Umwelt und Naturwissenschaften
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Naturwissenschaft und Umwelt Prof. (em.) Dr.-Ing. Michael F. Jischa Institut für Technische Mechanik der TU Clausthal Plenarvortrag MNU – Regionaltagung des Landesverbandes Sachsen-Anhalt 4. November 2006 in Halle (Saale) Inhalt Wie stehen das Land, die Atmosphäre und die Ozeane miteinander in Beziehung und welche physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse laufen ab? Einfluss des Menschen auf das „System Erde“ diskutieren Ziele Begeisterung für Naturwissenschaften und Mathematik erzeugen Botschaft an die Jugend: „Mission to the Planet Earth“ „Herausforderung Zukunft“, Problemfelder vermitteln und Lösungsansätze erarbeiten Bezifferte Bildunterschriften und Tabellen beziehen sich auf das Buch „Herausforderung Zukunft – Technischer Fortschritt und Globalisierung“ (Jischa 2005) Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 2 5.2 Unser Klimasystem, aus www.dlr.de/ipa/ Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 3 5.1 Ökosystem Erde mit seinen Wechselwirkungen Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 4 Strahlungsgleichgewicht der Erde Die Sonne ist die treibende Kraft für alles Geschehen auf der Erde! 73,4 MW/m² = Strahlungsenergie der Sonne 1,368 kW/m² = Solarkonstante (außerhalb der Atmosphäre), konnte erst im Zeitalter der Raumfahrt exakt ermittelt werden 343 W/m² = mittlere Energieeinstrahlung (außerhalb der Atmosphäre); reduziert wegen Neigung der Erdoberfläche 160 W/m² kommen im Mittel am Erdboden an (in unseren Breitengraden etwa 100, in der Sahara etwa 200 W/m²); reduziert wegen direkter Reflektion an den Wolken und an der Erdoberfläche sowie Absorption in der Atmosphäre „Rest“ 160 W/m² wird vom Erdboden absorbiert, erwärmt Böden, Pflanzen und oberen Meeresschicht; nur 1% für Fotosynthese Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 5 Gründe für den Treibhauseffekt: 1. Maximum des Intensitätsspektrums wird mit wachsender Temperatur zu kleineren Wellenlängen hin verschoben Die Sonne strahlt wegen ihrer hohen Oberflächentemperatur von 6000 K extrem kurzwellig; maximale Intensität der solaren Einstrahlung liegt bei 0,5 µm Wellenlänge (sichtbares Licht) Die Erde hat eine mittlere Oberflächentemperatur von 15 °C und sendet ihrer Wärmestrahlung bei höheren Wellenlängen aus Die solare Einstrahlung zur Erde hin und die Wärmestrahlung von der Erde weg müssen die Atmosphäre passieren; hier kommt die Filterwirkung der Atmosphäre ins Spiel Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 6 2. Das Absorptionsvermögen der einzelnen „Treibhausgase“ hängt (ebenso wie das Intensitätsspektrum) von der Wellenlänge ab Einige Spurengase, wie Kohlendioxid u. a., haben die Eigenschaft, Strahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen durchzulassen und in anderen zu absorbieren Dies wird durch den Absorptionskoeffizienten ausgedrückt, der von Null (volle Durchlässigkeit) bis Eins (volle Absorption) reicht Kohlendioxid und Wasserdampf lassen das kurzwellige Sonnenlicht nahezu ungehindert passieren, während sie die langwellige Wärmestrahlung der Erde bei bestimmten Wellenlängen stark absorbieren Die Atmosphäre lässt die Wärmestrahlung nur in bestimmten (Kohlendioxid- oder Wasserstoff-) Fenstern passieren Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 7 