Kategorie: Physische Geographie der Erde und globale Unterschiede

Meeresströmungen


Lighthouse Foundation (Hg.) (o. J.); Helmholtz (Hg.) (2020) Darstellung erweitert
pinke Pfeile: vorherrschende Windrichtung; blaue Linien: kalte (Tiefen-)Strömung; rote Linien: warme Oberflächennahe Strömung; orangene Punkte: Umwälzzirkulation; blaue Einkreisung: Wärmeabgabe; grüne Einkreisung: mittlere Wärmeaufnahme; gelbe Einkreisung: hohe Wärmeaufnahme; weiße Meeresflächen: geringe Salzkonzentration; hellblaue Meeresflächen: mittlere Salzkonzentration; dunkelblaue Meeresflächen: hohe Salzkonzentration  
  1. Einleitung
  2. Ermittlung von Daten
  3. Golf- und Nordatlantikstrom

            3.1 Antrieb von Meeresströmungen

            3.2 Nordatlantikoszillation

  1. Veränderung der Golfstromzirkulation durch den Klimawandel

            4.1 Wasserchemie/ Stoffliche Zusammensetzung

            4.2 Veränderung der Fischfauna

  1. Veränderung des Klimas in Europa als Folge
  2. Fazit

Literatur- und Abbildungsverzeichnis

  1. Einleitung

Das Thema Meeresströmungen findet sich in der Themenkategorie der „Physischen Geographie der Erde und globale Unterschiede“ wieder. Da die Meeresströmungen vielfach vom Klimasystem und deren beeinflussenden Merkmalen abhängig ist und auch die verschiedenen Strömungen global unterschiedlich sein können, ist es mit den anderen Themen gut miteinander verknüpft. Meeresströmungen sind weltweit in den Ozeanen und Meeren vorkommende über große Flächen und Tiefen strukturierte Wasserbewegungen, die sich durch horizontalen und vertikalen Wassertransport auszeichnen. Dazu wird Nahrung für Meeresbewohner, Wärme und andere mit dem Wasser transportierende Stoffe mit sich geführt (Helmholtz-Zentrum 2020). Diese Strömungen zerfallen im Laufe der Zirkulation in kleinere Neben- und Teilströme, diese können nochmals in die kleineren Ozeanwirbel klassifiziert werden. Meeresströmungen beeinflussen das Wettergeschehen und sind gleichzeitig vom Klimaverhalten bzw. der Klimaausprägung abhängig, sowie von der Coriolis- und Schwerkraft (SMHI 2011: 4). Da diese Strömungen Zirkulationen sind ist es ein wiederkehrendes und ständig auftretendes Ereignis. Durch die verschiedenen Klimazonen, die eine Meeresströmung durchläuft ändern sich daher die physischen und chemischen Gegebenheiten des transportierenden Wassers.

  1. Ermittlung von Daten

Die Ermittlung von Meeresströmungen und der dazugehörigen Daten wie Wassertemperatur, Geschwindigkeit und Salzgehalt sind durch Messsonden im Wasser und durch Satellitenaufnahmen aus dem All zu messen. Um Proxydaten aus der Vergangenheit zu bekommen werden Sedimentproben vom Meeresboden, Skelettteile von abgestorbenen Organismen oder Tiere genommen. Daraus können ehemalige Salz- und Sauerstoffgehalte, Wassertemperaturen und Nährstoffverbrauch gelesen werden (DKK 2017: 10). Die ARGO-Float ist eine Art Boje welche Messgeräte an Bord hat die unter Wasser die Temperatur, den Salzgehgalt und die Tiefe misst. Zudem sendet die Boje beim Wiederauftauchen die im Meer getriebene Strecke an einen Satelliten. Mithilfe von Drucksensoren können Meeresströmungen durch die über ihr bewegte Masse bestimmt werden. Des Weiteren kann mittels des Drucks auch der Wasserstand berechnet werden. Die Satelliten ENVISAT und Jason messen das Meeresniveau sowie die Strecke und Richtung einer Strömung. Dies können die Satelliten durch einen Radar-Altimeter der die reflektierten Pulse nach dem aussenden wieder aufnimmt. Um Daten aus Tieferen Schichten zu bekommen und auch Ozeanwirbel gezielter messen zu können werden verankerte Bojen eingesetzt. Diese messen entlang des Verankerungsdraht die Strömung und Richtung. Den Salzgehalt und die Temperatur damit zu messen ist ebenfalls möglich (SEOS o. J.). Solche in der Tiefe verankerte Bojen werden teilweise mit Leuchttürmen oder oberflächennahen Bojen verkabelt. Von dort aus werden die Daten über das Mobilfunknetz oder per Satelliten an die Zuständigen weitergeleitet (SMHI 2011: 3).  Ein weiteres Messinstrument um Daten aus dem Ozean oder anderen Gewässern zu gewinnen ist der Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser (SMHI 2011). In der Abbildung 1 sind die gemessenen Wassertemperaturen vom Golfstrom an der Ostküste der USA bis zum Nordatlantikstrom im Europäischen Nordmeer zu sehen, sowie die kalte Strömung in der Labradorsee.


Abb. 1: Wasseroberflächentemperatur an der US-Ostküste und im Nordatlantik (Helmholtz 2020)
  1. Golf- und Nordatlantikstrom

Der Golfstrom ist eine im Golf von Mexiko entstehende warme Meeresströmung, welche entlang der Südostküste der USA über den Atlantik nach Westen in den Nordatlantik treibt. Der Golfstrom hat eine maximale Breite von ca. 100 km bei Florida, eine Strömungsgeschwindigkeit von 6 – 10 km/h und treibt nach Florida bis zu 150 Millionen m3/s durch den Atlantik (DKK 2017: 6; Helmholtz-Zentrum 2020; DWD o. J.). Der Golfstrom teilt sich auf der Höhe Neufundlands in zwei Randströme auf, eine Strömung fließt in den Norden und wird dort zum Nordatlantikstrom, welcher die warme Strömung und damit die milden Temperaturen nach Europa bringt, dieser Strom wird im umgangssprachlichen fälschlicherweise auch noch als Golfstrom bezeichnet (SMHI 2011: 8; BMU 2013). Die andere Randströmung treibt in Richtung der Kanaren. Der Nordatlantikstrom hat im Europäischen Nordmeer noch eine Leistung von rund 32 Sverdrup (Sv), wobei 1 Sv 1 Mio. m3/s entsprechen (DKK 2017: 6).

3.1 Antrieb von Meeresströmungen

Dass die Meeresströmungen wiederkehrende, also zirkulierende Ereignisse sind liegt u.a. daran, dass diese vom Wind bzw. den speziellen Windfeldern auf der Erde bedingt sind (BMU 2013; ESKP 2020; SMHI 2011: 4). Die Westwinddrift in den mittleren Breiten treibt die Meeresströmungen Kuroshio im Nordpazifik, den Golfstrom im Nordatlantik und den Ostaustral – Strom im Südpazifik an. Damit es zur Zirkulation kommt muss von Osten ein vorherrschender Wind wehen, dieser Wind herrscht in den niederen Breiten bei 15° nördlicher- und südlicher Breite und wird auch als Passatwind bezeichnet (Helmholtz-Zentrum 2020).


Abb. 2: Meeresströmungen und vorherrschende Winde (Helmholtz 2020) Darstellung erweitert; gelbe Pfeile:vorherrschende Windrichtung, blaue Pfeile: kalte (meist Tiefen-) Strömung, rote Pfeile: warme Oberflächenströmung,  

Neben den Winden ist der Dichteunterschied des Wassers von besonderer Bedeutung für den Antrieb. Der Ablauf ist wie folgt: Nachdem das Wasser in das Europäische Nordmeer geflossen ist, findet aufgrund des Dichteunterschieds zwischen den Wassermassen eine Umwälzbewegung/Umwälzzirkulation statt. Das nun dichtere, kältere Wasser fließt nun in tieferen Schichten Richtung Äquator. Der Dichteunterschied kann von der Temperatur bedingt sein, da kälteres Wasser eine höhere Dichte hat als wärmeres, aufgrund dessen sinkt es in tiefere Schichten und fließt zwischen Island und Grönland gen Süden (Helmholtz-Zentrum 2020). Ein Dichteunterschied kann auch durch die Verdunstung hervorgerufen werden, da durch das Verdunsten salzreicheres Wasser zurückbleibt und daher schwerer ist als das nachrückende Wasser. Solch eine Zirkulation wird auch thermohaline Zirkulation genannt, da der Unterschied des Temperatur- und Salzgehalts der Antrieb ist (BMU 2013; DKK 2017: 6 ff.). Besonders wichtig für die Umwälzzirkulation ist das Gebiet in der Labradorsee.   

3.2 Nordatlantikoszillation

Die Nordatlantikoszillation – kurz ausgeschrieben NAO – besteht aus zwei Luftdruckgebieten, eines über den Azoren (Azorenhoch) und ein zweites über Island (Islandtief). Die Nordatlantikoszillation kann in den Indizes negativ und positiv kategorisiert werden. Dabei steht eine positive NAO für starke Westwinde in den mittleren Breiten und verstärkte Passatwinde in den Tropen. Eine negative NAO zeichnet sich durch schwächere Westwinde und mäßig wehende Passatwinde aus. Die Differenz der Luftdruckunterschiede über den Azoren und Island gibt an ob es sich um eine positive oder negative NAO handelt. Die NAO ist ganzjährlich zu beobachten, weist aber die stärksten Druckunterschiede zwischen den beiden Druckzentren meistens im Winter auf und ist in den letzten Jahren mehrfach positiv ausgefallen (GEOMAR 2020). Wie in Abbildung Nr. 3 zu erkennen ist, waren die Werte der NAO seit Mitte der 1980er Jahre bis mindestens Ende der 1990er Jahre im positiven Bereich. Eine positive NAO hat regenreiche und milde Winter in Skandinavien und trockene in Südeuropa zur Folge. Eine negative NAO dagegen führt zu trockenen und kalten Wintern in Skandinavien und regenreichen im Süden Europas (DWD o. J.; GEOMAR 2020). Da die Luftdruckunterschiede zwischen dem Islandtief und dem Azorenhoch für die Stärke der Winde über dem Atlantik verantwortlich sind, hängt die Wärmeabgabe aus dem vom Nordatlantikstrom mitgeführtem Wasser auch von der Windstärke ab. 


