Klima: Gestern Heute Morgen [1. Aufl.] 978-3-540-58736-1;978-3-642-61404-0

Table of contents :
Front Matter ....Pages 1-11
Einleitung (Sylvie Joussaume)....Pages 12-15
Vom Wetter zum Klima (Sylvie Joussaume)....Pages 16-29
Das Klima der Vergangenheit (Sylvie Joussaume)....Pages 30-55
Luft und Wasser — die treibenden Elemente des Planeten (Sylvie Joussaume)....Pages 56-87
Die Funktionsweise der Klimamaschine (Sylvie Joussaume)....Pages 88-107
Der Mensch und das Klima (Sylvie Joussaume)....Pages 108-137
Vorbereitung auf die Zukunft (Sylvie Joussaume)....Pages 138-141
Back Matter ....Pages 143-143

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Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

SYLVIE JOUSSAUME

GESTERN HEUTE MORGEN

KLIMA Ubersetzung Monika Huch

Mit 144 Abbildungen, davon 68 in Farbe

Springer

Fur meine Eltern, fur Franrois, Cyril und Claire

Die tropischen Wirbelstiirme sind verheerender Ausdruck der Gewalt der thermischen Maschine Erde-Atmosphare, die die Sonnenenergie in Winde und Stiirme iibertragt. Bei einem Flug iiber den Osten des Indischen Ozeans am 15.1.1986 aus einem Raumschiff fotografiert, sieht man hier einen Zyklon. Er rollt sich im Uhrzeigersinn auf, wie aile Zyklone auf der Siidhalbkugel

DR. SYLVIE }OUSSAUME

Laboratoire des Modelisation du Climat et de l'Environnement Direction des Sciences de la MaW~re Bat 709 CE Saclay F-91191 Gif-sur-Yvette Cedex Obersetzer: Monika Huch Lindenring 6 D-29352 Adelheidsdorf Titei cler franzosischen Ausgabe: Sylvie Joussaume: CLIMAT D'HIER A DEMAIN (c) CNRS EDITIONS, 1993 20-22, rue Sant Amand F-75015 PARIS ISBN 978-3-642-64824-3 Die deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Joussaume, Sylvie: Klima : gestern - heute - morgen 1 Sylvie Joussaume, Dbers. Monika Huch. - Berlin ; Heidelberg ; New York ; Barcelona ; Budapest ; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris ; Santa Clara ; Singapur ; Tokyo : Springer, 1996 Einheitssacht.: Climat d'hier a demain ISBN 978-3-642-64824-3 DOI 10.1007/978-3-642-61404-0

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschtit~t. Die dadurch begrtindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfăltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9· September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulăssig. Sie ist grundsătzlich vergtitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996

Ursprtinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1996 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1996

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daG solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wăren und daher von jedermann benutzt werden dtirften. Herstellung: Stefan Pauli, Heidelberg Umschlagentwurf: Meta Design, Berlin Satzkonvertierung: Mitterweger, Plankstadt 32/3136

ISBN 978-3-642-61404-0 (eBook)

SPIN 10427822 - Gedruckt auf săurefreiem Papier

Inhalt

Geleitwort Danksagung Bildnachweis

1 2

Einleitung

8 10

11

12

Yom Wetter zum Klima

16

3 Das Klima der Vergangenheit

30

Die Kleine Eiszeit 32 Die quarHiren Vereisungen 34 Die Geschichte des Klimas seit der Entstehung der Erde

52

4 Die Luft und das Wasser - die treibenden Elemente des Planeten Die atmospharische Zirkulation 64 Die ozeanische Zirkulation 77

5 Die Funktionsweise der Klimamaschine Luft und Wasser treten in Aktion 90 Eis und Klima 95 Das Leben und das Klima 98

6 Der Mensch und das Klima Die Treibhausgase 110 Folgen der Verstarkung des Treibhauseffektes Das Ozon 132

7 Vorbereitung auf die Zukunft

Literaturverzeichnis

143

108 118

138

88

56

Geleitwort

Klima der Vergangenheit - Klima der Zukunft: zwei faszinierende Fragestellungen, die nicht unabhiingig voneinander, sondern im Verbund miteinander behandelt werden miissen und hier auch behandelt werden; denn wer die Vergangenheit nicht verstanden hat, wird der Zukunft ziemlich hilflos gegeniiberstehen. Hinzu kommt, daB das Klima ein sehr schwieriges, weil ausgepragt multiples (von vielen EinfluBgroBen bestimmtes), komplexes, durch viele vernetzte und nichtlineare Ursache-WirkungZusammenhange gekennzeichnetes, und interdisziplinares Problem ist. Oft genug wird dieser Sachverhalt untersch1itzt. Nur einen Teil der Klimavergangenheit verstehen wir wirklich. Und Klimavorhersagen haben prinzipiell den Charakter bedingter Wahrseheinlichkeitsaussagen. Gerade bei Klimavorhersagen sind daher Simplifizierungen - und entspreehend, yom fachliehen Hintergrund weitgehend "unbelastet" kiihne Aussagen, die zu den Extrempositionen "Klimakatastrophe" bzw. "Klimaverharmlosung" fiihren konnen - iiberaus unangebracht. Sylvie Joussaume fiihrt in gezielten, einfaehen, dennoch fundierten und instruktiven Worten an die Gesamtproblematik des Klimas heran und laBt dabei nie die gebotene Vorsieht bei ihren Aussagen iiber die Klimavergangenheit und insbesondere die Klimazukunft vermis sen. So wird klar, daB wir zwar immens viel, und dies mit atemberaubenden Steigerungsraten, iiber das Klima wissen, jedoch langst noch nieht genug. Weitere intensive und interdisziplinare Klimaforsehung ist daher notwendiger denn je. Zwar kann ein in gut verdauliehen Portionen verfaBter und notwendigerweise im Umfang begrenzter Text nicht aUe Details der Klimatologie beleuchten und daher selbstverstandlich nieht die schon vorliegenden Lehr- und Saehbiicher ersetzen, als allgemeinverstandlieher Einstieg in oder entspreehende Erganzung der Grundtatsachen iiber Klimaprozesse,

Klimarekonstruktion und die mogliehe Klimazukunft ist das Werk von Sylvie Joussaume aber bestens geeignet. Dank des hervorragenden Bildmaterials schildert es Klima nicht nur als einen Problemkreis, der uns aIle interessieren sollte, sondern vermittelt auch viel von der Faszination, die von der Realitat "Klimavergangenheit" und der Herausforderung "Klimazukunft" ausgehen. CHRISTIAN-DIETRICH SCHONWIESE

(im Januar 1996)

Die Prozesse, die die terrestrische Umwelt steuern, sind kom plex. Sie greifen nieht nur in die Atmosphiire, den Ozean, das Eis, sondern auch in die Gesamtheit der lebenden Organismen der Erde (die Biosphiire) ein, eine Tatsache, die lange Zeit vernachliissigt wurde

~

Oanksagung

Ich danke allen Kollegen und Freunden sowie meinen Eltern, die mir wahrend der Arbeit an dem Buch geholfen und mich unterstiitzt haben, insbesondere denjenigen, die sorgfaltig das gesamte Manuskript oder Teile gelesen haben: P. Morel, T. Mourier, J. Jouzel, J.-P. Genin, F. Dubois, C. Flehoc, P. Delecluse. G. Megie. L. Memery, N. de Noblet, F. Mantisi, G. Plouzennec, M. Stievenard und J.-C. Duplessy. reh danke auch allen, die mir mit Begeisterung Zugang zu ihren fotografischen Archiven gestatteten: F. Gasse, R. Bonnefille, J.-R. Petit, M.-F. Courel, N. Metzl, 1. Rasool, J. Jouzel, F. Mantisi, L. Reynaud, D. Raynaud, P. Ciais, M. Deynoux, A. Juillet, J. Guiot, P. Doira, Q. Dahe, E. Lefevre, E. Fautrad, J. et H. Ovarlez, R. Desfoux, R. Michaud, B. Lauriol, D. Tanre, L. Picon, G. Megie, E. et L. Thompson, B. Bourles, I. Fung, E. Michaud, H. Oeschger, G. Lariviere, J. Garratt und P. Newman.

Bi Id nachweis

© CNES, S.81 oben. © CNRS, S.44 oben (Nr. Petit Maire, Laboratoire de geologie du Quaternaire), S. 44 unten (I.-D. Lajoux), S. 102 (S. Heussner), S. 133, 135 (P. Dumas, Service d'aeronomie). © Explorer, S.9 G.-P. Ferrero). S.14 (F. Jalain), S.42 (A. Le Toquin), S. 82 (P. Plisson), S. 108 (Van Bucherl P. Rescar). © GMS/Meteorological SateHit Center - Japan Weather Association, S. 68 oben. © La Villette, S.37 oben und unten, 52. © Meteo France, S.l (Fontaine), S.16, 18 oben und Mitte (nach G. Lariviere), S.18 unten (nach J. Dettwiller) S.21, 27, 60 (Giezendanner), S.73, 76. © Meteosat/ESA, S. 66, 67, 74 oben. © NASA, S.4, S.25 (GISS), S.28, 58, S.61 (S. Bony), S.70, 79, 84, 85, 96, 100, 105 oben, 106, S.111 (GSFC, Base A Experiment), S.112 (GISS), S.113 oben, 113 unten, S.117 (GISS), S.126, 132 (P. Newman, GSFC), S.137 (GSFC), S. 139,140. © Pour la Science, S.104. © Rapho, S.124 0. Ducange). © Sygma, S.19 (Y. Coatsaliou), S. 23,72 (Baldev).

Centre des faibles radioactivites, S.38 links und rechts (A. Juillet), S.45 oben (1. Labeyrie). Laborato ire d'hydrologie et de geochimie isotopique (F. Gasse), Einband, S.30, 43, 56, 120. Laboratoire de glaciologie et geophysique de l'environnement, S.12, 23, 48 unten, 86, 88 (J.R. Petit), S.33, 35 (1. Reynaud), S.48 oben (M. Creseveur), S. 49 (D. Raynaud). Laboratoire de botanique historique et palynologie, S.45 unten 0. Guiot), S.46 oben (M. Reille), Laborato ire de recherche sur les images geographiques (M.-F. Courel), S.24 (rechts), 71. Laboratoire de meteorologie dynamique, S.75 (H. Ovarlez), S.121 oben und unten, 125 oben und unten (H. Ie Treut).

Laboratoire de modelisation du climat et de l'environnement, S.41 (G. Ramstein), S.83 (0. Marti), S.116 oben und 119 (P. Doira). Laboratoire de physique et chimie marine (N. Metzl), S.69 links, 80, 81 unten, 101, 116 Mitte. Nach Climate change, the IPCC scientific assessment, Cambridge University Press, 1990, S. 26, 49 unten bis links, 94, 110 oben und unten, 115, 116 unten, 123 oben und unten. Nach Ocean Circulation, Pergamon Press/The Open University, Oxford, 1989, S. 22, 65 unten, 68 unten, 73 unten, 74 unten, 78, 91 oben und unten. Verschiedene S. 24 links (R. Bonnefille, Laboratoire de geologie du Quaternaire), S.32 (Kunstmuseum de Bale), S.34 (B. Lauriol, Departement de geographie de l'universite d'Ottawa), S.36 rechts und S.49 rechts (nach J. Imbrie et K. P. Imbrie, Ice Ages, Enslow Publishers, New Yersey, 1979), S.36 links (R. Desfoux, CEA), S.40 (© Geological Society of America), S.46 unten (1. G. Thompson, Byrd Polar Research Center/Ohio State University), S. 53 (M. Deynoux, Centre de geochimie de la surface), S.54 (nach 1. A. Frakes, Climates throughout geologic time, Elsevier, New York, 1979), S. 69 rechts (nach W. M. Washington und C. 1. Parkinson, An Introduction to Three-dimensional Climate Modeling, © University Science Books, Oxford University Press, Oxford, 1986), S.92 und 93 oben (Office for Interdisciplinary Earth Studies), S.93 unten (1. A. Frank, Department of physics and astronomy, universite d'Iowa), S.105 unten (The Hale Observatories ), S.114 (E. Lefevre), S.128 (nach World Ocean Circulation Experiment, World Climate Research Programme, 1991), S.129 (P. E. La Violette, Mississippi State University Research Center), S.135 links (nach A. Berger, Le Climat de la Terre, De Boeck Universite, Bruxelles, 1992).

1

Einleitung

Seit einigen Jahren ist das Klima der Erde immer wiederkehrendes Thema auf den Titelseiten der Zeitungen und Zeitschriften. Fassen wir das Problem zusammen: Die industriellen Aktivitaten und die Vernichtung der Walder setzen eine beachtliche Menge Kohlendioxid - als Ruckstand bei der Verbrennung von Kohle, Erdol oder Holz - frei. Das hat zur Zunahme dieses Gases in der Luft gefiihrt, dessen Anteil weiter im Steigen begriffen ist. Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts hat sich die Konzentration urn 25 % erhoht. Zwar macht es nur einen gewissen Anteil an der Atmosphare aus, dennoch gehort das Kohlendioxid zu den Gasen, die den sogenannten »Treibhauseffekt« verursachen: Zusammen mit Wasserdampf, Methan, Schwefeloxiden und Stickstoff ist es fur die ertraglichen Temperaturen an der ErdoberfHiche verantwortIich. Mit der Zunahme der Konzentration riskieren wir in der Zukunft jedoch eine Aufheizung des Klimas. Wenn man sich die SchIagzeilen der Zeitungen und Zeitschriften der vergangenen Jahre ansieht, konnte man glauben, die Wissenschaftler hatten gerade erst entdeckt, daB der Mensch durch sein Tun die Entwicklung des zukunftigen Klimas beeinfluBt. Doch diese Erkenntnis ist nicht neu. Bereits zu Beginn dieses Jahrhunderts hatte der Schwede Swante Arrhenius diesen Gedanken geau6ert, aber fehlende Messungen verhinderten da-

~

Abb.l.l. Das Studium des Klimas anhand von Eisbohrkernf'n aus der Antarktis hat einen engen Zusammenhang zwiscnen den klimatischen Schwankungen in der Vergangenheit und der Entwicklung der Kohlendioxidkonzentration ergeben

1

mals den Nachweis, daB die Konzentration an Kohlendioxid bereits im Anwachsen begriffen war. Man muBte bis zum Internationalen Geophysikalischen Jahr 1957158 warten, bis regelmafsige Messungen der Kohlendioxidkonzentration durchgeflihrt wurden. Daraufhin haben die Wissenschaftler sehr schnell die Konzentrationszunahme entdeckt. Wenn die Emissionen mit der augenblicklichen Geschwindigkeit weitergehen, wird die Konzentration an Kohlendioxid in der zweiten Halfte des nachsten Jahrhunderts doppelt so hoch sein wie heute. Auf der Basis von 1970 haben Wissenschaftler ausgerechnet, welche Auswirkungen solch ein Anstieg des Kohlendioxidgehaltes flir das Klima des 21. Jahrhunderts hatte. Seit dies en ersten Schatzungen sind die benutzten mathematischen Modelle verbessert worden, vor allem hinsichtlich der besser verstandenen Komplexitat des Problems. Aber alle stirn men in der Vorhersage einer Aufheizung des Klimas iiberein, auch wenn die einzelnen Modelle unterschiedliche AusmaBe voraussagen. Warum also diese plotzliche Unruhe? Welche neuen Tatsachen versetzen die Offentlichkeit in Alarmbereitschaft? Vor aHem die 80er Jahre, die die warms ten dieses Jahrhunderts waren, weckten die Besorgnis, daB die Erwarmung bereits begonnen habe (Abb.1.2). Ende 1988, nach der schweren Diirre jenes Jahres in den USA, taten sich einige Wissenschaftler mit der Behauptung hervor, die Erwarmung vorhergesagt, die Offentlichkeit gewarnt zu haben '" andere blieben da vorsichtiger. In Europa wurde die Offentlichkeit nach der Hitze und Trockenheit der Sommer 1989 und 1990 diesem Problem gegeniiber sensibler. 1m Laufe der 80er Jahre setzte sich beim Studium des Klimas der Vergangenheit die Annahme durch, daB das Kohlendioxid eine wichtige Rolle fiir das Klima spielt. Entgegen allen Erwartungen erbrachte eine Tiefbohrung im Eis der Antarktis die Erkenntnis einer betrachtlichen Schwankung der Zusammensetzung der Luft im Laufe der vergangenen

~

Abb. 1.2. Die Durren, die am Ende der 80er und zu Beginn der 90er Jahre dieses Jahrhunderts unerwartet aufeinanderfolgten, haben die Bedenken uber eine Klimaerwiirmung verstiirkt

Einleitung

Jahrmillion und des Zusammenhangs zwischen der Konzentration des Kohlendioxids und der Erdtemperatur (Abb.1.1). Auf dem Hohepunkt der letzten Eiszeit lag der Gehalt an Kohlendioxid urn 25 % niedriger als zu Beginn des Industriezeitalters. Der Mensch war also in kaum 200 Jahren in der Lage, den Gehalt dieses Gases in einem MaBe zu verandern, wozu die Natur viele tausend Jahre benotigte! Und dann kam die Entdeckung des Jahres 1985: Uber der Antarktis wurde zu Beginn des Friihlings auf der Siidhalbkugel ein »Loch« in der stratospharischen Ozonschicht iiber der Antarktis gefunden. Unabhangig yom Anstieg des Kohlendioxidgehalts flihrte diese Feststellung zu einem Wandel der Ansichten. Zum ersten Mal war deutlich geworden, daB das Handeln des Menschen nicht mehr auf lokale Verunreinigungen beschrankt war, sondern den gesamten Planeten beeinfluBte. Diese drei Ereignisse des vergangenen Jahrzehnts haben dazu beigetragen, die Risiken zukiinftiger Klimastorungen bewuBt zu machen. Sie haben sicher eine ausschlaggebende Rolle dabei gespielt, mit welcher Hingabe sich die Medien dieses Problems angenommen haben. Doch wo liegen tatsachlich unsere GewiBheiten und UngewiBheiten, was die Zukunft betrifft? Wie groB ist der Vertrauensgrad in die Modellvorhersagen? Wissen wir genug iiber die Mechanismen, die das Klima, die Bewegungen in der Atmosphare und im Ozean steuern? Sind wir tatsachlich dabei, den natiirlichen Gang der Klimaentwicklung zu verandern? Wie werden sich diese zukiinftigen Anderungen im Verhaltnis zu den vergangenen Schwankungen dieses Jahrhunderts oder Jahrtausends auswirken? Aber vor allem: Was ist Klima?

