Das globale Klimasystem

Graphical Abstract

Gliederung

Einleitung
Klimazonen der Erde
Ozeanische Zirkulation
Atmosphärische Zirkulation
Einfluss von natürlichen und anthropogenen Partikeln
Forschungsprojekte
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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