Abb. 3: NAO – Index (DWD o. J.)
  1. Veränderung der Golfstromzirkulation durch den Klimawandel

Der Klimawandel oder ein Klimawandel kann die Zirkulation des Golfstroms und die damit zusammenhängenden Randströme in ihrer Ausprägung beeinflussen. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass der anthropogene sowie der natürliche Klimawandel die Zirkulationsbewegung beeinflussen kann. Natürliche Klimaveränderungen können durch veränderte Erdbahnparameter hervorgerufen werden. Eine Veränderung eines Erdbahnparameters könnte die Strahlungsintensitäten auf der Erde verändern, wodurch sich u. a. Verdunstungsraten global verändern könnten. Eine Abschwächung des Systems kommt dadurch zustande, dass im Europäischen Nordmeer Süßwasser von den abgeschmolzenen Eismassen von den Polen das schwere, salzhaltige, kalte Wasser verdünnen und es dadurch nur noch einen geringen Schwereunterschied gibt, sodass es nicht zu einem vertikalen Absinken der Wassermassen kommt. Vor allem im Europäischen Nordmeer, wo der Unterschied von kalten zum warmen Wasser hoch ist, kommt es hier durch eine ansteigende Wassertemperatur zu einer Homogenisierung der Temperatur und damit zu keinem Dichteunterschied (BMU 2013). Als Folge dessen verringert sich die Fließgeschwindigkeit um Island und Grönland. Durch die ca. 15%ige Abschwächung der Strömung, ist nun die Folge, dass es in den letzten Jahren dort kälter geworden ist (PIK 2018). Außerdem kann es in besonders warmen Regionen zu einer zu hohen Verdunstung kommen, sodass der Salzgehalt ansteigt, das Wasser schwerer wird und vorzeitig absinkt. Das hat wiederum zur Folge, dass ein geringerer Teil des Stroms ankommt (BMU 2013). 

4.1 Veränderung der Wasserchemie und stofflichen Zusammensetzung

Eine Veränderung der stofflichen Zusammensetzung bzw. der Wasserchemie kann sich dann einstellen, wenn die Umwälzzirkulation im Nordatlantik bei bzw. in der Labradorsee sich abschwächt. Durch eine Abschwächung, wie sie schon nachweisbar, allerdings noch im Rahmen der natürlichen Schwankung vorhanden ist, wird weniger Kohlenstoffdioxid im Meerwasser gebunden, was zu einer höheren Menge in der Atmosphäre führt (DKK 2017: 15). Die Sauerstoffkonzentration würde nicht nur im Nordatlantik zurückgehen, sondern auch im Südatlantik und daran angebundene Strömungssysteme. Denn durch eine schwächer werdende Umwälzzirkulation, wird auch der Sauerstoff nicht in tiefere Schichten verlagert (DKK 2017: 20).

4.2 Veränderung der Fischfauna

Eine besondere Abhängigkeit von dem Golfstrom ist bei dem Europäischen Flussaal zu beobachten. Diese Fischart laicht in der Saragossa – See, die östlich der Bermuda – Inseln im Atlantik liegt. Von dort aus nutzen die Jungfische die Strömung des Golfstroms um nach Europa zu kommen. Eine Verlangsamung würde hierbei auch die Aale treffen, die dann durch eine Geschwindigkeitsdrosselung der Strömung längere Zeit im Atlantik verbringen müssen bis sie in die Flüsse Europas gelangen (Helmholtz-Zentrum 2020). Vor allem für die Jungfische wäre dies ein Problem, da sie so einen längeren Zeitraum ihren Fressfeinden ausgesetzt sind. Sollte der Fall eintreten, dass es weniger jungfische in die Europäischen Gewässer schaffen, würde der Artbestand weiter zurückgehen. Der Europäische Aal steht in Deutschland auf der roten Liste der gefährdeten Arten. Damit es zu einem besseren Artbestand kommt, wurde von der EU ein Maßnahmenprogramm eingeführt in dem die gefangenen Jungaale/ Glasaale zur Zucht in Binnengewässern ausgesetzt werden sollen (NABU 2008). Im Zuge einer weiter abschwächenden Umwälzzirkulation würden auch andere Fischarten Probleme mit der Nahrungsversorgung oder der Temperatur bekommen, dies würde sich Ökonomisch auf die Fischereiwirtschaft auswirken die mit geringeren Erträgen zurechtkommen müsste (DKK 2017: 20.  

  1. Weitere Folgen einer Zirkulationsabschwächung

Die möglichen Folgen und Szenarien die sich ergeben können sind nur schwer und mit Computermodellen und -simulatoren abzuschätzen. Durch eine schwächere Umwälzzirkulation würde es zu einem Meeresspiegelanstieg im Nordatlantik kommen. Da das Wasser keine normalwertigen Dichteunterschiede mehr aufweist, kann es nicht in tiefere Schichten verlagert werden und durch den nachrückenden Strom beginnt sich das Wasser zu stauen (DKK 2017: 10). An der Ostküste der USA hingegen steigt der Meeresspiegel, da sich das Wasser aufgrund der Erwärmung ausdehnt und somit mehr Fläche einnimmt (Ceasar et al. 2018). Aufgrund der Beziehung von Luftdruckgebieten mit den Wasseroberflächentemperaturen wird das Wettergeschehen in Europa beeinflusst. Ein Tiefdruckgebiet im Nordatlantik wirkt wie ein Magnet für ein Hochdruckgebiet aus dem Süden Europas und sorgt somit für extrem trockene und heiße Sommer (Ceasar et al. 2018). Eine Verschiebung des Golfstroms nach Norden an der US-Küste, würde durch die abgebende Wärme an die Atmosphäre den Luftdruck beeinflussen, was folglich zu einer anderen Laufbahn von Stürmen führt (Ceasar et al. 2018). Daher ist es wahrscheinlich, dass sich in Europa, die Anzahl und die Intensität der Stürme häufen werden.

  1. Fazit

Ob sich das Wetter langfristig in Europa durch eine veränderte Zirkulation des Golf- und Nordatlantikstroms einstellen wird ist noch unklar. Aufgrund der bisherigen Datenlage lassen sich daher noch keine sicher eintreffenden Szenarien vorhersagen. Allerdings lässt sich sagen, dass mit einer ansteigenden Globaltemperatur der Kreislauf von Meeresströmungen Veränderungen unterliegen wird. Zudem gilt als sicher, dass sich zumindest in kurzfristiger Zeit extreme Sommer und Stürme häufen werden. Weiterhin zu Erforschen gilt es ob veränderte Meeresströmungen sich mittel und/oder langfristig bemerkbar machen; wenn sich Wettergeschehnisse ändern ob diese langfristig anzusehen sind; wie schnell sich die Fixierung der Erderwärmung auf 1,5°C auf die Ozeane auswirkt und wie sich eine langfristige Klimaänderung in Europa im Globalen Klima System verhält.                                

Literatur- und Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Wasseroberflächentemperatur an der US-Ostküste und im Nordatlantik    

Abbildung 2: Meeresströmungen und vorherrschende Winde                                           

Abbildung 3: NAO – Index                                                                                                

 

BMU (Hg.) (2013): Fragen. https://www.umweltbundesamt.de/service/uba-fragen/kippt-der-golfstrom-kommt-es-daher-in-europa-zu [24.11.2020].

DKK (Hg.) (2017): Zukunft der Golfstromzirkulation. Fakten und Hintergründe aus der Forschung. Berlin.

Caesar, L. et al. (2018): Observed fingerprint of a weakening Atlantic Ocean overturning circulation. In: Nature 556: 191 – 196.

DWD (Hg.) (o. J.): Wetterlexikon. Golfstrom. https://www.dwd.de/DE/service/lexikon/Functions/glossar.html?lv2=100932&lv3=101056. [29.11.2020]

DWD (Hg.) (o. J.):  NAO/ NAO Index. https://www.dwd.de/DE/service/lexikon/begriffe/N/NAO_pdf.pdf?__blob=publicationFile&v=3. [04.01.2021]

Geomar (Hg.) (2020): Die Nordatlantische Oszillation und ihr Einfluss auf das Klima in Europa. Meeresströmungen und ihre Rolle im Klimawandel.  https://www.geomar.de/entdecken/artikel/die-nordatlantische-oszillation-und-ihr-einfluss-auf-das-klima-in-europa [07.12.2020].

Helmholtz-Zentrum Potsdam (Hg.) (2020): Meeresströmung. https://www.eskp.de/klimawandel/forschungsthema-meeresstroemung-935500/. [07.12.2020]

Helmholtz-Zentrum Potsdam (Hg.) (2020): Nordatlantik beeinflusst Klima in Deutschland. https://www.eskp.de/klimawandel/nordatlantik-beeinflusst-klima-in-deutschland-935558/. [07.12.2020]

NABU (Hg.) (2008): Von den Bahamas bis zum Rhein. Der Europäische Aal ist ,,Fisch des Jahres 2009´´. https://www.nabu.de/tiere-und-pflanzen/sonstige-arten/fische/10232.html. [05.01.2021]

SEOS (Hg.) (o. J.): Meeresströmungen. https://seos-project.eu/oceancurrents/oceancurrents-c06-p01.de.html. [05.01.2021]

SMHI (Hg.) (2011): Strömmar i svenska hav. Norrköping (= Faktablad 52).

Hier ist noch ein Video, welches die Umwälzzirkulation bzw. den Dichteunterschied von kalten, salzarmen und warmen, salzhaltigen Wasser verdeutlichen soll.

Lebensraum Erde – von der Tiefsee bis auf den höchsten Gipfel

Abbildung 1: Graphical Abstract zum Thema „Lebensraum Erde“ (eigene Darstellung).

Gliederung

1 Einleitende Worte

2 Der Ursprung des Lebens

2.1 Das Prinzip der chemischen Evolution

2.2 Theorieansätze

2.2.1 Oparin-Haldane-Hypothese – Die Entstehung des Lebens auf der Erde

2.2.2 Die Panspermie-Hypothese – Das Leben aus dem Weltall

3 Das Leben an extremen Standorten

3.1 Das Leben in der Tiefsee

3.1.1 Limitierende Faktoren in der Tiefsee

3.1.2 Anpassungsmechanismen von Lebewesen an die Tiefsee

3.2 Das Leben im Hochgebirge

3.2.1 Limitierende Faktoren im Hochgebirge

3.2.2 Anpassungsmechanismen von Lebewesen im Hochgebirge

4 Abschließende Worte

5 Literatur- und Quellenverzeichnis

1 Einleitende Worte

Die Erde beherbergt eine Vielfalt an unterschiedlichen Lebewesen, die zum Teil extremen Bedingungen trotzen. Wie sehen diese Bedingungen am tiefsten und am höchsten Punkt der Erdoberfläche aus und wie ist das Überleben dort möglich? Doch zunächst stellt sich die Frage, wie und wo das Leben entstand.

