Skript Humanökologie (Kapitel 1)

UMWELTWISSEN/ÖKOLOGIE:
1. Klimasphäre
UW - 1/1
1. Klimasphäre
1.1. Energiequelle Sonne. Strahlungsbilanz
1.1.1. Energie, Energieumwandlungen, Wertigkeit
von Energie
(1) Alle Prozesse, im biotischen wie im abiotischen
Bereich, benötigen für ihren Ablauf Energie(umwandlungen).
(2) Energie ist das Maß für “Arbeitsfähigkeit” (d.h.
einen Vorrat). Die Leistung eines Prozesses wird
durch den Energiedurchsatz (Energie pro Zeit) bestimmt.
Energieeinheiten:
1 J(oule) = 1 Nm = 1 Ws (= 0.24 cal)
3600 kJ = 1 kWh
Leistungseinheiten: 1 W = 1 J/s
(2) Die Erde erhält von der Sonne hauptsächlich
kurzwellige elektromagnetische Strahlungsenergie
(Licht) und strahlt die gleiche Menge vorwiegend im
langwelligen Bereich (Wärme) wieder an den
Weltraum ab.
(3) Außerhalb der Atmosphäre fällt auf eine senkrecht zur Sonne orientierte Fläche eine Strahlungsleistung von 1360 W/m2 (= Solarkonstante). Deshalb
beträgt die gesamte mittlere Einstrahlung auf die
Erdkugel rund 340 W/m2.
(3) Bei Energieumwandlungen geht Energie nicht verloren (1. Hauptsatz der Thermodynamik), aber sie
verliert ihre Wertigkeit (= 2. Hauptsatz der Thermodynamik; Strom ≻ Strahlung ≻ Bewegung ≻ Wärme).
“Wertigkeit” = “Konzentration” an Energie = “Arbeitsfähigkeit”
(4) Bei einem System im Fließgleichgewicht ist die
Energiebilanz stets ausgeglichen (Aufnahme = Abgabe), aber wegen unvermeidbarer (Wärme-)Verluste
ist der Wirkungsgrad von Umwandlungen prinzipiell
kleiner als Eins.
Beispiel: Der Carnotsche Kreisprozeß zwischen zwei Wärmereservoiren mit den Temperaturen T1 > T2 hat den maximalen
Wirkungsgrad η = (T1 - T2) / T1 .
Die tatsächliche Einstrahlung hängt von der geografischen Breite,
der Jahres- bzw. Tageszeit und der Bewölkung ab.
(4) Ein Drittel der einfallenden Strahlungsenergie wird
direkt reflektiert, zwei Drittel verlassen die Erde als
Wärmestrahlung.
→ langwellige Rückstrahlung: im Mittel 227 W/m2
1.1.2. Energiequelle Sonne und Strahlungsbilanz
(1)
Stofflich
ist
die
Erde
praktisch
ein
abgeschlossenes System, deshalb müssen Stoffe
ständig rezyklieren. Dauerhaftes Funktionieren der
Prozesse auf der Erde setzt aber (nach dem 2.
Hauptsatz) einen Energiefluß und deshalb eine
externe Energiequelle voraus, das ist die Sonne.
(5) Etwa 30% (= 100 W/m2) der auf die Atmosphäre
einfallenden Energie stehen letztlich zur Verfügung,
um die Grundprozesse auf der Erde (Luftströmungen
und Wasserkreislauf, Photosynthese) anzutreiben.
→ am Boden vorhanden: 45% = 150 W/m2
→ für Konvektion, Verdampfung sowie Photosynthese:
30% = 100 W/m2
Davon wird für die eigentliche Photosynthese aber nur ein sehr
geringer Teil verwendet (brutto etwa 2%, netto 1%)!!
UMWELTWISSEN/ÖKOLOGIE:
1. Klimasphäre
UW - 1/2
Umrechnung: 1 kWh/m2 d = 41.7 W/m2
1.2. Atmosphäre, Luftzirkulation, Lokalklima
1.2.1. Aufbau und Funktion der Atmosphäre
(1) Die Atmosphäre hat folgende Funktionen:
- Speicherung von Stoffen und Energie
- Verteilung von Stoffen und Energie
- Filterung von Strahlung
- Wärmedämmung
(2) Die Luft besteht aus Stickstoff (78%) und
Sauerstoff (21%) sowie lebenswichtigen Spuren
anderer Gase, wie Kohlendioxid (400 ppm = 0.04%)
und Ozon (0.01 ppm).
