Das wahre Klimaarchiv steckt im Erdboden,James

Das wahre Klimaarchiv steckt
im Erdboden
Langzeit-Temperaturmessungen: Besser im Boden als
in Wetterhütten.
Wenn ein Körper auf der Oberfläche der Erde Wärmeenergie
aufnimmt, dann wird diese im Wesentlichen als Bewegungsenergie
in seinen Atomen oder Molekülen gespeichert. Falls es nicht zu
chemischen Veränderungen oder zu Phasenumwandlungen (beim
Wasser z.B. Eis, Flüssigkeit, Dampf) kommt, so ist diese
Energiezu- oder abnahme als Temperaturänderung messbar. Dies
gilt für alle Körper, egal ob sie fest, flüssig oder gasförmig
sind. Bei flüssigen oder gasförmigen Medien ist die Bestimmung
der tatsächlichen Temperatur wegen der Überlagerung von
Wärmediffusion einerseits und Wärmetransport durch
Strömungsvorgänge andererseits in der Praxis oft schwierig bis
unmöglich. Im Falle der Atmosphäre wird dies durch den
Einfluss des Wassers in seinen verschiedenen Aggregatzuständen
nochmals komplizierter. Bei festen Körpern ausreichender Größe
lassen die Temperaturänderungen im Inneren dagegen eine
ziemlich exakte Bilanzierung der Zu- und Abflüsse an
thermischer Energie zu. Wenn es um klimatische Langfristtrends
geht, sind Messungen der Temperatur im Boden daher
aussagekräftiger als solche in der Luft.
Bild
1.
Im
Kristallgitter fester
Körper
sind
die
Gitterelemente mit ihren
Nachbarn fest verbunden.
Die Verbindungen sind
elastisch wie Federn, so
dass die Teilchen hin
und her schwingen können
(Grafik: Autor)
Die Verhältnisse sind bei festen Körpern vergleichsweise
einfach, weil hier der Transport von Materie nur eine
untergeordnete Rolle spielt. Sie weisen meist ein streng
geordnetes Kristallgitter auf, in dem die Atome bzw. Moleküle
ortsfest an ihre Nachbarn gebunden sind. Diese Bindungen kann
man sich wie Federn vorstellen, wodurch die einzelnen
Gitterteilchen hin und her schwingen können, Bild 1. Je mehr
Energie ihnen zugeführt wird, desto heftiger werden diese
Schwingungen. Da sie mit ihren Nachbarn elastisch verbunden
sind, geben sie diesen dabei auch einen Teil ihrer Energie
weiter. Dieser Energietransfer erfolgt ständig und in alle
Richtungen: Jedes Gitterteilchen gibt jedem seiner Nachbarn
immer wieder einen Teil seiner Schwingungsenergie ab und
erhält zeitlich versetzt von diesen auch wieder Energie
zurück. Allerdings geben Gitterelemente, die ein hohes Maß an
Schwingungsenergie aufweisen, im statistischen Mittel an ihre
Nachbarn mehr Energie ab, als sie von diesen zurückerhalten.
Deshalb hat Wärme in einem festen Körper die Tendenz, sich
gleichmäßig in alle Richtungen auszubreiten bzw. zu verteilen.
Sie „fließt“ von Bereichen hoher Temperatur weg und hin zu
Bereichen mit niedrigerer Temperatur. Allerdings erfolgt die
sogenannte Wärmediffusion im Unterschied zum Wärmetransport
durch Konvektion, wie er in Flüssigkeiten und Gasen dominiert,
ziemlich langsam.
Wichtig ist die Erkenntnis, dass Wärmetransportvorgänge – grob
vereinfacht – mit dem Verhalten von Wasser vergleichbar sind,
welches bekanntlich immer die Tendenz hat, nach unten zu
fließen, und schließlich sogar im Boden versickert. Wärme
fließt immer von Bereichen mit höherem Temperaturniveau in
Richtung auf Bereiche mit niedrigerer Temperatur und nicht
umgekehrt. Das zugrundeliegende Naturgesetz ist der zweite
Hauptsatz der Thermodynamik. Er hat zahlreiche Ausprägungen,
doch genügt es für unsere Betrachtungen festzuhalten, dass
Wärme nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur
auf einen Körper höherer Temperatur übergehen wird.