2 Der Ursprung des Lebens

Damit Leben entstehen konnte, muss einst aus anorganischem Material organisches entstanden sein, welches sich anschließend zu lebendigen Zellen entwickelte. Dieser Prozess wird als chemische Evolution bezeichnet (Calvin 1956: 387). Doch gibt es unterschiedliche Theorien zum genauen Ablauf und Ort.

2.1 Das Prinzip der chemischen Evolution

Erste Überlegungen zu der Entstehung des Lebens machte bereits Charles Darwin, Begründer der modernen Evolutionstheorie, die er 1871 in einem Brief äußerte (Darwin Correspondence Project). 50 Jahre später wurden konkrete Hypothesen über den Ursprung des Lebens formuliert und in den 1950er Jahren erste Experimente zu dem Thema entwickelt (Animation 1). Mit der daraus hervorgehenden Theorie der chemischen Evolution versuchte man die Entstehung von Grundbausteinen des Lebens aus nichtlebenden Systemen zu erklären. Aus chemischen Reaktionen gingen demnach biologische Strukturen wie Zucker, Nukleinbasen und Aminosäuren hervor, die die Grundbausteine von Zellen darstellen (Eschenmoser 2009: 182). Aus diesen Verbindungen konnten daraufhin durch weitere Reaktionen frühe Formen des Lebens entstehen (La Escosura 2019: 1).

Animation 1: Wichtige Daten zur Wissenschaft der chemischen Evolution (eigene Darstellung).

2.2 Theorieansätze

Die Theorien zu der Entstehung des Lebens sind äußerst komplex und werden auch zur heutigen Zeit noch auf Grundlage neuer Erkenntnisse in den Naturwissenschaften kontinuierlich ergänzt und überholt (Kitadai & Maruyama 2018: 1144). Dennoch gibt es zwei grundlegende Ansätze zu unterscheiden.

2.2.1 Oparin-Haldane-Hypothese – Die Entstehung des Lebens auf der Erde

Eine gängige Theorie dazu wie das Leben entstanden sein könnte wurde in den 1920ern von zwei unterschiedlichen Wissenschaftlern unabhängig voneinander aufgestellt (Ponnamperuma 1964: 339). Diese sogenannte Oparin-Haldane-Hypothese besagt, dass alle Voraussetzungen für die Entstehung des Lebens auf der Urerde gegeben waren (Fry 2006: 25). Die chemische Evolution wurde demnach durch die Abkühlung der Erde nach ihrer Differenzierung vor etwa 3,8 Milliarden Jahren initiiert. Die Abkühlung hatte die Entstehung der Erdkruste sowie die Kondensation von Wasser zur Folge, wodurch sich Ozeane bildeten (Tirard 2017: 736 aus Haldane 1929). Zudem hatte die Atmosphäre zur damaligen Zeit eine andere Zusammensetzung als heute. Unter anderem bestand sie aus Ammoniak und großen Mengen an Kohlenstoffdioxid, enthielt jedoch keinen Sauerstoff (Kasting 1993: 921). Die Zusammensetzung dieser jungen Atmosphäre soll im ersten Schritt der Entstehung des Lebens bewirkt haben, dass mehr chemisch aktive UV-Strahlung hindurchdringen konnte, als es bei der heutigen Erdatmosphäre der Fall ist. Die Strahlung soll in Verbindung mit Wärme als chemischer Katalysator auf das atmosphärische Gemisch aus Wasser, Kohlenstoffdioxid und Ammoniak gewirkt haben, woraus erste organische Substanzen entstanden (Tirard 2017: 736). Diese neuen Verbindungen haben sich laut der Hypothese in einem zweiten Schritt in den Urozeanen angereichert, sodass die Viskosität des Wassers stark zunahm. Diese als Ursuppe bezeichnete Mixtur hatte aufgrund der großen Menge an verschiedenen chemischen Verbindungen äußerst reaktive Eigenschaften. Laut der Theorie führte die Reaktivität unter dem anhaltenden Einwirken der Sonnenradiation und der daraus resultierenden Wärme dazu, dass größere organische, selbstreproduktive Moleküle entstanden. Sie schlossen sich dann vermehrt zufällig in öligen Filmen und Wasser zusammen und bildeten so im dritten Schritt primitive Urzellen (Animation 2) (Tirard 2017: 736).

Animation 2: Ablauf der chemischen Evolution (animiert nach Junker & Scherer 2006).

Diese zunächst theoretische Hypothese wurde erstmalig im Jahr 1953 durch das sogenannte Miller-Urey-Experiment überprüft (Fry 2006: 24). Das Experiment bestand aus einer Apparatur, die den Zustand der Erde zur damaligen Zeit simulierte und so die in der Oparin-Haldane-Hypothese beschriebenen Reaktionen überprüfte (Urey 1952; Miller 1953; Video 1). Mit diesem und weiteren Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass diese Hypothese eine Möglichkeit darstellt, wie der Ursprung des Lebens ausgesehen haben könnte (Fry 2006: 24).

Video 1: Versuchsaufbau des Miller-Urey-Experiments.

Mit dem Fortschreiten der Wissenschaft wurde diese Theorie seitdem weiter ausgebaut. So ist beispielsweise bekannt, dass der Vulkanismus nicht nur einen wesentlichen Anteil an der Zusammensetzung der Atmosphäre zu Zeiten der chemischen Evolution hatte, sondern auch durch die Bildung von submarinen Hydrothermalquellen einen weiteren möglichen Ursprungsort des Lebens darstellt (Corliss et al. 1981: 60). Durch die hohen Temperaturen und die Zusammensetzung herausströmender Gase sind auch dort laut der Hypothese Bedingungen gegeben, aus denen organischen Verbindungen entstanden sein könnten (Miller & Bada 1988: 610).

2.2.2 Die Panspermie-Hypothese – Das Leben aus dem Weltall

Parallel zu der Theorie, dass der Lebensursprung auf der Erde selbst liegt, existiert die sogenannte Panspermie-Hypothese (Audio 1), die besagt, dass das Leben oder Vorläufer des Lebens in Form von Molekülen aus dem Weltall auf die Erde kamen (Bezverkhniy & Bezverkhniy 2020: 2). Auch hierzu gibt es unterschiedliche Überlegungen. Frühe Vertreter der Panspermie-Hypothese vermuteten, dass diese Lebensformen durch elektromagnetische Kräfte auf die Erde kamen (Arrhenius 1908) oder durch extraterrestrische intelligente Lebensformen aktiv auf die Erde gebracht wurden, um diese zu kolonialisieren (Crick & Orgel 1973: 342). Diese Überlegungen bildeten das Fundament für die vielfältigen Denkrichtungen der Panspermie-Hypothese. Im Grunde können viele Einteilungen der zahlreichen Theorien vorgenommen werden, beispielsweise dahingehend, dass organische Moleküle und Verbindungen als Vorläufer des Lebens auf die Erde kamen und dort aufgrund der bereits in Abschnitt 2.2.1 genannten Bedingungen zu lebenden Zellen wurden (Matthews & Minard 2006: 398) oder dass bereits lebendige Zellen möglicherweise in Form von Bakterien, Pilzen oder Viren durch Kollisionen mit anderen Himmelskörpern auf die Erde kamen (Hoyle & Wickramasinghe 1981: 230). Letztere Denkweise wird derzeit auch auf das Erscheinen des Coronavirus und anderer Krankheitserreger angewandt, da ein räumlicher und zeitlicher Zusammenhang zwischen einem Meteoriteneinschlag und dem Ausbruch des Virus entdeckt wurde (Steele et al. 2020: 88ff). Da auf ebensolchen Himmelkörpern bereits im Weltall organische Verbindungen nachgewiesen werden konnten (Wright et al. 2015) und gezeigt wurde, dass Bakterien über längere Zeiträume unter den dort gegebenen Bedingungen überlebensfähig sind (La Torre et al. 2010), ist auch diese Theorie eine ernst zu nehmende Möglichkeit, wie das Leben eventuell auf die Erde gekommen ist. So wurde 2020 ein Experiment veröffentlicht, bei dem ein Bakterium außerhalb der International Space Station (ISS) den Bedingungen des interplanetaren Raums ausgesetzt wurde und nach einer Prognose mehrere Jahrzehnte lang dort überleben könnte (Kawaguchi et al. 2020: 9).

Audio 1: Panspermie – Kam das Leben aus dem Weltall? (Freistetter 2015).

3 Das Leben an extremen Standorten

Dass die Mikroorganismen der Erde in der Lage sind teils extremen Bedingungen standzuhalten, macht die Forschung zur Panspermie-Hypothese deutlich. Doch auch höhere Lebewesen haben sich an die Bedingungen der unterschiedlichen Lebensräume auf der Erde angepasst. Wie extrem diese Bedingungen teilweise sind und wie die jeweiligen Anpassungen daran aussehen können, soll anhand von zwei Beispielen verdeutlicht werden: Der Tiefsee und dem Hochgebirge.

3.1 Das Leben in der Tiefsee

3.1.1 Limitierende Faktoren in der Tiefsee

Die Tiefsee ist vor allem eins – dunkel. Denn durch die optischen Eigenschaften des Wassers wird bereits in geringen Tiefen der Großteil der solaren Strahlung absorbiert und gestreut. UV-Licht und Licht im Infrarot- und Rotbereich erreichen im offenen Ozean nur sehr geringe Tiefen von 10 m bis maximal 50 m während in Tiefen von über 100 m nur Blauanteile des Lichts mit Wellenlängen um 450 nm gelangen (Darwiesh et al. 2018: 3; Woźniak & Dera 2007: 3). Ab etwa 200 m unter der Wasseroberfläche ist fast kein Licht mehr vorhanden (Animation 3) (Prazeres & Renema 2019: 8). Der tiefste Punkt der Ozeane ist das Challengertief des Marianengrabens, das laut einer Messung im Jahr 2014 10.984 m von der Wasseroberfläche entfernt liegt (Gardner et al. 2014: 11) und tektonischen Ursprungs ist (Lemenkova 2018: 41). Somit gibt es einen großen Bereich, in dem Dunkelheit herrscht. Dieser Bereich wird als Bathyal oder midnight zone bezeichnet (van den Hoff et al. 2017: 1). Neben der Dunkelheit sind Lebewesen hier zudem einem extrem hohen hydrostatischen Druck und kalten Wassertemperaturen ausgesetzt (van den Hoff et al. 2017: 1). Das fehlende Licht hat neben dem visuellen Aspekt einen weiteren Einfluss. Denn nur mit Licht kann Photosynthese betrieben werden (Ryther 1956: 69), beispielsweise durch Algen, welche die Hauptproduzenten des im Ozean vorhandenen Sauerstoffs darstellen (Riser & Johnson 2008: 324). Somit steht im Bathyal neben den anderen limitierenden Faktoren auch weniger gelöster Sauerstoff zur Verfügung.

