Factsheet Naturwissenschaftliche Grundlagen zum Klimawandel

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Wissenschaftliche Grundlagen
Naturwissenschaftliche Grundlagen zum Klimwandel
Factsheet
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Das Klima
Das Klima beschreibt die Gesamtheit der meteorologischen Erscheinungen, die den durchschnittlichen
Zustand der Atmosphäre an einem Ort charakterisieren. Üblicherweise werden hierzu die Messwerte
des zurückliegenden 30-jährigen Zeitraums herangezogen. Davon unterscheidet sich das Wetter, das
nur kurzfristige und lokale Erscheinungen wie ein Gewitter oder einen kalten Wintertag kennzeichnet.
Man kann das Klima auch als Statistik des Wetters bezeichnen. Das bedeutet zugleich, dass einzelne
Extreme keinerlei Beleg für einen Klimawandel sein können. Das globale Klima ist nicht konstant, sondern unterliegt ständigen Änderungen. Die Ursache hierfür liegt in mehreren Antriebsmechanismen
(vgl. Kapitel 4). Die Atmosphäre hat dabei den grössten Einfluss, steht jedoch in Wechselwirkung mit
anderen Komponenten wie den Ozeanen und Eisflächen, der Landoberfläche und der Biosphäre.
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Das Klimasystem und seine Komponenten
Das Klima der Erde ist ein komplexes System, in dem alle kleinsten Einzelteile miteinander durch
Wechselwirkungen, Schaltkreise, Rückkoppelungen und Übersetzungen miteinander verbunden sind.
Komplexe Systeme reagieren sehr empfindlich auf bereits kleinste, kaum spürbare Veränderungen
einzelner Teilsysteme.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Klimasystems (nach WMO 1975, Schönwiese 1979, Flohn 1980,
IPCC 1990; Grafik courtesy T. Stocker; aus Grosjean, 2008, S. 4).
Im Klimasystem gibt es drei grosse Komponenten: die Atmosphäre, die Ozeane und die Kontinente mit
den terrestrischen Ökosystemen. Alle Komponenten sind über oftmals komplizierte Wirkungsketten miteinander verbunden. Eine kleine Änderung eines Teilsystems einer Komponente kann auf die andern
Komponenten Auswirkungen haben, die vielleicht in grösserer Entfernung und mit einer zeitlichen Verzögerung auftreten. Angetrieben wird das Klimasystem letztlich durch die Sonne.
Der Ozean ist das grösste Wasser- und Wärmereservoir. Die Ozeanströme sind ein wichtiges Transportsystem und verteilen die Wärme aus den Tropen in die kälteren Regionen der Erde.
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Die Kontinente beherbergen die terrestrische Pflanzen- und Tierwelt. Kontinente erwärmen sich im
Sommer sehr stark auf, im Winter kühlen sie sich stark ab. Gebirge und polare Gebiete zeigen grosse
Eis- und Schneeflächen, die den grössten Teil der Sonnenstrahlung reflektieren.
Die Atmosphäre ist das wichtigste Transportsystem. Es bringt Feuchte von den Ozeanen als Regen auf
die Kontinente. Die Winde gleichen die Druck- und Temperaturunterschiede auf der Erde aus und verteilen vulkanische Asche und Luftschadstoffe. Wichtige Bestandteile der Atmosphäre sind die Treibhausgase.
Ozeane, Kontinente und die Atmosphäre sowie ihre jeweiligen Teilsysteme stehen in kons tantem Austausch von Energie (fühlbare Wärme „Temperatur“, latente Wärme „Wasserdampf“), Impuls und Ma sse (Luftströmungen, Gase wie z.B. CO 2 und Methan, und feste Partikel, z.B. Aerosole wie Russ und
Vulkanstaub). Die Bandbreite des „klimatischen Wohlgefühls“, bei dem alle Teile (z.B. Vegetation, die
Landwirtschaft, Tourismus, Wasserversorgung, etc.) miteinander gut funktionieren (d.h. so, wie wir es
kennen) ist äusserst schmal. Wir haben uns an das heutige, für uns optimal eingestellte, System a ngepasst. Kleine, kaum spürbare Veränderungen wie ein Temperaturanstieg von wenigen Grad Celsius
können gewaltige Auswirkungen nach sich ziehen. In der Gebrauchsanweisung zum ‚System Erde’
steht am Anfang: „Das ‚Klimasystem Erde’ ist auf Ihren optimalen Komfort eingestellt. Bitte die Knöpfe
nicht berühren!“ Klimaänderungen erfordern Anpassungen an die neuen Bedingungen. Je rascher die
Änderungen stattfinden, desto radikaler muss die Anpassung erfolgen (Grosjean, 2004, S. 4 -5).