Die Wärmediffusion
langsam
im
Boden
erfolgt
äußerst
Diese für feste Körper geltenden Zusammenhänge treffen in
eingeschränkter Form auch für Konglomerate bzw. Haufwerke
fester Körper wie z.B. wie Sand oder Erdreich zu. Die geringe
Geschwindigkeit der Wärmeübertragung ist dabei für das
Nachvollziehen von Wetter- und Klimavorgängen von Vorteil.
Einen Eindruck von der Trägheit dieser Vorgänge vermittelt der
Tagesgang der Temperaturprofile im Boden zwischen Oberfläche
und 1 m Tiefe an einem typischen Sommertag, Bild 2.
Bild 2. Tagesgang der Temperaturprofile im Boden
zwischen Oberfläche und 1 m Tiefe an einem typischen
Sommertag [BAYE]
Das hier aufgeführte Beispiel ist typisch für die Verhältnisse
bei einem mitteleuropäischen Kulturboden (unbewachsener
sandiger Lehmboden) an einem weitgehend wolkenlosen Sommertag.
Man erkennt deutlich, dass die Oberfläche am Tag stark
aufgeheizt wird, die Wärme aber nur langsam tiefer eindringt.
Nachts kühlt sich der Boden – ebenfalls von der Oberfläche
ausgehend – wiederum sehr stark ab, bis sich der Zyklus mit
dem nächsten Tag wiederholt. Die Eindringtiefe der Temperatur
für einen Tageszyklus liegt je nach Bodenart bei lediglich
etwa 10 bis 50 cm.
Wenn man sich die Darstellung in Bild 2 am Mittag bzw. um
Mitternacht ansieht, so fällt vor allem die enorme Spanne von
35 K (Kelvin, entspricht °C) zwischen Minimal- und
Maximaltemperaturen auf. Das ist mehr als doppelt so hoch wie
die typischerweise von meteorologischen Stationen in 2 m Höhe
gemessene Tagesdifferenz von etwa 15 K. Auf die Gründe hierfür
wird zu einem späteren Zeitpunkt in einem weiteren Artikel,
der sich mit der Strahlungsbilanz der Erdoberfläche
beschäftigt, näher eingegangen.
Der Erdboden ist ein Langzeit-Temperaturarchiv
Die geringe Geschwindigkeit des Wärmetransports im Erdboden
hat für die Klimawissenschaft den Vorteil, dass er einen zwar
trägen, aber dafür getreuen Speicher für die mittel- bis
längerfristige Entwicklung der Temperatur am jeweiligen Ort
darstellt (mathematisch ausgedrückt funktioniert er wie ein
Integrator). Mit zunehmender Tiefe hält er für Zeiträume von
Tagen und Jahren bis zu Jahrhunderten getreu fest, wie viel
Wärmeenergie er erhalten und wieder abgegeben hat 1). Dabei
werden die kurzfristigen Schwankungen mit zunehmender Tiefe
der Messstelle immer stärker herausgefiltert, Bild 3.
Bild 3. Jahresgang der Temperatur in der Luft sowie
im Erdboden im Jahre 2013. Bei 12 m ist faktisch nur
noch der Gesamt-Jahreseinfluss zu erkennen (Daten:
WIKI und PIK, Grafik: Autor)
In einer Tiefe von etwa 12-18 m ist nur noch der
Jahreseinfluss feststellbar. Geht man noch tiefer, so kann man
nach [PAUL] Schwankungen der Oberflächentemperatur auf
Zeitskalen von hunderten bis tausenden von Jahren
rekonstruieren (vergleichbar mit Klimaarchiven anderer Art
z.B. in Eiskernen). Ab einer gewissen Tiefe beginnt sich dann
die sich aus dem Inneren der Erde nach oben ausbreitende Wärme
des Erdinneren bemerkbar zu machen und überlagert letztlich
die von der Oberfläche ausgehenden Einflüsse.