Animation 3: Durchdringtiefe bei Ozeanen von Licht verschiedener Wellenlängen im sichtbaren, ultravioletten (UV), sowie Infrarotbereich (IR) (verändert und animiert nach Prazeres und Renema 2019).

3.1.2 Anpassungsmechanismen von Lebewesen an die Tiefsee

Um die Komplexität der Anpassungsmechanismen von Lebewesen an diesen Lebensraum zu veranschaulichen, dient die Anpassung an den Faktor Licht als gutes Exempel. Wo kein Licht ist, ist auch die Suche nach Beute oder Fortpflanzungspartnern und somit die Reproduktion sowie Kommunikation der hier lebenden Arten erschwert (Davis et al. 2014: 1139). Aus diesem Grund sind viele der dort lebenden Arten dazu in der Lage über eine chemische Reaktion eines körpereigenen Enzyms selbst Licht zu produzieren (Widder 2010: 705, Video 2). Dieses Licht ist zumeist blau, da das visuelle System von Organismen in großen Tiefen an das noch weit nach unten reichende, blaue Lichtspektrum angepasst ist (Widder 2010: 705 aus Archer et al. 1999). Nicht nur die Rezeption von Farben ist an die Bedingungen der Tiefsee angepasst. Viele dort lebende Tiere haben auch besonders große oder sensitive Augen ausgebildet, um möglichst viel Restlicht einfangen zu können (Warrant & Locket 2004: 677; Nilsson et al. 2012: 683). Trotz der Befähigung zur Biolumineszenz treffen sich seltene Spezies nicht häufig untereinander. Daher haben sich teilweise besondere sexuelle Strategien entwickelt, so wie der sexuelle Parasitismus des Tiefsee-Anglerfischs (Caulophryne jordani) (Pietsch 2005: 207). Das Männchen dieser Art ist deutlich kleiner als das Weibchen. Finden sich zwei Individuen der beiden Geschlechter, heftet sich das Männchen mit seinem Maul an das Weibchen und die Gewebe beider Anglerfische verbinden sich. So wird das Männchen lebenslang über den Blutkreislauf des Weibchens mit lebensnotwendigen Nährstoffen versorgt und das Weibchen sichert sich eine Samenquelle (Pietsch 2005: 207). Forschern der Rebikoff Foundation gelang es 2018 erstmalig, ein solches Paar in 800 m Tiefe zu filmen (News at a glance 2018: 1311, Video 3).

Video 2: Zwei Individuen des Blitzlichtfisches (Photoblepharon steinitzi) bei Nacht (eigene Aufnahme aus Dahab, Ägypten).

Video 3: Erstes Bildmaterial eines Tiefsee-Anglerfisch-Paares (Science | AAAS 2018).

3.2 Das Leben im Hochgebirge

3.2.1 Limitierende Faktoren im Hochgebirge

Ein markantes Merkmal der Gebirge ist die abnehmende atmosphärische Temperatur mit zunehmender Höhe (Abbildung 2), durch die es auch zu Wechseln des Klimas kommt. Das Klima beeinflusst wiederum maßgeblich die Vegetation (Derguy et al. 2019: 3). Um Biomasse aufbauen zu können, benötigen Pflanzen je nach Art gewisse Minimaltemperaturen in ihrer Vegetationsperiode aber auch chemisch-physikalische Bodeneigenschaften, die ein Wachstum ermöglichen (Polis 1999: 4). Die Bedingungen spiegeln sich im Höhenprofil von Gebirgen wider, wo die Vegetation oberhalb der Wald- und der Baumgrenze mit Einsetzen der Schneegrenze nicht mehr vorhanden ist (Rubel et al. 2017: 121). Weitere Faktoren, die in Hochgebirgen die Vegetation beeinflussen sind das Mitreißen von Pflanzen durch Lawinen, die schlechten Bodeneigenschaften durch Permafrost, die erhöhte Strahlung aufgrund der dünneren schützenden Atmosphäre und der Reflektion von Strahlung durch die Schneedecke sowie erhöhte Windgeschwindigkeiten (Bebi et al. 2004: 208). In welcher Höhe diese Bedingungen eintreten hängt von der geographischen Lage der Gebirge und dem dort jeweils herrschenden Klima ab (Derguy et al. 2019: 3; Animation 4).

Abbildung 2: Temperatur- und Druckabnahme mit zunehmender Höhe im Bereich der unteren Atmosphäre (verändert nach Encyclopedia Britannica 2012).
Animation 4: Zusammenhang zwischen geographischer Lage und Höhenzonierung (animiert nach Derguy et al. 2019).

Ein anderes Merkmal, das wiederum die Tierwelt sowie den Menschen stark beeinflusst, ist neben den niedrigen Temperaturen in hohen Lagen der abnehmende Luftdruck (Burrows et al. 2011: 9). Auf dem mit 8.848 m höchsten Berg der Erde, dem Mount Everest, beträgt der atmosphärische Druck etwa ein Drittel des atmosphärischen Drucks auf Meeresniveau (West 1999: 1064). Durch das Einatmen von Luft geringen Drucks ist auch die Sauerstoffaufnahme eingeschränkt (Schoene 2001: 3121). In der sogenannten Todeszone ab 7.500 m Höhe ist der menschliche Körper durch den akuten Sauerstoffmangel so geschwächt, dass er hier nur wenige Stunden lebensfähig ist. Doch bereits ab einer Höhe von 2.500 m und insbesondere ab 5.500 m, wo der atmosphärische Druck nur 50 % des Drucks auf Meeresniveau entspricht, kann es zu Symptomen der Höhenkrankheit kommen. Hierzu zählen unter anderem Wassereinlagerungen in den Hirn- oder Lungengefäßen (Ödeme), die unbehandelt schnell zum Tod führen können. Durch eine Akklimatisierung des Körpers kann das Risiko jedoch stark minimiert werden und nur so ist das Erreichen großer Höhen überhaupt möglich (Pynn 2013: 141).

3.2.2 Anpassungsmechanismen von Lebewesen im Hochgebirge

Um den extremen Bedingungen der Hochgebirge besser standhalten zu können, haben einige Pflanzen besondere Merkmale ausgebildet. So gibt es eine Vielfalt von Arten, die sich an kalte Temperaturen, Trockenstress durch gefrorene Böden oder anderen Faktoren angepasst haben (Billings 1974: 132ff). Bei Tieren kann ein verbesserter Sauerstofftransport in Blut und Geweben festgestellt werden (Monge & Leon-Velarde 1991: 1137), was auch beim Menschen durch eine Höhenanpassung erreicht wird. Die Streifengans (Anser indicus) ist beispielsweise dazu in der Lage im Jetstream mit einer Geschwindigkeit von über 150 km/h das Himalaya-Gebirge zu überqueren (Newton 2008).

In den letzten Jahren wird zunehmend das Volk der Sherpa untersucht, welches Anzeichen physiologischer Anpassungen an die Höhe zeigt (Bhandari & Cavalleri 2019: 2ff), die wahrscheinlich durch eine Genmutation zustande kommen (Gnecchi-Ruscone et al. 2018: 2927; Hanaoka et al. 2012: 2).

4 Abschließende Worte

Das Leben ist so vielschichtig wie die physisch-geographischen Gegebenheiten der Erde sowie die globalen Unterschiede, an die es auf verschiedene Weisen angepasst ist. Die Komplexität wird bereits durch die Vielfalt der unterschiedlichen Entstehungstheorien des Lebens deutlich. Viele Wissenschaftler sind der Meinung, dass das Geheimnis um die Entstehung des Lebens vermutlich niemals gelüftet werden wird (Krishnamurthy & Hud 2020: 4614). Die zwei beschriebenen Theorieansätze sind jedoch anerkannte Möglichkeiten, wie es passiert sein könnte. Auch wenn die Hypothesen schon lange existieren, werden sie auch heute noch fortwährend aktualisiert.

5 Literatur- und Quellenverzeichnis

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Das globale Klimasystem

Graphical Abstract

Eigene Abb. 1: Graphical Abstract zum Thema Klimasystem, angelehnt an Brönnimann (2018: 24) und weitere Quellen der folgenden Kapitel.


Gliederung

  1. Einleitung
  2. Klimazonen der Erde
  3. Ozeanische Zirkulation
  4. Atmosphärische Zirkulation
  5. Einfluss von natürlichen und anthropogenen Partikeln
  6. Forschungsprojekte
  7. Fazit

1. Einleitung

Das Klima der Erde wird als komplexes System bezeichnet, da es unterschiedliche Bereiche umfasst, welche miteinander in Wechselbeziehungen stehen (Brönnimann 2018: 22). Das Klimasystem wird in verschiedene Komponenten oder Teilsphären unterteilt, wie die Atmosphäre, die Hydrosphäre, die Kryosphäre, die Lithosphäre, die Biosphäre und die Anthroposphäre (Brönnimann 2018: 23). Die Atmosphäre ist die instabilste Komponente und kann sich am schnellsten verändern. Sie besteht aus Gasen wie Stickstoff, Sauerstoff und Argon. Diese Gase haben nur eine eingeschränkte Möglichkeit, mit der einfallenden, solaren Strahlung zu interagieren und spielen bei der Abstrahlung der Erde keine Rolle. Dagegen können Gase wie Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon und Dickstoffmonoxid Strahlung absorbieren und emitieren, wodurch diese Treibhausgase eine wichtige Rolle im Energiebudget der Erde haben (Ahlonsou et al. 2001: 87). Zu der Hydrosphäre zählen Ozeane, Seen, Flüsse und das Grundwasser. Die Krysphäre beinhaltet Eisschilde, Gletscher und Meereis. Außerdem werden der Lithosphäre der Boden und die Geisteinsoberflächen zugeordnet. Die Anthroposphäre beschreibt den Teil, der durch den Menschen beeinflusst wird (Brönnimann 2018: 23). Das Klimasystem wird durch externe Faktoren beeinflusst. Der wichtigste Einflussfaktor ist die Sonne. Die Aktivitäten der Menschen werden auch als externe Faktoren bezeichnet, wenn sich diese direkt auf das Klimasystem auswirken (Ahlonsuo et al. 2001: 87). Zwischen den Teilsystemen und Elementen des globalen Klimasystems werden Eigenschaften ausgetauscht und gespeichert, wodurch das Klimasystem eine eigene Dynamik hat und nicht statisch ist. Die einzelnen Komponenten unterliegen physiochemischen Prozessen und sind durch diese untereinander verbunden. Wechselwirkungen umfassen Prozesse wie den Austausch und die Speicherung von Energie, in Form von Strahlung und Wärme, von Masse, in Form von Wasser, Gas oder Aerosolen und Impulsen wie bewegter Luft und Wasser (Brönnimann 2018: 24-26). Polare Regionen und die Krysphäre sind in beiden Hemisphären der Erde aktive Komponenten des globalen Klimasystems. Veränderungen in den Regionen nahe den Polen beeinflussen die Stärke und Wirksamkeit des thermischen Gradienten zwischen den Tropen und den Polen (Yuan et al. 2018: 5765). Das polare Klima wird stark von der Variabilität der tropischen Oberflächenwassertemperatur beeinflusst. Diese Variabilität wird vor Allem durch die El Nino Oszillation hervorgerufen, welche weitreichende Einflüsse auf das globale Klima hat. Tropische Variabilität auf einer intrasaisonalen Zeitskala, wie die Madden-Julian Oszillation, beeinflussen Regionen bis hin zur Arktis (Yuan et al. 5766). Rossby-Wellen aus den Tropen sind der Hauptmechanismus für die tropische und polare Fernverbindung (Yuan et al. 5783).     