15

2

Yom Wetter zum Klima

Die Trockenheiten der Jahre 19B9 und 1990 und fiberdurchschnittlich hohe Temperaturen in den Boer Jahren haben die Furcht der 6ffentlichkeit vor einer moglichen Erwarmung der Erde geweckt, was die Forderung nach einer Verminderung des KohlendioxidausstoGes durch menschliches Tun zur Folge hatte. Aber stehen wir wirklich vor der ersten AuBerung einer dauerhaften Veranderung des Klimas oder befinden wir uns einfach innerhalb von Schwankungen des Wetters? Zwischen Hitze und Kiilte, Regen und Trockenheit

Temperatur, Regen und Wind and ern sich im Laufe von Tagen und Jahreszeiten und geben unserem taglichen Leben einen gewissen Rhythmus (Abb.2.1). Das Wetter ist oft Mittelpunkt unserer Gesprache und nimmt einen wichtigen Platz in Tageszeitungen oder im Fernsehen ein. Es tritt in den Vordergrund, wenn es sich als Unwetter, Hitze- oder Kaltewelle, Uberschwemmung oder Trockenheit bemerkbar macht. Erinnern wir uns: 1m Januar 1990 spielte das Wetter verrfickt. Zum wiederholten Male gingen Unwetter fiber Europa nieder. Es war gefahrlich, fiber die StraGe zu gehen, und es gab unzahlige entwurzelte Baume. 1m Gegensatz dazu waren die letzten 15 Tage des Februars erstaunlich mild. Ganz anders die Kaltewelle im Januar 1985, die Paris flir mehrere Wochen unter Schnee begrub, den Verkehr lahmlegte und Menschen in zahllosen Wohnungen unter zugefrorenen Wasserleitungen leiden lieB (Abb.2.2). Zahlreiche Ortschaften waren von der AuBenwelt abgeschnitten

~

Abb. 2.1. Der wiederholte Durchzug von StOrungsfronten pragt das Wetter der gemaBigten Breiten

Abb.2.2. Kalteeinbriiche, wie z. B. in Frankreich wahrend der drei aufeinanderfolgenden Winter 1985-1987, behindern unser tagliches Leben stark; sie sind allerdings nur Auswirkungen klimatischer ZufaiJigkeiten

und ohne Stromzufuhr, da die elektrischen Leitungen unter dem Gewicht der Schneemassen zusammengebrochen waren. Wahrend der folgenden zwei Winter wiiteten weitere Kaltewellen. 1987 wurden in Siidfrankreich die Olivenhaine verwiistet. Die Hitze der Sommer 1989 und 1990 hat die Erinnerungen an diese Kaiteperioden vOllig verdrangt. Es herrschte mehrere Monate lang Trockenheit in Frankreich. FUr Deutschland sei zusatzlich an die heiBen Sommer 1992 und 1994 erinnert. Boden wurden rissig, Bache fielen trocken, Maisfelder verkUmmerten und vertrockneten wie das Getreide, auf dem Feld verdorrte Sonnenblumen saumten die StraBen. Wasser, urn das wir uns kaum jemals Sorgen machen und das wir ohne nachzudenken benutzen, wurde Gegenstand groBter Sorge.

Sobald cine extreme meteorologischc Situation eintritt, beginnt die Angst vor einer dauerhaften Klimaanderung urn sich zu greifen. Die Trockenheiten von 1989 und 1990 haben den Gedanken an eine mogliche Erwarmung der Erde aufgrund einer Anderung der Luftzusammensetzung unleugbar in greifbare Zukunft gerUckt. Und dennoch, einige Jahre zuvor, wahrend Uber mehrere Jahre in Folge Kaltewellen auftraten, beschwor man vielmehr eine eiszeitliche Zukunft fUr unseren Planetcn. Unsere meteorologische Erinnerung ist ziemlich kurz! Extreme Hitze und Kalte sind Zufallstreffer des Wetters! Urn dies zu demonstrieren, genUgt es, die Messungen von Temperatur und Niederschlagen zu betrachten, die seit 1870 an def meteorologischen Station im Montsouris-Park in Paris aufgenommen

19

Temperatur im Winter (OC)

1875

80 85 90 95

1900

05 10 15 20

1925

30 35 40 45

1950

55 60 65 70

1975

80 85

Jahr

Temperatur im Sommer (OC) 22°

1976

1947

21°

22°

1983

21 °

20°

20°

19°

19°

18°

18°

17°

17°

16°

16°

15°

15°

1875

80 85 90 95

1900

05 10 15 20

1925

30 35 40 45

1950

55 60 65 70

1975

80 85

Jahr

Wasserh6he (mm)

900 Abb. 2.3. Die Messungen der Temperatur und der Niederschlage, seit mehr als einem Jahrhundert an der meteorologischen Station Paris-Montsouris fortlaufend aufgezeichnet, zeigen starke Schwankungen des Welters. Die Hundstage der Sommer 1947 und 1976 oder die anhaltende Kiilte des Winters 1962/63 sind extreme Ereignisse, die isoliert betrachtet werden mussen. Es ist unmoglich, daraus eine Tendenz rur die Entwicklung des Klimas abzuleiten

800 700 600 500 400 300 200 100 1800

1820

1840

1860

1880

1900

1920

1940

1960

1980

Jahr 2000

20

2

Vom Wetter zum Klima

werden. Temperatur und Regenintensitat zeigen von einem Jahr zum anderen starke Schwankungen und belegen zahlreiche extreme Ereignisse (Abb.2.3). Auch wenn uns die Trockenheit von 1976 noch recht gut in Erinnerung ist, so haben doch die meisten die Hitze der 40er Jahre verges sen. Insbesondere der Sommer 1947 war heiG und ist den LoireWinzern in Erinnerung geblieben. 1m folgenden Jahr lag wahrend des Sommers 1948 eine gliihende Hitze iiber groGen Teilen Frankreichs. Die jiingsten Trockenheiten sind nichts im Vergleich zu der von 1921, wahrend der nur die Halfte der normalen Regenmenge fie!' Selbst die rauhesten Winter der 80er Jahre konnen kaum mit der Harte der Winter des 2. Weltkrieges oder dem Winter 1962/63 verglichen werden. 1m Januar 1963 litt GroGbritannien und ein Teil Frankreichs unter groGer Kalte. Die Eisenbahnen waren fiir Wochen nicht funktionsfahig. Vor Diinkirchen bildete sich eine geschlossene Eisdecke. In Paris gilt der Winter 1962/63 als der harteste des Jahrhunderts. Vor dem Hintergrund dieser Variationen ist also nichts anomal, sondern nur Ausdruck der Zufalligkeit des Wetters! Man muG sich darUber im klaren sein, daG das Wetter von Natur aus sehr variabel ist und das Auftreten von extremen meteorologischen Verhaltnissen im Bereich des Moglichen liegt. Die Klimaschwankungen geben AniaB zur Vorsicht, und wir sollten uns hUten, aufgrund eines oder selbst mehrerer auGergewohnlicher Jahre die Zukunft vorhersagen zu wollen. Wie kann man Klima definieren?

1m Gegensatz zu Gebieten mit starken saisonalen Wetterschwankungen gelten Amazonien, die Sahara, die sibirische Taiga oder die Antarktis als natiirliche Regionen, mit denen man gern eine Vorstellung von Stabilitat und Ausdruck des Klimas verbindet. Die Einfiihrung des Begriffs Klima basiert auf der Annahme, daG das Zusammenspiel von Temperatur, Niederschlagen und Wind von einem Jahr zum anderen gleichsam im Rahmen der nattirlichen unvorhersehbaren Variationen urn einen quasi festen mittleren Zustand schwanken. Nehmen wir das Beispiel der winterlichen Temperaturen in Paris

iiber die letzten 10 Jahre. Sie schwanken von einem Jahr zum anderen, aber letztlich weichen sie nur wenig - urn einige Grad - von einer mittleren Temperatur von 4°C abo Ebenso schwanken die sommerlichen Temperaturen urn den Wert 18°C. Eine andere Region auf der Erde kann ahnliche Temperaturschwankungen urn einen bestimmten Mittelwert aufweisen, der von den jeweiligen klimatischen Bedingungen abhangt. Bei der Charakterisierung des Klimas einer Region der Erde muB man auf die dort herrschenden mittleren Bedingungen von Temperatur und Niederschlagsmenge fiir jede Jahreszeit zurtickgreifen. Zu dies en werden gleichermaBen die mittleren Werte flir die Schneeverhaltnisse, Wind, Feuchtigkeit - kurz aIle Aspekte der meteorologischen Bedingungen - hinzugefligt. Diese Definition von Klima ist aber noch unvollstan dig. Die Kenntnis von Klima erschopft sich nicht nur in der mittleren Temperatur und anderen atmospharischen Parametern. Die Haufigkeit von Hitze- oder KaItewellen, Uberschwemmungen oder Diirren sind ebenfalls wichtige Charakteristika flir das Klima einer Region. Sie beeinfluBt die Lebensbedingungen auGerordentlich. Anders ausgedriickt: AIle statist is chen Wesensztige des Wetters, Mittelwerte und Abweichungen von Mittelwerten definieren das Klima jeder Region unseres Planet en. Der Begriff mag ziemlich abstrakt erscheinen. Deshalb wird man die klimatischen Charakteristika einer Region mit objektiven mathematischen Mitteln bewerten. Urn sich von den jahrlichen Wetterschwankungen freizumachen, braucht man mindestens tiber 30 Jahre tagliche Messungen, wie sie in zahlreichen meteorologischen Stationen aufgezeichnet werden, urn ein mittleres monatliches Klima zu bestimmen. Aus didaktischen Griinden teilen die Klimatologen die Erde in Regionen ein, die durch ahnliche Temperaturen und Niederschlagsmengen charakterisiert sind. Am gebrauchlichsten ist zur Zeit die Anfang dieses Jahrhunderts von Wladimir Koppen aufgestellte Klassifikation. Sie ist keine zufallige Einteilung, sondern basiert darauf, daB aUe Regionen, die eine sehr ahnliche Vegetation aufweisen, zu einem Klimatyp zusammengefaGt wurden. Die Pflanzen, die auf einer nattirlichen Flache in einer Region wachsen, bilden die klimatischen Bedingungen am besten abo Ihre Entwicklung hangt stark von

Das Weltklima

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Abb. 2.4. Die groBen Klimazonen unterscheiden sich vor aHem durch die jahreszeitlichcn Schwankungen der Temperaturen und der Niederschlage. In den tropischen Regionen kennzeichnet die Regenmenge den Obergang vom tropisch-feuchten Klima (rot) zum Wiistenklima (gelb). In Richtung der Pole nimmt die Temperatur abo In dieser Richtung durchquert man die ozeanischen und terrestrischen gemaBigten Klimate (hell- und dunkelgriln), das boreale und das Tundrenklima (hellblau) bis zu den Daucrfrostgebieten (kiinigsblau)

der jahreszeitlichen Verteilung der Temperatur und dem Wasserdargebot ab (Abb. 2.4). Trotzdem vertragen diese Pflanzen gewisse Schwankungen von Warme, Kalte oder Feuchtigkeit und sind damit eher flir das Klima als die meteorologischen Bedingungen reprasentativ. Bevor wir uns dem schwierigen Problem der Klimaentstehung zuwenden, sollten wir in groBen ZUgen das heutige Klima unseres Planeten darstellen.

. J,

~

Die Verschiedenheit der Klimate

Der Winkel, mit dem die Sonnenstrahlen auf die Erde treffen, ist der Grund flir die Mannigfaltigkeit der Klimate der Erde (Abb. 2.5). In einer Entfernung von 150 Mio. km von der Sonne ist die Erde in ein BUndel von nahezu parallelen Lichtstrahlen getaucht. Am Aquator befindet sich die Sonne genau im Zenit und spendet jeder Parzelle der Erdoberflache Lichtenergie im UberfluK 1m Gegensatz dazu

22

2

Vom Wetter zum Klima

fallen an den Polen die Lichtstrahlen flach ein, so da6 sich ihre Energie auf eine graB ere Oberflache verteilt, was eine Verminderung der verfUgbaren Energie pro Flache zur Folge hat. Hinzu kommen die jahreszeitlichen Anderungen der Sonneneinstrahlung aufgrund des Winkels der Rotationsachse der Erde im Verhaltnis zur Ebene der Umlaufbahn, der Ekliptik. Dieser Zusammenhang zwischen Klima und Einfallen der Lichtstrahlen ist seit der Antike bekannt und hat zur Entstehung des Begriffs selbst gefiihrt, der aus dem griechischen Wort »clima« fUr »Inklination« (Neigung, Winkel) abgeleitet wurde. Es gibt eine gr06e Mannigfaltigkeit der Klimate. Sie reicht von den tropischen Regionen, die das ganze Jahr iiber warm und durch den Wechsel von trockenen und feuchten Jahreszeiten gepragt sind, bis hin zu den gema6igten und polaren Regionen, die einer Abfolge von Wintern und Sommern mit starken Temperaturunterschieden unterworfen sind. Die Pflanzen, Tiere und Menschen mu6ten sich daran anpassen. In der Nachbarschaft des Aquators sind die Regengiisse iiber das ganze Jahr ergiebig (Abb.2.6). Wenn man die Gesamtmenge der jahrlichen Niederschlage gleichma6ig auf den Boden verteilte, wiirde der Wasserspiegel urn 2-3 m steigen, in Indonesien sogar urn 6 m haher sein. In dieser warmen und feuchten Umgebung entfaltet sieh der iippige feuchttropische Regenwald. Vom Amazonas zum Kongo und bis Indonesien bildet der diehte Wald wahre 6kologische Reservate, die sieher mehr als der Halfte der lebenden Arten, sowohl Tieren wie Pflanzen, Schutz geben. Mit der Entfernung vom Aquator zu den Wendekreisen hin wird die feuchte Jahreszeit immer kiirzero Es bildet sich eine Trockenzeit heraus, die sich in den am weitesten entfernten Regionen iiber 8-10 Monate erstrecken kann und die Regenzeit auf die Sommermonate besehrankt. Nur Regionen mit sehr starken Monsunregen, wie Thailand, weisen noch iippige Walder auf. Anderswo verschiebt sich das Verhaltnis der Baume zugunsten von Strauchern und Grasern zunehmend, die die Troekenheit besser aushalten. Von den aquatorialen Waldern Amazoniens oder des Kongo gelangt man in die Savannen von Brasilien, des Sudan oder Indiens. In Riehtung der Wendekreise werden die Baume seltener, und die Steppe tritt vor allem mit hohen

Grasern in Erscheinung. Die Sahel-Region ist dafUr ein gutes Beispiel. Sie zeigt au6erdem, zum gro6en Schaden fUr die Bevolkerung, die sehr starken Schwankungen der Regenfalle und das Problem der Versorgung mit Wasser (vgl. Kapitels). Die bedeutendsten Wiisten der Erde befinden sich auf der H6he der Wendekreise: die mexikanischen Wiisten, Arizona, die Atacama-Wiiste entlang der nordehilenisehen Kiiste, die Sahara, Arabien, die Namib-Wiiste im Siidwesten Afrikas, die Wiiste Thar in Indien, die Wiiste Gobi in Asien und die Wiisten Australiens. Die Wiisten halten die Temperaturrekorde, dennoch sind die Naehte dort manehmal sehr kalt. Die Sanddiinen der gro6en Ergs der Sahara, die den Charakter der Wiiste dort ausmachen, sind nicht typiseh fUr die meisten der Wiistenlandsehaften. Berge und Gerollfelder sind sehr viel verbreiteter, selbst im Herzen der Sahara. Es ist erstaunlieh, welche Pflanzen in diesem ariden Milieu iiberleben k6nnen. Sie nutzen die seltenen Regenfalle optimal aus, die iiber das Jahr verteilt nieht mehr als 10 em ausmachen. Die Bedingungen sind fiir die Mensehen zu rauh, die - mit Ausnahme einiger Oasen, die von einer wasserfUhrenden Sehicht unter der Erdoberflaehe gespeist werden in dies en Regionen nicht se6haft wurden.