An der in Bild 3 aufgetragenen Lufttemperatur ist außerdem zu
erkennen, dass die Bodentemperatur weniger auf die
Lufttemperatur reagiert als vielmehr auf die erhaltene und
wieder abgegebene Menge an Strahlungsenergie. Zu erkennen ist
dies an der Tatsache, dass der Boden in Tiefen bis zu 1 m im
Sommer teils weit höhere mittlere Temperaturen aufweist als
die Luft. Dies beweist, dass – statistisch gemittelt – nicht
die Luft den Boden aufheizt, sondern umgekehrt der Boden mit
der aus Sonnenstrahlung stammenden Wärme die Luft. Dies gilt
sogar im Winter.
Der Boden verrät die wahren Klimaveränderungen
Eine weitere interessante Erkenntnis aus dem Verlauf der
Bodentemperaturen ergibt sich dann, wenn man sie mit dem
Langzeitverlauf der Lufttemperaturen über den verfügbaren
Aufzeichnungszeitraum von 1898 bis 2014 vergleicht, Bild 4.
Bild 4. Vergleich des Verlaufs der Bodentemperaturen
in 12 m Tiefe und der Lufttemperatur über den
Zeitraum 1898 bis 2014 (Daten: WIKI und PIK, Grafik:
Autor)
Beim Blick auf die Gleichungen des linearen Trends erkennt
man, dass die Lufttemperaturen mit fast der doppelten Rate
gestiegen sind wie die Temperaturen des Bodens. Natürlich wäre
ein Vergleich über noch längere Zeiträume von großem
Interesse, doch stehen dafür leider keine entsprechenden
Zeitreihen zur Verfügung.
Beim Blick auf den Verlauf der Bodentemperaturen fällt auf,
dass der Trend im Zeitraum zwischen 1898 und 1990 – bis auf
einen massiven mehrjährigen Peak auf bis zu 10,5 °C in den
30er Jahren – nahezu ohne Anstieg verläuft. Erst ab 1990 ist
eine deutliche Trendänderung nach oben festzustellen, doch
wurde der Wert von 10,5 °C erst wieder im Jahr 2007 erreicht.
Seither verharrt die 12-m-Bodentemperatur auf diesem hohen
Niveau.
Betrachtet man den linearen Trend, so fällt auf, dass der
Anstieg der 12-m-Bodentemperatur mit ca. 0,5 K/ Jahrhundert
nur knapp halb so hoch liegt wie derjenige der Lufttemperatur
mit ca. 0,9 K/ Jahrhundert.
Interessant ist jetzt natürlich die Frage, welche Einflüsse
zum deutlichen Anstieg der Bodentemperaturen in den letzten
beiden Jahrzehnten geführt haben, denn dies fällt weitgehend
in jene Zeitperiode ab 1998, in welcher der von den
meteorologischen Stationen weltweit ermittelte globale Anstieg
der Temperaturen nahezu zum Stillstand gekommen ist. Die
Lufttemperaturen in Deutschland zeigen für diesen Zeitraum
allerdings einen deutlichen Trend nach oben.
Die Sonne führt Regie
Eine plausible Erklärung erhält man, wenn man den Verlauf der
Temperaturentwicklung in 12 m Tiefe mit denjenigen ebenfalls
in Bild 4 eingetragenen Mittelwerten der Sonnenscheindauer
vergleicht. Die Ähnlichkeit beider Kurvenverläufe weist darauf
hin, dass ihre Kopplung sehr eng sein dürfte. Der Anstieg der
Temperaturen sowohl im Boden als auch in der Luft ist
eindeutig mit einer Zunahme der Sonnenscheindauer von ca. 4,5
h/ d auf inzwischen 4,9 h/d verknüpft. Das entspricht einer
Zunahme um fast 9 % innerhalb des Beobachtungszeitraums von
116 Jahren. Dass zusätzlich eingestrahlte Sonnenenergie auch
eine Temperaturerhöhung zur Folge hat, bedarf eigentlich
keiner weiteren Erläuterung. Dass viele Klimawissenschaftler,
statt diesen einfach nachzuweisenden und völlig plausiblen
Zusammenhang näher zu erforschen, sich auf das Thema
„Treibhausgas CO2“ gestürzt haben, ist angesichts der
überragenden Bedeutung der Sonnenenergie für den Wärmehaushalt
der Erde schwer nachzuvollziehen.
Wo bleiben Wolken und Regen?