2. Klimazonen der Erde

Die Klimazonen der Erde wurden erstmals von Wladimir Köppen um 1900 quantitativ klassifiziert und entwickelt. Die Ansätze, basierend auf Köppen, werden auch noch heutzutage benutzt (Belda et al. 2014: 1). Die Klassifikation basiert auf langjährigen Monatsmittelwerten von Temperatur und Niederschlag. Dadurch werden verschiedene Klimazonen anhand spezieller Indikatoren charakterisiert. Die Indikatoren sind an den Wachstumsbedingungen von Pflanzen ausgerichtet, wodurch sich die Klimazonen und Vegetationszonen stark ähneln (Brönnimann 2018: 217). Die erste klimatische Zone bildet das äquatoriale Klima (A). Dieses wird dadurch definiert, dass in dem kältesten Monat die Temperaturen über 18 Grad Celsius liegen müssen. Weiterhin gibt es das warm-gemäßigte Klima (C) mit Temperaturen zwischen -3 und 18 Grad Celsius. Das Schneeklima (D) herrscht in Regionen mit Temperaturen unter -3 Grad. Das polare Klima (E) beschreibt Regionen, in denen der wärmste Monat Temperaturen unter 10 Grad Celsius aufweist. Das aride Klima (B) wird aufgrund von vorherrschender Trockenheit definiert (Brönnimann 2018: 217).

Abb. 2: Klimazonen nach Köppen-Geiger (Kottek et al. 2006: 261)

Abbildung 2 zeigt die globale Verteilung der verschiedenen Klimazonen anhand der Klassifikationen nach Köppen-Geiger. Anhand der Abbildung lässt sich erkennen, dass die Hauptklimazonen anhand der Buchstaben (A) bis (E) unterschieden werden. Weiterhin lassen sich die Klimazonen durch den vorherrschenden Niederschlag weiter unterteilen. Durch diese Einteilung erhalten die Zonen einen zweiten Buchstaben von (W) für Wüste bis hin zu (m) für Monsun. Die dritte Unterteilung erfolgt über den Indikator der Temperatur, wodurch sich der dritte Buchstabe herleiten lässt (Kottek et al. 2006: 259). Die Klimazone der Tropen liegt zwischen den Wendekreisen mit ganzjährlichen hohen Temperaturen. Ein Großteil der Tropen liegt im Einflussbereich der innertropischen Konvergenzzone. Diese wandert im Jahresgang und führt dadurch zu ein- oder zweimaligen Regenzeiten. Charakteristisch dafür sind Niederschlagsereignisse am Nachmittag (Zenitalregen). Über den Tropen gibt es weitreichende Konvektion, wodurch sich große Niederschlagssysteme ausbilden können. Die Temperatur ist ganzjährig hoch mit einer geringen Jahresschwankung. Die Tagesschwankungen der Temperatur sind größer als die Jahresschwankungen. Weiterhin lässt sich die Klimazone in immerfeuchte Tropen, mit zwei Regenzeiten, und wechselfeuchten Tropen, mit einer ausgeprägten Regen- und Trockenzeit, einteilen (Brönnimann 2018: 218-220). An die Tropen schließen sich die rand- und subtropischen Klimazonen an. In diesen Zonen gibt es einen ausgeprägten Jahresgang der Temperaturen. Aride oder semiaride Subtropen werden durch die absteigende Luft in den Hochdruckgebieten der Subtropen beeinflusst. In diesen Regionen bilden sich große Wüstengebiete (Brönnimann 2018: 222). Außerdem gibt es die warmgemäßigten Klimazonen und die mediterranen Klimazonen. Diese sind durch Winterniederschläge charakterisiert. Diese Gebiete sind sommertrocken und haben im Bezug auf die Temperatur einen klaren Jahresgang. Im Winter werden die Regionen durch den Westwind beeinflusst, welcher einen Großteil des Niederschlags mit sich bringt (Brönnimann 2018: 223-224). An die warmgemäßigte Klimazone schließen sich die gemäßigten Breiten an. Dort mischen sich tropische und polare Luftmassen. Dadurch entstehen Wettersysteme, die zu starken Schwankungen von Tag zu Tag führen können. Die Niederschlagsverteilung hat im Sommer ihr Maximum, aufgrund der vorherrschenden Feuchte. In den gemäßigten Breiten gibt es einen starken Nord-Süd-Gradient und klimatische Unterschiede wegen der Kontinentalität und Maritimität (Brönnimann 2018: 225). Abschließend gibt es polare Klimazonen mit subpolaren und polaren Gebieten. Dort herrscht ein ausgeprägtes Jahreszeitenklima vor. Das Klima ist trocken und es ereignen sich kaum Niederschläge. Die Niederschläge ereignen sich in Form von Schnee und die Böden der Regionen stehen unter Permafrost (Brönnimann 2018: 227).

3. Ozeanische Zirkulation

Der Ozean spielt eine Schlüsselrolle im Klimasystem der Erde, besonders bei der Umverteilung von überschüssiger Wärme aus den äquatorialen Gebieten in die Richtung der polaren Regionen (Vernet et al. 2019: 633). Für die ozeanische Zirkulation gibt es zwei Antriebsfaktoren: Den Dichteunterschied im Ozeanwasser und den Wind an der Wasseroberfläche. Oberflächenströme sind primär vom Wind angetrieben. Hingegen ist die umwälzende Zirkulation der Ozeanbecken durch Dichteunterschiede bedingt. Die Dichte des Ozeanwassers wird durch die Temperatur und den Salzgehalt gebildet. Die Wasserdichte ändert sich durch Verdunstung, Niederschlag, Erwärmung, Abkühlung, Süßwasserzufluss, Eisbildung oder Eisschmelze (Brönnimann 2018: 191). An der Wasseroberfläche ist der Wind der wichtigste Antriebsfaktor. Durch den Wind entsteht eine Impulsübertragung an der Oberfläche, wodurch die Wassermassen in Richtung des Windes fließen (Brönnimann 2018: 194). Außerdem wird durch ein System von vertikal getrennten Meeresströmungen, bekannt als global umwälzende Zirkulation, der Transport von Wärme gewährleistet. Dieser Transport wird auch durch eine Reihe von großflächig windgetriebenen horizontalen Zirkulationen beeinflusst (Vernet et al. 2019: 633). Der südliche Ozean ist eine besonders wichtige Region für den Transport von Wärme, Nährstoffen und Kohlenstoff. Diese klimarelevanten Elemente werden zwischen dem Atlantik, dem Pazifik und dem Indischen Ozean ausgetauscht. Weiterhin ist der Südliche Ozean der Ort, an dem Tiefseewässer, welche seit hunderten bis tausenden Jahren von der Atmosphäre isoliert sind, an die Oberfläche fließen können. Somit sind bestimmte Regionen rund um den antarktischen Kontinent als Schlüsselstandorte für die Bildung und Modifikation von dichtem Ozeanwasser zu bezeichnen (Vernet et al. 2019: 633). Ein weiterer Aspekt ist der Einfluss der Corioliskraft. Durch diese entsteht eine Ablenkung der Wasserströmung gegenüber der Windrichtung (Brönnimann 2018: 195). In den Subtropen entsteht eine antizonale Verwirbelung, die ausgeglichen werden muss. Dieser Druckausgleich entsteht durch eine Reibung mit dem Rand des Ozeanbeckens auf der Westseite des Wirbels, wodurch sich starke Strömungen in Richtung des zunehmenden Coriolisparameters entwickeln. Diese Strömungen werden Western Boundary Currents genannt. Beispiele für diese Strömungen sind der Golfstrom und der Kuroshio (Brönnimann 2018: 197).  Außerdem spielen der Golfstrom im Nordatlantik und der Kuroshiro im Nordpazifik eine wichtige Rolle im Wärmetransport und in der Interaktion zwischen dem Ozean und der Atmosphäre. Die Strömungen transportieren erhebliche Mengen an Wasser, Wärme und Salz, wodurch weitreichende Auswirkungen auf das Wetter, Klima und Ökosysteme entstehen (Chen et al. 2019: 7437). Der Wärmetransport des Nordatlantikstroms führt dazu, dass in West- und Nordeuropa ein vergleichsweise mildes Klima herrscht mit höheren Temperaturen im Vergleich zu anderen Regionen mit gleicher geographischer Breite (Umwelt Bundesamt 2013).  