Sonnenstrahlung

Abb. 2.5. Eine auf die Erdkugel auftreffende gleichgroBe Menge Sonnenenergie verteilt sich in den hohen Breiten tiber eine vie! groBere Flache als am Aquator; als Folge davon ~immt die verftigbare Energie pro Einheit Erdoberflache vom Aquator zu den Polen ab

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Vom Wetter zum Klima

Abb.2.6. Von den feuchten TropenwaJdern der Berge (Burundi, links) bis zur Wilste (In Guezzarn, irn Niger, rechts) wird das Klima der tropischen Breiten wesentlich durch die lntensitat und die Dauer der Regenzeiten bestimmt

In den nordlicheren Breiten bilden die gemamgten Klimate den Ubergang zwischen der Hitze der suptropischen Klimate und der Kalte der polaren Regionen. Der Ausdruck »gemamgtes Klima« laBt sich sehr gut auf das westliehe Mitteleuropa oder die Westktiste Nordamerikas anwenden, wo die Winter mild und die Sommer vergleichsweise ktihl sind. Das gleiche gilt nicht fUr die weiter im Inneren der Kontinente gelegenen Regionen. Die Entfernung yom Ozean macht die Winter strenger und die Sommer heiBer. Obwohl sie auf demselben Breitengrad liegen, haben die Stadte Bordeaux und Montreal wenig klimatische Ahnlichkeiten. In Bordeaux ist es dank der ausgleichenden Wirkung des Atlantischen Ozeans mit tiberwiegend westlichen Winden

recht mild. Ursprtinglich waren die laubabwerfenden Walder die Charaktervegetation der gemafiigten Regionen. Eichen, Buchen und andere Laubbaume machten den Stolz des franzosischen Waldes aus, aber im Zuge der intensiven Entwieklung der Landwirtschaft sind sie zunehmend verschwunden. Unserer Reise Richtung Pol folgend werden die klimatischen Bedingungen immer lebensfeindlieher. In den groBen Waldern im Norden Kanadas, Skandinaviens, Nordeuropas und der sibirischen Taiga liegt den ganzen Winter tiber eine Schneedecke. Die Laubbaume machen den Koniferen Platz, die die harten langen Winter besser tiberstehen.

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Abb.2.7. Mit Ausnahme weniger Polarstationen, wie jene von Dumont d'Urville auf Ade1ie Land, ist die Antarktis eine weite Eiswliste

Am Polarkreis trotzen der Kalte nur noch die Moose, die Flechten und die Straucher der Lappentundra, der arktischen Boden, der Kilsten Gronlands und der nordlichen Grenzen Asiens. Der »Permafrostboden«, der im Untergrund wahrend des ganzen Jahres gefroren ist, bleibt undurchdringlich und verwandelt sich wahrend des Sommers in eine riesige Schlammpfiltze - eine bevorzugte Domane der Milcken. Jenseits davon herrscht ein Teil des Jahres die Polarnacht. Die Vegetation verschwindet vollig und macht dem ewigen Eis und den Gletschern Gronlands und der Antarktis Platz. Bis auf die Ortschaften der Eskimos und einige isolierte Stationen, wo sich wissenschaftliche Arbeitsgruppen aufhalten, ist Leben selten (Abb.2.7). Die verschiedenen Klimazonen, wie sie hier grob skizziert wurden, erscheinen, zumindest im ZeitmaBstab eines Menschenlebens, unwandelbar. Sie

hangen jedoch von den klimatischen Bedingungen Temperatur, Niederschlage etc. - ab und reagieren empfindlich auf Anderungen des Klimas. Beweise dafilr liefert uns das Studium des Klimas der Vergangenheit (vgl. Kapitel3). Eines der iiberraschendsten Beispiele ist die Sahara, wo vor ca. 6000-8000 Jahren dank des reichlichen Regens Krokodile, Giraffen und Bilffelherden lebten. Eine Erwarmung des Klimas wiirde auf jeden Fall auch eine Veranderung der groBraumigen Klimazonen mit sich bringen, z. B. eine Verschiebung der gemaBigten Walder nach Norden. Ebenso konnten sich, falls die Trockenzeiten wie in den Jahren 1989 und 1990 haufiger werden, die mediterranen Klimagrenzen nach Norden verlagern und hatten dam it erhebliche Auswirkungen auf die Landwirtschaft. Aber konnen wir schon irgendeine Anderung des Klimas feststellen?

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Erleben wir eine klimatische Erwarmung?

Eine regelmaBige Beobachtung der globalen Verteilung der Vegetation konnte ein Mittel fur die Abschatzung der Klimaentwicklung sein. Solche Informationen wurden mit Hilfe von Satellitenradar, das die Erde systematisch uberwacht, zuganglich. Seitdem kann man vom Weltraum aus bestimmte Kennzeichen der Vegetation messen, indem die von der Oberflache aufgenommene und zurtickgeworfene Strahlung in zwei langwelligen Kanalen gemessen wird (Abb.2.8). Blatter reflektieren die Sonnenstrahlung nur wenig. Das liegt an dem in ihnen enthaltenen Chlorophyll. Die Strahlung des blauen und

Vom Wetter zum Klima

des roten Spektralbereichs wird absorbiert, so daB die Blatter grtin erscheinen, wmrend die Strahlung im Infrarotbereich stark gestreut wird. Diese Messungen sind erst seit ein paar Jahren verftigbar und erlauben noch keine Ruckschlusse auf eine merkliche Veranderung des Klimas. Allerdings sind sie sehr nutzlich, urn die Entwicklung der zukunftigen Jahre zu verfolgen. Eine andere Vorgehensweise besteht im Studium der aufgezeichneten Temperatur oder def Niederschlage, urn dadurch eine miigliche Veranderung seit dem Beginn des Industriezeitalters nachzuweisen. Ein leicht verfugbares Beispiel sind die Temperaturmessungen von Paris seit 1870

Abb. 2.8. Der Zustand der Vegetation kann mit Hilfe des Blattflachenindex, der auf der Blattdichte der Pflanzendecke beruht, von Satelliten aus iiberwacht werden

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(s. Abb. 2.3). Zwar verdeutlichen diese AufzeichnunSchirmherrschaft der Internationalen Meteorologigen den jahrlichen Wechsel des Wetters recht gut, schen Organisation (heute: Meteorologische Weltorfur die Diagnose einer Klimaveranderung taugen sie ganisation) ein weltweites MeBnetz fur meteorologidagegen weniger. Tatsachlich kann die Temperatursche Daten (Abb.2.1O). entwicklung an einem Punkt auf der Erde der AusDie Zusammenfiihrung aller existierenden Daten druck lokaler Erscheinungen sein, und es ist nicht yom Festland und yom Meer durch englische und m6glich, daraus Anderungen im globalen MaBstab amerikanische Klimatologen hat eine Erh6hung der abzuleiten. So zeigen die Sommertemperaturen von mittleren globalen Temperatur seit dem Ende des Paris seit 1920 eine letzten Jahrhunderts urn ein halbes Erwarmung an. Temperaturschwankungen 1°C) Grad ergeben Doch was bedeutet 0,4-,-----------------------, diese Tendenz? Seit (Abb.2.9). Zwijener Zeit ist die schen 1920 und 0,2 Stadt gewachsen, 1940 ist die Erwarwas fur sich alleine mung besonders bereits diesen Temmarkant; zwischen peraturanstieg ver-0,2 1940 und 1970 blieb ursacht haben die Temperatur -0,4 kann. Der intensive relativ konstant, Energieverbrauch, urn seit 1975 wieder -0,6 - L - - - - - , - - - , - - - - - - - , - - - - - - - , - - - - - - , - - - , - - - - - - 1 hohe Gebaude, die anzusteigen und 1870 1890 1910 1950 1970 1990 1930 die War me speidie h6chsten Werte Jahr chern, das Fehlen des Jahrhunderts von Vegetation, die Abb. 2.9. Nach Messungen, die seit mehr als einem Jahrhundert an einer zu erreichen. Es ist die Luft durch Ver- groBen Anzahl von meteorologischen Stationen aufgezeichnet wurden, tatsachlich so, daB die mittleren Temperaturen der Erdoberflache urn etwa 0,5 °C angedunstung abkuhlt - sind die 8 heiBesten stiegen. Ais Referenz ist die mittlere Temperatur von 1951-1980 angegeben all dies sind FaktoJahre seit einem ren, die zur ErwarJahrhundert v6llig mung der stadtischen Zonen beitragen. Aile Temunerwartet zwischen 1980 und 1991 auftraten, wobei peraturmessungen in groBen Stadten stimmen das Jahr 1990 momentan den Jahrhundertrekord darin uberein, daB sich die Temperaturen syste- halt. Obwohl die Trockenheiten der Jahre 1989 und matisch aufwarts bewegen. Fur die landlichen 1990 besonders bemerkenswert waren, ist es der Gebiete kann eine ahnliche Tendenz allerdings Sommer 1988, der in anderen geographischen Renicht nachgewiesen werden. Urn also zu bestimgionen eine auBergew6hnliche Rolle spielte. 1m Juli men, ob seit dem Beginn des industriellen Zeital- 1988 brach in Zentralchina Panik aus: Hitzewellen ters bereits eine globale Klimaerwarmung stattgemit Temperaturen bis zu 40 DC forderten zahlreiche funden hat, kann man sich nicht mit lokalen MesTodesopfer. In Nordamerika vernichteten Durre sungen zufriedengeben: Eine Abschatzung der und Hitze einen groBen Teil der Getreideernte, so mittleren Temperatur auf der gesamten ErdoberfladaB noch nicht einmal der lokale Bedarf gedeckt werden konnte. che ist unentbehrlich. Nun, wir verfugen erst seit knapp einem JahrhunLaBt sich die Erwarmung urn 0,5 Grad auch auf dert uber ein glob ales MeBnetz. Seit das Thermomedie durch den Menschen veranderte Zusammensetzung der Atmosphare zuruckfiihren? Manche Wister zu Beginn des 17. Jahrhunderts durch den Hollander Van DrebbeI erfunden wurde, dauerte es senschaftler deuten die vorliegenden Werte in dieJahre, bis die Messungen dank der Vereinheitlichung sem Sinne. Aber die Mehrheit von ihnen glaubt, daB der Instrumente zuverlassig wurden. Daruber hin- weder die Qualitat der Messungen noch unsere aus gab es nur wenige Messungen, die in zufriedenKenntnisse uber die natiirlichen Klimaschwankunstellender Weise die Entwicklung der Temperaturen gen ausreichen, urn zur Zeit sichere Schlusse ziehen aufgezeichnet hatten. Erst seit 1873 gibt es unter der zu k6nnen.

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Die Zuverlassigkeit der Messungen

Die Abschatzung der Temperaturentwicklung in globalem MalSstab ist ein Unternehmen mit FaHstrikken. Vor aHem mulS man, urn eine Klimaanderung zu diagnostizieren, tiber ein gut funktionierendes MelSnetz tiber den gesamten Globus verftigen. Auch wenn nun das meteorologische Stationsnetz auf den Kontinenten gut entwickelt ist, sind die Messungen auf den Ozeanen dagegen zu verstreut, vor aHem auf der stidlichen Halbkugel. Die Daten yom Meer stammen zu einem grolSen Teil von ausgewahIten Handelsschiffen, die wahrend ihrer Fahrt regelmaBig Messungen der Temperatur des Meerwassers und der Luft vornehmen. Es ist schwierig, auf diese Weise die MeeresoberfHiche abzudecken, da die Schiffe bevorzugten Routen folgen. Zur Zeit gibt es etwa 5000 Handelsschiffe gegentiber 9000 Landstationen, obwohl die Ozeane 71 % der Erdoberflache ausmachen. Seit einigen Jahren wird dieses Netz zunehmend durch automatische Bojen erweitert, deren Daten tiber Satellit tibertragen werden. Messungen sind seit kurzem aber auch direkt tiber Satelliten miiglich (Abb.2.ll). Sie erlauben, insbesondere die Klimaentwicklung in der Zukunft zu verfolgen. AuBerdem muG die Unzulanglichkeit des MeBnetzes bedacht werden, denn das meteorologische Stationsnetz, das seit Beginn dieses Jahrhunderts Messungen vornimmt, war nicht immer so dicht wie heute. Afrika und der griiGte Teil des nordamerikanischen Kontinents waren so gut wie nicht abgedeckt. In der Antarktis wurde die erste Dauerstation im Jahre 1957 eingerichtet. Nicht allein die Menge, sondern auch die Qualitat der Temperaturmessungen hat sich im Laufe des Jahrhunderts verbessert. Da die Temperaturwerte davon abhangig sind, wie sie ermittelt wurden, war ein Standard ftir die Messungen erforderlich. In dieser Hinsicht ist das Beispiel der von den Handelsschiffen durchgeftihrten Beobachtungen sehr lehrreich. Bis zu den 40er Jahren wurde direkt durch Eintauchen des Thermometers in das Meerwasser gem essen, indem man einen Eimer mit Meerwasser auf die Brticke 109, urn die Messungen durchzuftihreno Allerdings beginnt das Wasser zu verdunsten, sobald es mit der Luft in Kontakt kommt, und ktihlt sich dadurch abo Mehr noch, solange die Eimermethode eingesetzt wurde, ergaben sich Abweichungen

Abb. 2.10. Urn das Wetter vorhersagen oder die Entwicklung des Klimas nachweisen zu k6nnen, ist die Errichtung eines dichten und kontinuierlichen Netzes von MeGstationen fiir die wichtigsten meteorologischen Parameter (Temperatur, Wind, Druck, Feuchtigkeit) notwendig. Diese meteorologischen Messungen werden in eigens damr errichteten Stationen sowohl auf dem Festland als auch auf dem Meer durchgefiihrt

auch durch die Wahl des Eimermaterials: Leinen, Holz, Plastik oder Metall isolieren das Wasser unterschiedlich! Andere Fehlerquellen treten auch bei Beobachtungen auf dem Festland auf. Dabei kommt es auf den Thermometerstandort an. Das Instrument mulS nicht nur vor der direkten Sonneneinstrahlung geschtitzt werden, sondern ebenso vor der indirekten Strahlung des Bodens, was nicht immer der Fall ist. Wcltweit werden zum Schutz der Instrumente meteorologische Abschirmungen eingesetzt, die

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aber lange Zeit keinen Schutz gegen die Abstrahlung des Untergrundes boten. Des weiteren befindet sich eine groBe Anzahl meteorologischer Station en in groBen SHidten, wodurch eine Abweichung bei der Ermittlung der mittleren Erdtemperatur auftritt: Der Anteil der durch das Stadtklima verursachten Erwarmung kennte in einem Jahrhundert bis zu 0,1 Grad betragen, was die tatsachliche Klimaerwarmung ebenfalls verringern wurde. Die Meteorologen berucksichtigen solche Fehlerquellen so weit wie meglich, urn die Klimaentwicklung des letzten Jahrhunderts so exakt wie meglich abschatzen zu kennen. Uber die erhaltenen Daten besteht zwar noch einige Unsicherheit, das Vorhandensein einer globalen Erwarmung steht jedoch auBer Frage. Ihr Umfang liegt, auf einer genugend breiten Datenbasis beruhend, zwischen 0,3 und 0,6 Grad. Die naturliche Schwankungsbreite des Klimas

Nichts weist bisher darauf hin, daB die beobachtete Erwarmung ausschlieBlich durch den yom Menschen verursachten Anstieg der Treibhausgase verursacht wird. Kann die Natur nicht selbst eine ahnliche Erwarmung erzeugen? Die Antwort auf diese Frage ist noch unsicher. Sie ist notwendigerweise abhangig von einer besseren Kenntnis der sogenannten »natlirlichen« Schwankungen des Klimas, die sozusagen unerwartet, ohne irgendeine Beziehung zu den menschlichen Aktivitaten eintreten. Der Kurvenverlauf der Temperatur, gemittelt tiber die gesamte Erdoberflache, kann darauf eine Antwort geben. Es fallt auf, daB meistens mehrere aufeinanderfolgende Jahre anomal heiB oder kalt sind. Solche Schwankungen tiberlagern die Kurve, die geglattet werden muB, urn die allgemeinen Tendenzen der Temperaturanderungen verfolgen zu kennen. Ebenso muss en Schwankungen tiber mehrere Jahrzehnte berucksichtigt werden. Die Durre im

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Abb. 2.11 a-c. Die Temperaturen der Erdoberflache k6nnen aufgrund von Satellitenmessungen der Infrarotstrahlung der Erdoberflache mit hoher Genauigkeit berechnet werden. Die Temperaturen der Monate Januar (a) und Juli 1979 (b) sowie deren Differenz (Juli minus Januar) (c) zeigen die ausgleichende Wirkung def Ozeane auf die Amplitude def jahreszeitlichen Temperatufschwankungen

Vom Wetter zum Klima

Sahel, die in den 70er Jahren begann, ist daflir ein bekanntes Beispiel. Die Gesamtheit dieser Fluktationen, tiber mehrere Jahre oder sogar Jahrzehnte betrachtet, stellt gleichsam die nattirlichen Schwankungen des Klimas dar. Der Mensch greift offenbar in diesen Ablauf nur wenig ein, denn es erscheinen in dies em Zeitabschnitt keine Sign ale, die auf menschliche Aktivitaten zurtickgeflihrt werden kennten. Die Amplitude, die Frequenz und der Grund ftir die Schwankungen sind nach wie vor noch wenig bekannt. Das auffalligste Beispiel ist das El-NifioPhanomen. Alle 3 oder 4 Jahre wird das Wasser im aquatorialen Pazifik auf der Hehe von Peru anomal warm. Daraus ergibt sich eine Abfolge anomaler Klimaerscheinungen, Uberschwemmungen oder Durren, entlang der gesamten tropischen Zone. Wir werden in Kapitels darauf zuruckkommen. Die nattirliche Schwankungsbreite des Klimas wird nicht nur durch Perioden von einigen Jahren oder Jahrzehnten bestimmt. Die Erwarmung urn 0,5 Grad im Laufe der vergangenen 100 Jahre kennte, zumindest teilweise, eine Schwankung anzeigen, die sich tiber mehrere Jahrhunderte erstrecken wird. Aus dies em Grund schatzen einige Wissenschaftler, daB man noch mindestens 10 Jahre abwarten muB, beY~r man sichergehen kann, daB wir wirklich eine klimatische Veranderung erleben, die aus der anthropogenen Zunahme von Treibhausgas en resultiert. Nach dieser Zeitspanne konnten Vorhersagen realistischer sein, wenn die gemessene Erwarmung die Amplitude der nattirlichen Variation des Klimas uberschreiten wtirde. Vor 1870 waren die Temperaturmessungen leider viel zu selten. Daher ist es sehr schwierig nachzuweisen, ob die seit 100 Jahren beobachtete Erwarmung zu einem natlirlichen Zyklus gehert oder nicht. Das Studium des Klimas der Vergangenheit ist das einzige Mittel, urn die nattirlichen Klimaschwankungen in einem groBeren Zeitraum von mehreren hundert oder sogar Millionen Jahren zu rekonstruieren. Es macht deutlich, wie sich das Klima auf naturliche Weise (im Rahmen der nattirlichen Schwankungsbreite) ohne irgendeine St5rung menschlichen Ursprungs verandert, und betrachtet die seit dem vergangenen Jahrhundert beobachtete Erwarmung unter generellen Gesichtspunkten im Zusammenhang mit der Klimageschichte.

