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Von Wolkenschichten, Wärmespeichern und Vulkanen
(einige Aspekte zur "Klimakatastrophe")

von Alfons Baier

Herr Baier ist Dr. an der Uni Erlangen. Dieser trefflich gestaltete und inhaltsreiche Beitrag überführt die Demagogen der viel beschworenen "Klimakatastrophe". Er eröffnet Ihnen sehr umfangreiche Betrachtungsweisen, weil viele Faktoren beleuchtet werden.

Die Betrachtung der Zusammenhänge geht weit zurück in der Erdgeschichte. Außerdem werden die beträchtlichen Einflüsse der Sonne, aber auch der natürlichen Faktoren auf der Erde beschrieben.

Ich danke Hr. Dr. Baier für die Zurverfügungstellung dieser Informationen und ich hoffe, dass sie Verbreitung finden - genauso wie die anderen Beiträge hier im Infobereich BAUPHYSIK/UMWELT.

Kontakt zum Autor: abaier@geol.uni-erlangen.de

Zur HomePage Dr. Alfons Baier: beachten Sie die Aktualisierung
Uns hat vor einigen Wochen das Rechenzentrum der Universitaet eine neue und hoffentlich für alle Zeiten endgültige Lehrstuhl-URL zugewiesen. Die alte URL (http://www.rrze.uni-erlangen.de\ etc. oder auch: http://www.uni-erlangen.de\ etc.), ueber welche bis heute eine automatische Umleitung zur neuen Adresse bestand, funktioniert nun endgültig nicht mehr.

Daher darf ich Sie vielleicht herzlich bitten, den Hyperlink auf die neue Adresse:

http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/klima1.htm  (dead link, 29.01.2005)

abzuändern!
Dr. Alfons Baier, 18.03.2003


Die Grundlage für die politische Diskussion bezüglich der "drohenden Klimakatastrophe" bilden verschiedene Hochrechnungen, welche hauptsächlich auf der Auswertung jüngerer Klimadaten und der Analyse von Energierohstoff-Nutzungen beruhen. Hieraus ergab sich, dass bereits ab dem letzten Jahrhundert bis heute eine chemische Veränderung der Spurengas-Konzentrationen in der Erdatmosphäre stattfand. Ursachen hierfür waren die schnell anwachsende Weltbevölkerung und somit ein rapide ansteigender Energieverbrauch -- vorwiegend durch fossile Brennstoffe -- sowie eine rasch zunehmende Industriealisierung und Intensivierung der Landwirtschaft.

Nach den wenigen vorliegenden Meßreihen erhöhte sich zwischen 1850 und heute der Anteil des Kohlendioxids (CO₂) in der Erdatmosphäre von 0,029 auf etwa 0,036 Volumenprozent. Sollte dieser Trend -- der Anstieg beträgt im Mittel etwa 1,5 ppm pro Jahr -- weiter anhalten, könnte der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre bis zum Jahre 2100 auf etwa das 1,5-fache oder knapp auf den doppelten vorindustriellen Wert ansteigen.

Jedoch wurden erst seit 1958 verläßliche Messungen des CO₂-Gehaltes der Luft durchgeführt. Die Übertragung dieser Meßergebnisse auf globale Verhältnisse erscheint zweifelhaft, da nur an wenigen Stellen auf der Erde zuverlässig und über einem längeren Zeitraum gemessen wurde. Trotzdem postulierten verschiedene Wissenschaftler, dass der global ansteigende Kohlendioxid-Gehalt der Luft eine Verstärkung des natürlichen Treibhauseffektes (dieser wird vor allem durch atmosphärischen Wasserdampf hervorgerufen) und somit eine starke Erwärmung der Erdatmosphäre bedingen könnte.

Kohlendioxid (CO₂) ist ein farbloses Gas, das schwerer ist als Luft. Es entsteht vor allem bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen wie Holz, Kohle und Kohlenwasserstoffen (z.B. Erdöl und seinen technischen Folgeprodukten, Erdgas) sowie bei der natürlichen Oxidation kohlenstoffreicher Sedimente (z.B. humose oder torfige Böden), bei den Stoffwechselprozessen der höheren Lebewesen ("Atmung"), bei den verschiedenen Gärprozessen und ist natürlicher Bestandteil der vulkanischen Exhalationen (z.B. in den Maaren der Eifel) sowie vieler, aus tiefen geologischen Schichten entspringenden Mineralquellen (juveniles CO₂ in den "Säuerlingen").

Alle grünen Pflanzen nehmen Kohlendioxid aus der Luft auf, verwenden den Kohlenstoff zum Aufbau und scheiden den Sauerstoff wieder aus: Bei dieser Assimilation wird im pflanzlichen Chlorophyll Kohlendioxid und Wasser unter dem Einfluß des Sonnenlichtes ("Photosynthese") zu Kohlenhydraten ("Stärke") umgewandelt. Tiere und Menschen nehmen hingegen für ihre Stoffwechselprozesse Sauerstoff aus der Luft auf und atmen Kohlendioxid wieder aus.

Der stoffwechselphysiologische Primärvorgang der Photosynthese ist somit der wichtigste biochemische Vorgang auf der Erde. Alle Lebewesen leben direkt oder indirekt von den Assimilaten der Pflanzen; hierdurch wurde das Leben in seiner heutigen Form erst möglich. Die Energie zu seiner Erhaltung ist das Sonnenlicht, das im Laufe des Vorgangs der Photosynthese in chemische und somit in stabile Energie umgewandelt wird: Die grüne Pflanze stellt hierdurch eine geradezu ideale "Sonnenbatterie" dar.

Regen und Schnee bestehen trotz ihrer natürlichen Destillation keineswegs aus reinem Wasser: Die Gase der Atmosphäre sind darin gelöst, und zwar die chemisch aktiven, Sauerstoff und Kohlendioxid, in erhöhtem Anteil. So erhält das Niederschlagswasser bereits bei seinem Durchgang durch die Atmosphäre gelöstes Kohlendioxid; dies gilt in erhöhtem Maße für das versickernde Niederschlagswasser, denn der CO₂-Gehalt der Bodenluft kann infolge der Mikrobentätigkeit auf das 100-fache des Wertes in der Atmosphäre ansteigen.

Die Weltmeere nehmen rund 71 % der Erdoberfläche ein. Im Meerwasser lösen sich die Gase der Luft im gleichen Verhältnis wie im Süßwasser; die lebenswichtigen Gase Sauerstoff und Kohlendioxid sind also gegenüber der Luft angereichert. Meist ist hierbei jedoch das Gleichgewicht durch die Stoffwechselprozesse der Organismen gestört: Die obersten dreissig Meter der Wassersäule sind häufig durch die Assimilationstätigkeit des pflanzlichen Planktons an Sauerstoff übersättigt. Vor allem Algen verbrauchen CO₂ bei der Assimilation und setzen Sauerstoff frei. Die Photosynthese ist auf die obersten 100 m des Wasserkörpers beschränkt; in größeren Meerestiefen wird der Sauerstoff zunehmend durch Tiere zu Kohlendioxid veratmet. Wenn nicht Strömungen oder Durchmischungsvorgänge eine stetige durchgreifende Erneuerung der Wassersäule bedingen, schafft in tieferen Meeresbereichen das Verschwinden der letzten Spuren von Sauerstoff geeignete Lebensbedingungen für die sog. anaeroben Bakterien, welche ihren Energiebedarf unter Luftabschluß entweder aus der Zersetzung von Eiweiß oder der Reduktion von Sulfaten decken. Hierbei erzeugen sie als Stoffwechselprodukt Schwefelwasserstoff, welcher das Wasser für alle anderen Organismen vergiftet. Einige Bakterienarten erzeugen durch die Zerlegung von Eiweiß oder die Reduktion von Nitraten Ammoniak, welches Kohlendioxid bindet.

In der Atmosphäre lassen "Treibhausgase" wie atmosphärischer Wasserdampf und Kohlendioxid zwar das sichtbare Sonnenlicht durch die Lufthülle auf die Erdoberfläche passieren, absorbieren oder reflektieren jedoch die langwellige Infrarot-Wärmerückstrahlung von der Erdoberfläche in den Weltraum.



Der "natürliche Treibhauseffekt" wird durch das Vorhandensein von Wasserdampf und -- untergeordnet -- Kohlendioxid in der Erdatmosphäre hervorgerufen und bewirkt letztlich die Durchschnittstemperatur unseres Planeten von +15°C; der Anteil des Wasserdampfes am Gesamt-Treibhauseffekt beträgt rund 86 W/m² und jener des Spurengases Kohlendioxids rund 38 W/m².

Weitere Spurengase, die Infrarotstrahlung absorbieren, weisen seit Beginn unseres Jahrhunderts eine steigende Konzentration auf (der Anteil der Spurengase am Gesamt-Treibhauseffekt beläuft sich auf etwa 7 W/m²). Die Spurengase wirken mit, das "Wasserdampffenster", also jene Lücke im infraroten Absorptionsspektrum des Wasserdampfes, zu schließen. In dieser "Lücke" liegt das Maximum der Erd-Wärmeausstrahlung. Bedenklich erscheint, dass die Konzentrationen der anderen -- in der allgemeinen Diskussion weitgehend unberücksichtigten -- klimarelevanten Spurengase (v.a. Distickstoffoxid, Flourchlorkohlenwasserstoffe (FCKW´s), Tetrachlorkohlenstoff und Methan) schneller steigt als die CO₂-Konzentration; diese könnten jedoch in der Zukunft einen bedeutenden Beitrag zu Klimaänderungen liefern.