Natürlicher Treibhauseffekt Ohne Atmosphäre würde sich eine mittlere Temperatur von -18 °C an der Erdoberfläche einstellen Durch die Filterwirkung der Atmosphäre beträgt die mittlere Temperatur auf der Erde (lebensfreundliche) 15 °C Der Erwärmungseffekt der in der Atmosphäre vorhandenen Treibhausgase liegt somit bei 33 Grad Anthropogener Treibhauseffekt Die Konzentration des klimawirksamen Treibhausgases Kohlendioxid hat seit der Industrialisierung deutlich zugenommen Dadurch hat sich in den letzten 100 Jahren die mittlere Temperatur der Atmosphäre um 0,6 – 0,7 Grad erhöht Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 8 Klimamodelle und Prognosen Zustandsgrößen im Klimageschehen sind Druck, Temperatur, Dichte, Feuchte sowie Windgeschwindigkeit Deren zeitliche und räumliche Veränderungen werden durch Bilanzgleichungen beschrieben, ergänzt durch thermodynamische Relationen und reaktionskinetische Ansätze Damit steht ein System von gekoppelten, nichtlinearen, partiellen Differenzialgleichungen zweiter Ordnung zur Verfügung Hierarchie der Modellgleichungen: vom einfachen Energiebilanzmodell bis zu dreidimensionalen Zirkulationsmodellen Probleme in den Modellen: Atmosphäre - Ozean - (Eis-) Modelle mit stark unterschiedlichen Zeitskalen; unklare RückkopplungsMechanismen; noch unverstandene Effekte wie das El-NinoPhänomen; stark eingeschränktes Auflösungsvermögen Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 9 Auswirkungen des anthropogenen Treibhauseffektes Szenario CO2-Verdopplungsstudie: von 300 auf 600 ppm CO2 Seit der Industrialisierung Anstieg von 280 auf 376 ppm (2003) Die globalen Mitteltemperatur steigt um 1,5 bis 4,5 Grad Zunahme der Niederschläge, da mit steigender Temperatur die Verdunstung ansteigt Anstieg des Meeresspiegels durch therm. Ausdehnung des Wassers Rückgang der Eismassen und der Gletscher In polaren Gebieten findet eine stärkere Erwärmung statt, da wegen Schrumpfung der Eisgebiete die Rückstreuung vermindert wird (positive Rückkopplung); in Äquatornähe geringere Erwärmung, da mit zunehmender Temperatur die Verdunstung einen Teil der Energie verbraucht (negative Rückkopplung) Fazit: Sämtliche Beobachtungen bestätigen qualitativ die „Prognosen“ (besser Szenarien) der Modellrechnungen Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 10 10.1 Technischer Wandel als Motor für gesellschaftliche Veränderungen, in Anlehnung an Johnston (Europäische Kommission) Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 11 1.6 Zentrale Faktoren der Herausforderung Zukunft Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 12 2.8 Weltbevölkerung und Weltenergieverbrauch seit der industriellen Revolution Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 13 Tabelle 3.1: Demografische Indikatoren 2004 und 2050 (mittlere Prognose), Quelle: UNFPA 2004 Bev. 2004 in Mio. Bev. 2050 in Mio. r in % 2000-2005 b in % 2000-2005 6378 8919 1,2 2,69 MDR 1206 (18,9%) 1220 (13,7%) 0,2 1,56 LDR 5172 (81,1%) 7699 (86,3%) 1,5 2,92 LLDR 736 (11,5%) 1675 (18,7%) 2,4 5,13 Europa 726 (11,4%) 632 (7,1%) -0,1 1,38 Amerika 551 (8,6%) 768 (8,6%) 1,3 2,55 Afrika 869 (13,6%) 1803 (20%) 2,2 4,91 Asien 3871 (60,7%) 5222 (58,5%) 1,4 2,53 Welt total Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 14 1.4 Energiegeschichte der Menschheit, in Anlehnung an Hubbert, siehe Winter C-J (1993): Die Energie