Читать книгу Klimaschutz und 1,5 °C Leitplanke? - Erich Majer - Страница 9

1 Die Atmosphäre – der Ort, wo das „Klima“ stattfindet

Abb. 1 und Abb. 2: links: die Erde, wie 1972 von Apollo 17 aus 150.000 km, entsprechend einer halben Lichtsekunde, gesehen; rechts: 1968 von Apollo 7 aus gesehen, der hauchdünne blaue Saum, unsere Atmosphäre, unser Schutzschild (3).

1.1 Einführung und Definitionen

Einführung

Nur wenige Themen nehmen zurzeit in den Medien und der Politik einen ähnlich breiten Raum ein wie Klimawandel und globale Erwärmung. Durch Meldungen über schmelzende Eisberge, Sturmtätigkeit, Hochwasser oder Dürre bangt die Menschheit einer Klimakatastrophe entgegen. Von der Politik, von den Medien und in der öffentlichen Wahrnehmung werden Klimaveränderungen auf eine einzige Hypothese reduziert: Der durch menschliche (anthropogene) Aktivitäten verursachte Anteil von atmosphärischem Kohlendioxid sei allein für schädliche Klimaveränderungen verantwortlich. Der Geist ist aus der Flasche und der Riese kaum wieder hineinzuzwingen. Nun bestreitet niemand, dass es Klimaveränderungen gibt. Klimawandel ist, wie wir weiter unten sehen werden, eine Konstante in der Geschichte unserer Erde. So sicher wie Klimawandel stattfindet, so unsicher sind die Ursachen. Es gilt also, in den folgenden Betrachtungen die möglichen Gründe für Klimaveränderungen zu finden. Besonders soll der Frage nachgegangen werden, ob anthropogenes CO2 einen maßgeblichen und gefährlichen, oder vernachlässigbaren und ungefährlichen Einfluss auf das Klima hat. (1)

Definitionen

Zunächst, was bedeutet Klima, Wetter oder Witterung? Unter Wetter verstehen wir den augenblicklichen Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort. Dieser wird durch eine Vielzahl von Elementen wie Lufttemperatur, Feuchtigkeitsgehalt und Bewegung charakterisiert. Witterung andererseits wird durch den vorherrschenden Charakter des Wetterablaufes innerhalb eines Zeitraumes, der variabel ist, beschrieben. Man spricht von Witterung eines Tages, Monats, Jahres etc. Das Klima ist die Gesamtheit der Eigenschaften der Klimasubsysteme.

Diese sind:

 die Lithosphäre (die feste Erde und, bei Betrachtung über viele Jahrtausende, die Erdkruste und der obere Erdmantel)

 die Kryosphäre (Eisgebiete)

 die Atmosphäre (Gashülle)

 die Hydrosphäre (Ozeane, Seen, Gewässer)

 die Biosphäre (Pflanzen- und Tierwelt, Menschen)

Das Klima ist eine Folge physikalischer Vorgänge, die in den Subsystemen, vor allem durch die Einwirkung der Sonne, in Gang gesetzt werden. Der Verlauf dieser Prozesse wird wesentlich durch die Erdrotation, die geographische Breite, die Verteilung von Festland und Meer, Meeresströmungen, aber auch durch die Geländeoberfläche, Vegetation und Bebauung mitbestimmt. Nach WMO-Empfehlungen (World Meteorological Organisation) versteht man unter Klima die Erfassung von Temperatur oder einzelnen Niederschlagsmengen über einen längeren Zeitraum, der mindestens 30 Jahre beträgt. Die daraus entstehende statistische Beschreibung stellt das Klima dar. (2) Das Klima steht damit im Gegensatz zu den zufälligen, sich von Tag zu Tag, von Jahr zu Jahr ändernden Wetterbedingungen. Die Klimazonen sind Gebiete der Erde, die ein gleichartiges Klima haben. Sie unterscheiden sich durch die Tageslängen, die Sonneneinstrahlung, Abb. 3 unten, und stehen damit in deutlichem Zusammenhang mit der Vegetation auf den Kontinenten. Die jährlichen Schwankungen der Tageslänge erreichen in den Polarregionen den Maximalwert von 24 Stunden! Wegen der oben angeführten geographischen Einflüsse ist der Verlauf der Klimazonen unregelmäßig. Man unterscheidet im Wesentlichen vier Breitenzonen, Abb. 3 oben.