So ist in der Öffentlichkeit weitgehend unbekannt, dass das Spurengas Methan (CH₄) als "atmosphärischer Wärmespeicher" etwa 15- bis 30-fach wirksamer ist als Kohlendioxid. Mehr als die Hälfte dieser Methanemmisionen stammen von der Umsetzung pflanzlicher Substanz durch anaerobe Bakterien. Weitere Emmisionsquellen von Methan sind vor allem Reisanbau, Rinderzucht, Biomassenverbrennung in tropischen Wäldern und Savannen, mikrobiologische Fäulnisprozesse z.B. in Mülldeponien und Kläranlagen (Deponiegas besteht aus 30% bis 60% aus Methan) und das Entweichen von Methangas bei der Förderung und Verteilung von Kohle, Erdöl und -gas.

Der Anteil der -- von den Menschen von der Mitte des 18. Jahrhunderts ab verursachten -- Steigerung des Treibhauseffektes beträgt 2,7 W/m² oder 2,1 %: Hierbei verursachten (nach Berechnungen von BERNER & STREIF 2001) die anthropogenen Kohlendioxid-Emissionen einen Anstieg von ca. 1,6 W/m² und die übrigen Spurengase einen Anstieg von etwa 1,1 W/m².

Beide Werte liegen allerdings noch im Bereich der Unsicherheiten, die bei der Bestimmung des Gesamt-Treibhauseffektes heute noch anzusetzen sind. Unbestritten ist jedoch, dass im Gesamt-Treibhaussystem der Wasserdampf mit rund 66 % der entscheidende Faktor für die Speicherung von Wärmeenergie auf der Erde ist.

Die verbreitete Darstellung der CO₂-Problematik geht im Grunde von vergleichenden Betrachtungen mit unseren beiden Nachbarplaneten Venus und Mars aus. Unter den Planeten unseres Sonnensystems nimmt die Erde mit ihren Luftschichten eine Sonderstellung ein.



Die Atmosphären unserer Nachbarplaneten Venus und Mars bestehen zu etwa 95 Volumenprozent aus Kohlendioxid, während sich die Erdatmosphäre aus 78 Volumenprozent Stickstoff und zu ca. 21 Vol.-% aus Sauerstoff zusammensetzt; die restlichen Gase sind Argon, Neon, Helium und verschiedene Spurengase, unter ihnen auch Kohlendioxid mit 0,03 Vol.-%; hinzu kommt in sehr stark wechselnder Menge Wasserdampf mit einem Anteil von 0,01 Vol.-% bis 5 Vol.-%.

	Venus	Erde	Mars
Stickstoff N2 bzw. NO2	3,40 %	78,09 %	2,70 %
Sauerstoff O2	< 0,002 %	20,95 %	0,13 %
Argon		0,93 %
Kohlendioxid CO2	96,40 %	0,03 %	95,30 %
Neon Helium		0,002 % 0,0005 %
Wasserdampf H2O	~ 0,01 %	~ 0,01 % bis ~ 5,0 %	0,03 %
Oberflächentemp. [°C]	+ 480°C	+ 15°C	- 60°C
Atmosphärendruck an der Oberfläche [bar]	95	1	0,007

Aus dem Vergleich der drei Planeten-Atmosphären baut i.w. die Schlußfolgerung auf, dass hohe CO₂-Konzentrationen zu starken Erwärmungen führen. Dieses Postulat setzt voraus, dass die Verhältnisse auf den beiden terrestren Planeten trotz der 500-fach unterschiedlichen Wasserdampfanteile in den Atmosphären und den verschiedenen Sonnenabständen mit den Erdbedingungen vergleichbar sind.

 

Der Planet Venus ist in vielerlei Hinsicht die Schwester der Erde. Ihr Radius beträgt 95% des Erdradius und ihre Masse 81 Prozent der Erdmasse, so dass die Schwerkraft an ihrer Oberfläche in etwa der irdischen gleichkommt. Da die Venus näher an der Sonne ist als die Erde, müßte jeder Quadratmeter der Oberfläche dieses Planeten etwa doppelt so viel Sonnenlicht wie die Erdoberfläche erhalten. So vermuteten Wissenschaftler bis in die siebziger Jahre ein warmes, angenehmes Klima unter der dichten Wolkendecke der Venus; auch das Vorkommen von Wasser wurde als wahrscheinlich angenommen. Als jedoch die ersten Raumsonden die dichten Schwefelsäure-Wolkenschichten durchdrangen, entpuppte sich die Venusoberfläche als eine heiße und tote Welt.

Unter der reinen und strahlenden Wolkendecke verbirgt sich eine höllische Venusoberfläche mit Temperaturen bis +480°C und einem Atmosphärendruck von 95 bar. Die Venus entwickelte in ihrer Geschichte eine heiße, trockene und weitgehend sauerstofflose Atmosphäre, in welcher sich keine Lebensform entfalten konnte und jedes Meer sofort verdunsten würde. Ihre Atmosphäre enthält dieselben Bestandteile wie die Erdatmosphäre, jedoch in wesentlich anderen Konzentrationen: Unter den bis in eine Höhe von 70 km hinaufreichenden Schwefelsäurewolken liegt eine bodennahe Atmosphärenschicht, die hauptsächlich aus Kohlendioxid, einen kleinen Teil an Stickstoff(-oxid) und einer Spur Sauerstoff sowie einer verschwindend geringen Menge an Wasserdampf besteht.

Die schon vor drei Milliarden Jahren sehr dünne Atmosphäre des Mars läßt sich dadurch erklären, dass dieser Planet in seiner Urzeit wärmer war. Die Moleküle seiner Lufthülle waren deshalb in schneller Bewegung und konnten somit größtenteils das Schwerefeld dieses relativ kleinen Planeten verlassen.

Die verschiedenen Oberflächentemperaturen der erdähnlichen Planeten Venus und Mars lassen sich nur durch ihre unterschiedlichen Sonnenabstände nicht schlüssig interpretieren. Die Venus ist etwa 100 Mio. km von der Sonne entfernt, die Erde 150 Mio. km und der Mars rund 230 Mio. km. Unter Berücksichtigung der verschiedenen Reflexionskoeffizienten (Albedos) der drei Planeten müßte auf der Venus eine Durchschnittstemperatur von -39°C, auf der Erde von -18°C und auf dem Mars eine Mitteltemperatur von -56°C vorherrschen.

Die enorm verschiedenen Temperaturen auf den drei Planeten lassen sich dadurch erklären, dass auf der Venus eine sehr dichte Kohlendioxid-Atmosphäre vorherrscht. Auf der Erde wird der "natürliche Treibhauseffekt" durch das Vorhandensein von Wasserdampf und (untergeordnet) Kohlendioxid in der Atmosphäre hervorgerufen. Wasser beinhaltet latente Energie, die bei den Phasenänderungen (durch Verdunstung, Kondensation, Schmelzen und Gefrieren) umgesetzt wird. Wasser ist somit ein hauptsächliches Regulativ des Energiehaushaltes der Erde und des Wettergeschehens: Es ist das Klimaelement. Der Wasserdampf-Transport dient dem Wasserausgleich auf der Erde und der Wasserdampfgehalt schützt im Strahlungshaushalt das Klima der Erde. Nur in der prozentual zwar sehr CO₂-reichen, insgesamt jedoch äußerst dünnen Atmosphäre des Mars herrschen seiner astronomischen Stellung und seines Reflexionskoeffizienten entsprechende Temperaturverhältnisse vor.

Auf der Erde ist der atmosphärische Wasserdampf das Treibhausgas schlechthin: Es läßt zwar das sichtbare Sonnenlicht durch die Lufthülle auf die Erdoberfläche passieren, absorbiert oder reflektiert jedoch die langwellige Infrarot-Wärmerückstrahlung von der Erdoberfläche in den Weltraum. Dieser "natürliche Treibhauseffekt" wird hauptsächlich durch das Vorhandensein von Wasserdampf in der Erdatmosphäre hervorgerufen und bewirkt letztlich die Durchschnittstemperatur unseres Planeten von +15°C.

Ihr Kohlendioxid konnten die drei Planeten unterschiedlich gut zwischen Kruste und Atmosphäre austauschen:

Der Planet Mars ist heute -- samt seiner zweifellos vorhandenen Wassermengen -- tiefgefroren, weil er offenbar die Fähigkeit eingebüßt hat, das in seinen Gesteinen gebundene Kohlendioxid wieder in seine dünne Atmosphäre freizusetzen.

Die heiße, wasserlose Venus vermag wiederum das Kohlendioxid nicht mehr aus ihrer Atmosphäre zu entfernen, weswegen sich auf diesem Planeten ein Treibhauseffekt ungeheureren Ausmaßes ausbilden konnte. Auf der Venus gibt es keine Jahreszeiten wie auf der Erde. Ihre Oberfläche ist in fahles orangenes Licht getaucht, da die dichte, wolkenreiche Atmosphäre bereits in großen Höhen 98% des Sonnenlichts verschluckt. Nur etwa 2 % des Sonnenlichts erreichen die Venusoberfläche. Die dort vorherrschende dichte Kohlendioxid-Atmosphäre hält die von der Oberfläche abgegebene Infrarot-Wärmestrahlung in geringen Höhen zurück, so dass dieser "Treibhauseffekt" die bodennahen Luftschichten auf mehrere hundert Grad Celsius aufheizt.

