Wechselwirkungen im System Erde

2. Herbstschule
2003
System Erde
Erde und Atmosphäre
Donnerstag, 23. 10. 2003
System Erde - Neues von unserem dynamischen Planeten
Prof. Dr. Dr. hc. Rolf Emmermann, GFZ Potsdam
Wir leben auf einem dynamischen Planeten, der sich, angetrieben durch großräumige Stoffund Energieumlagerungsvorgänge in seinem Innern sowie durch vielfältige Einwirkungen von
außen, in einem permanenten Wandel befindet. Modernes Prozessverständnis betrachtet das
Zusammenwirken aller Komponenten des "Systems Erde" - der Geosphäre, Kryosphäre,
Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre. Heute ist es möglich, Prozesse in allen zeitlichen
und räumlichen Skalenbereichen hoch aufgelöst zu erfassen und zu quantifizieren. Dazu
gehört ein breites Spektrum an Methoden und Techniken, von speziellen Satelliten über
Verfahren der geophysikalischen Tiefensondierung und Forschungsbohrungen bis hin zu
Laborexperimenten, mathematischen Ansätzen zur Systemtheorie und der Modellierung von
Geoprozessen. Die "Erdsystemforschung" will einen maßgeblichen Beitrag zur
Daseinsvorsorge leisten und Konzepte und Strategien entwickeln für die immer drängender
werdenden Fragen der Sicherung und umweltverträglichen Gewinnung natürlicher
Ressourcen, der Nutzung des ober- und unterirdischen Raums, der Klima- und
Umweltentwicklung und des anthropogenen Einflusses sowie der Vorsorge vor
Naturkatastrophen und der Minderung ihrer Folgen. Ausgehend von großen internationalen
Forschungsprogrammen skizziert der Vortrag den derzeitigen Kenntnisstand über das System
Erde, stellt die wichtigsten Geoprozesse vor und zeigt innovative Ansätze für künftige
Forschungsaktivitäten.
Tropische Entwaldung und Kohlenstoffkreislauf
Prof. Dr. Wolfgang Cramer, PIK
Die verbleibenden Kohlenstoffvorräte in feuchten tropischen Wäldern sind derzeit sowohl
durch den vom Menschen verursachten Waldrückgang als auch durch die Möglichkeit einer
vom Klimawandel angetriebenen Kohlenstoff-Freisetzung gefährdet. Um die relativen Rollen
der CO2-Zunahme, von sich ändernden Temperatur und Niederschlag sowie des
Waldrückgangs und die Größenordnung ihres Einflusses auf die Konzentration von
atmosphärischem CO2 in der Zukunft zu identifizieren, haben wir ein dynamisches globales
Vegetationsmodell angewandt. Es benutzt verschiedene Szenarien des tropischen
Waldrückgangs (die von Abschätzungen der gegenwärtigen Raten extrapoliert sind) und
verschiedene Szenarien des sich ändernden Klimas (abgeleitet von vier unabhängigen
Modellen der Allgemeinen Zirkulation im Offline-Modus). Die Ergebnisse zeigen, dass der
Waldrückgang wahrscheinlich große Kohlenstoffverluste zur Folge haben wird, trotz der
Ungewissheit, die es bezüglich der Rückgangsraten gibt. In einigen Klimamodellen werden
zusätzliche starke Flüsse produziert, die von zunehmendem Trockenstress auf Grund von
steigender Temperatur und zurückgehendem Niederschlag herrühren. Einem Klimamodell
zufolge gibt es jedoch eine zusätzliche Kohlenstoff-Senke. Alles in allem reichen unsere
Abschätzungen der zusätzlichen Kohlenstoff-Emissionen im 21. Jahrhundert für alle Klimaund Waldrückgangs-Szenarios von 101 bis 367 Gt C. Das führt zu einer Zunahme der CO2Konzentration gegenüber dem Hintergrund zwischen 29 und 129 ppm. Eine Beurteilung der
Methode zeigt, dass besser Abschätzungen der tropischen Kohlenstoffquellen und -senken
verbesserte Einschätzungen des gegenwärtigen und zukünftigen Waldrückgangs sowie
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konsistentere Niederschlags-Szenarios der Klimamodelle benötigen. Trotz der Unsicherheiten
wird fortgesetzter Waldrückgang in den Tropen ganz sicher eine sehr große Rolle bei der
stetigen Zunahme der zukünftigen Treibhausgas-Konzentrationen spielen.