a) Tropenzone: 0°–23,5°

Keine großen Temperaturschwankungen, heiß und feucht.

b) Subtropenzone: 23,5°–40°

Trocken- und Regenzeiten, warm.

c) Gemäßigte Zone: 40°–60°

Ausgeprägte Jahreszeiten, kühler.

d) Polarzone: 60°–90°

Sehr kalt und sehr trocken

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

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

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

1.2 Die Atmosphäre, Aufbau, chemische Zusammensetzung und Funktion

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.3 Natürliche Hauptbestandteile der trockenen Luft (6)

2

1.4 Wichtige Spurengase der Luft

Spurengas	chemisches Symbol	Konzentration	fiktiver Temperatureffekt!!!
Wasserdampf	H2O	2–3 %	+20,6 K
Kohlendioxid	CO2	347 ppm	+7,2 K
Ozon (bodennah)	O3	0,03 ppm	+2,4 K
Distickstoffoxid	N2O	0,3 ppm	+1,4 K
Methan	CH4	1,65 ppm	+0,8 K
Zusammen­fassend			+33 K

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

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

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

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

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

5 Wasserdampf-Feuchtigkeit durch die dynamischen Prozesse der allgemeinen Zirkulation transportiert und verteilt, wodurch die Niederschlagsverteilung bestimmt wird,

6 den Hauptspeicher für Stickstoff bildet,

7 ein Reservoir für Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff darstellt,

8 einbezogen ist in verschiedene lebensnotwendige Stoffkreisläufe,

9 natürliche und anthropogene Emissionen verteilt, die in der Atmosphäre durch Oxidation, Reaktionen mit Radikalen und Photolyse umgesetzt und abgebaut werden,

10 vor kleineren Meteoriten schützt, die wegen der großen Reibung beim Eintritt in die Atmosphäre verglühen und so die Erdoberfläche nicht erreichen.

1.5 Die Atmosphäre, ein chaotisches System

Die Einzelheiten der folgenden Darlegungen sind mehr für Leser gedacht, die ein besonderes Interesse an Mathematik und Physik haben. Ansonsten genügt für das weitere Verständnis unserer Betrachtungen das Ergebnis der Ausführungen.

Anders als der Begriff Chaos in der Umgangssprache charakterisiert die Chaostheorie nicht den Zustand eines Systems, wie z. B. den Grad seiner Unordnung, sondern sein zeitliches Verhalten, das heißt seine Dynamik. Chaotisches Verhalten eines Systems liegt vor, wenn selbst geringste Änderungen der Anfangsbedingungen nach einer gewissen Zeit zu einem völlig anderen Verhalten führen. (7) Man spricht in diesem Zusammenhang von sensibler Abhängigkeit von den Anfangswerten. Die Antwort auf die Frage, ob das weitere Verhalten des Systems vorhersagbar, also determiniert3 oder indeterminiert ist, hängt also vom Inhalt der Voraussetzungen ab, unter denen man an die Betrachtung herantritt. Es kann daher sein, dass ein Prozess als determiniert oder als nicht determiniert erscheint, je nachdem wie man die Voraussetzungen festlegt. Klassische mechanische Systeme, wie z. B. die Bewegung der Planeten, sind durch die Festlegung der Voraussetzungen deterministisch, also prognostizierbar. Die wichtigste Aufgabe und zugleich Prüfstein jeder Naturwissenschaft.