(6) In der Troposphäre kann der aktuelle Temperaturverlauf zu stabilen oder instabilen Wetterlagen führen.
Eine instabile Schichtung von Luft liegt vor, wenn die
Luftemperatur mit der Höhe schneller abnimmt als
etwa 1 Grad auf 100 m (bei trockener Luft) bzw. 0.6
Grad auf 100 m (bei feuchter Luft).
(3) Der sehr kleine CO2-Anteil bestimmt (neben
Wasserdampf (67%), Methan (7%) und Ozon (5%))
wesentlich die Wärmedämmung der Atmosphäre .
Dadurch ist die Erde wärmer (15 Grad C), als es die Abstrahlung
erwarten läßt (-18 Grad C) = Treibhauswirkung.
(4) Der winzige Ozon-Anteil absorbiert in der Stratosphäre lebensfeindliches ultraviolettes Licht.
(5) In der wetterbestimmenden Troposphäre nehmen
Druck und Temperatur mit der Höhe ab; in der
Stratosphäre nimmt die Temperatur wieder zu.
Grund für Instabilität: Luft ist schlechter Wärmeleiter -->
adiabatische Zustandsänderung → aufgestiegene Luft ist wärmer
als Umgebung → Luft ist spezifisch leichter → Luft steigt weiter
auf (typisches Beispiel: Wolkentürme bei Gewitter !)
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1. Klimasphäre
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(7) Eine Temperaturumkehr (= Inversion) verhindert
Aufstieg und Durchmischung von Luftmassen.
(8) In der Stratosphäre ist wegen des Temperaturverlaufs die Schichtung immer stabil. Der Gasaustausch erfolgt nur extrem langsam durch Diffusion.
Das turbulente Wettergeschene findet nur in der
Troposphäre statt.
1.2.2. Globale Luftzirkulation und Lokalklima
(1) Durch Luftströmungen werden große Energiemengen (als fühlbare Wärme und als latente Verdampfungswärme) und große Wassermengen über
weite Entfernungen transportiert.
(5) Das regionale Wettergeschehen wird von der
großräumigen Zirkulation geprägt, aber auch sehr
stark durch lokale Besonderheiten (Geländestruktur,
Täler, Seen, Meeresküste, Bebauung) beeinflußt.
(6) Durch Änderung der Strahlungsbilanz, der
Strömungsverhältnisse und der Niederschlagsversickerung kommt es in Städten zur Klimaveränderung.
→ In Städten ist es wärmer, im Mittel trockener, staubiger,
bewölkter, nebliger, trüber, es gibt weniger Wind und mehr
Regen.
1.3. Wasserkreislauf, Zirkulation in Gewässern
1.3.1. Globaler Kreislauf und regionale Speicher
(1) Bei der Verdunstung von Wasser in den warmen
Breiten werden hohe Energiemengen (2440 J/g) als
latente Wärme gespeichert, die beim Niederschlag in
kühlen Breiten wieder frei werden: dies bewirkt
globalen und lokalen Energietransport.
Vergleich:
Verdunstung/Kondensation von Wasser
Erwärmung/Abkühlung um 1 Grad:
Anheben auf 5000 m (Gewitter):
Folge: horizontaler Energietransport von den äquatorialen zu den
polaren Breiten (2440 kJ = 542 kcal pro Liter Wasser !)
(2) a) Warme, feuchte Luftmassen führen zu einem
Tiefdruckgebiet am Boden, in das (in Bodennähe) Luft
von außerhalb einströmt und aufsteigt.
b) Trockene, kühle Luftmassen führen zu einem
Hochdruckgebiet, in dem Luft absinkt und nach außerhalb ausströmt.
(3) Luftströmungen werden auf der Nordhalbkugel
nach rechts abgelenkt, auf der Südhalbkugel nach
links (Coriolis-"Schein"kraft).