 

Auf der Erde bauten in der Frühzeit Vulkane die Atmosphäre auf: Sie spiehen schmelzflüssiges Gestein aus und entließen Gase aus dem oberen Erdmantel, die hauptsächlich Wasserdampf, Kohlendioxid sowie Stickstoff und Schwefeldioxid enthielten. Die aus den vulkanischen Exhalationen entstandene CO₂-reiche Uratmosphäre unterlag einem allmählichen Umwandlungsprozeß.

In den Urmeeren existierten bereits vor mehr als 3 Milliarden Jahren Algen, welche über die Photosynthese befähigt waren, Kohlendioxid und Wasser chemisch umzusetzen und hieraus Kohlehydrate als organischen Baustoff zu erzeugen. Bei dieser Reaktion wird also Kohlendioxid verbraucht und Sauerstoff als "Abfallprodukt" freigesetzt. Dieser Umwandlungsprozeß verlief sehr langsam: Am Ende des Präkambriums (vor ~570 Mio. Jahre) enthielt die Erdatmosphäre vermutlich erst ca. 1 Vol.-% Sauerstoff. Eine schnellere Sauerstoffanreicherung (und somit eine Abnahme des Kohlendioxid-Gehaltes) der Atmosphäre erfolgte, als im Silur (vor ~440 Mio. Jahre) die ersten Pflanzen das Festland zu besiedeln begannen. Diese Ausbildung der Stickstoff/Sauerstoff-Atmosphäre war eine der entscheidenden Voraussetzungen für die Eroberung des Festlandes durch die ersten amphibischen Lebewesen im Devon (vor ~390 Mio. Jahre).

Die heutigen Vulkane stossen vor, während und nach der Eruption in grossen Mengen Gase sowohl aus dem Krater als auch in Form diffuser Entgasung an den Vulkanflanken aus. Diese Gase gelangen in großen Mengen bis hoch in die Atmosphäre und können dadurch das Klima im Weltmaßstab spürbar verändern.

Die Hauptbestandteile vulkanischer Gase sind H₂O, dann in veränderlichen Mengen (mit abnehmender Reihenfolge): CO₂, SO₂, H₂S, CO, COS, CH₄, H₂, HCl, HF, O₂, S₂, N₂, CS₂, SO₃, NH₄, B, Br u.a.

Die Ausgasungen der verschiedenen Vulkane sind jedoch höchst unterschiedlich: So wurden (nach Angaben von BARDINTZEFF (1999)) beim Nyiragongo (einem Lavasee in Zaire) 47 Mol-% H₂O und 45 Mol-% CO₂ gemessen, während der Ätna im Jahre 1978 81 % H₂O und 2 % CO₂ entgaste. Insgesamt wird die weltweite Menge des durch Oberflächenvulkane freigesetzten CO₂ pro Jahr auf 34 +/-24 x 1.000.000 to CO₂ durch passive Entgasung und 31 +/- 22 x 1.000.000 to CO₂ durch Vulkanausbrüche geschätzt.

Insgesamt stammt der Hauptteil des CO₂ in der Erdatmosphäre aus dem Erdinneren, kommt aber nicht nur aus den Vulkanen, sondern tritt als sog. "juveniles Kohlendioxid" aus einer Vielzahl von Stellen, die teilweise recht unspektakulär aussehen. Es ist dies eine natürliche Folge der Plattentektonik, der hierduch bedingten Aufschmelzung von z.B. Carbonatgesteinen und der so verursachten Freisetzung von Kohlendioxid, das dann aus Schwächezonen der Erdkruste -- nicht nur Vulkane in tektonisch aktiven Gebieten, es mögen z.B. auch die Myriaden von Trennflächen wie Klüfte oder Störungszonen in der Erdkruste sein -- nach mehr oder minder langer Zeit wieder austritt.

Dieser CO₂-Kreislauf ist prinzipiell so alt wie die Erde. Eine exakte Quantifizierung der gesamten, aus dem Erdinneren ausströmenden CO₂-Mengen ist heute noch nicht möglich. Dies liegt einfach darin begründet, dass es unmöglich ist, an einer genügend großen Anzahl von Stellen (so z.B. an den Ozeanböden) kontinuierlich zu messen: Erst so könnte über ein dichtes Meßnetz eine genaue Quantifizierung der insgesamt ausgasenden Kohlendioxidmengen vorgenommen werden.

Auf unserem Planeten wurde (und wird) der überwiegende Teil des atmosphärischen Kohlendioxids von sogenannten "CO₂-Senken" wie Wäldern und v.a. dem Meerwasser aufgenommen. Auch das vom submarinen Vulkanismus freigesetzte CO₂ wird in den Ozeanen in bedeutenden Anteilen in der Wassersäule gelöst, wobei die Kohlendioxidlösung mit zunehmender Wassertiefe stark zunimmt. So ist aufgrund des hohen CO₂-Gehaltes in Meerestiefen unter 4000 m keine Carbonatsedimentation mehr möglich, weil hier die hohen, im Wasser enthaltenen Kohlendioxidmengen jedes evtl. ausgefallene Carbonatkristall sofort wieder auflösen würden. In den oberflächennahen Wasserschichten wird ein Großteil des CO₂ z.B. vom Nannoplankton verbraucht und dringt somit erst gar nicht in die Atmosphäre vor. Umgekehrt löst sich das in der Atmosphäre enthaltene CO₂ zum gleichen Anteil im (Meeres-, Fluss-, See-, Bach-, etc.-)Wasser. Auch am Festland wurden und werden in auch nur mäßig tiefen geologischen Schichten relativ große juvenile Kohlendioxidmengen beobachtet, die v.a. in Tiefenwässern gelöst sind (z.B. in Mineralwässern) oder aufsteigen (z.B. Maare der Eifel).

Bedingt durch die sog. "CO₂-Senken" stieg und steigt die Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre nicht im gleichen Maße an, wie der Ausstoß von Kohlendioxid erfolgte.



Die Weltmeere enthalten heute in gelöster Form das 60-fache des in der Atmosphäre vorhandenen Kohlendioxids. Wie oben beschrieben, wird v.a. im Meer das CO₂ von Plankton und Schalentieren verbraucht und nach deren Tod schließlich in Form von Karbonatgesteinen (wie Kalken und Dolomiten) gebunden. In diesen Gesteinen ist etwa 100.000-mal mehr Kohlendioxid gebunden als in der Atmosphäre (Karbonate enthalten ebensoviel CO₂ wie die Venusatmosphäre). Würde diese gesamte Menge in gasförmiges CO₂ verwandelt und in die Atmosphäre abgegeben werden, ergäbe dies´ das Hunderttausendfache der CO₂-Menge, welche die Erdatmosphäre gegenwärtig enthält.

Ohne die Vorgänge der Kontinentaldrift wäre auf der Erde das in den Karbonatgesteinen enthaltene Kohlendioxid für alle Zeiten der Atmosphäre entzogen. Die (Karbonat-) Meeressedimente tauchen jedoch bei der Kontinentalverschiebung an den Subduktionszonen tief in die Asthenosphäre ab. Dort werden die Karbonate aufgeschmolzen und somit Kohlendioxidgase freigesetzt. Diese finden schließlich durch Vulkanschlote u.ä. ihren Weg zurück in die Atmosphäre (vulkanische Exhalationen enthalten meist zwischen 10 % und 45 % CO₂). Hier verbleibt das Kohlendioxid, bis es durch Photosynthese zerstört wird oder erneut in Karbonatgesteinen gebunden wird.

Im Laufe der Erdgeschichte war die chemische Zusammensetzung der Erdatmosphäre niemals stabil. Stets bestimmten die Einflüsse mikrobiellen, pflanzlichen und tierischen Lebens die Zusammensetzung der Luftschicht; umgekehrt wurden auch die Lebensformen durch die Zusammensetzung der Atmosphäre beeinflußt. Unsere heutige Atmosphäre ist das Ergebnis eines ausbalancierten Gleichgewichtes, welches sich das Leben im Laufe seiner Evolution selbst geschaffen hat.

In der geologischen Vergangenheit der Erde schwankte der atmosphärische CO₂-Gehalt und war -- neben der CO₂-Lösung im Meerwasser -- stark abhängig vom Pflanzenwuchs auf der Erde. In manchen Erdzeitaltern absorbierten riesige Wälder einen Großteil des Kohlendioxids (und setzten Sauerstoff frei), was beispielsweise in den urtümlichen, fremdartigen Wäldern der Karbonzeit der Fall war. Die Rekonstruktionen der Paläoklimata und der Abschätzungen der zugehörigen Kohlendioxid-Konzentrationen in den fossilen Atmosphären ergaben, dass die Lufttemperaturentwicklungen und die Kohlendioxidgehalte nicht immer in Korrelation zueinander standen. Vielfach vergingen mehrere Zehnermillionen Jahre, bis die Lufttemperaturen den Kohlendioxidgehalten folgten oder das Kohlendioxid die Temperaturentwicklung einholte.