der Zukunft heißt Sonnenenergie. Droemer Knaur, München Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 15 4.4 Globale Nutzung von Energieträgern 1850 – 2000, aus (WBGU 2003) Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 16 4.7 Die Veränderung des globalen Energiemix im exemplarischen Pfad bis 2050/2100 (WBGU 2003) 400 EJ (Exa = 1018) ≈ 13,5 Mrd. t SKE ≈ 9,5 Mrd. t RÖE Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 17 4.5 Heutige Energieversorgung Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 18 5.4 Unsere Zivilisationsmaschine Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 19 6.2 Wasserkreislauf, in Anlehnung an (Maurits la Riviere 1989), dabei Zahlenangaben in 1000 km³ Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 20 Wasservorrat der Erde Insgesamt etwa 1,4 Mrd. km³, davon laut WBGU (1998) 96,5 % als Salzwasser in den Weltmeeren, die 71 % der Erdoberfläche bedecken 1,77 % im Eis der Pole und Gletscher 1,7 % im Grundwasser 0,03 % “Rest”: Wasser in Flüssen und Seen, in Sümpfen und Permafrostböden sowie in der Atmosphäre; entspricht 420.000 km³ 8000 km³ Süßwasser (knapp 0,01 ‰ der gesamten Wasservorräte) stehen für eine direkte menschliche Nutzung zur Verfügung → “mittlere” (und ausreichende) Menge von 1250 m³ pro Person und Jahr; ein Problem ist die extrem ungleiche Verteilung Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 21 Weltweiter Verbrauch an Wasser 69 % in der Landwirtschaft 23 % in der Industrie 8 % in den Haushalten Es bestehen starke regionale Unterschiede: 96 % des industriell genutzten Wassers entfallen auf Nordamerika und Europa Der Wasserverbrauch in der Landwirtschaft wird weiter ansteigen Die Süßwasserreserven sind nationale und regionale Güter; zu ihrem Schutz bedarf es länderübergreifender Regelungen → Kampf um Wasser droht Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 22 Entwaldung, Bodenerosion, Wüstenbildung Bäume und Büsche haben wichtige ökologische Funktionen: Sie halten die Sonnenstrahlung vom Boden ab reduzieren die Reflexion vermindern die Verdunstung der Pflanzen speichern den Regen in den Baumwurzeln stabilisieren den Grundwasserspiegel festigen das Erdreich führen durch Laub, Früchte und Äste dem Boden wieder organische Substanzen zu behindern Wind- und Wassererosion stoppen Flugsand und Wanderdünen bieten ökologische Nischen für vielfältiges Leben Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 23 Zu den Waldverlusten Waldfläche beträgt heute 38 Mio. km² = 3800 Mio. ha = 3,8 Mrd. ha; dabei ist 1 ha = 100 a = 10.000 m² Natürliche Wälder überwiegen, Anteil der Forstplantagen liegt bei 5 % Vor 8000 Jahren lag die Waldfläche bei 6 Mrd. ha; heute bei 3.8 Mrd. ha Zwischen 1900 und 2000 ging die Waldfläche um 100 Mio. ha zurück, das sind 2,5 % des Bestandes Einem jährlichen Rückgang von 12,3 Mio. ha in den tropischen Zonen stand ein Anstieg von 2,9 Mio. ha in den übrigen Gebieten gegenüber Insgesamt hat die Schrumpfung der globalen Waldflächen in den 1990er Jahren abgenommen Die jährlichen Netto-Verluste gingen von 13 Mio. ha in den 1980er Jahren auf 9,4 Mio. ha zwischen 1990 und 2000 zurück Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 24 Brandrodung und radikales Abholzen zerstören dieses Zusammenspiel und fördern Bodenerosion und Wüstenbildung Die Wälder in den Äquatorgebieten bedeckten vor wenigen