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Der natürliche Treibhauseffekt
Erst durch das Entstehen einer Atmosphäre und durch den natürlichen Treibhauseffekt ist Leben , wie
wir es kennen, auf der Erde möglich. Treibhausgase sind daher ein natürlicher Teil der Atmosphäre
und für uns überlebenswichtig. Wenn man sich mit dem Treibhauseffekt und dem Klimawandel beschäftigt, sollte man sich mit dem Ort befassen, an dem all dies stattfindet, mit der Atmosphäre. Als
Atmosphäre bezeichnet man die gasförmige Hülle, die unseren Planeten umgibt. Sie besteht zu
knapp vier Fünfteln aus Stickstoff und knapp einem Fünftel aus Sauerstoff. Dazu kommen noch eine
ganze Reihe von Spurengasen, wie z.B. Kohlendioxid (CO 2), die in sehr kleinen Mengen vorkommen
und weniger als 1% ausmachen. Damit die Einheit etwas handlicher ist, sprechen Wissenschaftler von
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Millionsteln, zu Englisch „parts per million“ oder „ppm“. Diese Spurengase haben trotz ihrer kleinen
Mengen eine grosse Wirkung, denn sie sind massgeblich für den Treibhauseffekt verantwortlich. Wie
funktioniert dieser?
Abbildung 2: Der Treibhauseffekt: Siehe Erläuterungen im Text (Quelle: Heft Aktuell. Klimawandel, 2009, S. 2).
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Der natürliche Anteil von CO 2 beträgt beispielsweise rund 0.03% der Atmosphäre, also 300 ppm.
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Die Atmosphäre der Erde wirkt ähnlich wie die Glasscheibe in einem Treibhaus: Das kurzwellige So nnenlicht kann weitgehend ungehindert durch die Atmosphäre gelangen (Punkt 1 in Abbildung 2). Bei
seinem Auftreffen auf helle Flächen wird ein Teil des Sonnenlichts reflektiert – z.B. an Wolken (2)
oder an einer Schnee- oder heller Gesteinsoberfläche (3) und ins All zurückgeschickt. Der von einer
Oberfläche reflektierte Anteil der auftreffenden Strahlung, ausgedrückt in Prozent, wird als Reflexi2
onsvermögen oder Albedo bezeichnet. Der verbleibende Teil des Lichts wird an der Erdoberfläche
in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt (4). Dabei gilt: Je dunkler der Untergrund (z.B. Ackerflächen oder Meere), desto mehr Licht wird in Wärme umgewandelt. Die langwellige Wärmestrahlung
unterscheidet sich vom kurzwelligen Sonnenlicht in einem wichtigen Punkt: Sie kann die Atmosphäre
nur teilweise durchdringen, denn zum grossen Teil wird sie von win zigen Staubteilchen und Gasen (=
Luftteilchen) aufgenommen (= absorbiert) (5). Diese Gase, die wir als Treibhausgase bezeichnen,
geben die aufgenommene Wärme in alle Richtungen wieder ab. Ein Teil der Wärme wird als sog enannte Gegenstrahlung zur Erdoberfläche zurückgestrahlt (6) und erwärmt diese zusätzlich. Der andere Teil der Wärme verlässt die Atmosphäre und wird ins Weltall abgestrahlt (7). So wird die globale
Mitteltemperatur in Bodennähe, die ohne das Vorhandensein einer derartigen Atmosphäre -18°C betragen würde, durch den natürlichen Treibhauseffekt um 33 °C auf ca. +15°C angehoben. Ohne diese
Erwärmung wäre es folglich so kalt auf der Erde, dass sich kein höheres Leben hätte entwickeln kö nnen (Heft Aktuell. Klimawandel, 2009, S. 2 -3).