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Das Klima der Verga ngen heit

Nach unserer taglichen Erfahrung ist es nur schwer vorstellbar, daG das herrschende Klima erheblich anders sein ki:innte als heute. Es gibt zwar auGergewi:ihnlich heiBe oder kiihle Sommer, aber sich vorzustellen, daG in der Sahara einstmals ein viel feuchteres Klima herrschte oder daG Skandinavien und Kanada unter 2000-3000 m dickem Eis begraben waren, fallt schwer. Und doch liefert das Studium des Klimas der Vergangenheit Zeugnisse solcher Veranderungen (Abb.3-1). Der Bereich der Forsehung, der sich dies em Phanomen widmet, ist die Palaoklimatologie. Sie spinnt den Faden zuriick und zeichnet die groBen Ziige der Klimaentwicklung auf.

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Abb. 3.1. Die Erdgeschichte ist durch erhebliche klimatische Schwankungen gepragt. In der Sahara und in Tibet findet man Reste von Kalksedimenten, die von einem feuchteren Klima in der Vergangenheit zeugen. Diese Sedimente worden auf dem Grund ehemaliger Seen abgelagert, die seit mehreren Millionen Jahren ausgetrocknet sind und spater der Winderosion ausgesetzt wurden

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Das Klima cler Vergangenheit

Die Kleine Eiszeit Das Vordringen des Eises

Erst vor einigen Jahrhunderten erlebten unsere Vorfahren eine »kleine Eiszeit«, die durch ein kiihleres Klima als das heutige gekennzeichnet war. Tatsachlich waren die Gletscher der Alpen, Alaskas und Neuseelands zwischen 1450 und 1880 weit tiber ihre heutigen Grenzen vorgedrungen. In den Alpen war die Stirn des Bossons-Gletschers gegeniiber der heutigen Position urn mehr als 1000 m weiter talwarts verschoben. Die unterschiedliche Ausbreitung des Eises feillt auf, wenn man Bilder yom Beginn des 19. Jahrhunderts mit heutigen Photos vergleicht (Abb.p).

1m Gelande ermoglicht die Untersuchung von Moranen, die Veranderung der Eisausbreitung genauer zu verfolgen. Ein Gletscher stellt eine gewaltige Eismasse dar, die aufgrund des eigenen Gewichts flieGt. Diese sehr langsame Bewegung, die mit bloBem Auge nicht wahrgenommen werden kann, fiihrt zu einer starken Erosion. Der Gletscher hobelt an seiner Unterseite Gesteinsbruchstiicke ab, schleppt sie mit sich und transportiert sie bis an die Riinder des Eiskorpers. Nach Abschmelzen des Eises bleiben sie an Ort und Stelle liegen und bilden Moranen, deren Verbreitung Riickschliisse auf die alten Umrisse des Gletschers erlaubt (s. Abb. 3.4). Die Kalteperiode erreichte zwischen 1550 und 1770 ihren Hohepunkt. Die damaligen Winter waren streng und schnee reich, und die hungrigen Wolfe

Die Kleine Eiszeit

schlichen urn die Tore der Stadte. In Savoyen wurden Prozessionen abgehalten, urn das Ende des weiteren Vordringens des Eises zu beschworen. Ein so1ches UbermaB an Schnee uberstieg die Vorstellungen der Menschen und inspirierte viele Maler der Epoche, namentlich Breughel den Alteren, im 16. Jahrhundert.

verfolgt werden kann. Fur Frankreich wurde die mittlere jahrliche Temperatur wahrend der Kleinen Eiszeit auf etwa 1 Grad niedriger als heute geschatzt. In den we iter nordlich gelegenen Regionen wie z.B. Holland betrug die Abkuhlung etwa 3-4 Grad verglichen mit den heutigen Mittelwerten. Diese Anderungen mogen gering erscheinen, aber sie machen deutlich, daB die winterlichen Bedingungen erheblich rauher waren als heute.

Chronik der Baumringe

Leider verfugen wir aus dieser Zeit nicht uber Das Ende des mittelalterlichen Optimums instrumentelle Messungen meteorologischer ParaDie Abkuhlung durch die Kleine Eiszeit markierte meter. Urn die Klimaschwankungen zuruckzuverfolgen, miissen die Palaoklimatologen andere Informadas Ende der Bliitezeit der Wikinger und ihrer Kolotionsquellen zu Rate ziehen. Von grof3em Nutzen nien in Gronland. Einige Ruinen erinnern heute sind die zahlreichen noch an diesen Zeitabschriftlichen Zeugnisse schnitt, als gegen Ende des dieser Kalteperiode. Die 1. Jahrtausends Erich der Rate eine bluhende KoloAnzahl der Tage mit zugefrorenen Kanalen in Holnie an den grunenden land, Hochstpreise fur Kusten Gronlands - der Weizen oder die spate »griinen Erde« - griindete. Weinlese sind so1che deutAm Beginn des 14. Jahrlichen Hinweise. Diese hunderts erschienen die Zeugnisse sind jedoch nur ersten Anzeichen einer fur Westeuropa, China und Abkuhlung. Die Gewasser, Japan vorhanden und die die gronlandischen uberdies hinsichtlich TemKiisten umspiilen, blieben peratur oder Niederschlag wah rend langer Monate schwer quantifizierbar. gefroren, und die Kolonie Eine Abkuhlung und war von ausreichendem weniger reichlicher Regen Nachschub abgeschnitten. verlangsamen das WachsDie Kalte beendete eine tum der Baume, was sich klimatisch relativ milde in einem Dunnerwerden Periode, die Nordeuropa der Jahresringe ausdruckt, zwischen 900 und 1200 die sich jedes Jahr im erlebte und die spater als auGeren Bereich des Stamdas mittelalterliche Optimes bilden. Die Dendroklimum bezeichnet wurde. Mit ihr verschwanden der matologie, die sich bei der Untersuchung der KlimaWeizen aus Norwegen und die Weinberge aus GroBschwankungen auf die britannien. Diese klimatiMessung der Dicke dieser Ringe stiitzt, verwendet schen Anderungen sind Abb. 3.2. Seit dem Ende der Kleinen Eiszeit sind die mehr als 1000 Jahre alte jedoch gering im Vergleich Alpengletscher deutlich zuriickgegangen. Auf dem Baume, mit denen der Verzu denen wahrend der groAquarell von Samuel Birmann von 1823 erreichte das lauf der Klimaentwicklung Ben globalen Vereisung im Eismeer den Ort Prats, wahrend sich die Stirn des Gletschers heute um rund 1000 m zun'ickgezogen hat des letzten Jahrtausends Quartar.

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3 Das Klima der Vergangenheit

Die quartaren Vereisungen Eine schwierige BeweisfOhrung

vermutet. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts galten die BlOcke ganz einfach als offensichtliche Hinterlassenschaft der Sintflut. Der Schweizer Louis Agassiz stellte 1837 als erster diese Interpretation in Frage und muBte mehr als 25 Jahre Auseinandersetzung ertragen, bevor seine Theorie allgemein anerkannt wurde.

Das Vorhandensein frliherer Vereisungen wurde lange Zeit ignoriert. Es dauerte bis zur Mitte des vergangenen Jahrhunderts, bis sie liberhaupt erkannt wurden. Tatsachlich gab es keinen schriftlichen oder mlindlichen Bericht aus dieser zurlickliegenden Epoche. Einzig die Geologie kann indirekte Der Verlauf der Vereisungen Belege vergangener Eiszeiten beisteuern. Die ungeBis zur Mitte dieses Jahrhunderts hatten die Geoloheuren Eiskappen der letzten Vereisung hinterlieBen in der Landschaft unausl6schbare Spuren. In gen 4 Eiszeiten nachgewiesen. Da jedoch bei jeder neuen Vereisung die Gletscher weiter vorstoBen Kanada und Skandinavien beobachtet man in grokonnten, vernichteten sie die meisten geologischen Bern Umfang in das Gestein gravierte Schrammen, deren Orientierung die Bewegungsrichtung der Beweismittel der vorhergehenden Vereisung, so daB Gletscher angibt, die die zur Verrugung stediese Regionen bedeckhen den Informationen ten (Abb.3.3). Der durch liber die aufeinanderfoldie Eismassen auf den genden Eiszeiten begrenzt sind. Urn die Untergrund ausgeiibte Druck und die mitgeKlimaentwicklung in der schleppten Gesteine ritzVergangenheit zu rekonstruieren, mulS man ten diese Rillen in das Gestein und formten die andere Beweismittel mit heranziehen. Die Palaoalten glazialen Taler (Trogtaler). Das AusmaB klimatologie machte 1955 der vergangenen Eiszeidurch den Amerikaner ten offenbart sich besonCesare Emiliani, der marine Sedimente unterders durch den Transsuchte, einen groBen port von groBen Schritt nach vorne. Die Gesteinsbrocken 1m Schwebpartikel im MeerGletscher liber bis zu Abb. 3.3. Die quartaren Gletscher haben in die unterlaHunderte von Kilomewasser sinken im Laufe gernden Gesteine, liber die sie sich langsam hinwegbeweg· ten, Striemen eingraviert, deren Verlauf die Richtung der der Zeit auf den Meerestern von ihrem Gletscherbewegung anzeigt. Solche Striemen sind in Skan· Ursprungsort. Diese boden ab und bilden dinavien und Kanada weit verbreitet, wie hier auf der Insel »erratischen Blocke« einander liberlagernde Cape Smith in der Hudson Bay wurden im Gletscher Sedimentschichten. mitgeschleppt und letztUnter diesen Partikeln endlich an dem Ort zurlickgelassen, an dem das Eis befinden sich auch zahlreiche Skelette mariner schmolz, und belegen damit die ursprlingliche Aus- Mikroorganismen. Durch einige 10er Meter tiefe Bohrungen in den Meeresboden kann man diese dehnung des Eises. Die Erklarung flir den Transport dieser enormen Sedimente beproben und die Organismenskelette, GesteinsblOcke durch Gletscher war im vergangenen die vor Jahrtausenden oder Jahrmillionen dort abgeJahrhundert Gegenstand einer groBen Auseinander- lagert wurden, untersuchen (Abb.3.5). Diese Fossisetzung. Da es einleuchtend war, daB die Bl6cke im lien treten unterschiedlich tief in den SedimentVerhaltnis zu ihrem Ursprungsort einen betrachtlischichten auf, und ihr Alter spiegelt so vergangene chen Transport mitgemacht hatten, wurde als Mediklimatische Perioden wieder. Die karbonatischen Bestandteile, die ihre Skelette aufbauen, sind insbeum flir diesen Transport aber Wasser und nicht Eis

Abb.3.4. Moranen werden aus Gesteinsbruchstiickcn unterschiedlicher GroBe aufgebaut, die durch den Gletscher transportiert worden sind. Wenn ein solches Gesteinsbruchstiick die feineren Ablagerungen liberdacht und sie vor Erosion schlitZ!, konnen sich "Feenschlote« oder »Madchenhauben« bilden, wie in Theus in den franzosischen Hochalpen

sondere dank der enthaltenen Sauerstoffisotope der Schlussel zur Rekonstruktion der Vereisungen. Ihre Analyse erlaubt Abschatzungen uber die Schwankungen des AusmaiSes der Eisbedeckung. In der Natur kommen verschiedene Arten von Sauerstoffatomen vor, sogenannte Sauerstoffisotope. Sauerstoff mit der Massenzahl16 ist am verbreitetsten. Daneben gibt es aber auch Atome mit der Massenzahl 18, die stabile Isotope des Sauerstoffs sind und deren Kerne zwei zusatzliche Neutronen enthalten. Nun schwankt mit der Sedimentbedeckung das Verhaltnis von Sauerstoff-18- zu Sauerstoff-16-Atomen, die in den fossilen Kalkskeletten eingebaut

sind. Diese Schwankungen des Isotopenverhaltnisses von Sauerstoff-18 zu Sauerstoff-16 werden von den Palaoklimatologen als Marken der Vereisung benutzt. Wenn sich das Eis auf den Kontinenten ansammelt, nimmt der Anteil der schweren Sauerstoffatome in den Kalkskeletten der mikroskopisch kleinen Organismen, die in jener Epoche lebten, zu. Umgekehrt geht dieser Anteil zuruck, wenn das Eis schmilzt (s. Kasten 3.1). Mit der Isotopenanalyse der marinen Sedimente kann also der Verlauf der Vereisungen in der Vergangenheit zuruckverfolgt werden. Dabei steHte sich uberraschenderweise heraus, daiS das glaziale

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Das Klima der Vergangenheit

Sauerstoffisotope und Eisvolumen (Kasten 3.1.)

Obwohl das Meerwasser wm grbBten Teil aus Wassermolekillen mit Sauerstoffatomen der Masseozahl16 aufgebaut ist, besteht es zu 0,2 % aus Molekillen m it dem schwereren Sauerstoff der Massenzahl 18. Diese kleine Fraklion schwerer Isotope ist eine Quelle fur un sere Kenntnis IIber das Pallloklima. Die MilLionen Kubikmeter Eis, die auf den Kontinenren im Laufe einer Vereisung abgelagert wurden, enlhal ten eine belrachtliche Menge Wasser. Aber dieses Wasser stammt aus Regen und ist relativ arm an schweren Isolopen. Ourch einen Au gleichsprozeB reichern sidtchwere Isotope in dem MaSe im Ozean an wie das Eis auf den Kontinenten anwachst. Oer Isotopengehalt im Meerwasser, definiert nach dem Mengenver-

hallnis von Sauerstoff-18 zu Sauerstoff-16, kann flir die Vergangenheit zwar nichl direkt gemessen, aber anhand von Kalkskeletten mikroskopisch kleiner Organismen, wie den Foraminiferen, bestimmt werden. Oer Anleil der sdtweren Sauerstoffisotope in den KaJkskleletten von Mikrofossilien hangt aber nidtl nur vom Isotopengehalt des Meerwassers ab, das man beslimmen will, sondern auch von der Wa.s sertemperatur, in der diese Organismen gelebl haben. Bei der Bestimmung des IsoropengehaJles der Kalks kelelle kommen al 0 zwei Faktoren gemeinsam zum Ansatz. ZufaLIigerweise eotsprichl die Temperatur des MeerW3.ssers am Oloeanboden in etwa der Temperatur fiir die Eisbildung an der Wasseroberflache. Die e Tatsache basiert auf dem

System, das gegeniiber heute durch eine wesentlich groBere Eisverbreitung gekennzeichnet war, vorherrschte. Hinsichtlich der Dauer reprasentieren die milderen Epochen kaum mehr als 10 % der Zeit. Man muB daher annehmen, daB wir he ute im Vergleich zum Quartar unter klimatisch auBergewohnlich warmen Bedingungen leben. Die Vereisungsrhythmen

Es geniigt nicht zu bestimmen, welche klimatischen Schwankungen in der Vergangenheit erfolgten, son-

Globorotalia menardii und Globigerinoides ruber sind zwei Foraminife-

renuten, die in den tropischen Ober£Iiichengewassern leben Kreislauf der Wassermassen in den Ozeanen: In den Polregionen, wo sich das Meereis bildet, taucht das sehr kalte und salzhaltige Wasser unler die Oberfliidtenwasser ab und breitet sich auf dem Ozeanboden aus (Kapilei 4). Es ist wenig wahrscheinlidt, daB sidt die Temperalur der Ozeanboden wah rend der Vereisungsphasen in bemerkenswerter Weise geandert hal. Die sellenen Foraminifcren, die am Ozeanboden leben, kbnnen daher dazu verwendet werden, die Volumenanderungen des Eises in der Vergangenhei t zu be timmen.

dem es ist ebenso notwendig zu wissen, wann sie sich abgespielt haben. Die Kenntnis des Palaoklimas darf nicht isoliert von dem Problem der Datierung der Ereignisse betrachtet werden. Die klassische Datierungsmethode (Radiokarbonmethode) griindet sich auf die Eigenschaft des radioaktiven Kohlenstoffisotops, des Kohlenstoffs mit der Massenzahl 14. Er befindet sich neben dem vorherrschenden Kohlenstoff-12 in geringer Menge in der lebenden Materie und wird durch die Einwirkung der kosmischen Strahlung auf den Luftstickstoff in der hohen Atmosphare gebildet. Bei der Photosynthese wird er von den Pflanzen aufgenom-

Die quartaren Vereisungen

400

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-

vor

730000 Jahren

1200

-

1600 mehr Eis

-

weniger Eis

Abb.3.6. Mit Hilfe der Bestimmung des Anteils an schweren Sauerstoffisotopen in Skeletten fossiler Mikroorganismen, die am Meeresgrund gelebt haben, konnte die Geschichte der aufeinanderfolgenden Vereisungen im Quartar zurtickverfolgt werden. An demselben Bohrkern aus dem Pazifik im Jahre 1972 durchgefiihrte Isotopen- und Palaomagnetikmessungen haben die Datierung der Vereisungen seit der letzten Umkehrung des Magnetfeldcs vor etwa 730 000 Jahren ermoglicht