4. Atmosphärische Zirkulation

Im Klimasystem der Erde gibt es räumlich unterschiedliche Energiegehalte, die durch Umwandlungen und Transporte ausgeglichen werden. Die Umsetzung der Strahlungsenergie der Sonne erfolgt hauptsächlich am Erdboden, hingegen findet die Rückgabe von Energie an den Weltraum in allen Schichten der Atmosphäre statt. Aufgrund dieses Unterschiedes gibt es einen Ausgleich durch den Energietransport von der Erdoberfläche in die Troposphäre. Außerdem haben tropische Gebiete einen Energieüberschuss, wohingegen polare Regionen mehr Energie verlieren als eingestrahlt wird (Brönnimann 2018: 149). Über den Tropen befindet sich eine geschlossene Zirkulationszelle, die Hadleyzelle, welche Luft und Wärme polabwärts transportiert. Durch die Erdrotation werden die Luftmassen nach Osten abgelenkt, wodurch ein Westwind entsteht. Zwischen dem 40. und 60. Grad gibt es ein globales Westwindband. Die aufsteigende Luft aus den Tropen kann in diesen Bereich nicht eindringen und sinkt über den Subtropen ab, woraufhin die Luftmassen in Richtung des Äquators zurückströmen (Brönnimann 2018: 158-159). An die Hadleyzelle schließt sich polwärts die Ferrelzelle an. Diese umfasst den Teil der Luftmassen, die aus den Hochdruckgebieten in Richtung der subpolaren Tiefdruckgebiete zurückströmt. Dort steigen die Luftmassen wieder auf und strömen in der oberen Troposphäre zurück (Brönnimann 2018: 164). Die Ferrelzelle besteht aus zonalen, mittleren, vertikalen und meridionalen Winden in den mittleren Breiten. Der zonale Fluss der mittleren Breiten umfasst den Jetstream und die Ferrelzelle, welche sich aus dem Aufstieg der Luft in den hohen Breiten und dem Abstieg in den Subtropen zusammensetzt (Lachmy & Kaspi 2020: 1). Anschließend an die Ferrelzelle existieren die polaren Zellen circa vom 60. Grad bis hin zu den Polen (Qian et al. 2015: 1). Ein Teil der Luftmassen steigt in den Tiefdruckgebieten über den nördlichen Mittelbreiten auf und strömt in Richtung der Pole. Anschließend sinken die Luftmassen in den polaren Regionen ab und fließen als kalte Polarluft zurück in die Mittelbreiten (Brönnimann 2018: 165). Ein weiteres Merkmal der zonalen mittleren Atmosphäre ist der Jet in der oberen Troposphäre, welcher ein lokales Maximum des zonalen Windes darstellt. Der subtropische Jet ist in der oberen Troposphäre verbunden mit einer ausgeprägten vertikalen Scherung, die sich am Rand der Hadleyzelle befindet. Der subtropische Jet beeinflusst die klimatischen Verhältnisse beider Hemisphären im Winter (Lachmy & Harnik 2014: 1389). Außerdem sind die Westwinde prägende Faktoren für das Klima in den mittleren Breitengraden und somit für das variable Klima in Europa verantwortlich (Brönnimann 2018: 167).

Abb. 3: Globales Zirkulationssystem nach Brönnimann (2018: 158).

In Abbildung 3 sind die verschiedenen Zirkulationszellen vereinfacht dargestellt und bieten einen Überblick.

5. Einfluss von natürlichen und anthropogenen Partikeln

Zu den natürlichen Aerosolen zählen Partikel wie Mineralstaub, Salzkristalle, Pollen, Bakterien, Sporen oder vulkanische Sulfataerosole. Anthropogene Aerosole sind in erster Linie Partikel wie Russ, Sulfat- und Nitrataerosole (Brönnimann 2018: 58). Allgemein werden Aerosole als kolloidale Flüssigkeitssysteme oder feste Partikel, die in Gas suspendiert sind, definiert. Primäre Partikel werden direkt in die Atmosphäre abgegeben. Hingegen werden sekundäre Aerosole durch Kondensation in der Atmosphäre gebildet (Després et al. 2012: 3). Außerdem werden sowohl biologische als auch nichtbiologische Partikel in der Atmosphäre hauptsächlich mit Luftströmen transportiert. Weiterhin werden sie durch gravitative Sedimentation oder im Inneren von Eiskristallen und Wassertropfen nach unten transportiert. Ein weiterer Aspekt ist, dass die Partikel, durch Sedimentation und Ablagerung auf dem Boden oder auf Pflanzen, aus der Luft entfernt werden. Diese Ablagerung kann auch durch Auswaschungen von Niederschlägen geschehen (Després et al. 2012: 29). Die Aerosolpartikel kommen besonders in der Troposphäre vor und haben wichtige Einflüsse auf das Klima und die Umgebung. Sie beeinflussen das Klima durch Streuung, Übertragung und Absorption von Strahlung. Außerdem fungieren diese als Kern zur Wolkenbildung (Buseck & Pösfai 1999: 3372). Anthropogen erzeugter Staub, wie in der Industrie oder Transportbranche, kann zu massiven Einträgen von Mineralien in die Atmosphäre führen (Buseck & Pösfai 1999: 3378). Unter anderem werden anthropogene Schadstoffe, einschließlich persistenter organischer Stoffe, primär über die Atmosphäre, Meeresströmungen und Flüsse transportiert (Huntington et al. 2020: 432). Ein weiterer Faktor sind große Vulkanausbrüche, welche ein episodisches Ereignis darstellen. Durch den Ausbruch werden Schwefelverbindungen in die Stratosphäre abgegeben. Sulphurhaltige Gasemissionen von Vulkanen, besonders Schwefeloxid, werden anschließend in sekundäre Sulfat-Aerosole umgewandelt. Diese Partikel haben aufgrund ihrer geringen Durchschnittsgröße eine lange Verweildauer in der Stratosphäre. Sie wirken sehr reflektierend und haben dadurch ein großes Potential, durch die Streuung von kurzen Wellenstrahlen, das Klimasystem der Erde abzukühlen (Kloss et al. 2020: 2).   

Abb. 4: Erklärvideo Aerosole. Eigene Darstellung, angelehnt an die Quellen aus Kapitel 5.

Abbildung 4 veranschaulicht die verschiedenen Typen von Aerosolen und die damit verbundenen Prozesse.

6. Forschungsprojekte

Das erste Forschungsprojekt, das in diesem Thema vorgestellt wird, ist das Photovoltaikprojekt „PV Extrem“ in extremen Klimazonen der Erde. Das Fraunhofer IMWS entwickelt zusammen mit Partnern Materialien für Photovoltaik unter extremen klimatischen Bedingungen. Dabei werden neuartige Kunststofffolien als Einkapselungsmaterial verwendet, die besonders hitze- und altersbeständig sind. Weiterhin geht es um die Entwicklung von Methoden bezüglich des Einsatzes von Solarmodulen in extremen Klimazonen (Fraunhofer CSP 2020). Das zweite Projekt ist das „CliC Ice Sheet Model Intercomparison Project“. Dabei geht es um die Modellierung der Evolution von Eisschollen auf Grönland und in der Antarktis. Es werden Rückkopplungen und Auswirkungen untersucht, die mit dynamischen Eisschollen verbunden sind. Weiterhin geht es darum, den Beitrag der Eisbedeckung zur Veränderung des Meeresspiegels zu erforschen (CliC 2020).

7. Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Klimasystem aus komplexen Beziehungen von unterschiedlichen Teilsphären besteht. Die unterschiedlichen Energiegehalte und Druckunterschiede werden durch die ozeanische und atmosphärische Zirkulation ausgeglichen. Durch die regionalen Unterschiede von Temperatur, Niederschlag und Sonneneinstrahlung gibt es unterschiedliche Klimazonen mit spezifischer Vegetation. Die verschiedenen globalen Zirkulationszellen lassen verschiedene Hoch- und Tiefdruckgebiete entstehen, welche zu den unterschiedlichen Windströmungen, wie beispielsweise dem Westwindgürtel in den mittleren Breiten, führen. Ein weiterer Schlüsselfaktor ist der Ozean, der Wärme aus den äquatorialen Gebieten in die polaren Zonen transportiert. Durch das Streben nach einem Druckausgleich, entstehen Strömungen wie der Golfstrom, die durch den Transport von Wärme und Wassermassen, das Klima maßgeblich beeinflussen. Außerdem beeinflussen natürliche und anthropogene Aerosole das Klimasystem, da diese die einfallende Strahlung der Sonne reflektieren, absorbieren oder übertragen können. Somit ist das Klimasystem als dynamisch zu bezeichnen, da die einzelnen Prozesse und Zusammenhänge miteinander verbunden sind und Auswirkungen aufeinander haben.

Literaturverzeichnis

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Belda, M.; Holtanova, E.; Halenka, T.; Kalvova, J. (2014): Climate classification revisited: from Köppen to Trewartha. In: Climate Research 59: 1-13.

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CliC (2020): Special issue. The Ice Sheet Model Intercomparison Project for CMIP6 (ISMIP6). http://www.climate-cryosphere.org/news/clic-news/1623-ismip6pub2020 [06.01.2021]

Després, VR.; Huffman, JA.; Burrows, SM.; Hoose, C.; Safatov, AS.; Buryak, G.; Fröhlich-Nowoisky, J.; Elbert, W.; Andreae, MO.; Pöschl, U.; Jaenicke, R. (2012): Primary biological aerosol particles in the atmosphere: a review. In: Tellus B: Chemical and Physical Meteorology 64 (1): 1-58.

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Kloss, C.; Sellitto, P.; Legras, B.; Vernier, JP.; Jegou, F.; Venkat ratnam, M.; Kumar, BS.; Madhavan, BL.; Berthet, G. (2020): Impact oft he 2018 Ambae Eruption on the Global Stratospheric Aerosol Layer and Climate. In: Journal of Geophysical Research: Atmospheres, American Geophysical Union 125 (14): 1-17.

Kottek, M.; Grieser, J.; Beck, C.; Rudolf, B.; Rubel, F. (2006): World Map of the Köppen-Geiger climate classification updated. In: Meteorologische Zeitschrift 15 (3): 259-263.

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Umwelt Bundesamt (2013): Kippt der Golfstrom und kommt es daher in Europa zu einer Abkühlung? https://www.umweltbundesamt.de/service/uba-fragen/kippt-der-golfstrom-kommt-es-daher-in-europa-zu [02.03.2021].

Vernet, M.; Geibert, W.; Hoppema, M.; Brown, PJ.; Haas, C.; Hellmer, HH.; et al. (2019): The Weddell Gyre, Southern Ocean: Present Knowledge and Future Challanges. In: Reviews of Geophysics 57: 623-708.

Yuan, X.; Kaplan, MR.; Cane, MA. (2018): The Interconnected Global Climate System – A Review of Tropical – Polar Teleconnections. In: Journal of Climate 31: 5765-5792.