Die Treibhausgase verursachen also den Treibhauseffekt. Zu den klimawirksamen Treibhausgasen
der Atmosphäre, welche die Wärmestrahlung absorbieren, gehören vor allem folgende:
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Wasserdampf (H2O) ist ein Bestandteil der Atmosphäre und macht etwa 70% des natürlichen
Treibhauseffekts aus.
Kohlendioxid (CO 2) ist das meistdiskutierte Treibhausgas und macht etwa 25% des natürlichen Treibhauseffekts aus.
Methan (CH4) hat mit etwa 2% einen vergleichsweise geringen Anteil am natürlichen Treibhauseffekt.
Distickstoffoxid oder Lachgas (N2O) trägt ebenfalls 2% zum natürlichen Treibhauseffekt bei.
Diese Gase sind in unterschiedlichen Konzentrationen auch ohne menschliches Zutun in der Atm osphäre enthalten und somit für den natürlichen Treibhauseffekt verantwortlich. Ändert sich die Zusammensetzung der atmosphärischen Gase, so ändert sich auch die Durchlässigkeit für die Wärm eabstrahlung der Erde.
Die einzelnen Gase unterscheiden sich allerdings deutlich in ihrer Erwärmungswirkung. So hat ein
Molekül Methan die gleiche Erwärmungswirkung wie 23 Moleküle Kohlendioxid. Um diese Effekte besser vergleichbar zu machen und in ihrer Gesamtheit zu berechnen, verwenden die Klimawissenschaf tler den Vergleichsmassstab der CO2-Äquivalente: Allen Treibhausgasen werden Werte zugerechnet,
welche die Erwärmungswirkung in Relation zum CO 2 ausdrücken. Treibhausgase sind langlebig (Methan 10-20 Jahre, CO 2 Jahrhunderte) und entfalten so ihre Treibhauswirkung über lange Zeit. Wir b estimmen also heute über das Klima der Zukunft, und Massnahmen zur Reduktion von Treibhausgasen
wirken sich erst in einigen Dekaden mit grosser zeitlicher Verzögerung aus (Grosjean, 2004, S. 6).
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Natürliche Schwankungen des Klimas
Das Klima beziehungsweise die Temperaturen und Niederschläge haben sich im Laufe der Zeit immer
wieder verändert. Man spricht hier auch von einer „Klimaschaukel“, weil die Temperatur- und Niederschlagskurven immer wieder rauf und runter gingen – und das auch schon, als der Mensch noch in
Höhlen lebte und seine Umwelt praktisch kaum veränderte. Als Beispiel kennen wir den Wechsel zwischen Eiszeiten und Warmphasen vor zehn- bis mehreren Hunderttausend Jahren (mehr dazu im Unterkapitel „Klimageschichte/Klimaforschung“). Was aber können die Ursachen für natürliche Klimaänderungen sein? Das Klimasystem der Erde ist in der Realität um einiges komplizierter als ein Treibhaus. Das CO2 ist mit dem Wasserkreislauf, den Böden und der belebten Welt (= der Biosphäre) stark
verknüpft. Es gibt natürliche Phänomene, die den Treibhauseffekt verstärken und solche, die eher
ausgleichend wirken. Folgend wird auf die wichtigsten Phänomene eingegangen (Heft Aktuell. Klimawandel, 2009, S. 2 -3).
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Lateinisch albedo = „Weissheit“; von lat. Albus = „weiss“. Die Albedo ist ein Mass für das Rückstrahlvermögen von diffus
reflektierenden, also nicht selbst leuchtenden Oberflächen.
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4.1
Schwankungen der Erdbahn um die Sonne
Die Erde hat bei ihrer Bewegung um die Sonne nicht immer die gleiche Position. So ändert sich zu m
Beispiel die Entfernung zwischen der Sonne und der Erde im Laufe vieler Tausend Jahre, wodurch
sich kältere und wärmere Phasen abwechseln. Auch die Neigung der Erdachse, die für die Entstehung der Jahreszeiten verantwortlich ist, ändert sich periodisch (mit einer Periode von 41'000 Jah3
ren). Somit sind einzelne Regionen der Erde, aber auch die Erde als Ganzes, unterschiedlich starker
Sonneneinstrahlung ausgesetzt. Das verändert die Temperaturen nicht nur im Lauf eines Jahres, so ndern global über viele Jahrtausende.
