eines Menschenlebens dar. © maribus (nach Meincke und Latif, 1995)
Klimasystem Erde
Das Klimasystem, seine Teilsysteme und relevante Prozesse und Wechselwirkungen. © maribus

Die Vorhersagbarkeit des Klimas basiert auf den Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und den trägeren Klimasubsystemen, allen voran dem Ozean. Dabei bewegen sich die verschiedenen Komponenten des Klimasystems mit völlig unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Tiefdruckgebiete wandern innerhalb von Tagen Hunderte von Kilometern weit. Meeresströmungen hingegen schleichen oftmals mit wenigen Metern pro Minute dahin. Zudem haben die einzelnen Komponenten verschiedene Wärmeleitfähigkeiten und -kapazitäten. Wasser etwa speichert für lange Zeit große Mengen an Sonnenwärme. Änderungen des Klimas können auf zwei verschiedene Weisen ausgelöst werden – durch interne und externe Anregungen. Unter internen Anregungen versteht man:

  • Veränderungen in einer einzelnen Klimakomponente – zum Beispiel eine abweichende Meeresströmung;
  • veränderte Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Klimakomponenten – zum Beispiel dem Ozean und der Atmosphäre.

Im Vergleich dazu haben die externen Anregungen mit dem Klimasystem zunächst nichts zu tun. Dazu gehören unter anderem:

  • die sehr langsame Kontinentalverschiebung, die die Landmassen in Jahrmillionen in andere Klimazonen bewegt;
  • die Veränderung der Strahlungsintensität der Sonne – sie schwankt mit den Jahren, wodurch sich auch die Temperatur auf der Erde ändert;
  • Vulkanausbrüche, die durch in die Atmosphäre ausgestoßene Asche- und insbesondere Schwefelmassen die Sonnenstrahlung in der Atmosphäre und das Klima verändern können.

Kohlendioxid und Treibhauseffekt Kohlendioxid (CO2), oder chemisch korrekt: Kohlenstoffdioxid, und andere klimarelevante Spurengase reichern sich in der Atmosphäre an. Sie lassen die kurzwellige Strahlung der Sonne zunächst passieren. Diese wird an der Erdoberfläche in Wärme umgewandelt und als langwellige Strahlung zurückgeworfen. Wie die Glasscheibe eines Treibhauses verhindern die Gase, dass diese langwellige Wärmestrahlung in den Weltraum entweicht. Die Erde heizt sich auf.

Wie der Mensch das Klima verändert

In den vergangenen hundert Jahren hat der Einfluss des Menschen auf das Klima stark zugenommen. Der Mensch setzt Unmengen von klimarelevanten Spurengasen in die Atmosphäre frei. Er verändert dadurch die Strahlungsbilanz der Atmosphäre und führt so eine globale Erwärmung herbei. Zu diesen klimarelevanten Spurengasen gehört nicht nur das Kohlendioxid, sondern auch Methan, Distickstoffoxid (Lachgas), die halogenierten Fluorkohlenwasserstoffe, die perfluorierten Kohlenwasserstoffe und Schwefelhexafluorid. Von besonderem Interesse aber ist das Kohlendioxid (CO2), weil der weltweite Ausstoß enorm ist. Es wird vor allem bei der Verbrennung der fossilen Rohstoffe (Erdöl, Erdgas und Kohle) freigesetzt – in Automotoren, in Kraftwerken oder in den Heizungskesseln von Wohngebäuden. Inzwischen hat sich sein Gehalt in der Atmosphäre gegenüber dem vorindustriellen Wert von 280 parts per million (ppm) auf heute fast 390 ppm erhöht. Damit hat auch die Temperatur im Laufe von wenigen Jahrzehnten zugenommen. Auf der Zeitskala von Jahrzehnten oder einigen Jahrhunderten finden auch die – intern angeregten – Veränderungen in den Ozeanen statt, zum Beispiel Änderungen des Golfstroms. Diese haben einen entscheidenden Einfluss auf das Klima und auf die Konzentration der Klimagase in der Atmosphäre, da sie ganz erheblich an den globalen Stoffkreisläufen wie dem Kohlenstoffkreislauf beteiligt sind. Kohlendioxid etwa löst sich gut im Wasser. So haben die Ozeane bis heute etwa die Hälfte des vom Menschen seit dem Beginn der Industrialisierung ausgestoßenen und durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe entstandenen Kohlendioxids aufgenommen. Ob und wie stark sich das Klima ändern wird, ist daher auch aus den Meeren ablesbar.