Betrachtet man das Klimageschehen der geologischen Vergangenheit im Einzelnen, so finden sich für die -- über vier Milliarden lange -- Zeitspanne des Präkambriums und des älteren Paläozoikums zunächst nur wenig konkrete Klimazeugnisse. Die für diesen Zeitraum rekonstruierbaren Paläoklimata sind nur sehr lückenhaft erfassbar; das Gesamtbild wird umso unsicherer, je weiter zurück man sich in die Erdgeschichte begibt. Erst im Jungpaläozoikum werden die Klimazeugnisse etwas zahlreicher und konkreter.

Das Karbon- und Perm-Zeitalter (vor 345 bis 225 Mio. Jahren) weisen auf der Nordhalbkugel sehr gegensätzliche Züge auf. Im Karbon herrschte überwiegend warmes, sehr niederschlagsreiches Klima vor, während im Perm extrem trockene (aride) Klimaverhältnisse auftraten. Beide Zeitalter brachten weltwirtschaftlich wichtige, vom damaligen Klima abhängige Lagerstätten hervor: In den Karbonschichten tritt die Hauptmenge der Kohlen in Nordamerika und Europa auf; das Perm ist die wichtigste Salzformation der Erdgeschichte.

Das gesamte Mesozoikum (vor 225 bis 65 Mio. Jahren) war eine ausgesprochene Wärmezeit. Charakteristisch für die paläogeographischen und somit auch für die paläoklimatologischen Verhältnisse waren überwiegend weit ausgedehnte Landflächen mit meist geringem Relief. Sichere Vergletscherungen sind aus diesem Zeitalter unbekannt und sogar die Polargebiete zeichneten sich durch relativ warmes Klima mit reicher Vegetation aus. Im "Urmittelmeer", der "Tethys", wuchsen mächtige Riffe.



Im Mesozoikum erreicht auch die Entwicklung der Reptilien ihren Höhepunkt; vor allem die riesenhafte Entwicklung der Dinosaurier deutet auf warme, feuchte Witterung hin. Ein Großteil des Klimabildes auf der Nordhalbkugel läßt sich nicht durch eine -- infolge der Kontinentaldrift -- stark veränderte Breitenlage der Kontinente erklären, sondern hauptsächlich durch eine hohe Durchschnittstemperatur der Erdatmosphäre.


Das Tertiär (vor 65 bis 2 Mio. Jahren) war ebenfalls durch ein wärmeres als unser heutiges Klima gekennzeichnet: Die globale Durchschnittstemperatur betrug bis +20°C. Im "Europa" der Alttertiärzeit wuchsen subtropische Palmen. Das Verbreitungsgebiet der Krokodile reichte bis in das Gebiet des heutigen England. Die ausgedehnten Braunkohlenvorkommen in Deutschland weisen für lange Abschnitte der Tertiärzeit auf warme und sehr niederschlagsreiche Witterung hin. Die Bernsteinwälder im Gebiet der heutigen Ostseeküste werden als Savannenwälder gedeutet.

Im Alttertiär trugen die Polargebiete reiche Waldvegetation; polare Eiskappen existierten wahrscheinlich nicht. Generell machte sich allerdings während der etwa 60 Millionen andauernden Tertiärzeit eine allmähliche Abkühlung bemerkbar. In der Jungtertiärzeit fand ein wiederholtes Schrumpfen und Wiederausdehnen der in Europa beheimateten tropischen Regenwälder statt. Generell kann das Zurückgehen der europäischen Regenwälder am Ende des Tertiärs nur dadurch begründet werden, dass ein Klimawechsel eingesetzt hatte. Am Ende des Tertiärs (vor ca. 2 Mio. Jahren) waren schließlich fast die heutigen Klimaverhältnisse erreicht.

Auch unser jetziges Erdzeitalter, das Quartär, war durch einen zyklischen Klimagang gekennzeichnet. Im Quartär gab es vier große Gletschervorstöße und somit vier Eiszeiten. Sie wurden von den beiden deutschen Geologen Albrecht PENCK und Eduard BRÜCKNER nach den vier süddeutschen Flüssen Günz, Mindel, Riß und Würm benannt. Bereits ab nach dem Cromer-Komplex (vor 500.000 Jahren) trat ein "wilder" Kurs der Klimakurve auf. Charakteristisch war der stete Wechsel von Kaltzeiten (Glaziale) und Warmzeiten (Interglaziale). In den Glazialen bildeten sich gewaltige Eiskappen aus. In den Interglazialzeiten war das Klima etwas wärmer und feuchter als das heutige.

Die Abkühlung des Klimas der gemäßigten Breiten erfolgte bereits Ende des Tertiärs im Pliozän. Eine erste Kaltzeit -- noch ohne große Gletschervorstöße -- begann vor etwa 1 Mio. Jahren. Ihr folgte vor ca. 900.000 Jahren eine Warmzeit. Vor rund 700.000 Jahren setzte in Europa mit der Günz-Eiszeit die erste große Vereisungsperiode ein.

In der folgenden Zeitspanne folgten die Cromer-Warmzeit und zwei weitere, durch eine Zwischeneiszeit getrennte Eiszeiten (Mindel- und Riß-Glazial). Auf die Rißeiszeit folgte eine weitere Warmzeit (Riß/Würm-Interglazial), welche vor etwa 70.000 Jahren durch die bislang letzte Vereisungsperiode, das Würm-Glazial, beendet wurde. Während seiner größten Ausdehnung bedeckte allein das nordische Inlandeis in Europa eine Fläche von 6,7 Mio. km²; dies entspricht ziemlich genau der Hälfte des heutigen antarktischen Eises. Der nordamerikanische Eisschild erreichte mit 13,4 Mio. km² sogar eine etwas größere Ausdehnung als die heutige Antarktis. Auf der gesamten Erde breiteten sich insgesamt etwa 44 Mio. km² Eisflächen aus (gegenüber 15 Mio. km² in der Gegenwart).

Seit dem Beginn der Altsteinzeit vor etwa 100.000 Jahren war es immer wieder zu Kalt- und Warmzeiten gekommen, welche jeweils mindestens 1.000 Jahre andauerten. Diese Klimaumschwünge, bei denen die mittlere Wintertemperatur um bis zu 10°C abfiel bzw. anstieg, vollzogen sich in Europa oftmals innerhalb eines Jahrzehnts. Die letzten 15.000 Jahre, in welcher sich die menschliche Zivilisation entwickelte, waren eine Ausnahmeerscheinung in der jüngeren Klimageschichte unseres Planeten. Nie zuvor herrschten derart gleichmäßige Witterungsverhältnisse; diese Zeitspanne entspricht im Grunde einer Interglazialzeit. Der Klimaverlauf unserer jüngsten Vergangenheit vollzog sich lediglich mit größeren und kleineren Temperaturschwankungen, welche durch Klimaerwärmungen und -abkühlungen bedingt waren. Der Rückzug der Eiszeit-Gletscher und somit die Klimageschichte unseres heutigen Interglazials vollzogen sich nur mit größeren und kleineren Witterungsschwankungen.

Nach einer ersten schwachen Wärmeveränderung um 10.500 v. Chr. folgte als erster Klimaanstieg die Alleröd-Zeit von 10.000 bis 9.000 v. Chr., in welcher die Juli-Mitteltemperaturen etwa -4 K kühler als heute waren. Während der Jüngeren Dryas-Zeit (9.000 bis 8.000 v. Chr.) war eine erneute Klimaverschlechterung zu verzeichnen: Die mittleren Lufttemperaturen lagen in Deutschland etwa -7 bis -8 K unter den heutigen Klimawerten. Die wärmste Periode der jüngsten Klimageschichte war das sogenannte Klimaoptimum zwischen 7000 und 3000 v. Chr. Die Sommer waren damals auf den Kontinenten der Nordhalbkugel um einige Grad wärmer als heute. So zogen sich im wärmeren Präboreal (um 7.500 v. Chr.) die Inlandgletscher endgültig in das skandinavische Hochgebirge zurück. Von 5.000 bis 3.000 v. Chr. folgte das Atlantikum, in welchem eine feuchte und im Jahresmittel um +2° bis +3°C wärmere Witterung als heute vorherrschte. Etwa ab der Bronzezeit erfolgte ein leichter Temperaturrückgang bis zu den heutigen Klimaverhältnissen, wobei um 2.300 v. Chr., 1.200 v. Chr. und 600 v. Chr. relativ trockene Klimaverhältnisse auftraten.