Folgen der Erdbahnparameter für das Klima auf der Erde

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Erforschung der Auswirkungen der Erdbahnbewegungen

3 Änderungen globaler Strahlungsbilanz durch Erdbewegungen

     3.1 Beeinflussung durch die Exzentrität

     3.2 Beeinflussung durch die Nutation

     3.3 Beeinflussung durch die Präzession

4 Folgen der Erdbewegungen

5 Fazit

Quellenverzeichnis

1 Einleitung

Klimaphänomene, wie die Jahreszeiten oder auch der Tag- und Nachtwechsel gehören für uns Menschen zum alltäglichen Leben. Sie werden als selbstverständlich wahrgenommen, jedoch in den seltensten Fällen weiter hinterfragt. Dennoch beeinflussen sie maßgeblich das Leben auf der Erde. So steuern die natürlich bedingten Zyklen unser Leben. Der Mensch, aber auch Pflanzen und Tiere passen sich an das Leben mit wechselnden Bedingungen an. Sowohl der Tag- und Nachtwechsel, als kürzeste immer wiederkehrende Periode, aber auch die Entstehung von Eiszeiten lassen sich hierbei vor allem mit der Veränderung der Erdbahnparameter, also der Veränderung der Lage von der Erde zur Sonne, erklären (Uhlig 2020: 9 ff.). Um sich dem Thema anzunähern, soll zunächst ein kurzer Einblick in die Erforschung der Klimageschichte und der Erdbahnparameter gegeben werden. Damit die Auswirkungen der Erdbahnparameter greifbarer werden, wird zunächst die allgemeine Strahlungsbilanz der Erde oberflächlich erläutert. Anschließend werden die Erdbewegungen und ihre Auswirkung auf die Strahlungsbilanz dargelegt. Infolgedessen lassen sich die klimatischen, für den Menschen spürbaren Auswirkungen dieser herleiten und genauer umschreiben und erklären. Abschließend wird ein kurzes Fazit gezogen und ein Ausblick auf weitere im Zusammenhang stehende Themenfelder gegeben.

2 Erforschung der Auswirkungen der Erdbahnbewegungen

Klimaveränderungen, die unser zukünftiges Leben beeinflussen, beschäftigen die Menschheit schon seit langem. Um Klimaprognosen treffen zu können, stellt sich zunächst die Frage, ob der aktuelle Klimawandel anthropogen bedingt ist oder natürlichen Klimaschwankungen unterliegt. Dies ist die Kernfrage, die zur Erforschung der Klimageschichte führt. Nur das Wissen über die bisherige Klimaentwicklung kann Auskunft darüber geben, ob es zyklische klimatische Schwankungen gibt, die den aktuellen Klimawandel erklären. Weiterhin ermöglicht dies Prognosen für die Zukunft zu treffen und das Klima zu modellieren. In Folge der Forschungen von Alfred Wegener, gelang es Milutin Milankovitch bereits in den 1930er Jahren bahnbrechende Fortschritte zum Klimaverständnis der Erdgeschichte zu erzielen (Thiede 2000: 9). So konnten Veränderungen der Erdbahnparameter festgestellt werden, die heute als Milankovitch-Zyklen bezeichnet werden. Die Milankovitch-Zyklen umschreiben drei, sich in Zyklen verändernde, Erdbahnparameter. So kommt es zur Veränderung der Erdbahn um die Sonne (Exzentrität), der Ausrichtung der Erdachse (Präzession) und der Erdachsenneigung (Nutation). Mit Hilfe dieser Bewegungen versucht Milankovitch die Schwankungen von Kalt- und Warmzeiten der Erde zu erklären. Aus natürlichen Klimaarchiven, wie beispielsweise Tiefseesedimenten oder Eisbohrkernen, lassen sich ebenfalls Rückschlüsse auf die Klimageschichte ziehen. Bei Analyse dieser, kann aufgrund der sich wandelnden Ablagerungsbedingungen, die durch Klimaveränderungen ausgelöst wurden, der Klimawandel rekonstruiert werden. Die Milankovitch-Zyklen decken sich hierbei weitestgehend mit den Analysen der Klimaarchive, wodurch sie zu einem Teil zu der Erklärung des natürlichen Klimawandels beitragen (Thiede 2000: 15f).

3 Änderung globaler Strahlungsbilanz durch Erdbewegungen

Um in diesem Kapitel in weiteren Unterpunkten auf die Beeinflussung des Strahlungshaushaltes der Erde als Folge der Erdbahnparameter eingehen zu können, soll zunächst einleitend die Energiezufuhr der Erde erklärt werden. Die Energiezufuhr der Erde erfolgt durch die von der Sonne abgegebenen elektromagnetischen Wellen. Im globalen Mittel beträgt diese am äußeren Rand der Erdatmosphäre 340 Watt pro Quadratmeter. Jedoch gelangt nur ein Teil dieser Energie auch bis zur Erdoberfläche. Auf dem Weg durch die Erdatmosphäre wird ein großer Anteil der einfallenden Strahlung reflektiert und ein Teil auch absorbiert. Die Reflexion erfolgt hierbei sowohl zurück ins Weltall, aber auch weiter in Richtung Erde in Form von diffuser Himmelsstrahlung. Bei der Absorption der Strahlung kommt es zur Erwärmung der absorbierenden Teilchen und somit zu Erwärmung der Erdatmosphäre. Durch die stattfindenden Prozesse erreichen von den ursprünglichen 340 Watt pro Quadratmeter im globalen Mittel noch 185 Watt pro Quadratmeter die Erdoberfläche, wovon wieder ein Teil durch die Erdoberfläche reflektiert wird. So führen die durchschnittlich übrigen 161 W pro m2 zur Erwärmung der Erdoberfläche Die genannten Werte stellen jedoch nur den globalen Durchschnitt dar (maribus gGmbh 2019: 29). Aufgrund der annährend kugelförmigen Gestalt der Erde, nimmt die einfallende Sonnenenergie pro Flächeneinheit zu den Polen hin jedoch ab. Dies hängt im Zusammenhang mit dem Einfallwinkel der Strahlung. Je flacher der Winkel ist, mit dem die Solarstrahlung auf die Erde trifft, auf desto mehr Fläche verteilt sich die Strahlung. Pro Flächeneinheit trifft somit weniger Strahlung auf die Erdoberfläche. Sie kann sich hier also nicht so stark erwärmen (maribus gGmbh 2019: 60).

Abb. 2: Auswirkungen des Einfallwinkels auf den Strahlungsgenuss (Sachweh 2019)

In Abbildung 2 ist dieser Effekt deutlich zu erkennen. Die Strahlenbündel, die in den verschiedenen Regionen auf die Erde treffen, sind identisch und transportieren somit die gleiche Energie. Zu erkennen ist jedoch, dass sich diese Energie bei dem oberen Lichtkegel auf eine viel größere Fläche verteilen muss als bei dem unteren Lichtkegel. Hierdurch kann sich die Äquatornahe Region stärker erwärmen als die in Polnähe.

3.1 Beeinflussung durch die Exzentrität

Die Erde bewegt sich auf der Erdumlaufbahn, nahezu kreisrund um die Sonne. Sie ist in Abb.1 als durchgängige hellgraue Linie dargestellt. Die Umlaufzeit der Erde beträgt hierbei ungefähr 365,25 Tage. Durch Beeinflussung der Gravitationsfelder anderer Planeten kommt es jedoch dazu, dass sich die Erdbahn in bestimmten Zyklen ändert. Diese Bewegung der Erdbahn wird Exzentrität genannt. Sie umschreibt hierbei die Abweichung der Erdbahn von der kreisrunden Form und ist in Abb. 1 mit einer hellblau gestrichelten Linie dargestellt. Die Exzentrität kann hierbei theoretisch Werte von 0, welches einer perfekten Kreisform entspricht, bis zu einem Wert von unter 1 annehmen, was eine Ellipsenform darstellt. Aktuell ist die Erdbahn nahezu kreisrund und ihre Exzentrität beträgt einen Wert von 0,017. Im Perihel, also der Stellung, die der Sonne am nächsten ist, beträgt der aktuelle Abstand zur Sonne 147,1 Mio. km.  Die sonnenfernste Stellung wird Aphel genannt und beträgt momentan 152,1 Mio. km. Im Zyklus von 100.000 Jahren kommt es jedoch zur Änderung der Exzentrität. So kann diese auch höhere Werte bis zu 0,06 annehmen (Uhlig 2020: 9f). In diesem Fall ist die Differenz der Sonnenentfernung, also von Perihel zu Aphel aufgrund der stärkeren ellipsenform, höher, welches ebenfalls Einfluss auf die einfallende Strahlungsenergie der Sonne hat. Das Abstandsquadratgesetz besagt, dass die Strahlungsenergie einer punktförmigen Strahlungsquelle, in dem Fall der Sonne, proportional zum Quadrat des Abstands abnimmt. Das bedeutet, dass die Strahlungsunterschiede zwischen innerhalb eines Jahres bei höherer Exzentrität deutlicher als bei geringerer Exzentrität sind (Uhlig 2020: 10 f.). Doch nicht nur die Erdbahn selbst ändert sich, sondern auch die Geschwindigkeit der Erde auf dieser. Als Folge der Konstanz des Bahndrehimpulses bewegt sich die Erde in Perihelnähe etwas schneller. Dies hat zur Folge, dass der aktuelle Nordwinter/Südsommer, mit 179 Tagen sieben Tage kürzer ist als der Nordsommer/Südwinter, was jedoch nicht entscheidend für die Entstehung der Jahreszeiten ist (Roedel 2000: 2).

Abb. 3: Die Exzentritätsbewegung (NASA 2020)

3.2 Beeinflussung durch die Nutation

Auch die Neigung der Erdachse führt mit der Zeit zu Veränderungen im Strahlungshaushalt. In Abb. 1 ist die Erdachse im aktuellen Zustand durch die durchgängige schwarze Linie dargestellt. Die Achsenneigung beträgt aktuell 23,4° (Uhlig 2020: 11). Sie bedingt, dass sich der Einfallwinkel der Sonne, auf einen Punkt auf der Erde, im Verlaufe eines Jahres durch die Erdbewegung um die Sonne ändert. Zwischen dem nördlichen und südlichen Wendekreis, wo der Einfallwinkel generell hoch ist, hat dies geringere Auswirkungen. Je weiter man sich jedoch den Polen nähert, desto stärker wird der Effekt, im Jahresverlauf. Mit dem Einfallwinkel der Sonnenstrahlung ändert sich auch die einfallende Energie pro Flächeneinheit, wodurch sich die Erdoberfläche besonders polwärts im Winterhalbjahr nicht mehr so stark erwärmen kann (Roedel 2000: 3f). Auch die Erdachse steht nicht starr, sondern bewegt sich in zwei verschieden Zyklen. Die Nutation beschreibt hierbei die Änderung des Achsenwinkels. In Abbildung 1 ist die Nutation durch den grünen Pfeil dargestellt. Im Zyklus von etwa 41.000 Jahren schwankt dieser von 22° bis 24,5° zur senkrechten der Bahnebene (Herterich 2002: 118). Je höher der Neigungswinkel der Erdachse ist, desto höher ist die Differenz der minimalen bzw. maximalen Solarstrahlung, die im Aphel bzw. Perihel erreicht werden. Dies bedeutet, dass bei einem hohen Achsenwinkel sowohl eine stärkere Erwärmung begünstigt wird, jedoch auch eine höhere Abkühlung im Winterhalbjahr stattfinden kann. Gegenteiliges gilt für eine geringe Achsenneigung (Uhlig 2000: 11).