Weiterer interessanter Aspekt dieser Auswertung ist, dass sie
den gängigen Erklärungsansätzen der Vertreter des
„menschengemachten katastrophalen Klimawandels“ (AGW,
Anthropogenous Global Warming) nicht entspricht. Mit
zunehmender mittlerer Temperatur der Meeresoberflächen und der
Böden sind zwangsläufig eine höhere Wasserverdunstung und ein
höherer Wassergehalt der – wärmer gewordenen – unteren
Lufthülle verknüpft. Die logischerweise zu erwartenden Folgen
wären eine verstärkte Wolkenbildung und damit eine geringere
Sonneneinstrahlung. Stattdessen ist – zumindest für
Deutschland – genau das Gegenteil zu beobachten, Bild 5.
Bild 5. Während die mittlere Sonnenscheindauer in
Deutschland den letzten 116 Jahren deutlich
zugenommen hat, sind die Niederschlagsmengen nahezu
unverändert geblieben (Daten: PIK, Grafik: Autor)
Dies deutet darauf hin, dass die Verhältnisse wesentlich
komplexer sind, als dies von den meisten AGW-Vertretern
dargestellt wird. Möglicherweise wirken sich langfristige
zyklische Schwankungen der Strömungsverhältnisse in der
Atmosphäre so aus, dass sie die eigentlich zu erwartende
erhöhte Wolkenbildung nebst entsprechender Verringerung der
Sonneneinstrahlung völlig überlagern. Auch weist der Trend der
letzten Jahre eine Stagnation der Niederschlagshöhen aus, was
mit erhöhter Sonnenscheindauer nicht zusammenpasst. Aus diesen
Fakten ergeben sich natürlich Fragen, die im Rahmen dieses
bewusst kurz gehaltenen Aufsatzes jedoch nicht mehr behandelt
werden können. Hierauf werde ich zu einem späteren Zeitpunkt
zurückkommen.
Fred F. Mueller
Ich danke Hr. Dipl.-Met. Hans-Dieter Schmidt für Anregungen
und fachliche Unterstützung
1) Mathematisch lässt sich das Verhalten des Bodens als
Integrator beschreiben. Es bildet sich darin eine sich nach
unten fortpflanzende gedämpfte Wärmewelle. Deshalb ergeben
sich auch mit zunehmender Tiefe Verschiebungen der
Phasenlage des Temperaturgangs im Verhältnis zur Oberfläche.
Bei 12 m Tiefe ist eine Verschiebung um rund 180 °
festzustellen, hier treten Minima und Maxima also im
Gegentakt zum Jahreszeitverlauf am Boden auf. Das zeigt sich
beispielsweise auch, wenn man die Korrelation der Werte für
die
Lufttemperaturen
und
diejenigen
für
die
Bodentemperaturen ermittelt: Vollzieht man dies für die
Werte aus identischen Jahren, so erhält man lediglich einen
eher unbefriedigenden Korrelationskoeffizienten von 0,46.
Berücksichtigt man jedoch einen Versatz von einem Jahr, so
verbessert er sich auf 0,59.
Quellen
[BAYE] Bayer, A.: Modellierung der Temperaturentwicklung
oberflächennaher Boden- und Gesteinsschichten arider Gebiete
unter Berücksichtigung der solaren Einstrahlung und der
Topographie. Diplomarbeit, im Studiengang Technische
Geowissenschaften, Institut für Geophysik der Universität
Stuttgart
[PAUL] Das Klimasystem und seine Modellierung (05-3103) –
André Paul Atmosphärischer Strahlungstransport und Klima:
Nachträge.
[PIK]
http://www.pik-potsdam.de/services/klima-wetter-potsdam/klimaz
eitreihen/bodentemperatur
[WIKI]
http://de.wikipedia.org/wiki/Zeitreihe_der_Lufttemperatur_in_D
eutschland
Foto: Nicholas, “Midday”, © www.piqs.de
James Lovelock: “Windparks
sind
Denkmäler
einer
gescheiterten Zivilisation”
James Lovelock ist einer der Gründerväter der grünen Bewegung.