Erdzeit- alter	Alter (Jahre v. Chr.)	stratigraphische Gliederung in Süd- bzw. Norddeutschland	Zeitepoche (Beginn v. Chr.)	Kulturstufen	Bevölkerung und Kulturerscheinungen in Europa
			0	jüngere Latenezeit	Oppida, hochentwickelte Eisen-, Bronze- und Keramik-Industrie der Kelten
			-450	ältere Latenezeit
			-750	Hallstattzeit	Bronze- u. Eisenindustrie, Häuptlingsburgen der Kelten
			-1.300	Urnenfelderzeit	große Höhenfestungen, Bronze- u. Keramikproduktion
			-1.800	Bronzezeit	Hügelgräber, Bronzewaffen u. -schmuck
			-2.500	späte Jungsteinzeit	Bau von Befestigungen, geschliffene Steinwaffen
			-4.500	frühe Jungsteinzeit	Dorfsiedlungen, Ackerbau u. Viehzucht
Quartär (Holozän)	-10.000	(Ende der Würm-Eiszeit)	-8.000	Mittelsteinzeit
	-70.000	Würm-Eiszeit (=Weichsel-Eiszeit)	-40.000	jüngere Altsteinzeit	Auftreten des Homo sapiens in Europa
	-100.000	Eem-Warmzeit	-100.000	mittlere Altsteinzeit	Auftreten des Homo sapiens neanderthalensis in Europa
	-180.000	Riß-Eiszeit (=Saale-Eiszeit)
	-320.000	Holstein-Warmzeit
Quartär (Pleistozän)	-480.000	Mindel-Eiszeit (=Elster-Eiszeit)	-500.000	ältere Altsteinzeit	erstes Auftreten von Menschen in Europa (Homo erectus)
	-700.000	Cromer-Warmzeit
	-1.0 Mio	Günz-Eiszeit (=Weybourne-Kaltzeit)
	-1.3 Mio	Donau-Warmzeit
	-1.5 Mio	Donau-Kaltzeit (=Eburon-Kaltzeit)
	-1.9 Mio	Biber-Warmzeit
	-2.3 Mio	Biber-Kaltzeit (=Brüggen-Kaltzeit)
Tertiär (Pliozän)	-2.4 Mio	beginnende Klima- Abkühlung

Auch nach der Zeitenwende lassen sich bis heute deutliche Klimaschwankungen erkennen: Von 500 bis 700 n. Chr. herrschte sehr trockenes Klima vor, während von 800 bis 1.200 n. Chr. eine sehr niederschlagsreiche und durch milde Winter gekennzeichnete Witterung verzeichnet wurde. Vom 15. bis zum Ende des 19. Jahrhunderts trat die "Kleine Eiszeit" auf, welche durch beachtliche Gletschervorstöße um 1650, um 1815 sowie um 1855 gekennzeichnet war; unterbrochen wurde sie von 1680 bis 1740 durch das sog. "Interglazial innerhalb der Kleinen Eiszeit", das durch trockene und milde Winter charakterisiert war. Ab dem Anfang unseres Jahrhunderts waren zunehmend milde Winter, verbunden mit einem Rückgang der Gletscher zu verzeichnen. In den Fünfziger Jahren konnten jedoch wieder Zuwächse und erneute Vorstöße der Gletscher beobachtet werden.

In der gegenwärtigen Epoche der Erdgeschichte, dem Quartär, spiegelte sich der charakteristische Wechsel von Warm- und Kaltzeiten in der Atmosphäre wieder. Die Kohlendioxid- und Methankonzentrationen der "fossilen Atmosphären" lassen sich anhand von im Polareis eingeschlossenen Luftbläschen rekonstruieren. Die atmosphärischen Kohlendioxid- und Methankonzentrationen waren während der Kaltzeiten niedrig; sie mögen zu den Klimaänderungen beigetragen haben, können aber nicht als Hauptagens angesehen werden.

Die Hauptursachen für die beträchtlichen Klimaschwankungen der jüngsten geologischen Vergangenheit waren jahreszeitliche und räumliche Variationen der eingestrahlten Sonnenenergie. Generell stammt die Energie für die beständigen Bewegungsabläufe in der Atmosphäre, für den unablässigen Kreislauf des Wassers in dieser, aber auch für das Werden und Vergehen des Lebens auf der Erde nahezu ausschließlich von der Sonne.

Vom physikalischen Standpunkt gesehen ist die Sonne eine autonome Energiequelle. Energielieferant ist die bei der sehr hohen Temperatur von 15.600.000 K im Innern der Sonne ablaufende Kernfusion. An der Sonnenoberfläche beträgt die Temperatur noch 5760 K. Bei diesen Hitzegraden liegen die Elemente in mehr oder weniger ionisierter, atomarer Form vor. Dies führt zu einer derart großen Anzahl von Absorptionslinien in der gasförmigen Sonnenhülle, dass die Sonne annähernd als schwarzer Strahler betrachtet werden darf (GOETZBERGER & WITTWER 1989). Die Sonne strahlt ihr Licht in isotroper Form ab, wobei die Intensität dieser Strahlung im Weltall nur durch die Temperatur der Sonnenhülle und den Abstand des Strahlungsempfängers von der Sonne bestimmt wird.



Das Sonnenlicht ist charakterisiert durch seine dualistische Natur. Die Photonen bzw. Lichtquanten weisen sowohl Wellen- als auch Korpuskel­Charakter auf. Jeder Teilbereich des Sonnenlichtspektrums besitzt eine bestimmte Energie, welche von der Frequenz n abhängig ist. Die Frequenz n ist definiert durch den Ansatz:

n = Lichtgeschwindigkeit / Wellenlänge des Sonnenlichts

Die Lichtquanten besitzen eine bestimmte Energie, welche sich aus dem Produkt aus der Frequenz des entsprechenden Sonnenlichtspektrum x PLANK'scher Konstante ergibt. Diese Photonenenergie E läßt sich somit nach folgenden Ansatz berechnen:

E = h x n = h x c / l

dabei sind:
E = Photonenenergie	[Joule]
n = Frequenz	[Hz]
h = PLANCK'sche Konstante	[6,625 * 10-34 Joule x sec.]
c = Lichtgeschwindigkeit	[3 * 108 m/sec.]
l = Wellenlänge	[m]

Die Energieverteilung der Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche
wird (nach GOETZBERGER & WITTWER 1989) prozentual wie folgt beschreiben :

Ultravioletter Bereich (200 - 380 nm):	ca. 3 %
Optischer Bereich (380 - 780 nm):	ca. 44 %
Infrarotbereich (780 -2400 nm):	ca. 53 %

Die ultraviolette Strahlung weist zwar in den einzelnen Spektralbereichen die höchsten Energiebeträge der Photonen auf; bedingt durch die Abschirmung durch die Erdatmosphäre und hier insbesondere die Ozonschicht dringt jedoch nur ein kleiner Teil der ultravioletten Strahlen bis zur Erdoberfläche vor.

Die Strahlen der Wellenlängen von 380 - 780 nm transportieren nicht nur Wärmeenergie, sondern werden auch vom menschlichen Auge als Licht wahrgenommen. Dieser optische Bereich umfaßt etwa die Hälfte der bis zum Erdboden vordringenden Strahlen. Unter Berücksichtigung der hohen Photonenenergie des sichtbaren Lichts zeigt sich, dass hier die größte Energiedichte des Sonnenlichts liegt.

Hingegen lassen sich die nicht sichtbaren infraroten Strahlen der Sonne nur durch ihre Wärmewirkung feststellen. Von der grünen Vegetation wird ein beträchtlicher Anteil der Infrarotstrahlung reflektiert oder durchgelassen. Nach V. EIMERN & HÄCKEL (1984) können nur wenige Prozent hiervon von den grünen Blättern absorbiert werden.

Die Sonne gibt (nach Berechnungen von KARAMANOLIS 1988) innerhalb eines Jahres die Energiemenge von 3,72 x 10²⁶ Joule oder etwa 10⁷ TW/a ab. Lediglich ein Bruchteil hiervon (etwa 178 000 TW) treffen pro Jahr auf die Erde. Die Schwankungsbreite der einfallenden Energiemenge, die sich aufgrund der elliptischen Bahn der Erde um die Sonne ergibt, liegt bei etwa 3,3 % .

Der Mittelwert der Strahlungsintensität, welcher an der Obergrenze der Atmosphäre senkrecht auf eine Fläche von 1 cm ² einfällt, wird als Solarkonstante bezeichnet. Sie beträgt an der äußeren Grenze zur Erdatmosphäre pro Minute etwa 8 Joule/cm² oder 1,4 kW/m², bzw. 33,6 kWh/(m² x d).

Die letztgenannte Einheit repräsentiert nicht Leistungs-, sondern  reine Energiewerte (in Wattstunden pro m² und Tag). Eine Globalstrahlung von 5000 Wh/(m² x d) bedeutet, dass eine horizontale Fläche von 1 m² während eines Tages eine Energiemenge von 5 kWh aus der Sonnenstrahlung aufnimmt. Der Begriff "Energie" wird, vor allem wenn es um Probleme der Wärmetechnik handelt, mit "Arbeit" gleichgesetzt und in Joule (J) gemessen. Hierbei gelten folgende Beziehungen:

1J =1 Ws

1 W = 1 J/s

1Wh = 3600 J

1 kWh = 3,6 Mio. J

Zum Verständnis des Begriffs Kilowattstunde (kWh) sei als Beispiel angeführt, dass eine Glühlampe mit der Leistung von 100 W bei einem 24 stündigen Betrieb 2400 Wh (= 2,4 kWh) verbraucht.

Der Mittelwert der von der Sonne zugestrahlten Energie für die ganze Erde beträgt nach V. EIMERN & HÄCKEL (1984) an der Obergrenze der Atmosphäre 8,38 kWh/(m² x d); dies entspricht 178 000 TW/a.