Abb. 4: Nutationsbewegung (NASA 2020)

3.3 Beeinflussung durch die Präzession

Eine weitere Bewegungsrichtung der Erdachse ist die Präzession. Die Präzession umschreibt das Taumeln der Erdachse um die gedachte Mittelsenkrechte. Die Mittelsenkrechte wird in Abb. 1 durch die hellgrau gestrichelte Linie dargestellt und die Präzessionsbewegung wird durch die braunen Pfeile dargestellt. Um sich die Bewegung besser veranschaulichen zu können, lässt sich die Präzession mit einem taumelnden Kreisel vergleichen. Setzt man diesen schräg auf eine Oberfläche beginnt die Achse sich ebenfalls um den Auflagepunkt zu rotieren. Im Zyklus von 19.000 bis 23.000 Jahren ändert sich durch die Präzession die Ausrichtung der Erdachse zur Sonne. Somit ändert sich auch der Bereich der Erde, der bei Erreichen des Aphels, beziehungsweise Perihels, der Sonne zugewandt ist. Dies hat zur Folge, dass sich der Zeitpunkt, zu dem der höchste Strahlungsgenuss herrscht, verschiebt. Somit auch die Periode, in der sich die Erdoberfläche in Folge des Strahlungsgenusses, am meisten erwärmen kann. Aufgrund des höheren Festland Anteils auf der Nordhalbkugel, zeigen sich hier die Unterschiede deutlicher als auf der Südhalbkugel (Uhlig 2020: 12).

Abb. 5: Präzessionsbewegung (NASA 2020)

4 Folgen der Erdbewegungen

Aus den bereits beschriebenen Erdbewegungen, welche Änderungen des Strahlungshaushaltes zur Folge haben, lassen sich nun im Weiteren die für den Menschen spürbaren Effekte herleiten. Eine Bewegungsrichtung, auf die bisher nicht eingegangen wurde, ist die Erdrotation. Durch die annährend runde Form der Erde und den Fakt, dass diese nur von einer Seite beschienen wird, herrscht auf der sonnenzugewandten Seite Tag und auf der abgewandten Seite Nacht (siehe Abb.1). Die Tageslänge der irdischen Zeitrechnung beträgt, aufgrund der Rotationsdauer, 24 Stunden. Am Tag kann es so zum Strahlungsgenuss und somit zur Erwärmung kommen, wohingegen sich die Erdoberfläche mit eintreten der Nacht, aufgrund fehlender Einstrahlung abkühlt (Uhlig 2020: 11).

Abb. 6: Achsenneigung der Erde heute und vor 10.000 Jahren (Herterich 2002: 118)

Einen längeren natürlich bedingten Zyklus stellen die Jahreszeiten dar. Sie entstehen durch die Schiefstellung der Erdachse zur Bahn um die Sonne. Abbildung 6a zeigt die Erde im Nordsommer. Die Nordhalbkugel ist der Sonne zugewandt und kann sich hier stärker erwärmen als auf der Südhalbkugel, wo nun Winter herrscht. Ein halbes Jahr später zeigt sich gegenteiliges. Nun ist die Südhalbkugel zugewandter, wodurch nun hier Sommer und auf der Nordhalbkugel Winter herrscht (Abb. 6b). Jedoch ist nicht immer eine Erdhälfte der Sonne zugewandter als die andere. Im Frühling oder Herbst werden beide Erdhälften gleich stark beschienen. In Äquatornähe zeigt sich der jahreszeitliche Wandel eher gering. Je weiter man sich jedoch den Polen annähert, desto stärker werden die Auswirkungen. So kommt es hier aufgrund der Achsenneigung zur Ausprägung von Polartag und Polarnacht (Roedel 2000: 2ff). Bedingt durch die Nutation ändert sich auch die Ausprägung der Jahreszeiten. Je höher die Achsenneigung ist, desto stärker ist eine Erdhälfte der Sonne zu- oder abgewandt. Die Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter zeigen sich bei einer höheren Erdachsenneigung umso deutlicher (Uhlig 2020: 11).

In Folge des Präzessionszyklusses kann es jedoch dazu kommen, dass sich Sommer- und Winterhalbjahr der Erdhälften vertauschen. Vor 10.000 Jahren war dies der Fall. Die Erdachse hatte ihre Ausrichtung maximal geändert, sodass der Nordsommer/Südwinter nahe des Perihels herrschte (Abb. 6d). Es ist davon auszugehen, dass die Sommer der Nordhalbkugel, aufgrund der näheren Stellung zur Sonne wärmer waren als heute. Die, im Vergleich zu heute, sonnenfernere Stellung im Winter führt hingegen zu einer höheren Abkühlung.  Die Exzentrität war jedoch ähnlich zur heutigen (Herterich 2002: 118 f). Blickt man zeitlich etwas weiter zurück, so war die Exzentrität deutlich höher als heute. So erreichte diese während der letzten Eiszeiten Werte bis zu 0,06, was letztendlich aufgrund der höheren Differenz zwischen Perihel und Aphel zu größeren Temperaturunterschieden zwischen Sommer und Winter führt (Uhlig 2020: 11). Ein weiterer Effekt, der zur Ausprägung der Eiszeiten geführt hat, ist der Neigungswinkel der Erde. Es zeigt sich, dass hierbei ein flacherer Neigungswinkel die Ausbildung von kontinentalen Eisschilden begünstigt. Zwar sind die Winter nicht so extrem, jedoch kalt genug, um Niederschlag in Form von Schnee zu bilden. Aufgrund der höheren winterlichen Temperatur findet über den Meeren eine höhere Verdunstung statt, sodass, im Vergleich zu kälteren Temperaturen, mehr Niederschlag fallen kann. Die Sommer hingegen werden nicht so warm wie bei einem höheren Neigungswinkel. Dies begünstigt das Bestehen der gebildeten Schnee- und Eismassen, da die Ablation, also das Abschmelzen des Niederschlages, aufgrund der geringeren Temperaturen nicht so schnell erfolgt (Uhlig 2020: 12).

5 Fazit

Es lässt sich festhalten, dass die Erdbahnparameter einen großen Einfluss auf das Klima der Erde haben. Die Erdrotation sorgt für den Tag- und Nachtwechsel, die Achsenneigung ist für die Entstehung der Jahreszeiten verantwortlich und die Exzentrität steuert die Menge der einfallenden Energie. Das Zusammenspiel aller Faktoren gleichzeitig steuert das Klima der Erde und reguliert so in langen Zeiträumen den Wechsel von Warm- und Kaltzeiten. Der Klimawandel unterliegt jedoch nicht nur den Bedingungen der Erdabahnparameter. Auch andere astronomische Prozesse, wie beispielsweise die Sonnenaktivität, können Einfluss auf das Klima haben. Neben den astronomischen Einflüssen finden auch innerhalb der Erdatmosphäre natürliche Prozesse statt, die das Klima beeinflussen. Globale Meeres- oder Windströme haben maßgeblichen Einfluss auf das Klima. Eine weitere Rolle können hierbei in längeren Zeiträumen auch die Verteilung von Land- und Wassermassen spielen, die durch plattentektonische Prozesse verändert werden. Einhergehend mit den tektonischen Prozessen kann auch Vulkanismus einen Einflussfaktor des Klimas darstellen (LANUV o. J.). Neben den natürlichen Einflussgrößen auf das Klima, lassen sich jedoch auch anthropogene Einflüsse feststellen. Die Menschheit verändert mit ihrer Existenz die natürlichen Gegebenheiten. So wirken Emissionen auf die Erdatmosphäre ein, wodurch sich ihre Zusammensetzung ändert. Ein verstärkter Treibhauseffekt und somit eine anthropogen geschaffene Erderwärmung ist die Folge. Diese lässt sich besonders seit dem 20. Jahrhundert beobachten. So hat sich das Klima im 20. Jh. Global um ca. 0,6 °C erwärmt. Prognosen des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) gehen von einer Klimaerwärmung von bis zu vier Grad Celsius bis zum Ende des Jahrhunderts aus (BMU 2008: 10).

Quellenverzeichnis

Bildungsserver.de (2016): Erdbahnparameter.  https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Erdbahnparameter (02.01.2021)

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2008): Klimawandel in den Alpen, Fakten –Folgen -Anpassung, Bonn

Herterich K. (2002): Variabilität der Erdbahnparameter und Klimaänderungen. In: promet, meteorologische fortbildung 28 (3/4): 117-122

Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz (o. J.): Globaler Klimawandel. https://www.lanuv.nrw.de/klima/klimawandel-in-nrw/hintergrund-globaler-klimawandel (07.01.2021)

maribus gGmbH (Hg.) (2019): world ocean review. 6. Arktis und Antarktis-extrem, klimarelevant, gefährdet. Hamburg

NASA (2020): Milankovitch (Orbital) Cycles and Teir Role in Earth´s Climate. https://climate.nasa.gov/news/2948/milankovitch-orbital-cycles-and-their-role-in-earths-climate/ (12.03.2021)

Roedel W. (2000): Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. 3. Überarbeitete und aktualisierte Aufl., Heidelberg.

Sachweh M. (2019): Das globale Windsystem der Erde – vom Profi erklärt. https://www.blauwasser.de/globale-windsysteme (09.01.2021)

Thiede J. (2000): Paläoklimaänderungen der jüngsten geologischen Vergangenheit – Raten und Maße natürlicher Klimawechsel. In: Wolfrum J., Wittig S. (Hg.): Energie und Umwelt. Wo liegen optimale Lösungen?, Heidelberg: 9-23

Uhlig S. (2020): Natürlicher Klimawandel-Fakten aus geologischer, archäologischer und astrophysischer Sicht. Karlsruhe.