01.09.2016, 22:03 Uhr

Welche Faktoren bestimmen das Klima unserer Erde?

Abbildung 1: Teilsysteme des Klimas (Foto: Copyright DKK: Graphik geändert nach Peter Lemke 2003 - AWI)
Das Klima wird durch ein System verschiedener gekoppelter Einflussgrößen erzeugt und umfasst unterschiedliche Teilsysteme, die dynamisch miteinander verbunden sind. Die Dynamik des Klimasystems und die daraus folgende Statistik des Klimas wird durch die stark unterschiedlichen Zeitskalen der individuellen Komponenten geprägt.

Abbildung 1: Teilsysteme des Klimas (Graphik geändert nach Peter Lemke 2003 - AWI)

Das Klimasystem, bestehend aus Atmosphäre, Landoberflächen, Schnee und Eis, Ozeanen und anderen Wasserkörpern sowie lebenden Organismen, ist komplex und interaktiv. Der atmosphärische Teil des Klimasystems charakterisiert das Klima am deutlichsten; Klima wird oft als „durchschnittliches Wetter“ definiert. Das Klima wird üblicherweise als der Mittelwert mit seinen Schwankungen von Temperatur, Niederschlag und Wind während eines bestimmten Zeitraums beschrieben, der sich zwischen Monaten bis zu Millionen von Jahren bewegt (der klassische Zeitraum sind 30 Jahre). Das Klimasystem verändert sich mit der Zeit unter dem Einfluss seiner eigenen internen Dynamik und aufgrund von Klima beeinflussenden Veränderungen externer Faktoren (sog. „forcings“ = „Antriebe“). Externe Antriebe sind beispielsweise Naturphänomene wie Vulkanausbrüche oder Schwankungen der Solarstrahlung, sowie durch Menschen verursachte Veränderungen der atmosphärischen Zusammensetzung.

Die Sonne versorgt das Klimasystem mit Energie.
Die Strahlungsbilanz der Erde kann durch drei Faktoren verändert werden:

1. durch Änderungen der ankommenden Strahlungsmenge - etwa durch Veränderungen der Sonne selbst oder durch Änderungen der Erdumlaufbahn;

2. durch Veränderung des Anteils der von der Erde reflektierten Sonneneinstrahlung („Albedo“ genannt; z. B. durch Veränderungen der Wolkenbedeckung, der atmosphärischen Partikel oder der Vegetation)

3. durch Veränderung der langwelligen Wärmeabstrahlung der Erde (z. B. durch Änderung der Treibhausgaskonzentrationen).

Die Definition ist also:
Die Strahlungsbilanz ist der Strahlungshaushalt, die Differenz zwischen den Strahlungsflüssen, die das System Erde-Atmosphäre in Form kurzwelliger Strahlung von der Sonne empfängt und die das System Erde-Atmosphäre in Form langwelliger Strahlung wieder in den Weltraum abstrahlt.