Etwa ein Drittel der am Rand der Erdatmosphäre insgesamt eingestrahlten Sonnenenergie (ca. 53 000 TW/a) werden in der Atmosphäre und an der Erdoberfläche reflektiert und in das Weltall zurückgestrahlt.

Von der gesamten Sonneneinstrahlung gelangen nur 31 % als direkter Sonnenschein bis zur Erdoberfläche.

17 % der einfallenden Strahlung, hierunter insbesondere der größte Anteil an ultravioletter Strahlung, werden bereits in der Atmosphäre absorbiert, weitere 24 % durch Wolken in den Weltraum reflektiert.

16 % der einfallenden Sonnenstrahlen gelangen durch die Wolken als diffuses Licht zur Erdoberfläche.

Ein Anteil von 12 % der Sonnenstrahlung wird auf dem Weg durch die Atmosphäre zu diffuser Himmelsstrahlung zerstreut, wobei etwa je die Hälfte in den Weltraum und zur Erdoberfläche gelangt.

Für den Wärmehaushalt der Atmosphäre und der Erdoberfläche ist die Summe aller oben genannten Strahlungsströme wichtig. Das Verhältnis zwischen kurzwelliger Sonnen- und Himmelsstrahlung sowie langwelliger Gegenstrahlung der Atmosphäre zu langwelliger Wärmeausstrahlung der Erdoberfläche ergibt die Strahlungsbilanz. Sie ändert sich im Tages- und im Jahresablauf sowie mit der geographischen Breite. Die Strahlungsbilanz ist während des Tages fast immer positiv, nachts jedoch immer negativ. Für die Erdoberfläche insgesamt beträgt sie nach V. EIMERN & HÄCKEL (1984) während eines Jahres durchschnittlich 2,26 kWh/(m² x d).

Von der bis zur Erdoberfläche vorgedrungenen Energiemenge werden rund 41 000 TW/a für die Verdunstung vor allem des Meerwassers verbraucht und bedingen so die Niederschläge. Die mit der Verdunstungswärme dem Boden, Wasser oder den Pflanzen entzogene und an die Luft abgegebene Energie wird unter dem Begriff "latenter" (= verborgener) Wärmestrom zusammengefaßt. Ein geringer Teil dieses latenten Wärmeübergangs fließt aber bei Luftfeuchten-Kondensation an der Erdoberfläche wieder an diese zurück.

Etwa 83000 TW/a der Sonnenenergie werden nach KARAMANOLIS (1988) für die Erwärmung der Luft und der Ozeane verbraucht.

Ein kleiner Teil der Sonnenenergie in Höhe von 370 TW/a ist für die Entstehung von Luftströmungen und Meereswellen verantwortlich.

Etwa 100 TW/a entfallen auf die Photosynthese der Pflanzen auf der Erde.

Von der Erde selbst werden in Form der aus dem Erdinnern abgestrahlten Erdwärme 35 TW/a sowie 3 TW/a, welche als die von den Gezeiten erzeugten Reibungsenergie bereitgestellt werden, abgegeben.

Weiterhin erfolgt von der Erdoberfläche die langwellige Wärmeabstrahlung der empfangenen Sonnenenergie. Alle Körper, so auch die Boden-, Wasser- oder Pflanzenoberflächen geben eine ihrer Temperatur entsprechende Wärmestrahlung ab, welche sich nur durch die Wellenlänge von der Sonnenstrahlung unterscheidet. Diese Energie geht -- je nach den Temperaturunterschieden -- als fühlbarer Wärmestrom vom Boden oder Wasser in die Atmosphäre oder von dieser an die Erdoberfläche zurück. Bei den auf der Erdoberfläche vorherrschenden Temperaturen liegen diese Wellenlängen im allgemeinen zwischen 6000 nm und 60000 nm. Auf diesen Wellenlängen erfolgt der Energieaustausch zwischen Erdoberfläche, Atmosphäre und Weltraum, welcher n. GOETZBERGER & WITTWER (1989) größenordnungsmäßig dem Energieumsatz im Spektralbereich der Sonnenstrahlung gleichkommt.



Die zum Erdboden gelangende direkte Sonnenstrahlung, die diffuse Himmelsstrahlung und die an den Wolken zum Erdboden reflektierte Sonnenstrahlung werden als Globalstrahlung zusammengefaßt und in Watt (W) gemessen. Die Globalstrahlung wurde definiert als die gesamte auf eine horizontale Fläche auftreffende Sonnenenergie. Für die Bundesrepublik Deutschland gab HASCHER (1987) die folgenden, maximal möglichen Werte für die auf einen Quadratmeter pro Stunde einfallende Globalstrahlung an:

	Sommermonate	Wintermonate
Sonnenschein, klarer bis leicht diffuser Himmel	600 - 1000 W	300 - 500 W
Sonnenschein bei leichter bis mittlerer Bewölkung	300 - 600 W	150 - 300 W
stark bewölkt bis nebelig	100 - 300 W	50 - 150 W

Der Anteil der diffusen Strahlung beträgt nach KARAMANOLIS (1988) in den Sommermonaten etwa 50 % der Globalstrahlung. Beispielsweise beträgt im Juni die mittlere Globalstrahlung 5500 Wh/(m² x d), wobei auf die diffuse Strahlung 2800 Wh/(m² x d) entfallen. Während der Wintermonate kann der Anteil der diffusen Strahlung fast 100 % der Globalstrahlung betragen.

Die von der Sonne abgegebene Strahlungsenergie ist jedoch nicht völlig konstant: Diese Veränderungen variieren zyklisch im Minutenbereich, können – im verstärkten Maße -- auch Jahrzehnte bis Jahrtausende andauern.

Die Sonnenatmosphäre besteht aus drei Schichten: Die unterste Schicht stellt die Photosphäre dar; über ihr folgt die rund 10.000 km hohe Chronosphäre und über dieser die Korona, welche weit in den interplanetaren Raum hineinreicht.

Die Sonnenflecken sind das sichtbarste Merkmal unserer veränderlichen Sonne. Sie treten meist in Gruppen auf; ihre Häufigkeit variiert in den zwischen acht und fünfzehn Jahren andauernden, im Mittel elfjährigen Sonnenflecken-Zyklen ("SCHWABE-Zyklus").

Die Beobachtung der Sonnenfleckenaktivitäten geht bis in das Jahr 1610 zurück. Aus diesen Beobachtungen und anderen, teils indirekten Bestimmungen sind weiterhin der – den "SCHWABE-Zyklus" überlagernde -- "GLEISSBERG-Zyklus" mit 90 bis 120 Jahren sowie ein weiterer Zyklus mit 208 Jahren bekannt.

Der britische Astronom Edward W. MAUNDER untersuchte 1890 die historisch belegten Sonnenfleckenzyklen und wies auf eine Unterbrechung in den elfjährigen "SCHWABE-Zyklen" zwischen 1645 und 1715 hin: In diesen 70-jährigen Zeitraum ging die Anzahl der Sonnenflecken sehr stark zurück ("MAUNDER-Minimum").

In den Perioden der Sonnenfleckenmaxima weist die Sonne eine erhöhte Energieabstrahlung auf. Dies ist bedingt durch das Zusammenspiel der Sonnenflecken mit den sogenannten Sonnenfackeln. Unsere Sonne weist verschiedene Typen von Ausbrüchen auf, welche generell unter dem Begriff "Protuberanzen" zusammengefaßt werden. Die Sonnenfackeln stellen Eruptionen auf der Sonnenoberfläche dar, wobei in wenigen Minuten solare Materie auf mehrere Millionen Grad erhitzt wird; sie können innerhalb weniger Stunden eine Höhe bis 600.000 km über der Sonnenoberfläche erreichen. Oft bilden sie ganze Fackelgebiete, besonders in der Umgebung der Sonnenflecken. Bei den Ausbrüchen wird annähernd soviel Energie freigesetzt wird wie bei der Explosion von einer Milliarde Megatonnen TNT. Diese Energie wird in Form harter elektromagnetischer Strahlung im Gamma- und Röntgenbereich freigesetzt, weiterhin werden Protonen und Elektronen abgegeben, die in ca. acht Minuten die Erde erreichen.

Während die Sonnenflecken die Strahlung etwas verringern, erhöhen die Sonnenfackeln die abgegebene Strahlungsenergie im beträchtlichen Maße. So war während der Sonnenfleckenmaxima in den Jahren 1980 und 1990 eine um ca. 1,3 W/m² erhöhte Sonneneinstrahlung im Vergleich zu den Sonnenfleckenminima in den Jahren 1986 und 1996 zu beobachten.



Auch die Länge der Sonnenfleckenzyklen weist einen auffälligen Bezug zu den beobachteten Temperaturänderungen auf der Erde auf. Mittlerweile wird die Hypothese diskutiert, dass zwischen dem Sonnenwind, dem Erdmagnetfeld und den Wolkenbildungen in unserer Atmosphäre enge Wechselwirkungen bestehen, die über variierende Bewölkungsgrade zu unterschiedlichen Rückstrahlungskoeffizienten der Sonnenenergie führen und somit signifikante Temperaturveränderungen bedingen. So zeigt für den Zeitraum 1860 bis 1980 die Länge der Sonnenfleckenzyklen eine signifikante Übereinstimmung mit den Temperaturabweichungen.