Berliner Luft und Klima unter der Lupe
Prof. Dr. Wilfried Endlicher, HU Berlin
n diesem Sommer 2003 schmelzen die Gletscher der Alpen wieder sehr stark ab. Der Grund
dafür ist zum einen in dem geringen Schneefall im vergangenen Winter und Frühjahr zu
sehen, aber auch in den sehr hohen sommerlichen Lufttemperaturen. Wenn sich der generelle
Abschmelztrend in den kommenden 100 Jahren so fortsetzt, werden viele Alpengletscher
verschwunden sein. Wie ist es aber zu erklären, dass es in Europa auch Regionen gibt, die ein
Anwachsen der Gletscher verzeichnen? Der hohe Abfluss durch das Abschmelzen der
Gebirgsgletscher wird den Meeresspiegel nicht wesentlich erhöhen. Der Einfluss auf den
Meeresspiegel muss aber beim Schmelzen der Inlandeismassen berücksichtigt werden, in
denen sehr viel mehr Wasser gespeichert ist. Wie sind in diesem Zusammenhang die
Inlandeismassen Grönlands und der Antarktis einzuschätzen?
Macht Klima Geschichte?
Prof. Dr. Gerald Haug, GFZ Potsdam
Es ist eine alte These, dass Klimaveränderungen eine zentrale Rolle in der Chronik der
Menscheits- und Zivilisationsgeschichte spielten. Es ist allerdings äußerst schwierig,
Klimadaten in ausreichender Qualität zu erstellen, um diese Hypothese zu testen. Dies ist
beispielsweise anhand von geochemischen Untersuchungen der Sedimente des CariacoBeckens vor der Küste Venezuelas möglich. Es ist es gelungen, ein präzises Bild der
klimatischen Rahmenbedingungen zu zeichnen, welches die Blütezeit klassischen Maya
Kultur und die Phase des abrupten Kollapses dieser Kultur im 9. Jahrhundert nach Christus
charakterisierten. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Klima im nördlichen Südamerika
im 8. und 9. Jahrhundert trockener war als zuvor. Der terrigene Sediment-Eintrag in dieses
Becken ist durch den Titanium-Gehalt des Sediments charakterisiert und spiegelt den
hydrologischen Zyklus in jährlich geschichteten Ablagerungen wider. Neue Analysemethoden
haben nun eine nahezu monatliche Auflösung der Klimavariabilität in der Region ergeben.
Die Daten stellen damit ein präzises Klimaarchiv dar, das die jährliche Variabilität des Klimas
der Region aufzeichnet und damit ein Abschätzung des direkten Einfluss des Klimas auf dem
Lebensraum der Maya in Yucatan zulässt. Dieses Bild ergibt deutliche Hinweise, dass das
Klima überaus stark auf die Maya-Kultur am Ende der klassischen Blütephase einwirkte. Zu
diesem Zeitpunkt wohnten auf Yucatan mehrere Millionen Menschen. Die Maya lebten in
großen Städten, sie kannten gewaltige Umweltprobleme wie die Bodenerosion, was unter
anderem zu Nahrungsengpässen schon in der Zeit vor dem Kollaps führte. Die neuen
Klimadaten zeigen, dass während der archäologisch gut beschriebenen Phase des Kollapses
die Niederschläge generell reduziert waren. Daneben traten verstärkte Trockenperioden mit
einer Dauer von 3 bis 9 Jahren auf, die sich auf etwa AD 810, 860, und 910 datieren lassen
und eine gute Übereinstimmung mit wichtigen Phasen der demographischen Katastrophe der
Maya aufweisen.
Auswirkungen der gegenwärtigen Klimaänderungen auf die Massenbilanz von
Gletschern und Inlandeismassen
Prof. Dr. Achim Schulte, FU Berlin
n diesem Sommer 2003 schmelzen die Gletscher der Alpen wieder sehr stark ab. Der Grund
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dafür ist zum einen in dem geringen Schneefall im vergangenen Winter und Frühjahr zu
sehen, aber auch in den sehr hohen sommerlichen Lufttemperaturen. Wenn sich der generelle
Abschmelztrend in den kommenden 100 Jahren so fortsetzt, werden viele Alpengletscher
verschwunden sein. Wie ist es aber zu erklären, dass es in Europa auch Regionen gibt, die ein
Anwachsen der Gletscher verzeichnen? Der hohe Abfluss durch das Abschmelzen der
Gebirgsgletscher wird den Meeresspiegel nicht wesentlich erhöhen. Der Einfluss auf den
Meeresspiegel muss aber beim Schmelzen der Inlandeismassen berücksichtigt werden, in
denen sehr viel mehr Wasser gespeichert ist. Wie sind in diesem Zusammenhang die
Inlandeismassen Grönlands und der Antarktis einzuschätzen?