Jahrzehnten 12 % der Erdoberfläche; der Bestand hat sich bis heute halbiert Zahlen für die weitere Diskussion: Erdoberfläche = 510 Mio. km²; davon entfallen 71 % auf die Weltmeere und 29 % = 175 Mio. km² auf die Landoberfläche; davon 130 Mio. km² eisfreie Landoberfläche; davon 38,1 % landwirtschaftlich genutzte Flächen, aufgeteilt in 26,6 % Weideland und 11,5 % = 15 Mio. km² Ackerland Waldflächen 29,6 % = 38 Mio. km²; der „Rest“ von 32,3 % ist nicht genutztes Grasland, Feuchtgebiete, bebautes Land für Siedlungen, Industrie, Verkehrsinfrastrukturen Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 25 Die Hauptprobleme sind in den tropischen Zonen die Waldverluste durch Abholzungen, um Ackerland und Weideflächen zu schaffen → die Rinderzucht bedroht den Regenwald des Amazonas in den gemäßigten Breiten die abnehmende Vitalität der Wälder → Waldschäden, Waldsterben, mit den Folgen Destabilisierung der Waldbäume Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit der Baumwurzeln durch Säureeintrag Bodenerosion und Wüstenbildung: jährliche Verluste 10 Mio. ha, damit gleiche Größenordnung wie die Waldverluste Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 26 Saurer Regen Beim Verbrennen fossiler Brennstoffe entstehen neben dem Treibhausgas Kohlendioxid und Wasserdampf weiterhin Schwefeldioxid, weil Kohle und Erdöl stets schwefelhaltig sind, Stickoxide, die sich stets bei Verbrennungsprozessen bilden. Diese vereinigen sich mit dem Wasserdampf der Atmosphäre zu schwefliger und salpetriger Säure; Folge der sauren Niederschläge sind Waldschäden, Versauerung von Böden, Seen und Flüssen, Absterben von Fischen, Verlust historisch wertvoller Baudenkmäler durch Korrosion und Zersetzung Abhilfe durch „end-of-the-pipe“-Technologien wie Rauchgasentschwefelungs- und Rauchgasentstickungsanlagen (bei fossilen Kraftwerken) sowie Katalysatoren (bei Fahrzeugen) Kalkung der Böden Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 27 6.3 Wirkgefüge zum Entstehen der Wüstenbildung Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 28 Nahrungsversorgung der Weltbevölkerung Bewirtschaftetes Ackerland 15 Mio. km² = 1,5 Mrd. ha; laut FAO sind potenziell 32 Mio. km² möglich Damit stehen derzeit in Mittel 1,5 Mrd. ha / 6,5 Mrd. Menschen = 0,23 ha/Kopf zur Verfügung; das entspricht statistisch einem Fußballfeld für drei Menschen Entsprechende Werte lagen bei 0,60 (1900), bei 0,39 (1971 bis 1975) und bei 0,28 ha/Kopf (1990) Starke regionale Unterschiede: die Durchschnittswerte für Europa und Afrika liegen im weltweiten Mittel, sie sind für Asien nur halb so groß und betragen für Nord- und Südamerika sowie die GUSStaaten das Zwei- bis Dreifache Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 29 Frage: Reicht die Ackerfläche pro Kopf aus, um im statistischen Mittel die Weltbevölkerung ernähren zu können? Überschlägige Rechnung auf Basis der Aussage „Alles Fleisch ist Gras“ (Ehrlich 1975): Nahrungsquelle für Tiere und Menschen ist allein die grüne Pflanze Pflanzen und Tiere bilden ein gemeinsames System, ein Ökosystem Das Ökosystem wird von organisch gebundener Energie durchflossen, überlagert von zahlreichen Stoffkreisläufen Energie kommt in das Ökosystem nur über die Sonnenstrahlung hinein Der Energiefluss durch das Ökosystem ist durch eine stufenweise Reduzierung der organisch gebundenen Energie in