In der geologischen Vergangenheit bedingten die unterschiedlichen Intensitäten der Globalstrahlung eine Zu- oder Abnahme der Lufttemperaturen, hierdurch implizit die Vorstösse und Rückzüge der Gletscher, die Veränderungen der Meeresströmungen und der atmosphärischen Zirkulationen sowie der Niederschläge, aus denen wiederum entscheidende Effekte auf die Biosphäre resultierten.

Das Verständnis für natürliche Klimaschwankungen wie für anthropogene "Treibhauseffekte" sollte als Basis für politische Entscheidungen dienen. Aber: Klimaveränderungen werden durch viele Parameter verursacht. Der wichtigste Faktor ist der Wasserdampfgehalt unserer Atmosphäre, der in erster Linie zur Erwärmung der Erde beiträgt und letztlich die Durchschnittstemperatur der Erde von +15°C bedingt. Auch verändert sich der Reflexionskoeffizient unserer Erde -- die Albedo -- je nach Bewölkungsgrad und Beschaffenheit der Erdoberfläche.

Weitere Klima-Faktoren sind die Art und Verteilung der Niederschläge sowie die Luft- und Meeresströmungen. Hinzu kommen natürliche wie von Menschen verursachte Einflüsse. Dazu gehören die astronomischen Verhältnissen der Erde (Erdbahn, Neigung der Erdachse) ebenso wie die natürlichen Schwankungen der Sonneneinstrahlung, die industriellen Emmisionen sowie die vulkanischen Stäube und Exhalationen. So wirken sich Vulkanaktivitäten sehr stark auf das Weltklima aus. Wenn bei starken Vulkanausbrüchen die in die Atmosphäre geschleuderte Materie und die Gase bis in die Stratosphäre gelangen, erhöhen sie dort die natürliche "Aerosolschicht": Diese Aerosole beeinflussen den Strahlungshaushalt: Ihre starke Zunahme bedingt eine Abkühlung in der Troposphäre und eine Erwärmung in der Stratosphäre. Diese mehrjährigen Stratosphärenerwärmungen (um max. 5 K) wurden für die untere Stratosphäre z.B. nach den Vulkanausbrüchen des Mount Agung/Bali (1963) und des El Chichon/Mexiko (1982) nachgewiesen. Die längerfristigen Folgen vulkanischer Aktivitäten lassen sich nur schwer beurteilen. Selbst wenn die vulkanischen Aerosole innerhalb einiger Jahre wieder aus der Stratosphäre ausfallen, wäre es denkbar, dass sich der von ihnen verursachte Abkühlungseffekt über die thermisch trägen Ozeane noch geraume Zeit fortsetzt und so längerfristige Klimaänderungen bedingt.

Von den wichtigen Rückkopplungsmechanismen, zu denen der Albedoeffekt und die Änderungen des atmosphärischen Wasserdampfgehaltes gehören, stellt die Wolkenbildung und -verteilung eine der größten Unsicherheitsfaktoren dar. Wolken können sowohl erwärmende als auch abkühlende Wirkung hervorrufen. Der durch die Vegetation in die Atmosphäre abgegebene Wasserdampf hat zwar eine relativ kurze Verweilzeit in der Troposphäre, bedingt jedoch riesige Menge an atmosphärischen Wasserdampf. Auch zählt der von Flugzeugen emittierte Wasserdampf zu den wichtigen klimarelevanten Spurengasen.

Allein über dem Gebiet der "Alten Bundesrepublik" betrugen 1983 die durch Flugzeuge bedingten Wasserdampfemmisionen insgesamt 3,4 Mio. Tonnen. Der durch Flugzeuge emittierte Wasserdampf ist zwar im Vergleich zu der Gesamtmenge des troposphärischen Wassers nur eine winzige Menge. Im Bereich der Troposphäre und unteren Stratosphäre entstehen hieraus jedoch sofort winzige Eiskristalle; diese formen sich zu Kondensstreifen, aus welchen sich Eiswolken (sog. Cirren) bilden können. Diese Cirruswolken tragen beträchtlich zum Treibhauseffekt bei, da sie die Sonneneinstrahlung nahezu ungehindert zum Erdboden durchlassen, die von der Erde abgestrahlte Wärmestrahlung jedoch sehr effektiv absorbieren. So ergibt sich bei einer nur zweiprozentigen Erhöhung des Bedeckungsgrades durch Cirruswolken eine Erhöhung der Globaltemperatur um +1°C.

Nach den bislang vorliegenden Meßreihen stiegen seit dem Ende des letzten Jahrhunderts die global gemittelten Lufttemperaturen um +0,3 K bis +0,6 K an. Da jedoch die moderne Klimaforschung nur etwa die letzten 30 Jahre umfasst, sind ältere Meßreihen nur mit sehr kritischer Distanz verwendbar. Auch ist zu berücksichtigen, dass durch das Wachstum der Städte, der großflächigen Rodung von Wäldern und der Ausdehnung landwirtschaftlicher Produktionsflächen weiträumig "Wärmeinseln" geschaffen wurden, in deren Nähe die Meßstationen heute deutlich höhere Lufttemperaturen registrieren.

 

 

Bereits aus den wenigen, oben erläuterten Klimafaktoren wird die Komplexität von Wettersimulationen und -extrapolationen in die Zukunft deutlich. Ein Computermodell, das in der Lage wäre, das heutige und künftige Klima auch nur mit hinreichender Verläßlichkeit zu simulieren, ist aufgrund unseres fehlenden Wissens und der noch mangelhaften Rechnerkapazität leider nicht verfügbar. Auch wurde in der bisherigen Klimadiskussion für den langfristigen Zuwachs des atmosphärischen Kohlendioxidgehaltes die immer stärker zunehmende Verbrennung fossiler Brennstoffe verantwortlich gemacht. Neuere Untersuchungen lassen jedoch bezweifeln, dass hier die einzige Ursache liegt. So wird Kohlendioxid aus der Biomasse im beträchtlichen Umfang durch das Abbrennen oder die Rodung großer Waldflächen und die darauf folgende Oxidation der Humusschicht freigesetzt.



Die Atmosphäre enthält gegenwärtig in Form von Kohlendioxid etwa 700 Milliarden Tonnen Kohlenstoff. In der gesamten Biomasse der Erde sind rund 800 Milliarden Tonnen Kohlenstoff gespeichert. Ein noch größeres Reservoir bildet die organische Materie des Erdbodens wie Humus und Torf: Ihr Kohlenstoffinhalt wird auf 1000 bis 3000 Milliarden Tonnen geschätzt.

Im Jahresrhythmus des atmosphärischen Kohlendioxidgehaltes spiegelt sich der Stoffwechsel von Fauna und Flora wieder. Die jahreszeitlichen Schwankungen des CO₂-Gehaltes korrelieren mit der wechselnden Intensität der Photosynthese. Dieser Rhythmus wird vor allem von den Wäldern verursacht, deren Photosyntheseleistung die jeder anderen Vegetationart beträchtlich übertrifft. Wälder können Kohlenstoff in derart großen Mengen speichern, dass sich dies auf den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre spürbar auswirkt.

In welcher Größenordnung der CO₂-Gasaustausch heute abläuft, sollen einige Zahlen aufzeigen: Beispielsweise verbraucht ein Quadratkilometer Buchenwald pro Jahr etwa 1.100.000 kg Kohlendioxid und bildet hieraus 670.000 bis 680.000 kg organische Substanz.

Auf 10.000 Liter Luft kommen etwa 3 Liter Kohlendioxid, welche 5,91 Gramm Kohlendioxid bzw. 1,6 Gramm Kohlenstoff enthalten. Nun sind in einem Baum von 5.000 kg Trockengewicht etwa 2.500 kg Kohlenstoff angesammelt. Um diese zu erlangen, muß also ein Baum aus 15,6 Millionen m³ Luft das Kohlendioxid entnehmen. Der CO₂-Bedarf für einen großen Buchenwald bewegt sich also bereits in Dimensionen, die jenseits der menschlichen Vorstellungskraft liegen.

Insgesamt wird geschätzt, dass die Vegetation der Erde jährlich etwa ein Zehntel des Totalbestandes an Kohlendioxid umsetzt. So enthalten die tropischen Regenwälder etwa 42 % des in der terrestrischen Vegetation gespeicherten Kohlenstoffs. Alle Waldgebiete der tropischen, gemäßigten und borealen Zone machen zusammen 90 % des Kohlenstoffs der Vegetation aus. Hingegen enthält die gesamte Landwirtschaft der Erde weniger als 1 % des gespeicherten Kohlenstoffes.

Die Rodung von Wäldern, die Trockenlegung von Sümpfen und Mooren sowie die Ausdehnung von Landwirtschaftsflächen auf kohlenstoffreiche Böden beschleunigt den Zerfall von Humus, welcher dabei in Kohlendioxid und Wasser übergeht. So nahmen bereits in der Zeit zwischen 900 n. Chr. und 1900 n. Chr. die Waldflächen Europas -- ähnlich wie in früherer Zeit in den Mittelmeerländern -- von 90 % auf etwa 20 % ab. Durch diese Verringerung der Waldbestände wurde eine beachtliche Kohlenstoffmenge freigesetzt. Die heute zu beobachtende rapide Zerstörung der Wälder führt der Atmosphäre Kohlendioxid in einer Menge zu, welche der Freisetzung von CO₂ durch Verbrennung fossiler Rohstoffe nahezu gleichkommt.