(4) Das globale Wettermuster wird angetrieben durch
Sonnenenergiezufuhr und dadurch aufsteigende Luft
in den tropischen Breiten sowie Wärmeabstrahlung
und absinkende Luft in den polaren Breiten.
Dieses globale Muster wird modifiziert: äquatoriale Tiefs, subtropische Hochs, Tiefs in gemäßigten Breiten, polare Hochs sowie
Ablenkung der Winde durch Erddrehung (Coriolis-Kraft).
-/+ 2440 J/g
-/+ 4.17 J/g
- 50 J/g
(2) Bei Abkühlung vergrößert sich die relative Luftfeuchte. Bei relativer Feuchtesättigung (100%) kommt
es zur Kondensation und zum Niederschlag.
(3) Der Wasserkreislauf wird (über die Sonne) durch
Verdunstung und Kondensation angetrieben und im
Fließgleichgewicht gehalten. Die Grundprozesse sind:
- Wasserverdunstung
- Evapotranspiration
- Transport in Atmosphäre
- Niederschäge
- Ablauf
Wassermengen:
Wasserdurchflüsse:
(Meere, Seen, Erdboden)
(Verdunstung + Atmung)
(Dampf, Tröpfchen, Eis)
(Regen, Hagel, Schnee)
(ober- / unterirdisch)
1 mm Wasserhöhe = 1 l / m2
1 mm/a = 1 l / m2 a
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1. Klimasphäre
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"Normale” Pflanzenproduktion mittels Landwirtschaft erfordert
mehr als 400 mm/a !! Bis 200 mm/a gibt es Landnutzung durch
extensive Weidewirtschaft, darunter wird dauerhafte Nutzung
extrem schwierig (u.U. nomadische Wanderungen).
(5) Eine dichte Pflanzendecke (z.B. Urwald) kann
weitgehend selbst für ihren Niederschlagsbedarf
sorgen.
Beispiel: 1000 mm/a Verdunstung + 400 mm/a Feuchteimport
→ 1200 mm/a Niederschlag + 200 mm/a Feuchteexport
(4) Global stammen etwa 40% der Niederschläge
über dem Land aus der Meeresverdunstung.
(7) Der regionale Wasserhaushalt besteht aus vielen
Speichern (die Schwankungen bei Niederschlägen
und Verdunstung teilweise ausgleichen) und verbindenden Flüssen.
Speicher: Bodenwasser, Grundwasser, Seen; Flüsse
Flüsse: Niederschläge, Versickerung, Quellen, Ablauf, Flüsse
(8) Der größte Wasserspeicher sind die Weltmeere.
Große Mengen Süßwasser sind im polaren Eis festgelegt.
Hydrosphäre (insgesamt)
- Meere
- Gletscher, Pole
- Boden- ,Grundwasser
- Seen und Flüsse
- Atmosphäre
1 400 Mill. km3
1 300
“
29
“
8.4
“
0.2
“
0.013 “
weltweiter Durchschnitt: 730 mm Niederschlag pro Jahr
Mitteleuropa: etwa 800 mm Niederschlag pro Jahr
(Kamm Thür. Wald: 1200 mm, Jena: 600 mm, Halle: 450 mm)
(6) Die regionalen Niederschlagsmengen sind weltweit sehr ungleich verteilt: von weniger als 100 mm/a
in Wüstenregionen bis zu weit mehr als 4000 mm/a in
den feuchten Tropen.
(9) Die Verweilzeit von Wasser in der Atmosphäre
und im Boden ist sehr kurz (wenige Tage). Die
Verweilzeiten im Grundwasser, in großen Seen und in
den Ozeanen sind sehr lang.
a) “Durchschiebe”-Prozesse: m(t ) = m(0) ⋅(1− t / T )
Verweilzeit = Speichergröße / Durchflußrate
b) “Abkling”prozesse:
m(t ) = m(0) ⋅ exp(−t / T )
Verweilzeit = Zeit, in der auf etwa 40% abgebaut wird
Lange Verweilzeit: Durchflußrate klein gegenüb. Speicherinhalt
→ Gefährdung langsam, wird spät registriert, schwer behebbar
Kurze Verweilzeit: Durchflußrate groß gegenüber Speicherinhalt
→ Eingriffe können Speicher schneller ändern, Gefährdung wird
schnell bemerkt, ist durch Austausch rasch behebbar
(10) Eine intakte Boden- und Vegetationsdecke kann
Unregelmäßigkeiten von Niederschlägen durch verschiedene Wasserspeicher stark ausgleichen.