Das Klima wird sich künftig nur sehr langsam verändern, weil die Ozeane mit ihrem riesigen Wasserkörper sehr träge auf Veränderungen reagieren. Daher werden viele Auswirkungen des durch den Menschen ausgelösten Klimawandels nur allmählich sichtbar. Tatsächlich könnten einige dieser Auswirkungen irreversibel sein, wenn erst bestimmte Schwellenwerte überschritten sind. So werden sich das völlige Abschmelzen der grönländischen Gletscher und ein damit verbundener globaler Meeresspiegelanstieg von 7 Metern ab einem bestimmten Punkt nicht mehr aufhalten lassen. Die Lage der Schwellenwerte ist nicht genau bekannt. Eines aber ist klar: Selbst wenn man den Ausstoß von CO2 auf dem heutigen Niveau stabilisierte, würde das nicht zu einer Stabilisierung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre führen, weil CO2 ausgesprochen langlebig ist und die sogenannten Senken, vor allem das Meer, es nicht so schnell aufnehmen, wie wir Menschen es nachliefern. Anders verhält es sich bei kurzlebigeren Spurengasen wie etwa Methan (CH4). Stabilisierte man die Methanemissionen auf dem heutigen Niveau, würde sich die Methankonzentration in der Atmosphäre tatsächlich ebenfalls stabilisieren, da das Methan in etwa so schnell aus der Atmosphäre verschwindet, wie es neu ausgestoßen wird. Will man die CO2-Konzentration auf einem bestimmten Niveau halten, so muss man die Emissionen auf einen Bruchteil der derzeitigen Mengen reduzieren.

Ausstoss Klimagase
Selbst wenn es gelingt, den Ausstoß der Klimagase und insbesondere von CO2 bis zum Ende dieses Jahrhunderts deutlich zu reduzieren, dürften die Folgen erheblich sein. CO2 ist langlebig und wird für viele Jahrhunderte in der Atmosphäre bleiben. Damit wird die Temperatur auf der Erde noch für ein Jahrhundert oder länger um wenige Zehntelgrad steigen. Da die Wärme nur langsam bis in die Tiefen des Meeres vordringt, wird sich auch das Wasser nur allmählich ausdehnen und der Meeresspiegel über lange Zeit langsam weiter steigen. Auch das Abschmelzen der großen Inlandeismassen in der Antarktis oder in Grönland ist träge. Über Jahrhunderte oder gar Jahrtausende wird dort Schmelzwasser ins Meer fließen und zum Meeresspiegelanstieg beitragen. Die Abbildung ist eine prinzipielle Veranschaulichung für eine Stabilisierung auf beliebigen Niveaus zwischen 450 und 1000 parts per million (ppm) und trägt daher keine Einheiten auf der Auswirkungsachse. © maribus (nach IPCC, 2001)

Eine schleichende Katastrophe

Die Trägheit des Klimas wird dazu führen, dass sich selbst lange nach der Stabilisierung der CO2-Konzentration das Klima weiter verändern wird. Klimamodelle zeigen, dass sich die oberflächennahe Lufttemperatur noch über mindestens ein Jahrhundert erhöht. Der Meeresspiegel wird sogar noch über mehrere Jahrhunderte weiter ansteigen, weil sich erstens das Meerwasser durch die langsame Erwärmung der Tiefsee nur allmählich ausdehnt und weil zweitens die kontinentalen Eisschilde in der Arktis und Antarktis vermutlich nur sehr langsam auf die Erwärmung der Atmosphäre reagieren, wodurch sich das Abschmelzen der Gletscher über einen langen Zeitraum von vielen Jahrtausenden hinziehen wird. Es wird daher sehr lange dauern, bis ein neuer Gleichgewichtszustand des Meeresspiegels erreicht wird. Wissenschaftler halten es allerdings ebenso für möglich, dass der grönländische Eisschild bei einer zu starken Erwärmung noch in diesem Jahrtausend komplett ab­­schmilzt und im Meer verschwindet. Der Eispanzer könnte förmlich auseinanderbrechen. Riesige Teile würden ins Meer gelangen. Durch die enormen Mengen an Süßwasser könnte sich die Ozeanzirkulation, beispielsweise beim Golfstrom, grundlegend ändern. Zudem würde der Meeresspiegel im Extremfall um deutlich mehr als einen Meter pro Jahrhundert steigen. Die Trägheit des Klimasystems und die Gefahr, dass die Entwicklungen irreversibel sind, sollten Anlass für vorausschauendes Handeln sein. Die heute bereits messbaren Auswirkungen des Klimawandels zeigen in keiner Weise das ganze Ausmaß der bisher durch den Menschen verursachten Klimaänderung. Die Menschheit wird sie erst in einigen Jahrzehnten deutlicher zu spüren bekommen.

Die Traditionssegler bei ihrer Klima-Segelparade vor Kopenhagen 2009.
Copsail - Traditionssegler bei ihrer Klima-Segelparade vor Kopenhagen 2009 und der Forderung: „Act now!“. Foto: M. Berg

Projekte zum Thema