 

Aus dieser globalen Veränderung der Vegetationsverhältnisse resultiert noch eine weitere Problematik: Durch die immense Rodung der Wälder in der tropischen, gemäßigten und borealen Zone wurde und wird auch die Verdunstung und somit der Wasser- und Wärmehaushalt der betreffenden Gebiete entscheidend verändert. Bäume entziehen über ihre Wurzeln dem Untergrund sehr große Wassermengen und geben es über die Spaltöffnungen (Stomata) ihrer Blätter in die Atmosphäre ab. Dieser als "Evapotranspiration" bekannte Vorgang verbraucht sehr viel Sonnenenergie, welche nach einer Rodung der Wälder den Boden aufheizt (die reine Bodenverdunstung ist wesentlich geringer und somit weniger energieaufwendig als die Verdunstung der hierauf stehenden Bäume).

Der beträchtliche Wasserumsatz aufgrund der pflanzlichen Transpiration wird durch folgende Werte verdeutlicht: So gibt beispielsweise eine mannshohe Sonnenblume pro Tag über 1 Liter Wasser an die Atmosphäre ab. Bei gutem Grundwasseranschluß kann in einem trockenheißen Sommer eine große Birke zwischen 400 und 700 Liter pro Tag verdunsten und eine 100-jährige Buche sogar 9000 Liter pro Tag. Ein Quadratkilometer Buchenhochwald verdunstet im Sommer jeden Tag etwa 2.000.000 Liter und im gesamten Jahr etwa 360.000.000 Liter. Umgerechnet auf je 100 g Blatt-Trockenmasse benötigt pro Vegetationsperiode eine Tanne 7 Liter Wasser, eine Buche jedoch 74 Liter. Aus den eben genannten Zahlen wird ersichtlich, welch entscheidende Bedeutung die Wälder und hier v.a. die Laubwälder für die Erhaltung eines eingespielten Klimaablaufes besitzen.

Größere Waldbestände, auch pflanzenbestandene Moore und Sumpfgebiete wirken ausgleichend auf die Temperaturen an der Erdoberfläche; bei einer Verringerung dieser Vegetationsflächen gestaltet sich das Witterungsgeschehen daher extremer.

Diese Auswirkungen bleiben nicht auf das Mikro- oder Regionalklima beschränkt. Eine reduzierte Verdunstung verringert auch die Intensität der Niederschläge und deren räumliche Verbreitung: Der natürliche Wasserkreislauf geht im allgemeinen so vor sich, dass die Niederschläge in erster Linie die obersten Bodenschichten und somit auch die Pflanzen nähren. Jeder kräftige Niederschlag schickt außerdem eine größere Wassermenge in die Tiefe, aus der sich dann die Grundwassermenge erneuert. Dieses örtlich neugebildete Grundwasser erscheint so als Überschuß der kräftigen Regen sowie der Niederschläge in den Zeiträumen, in welchen die Pflanzen infolge der Winterruhe wenig Wasser für sich beanspruchen.

Die Wassermenge, die durch Niederschlag dem Boden zugeführt, aber nicht durch Verdunstung entfernt wird, wird durch Abfluß oder Versickerung fortgeführt und speist die Flüsse oder erhöht den Grundwasserstand. Im Rahmen der Wasserhaushaltsgleichung wird eine Verdunstungs-Erhöhung zum einen Teil dem Abfluß entnommen, kommt zum anderen jedoch -- durch den inneren Kreislauf des Wasserdampfes in der Atmosphäre -- wieder den Niederschlägen zugute: "Was mehr verdunstet wird, wird auch mehr kondensiert".

Eine Abnahme des Abflusses kommt naturgemäß in einer Steigerung der Niederschlagsmenge wieder zum Vorschein. Da jedoch -- vor allem in den sechziger und siebziger Jahren unseres Jahrhunderts -- die Mehrzahl der Oberflächengewässer in der Bundesrepublik Deutschland und in Europa durch Begradigung der Fließgewässer, Verringerung der Anzahl von Stillgewässern und der großflächigen Trockenlegung von Feuchtgebieten eine beträchtliche Verringerung ihrer verdunstungsaktiven Oberflächen erfahren hat, musste sich demzufolge eine Verringerung der Gesamt-Luftfeuchten und somit der Niederschläge, ein Absinken der Grundwasserspiegel sowie eine beträchtliche Zunahme des oberirdischen Abflusses ergeben.

Hieraus resultierte zwangsläufig eine nachhaltige Störung bzw. ein zunehmend chaotisch reagierendes System des Wasserkreislaufes. Großflächige Rodungen und künstliche Absenkungen des Grundwasserspiegels bedingen eine mehr oder minder stark ausgeprägte Versteppung der Landschaft: "Der Mensch erschafft sich seine Wüsten selbst".

Etwa die Hälfte der Klimaerwärmung ereignete sich im Zeitraum zwischen 1910 und 1940, als die Zunahme der Treibhausgase eine noch geringe Rolle spielte. Zwischen 1950 und 1975 fand sogar eine geringe Abkühlung statt. Diese historischen Temperaturreihen scheinen nicht mit der Treibhaus-Hypothese übereinzustimmen. Vor allem zwischen 1920 und 1940 erwärmte sich die Erdatmosphäre dafür zu schnell, und zwischen 1940 und 1970 kühlte sie sogar ab, obwohl die Konzentration der Treibhausgase rasch zunahm. Auch beim Vergleich der beiden Hemisphären ergeben sich Unstimmigkeiten. Aufgrund ihrer größeren Wasserfläche hätte sich die südliche Erdhalbkugel langsamer erwärmen sollen als die Nordhalbkugel, jedoch wurde das Gegenteil beobachtet.

Diese Diskrepanz wird von den hierbei beteiligten Wissenschaftlern dadurch zu erklären versucht, dass die schnelle Erwärmung zu Beginn unseres Jahrhunderts teilweise auf geringe Vulkantätigkeit und verstärkte Sonneneinstrahlung zurückzuführen sei. Die Abkühlung zwischen 1940 und 1970 wird so interpretiert, dass die natürlichen Klimaschwankungen in dieser Zeit den Treibhauseffekt überdeckten. Der Nobelpreisträger CRUTZEN bemerkt hierzu, dass das genaue Ausmaß der Erdatmosphären-Erwärmung ebenso unbekannt ist wie die räumliche Verteilung des Klimawandels.

Die entscheidenden Fragestellungen sind, ob und wie sich das Klima in seinen zeitlichen und räumlichen Verlauf unter dem Einfluß einer zunehmenden Spurengas-Konzentration entwickeln wird. Obwohl der durch meteorologische Messungen belegte Zeitraum viel zu kurz ist, um Klimaschwankungen verschiedener Länge und Dauer richtig beurteilen zu können, prognostizieren heutige Computermodelle, dass durch "Treibhausgase" (v.a. CO₂) in den kommenden 50 bis 75 Jahren eine durchschnittliche globale Erwärmung zwischen ein und vier Grad Celsius verursacht wird.

Die Computersimulationen bilden das natürliche, äußerst komplexe Geschehen in der Atmosphäre und den Ozeanen nur in stark vereinfachter Weise ab. Sie können deshalb nicht beweisen, ob und wie die Treibhausgase das zukünftige Klima markant verändern werden. Die Ursachen hierfür liegen u.a. in der noch nicht ausreichenden Kenntnis aller Klima-Unterkomponenten und derer Verknüpfungen sowie in der noch viel zu geringen Auflösung der Modelle.

Bereits bei der Beschreibung des aktuellen Zustandes der Atmosphäre stellt die begrenzte Datenerfassung ein elementares Problem dar, welches trotz einiger 1000 Meßstationen auf dem Festland und dem Einsatz von Satelliten noch unzureichend gelöst ist. Bekanntlich läßt sich das Wetter kaum für mehr als zehn Tage vorausbestimmen; längerfristige Prognosen sind bislang unmöglich. Weiterhin ist eine langfristige Bestimmung und Vorhersage der Sonnenaktivitäten, die einen maßgeblichen Einfluß auf das Witterungsgeschehen der Erde haben, nicht möglich. Auch zeigen die seit 1979 durchgeführten Satellitenmessungen keine Tendenz einer globalen Erwärmung: Über der Arktis, wo nach den Klimamodellen die ersten Anzeichen einer Erwärmung sichtbar sein sollten, wurde in den vergangenen 17 Jahren sogar ein Abkühlungstrend beobachtet.

Diese Imponderabilien können nur durch eine wesentlich genauere Formulierung aller zugrundeliegenden physikalischen Prozesse, durch ein wesentlich dichteres Netz an Meßstationen und durch eine -- im Vergleich zu den heutigen Großrechnern -- wesentlich höhere Rechenleistung annäherungsweise überwunden werden. Die administrativen Bemühungen zur Reduzierung des anthropogen erzeugten CO₂ als alleinverantwortlichen "Klimakiller" mögen pekuniäre Hintergründe haben, dürften jedoch auf das von der Natur gestaltete, höchst komplexe Wettergeschehen wenig Einfluß haben.

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