Vulkane - geochemische Landschaftsfabriken
Dr. Knut Hahne, GFZ Potsdam
Weltweit sind heute Hunderte Millionen Menschen durch Vulkane bedroht. Vulkanausbrüche
haben bekannterweise Auswirkungen auf die Atmosphäre und damit auf das Klima. Vulkane
sind zugleich aber auch geochemische Landschaftsfabriken. Das Eruptionsverhalten von
Vulkanen ist durch ihre Geochemie bestimmt. Pyroklastische Masseströme, so genannte
Ignimbrite, sind eines der gefährlichsten Phänomene, die mit explosivem Vulkanismus
verbunden sind. Als Modellbeispiel für diesen Vulkantyp gelten die Anden. Dort finden sich
Ignimbrite mit Volumina von bis zu Tausenden Kubikkilometern, die vor Jahrmillionen
plateaubildend wirkten. Die Ergebnisse solch starker Eruptionen prägen bis heute die
Landschaft. Derartige gewaltige Ausbrüche sind in historisch belegter Zeit noch nicht
aufgetreten, sie würden heute in besiedelten Regionen Tausende von Quadratkilometern
vollständig zerstören.
Freitag, 24. 10. 2003
Wie sagt man Klima vorher und wie wird es in 100 Jahren aussehen?
Prof. Dr. Ulrich Cubasch, FU Berlin
In der Diskussion über den Klimawandel treffen zwei Hypothesen aufeinander: Die eine
besagt, dass seit Beginn der Industrialisierung die Menschheit das Klima in zunehmenden
Maße durch den Ausstoß von Treibhausgasen verändert und in der Zukunft sehr stark
beeinflussen wird. Hieran hat das Kohlenstoffdioxid, das bei der Verbrennung fossiler
Brennstoffe, z. B. Erdöl und Kohle, freigesetzt wird, den größten Anteil. Die andere besagt,
dass die beobachtete Erwärmung der letzten 150 Jahre überwiegend auf Variationen der
Sonneneinstrahlung zurückzuführen sei, denn es hätte schon vor der Menschheit Warm- und
Kaltzeiten gegeben, die das, was der Mensch verursachen kann, in den Schatten stellen. Um
das Verhältnis zwischen Sonne, Mensch und Klima realistisch einzuschätzen, muss man
zunächst das Klimasystem und seine Komponenten betrachten. Das Klimasystem besteht aus
der Atmosphäre, der Hydrosphäre (Ozean und Wasserkreislauf), der Kryosphäre (Eis und
Schnee), der Biosphäre (Pflanzen und Tiere), der Pedosphäre (Boden) und der Lithosphäre
(Gestein). Die Komponenten des Klimasystems schwanken mit unterschiedlichen Zeitskalen
und beeinflussen sich wechselseitig. Man bezeichnet dieses als "Klimarauschen". Das
Klimasystem wird durch externe Faktoren angeregt. Dazu gehören Veränderungen in der
Sonneneinstrahlung, entweder bedingt dadurch, dass sich die Bahn der Erde um die Sonne
sowie die Lage der Erdachse mit der Zeit ändern oder durch Schwankungen in der
Strahlungsabgabe der Sonne. Diese externen Faktoren werden den anthropogenen (d. h. durch
den Mensch gemachten) Ursachen, also dem zusätzlichen Treibhauseffekt und der
Schadstoffbelastung der Atmosphäre - gegenübergestellt, und ihr Effekt wird durch das
Klimarauschen überlagert. Um den physikalisch-dynamischen Zusammenhang zwischen
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Sonneneinstrahlung, Treibhauseffekt und Klima zu berechnen, setzt man Klimamodelle ein.
Dieses sind umgebaute Wettervorhersagemodelle und kalkulieren das Klima aufgrund
physikalischer Gesetze. Man kann mit ihnen hochrechnen, dass die von der Sonne ausgelösten
Änderungen die seit 1850 beobachtete Erwärmung nur zu etwa 20 bis 30 Prozent erklären,
und der Rest anthropogenen Ursprungs ist. In der Zukunft ist zu erwarten, dass der
anthropogene Anteil noch zunimmt. Klimaprojektionen für die nächsten 100 Jahre sagen
voraus, dass sich die globale Mitteltemperatur um ca. 1,4 bis 5, 8 °C erhöhen wird, je
nachdem, wie sich die Weltbevölkerung, ihr Energieverbrauch und die dabei eingesetzten
Energieträger entwickeln werden.