Das Klima reagiert mit einer Vielzahl an Rückkopplungsmechanismen, sowohl direkt als auch indirekt, auf solche Veränderungen. Die Energiemenge, die jede Sekunde an der Obergrenze der Atmosphäre auf einer Fläche von einem Quadratmeter ankommt, die der Sonne während des Tages zugewandt ist, beträgt 1370 Watt. Dieser Wert wird Solarkonstante genannt. Über die gesamte Erde gemittelt ergibt sich ein Durchschnittswert von 342 Watt pro Quadratmeter (siehe Abbildung 2). Etwa 30 % der ankommenden Sonnenstrahlung wird von der Atmosphäre wieder in den Weltraum reflektiert (107 Watt/m²). Ungefähr 2/3 dieser Reflektion wird vor allem von Wolken und von als Aerosole bekannten kleinen Partikeln in der Atmosphäre bestimmt (77 Watt/m²). Das verbleibende Drittel wird hauptsächlich durch helle Erdoberflächen – wie Schnee, Eis und Wüsten – reflektiert (30 Watt/m²). Die stärkste Veränderung der durch atmosphärische Aerosole verursachten Rückstrahlung tritt auf, wenn große Vulkanausbrüche Gase und Aerosole bis hinauf in die Stratosphäre schleudern. Regen wäscht Aerosole normalerweise innerhalb von ein bis zwei Wochen aus der Atmosphäre. Bei einem gewaltigen Vulkanausbruch jedoch, wird das in die Atmosphäre eingebrachte Material weit über die Wolkengrenze hinausgeschleudert, wodurch diese Aerosole üblicherweise das Klima ungefähr ein oder zwei Jahre lang beeinflussen, ehe sie über die Troposphäre und durch Niederschlag aus der Atmosphäre ausgetragen werden. Größere Vulkanausbrüche können daher einen Rückgang der globalen Oberflächentemperatur von etwa einem halben Grad Celsius verursachen, der Monate oder sogar Jahre andauern kann. Einige von Menschen erzeugte Aerosole reflektieren das Sonnenlicht ebenfalls in erheblichem Maße.

Abbildung 2: Schätzungen der mittleren globalen Strahlungsbilanz der Erde (Quelle: IPCC 2007, FAQ 1.1, Fig. 1, S. 96).

Ungefähr 240 W/m2 werden nicht reflektiert und daher von der Atmosphäre und Erdoberfläche absorbiert. Um die ankommende Energie auszugleichen, muss die Erde ihrerseits die gleiche Energie wieder in das Weltall abstrahlen. Die Erde tut dies, indem sie langwellige Strahlung aussendet. Alles auf der Erde sendet kontinuierlich langwellige Strahlung aus. Das ist z.B. die Wärmeenergie, die man bei einem Feuer spürt. Je wärmer ein Objekt, desto mehr Infrarotstrahlung sendet es aus. Um 240 W/m² auszustrahlen, müsste eine Oberfläche eine Temperatur von ungefähr –19°C haben. Das ist viel kälter als die tatsächlich auf der Erdoberfläche existierenden Bedingungen (die globale Durchschnittstemperatur der Oberfläche beträgt etwa 14°C). Stattdessen findet man die dazugehörigen –19°C in einer Höhe von ca. 5 km über der Oberfläche.

Abbildung 3: Der Treibhauseffekt (Quelle: AWI)