Abb. 3.5. Die PaHioklimatologen gewinnen durch mehrere zehn Meter tiefe Bohrungen in marine Sedimente wertvolle Tnformationen tiber die Zusammensetzung des Meerwassers der Vergangenheit

men, wodurch er in die Nahrungskette gelangt. Nach dem Absterben nimmt die Materie keinen weiteren Kohlenstoff-14 mehr auf. Nun ist der Kohlenstoff-14, im Gegensatz zum Kohlenstoff-12, ein instabiler radioaktiver Stoff, der unter Bildung von Kohlenstoff-12 zerfallt. Das Verhaltnis der Kohlenstoff-14- zu den Kohlenstoff-12-Atomen nimmt daher mit der Zeit kontinuierlich abo Dieser Vorgang geht allerdings sehr langsam vor sich. Es dauert 5730 Jahre, bis die Halfte des ursprunglichen Kohlenstoff14 in Kohlenstoff-12 umgewandelt wird. Aufgrund

dieser Eigenschaft konnen tote Organismen zuverlassig bis 30000-35000 Jahre zuruckdatiert werden. Jenseits dieser Grenze muB man auf radioaktive Elemente zuruckgreifen, deren Verfallsdauer Hinger ist als bei Kohlenstoff-14. In den marinen Sedimenten kann die Datierung mit Thorium-230 bis auf 300 000 Jahre zuruck erweitert werden. Fur die tieferen marinen Sedimente liegt der Schlussel zur Datierung in den natiirlichen Schwankungen des Erdmagnetfeldes. In der Vergangenheit hat das Magnetfeld seine Richtung mehrfach gewechselt. Diese Erseheinung ist noch nieht ganz geklart, resultiert aber wohl aus den Konvektionsbewegungen im flussigen Erdkern. Die Richtungsanderungen sind in vulkanischen Laven konserviert, die bei ihrer Abkuhlung die Richtung des jeweiligen erdmagnetischen Feldes zur Zeit der Kristallisation abbilden. Zur Datierung wird die Kalium-Argon-

37

Die quarUiren Vereisungen

Methode angewendet, die die radioaktive Eigenschaft von Kalium mit der Massenzahl 40 nutzt. Referenzdaten von den Kontinenten konnen bei der Datierung mariner Sedimente verwendet werden. Die letzte Umkehrung des Magnetfeldes geschah vor 730000 Jahren und erlaubt es, die Zeitskala der Vereisungsabfolgen festzulegen, die sich wahrend der letzten Million Jahre beinahe periodisch etwa alle 100000 Jahre wiederholt haben (Abb.3.6). Das Klima des letzten glazialen Maximums

Da der Beweis fUr das Vorhandensein von aufeinanderfolgenden Eiszeiten in der Vergangenheit erbracht ist, bleibt zu bestimmen, wie sie das Klima der Erde insgesamt beeinfluBt haben. Es ist noch unmoglich, diese Frage im allgemeinen zu beantworten. Aber die Bemiihungen der Palaoklimatologie haben in den vergangenen Jahren zur Griindung der Gruppe CLIMAP (Climate: Long-range Investigation, Mapping and Prediction) geflihrt. Sie hat sich zur Aufgabe gestellt, das Klima zu rekonstruieren, das vor etwa 20000 Jahren wahrend des letzten groBen EisvorstoBes auf den Kontinenten der Nordhalbkugel vorherrschte. In dieser Zeit bedeckten die Eiskappen einen groBen Tei! Nordamerikas und Europas und reichten bis zur Breite von New York, Manchester, Stockholm und Berlin, was sowohl durch die Moranen als auch durch die erratischen Gesteine, die in diesen Regionen gefunden wurden, bezeugt wird (Abb. p). Wahrend des Maximums der letzten Eiszeit betrug die Gesamtmenge des Eises auf den Kontinenten mehr als das Doppelte des Volumens der heutigen Eiskappen in Gronland und der Antarktis. Die auf 50 Mio. m3 geschatzte zusatzliche Eismenge auf den Kontinenten verursachte wahrend der Eiszeit ein Absinken des Meeresspiegels, der etwa 120 m unter dem heutigen Niveau lag (Abb. 3.8). Durch das Zuriickweichen des Meeres war der Verlauf der Kiistenlinien ganz anders als heute. Zum Beispiel konnte man zu FuB von GroBbritannien nach ~

Abb.3.7. Vor ungefahr 20 000 Jahren erreichte die letzte Vereisung des QuarUirs ihren Hohepunkt. Die Eiskappen von Laurentia und Fennoskandia bedeckten den Norden Amerikas und Skandinaviens (oben). Die heutige Ausdehnung der Vereisung im Bereich des Nordpols ist auf dem unteren Globus dargestellt

Frankreich gelangen, da der Armelkanal nicht iiberflutet war. Nordamerika und Asien waren durch eine nattirliche Briicke an der Stelle der heutigen BeringStraBe verbunden, die den Dbergang von Menschen und Tieren zwischen Asien und Amerika ermoglichte. Das Eis eroberte nicht nur die Kontinente, sondern auch einige auBertropische Meeresregionen. Zum Beispiel reichte das Packeis im Winter bis an die Kiisten Englands. Die Analyse der Mikrofossilien, die zu dieser Zeit in den Oberflachenwassern des Nordatlantik lebten, belegt, daB die Temperaturen zwischen 6-10 Grad unter den heutigen lagen und daB die mit den Oberflachenstromen transportierte War me nicht unsere Kiisten, sondern die Spaniens erwiirmte. Die Abkiihlung erfaBte aber nicht alle Erdteile in gleichem MaBe. So blieben die tropischen Ozeane ausgespart und behielten Temperaturen nahe den heutigen. In unseren Breiten, in denen die Temperaturen etwa 10 Grad niedriger lagen, entwickelte sich ein vollig anderes Klima. Funde von Pollen in Torfgruben und Seesedimenten Europas und anderer Gebiete zeigen, daB Laubwalder einer Grassteppe Platz machten, die ein kiilteres, aber trockenes Klima anzeigen. Auch wenn die Abkiihlung der Tropenregionen weniger ausgepragt war - sie betrug nur etwa 2-6 Grad - , wurde doch die Regenmenge beeinfluBt. Die Wiisten waren weit ausgedehnter als heute, die Monsunregen Indiens waren viel schwacher, und der Regenwald des A!llazonas nahm eine kleinere Flache ein. Alles in allem war das eiszeitliche Klima rauh. 1m globalen Mittel wies es dennoch im Vergleich zum heutigen Klima nur eine relativ schwache Temperaturdifferenz auf. An der Oberflache der Ozeane iiberschritt die mittlere Abkiihlung 2 Grad nicht. An der Oberflache der Kontinente sind die Rekonstruktionsmoglichkeiten der Temperaturen viel zu selten, urn eine globale Abschatzung zu erlauben. Allerdings konnen sie mit Hi!fe von mathematischen Klimamodellen abgeschatzt werden (Abb.3.9, s. auch KapiteI6). Fiir die gesamte Erdoberflache schatzt man, daB das Klima des letzten glazialen Maximums im Vergleich zum heutigen Klima einer mittleren Abkiihlung in der GroBenordnung von 4-5 Grad entspricht. Dies erscheint gering, verglichen mit den Auswirkungen der Klimaveranderung, die damit verbunden war.

39

40

3 Das Klima der Vergangenheit

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Abb.3.8. Das Bild zeigt. daB auf der Nordhalbkugel der Meeresspiegel auf dem Maximum der letzten Vereisung 120 m niedriger lag als heute. so daB die Kontinentalsockel (hellbraun) groBtenteils freigelegt waren (heutige Kontinentumrisse: braun). Nach einer Rekonstruktion durch die Glaziologen des Projektes CLIMAP 1981 erreichten die Eiskappen in Amerika eine maximale Hohe von 3800 m und in Skandinavien von 2500 m. Selbst im August blieb die Oberflachentemperatur des Nordatlantiks sehr niedrig. In wei ten Bereichen der franzosischen Kiiste betrugen sie zwischen 6 und 7 Grad. und das Meereis reichte bis etwa 60° nordlicher Breite (grau)

Die quartiiren Vereisungen MAX. 5.97 MIN ·25.31

4 3 2 1

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·4 ·6 ·10 ·16 · 180

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Abb. 3.9. Mit Klimamodellen kann die Temperatur, die wiihrend des letzten glazialen Maximums an der Erdoberfliiche herrschte, berechnet werden. Wiihrend die Abkiihlung im globalen Mittel im Vergleich zum heutigen Klima 4-5 Grad betrug, erreichte sie in Europa und Nordamerika mindestens 10 Grad. Dies stimmt mit den Ergebnissen aus Pollenanalysen iiberein

Der Mensch im Angesicht der groBen Kiilte

Wenn die klimatischen Bedingungen des glazialen Maximums auch rauh waren, so scheinen sie trotzdem giinstig flir die prahistorischen Jager gewesen zu sein. Die Fauna war damals mannigfaltig und reichhaltig und sicherte auf einfache Weise den Lebensunterhalt. In den Tundren des heutigen Lappland vermehrten sich Rentierherden, die zusammen mit pferden, Biiffeln, Mammuts und Wollrhinozerossen lebten. Die Bevolkerung dieser Epoche, deren bekanntester Vertreter der Cro-Magnon-Mensch ist - Homo sapiens sapiens, ahnlich dem heutigen Menschen beherrschte die Technik, Steine mit doppelseitigem MeiGel oder Schabeisen zu behauen. Ein Charakteristikum der »Rentier-Kultur«, die zwischen 30000 und 10 000 Jahre vor heute herrschte, sind kiinstlerische Aktivitaten. Gravuren, Skulpturen und Gemalde zieren die Wan de zahlreicher Hohlen in Frankreich und Spanien. Der Mensch von Lascaux, der vor etwa 17000 Jahren lebte, erreichte den Hohepunkt der Wandmalkunst in der Ausfiihrung der beriihmten Malereien in den H6hlen der Vezere

(Abb. 3.10). Er malte besonders Tiere, Bisons, Auerochsen oder pferde, aber nur sehen Rentiere, die dennoch reichlich zu seiner Nahrung gehorten. Die Rentier-Kultur und ihr kiinstlerischer Reichtum ging mit dem Ende der Eiszeit zuriick. Alle groGen Saugetiere, Mammuts und Wollrhinozerosse, verschwanden aus bisher noch nicht ganz geklarten Griinden nach dieser Epoche. Das klimatische Optimum

Auch wenn wir heute unter giinstigen klimatischen Bedingungen leben, in einem sogenannten Interglazial, sind es doch keine optimal en Klimabedingungen. Im Verlauf der letzten interglazialen Periode, dem Holozan, war das Klima vor 6000-8000 Jahren wesentlich warmer und wird daher oft als klimatisches Optimum bezeichnet. In Westeuropa lag die Sommertemperatur ungefahr urn 2-3 Grad hoher als heute. Die klimatische Erwarmung fiihrte nicht, wie man vermuten konnte, zu Trockenheit. Tatsachlich herrschte in der Sahara damals eine ausgesprochene

41

Abb. 3.10. Rentierherden waren die Hauptnahrungsquelle flir die prahistorischen Jager, die wahrend des letzten glazialen Maximums lebten. Allerdings wurden sie in Gravuren und Malereien, die die H6hlen aus dieser Zeit schmlicken, nur selten dargestellt. Eine der wenigen Ausnahmen isl die Hiihle von Lascaux

Regenperiode. Mitten in der heutigen Wiiste flossen Bache und weideten von der Nomadenbevolkerung geziichtete Herden. Dies bezeugen Felsmalereien, die in den Klippen von Tassili n' Ajjer im Siidosten Algeriens gefunden und in diesen Zeitabschnitt datiert wurden (s. Abb. 3.12). Gebeine von Elefanten, Giraffen und se!bst Nilpferden, Tieren also, die vie! Wasser brauchen, deuten ebenfalls auf betrachtliche Wasservorrate in heute ariden Regionen hin. Nur reichlicher Regen kann eipe derartige Verwandlung der Umgebung hervorrufen. Dank dieser Regen konnte sich die wasserfiihrende -,chicht bilden, die he ute einige Sahara-Oasen speist. Regen und der damit verbundene Grundwasseranstieg verursachten in diesem Zeitabschnitt einen Anstieg des Wasserpe gels in Seen, die heute fast ganz verschwunden sind. Spuren sind heute noch in den Sedimenten und den Fossilien nachweisbar, die auf den alten Seeboden abgelagert wurden. Zum Beispiel befanden sich die Uferboschungen des Tschad-Sees 800 km weiter nordlich als die heutigen. Der AssalSee bei Djibuti, dessen Oberflache heute unterhalb des Meeresspiegels liegt, lag in jener Zeit fast 300 m hoher. Das feuchte Klima war nicht auf die Sahara begrenzt, sondern hatte sich iiber den gesamten ariden Giirte!, der sich heute von Nordafrika bis Asien erstreckt. ausgebreitet. Dieses Phanomen ist mit einer Verstarkung des Monsunmechanismus verkniipft, der bewirkt. da6 die mit Feuchtigkeit bela-

dene marine Luft weit in das Landesinnere vorstoBen kann, wo sie das iiberschiissige Wasser in Form von wolkenbruchartigen Regen entHiBt. Wahrend des klimatischen Optimums drang die feuchte Luft tief in das Landesinnere vor, wo es noch warmer war, und versorgte heute aride Regionen mit Wasser. So findet man zum Beispie! in Tibet Spurer.. alter Seeufer (Abb.3.11).

Abb.3.11. Diese Kalkablagerungen, die einen See in Tibet begrenzten, bildeten sich vor regen bis weit in das Innere des asiatischen Kontinents vordrangen

Mit dem Regen und der Warme erschien auch die erste Kultur seBhafter Landbauern im Vorderen Orient. Sie markiert den Beginn des Neolithikums vor etwa 10 000 Jahren und fallt mit dem Beginn der regenreichen Periode zusammen. Als sich die Wiiste vor etwa 4000-5000 Jahren wieder ausdehnte, drangte sie die Bevolkerung in lebensfreundlichere Regionen wie das Niltal zuruck.

6000-10 000

Jahren, als die Monsun-

Der letzte klimatische Zyklus

Die Kenntnis tiber das Palaoklima beschrankt sich nicht nur auf das Studium ext remer klimatischer Bedingungen wie das glaziale Maximum und das klimatische Optimum, sondern muG ebenso die Klimaentwicklung im Laufe der glazial-interglazialen Zyklen berticksichtigen. Unsere Kenntnis dartiber

Die quartaren Vereisungen

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weniger Eis

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140

Alter in 1000 Jahren

Abb.3.13. Flir den Verlauf des letzten Glazial-1nterglazialZyklus zeugt der Gehalt an Sauerstoff-18, der in marinen Mikrofossilien gem essen wurde, von einer zunehmenden Anreicherung von Eis auf den Kontinenten. Nach der Analyse fossiler Pollen, in der Gegend von Echets nahe Lyon gefunden, war diese Zeit von erheblichen Schwankungen der jahrlichen Temperatur gepragt

ist im wesentlichen auf den letzten klimatischen Zyklus beschrankt (Abb.3.13). Nach einer milden Periode vor ungefahr 125 000 Jahren, markiert durch einen 6 m tiber dem heutigen Niveau gelegenen Meeresspiegel, folgte eine Phase der Abktihlung. Die Eismachtigkeit nahm zu, und das Eis bedeckte fortschreitend wieder einen graBen Teil der Kontinente auf der Nordhalbkugel. Es dauerte weniger als 100 000 Jahre, bis die Eiskappen ihr maximales AusmaB erreicht hatten. Das ~

Anwachsen der Eismassen geschah dabei in Etappen mit bedeutenden Rtickzugsphasen, in denen das Eis zeitweilig aus Nordeuropa ganz verschwand. Auf den Kontinenten sanken die Temperaturen mit der Ausdehnung des Eises, die mindestens bis Echets (nahe Lyon) nachgewiesen werden kann. Dart verfligen wir tiber ein seltenes kontinentales Temperaturarchiv, das - basierend auf der Analyse fossilisierter Pollen in Torfmoorsedimenten - die gesamte Dauer eines klimatischen Zyklus umfaBt (s. Kasten 3.2). Vor etwa 15 000 Jahren begann die Eisschmelze. In weniger als 10 000 Jahren war das gesamte Eis in Nordamerika und Nordeuropa verschwunden. Verglichen mit der langsamen Bildung der Eiskappen, die sich tiber nahezu 100 000 Jahre erstreckte, scheint das Schmelzen des Eises sehr viel schneller zu gehen. Diese Asymmetrie zwischen der Dauer der Akkumulationsphase und jener des Abschmelzens des Eises ist erstaunlich. Sie wiederholt sich bei jeder Eiszeit, aber ihre Ursache ist noch nicht ganz geklart.