Mit dem Satelliten CHAMP auf der Spur von globalen Klimaänderungen
Dr. Jens Wickert, GFZ Potsdam
In den 90er Jahren etablierte sich das U.S.-amerikanische Satellitennavigationssystem GPS
(Global Positioning System) zum Standardverfahren für hochpräzise Navigation. Die dabei
benutzten Radiosignale von derzeit 29 GPS-Satelliten werden beim Durchgang durch die
Erdatmosphäre in charakteristischer Weise verändert. Für eine genaue Positionierung ist diese
Tatsache eine Fehlerquelle. Die Veränderung der GPS-Signale kann allerdings auch benutzt
werden, um wichtige Eigenschaften der Atmosphäre (Refraktivität, Temperatur,
Wasserdampfgehalt) sehr genau zu bestimmen. Innerhalb des Strategiefondsprojektes GASP
(GPS Atmosphere Sounding Project, 2000-2002, Projektleitung GFZ Potsdam) der
Helmholtz-Gemeinschaft wurde in Deutschland eine Infrastruktur zur Nutzung des GPS für
die Fernerkundung der Atmosphäre aufgebaut. Hierbei wurden sowohl boden- als auch
satellitengestützte GPS-Sondierungstechniken entwickelt. Das hohe Potential der innovativen
GPS-Fernerkundungsmethode für vielfältige Anwendungen in der Wettervorhersage und
Atmosphärenforschung sowie für Klimastudien konnte dabei unter Beweis gestellt werden.
Im Mittelpunkt steht die satellitengestützte GPS-Fernerkundung. Aus sogenannten GPSRadiookkultationsmessungen, aufgezeichnet an Bord des deutschen Geoforschungssatelliten
CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload), werden damit kontinuierlich und
wetterunabhängig bis zu 200 global verteilter Vertikalprofile von Refraktivität, Temperatur
und Wasserdampf von der Erdoberfläche an bis ca. 35 km Höhe abgeleitet. Die GPSRadiookkultationstechnik wird eingeführt. Ein Überblick über die bisher von CHAMP
erreichten wissenschaftliche Ergebnisse und einen Ausblick auf zukünftige
Satellitenmissionen wird gegeben. Andere Verfahren der GPS-Fernerkundung
(bodengestützte Wasserdampfbestimmung, Ionosphärensondierung und
Reflexionsmessungen) werden kurz charakterisiert.
Die Auswirkungen des globalen Klimawandels auf die Küstenbereiche der Welt
Dr. Frank Thomalla, PIK
Projektionen der IPCC sagen voraus, dass der globale mittlere Meeresspiegel zwischen 1990
und 2100 um 0,09 bis 0,88 Meter ansteigen wird. Zu den Folgen in den Küstenzonen gehören
häufigere und stärkere Überschwemmungen, zunehmende Erosion, der Verlust von
Ökosystemen wie Feuchtgebieten und Mangrovenwäldern und die Versalzung von
Süßwasserreserven. Zusätzlich wirken sich Veränderungen der klimatischen Schwankungen
sowie Veränderungen der Häufigkeit und Intensität extremer Klimaphänomene auf natürliche
und von Menschen geschaffene Systeme im Küstenbereich aus. Für bestimmte Gebiete der
Erde wird eine Zunahme der Intensität und des Ausmaßes von Stürmen und deren Folgen
vorhergesagt. Erhöhte Spitzenwindgeschwindigkeiten von Stürmen bedeuten ein erhöhtes
Risiko für Menschenleben und Gesundheit, vermehrte Küstenerosion, vermehrte Schäden an
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Küstenbauwerken und Küstenökosystemen und höhere Besitz- und Infrastrukturverluste. Die
Überschwemmung von menschlichen Ansiedlungen in Küstenzonen als Folge des Anstiegs
des Meeresspiegels gilt als eines der am meisten verbreiteten direkten Risiken des
Klimawandels. Hinzu kommt die rasche Verstädterung tief liegender Küstenzonen in
Industrienationen und Entwicklungsländern. Die in Küstennähe wachsende Bevölkerung und
die von ihr geschaffenen Vermögenswerte sind immer mehr klimatischen Extremen
ausgesetzt. Modellrechnungen sagen eine potenzierte Zunahme der Menschen, die durch
Küstenstürme und Überschwemmungen betroffen sein werden, voraus. Die geschätzten
möglichen Kosten für einzelne Länder belaufen sich auf mehrere Milliarden Dollar. Die
Störanfälligkeit dieser Systeme hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie z.B. ihrer
geografischen Lage, den sozialen, den ökonomischen Bedingungen und den
Umweltbedingungen. Viele unterentwickelte Regionen sind besonders gefährdet, weil sie
Klimaveränderungen besonders ausgesetzt sind, ein großer Teil ihrer Wirtschaft in
klimaempfindlichen Branchen angesiedelt ist, oder weil sie geringe Anpassungsfähigkeit
besitzen. Anpassungsstrategien für Küstenzonen haben sich in den letzten Jahren immer mehr
von harten Schutzmaßnahmen wie Mauern und Buhnen zu weichen Vorkehrungen wie
Sandvorspülung, kontrolliertem Rückzug und erhöhter Flexibilität von biophysikalischen und
sozioökonomischen Systemen in Küstenregionen verschoben.