4.2
Sonnenflecken
Auf der Sonnenoberfläche kann man mit Teleskopen dunkle Stellen erkennen – die Sonnenflecken. Es
handelt sich dabei um elektromagnetische Krater, die verglichen mit der Sonne (5’800°C) „nur“
3’800°C heiss sind. Je mehr Sonnenflecken vorhanden sind, umso mehr Energie strahlt die Sonne aus
und umso mehr Energie erreicht damit auch die Erde. Die Sonnenaktivität ist dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus (Wolf- Zyklus) sowie längeren quasi-periodischen Schwankungen unterworfen, über
deren Ursache wenig bekannt ist. Die Sonne leuchtet also nicht mit konstanter Kraft. Zeiten ‚ruhiger
Sonne’ und schwacher Sonnenstrahlung, wie beispielsweise das späte Maunder Minimum (1675 –
1715), zeigen sich in Europa als Zeiten mit sehr kühlen Sommern, Missernten und Hungersnöten
(Grosjean, 2004, S. 5).
4.3
Vulkane
Vulkanausbrüche haben in der Regel eine abkühlende Wirkung, weil die Asche, die in die Atmosphäre
geschleudert wird, die Sonnenstrahlen zurück in den Weltraum reflektiert. Als der Krakatau auf Ind onesien 1883 ausbrach, war der darauffolgende Sommer auf der Nordhalbkugel um bis zu 1°C kühler,
was zu katastrophalen Missernten und Hungersnöten führte (Heft Aktuell. Klimawandel, 2009, S. 4).
4.4
Ozeane
Ist ein CO2-Molekül im Ozean gelöst, bleibt es dort im Durchschnitt 100 Jahre, bis es wieder an die
Atmosphäre abgegeben wird. Gelangt das CO 2 in einen Tiefenwasserstrom, kann es auch Zehntausende Jahre dauern, bis es an die Oberfläche gelangt. Die Ozeane sind nicht nur die grössten Spe icher von CO2, sie wirken auch als Puffer und verzögern Veränderungen im Klimasystem. Wird aber
der Ozean erwärmt, gibt er auch wieder viel CO 2 an die Atmosphäre ab (Heft Aktuell. Klimawandel,
2009, S. 4).
4.5
Wolken
Der Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre verändert sich täglich, wie das Wetter. Wolken sind Teil
des grossen Wasserkreislaufes. Sie können wie ein Schirm die Erde vor Sonnenlicht schützen und
dadurch kühlend wirken; sie können aber auch wie eine Decke den Treibhauseffekt verstärken, indem
sie die Wärme von der Erdoberfläche speichern und zurückstrahlen. Den „Deckeneffekt“ kann man in
der Nacht beobachten: Eine wolkenfreie Nacht ist in der Regel kühler, weil die Wärme ungehindert ins
All entweichen kann. Klimaforscher sind heute aber noch nicht sicher, welcher Effekt überw iegt. Es
kommt auf die Wolkenform, die Dicke der Wolkenschicht und die geografische Lage an (Heft Aktuell.
Klimawandel, 2009, S. 4).
4.6
Lebewesen: Der Kohlenstoffkreislauf
Das Kohlendioxid ist wie das Wasser dauernd unterwegs zwischen Wasser, Boden, Luft u nd Lebewesen. Es wird von Pflanzen aufgenommen und durch Photosynthese z.B. zu Holz, Weizen, Kartoffeln,
Zucker und anderen Stoffen umgewandelt, die Menschen, Tier und Bakterien als Nahrung und Ene rgiespeicher nutzen. Wird beispielsweise Holz verbrannt oder eine Kartoffel gegessen, gelangt das CO 2
wieder in die Atmosphäre. Wird ein CO 2-Molekül nicht wieder an die Atmosphäre abgegeben, kann es
jahrzehnte- oder jahrhundertelang eingelagert werden, z.B. in einem Baum, im Boden, im Ozean, in
Kohle- und Ölvorkommen. Durch Aufforstung und die Nutzung von Holz beim Bauen kann CO 2 langfristig der Atmosphäre entzogen werden.
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Die Neigung der Erdachse zur Senkrechten auf die Ekliptik schwankt zwischen 21°23` und 24°37`. Momentan beträgt sie
23°26` (Hasler, 2004, S. 28).