Abb.3.12. 1m Herzen heutiger Wlisten zeugen die Felsmalereien vom Wadi Berjuj in Lyhien (oben) und die Malereien von Tassili n'Ajjer in Algerien (unten) von einem feuchten Klima in der Vergangenheit

Das Eis als Klimaarchiv Die Eiskappen der Antarktis und Gronlands bildeten sich im Laufe der Jahre durch fortschreitende Anhaufung von Schnee und stellen dadurch ein einzigartiges Archiv der Klimaentwicklung dar (Abb. 3-14). Man kann aus dem Eis, das sich im Laufe der Jahrhunderttausende aus Schnee gebildet hat, mit Hilfe von Bohrungen Proben entnehmen und so diese Entwicklung rekonstruieren. Wie flir die marinen Sedimente verfligt man durch immer tiefere Bohrungen tiber eine Moglichkeit, den zeitlichen Ablauf zurtickzuverfolgen. Einige Bohrungen von mehr als 1000 m Tiefe sind unter sehr schwierigen Bedingungen ausgeflihrt worden, die einerseits in der Kalte, aber auch in der Unwegsamkeit im Inneren Gronlands und der Antarktis begrtindet sind. Das schOnste Beispiel liefert ein Bohrkern, der in den vergangenen Jahren bei Vostok, der sowjetischen Station im Osten der Antarktis, - in der kaltesten Region des Kontinents - erbohrt wurde. Dank einer franzosisch-sowjetischen Zusammenarbeit, organisiert durch den franzosischen Glaziologen Claude Lorius, wurde eine mehr als 2000 m tiefe Bohrung durchgeftihrt, die

45

46

3 Das Klima der Vergangenheit

Pollen und Klima (Kasten 3.2.) Auf den Kontinenten werden Pollen, die von den Pflanzen ausgestreut werden, als Indikatoren filr die Rekon struktion paHioklimatischer Bedinguntlen benulzl. Sie sind iiber Jahrmilhonen in den Sediment",n, die sich beispielsweise am Grund von Secn oder Mooren ansammelten, sehr gut erhalten und erlauben die zweifelsfreie Identilizieruni\ von Pflanzen. Da Vegetation und Khma sehr eng mit-

Informationen uber den gesamten letzten glazialinterglazialen Zyklus enthalt (s. Kasten 3.4). Die Analyse der Eisbohrkerne dieser Bohrung gestattet die Rekonstruktion der Temperaturschwankungen im Laufe der letzten 160000 Jahre. Die schweren Isotope des Wassers, die ein Atom Sauerstoff-18 oder Deuterium (das Wasserstoffisotop mit der Masse 2) enthalten, werden bevorzugt fUr die Bestimmung von Temperaturschwankungen benutzt (s. Kasten3.3). Je mehr die Luft abkuhlt, desto mehr nimmt das Verhaltnis zwischen schweren und leichten Isotopen abo In der Vergangenheit folgte die rekonstruierte Temperatur der Luft in der Bohrung Vostok genau den Schwankungen der Eisdicke. Auf dem Maximum der Vereisung, vor etwa 20000 Jahren, war es nahe des Sudpols bis zu 10 Grad kalter. Durch den Vergleich mit der Akkumulation der Eiskappen auf den Kontinenten def Nordhalbkugel ist erwiesen, daG die Klimaschwankungen auf dem gesamten Planeten - innerhalb def Nachweisgrenze - gleichzeitig erfolgten.

Abb.3.14. Der Schnee, der sich jedes Jahr in den Gletschern anhauft, speichert wertvolle Informationen liber das vergangene Klima: Wasserisotope, Wiistenslaub oder chemische Verbindungen. Bei Quelccaya in den peruanischen Anden in 5670 m Hohe lagert sich pro Jahr etwa 1 m Schnee ab und bildet durch feine Staubschichten markante Lagen

einander verbunden sind (KapiteI2), bekommt dadurch Hinweise auf ver· gangene Klimate. Dennoch muB man sich darUber kJar sein, daB diese Kli· mazeugen nur indirekte Hinweise sind und daB ihre Obertragung auf absolute Werte von Temperatur oder iederschlag hejkel ist. Pollenkorn der Zistrose

Die quartaren Vereisungen

Die Bohrkerne des fossilen Eises geben aber auch Auskunft tiber die Anderungen der Zusammensetzung der Atmosphare in der Vergangenheit. In gleichern MaBe wie der Schnee angehauft und zu Eis umgewandelt wird, werden Luftblasen eingeschlossen. Die Analyse der Zusammensetzung der mikroskopisch kleinen Luftblasen liefert uns ein einzigartiges Mittel, die in der Atmosphare der Vergangenheit enthaltene Menge an Kohlendioxid (C0 2 ) zu bestimmen (Abb.3-15). Die sehr kleinen Entnahmemengen erfordern auBerst feine MeBtechniken, urn jegliche eventuelle Kontamination durch die umgebende Luft auszuschlieBen. In bemerkenswerter Weise haben die Bohrungen von Vostok offenbart, daB sich Temperatur und

Kohlendioxidmenge wahrend des letzten klimatischen Zyklus parallel verandert haben (Abb.3.16). Damit wurde zum ersten Mal eine Anderung des Kohlendioxidgehaltes in der Luft nachgewiesen, die offenkundig mit einer Klimaanderung verbunden ist. Die Menge an atmospharischem Kohlendioxid schwankt zwischen 0,03 % ftir die Interglaziale und 0,02 % auf dem H5hepunkt der Vereisung. Das Kohlendioxid absorbiert, wie die anderen atmospharischen Gase, einen Teil der Infrarotstrahlung, die von der Erde ausgesandt wird, und wirft diese Strahlung zurtick auf die Oberflache, was zu dem Treibhauseffekt fuhrt (KapiteI4). In Interglazialen reicht die Zunahme der Kohlendioxidmenge also aus, urn das Klima aufzuheizen. Umgekehrt kUhlt die Ver-

Wasserisotope und Klima (Kasten 3.3.) Wie bereil angernerkt, enthiilt das Wasser verschiedene Isotope. Einige Molekille enthalten ein Sauerstoffatom mit der Massenzahl 18 (anstatt 16) und andere ein Deuteriurnatorn (anstelle eines Wasserstoffatoms). 1m Laufe der Kondensation fi nden 5ich die 5cltwersten Molekiile aufgrund threr "erschiedenen physikalisclten Eigenscltaften bevorzugt in der flUssigen oder festen und weniger in der gasftlrmigen Phase. Dadurclt ergibt sich eine I otopenfraktionierung. Die heutzutage ausgeRlhrten 150topenmessungen uigen, daB siclt das Verhiiltnis der scltweren Isotope im Regen "erringer!, wenn die Temperatur sinkt. Diese Beziehung, die in der Palaoklimatologie am Beginn der Interpretation von Isotopenmes ungen im Eis sIehl, kann mil Hilfe des folgenden einfachen Modells erkHirt werden. Der Wasserdampf verdunstet im wesentlichen in den Iropischen, warmsten Regionen der Erde. Durclt den Verdunstungsvorgang enthiill der Wasserdampf im Verhiiltnis zum Meerwasser etwa I % weniger Sauerstoff-18. Diese feucltte Luftmasse wird anschlieBend polwart transportiert. 1m Laufe der zunehmenden Kondensation durch Abkiihlung der Luft bei Annilherung an die Pole verLiert sie fortscltreitend an Feuchtigkeit. Bei jeder Kondensation verarmt der Wasserdampf in der Luft an chweren 150-

In Wirklichkeit ist der Wasserkreislauf viel kornplexer. als es in den einfaclten Modellen erscheint. Dennoch bleibt die Temperatur der Hauptparameter, der die Isotopenchwankungen wieder piegeh, die in den Ei boh rkernen enthalten sind. und so die Rekonstruktion der Klimaschwankungen Uber die Zeit ermOg· licht.

topen, d ie sich vorzugswe ise im Regenwasser wiederfinden. AuBerdem ist die Temperatur am Ort der Kondensation niedrig, und die Luftmasse hat seit ihrer Bildung eine wiederholte Kondensation mitgemacltt. so daB der Isotopengehalt ~ering ist. An den Polkappen weisen die iederschlage daher 3-5 % weniger Sauerstoff- IS auf als die Qzeane.

Kondensation

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47

48

Das Klima der Vergangenheit

Die Vostok-Bohrung (Kasten 3.4.) Bohrtlirme der Vostok - lal ion im Herzen der Antarkris

das Kerngehause blockiert wird und die BohlunE von neuem begonnen werden muB. Nach der Gewinnung eines Kerns wird da Eis "likenierl und in der Station konservierl. Aber die Mehrzahl der Analysen kann nieht dart ausgeruhrt werden. Damr muB das Eis in KUhlkoffern bis zu den Labors transporriert werden, z. B. in das Laboraloire de Glaciologie in Grenoble, 1010 es in riesigen KuhlsaJen gelagert ",ird. Es iSI leichl verstandlich. daB diese Arbeiten eine erhebliche Logistik benotigen, die in Frankreich z. B. durch das Institut Fran~ai de Recherches el Technologie Polair" erfolgl.

Die Ausfiihrung einer Kernbohrung von 2000 m Tiefe inmitten dec Anlarktis slelit fUr Mensch und Technik eine groBe Herau forderun$ dar. Bei Temperaturen 2WI chen -80 Grad und -40 Grad und mehr als 1000 krn von der KUSle emfernt. ermOglichle eine Mannschatl von etwa 20 Per onen den Dauerbelrieb dec sowjeli chen lalion Vo 10k. Die erSlen Bohrungen wurden '970 begannen, aber erst 1986 war eine Tiefe von 2201 m erreich!. Unler optimalen Bedingun~en hallen zwei lahre lagli cher Albeit, einschliefilich der polaren achl. ausgereichl, urn 1000 m Ei zu dUlehbohren. Aber es sleliten ieh zahllose lechnische Probleme dn. So muBlen mehrere Bohrungen aufge~e ­ ben werden. weil das Bohrgeslange 1m Eis feslsall und niehl mehr gehoben werden konnle. Wenn saleh eine chwierigkeil auflral. muBle von der Oberfliiehe aus eine neue Bohrung begannen werden. 1993 war die 5. Bohrung in der Hoffnung im Gange. den Rekord von 2)46 m zu Ubertreffen. der 1989 mil der vorhergehenden Bohrung erreichl worden lvar. Wenn niehl irgendcin Zwischenfall einlrill.

sollIe es moglieh sein, den Gesteinssoekel in 4000 m Tiefe zu erreich.. n. Die 2000 m Eisproben sind durch forlschreitende Forderung von mehreren hundert Bohrkernen von je 3 m Uinge geborgen worden. Da.:; Bohren aus dem Eis wird mil Hilfe eines Kerngehauses vorgenommen, das mil einem heizbaren WiderslaDd und einer Pumpe veTSehen iSI. die das am Konlakt zurn Kerngehiiu e geschmolzene Ei vorsichtig abfilhrt, damil das Eis nichl aufs cue gefrierl und das Kerngehause blockiert. In anderen Bohrungen ist das Kerngehause mil einem Me sersy tem ver ehen. Welche Technik aueh venvendel wild. die Bohrung rUhrl durch ein Loch von etwa 15 em Durchmesser in das Eis und endel in mehreren zehn bis einigen lausend Metern Tiefe. Um zu verhindern. daB die Zwi chenwande der Bohrfiihrung unler dem ehr larken Druck des umgebenden fises zusam mengeprel.lt werden. fi1l1t man da Loch mil Kerasin. einer genUgend dichlen FIUssigkeil, die mit Wasser nichl misehbar isl und deren Gefrierpunkl ehr niedrig liegl. Trotz all dieser Vorsicht kann es pa.:;sieren, daB

Claude Lorius. der den AnstoB zur franztssisch-ru sischen Zusammenarbeit rUr das Eisbohrprojekt in der Mlarktis gab

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Abb.3.15. Die Eiskristalle schlieGen winzig kleine Luftblasen ein, die AufschluG tiber die frtihere Zusammensetzung der Atmosphare an Kohlendioxid und Methan gcben

L.T

cC

Tiefe (m)

500

1000

1500

2 0 -2 -4 -6 -8 -10

2000

L.T

°C

Die astronomische Klimatheorie

Warum ist die Erde regelma6ig Vereisungen unterworfen? Worin liegt der Ursprung des 1000oo-Jahres-Rhythmus, der das Auftreten dieser Vereisungen steuert? Daruber hinaus stellt sich die Frage, wie die Entwicklung des Klimas wahrend der letzten 2 Mio. Jahre zu deuten ist. Bevor das genaue Alter der aufeinanderfolgenden Vereisungen bekannt war, wurde gegen Ende des letzten Jahrhunderts eine astronomische Klimatheorie vorgeschlagen. Diese Theorie war ab 1924 insbesondere durch den jugoslawischen Mathematiker Milutin Milankovich entwickelt worden, Sie grundet

2 0 -2 -4

-6 -8 -10

ppmv

300 280 260 240 220 200 180 C02 0

ringerung der Kohlendioxidmenge den Planeten in glazialen Perioden abo Das Kohlendioxid verstarkt durch seine Schwankungen die klimatischen Veranderungen zwischen glazialen und interglazialen Perdioden. Daraus darf man jedoch nicht folgern, da6 das Kohlendioxid der Motor fUr Vereisungen ist (Kapitels).

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Die quartaren Vereisungen

ppmv

40

80

120

300 280 260 240 220 200 180 160 CO2

Alter lin 1000 Jahren v. Chr.)

Abb.3.16. Nach den Ergebnissen der Bohrung Vostok in der Antarktis wiesen die Lufttemperatur, abgeleitet aus der Ana· lyse der Isotope im Wasser des Eises, und die Kohlendioxidkonzentration in der Luft, gemessen in Luftblasen, im Verlauf der letzten 160 000 Jahre parallel verlaufende Schwankungen auf

.- 100 000 Jahre c

0

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-10 -2 .0 -30 -40

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Lange Abb. 6.11. Aile nllmerischen Klimasimulationsmodelle sehen im Faile der Verdopplung der Kohlendioxidkonzentration eine Erwarmung vor. Die am starksten davon betroffenen Regionen werden die polaren Breiten sein. 1m Winter wird dort mit einem Temperaturanstieg urn bis zu 10 °C gerechnet, wie die Karlen der Temperaturschwankungen fii r die Zeitraume DezemberJanuar-Februar Coben) und Juni-Juti-August (unten) nach Modellen des Laboratorillms fiir Dynamische Meteorologie (CNRS) zeigen

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6

Der Mensch und das Klima

Nach diesen Modellen wtirde sich die Temperatur an der Erdoberflache im Fall einer Verdoppelung des Kohlendioxids urn etwa 2-4 Grad erhohen. Eine Verdoppelung des Kohlendioxids ware bei der heutigen Emissionensrate aller Treibhausgase zusammen bereits im Jahre 2030, in knapp zwei Generationen, erreicht. Eine Erwarmung urn 4 Grad mag, hinsichtlich der jahreszeitlichen oder selbst taglichen Schwankungen, mit denen wir leben, bescheiden erscheinen. Aber ein Unterschied von einigen Grad im globalen Mittel darf nicht vernachlassigt werden. Das lehrt uns die gar nicht weit zuriickliegende Klimageschichte. Die Abkiihlung wahrend der Kleinen Eiszeit, in der unsere Vorfahren viel rauhere Winter erlebten und einem VorstoB der alpinen Gletscher beiwohnten, tiberstieg 1 Grad nicht. Auf dem Maximum der letzten Eiszeit vor etwa 20000 Jahren lag die mittlere globale Temperatur im Vergleich zu heute nur 4-5 Grad niedriger, aber die Gletscher bedeckten den Norden Europas und Amerikas. Ein mittlerer Temperaturanstieg urn 4 Grad an der Erdoberflache bedeutet zweifellos keine einheitliche jahrliche Erwarmung urn 4 Grad an jedem Punkt der Erde. Die tropischen Regionen wtirden mit einer jahrlichen Erhohung von 2-3 Grad davon am wenigsten bertihrt. Statt dessen sagen aIle Modelle eine starke Erwarmung in den Polargebieten voraus, die im Herbst und Winter durchaus 10 Grad erreichen konnte und teilweise zu einem wesentlich spateren Auftreten des Packeises ftihren wtirde. Die intensive Erwarmung der Polargebiete konnte positive Auswirkungen insbesondere auf die Lebensbedingungen in Sibirien und Nordkanada haben. Gleichzeitig hatte sie aber katastrophale Folgen, wenn durch sie auch nur ein geringes Abschmelzen der riesigen Eiskappen Gronlands und der Antarktis ausge16st wtirde.