UMWELTWISSEN/ÖKOLOGIE:
1.3.2. Schichtung und Zirkulation in Seen und
Teichen sowie in Meeren
1. Klimasphäre
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Folge: Fischreichtum in den polaren und gemäßigten Breiten;
Nährstoffarmut, klares Wasser, geringe Produktivität in den tropischen Breiten (Ausnahme: “Upwelling” = Aufsteigen nährstoffreichen Wassers durch Seewinde vor Küsten)
(1) Spezifisch schwereres Wasser sinkt ab.
Salzwasser wird mit sinkender Temperatur spezifisch
schwerer, Süßwasser ist dagegen bei 4 Grad C am
schwersten (Dichteanomalie des Wassers).
(2) Als Folge der Dichteanomalie werden Seen in
gemäßigten Breiten zweimal jährlich durchmischt.
(Der Motor für diese Bewegungen ist der Wind.)
(4) Das Absinken abgekühlten Meerwassers in den
kalten Breiten hat Meeresströmungen von den
warmen zu den kalten Breiten und damit einen
Wärmetransport zur Folge.
Bedeutung: - Nährstoff-Bereitstellung nur durch die Herbst- bzw.
Frühjahrs-Vollzirkulation
- Eutrophierungsgefahr im Sommer am größten!
(hohe Produktion an Oberfläche, Sauerstoffarmut
mit anaerober Zersetzung in der Tiefe)
- im Winter frieren tiefere Seenschichten nicht zu
(3) Kälteres Meerwasser sinkt immer ab. Das bewirkt
deshalb eine stabile Schichtung (mit langen
Verweilzeiten in der Tiefe) in den warmen Breiten,
aber eine Durchmischung (und dadurch einen
höheren Nährstoffgehalt) in den kalten Breiten.
Verweilzeiten:
- Mischzone
- Sprungschicht
- Tiefenschicht
etwa 10 Jahre
etwa 500 Jahre
etwa 2000 Jahre
UMWELTWISSEN/ÖKOLOGIE:
Die im Meerwasser gespeicherte Wärme wird in hohen Breiten
bei Abkühlung des Wassers an die Atmosphäre abgegeben (im
Gegensatz zum Süßwasser, wo das Wasser unter der dünnen
Deckschicht bei 4 Grad Celsius bleibt). Auf dieser Eigenschaft
beruht die Bedeutung des Meeres für die Milderung der Klimate.
1. Klimasphäre
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(4) Ursache des (z.T. natürlichen) Treibhaus-Effekts
sind neben Wasserdampf vor allem Kohlendioxid,
troposphärisches Ozon, Distickstoffoxid, Methan und
chlorierte Kohlenwasserstoffe.
Nachweis für diese Ursachen ist zum einen der Fakt, daß die
CO2-Zunahme genaue der O2-Abnahme entspricht, die bei
1.4. Klimaänderungen
(1) Das Klima wird bestimmt durch komplexe
Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Meer und
Land. Änderungen der Strahlungsbilanz können lokale
und globale Folgen bewirken.
Beispiele aus jüngster Zeit sind der nachweisliche Rückgnag der
Jahrestemperatur nach großen Vulkanausbrüchen (z.B. 1883 auf
der Insel Krakatau). Modellrechnungen zufolge würde die
Emission von Staub, Ruß und Aerosolen in einem nuklearen
Krieg innerhalb weniger Wochen die mittlere Temperatur der
Erde für mehr als ein Jahr auf -20oC sinken lassen (“nuklearer
Winter”).
(2) Änderungen in der Strahlungsbilanz ergeben sich
durch Änderungen der Gas-, Staub- und Wasseranteile in der Atmoshäre und durch Veränderung von
Oberflächen.