Berühmt wurde er für seine Erfindung der “Gaia-Theorie”. Er
hat jetzt seine Verzweiflung zum Ausdruck gebracht, dass die
ursprünglichen Absichten der Bewegung missverstanden worden
seien, als Lizenz, unser “unbezahlbares ökologisches Erbe”
beiseite zu schaffen. In einem Brief an seine örtliche
Planungsbehörde schrieb James Lovelock: “Ich bin ein
Umweltschützer und Gründungsmitglied der Grünen, aber ich
neige mein Haupt in Scham bei dem Gedanken, dass unsere
ursprünglichen guten Absichten derart missverstanden
werden. Wir haben niemals eine fundamentalistische grüne
Bewegung beabsichtigt, die alle anderen Energiequellen als die
der Erneuerbaren Energien ablehnt, noch haben wir erwartet,
dass die Grünen unser ökologisches Erbe von unschätzbarem Wert
wegwerfen, wegen ihres Versagens zu verstehen, dass
die Bedürfnisse der Erde nicht von menschlichen Bedürfnissen
zu trennen sind.”
Der Umweltschützer fügt hinzu: “Wir müssen dafür Sorge tragen,
dass die sich drehenden Windmühlen nicht wie die Statuen auf
den Osterinseln werden – Denkmäler einer gescheiterten
Zivilisation.”
Bestellung
bei:
Storchmann
James Lovelock ist der Erfinder der Gaia-Theorie. Er verlieh
damit der grünen Bewegung in den 1960ern Antrieb und wurde zu
einem weltweiten Symbol im Kampf gegen den Klimawandel. Seine
Theorie ging davon aus, dass die Erde ein einziger sich selbst
regulierender Organismus sei und sich durch Selbstorganisation
im Gleichgewicht halte. Er sagte voraus, dass der Planet zwar
überleben würde, aber die Menschen nicht so viel Glück hätten,
die globale Erwärmung aber bis 2100 vier Fünftel der
Weltbevölkerung auslöschen würde und die Menschen in die
Arktis auswandern müssten, um eine Chance zum Überleben zu
haben.
In den vergangenen Jahren hat der Wissenschaftler viele seiner
Anhänger empört, nachdem er sich für die Kernenergie und als
entschiedener Gegner der Windenergie bekannt hatte. 2009
antwortete er auf die Behauptung des Abgeordneten im
britischen Unterhaus, Ed Miliband (seit 2010 Vorsitzender der
Labour Party sowie Oppositionsführer), der Protest gegen
Windenergieanlagen werde zukünftig genau so wenig akzeptiert
wie die Ablehnung, einen Sicherheitsgurt zu tragen:
“Das Recht auf öffentliche Anhörungen über Energiequellen wird
durch eine fällige Gesetzgebung bald bedroht. Trotz der guten
Absicht bedeutet dies eine Aushöhlung unserer Freiheit und
rückt in die Nähe dessen, was ich als Faschismus betrachte.”
Die Grünen in North Devon bleiben von dieser Warnung
unberührt. Ihr Sprecher, Ricky Ritter, sagte: “Professor
Lovelock bleibt eine der am meisten respektierten Ökologen
unserer Zeit. Es wäre absurd für Graswurzel-Aktivisten, seine
Behauptungen zu hinterfragen, wenn sie eindeutig durch seine
Sorge um das Überleben des Planeten motiviert sind. Allerdings
ist es vertretbar, seine Sichtweise zu hinterfragen.”
Professor Lovelock ist Fürsprecher einer Initiative von
Einheimischen, die sich heftig gegen den Bau einer
Windenergieanlage wehrt. Lovelock hat seine wissenschaftliche
Reputation in die Kampagne eingebracht und wird nun mit dem
Verdacht konfrontiert, deshalb zu protestieren, weil er dort
lebe oder ein Eigentum in der Nähe habe – 43 Meilen entfernt.