Ein Anstieg des Meeresspiegels

Wenn die Temperatur ansteigt, beginnt das Eis zu schmelzen und ftihrt so dem Ozean StiBwasser zu. Das Schmelzen des Packeises wird an der Meeresspiegelhohe nichts andern, denn nach dem Gesetz von Archimedes verdrangt Eis im Wasser das glei-

che Volumen wie im geschmolzenen Zustand. Aus demselben Grund verursacht das Schmelzen von Eiswtirfeln in einem gestrichen vollen Glas kein Uberlaufen, auch wenn man das eventuell vermuten konnte. Dies gilt aber nicht fiir das Eis auf den Kontinenten, den Gebirgsgletschern oder Polkappen. Ihr Schmelzen nahrt die Fltisse und Strome, die sich in die Ozeane ergieBen. Dariiber hinaus kann die ErhOhung des Meeresspiegels durch die Bildung von Eisbergen verstarkt werden, die ebenfalls zur Erhohung des Wasservolumens in den Ozeanen beitragen. Das aus dem Abschmelzen des gesamten Eisbestandes der Antarktis stammende Wasser wtirde, gleichmaBig auf die Meere verteilt, den Meeresspiegel urn 70 m erhOhen. Zum Vergleich: Das Schmelzen des Gronlandeises wtirde eine Erhohung urn 7 m verursachen, das der Gebirgsgletscher urn nur 35 cm. Dennoch brauchen wir solehe katastrophalen Szenarien nicht zu beftirchten. Selbst wenn die Erwarmung in den hoheren Breiten etwa 10 Grad erreichen wtirde, bliebe das Thermometer auf dem groBten Teil des antarktischen Kontinents, wo heute Temperaturen von -20 C an der Kiiste und -50 Grad im Festlandinnern herrschen, wohl jenseits der kritischen Schmelztemperatur. Es ist im Gegenteil eher wahrscheinlich, daB eine Erwarmung von reichhaltigeren Schneeniederschlagen begleitet sein diirfte. Die Eiskappe wiirde also nicht schmelzen, sondern im Volumen noch zunehmen. Dieser zusatzliche Schnee, im wesentlichen aus der Verdunstung des Meerwassers resultierend, wtirde den Meeresspiegel daher absenken. Andererseits kann das Risiko eines teilweisen Abschmelzens der antarktischen Eiskappe in einigen Jahrhunderten nicht ausgeschlossen werden. Insbesondere die Destabilisierung des Westantarktischen Schelfeises ist oft beschworen worden. Hier ruht das Eis zu einem groBen Teil auf einer Unterlage, die unterhalb des Meeresspiegels liegt. Von daher konnte dieses Gebiet empfindlicher auf eine anhaltende Erwarmung reagieren. Das Eis konnte beginnen, tiber den darunterliegenden Boden abzugleiten, der kaum Relief aufweist. Riesige Eisberge wtirden sich in die stidlichen Gewasser ergieBen und eine Erhohung des Meeresspiegels urn 5 m verursachen, wovon zahlreiche bewohnte Gegenden betroffen waren. Wie dem auch sei, die Vorhersage, ob soleh ein Szenario im Bereich des Moglichen liegt 0

Folgen der VersHirkung des Treibhauseffektes

und wann es eintreten konnte, ist sehwierig, da unsere Kenntnis der Eisdynamik noeh reeht begrenzt ist. 1m Laufe der naehsten Jahrzehnte tendieren die Gebirgsgletseher und die Randbereiehe der Eiskappe Gronlands eher dazu zu sehmelzen. Aus Modellen abgeleitete Vorhersagen erlauben die Absehatzung, daiS das Riieksehmelzen dieser Gletscher bis zum Jahre 2030 zu einer Erhohung des Meeresspiegels von 3-14 em fiihren konnte. Wir sind also von einem katastrophalen Szenario noeh weit entfernt. Aber dieser ProzeR ist nieht die einzige Ursaehe fUr den Meeresspiegelanstieg, denn es kommt noeh die thermisehe Ausdehnung des Wassers hinzu. Die Diehte des Meerwassers nimmt mit steigender Temperatur zu; aueh wenn die Masse des Wassers gleiehbleibt, wird sein Volumen bei einer Klimaerwarmung ansteigen. 1m Hinbliek auf das Jahr 2030 konnte dieser Proze6 weitere 7-15 em hinzufiigen und dam it den Wert des Meeresspiegelanstiegs verdoppeln. Insgesamt ist also bis zum Jahre 2030 ein Anstieg von 10-30 em vorhersehbar, wenig im Vergleieh zu den 3 m pro Jahrhundert, die sieh auf dem Hohepunkt der Eissehmelze am Ende der letzten Vereisung, vor etwa 10 000 Jahren einstellten. Trotzdem wiirde der vorhergesagte Anstieg eine weitere Zunahme im Vergleich zu der jiingsten Vergangenheit bedeuten, als sieh der Meeresspiegel allein im Verlauf des vergangenen Jahrhunderts, moglieherweise teilweise dureh die Erwarmung des Klimas seit dem Ende der Kleinen Eiszeit, urn 10-20 em erhohte. Unsere Absehatzungen der Meeresspiegelsehwankungen in der jiingsten Vergangenheit sind wenig verlaRlieh, da vollstandige MeBreihen, die angemessen iiber den Erdball verteilt sind, nur in besehrankter Anzahl vorliegen. Dariiber hinaus werden die a11gemeinen Sehwankungen des Meeresspiegels von zahlreichen lokalen Einfliissen iiberlagert, die die Messungen verfalschen: Absenkung von Kiistenregionen unter dem Gewieht der von Fliissen ins Meer transportierten Sedimente oder dureh das intensive Abpumpen von Wasser- oder Erdolhorizonten, lokale Sehwankungen des Meeresspiegels aufgrund tektoniseher Auswirkungen. Zahlreiehe Phanomene verandern das relative Niveau des Meeres und als Konsequenz den Verlauf der Kiistenlinien, ohne global das Volumen der Ozeane zu beeinflussen. Der Festlandsoekel von Skandinavien hebt sieh bei-

spielsweise seit dem Absehmelzen des Eises am Ende der letzten Eiszeit. Dieser ProzeB des isostatischen Ausgleichs ist die Reaktion auf das Absinken der Erdkruste, das dureh das Gewieht des Eises verursaeht wurde. Er ist das Ergebnis der Elastizitat der tieferliegenden Schichten der Erde, auf denen die Kontinente sehwimmen. In dies em Gebiet beobaehtet man eine seheinbare Absenkung des Meeresspiegels, die durehsehnittlieh 50 em pro Jahrhundert erreieht. Das Ansteigen des Meeresspiegels wird natiirlieh nieht im Jahre 2030 aufhoren. 1m Jahre 2100 konn-

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des Meetes~gels (em)

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Abb. 6.12. a Rei gleichbleibender Treibhausgasemissionsrate kann bis zum Ende des naehsten Jahrhunderts mit einem Meeresspiegelanstieg urn 30-40 em gerechnet werden. b Seit cinem Jahrhundert ist der Meeresspiegcl, global gemitteit, urn 10-15 em angestiegen

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6

Der Mensch und das Klima

Abb.6.13. Zahlreiche Kiistenregionen wiirden durch ein Ansteigen des Meeresspiegels bcdroht werden; sowohl die hiiufig sehr stark bevolkerten Deltagebiete als auch die Atolle des Pazifik

ten wir mit einer Erhohung konfrontiert sein, die zwischen 30 und 100 cm hoher liegt als heute. Indessen ist die Unsicherheitsspanne groB. Sie hangt sowohl von der Geschwindigkeit der Emissionen an Treibhausgasen als auch von der Reaktion des Ozeans auf die Storungen ab, die durch die Industrialisierung ausgelost wurden. Denn die Konvektion im Ozean dauert sehr lange und liegt im Bereich von Hunderten oder Tausenden von Jahren (KapiteI4). Selbst wenn sich die Konzentration der Treibhausgase urn einen konstanten Wert stabilisierte, wiirde sich die langsame Erwarmung der Ozeane noch eine ganze Anzahl von Jahren fortsetzen (Abb.6.12). Man kann sich Ieicht vorstellen, welche Konsequenzen ein Anstieg der Gewasser urn einen Meter pro Jahrhundert Mtte. Nicht nur die Regionen direkt am Meer, wie die Niederlande, waren bedroht, sondern ebenso alle flachen Gegenden, wie die Deltas der groBen Fliisse Nil, Niger oder Ganges, die im allgemeinen sehr dicht besiedelt sind, weil sie fruchtbarer sind als die benachbarten Gegenden.

Bin Anstieg der Meere urn 50 cm wiirde einen erheblichen Teil der Landesoberflache von Bangladesch iiberfluten und Millionen Menschen zwingen, die durch das Meer fortschreitend iiberschwemmten Gebiete zu verlassen. Zahlreiche Inseln und Atolle, die nur knapp tiber den Meeresspiegel hinausragen, waren ebenso bedroht (Abb.6.13). Die Malediven beispielsweise liegen im Durchschnitt 2 m tiber dem mittleren Meeresspiegel. Wie werden sich die Niederschlage in der Zukunft verteilen?

Die klimatische Erwarmung wird auch eine Anderung der Regenmenge mit sich bring en: Ein Anstieg der Temperaturen fordert die Verdunstung an der Meeresoberflache und hat als Ausgleich betrachtliche Niederschlage zur Folge. Allerdings wiirden nicht alle Gebiete in gleicher Weise von diesen Anderungen betroffen sein. Das Problem liegt daher in der Vorhersage der regionalen Auswirkungen (Abb. 6.14).

Folgen der VersHirkung des Treibhauseffektes

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Abb. 6.14. Die vorhergesagte Erwiirmung des Klimas im Faile der Verdopplung der Kohlendioxidkonzentration wiirde unver· mcidlich von bedeutenden Veranderungcn der Nicderschlage begleitet werden. Dies zeigen die geschatzten Veranderungen (in mm/Jahr) fur Dezember-Januar-Februar (oben) und Juni-Juli-August (unten) nach Modellen des Laboratoriums fur Dynamische Meteorologic (CNRS)

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Folgen der VersUirkung des Treibhauseffektes

Bei dieser Gelegenheit muB man darauf hinweisen, daB die regionalen Vorhersagen aufgrund der Modelle unterschiedlich sind. Die Raster, mit denen die Modelle arbeiten und die Erdoberflache aufteilen, sind mit 250-500 km Seitenlange sehr grob. Innerhalb dieser Rasterelemente wird nur ein einziger Mittelwert fUr die Temperatur, den Niederschlag und den Wind beriicksichtigt. Frankreich ist zum Beispiel in 4 oder maximal 8 soleher Elemente aufgeteilt, von denen jedes einen einzigen Rasterpunkt fUr das Modell darstellt. Auf diese Weise werden z. B. die groBen Gebirgsketten nivelliert. So weist der Himalaja, dessen Erhebungen in jedem Rasterelement gemitteit werden, eine geglattete Hohe von gerade 5000 m auf, und die hochaufragende Barriere der Anden erreicht 1500 m. Daraus ergibt sich eine unvollkommene Wiedergabe der regionalen klimatischen Charakteristika, insbesondere fUr die Regen, die auf die Anwesenheit von Gebirgsbarrieren sehr empfindlich reagieren. Dariiber hinaus geben die Modelle aufgrund der natiirlichen Komplexitat des Prozesses die meteorologischen Ph an om ene, die den Regen hervorrufen, oft nur sehr schematisch wieder. Die Modelle stimmen darin iiberein, daB auf einer warmeren Erde in den Tropen und in den hoheren Breiten reichlichere Regenfalle auftreten werden. Insbesondere der indische Monsun konnte intensiver werden: Angetrieben durch einen verstarkten thermischen Gegensatz zwischen Kontinent und Ozean wiirde die Meeresluft weit in das Innere des Festlandes eindringen und dort ihren UberschuB an Feuchtigkeit in wolkenbruchartigen Regen abladen. Die Vergangenheit beweist, wie empfindlich der Monsun auf klimatische Veranderungen reagiert: In Vereisungsperioden war der Monsun schwach ausgepragt, wahrend der warmeren Perioden war er wesentlich intensiver (Kapite13). Ergiebigere Regen in den Tropen wiirden zwar giinstigere Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben, aber sie konnten haufiger von verheerenden Wirbelstiirmen begleitet sein. Diese entwickeln sich in ozeanischen Regionen, in denen die Wassertemperatur 27°C iiberschreitet. Die Ausdehnung dieser

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Abb. 6.15. Die Verbreitung der Wolken und ihre Strahlungseigenschaften sind die Hauptgriinde fUr die Schwierigkeiten bei der Vorhersage durch Klimamodelle

Regionen wird im Faile einer globalen Erwarmung aber zunehmen. Dennoch handelt es sich hierbei mehr urn MutmaBungen als urn Vorhersagen, denn die Bildungsbedingungen von Wirbelstiirmen sind nach wie vor nicht vollig geklart, und mit Modellen werden diese kleinmaBstablichen Phiinomene bisher nur unvollkommen erfaBt. Fiir unsere Breiten sagen die Modelle reichlichere Regen im Winter, aber trockenere Sommer voraus. Einen Vorgeschmack auf diese Situation haben uns die Trockenheiten von 1989 und 1990 in Europa und 1988 in den USA gegeben. Wenn solehe Ereignisse haufiger auftreten, werden unser Leben und die wirtschaftlichen Aktivitaten sicher davon beeinfluBt werden. Wiirden die groBen Ebenen im amerikanischen Mittelwesten austrocknen, hatte das den Niedergang der intensiven landwirtschaftlichen Nutzung als Weizenkornkammer der Welt zur Folge. Das Wasser, das wir ohne Bedenken verbrauchen, als handle es sich urn eine unerschopfliche Quelle, konnte in naher Zukunft Gegenstand groBerer Besorgnis werden. Man muB sich jedoch davor hiiten, daraus abzuleiten, daB die Diirren, die wir seit einiger Zeit erleben, bereits Zeichen einer globalen Erwarmung sind, da die natiirliche Schwankungsbreite des Klimas eine solehe Aussage nicht erlaubt (KapiteI2). Erwarmung und Veranderung der Regenverteilung wiirden Riickwirkungen auf die Okosysteme haben. Eine Verschiebung von Vegetationszonen in Richtung der Pole ist das wahrscheinlichste Szenario. Man schatzt, daB sich die Walder pro Grad globaler mittlerer Erwarmung urn 100 km polwarts verschieben konnten. Das Studium des Klimas der Vergangenheit zeigt uns, daB sich die Vegetation, die Tiere und die Menschen an klimatische Veranderungen anpassen konnen. 1m vorliegenden Fall konnte die Geschwindigkeit der Evolution ihre Anpassung aber behindern. Dariiber hinaus konnten Baume und Pflanzen durch den klimatischen StreB empfindlicher gegen lokale Verunreinigungen wie den sauren Regen reagieren. So scheinen die Trockenheiten der Jahre 1976 und 1983 in Europa zu einer tiefgehenden Schadigung der Walder in den Voges en, in Ostdeutschland und in Polen gefUhrt zu haben. Dagegen wirkt die Kohlendioxidkonzentration, durch die Begiinstigung der Photosyniliese, direkt auf die Okosysteme ein. In einem Milieu mit mehr Kohlendioxid wiirde das Wachstum gewisser Pflan-

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Abb. 6.16. Die ozeanische Zirkulation und ihre Kopplung an die Atmosphare stell en nach wie vor die grundsatzlichen Schwierigkeiten bei der Klimamodellierung dar. Dies betrifft insbesondere die Darstellung der ozeanischen Wirbe!, die sich im Maf5stab von mehreren Zehnern von Kilometern entwickeln

Folgen der Verstarkung des Treibhauseffektes

zen aktiviert. In welchem MaB gleicht dieser ProzeB aber die negativen Auswirkungen einer schnellen Erwarmung aus? Unsicherheiten der Vorhersage

Fiir eine Verdoppelung der Kohlendioxidkonzentration sehen die meisten Modelle eine Erwarmung in der GroBenordnung von 2-4 Grad vor, die gesamte Bandbreite der Vorhersagen erstreckt sich aber iiber 1,9 bis 5,2 Grad. Dabei ist erstaunlich, daB beide Versionen mit demselben Modell erreicht wurden. Lediglich die physikalischen Vorgaben fUr die Wolken waren verschieden (Abb.6.15). Bei den existierenden Modellen werden physikalische Prozesse in Wolken nur grob schematisiert beriicksichtigt. In der Natur bilden sich Mikrotropfchen zuerst urn Kondensationskerne. Diese Mikrotropfchen bleiben in der Luft in lockerem Verb and und bauen die weiBen Wolken auf, die yom Wind fortbewegt werden. Damit Regen ausgelost wird, miissen die Wassertropfchen geniigend groB und schwer sein, urn nach unten zu fallen, was sich in einer Abschwachung der solaren Einstrahlung ausdriickt. In einigen Modellen wird davon ausgegangen, daB der UberschuB an Feuchtigkeit sofort unter Bildung von Regen oder Schnee ausfallt, sobald die Luftfeuchtigkeit iiber die reine Sattigung an Wasserdampf hinausgeht. In anderen Modellen wird indessen eine gewisse Menge Wasser in Suspension gehalten, was wiederum zu Riickkopplungen fiihrt, von denen einige negativ sind. Zum Beispiel werden in einer warmeren Atmosphare die Eiswolken durch Wasserwolken ersetzt. Wassertropfchen sind aber normalerweise viel kleiner und leichter als Eiskristalle, und sie bleiben viellanger in der Luft, bevor sie als Niederschlag fallen. Der Ersatz der Eiswolken durch Wasserwolken erhOht daher die Triibung und begiinstigt eine groBere Reflexion der Lichtstrahlen. Eine kiirzlich durchgefUhrte Simulation, die diese zusatzlichen negativen Riickwirkungen beriicksichtigt, hat ergeben, daB die berechnete Erwarmung von 5,2 Grad auf 1,9 Grad sinkt. Dieses Beispiellehrt, die heutigen klimatischen Vorhersagen mit Vorsicht zu betrachten. Dariiber hinaus enthalt keine der bisher angefiihrten Vorhersagen eine Beriicksichtigung des

Warmereservoirs, das der Weltozean darstellt. Nur die oberen Schichten des Ozeans, die im direkten Kontakt mit der Atmosphare stehen, sind in diesen Modellen enthalten (Abb. 6.16). Aber der tiefe Ozean reagiert viellangsamer als die Atmosphare auf eine Storung des Energieflusses. Mehrere hundert, ja sogar tausend Jahre konnen vergehen, bis sich eine St6rung dort nicht mehr auswirkt. Die oben beschriebenen verschiedenen numerischen Experimente ahneln daher eher einem Schulbeispiel als einer realistischen Vorhersage der Entwicklung des gesamten Klimasystems, Ozean und Atmosphare. In Wirklichkeit steigt die Menge der Treibhausgase fortwlihrend weiter, und der War meiiberschuB kann auch durch die ozeanische Zirkulation in Richtung Ozeanboden transportiert werden. Dort wird der EnergieiiberschuB verringert, so daB in dieser enormen Wassermasse nur eine verschwindend geringe Erwarmung auftreten kann. Die Tiefenzirkulation halt eine riesige Wirbelbewegung in Gang, die in Anbetracht der GroBenordnung der beteiligten Wassermassen notwendigerweise sehr lang sam ist. Dieser ProzeB verringert - fUr den

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Abb. 6.17. Die meisten Szenarien der klimatischen Entwicklung sehen eine erheblichere Erwarmung des Klimas vor als jene, die seit einem Jahrhundert beobachtet wird. Allerdings stellen sie die Tragheit der Ozeantiefen nicht in Rechnung, die die Reaktion des Klimasystems auf die durch den Konzentrationsanstieg der Treibhausgase eingeleiteten Stiirungen verzogert

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Der Mensch und das Klima

Augenblick - die vorhergesagte Erwarmung allein durch das Verhalten der Atmosphare erheblich. Die Modelle, die die Gesamtheit der ozeanischen Zirkulation beriicksichtigen, sagen daher eine wesentlich geringere Erwarmung (60-70%) voraus als ohne Ozean (Abb.6.17). Die Veranderung ist im wesentlichen in den hohen Breiten von Bedeutung, wo die vorhergesagte intensive Erwarmung zumindest iiber den Ozeanen sehr stark abgemildert wird. 1m Nordatlantik und im Siidlichen Ozean, der die Antarktis umgibt, nehmen die abtauchenden Oberflachenwasser den groBten Teil des Energieiiberschusses mit in Richtung Ozeanboden, wodurch die kIimatischen Bedingungen an der Oberflache zunachst nur wenig verandert werden. Dabei handelt es sich aber nur urn einen Aufschub. Die Erwarmung der ozeanischen Zwischenschichten wird ihre Schwimmfahigkeit zunehmend erhohen und die tiefe ozeanische Zirkulation verlangsamen und dadurch die Oberflachenwasser, die im Kontakt mit der Atmosphare stehen, mehr und mehr von dem riesigen Warmereservoir isolieren, das sich im tiefen Ozean gebildet hat, und so die Erwarmung der Oberflachengewasser langfristig verstarken. Die Treibhausgase in der Atmosphare von morgen

Eine andere Unsicherheitsquelle betrifft die zukiinftige Entwicklung der Menge an Treibhausgasen in der Atmosphare. Mit der heutigen Geschwindigkeit der Emissionen der verschiedenen chemischen Substanzen ware die doppelte Menge an Kohlendioxid im Verhaltnis zum vorindustriellen Wert - etwa 2030 erreicht. Aber natiirlich ist klar, daB die Wachsturns rate aufgrund soziookonomischer Faktoren, die wir nicht beherrschen, stark schwanken kann. Am wahrscheinlichsten ist eine Beschleunigung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe durch die Entwicklungslander, die dem Beispiel der westlichen Lander folgen. Diese Lander verbrauchen im Moment wesentlich weniger Energie pro Einwohner als die Industrielander, aber es gibt gute Griinde flir die Annahme, daB sie ebenfalls an der Verbesserung der Lebensbedingungen, die die industrielle Entwicklung begleiten, teilhaben wollen. Das Bevolkerungswachstum ist ebenfalls ein Faktor, der die Zunahme des AusstoBes an Treibhausgasen beeinflussen wird.