(3)
Die Durchschnittstemperatur an der Erdoberfläche steigt gegenwärtig als Folge der
Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung
der Atmosphäre. Eine rasche Klimaänderung als
Folge menschlicher Aktivitäten erscheint möglich.
Durch geringfügige Zirkulationsveränderungen sind drastische
Klimaveränderungen vor allem in Gebieten möglich, bei denen
sich der Übergang von feuchtem zum trockenen Klima über kurze
Entfernung vollzieht (z.B. in der Sahel-Zone, im mediterranen
Bereich).
Verbrennungsprozessen auftritt. Zum anderen ist der δ13C-Wert
(der relative Anteil des Isotops C13, bezogen auf einen Standard)
in den letzten Jahren von -0.65 % auf -0.75 % gesunken ist, weil
CO2 aus fossilen Quellen bereits C13-abgereichert ist.
(5) Je nach verwendetem Szenario (= angenommener Anstieg des CO2-Gehalts) schwanken die
Prognosen für die Erwärmung der nächsten 100 Jahre
zwischen 1 und 5 Grad.
UMWELTWISSEN/ÖKOLOGIE:
(6) Der in der Atmosphäre nachweisbare Anstieg des
CO2-Gehalts ist geringer, als es der Verbrennung
fossiler Brennstoffe entspricht. Etwa 30% des
zusätzlich emittierten Kohlendioxids wird in den Weltmeeren gelöst, weitere 20% werden durch erhöhtes
Wachstum der Landpflanzen verbraucht. Die restlichen 50% sind die Hauptursache des (anthropogenen) Treibhauseffekts.
1. Klimasphäre
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besondere im Nordatlantik, und das zunehmend
unregelmäßige Auftreten von El-Niño-Ereignissen
(Abweichungen der Zirkulation über dem Pazifik),
(8) Die Folgen einer globalen Erwärmung sind
weltweite Verschiebungen der Vegetationszonen und
(dadurch erzwungene) Änderungen der Landnutzung.
Mögliche Folgen globaler Erwärmung: Abschmelzen des Nordpolareises, langsamer Meeresspiegelanstieg, Überflutung dicht
besiedelter Küstengebiete, Steigerung der Regenfälle im Norden,
Verlagerung wichtiger Anbauzonen nach Norden, Verlagerung
der Trockenzonen der Erde in dicht besiedelte Gebiete, Verlust
der
Tundrenzone,
Verminderung
der
Dauerfrostzone,
Verringerung der borealen Wälder und Verschiebung bis zu
arktischen Küsten.
(9) Die Prognosen für Europa (ausgehend von
Szenarien mit 490 bis 570 ppm CO2 bis 2100) sagen,
daß Südeuropa wärmer wird, vor allem im Winter.
Die Niederschläge werden in Südeuropa abnehmen, dort kommt
es zu Problemen bei der Wasserversorgung (obwohl die
Wahrscheinlichkeit für Flutereignisse steigt). In Nordeuropa
werden die Niederschläge um 1-2% in jeweils 10 Jahren
ansteigen, es kommt zu verstärktem Humusabbau in den Böden,
die Baumgrenzen werden nach Norden wandern.
(10) Die Prognosen für Thüringen für die nächsten 50
Jahre sagen eine generelle Erwärmung und eine
extremere räumliche Niederschlagsverteilung voraus.
(7) Indizien für die Möglichkeit eines raschen Klimawandels sind sowohl Ereignisse aus der Vergangenheit (Rekonstruktion historischer Klimadaten) als auch
nachweisliche
Schwankungen
im
globalen
Zirkulationssystem der Ozeane (“Conveyor Belt”), ins-
Die Jahresmitteltemperatur wird um ca. 1.5 Grad ansteigen, die
Wintertemperaturen sogar um mehr als 3 Grad. Es wird deutlich
weniger Frosttage, dafür mehr heiße Sommertage geben.
Insgesamt werden die Winter milder und feuchter, dafür fällt
weniger Regen in der Vegetationsperiode. Allerdings werden
extreme Niederschlagsereignisse im Sommer zunehmen.