Über Lovelock berichten die Medien im englischsprachigen Raum,
wie zum Beispiel The Telegraph. [1] In Deutschland wird
Lovelocks Kritik an der Fanatisierung seiner Ideen kaum
registriert. Den Befürworwortern der Erneuerbaren Energien
wird es möglicherweise so ergehen wie der Gesellschaft für
angewandte Tiefenökologie, die 2007 einem Interview mit
Lovelock diese Zeilen voranstellte: “Die jüngsten Äußerungen
von James Lovelock, dass er den umfangreichen Einsatz von
Atomenergie für die einzig gangbare Massnahme zur Rettung des
Erdklimas erachtet, haben auch uns erschreckt. Wir halten
diesen Ansatz für grundverkehrt, da es nach über 50 Jahren
Atomtechnologie keinen einzigen brauchbaren Ansatz für die
notwendige sichere Einlagerung der strahlenden Reststoffe
gibt, die weit über 100 000 Jahre alles Leben in der jetzigen
Form auf diesem Planeten bedrohen werden. Wir wissen nicht,
wie es zu diesen Äußerungen kam. Trotzdem danken wir James
Lovelock für die Prägung der Gaia-Theorie, dass die Erde als
Ganzes ein lebendes Wesen ist.” [2]
James Lovelock hatte gemeinsam mit Al Gore und anderen auf der
Grundlage
von
Computer-Extrapolationen
vor
einer
heraufziehenden Klimakatastrophe gewarnt. 2012 hat er in
einem Interview mit msnbc seinen Irrtum eingestanden und sich
vom Klima-Alarmismus distanziert. “Das Problem ist, wir wissen
nicht, was das Klima tut. Wir dachten vor 20 Jahren, wir
wüssten es. Das führte zu einigen alarmistischen Büchern –
meine eingeschlossen – weil es eindeutig zu sein schien, aber
es ist nicht eingetreten”, sagte Lovelock. [3] Dazu bemerkt
der Hydrobiologe Edgar L. Gärtner: “Leider hat kein einziges
Medium in Europa von dieser Selbstkritik eines der Väter der
grünen
Bewegung
berichtet.
So
funktioniert
die
Selbstgleichschaltung.” [4]
Zur Person:
James Lovelock, Biophysiker, ist Mitglied der Royal Society,
zum C.B.E. ernannt durch die Königin von England, Ehrendoktor
der Universität Edinburgh , Ehrendoktor der University of
Kent, Ehrendoktor der University of East London, Ehrendoktor
der University of Colorado, Honorary Visiting Fellow der
Universität Oxford. Er hat es zu über 200 wissenschaftlichen
Veröffentlichungen und über 50 Patenten gebracht. [5]
Quellen/Medien:
[1] http://www.telegraph.co.uk/earth/earthnews/9847324/W
ind-farms-could-become-monuments-of-a-failedcivilisation-top-environmentalist-claims.html
[2] http://www.tiefenoekologie.de/de/buecher-und-texte/p
olitik-des-herzens/james-lovelock.html
[3] http://www.theregister.co.uk/2013/01/31/lovelock_win
d_fu/
[4] http://ef-magazin.de/2012/05/20/3531-james-lovelockein-vater-des-klima-alarmismus-korrigiert-sich
[5] http://de.wikipedia.org/wiki/James_Lovelock
Bücher von und über James Lovelock
Neuerscheinung (April 2014):
Weitere Titel von “James Lovelock“
Petition:
Bundesregierung:
Schluß
mit
dem
regierungsamtlichen globalen
CO2-Erwärmungsschwindel!
Avaaz-Bürgerpetition: “Das Spurengas CO2 ist mit nur knapp
0,04%-Anteil an der Atmosphäre dennoch überlebenswichtig für
die Menschheit, da ohne CO2 kein Pflanzenwachstum möglich ist.
Weltweit
fehlt
Experimentalbeweis
bisher
jeglicher
physikalische
dafür, daß zusätzliches CO2 in der
Atmosphäre nicht kühlend, sondern erwärmend wirkt. Die Kosten
der sogenannten Klimapolitik sind schon jetzt nicht mehr
tragbar und treffen besonders diejenigen, welche ohnehin am
Rande des Existenzminimums dahinvegetieren.”
Avaaz-Bürgerpetition Bundesregierung: Schluß mit dem
regierungsamtlichen globalen CO2-Erwärmungsschwindel!
“Bürgerpetitionen von Avaaz” ist eine neue Internetplattform,
die Menschen auf der ganzen Welt die Möglichkeit geben soll,
eigene Kampagnen auf lokaler, nationaler und internationaler
Ebene
zu
starten.
Mehr: https://secure.avaaz.org/de/petition/about