Aile diese Faktoren bedeuten Risiken fiir einen Anstieg der Emissionen dieser Gase. Daher konnten MaBnahmen zum spars amen Umgang mit der Energie in Landern mit hohem Energieverbrauch die Zunahme abmildern, wie die leichte Abnahme der Verwendung fossiler Brennstoffe Anfang der 70er Jahre als Folge der ersten blkrise gezeigt hat. Auch die zukiinftige Entwicklung neuer chemischer Verbindungen, durch die Industrie in die Atmosphare verfrachtet, hangt von den Menschen abo Andererseits ist das Problem wesentlich komplexer, vor allem was die natiirlichen Bestandteile der Luft wie das Kohlendioxid und das Methan betrifft. Durch das Freisetzen dieser Gase stort der Mensch ein bestehendes Gleichgewicht, und es ist schwierig, aile Auswirkungen, die aus diesem Ungleichgewicht resultieren, vorherzusagen. Das Ungleichgewicht im Kohlenstoffkreislauf

Die Emissionen aus der industriellen Aktivitat und der Zerstorung der Walder leiten eine zusatzliche, relativ kleine Menge Kohlendioxid in die Atmosphare. Der AusstoB durch die Menschheit ist 10- bis lsmal geringer als die natiirliche Menge, die zwischen Atmosphare und Vegetation oder zwischen Atmosphare und Ozean ausgetauscht wird, und belauft sich pro Jahr nur auf 1% des gesamten atmospharischen Kohlenstoffs. Aber dieser zusatzliche Beitrag reicht aus, den natiirlichen Kreislauf zu storen (Kapitels). Erstaunlicherweise verbleibt nur die Halfte der yom Menschen verursachten Emissionen in der Atmosphare. Die andere Halfte wird durch die Ozeane und die kontinentale Biosphare aufgenommen (Abb.6.18). Man schatzt heute, daB der Ozean die Halfte des Uberschusses an Kohlenstoff, der durch die industriellen Aktivitaten ausgestoBen wird, absorbiert. Durch die physikochemische Bindung der kalten Polargewasser und den Pump mechanism us, bedingt durch die Phytoplanktonproduktion aufgrund der Photosynthese (Kapitels), wird der UberschuB an Kohlendioxid zum Ozeanboden transportiert. Allerdings absorbiert der Ozean den KohlendioxidiiberschuB nur zeitweilig, denn nach mehreren hundert, ja sogar tausend Jahren gelangt er wieder in den Kreislauf der Atmosphare, wenn die ozeanischen

Folgen der Verstarkung des Treibhauseffektes

Atmosphare 750 Gte +3GtC/Jahr Verbrauch fossller Brennstoffe

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I Biologie I

Abb. 6.18. Die industriellen Aktivitaten und die Entwaldung bringen den Kohlenstoffkreislauf aus dem Gleichgewicht, indem sie ihm zusatzliche Quellen zufiihren. Nur die Halfte des Kohlenstoffs bleibt in der Atmosphare. Die andere Halfte wird durch die Ozeane und die kontinentale Biosphare aufgenommen, ohne daG man die beteiligten Mechanismen bisher genau kennt

Stromungen die Tiefenwasser an die Oberflache zuriickbringen. Das Problem wird noch komplizierter, wenn man bedenkt, daB die Absorptionskapazitat des Ozeans von der Zirkulation, der Temperatur und der biologischen Aktivitat abhangt. Aile diese Prozesse konnten in Zukunft von der klimatischen Erwarmung beeinfluBt werden. In dem MaBe, wie der Ozean sich aufwarmt, bindet er weniger Kohlendioxid, wodurch der Gehalt dieses Gases in der Luft wachst. Wir wissen noch nicht genau, wie die biologische Aktivitat aussehen wird, aber es ist sicher, daB sie durch die verfiigbare Menge an Nahrstoffen, insbesondere von Stickstoff und Phosphor, die flir die Synthese der Proteinmolekiile benotigt wird, begrenzt ist. Die biologische Primarproduktion kann daher nicht unendlich zunehmen, urn den UberschuB an Kohlenstoff aufzunehmen. Wir besitzen bisher nur ein begrenztes Wissen iiber den Kohlenstoftkreislauf im Ozean und sind weit davon entfernt, seinen EinfluB auf die zukiinftige Menge an atmospharischem Kohlendioxid vorhersagen zu konnen. Die Unsicherheit ist in bezug auf die Biosphare noch groBer, die durch die Entwaldung und die Zer-

setzung von totem Holz eine QueUe und durch den Einbau von Kohlenstoff in die Zellulose der Pflanzen aber zugleich eine Senke fiir Kohlendioxid darstellt. Es ist also schwierig, eine Bilanz des Austauschs zwischen Biosphare und Atmosphare zu erstellen: Da der Ozean nicht den gesamten UberschuB an Kohlendioxid absorbiert, scheint es klar zu sein, daB die Biosphare einen Teil davon verbraucht. Aber wir verstehen noch sehr schlecht, welche spezifischen Prozesse dabei wirken. Wenn beispielsweise durch den Anstieg des Kohlenstoffanteils in der Luft zukiinftig die pflanzliche Produktion angeregt wird, ist es moglich, daB sich die Funktion der kontinentalen Biosphare als Senke intensiviert, zumindest wenn die Walder vorher nicht ganzlich zerstort worden sind. Unsicherheiten, die zur Vorsicht mahnen

Unsicherheiten iiber die zukiinftige Entwicklung der Zusammensetzung der Atmosphare, Unsicherheiten iiber die Physik der Wolken und deren Wirkung auf die Strahlung, Unsicherheiten die ozeanische Zirku-

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Der Mensch und das Klima

Abb. 6.19. Seit Beginn der 80er Jahre dieses Jahrhunderts haben Satellitenbeobachtungen tiber der Antarktis im Verlauf des stidlichen Frtihlings eine starke Abnahme der Ozonkonzentration nachgewiesen (in Dobson-Einheiten DUl

lation und das zuktinftige Verhalten der Eiskappen betreffend, veranlassen die Wissenschaftler zu groBer Vorsicht. Zwar ist unser Wissen tiber das Klimasystem und zahlreiche Zusammenhange zwischen Atmosphiire, Ozean, Biosphare und Kryosphiire noch begrenzt, und wir konnen nicht mit Genauigkeit vorhersagen, wann, wie und wo in der Zukunft Veranderungen eintreten werden. Allerdings konnen wir besUitigen, daB der Mensch die Zusammensetzung der Atmosphare wesentlich beeinfluBt, und dies viel schneller, als die Natur es bisher tun konnte. Die Lehren aus der Vergangenheit lassen eine Erwarmung des zuklinftigen Klimas als unvermeidlich erscheinen. Man muB sich ins BewuBtsein rufen, daB die Auswirkungen der Verschmutzung durch die menschlichen Aktivitaten inzwischen glob ale AusmaBe erreicht haben. Bis heute sind wir insbesondere hinsichtlich der lokalen Auswirkungen der Verschmut-

zung sensibilisiert worden: durch den Autoverkehr

in den Stadten oder durch sauren Regen, der die

Walder in den industrialisierten Gebieten schiidigt. Diese lokalen Probleme begrenzten AusmaBes schein en am Ende beherrschbar. Dagegen ist es schwer, sich Veranderungen im MaBstab der globalen Atmosphiire vorzustellen. In den vergangenen Jahren hat uns jedoch die Entdeckung des »Lochs« in der Ozonschicht tiber der Antarktis vor dem Eingriff des Menschen in die globale Umwelt unseres Planeten gewarnt (Abb. 6.19).

Das Ozon Eine alte Debatte

Das Ozon ist zwar kein Hauptbestandteil der Atmosphare, spielt aber dennoch eine wesentliche Rolle

Abb.6.20. Die Perlmutter· oder polaren Stratospharenwolken, die sich nur bei sehr niedrigen Temperaturen bilden, begunstigen den Abbau von Ozon durch Chlor, das aus der Zersetzung der Fluorchlorkohlenwasserstoffe gebildet wird

fUr die Erhaltung des Lebens auf der Erde. Unter Druck- und Temperaturbedingungen, wie sie an der Erdoberflache herrschen, ware die Ozonschicht nur 3 mm dick. Doch in der mittleren Atmosphiire zwischen 10 und 40 km Hohe reicht sie aus, urn den groGten Teil der sehr kurzwelligen ultravioletten Strahlung, die schadlich fUr die lebenden Organismen ist, zu absorbieren (UV -B-Strahlen). Bedenken, diese schiitzende Schicht dUTCh menschliche Aktivitaten zu verandern, sind nicht neu. Bereits in den 70er Jahren hatte die Auseinandersetzung dariiber aus AnlaG der Uberschallflugzeuge begonnen. Damals befUrchtete man, daG die durch die Strahlturbinen der Flugzeuge zwischen 10 und 20 km Hohe freigesetzten Stickoxide eine Gefahr fiir das stratospharische Ozon darstellen

konnten. In Wirklichkeit stellte sich spater heraus, daG der Uberschallflugverkehr das Ozon nicht zerstort, sondern eher am Anstieg der Ozonmenge beteiligt ist. An den chemischen Reaktionen des Ozonkreislaufs wirken rund 50 verschiedene und komplexe chemische Verbindungen mit. Bei den ersten Abschatzungen der Auswirkung des Uberschallflugverkehrs waren einige von ihnen vernachJassigt worden. Die Auseinandersetzung iiber die mogliche ZerstOrung der Ozonschicht durch den Menschen wurde in den letzten Jahren wieder aufgenommen. Dieses Mal handelt es sich aber nicht mehr urn einfache Vermutungen, sondern urn Fakten (s. Kasten 6.2).

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Der Mensch und das Klima

Das »Ozonloch«

In jedem Jahr seit 1979 erscheint zu Beginn des siidlichen Friihlings im September und Oktober ein betrachtliches Defizit in der Ozonschicht der Siidhalbkugel (Abb.6.21). Die Abnahme liber der Antarktis hat seit Beginn der 80er Jahre 20-30 % und in den letzten Jahren 50-60 % erreicht. Auf diesem Niveau scheint die Abnahme stabil zu bleiben. Seltsamerweise sind die Satellitenbeobachtungen nicht die ersten gewesen, die den Alarm ausgelOst haben, sondern systematische Messungen einer Station auf der Erde. Satelliten haben allerdings in der Folgezeit VOT a11em hinsichtlich deT weiteren Abnahme des Ozons eine entscheidende Rolle gespielt. Zu Beginn der 80er Jahre waren die anomalen Ozonwerte, die aus den Satellitendaten gefolgert wuTden, auf einen MeB- oder Interpretationsfehler der Rohdaten zurlickgefiihrt und ausgesondert worden. Diese wichtige Erfahrung zeigt, daB die Satellitenbeobachtungen Messungen auf der Erde nicht

ersetzen konnen, sondern daB sie zusatzlich zu den Bodenmessungen gesehen werden miissen. Gliicklicherweise verschwindet das »Ozonloch« Anfang November, wenn die Sonne die Antarktis von neuem erwarmt, nach und nach wieder (s. Abb. 6.23). Das Defizit geht zurlick, indem es durch Luftmassen der gemaEigteren Breiten ausgeglichen wird. Auch wenn jedes Jahr der Mechanismus der erheblichen Zerstorung im November gestoppt wird, geht die jahrliche Nettoabnahme des Ozons in der Stratosphare weiter. Zwischen 1978 und 1988 hatte sie slidlich des 60. Breitengrades im Durchschnitt 9 % erreicht. Eine solche Verringerung ist erheblich und flihrt zu einer Erhohung der UVB-Strahlung, die die Oberflache erreicht, urn etwa 20%. Zwar lebt in diesen hohen Breiten nur ein geringer Bevolkerungsanteil, aber die marinen Organismen vermehren sich dort nahe der Oberflache. Wenn man haufig in Erinnerung ruft, daB eine Erhohung der UV -B-Strahlung bei Menschen und Tieren Hautkrebs verursachen kann, sollte man

Antarktis: Eine komplexe Kombination von Prozessen fi.ihrte zum "Ozonloch( (Kasten 6.2.) Die FluorchlorkohlenwasseTstofl'e (FCKW) ind der Grund flir den Abbau der Ozonschicht. Da sie ehr stabil sind. haben sic in der Atmosphare eine la nge Lebensdauer. Das bedeulet, dan sie sich in der gesamten Atmosphare verteilen konnen. ehe sie sich wieder zersetzen. Selbst in der Stratosphare tiber der Antarktis kommen sie vor, weit weg von den Emissionen in den induslriellen Gebieten. Auf die Weise hat sich der Gehalt an Chlor seit dem vorindustriellen Zeitalter versechsfacht. AbeT mit einer ErhOhung der Menge an FCKW kann der spektakullire Abbau des Ozons iiber der Antarktis nicht allein erklilrt werden; gliicklicherwei e, denn son t wiirde die Ozonschichl auf der gesamten Erde ausgedtinnt scin. Die FCKW-Molekiile greifen das Ozon nicht direkt an. Umer dem EinfluB von trahlung zerfallt eine gewis e Anzahl von Ihnen und bildet Chloratome, die sehr aktiv sind. Diese Atome wirken bei der Zersterung der Ozonmolekille als Katalysator; sic sind an der Reaktion beteiligt. die ohne ihre Anwesenheit viel weniger

leicht ablaufen wUrde, und bleiben an ihrem Ende vellig inrakt. Auf diese Weise kann ein elllzeines Chloratom die Zerstiirung vieler Ozonmolekiile auslesen. Glticklicherweise kommt das Chlor in akriver Form, abgesehen vom Beginn des Frilhlings in der Polarregion tiber der Antarktis, nur in geringen Mengen in der Atmosphare vor. Wahrend der Polarnacht herrschen in der Stratosphare uber der Antarktis sehr medrige Temperaturen, meist bis -80 ·C. Die e Kalte resultiert nich! nur aus der fehlenden Sonneneinslrahlung, sondern eben so aus einem groBen Wirbel, der sich von We I nach Osl drehl, der sogenannte polare Vortex. der sich tiber der Antarktis entwickelt und diese Brei len von den gemiilligteren, warmeren Regionen isoliert. Ohnehin schon niedrige Temperaturen erlauben die Bildung von perlmutterglanzenden Wolken, den polaren Stratospharenwolken. die durch Kondensation aus dem wenigen, in Htihen von 10-20 km verfilgbaren Wasserdampf ent tehen. Diese Wol-

ken sind der Schltissel zur Vcrs tarkung des Zerstiirungsprozesses des O1.on. In die en Wolken ind zahlreiche ChloT- oder Slickstoffverbindungen an Eiskristalle gebunden und werden mit ihnen aus der tratosphare wellgefiihrt. An Orl und telle bleibt em recht groBer Anteil an aktivem Chlor iibrig, der die massive Zersterung des Ozons, die zu Beginn des siidlichen Friihlings in diesen Breiten beobachleI wird. verursacht. Durch die Riickkehr der tarkeren onneneinslrahlung und den Abbau des polaren Wirbels wird dieser Mechanismus unterbrochen, die Luft erwarml sich wieder, und die Wolken verschwinden. Zirkulation. Irahlung, Wolken und Verschmutzung der Atmosphare verbinden sich und verursachen am Ende eine starke Abnahme des Ozons. Zu diesen Bedingungen kommt noch eine weitere hinzu. Es scheinl, dan die Menge an Chlor eine kritische chwelle iiberschreilen muS. damit der Prozen ausgelest wird. eit 1979 hat die Chlorkonzemration die e chwelle von 2 ppb tiber chritten.

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