Ozon in der Atmosphäre
Dr. habil. Ulrike Langematz, FU Berlin
Folgende Themen werden u.a. behandelt: Messungen der atmosphärischen
Ozonkonzentration; beobachtete klimatologische Verteilung sowie zeitliche und räumliche
Variabilität des Ozons; Einfluss von Chemie und Dynamik auf die Ozonverteilung;
Ozontrends in der Stratosphäre und Troposphäre ("Ozonloch" vs. "Ozonminiloch") sowie
deren Auswirkungen auf das Klima.
Ozeanzirkulation und Klima
Prof. Dr. Stefan Rahmstorf, PIK
Die Weltmeere bedecken rund 71 Prozent der Erdoberfläche und absorbieren etwa die
doppelte Menge an Sonnenenergie wie die Landoberflächen. Sie sind daher eine wichtige
Komponente des Klimasystems. Durch ihre riesige Wärmekapazität dämpfen sie
Temperaturschwankungen, aber sie spielen auch eine wesentlich aktivere und dynamischere
Rolle. Meeresströme transportieren riesige Wärmemengen quer über den Planeten - etwa
ebensoviel Wärme wie die Atmosphäre. Doch anders als die Atmosphäre ist der Ozean
zwischen Landmassen eingeschlossen, so dass sein Wärmetransport in bestimmte Regionen
gelenkt wird. Die immer wieder auftretenden El Niño-Ereignisse im tropischen Pazifik
demonstrieren eindrucksvoll, wie eine regionale Änderung von Meeresströmungen - in
diesem Fall u.a. dem Humboldtstrom - die klimatischen Verhältnisse um den ganzen Globus
beeinflussen kann. Dürren in den Staaten des westlichen Pazifik, verheerende Waldbrände in
Südost-Asien und Überschwemmungen in Teilen Afrikas sind nur einige der Folgen. Eine
weitere Region, in der der Einfluss der Meeresströmungen sich besonders stark bemerkbar
macht, ist der Nordatlantik. Er befindet sich an einem Ende eines Strömungssystems, das vom
Antarktischen Ozean bis ins Nordmeer reicht und riesige Wärmemengen in unsere Breiten
transportiert. Der Golfstrom und sein verlängerter Arm, der Nordatlantikstrom, spielen eine
wichtige Rolle in diesem System, das als thermohaline Zirkulation bezeichnet wird. Der
Ausdruck beschreibt die Antriebskräfte: Temperatur (thermo) und Salzgehalt (halin) des
Meerwassers bestimmen die Dichteunterschiede, die die Strömung antreiben. Warmes Wasser
strömt dabei in der nähe der Oberfläche nach Norden, gibt die Wärme an die Luft ab, sinkt
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nach unten und kehrt in 2-3 km Tiefe gen Süden zurück. Dabei wird eine Wärmemenge
freigesetzt, die der Leistung von einer halben Million Großkraftwerken entspricht. Vergleicht
man Orte in Europa mit vergleichbaren Orten auf dem amerikanischen Kontinent, wird die
Klimawirkung deutlich. Bodö in Norwegen hat mittlere Temperaturen von -2°C im Januar
und 14°C im Juli; in Nome, an der Pazifikküste Alaskas auf demselben Breitengrad,
herrschen dagegen -15°C im Januar und nur 10°C im Juli. Auf Satellitenbildern erkennt man,
wie die warme Atlantikströmung das europäische Nordmeer ungewöhnlich eisfrei hält.
Änderungen im Verlauf dieser Strömung haben in der Klimageschichte, vor allem während
der letzten Eiszeit, immer wieder zu abrupten Klimawechseln geführt. Das Verhalten der
Strömung kann in aufwendigen Computersimulationen nachvollzogen, mit ausgefeilten
Methoden der nichtlinearen Dynamik analysiert, aber in Grundzügen auch mit wenigen
einfachen Gleichungen verstanden werden.
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