Da bei chaotischen Systemen beliebig kleine Differenzen in den Anfangsbedingungen mit der Zeit exponentiell anwachsen, übersteigen die Anforderungen an die Präzision der Kenntnis der Anfangsbedingungen für eine Prognose des Systemverhaltens rasch die Möglichkeiten praktischer Messgenauigkeit um astronomische Faktoren. Das Wetter ist das bekannteste Beispiel für ein chaotisches Systemverhalten. Da es dafür kein die ganze Zukunft umfassendes Gesetz gibt, ist eine langfristige Vorhersage unmöglich. Dieses Phänomen ist in der Öffentlichkeit unter dem Schlagwort Schmetterlingseffekt bekannt geworden. Eine winzige Störung an einem Ort kann eine große Störung an einem anderen Ort bewirken. Überspitzt formuliert kann der Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien Regen verursachen, der in London fällt. Wie Hawking in seinem Buch „Das Universum in der Nussschale“ schreibt, „ist das Ärgerliche daran, dass sich diese Ereignisfolge nicht wiederholen lässt“ (8). Die Ereignisse lassen sich nicht aufbewahren und können, da sie stets aufeinander folgen, nicht verglichen werden. Wenn der Schmetterling das nächste Mal mit seinen Flügeln schlägt, wird sich eine Reihe von Faktoren verändert haben, die das Wetter ebenfalls beeinflussen. Jeder Einfluss, egal wie geringfügig er ist, reicht aus, das System aus der Balance zu bringen. Die Voraussetzungen für ein chaotisches Verhalten eines Systems sind also die Nichtlinearität seiner Dynamik und eine sensible Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen. Beide Bedingungen treffen auf das Wetter zu, weshalb es langfristig nicht mehr deterministisch ist und somit in seinem Verhalten auch nicht mehr prognostizierbar.

1.6 Entdeckung der Atmosphäre als chaotisches System

Die Entdeckung der Atmosphäre als chaotisches System geht auf den Meteorologen Edward Lorenz zurück (am 15. 04. 2008 90-jährig an Krebs gestorben). Hierzu ein Zitat aus (9):

„The first true experimenter in chaos was a meteorologist, named Edward Lorenz. In 1960, he was working on the problem of weather prediction. He had a computer set up, with a set of twelve equations to model the weather. It didn’t predict the weather itself; however this computer program did theoretically predict what the weather might be. One day in 1961, he wanted to see a particular sequence again. To save time, he started in the middle of the sequence, instead of the beginning. He entered the number of his printout and left to let it run. When he came back an hour later, the sequence had evolved differently. Instead of the same pattern as before, it diverged from this pattern, ending up wildly different from the original. Eventually he figured out what happened. The computer stored the numbers to six decimal places in its memory. To save paper, he only had it print out three decimal places. In the original sequence, the number was 506127, and he had only typed the first three digits, 506. By all conventional ideas of the time, it should have worked. He should have gotten a sequence very close to the original sequence. A scientist considers himself lucky if he can get measurements with accuracy to three decimal places. Surely the fourth and fifth, impossible to measure using reasonable methods, can’t have a huge effect on the outcome of the experiment. Lorenz proved this idea wrong. This phenomenon, common to chaos theory, is also known as sensitive (i.S. von sensibel) dependence on initial conditions. Just a small change in the initial conditions can drastically change the long-term behaviour of a system. Such a small amount of difference in a measurement might be considered experimental noise, background noise, or an inaccuracy of the equipment. Such things are impossible to avoid in even the most isolated lab. With a starting number of 2, the final result can be entirely different from the same system with a starting value of 2.000001. It is simply impossible to achieve this level of accuracy – just try and measure something to the nearest millionth of an inch! From this idea, Lorenz stated that it is impossible to predict the weather accurately. However, this discovery led Lorenz on to other aspects of what eventually came to be known as chaos theory.“

1 Trägheitskräfte bzw. Scheinkräfte: In rotierenden Bezugssystemen treten Scheinkräfte auf, die von der Beschleunigung des Bezugssystems abhängen. Sie haben ihre Ursache in der Trägheit von Massen und haben die Dimension einer physikalischen Kraft. Für beschleunigte Systeme gelten allerdings die Gesetze von Newton nicht mehr uneingeschränkt. So besagt das 3. Gesetz, dass zu jeder Kraft an einem Körper eine Gegenkraft an einem anderen Körper existieren muss. Actio = Reactio! Für Scheinkräfte ist dies nicht erfüllt. Es handelt sich eben nicht um eine Kraft im eigentlichen Sinne, sondern nur um einen Effekt, der durch ein rotierendes Koordinatensystem zustande kommt. Beispiele für Scheinkräfte sind die Coriolis-Kraft und die Zentrifugalkraft.

2 Genau: Kohlenstoffdioxid (umgangssprachlich oft ungenau Kohlensäure genannt).

3 Determinismus bezeichnet die Auffassung, dass zukünftige Ereignisse durch Vorbedingungen eindeutig festgelegt sind. Der Determinismus lehnt jeden Zufall vollständig ab.