der Nahrungskette gekennzeichnet (Primär-, Sekundär-, Tertiär-…Konsumenten) Am Beginn der Nahrungskette steht der Prozess der Fotosynthese mit einem Wirkungsgrad von etwa 1 % Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 30 Energiebilanz Transformation: Bei jeder biologischen Energieumwandlung tritt ein „Veredelungsverlust“ auf; Wirkungsgrad jeweils ca. 10 %; das heißt 10.000 kg Getreide →1000 kg Rind →100 kg Mensch Pflanzliche Energieproduktion: Energiedichte der Solarstrahlung am Boden im Mittel 160 W/m²; 100 W/m² in unseren Breiten und 200 W/m² in der Sahara → Energiedichte in den Pflanzen 1 W/m² Pro-Kopf-Fläche von 0,23 ha = 2300 m² erzeugt 2300 W = 2,3 kJ/s (1 W = 1 J/s) oder 200.000 kJ pro Tag Menschlicher Energieverbrauch pro Tag 10.000 kJ = 2400 kcal Fazit: Produktion wäre 20mal so hoch wie der Verbrauch, wenn alle Menschen Vegetarier wären Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 31 Bedrohung der Biodiversität, der Artenvielfalt Die Artenvielfalt der Biosphäre ist eine wichtige Ressource, ebenso wie die mineralischen Rohstoffe, Energierohstoffe, Wasser und landwirtschaftliche Rohstoffe Erhalt der biologischen Vielfalt ist bedeutsam, da die Vielfalt der Erscheinungsformen Voraussetzung für die Stabilität der Ökosysteme ist und die Biodiversität eine ökonomische Ressource darstellt; Marktwert aller biogenen Medikamente etwa 75 bis 150 Mrd. US-$ Erforschung der biologischen Vielfalt steckt erst in den Anfängen Gesamtzahl aller Arten wird auf 10 bis 100 Mio. geschätzt (1990 lagen die Schätzungen noch bei 4 bis 30 Mio.) Erst seit 1995 liegt eine Abschätzung der biologischen Vielfalt vor (UNEP): 1,75 Mio. Arten sind beschrieben und benannt; pro Jahr kommen 12.000 neue Arten hinzu Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 32 Abnahme der Artenvielfalt Vielfalt der Lebensformen ungleich verteilt; Tropenwälder bedecken 7 % der Landfläche und beherbergen bis zu 90 % der Arten an Land Jährlicher Verlust an tropischem Regenwald etwa 10 Mio. ha Pro Jahr verschwinden bis zu 35.000 Arten Geschwindigkeit des globalen Artenverlustes beträgt das 1000- bis 10.000-Fache der natürlichen Aussterberate von 10 Arten pro Jahr Natürliche Aussterberate liegt bei Säugetieren bei 1 Art in 400 Jahren Überfischung; Absterben der Korallenriffe durch Erwärmung Vom Aussterben bedrohte Arten werden seit Anfang der 1960er Jahre in einer „Roten Liste“ der UN erfasst, um Schutzprogramme zu erleichtern Fazit: Die anhaltende Zerstörung der Artenvielfalt ist ein wirtschaftliches Fiasko, eine wissenschaftliche Tragödie und ein moralischer Skandal. Die meisten der vernichteten Arten sind noch unbekannt. Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 33 Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 34 Zum Nach- und Weiterlesen sowie Hinweise auf ergänzende Literatur M. F. Jischa: Ingenieurwissenschaften Reihe „Studium der Umweltwissenschaften“ Springer, 2004 Offizielles Buch zum „Jahr der Technik 2004“ M. F. Jischa: Herausforderung Zukunft; Technischer Fortschritt und Globalisierung Elsevier, Spektrum Akad. Verlag, 2005 M. F. Jischa: Dynamik in Natur und Technik; erscheint 2007 Weitere Informationen unter www.itm.tu-clausthal.de Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Jischa Institut für Technische Mechanik Naturwissenschaft und Umwelt; MNU 4.11.2006; Halle (Saale) 35