Der Grund dafür, dass die Erdoberfläche so warm ist, ist das Vorhandensein der Treibhausgase, die die von der Oberfläche kommende langwellige Strahlung teilweise zurückhalten. Diese Rückstrahlung ist als natürlicher Treibhauseffekt bekannt. Die wichtigsten Treibhausgase sind Wasserdampf und Kohlendioxid. Die beiden häufigsten Bestandteile der Atmosphäre – Stickstoff und Sauerstoff – haben keinen solchen Effekt. Wolken können ebenfalls wie Treibhausgase wirken. Andererseits reflektieren sie aber auch die Sonnenstrahlung zurück ins Weltall, bevor diese die Erdoberfläche erreicht. Dieser Effekt wirkt kühlend und damit dem Treibhauseffekt entgegen. Wolken haben eher einen kühlenden Effekt auf das Klima (obwohl man örtlich den wärmenden Effekt spüren kann: wolkige Nächte bleiben tendenziell wärmer als klare Nächte, weil die Wolken langwellige Energie zur Erdoberfläche zurückstrahlen). Menschliche Aktivitäten intensivieren den Treibhauseffekt durch die Freisetzung von Treibhausgasen. Die Kohlendioxidmenge in der Atmosphäre hat sich beispielsweise seit Beginn der Industriealisierung um ca. 35 % erhöht. Dieser Anstieg ist menschlichen Aktivitäten wie der Verbrennung fossiler Brennstoffe und dem Abholzen von Wäldern zuzuschreiben. Die Menschheit hat damit die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre drastisch verändert - mit erheblichen Auswirkungen auf das Klima. Die Kugelform der Erde und die Neigung der Erdachse haben großen Einfluss auf die Strahlungsintensität. In höheren Breiten verteilt sich eine bestimmte Strahlungsmenge auf eine größere Fläche, als in niedrigen Breiten. Diese Energie wird über atmosphärische und ozeanische Strömungen, sowie von Sturmsystemen vom Äquator aus in höhere Breiten transportiert. Energie wird auch benötigt, um Wasser von der Meeres- oder Landoberfläche zu verdunsten. Diese Energie, auch latente Wärme genannt, wird freigesetzt, wenn Wasserdampf in Wolken kondensiert (siehe Abbildung). Die atmosphärische Zirkulation wird vor allem durch die Freisetzung dieser latenten Wärme angetrieben. Die atmosphärische Zirkulation treibt wiederum weitgehend die Ozeanzirkulation an, durch Windeinflüsse an der Wasseroberfläche, durch Veränderungen der Ozeanoberflächentemperatur und durch Salzgehaltveränderungen bedingt durch Niederschlag und Verdunstung. Aufgrund der Erdrotation neigen atmosphärische Zirkulationsmuster eher zu einer Ost-West als zu einer Nord-Süd Ausrichtung. Eingebettet in die Westwinde der mittleren Breiten sind es großräumige Wettersysteme, welche die Wärme zu den Polen transportieren. Diese Wettersysteme sind die bekannten wandernden Tief- und Hochdrucksysteme und die mit ihnen verbundenen Kalt- und Warmfronten. Bedingt durch Temperaturunterschiede zwischen Landoberfläche und dem Ozean, Hindernisse wie Gebirgsketten und Eisschilde, sind die atmosphärischen Wellen, die große Teile des Zirkulationssystem der Erde umfassen, häufig geographisch verankert, auch wenn sich die Amplitude der Welle mit der Zeit ändern kann. Wegen der großräumigen Wellenmuster kann ein besonders kalter Winter über Nordamerika mit einem besonders warmen Winter an einem anderen Ort der Hemisphäre verbunden sein. Veränderungen verschiedener Komponenten des Klimasystems, wie z. B. Eisschildgrößen, Art und Verbreitung der Vegetation, Temperatur der Atmosphäre oder des Ozeans beeinflussen die großräumigen Zirkulationseigenschaften der Atmosphäre und der Ozeane. Es gibt im Klimasystem viele Rückkopplungsmechanismen, die entweder verstärkend („positive Rückkopplung“) oder verringernd („negative Rückkopplung“) auf eine Veränderung im Strahlungsantrieb wirken können. Beispielsweise bewirken steigende Treibhausgaskonzentrationen eine Erwärmung des Erdklimas und Schnee und Eis können zu schmelzen beginnen. Die dadurch hervortretenden dunkleren Land- und Wasseroberflächen, absorbieren einen größeren Teil der einfallenden Sonnenenergie und verstärken damit die Erwärmung, die wiederum eine größere Schmelze verursacht usw., wodurch ein selbstverstärkender Kreislauf in Gang gesetzt wird. Dieser als „Eis-Albedo-Effekt“ bekannter Mechanismus verstärkt die ursprüngliche Erwärmung, die durch den Anstieg der Treibhausgase verursacht wurde. Von Wissenschaftlern werden große Anstrengungen unternommen, Rückkopplungsmechanismen zu bestimmen, zu verstehen und genau zu quantifizieren, um so die Vielschichtigkeit des Klimasystems unserer Erde zu erfassen.

Abbildung 4: Rückkopplungen im Klimasystem

Abbildung 5: Eis-Albedo-Effekt

Quelle (falls nicht anders gekennzeichnet): IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, S. 96-97, FAQ 1.1.

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Gerhard Heising aus Stubai-Wipptal | 02.09.2016 | 09:04   Melden
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