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Dieser Kohlenstoffkreislauf erstreckt sich über die natürlichen Teilsysteme Ozean, Atmosphäre und
Landökosysteme. Jedes Teilsystem des Kreislaufs gibt Kohlenstoff ab und nimmt ihn wieder auf. Diejenigen Systemkomponenten, aus denen der Atmosphäre treibhauswirksame Gase zugeführt werden,
bezeichnet man als „Quellen“. Fossile Energieträger wie Erdöl oder Kohle, aber auch tropische Regenwälder, die heute in grossem Massstab durch den Menschen verbrannt werden, sind hierfür Be ispiele. Den „Quellen“ stellt man die sogenannten „Senken“ wie z.B. Ozeane, Böden oder Pflanzen
gegenüber, welche bis zu einem bestimmten Grad in der Lage sind, aus der Atmosphäre zusätzliches
CO2 aufzunehmen und zu speichern. Am Beispiel der Ozeane zeigt sich aber auch die Begrenztheit
dieser Senken. Mit zunehmender CO 2-Anreicherung sinkt die Aufnahmekapazität: Die Senkfunktion für
die Aufnahme von zusätzlichem CO 2 aus der Atmosphäre nimmt ab. Ausserdem ist die Löslichkeit von
Kohlendioxid in Wasser temperaturabhängig. Je wärmer es ist, desto weniger Gas löst sich auf und
desto mehr Gas wird umgekehrt wieder freigesetzt. Steigende Temperaturen in Folge des anthrop ogenen Treibhauseffekts verstärken selbigen also zusätzlich durch die Freisetzung von Kohlendioxid,
das bisher in den Ozeanen gespeichert ist. Zusätzlich bewirkt eine erhöhte CO 2-Konzentration in den
Meeren auch eine Versauerung, welche wiederum Veränderungen der Meeresökos ysteme zur Folge
hat (Germanwatch, 2008, S. 4-5).
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Der anthropogene Treibhauseffekt
Klimaänderungen hat es in der Vergangenheit immer wieder gegeben. Sind jedoch die jüngsten Ve ränderungen des Klimas ohne den Einfluss des Menschen zu erklären? Prinzipiell sind auch Ursachen
denkbar, die nicht auf den Kohlenstoffkreislauf und die Konzentration von Treibhausgasen zurückz uführen sind (siehe Kapitel 3). Laut IPCC kann die Erwärmung in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhu nderts aber nicht allein durch natürliche Faktoren wie eine veränderte Sonnenaktivität erklärt werden.
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Vielmehr leitet sich aus den neuen Erkenntnissen des IPCC eine „sehr hohe Sicherheit“ ab, dass zum
einen menschliche Aktivität seit 1750 insgesamt zur Erderwärmung geführt hat und zum anderen ist
der grösste Teil des Temperaturanstiegs in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts „sehr wahrschei n5
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lich“ die Folge des menschgemachten Anstiegs der Treibhausgaskonzentration.
Das internationale Wissenschaftlergremium stützt sich in seiner Aussage über den Beitrag des Menschen an der globalen Klimaänderung im Wesentlichen auf drei Pfeiler: die menschgemachte Zuna hme von Treibhausgasen, die hohe Korrelation zwischen globaler Mitteltemperatur und der Kohlend ioxidkonzentration in der Vergangenheit sowie Hochrechnungen mit Klimamodellen (Germanwatch,
2008, S. 9).
Die Treibhausgase haben verschiedene natürliche und anthropogene Quellen. Die anthropogenen
Treibhausgasemissionen in der Schweiz stammen überwiegend aus der Verbrennung fossiler Brenn und Treibstoffe. Im Jahr 2000 stammten 30% der Emissionen aus dem Verkehr und je 20% aus
Wohngebäuden und der Industrie. Mit der Kombination der drei „Forcing Faktoren“ Sonne, Vulkane
und Treibhausgase lässt sich mit computergestützten Klimamodellen der Temperaturverla uf auf der
Nordhemisphäre während der letzten 400 Jahren gut simulieren. Dies ist ein starkes Zeichen dafür,
dass unser Verständnis genügend gut ist und die Modelle in der Lage sind, die grundlegenden M echanismen des Klimasystems und seiner Dynamik nachzubilden. Die Modelle zeigen aber auch, dass
der heute gemessene Temperaturanstieg nicht mehr nur durch natürliche Ursachen (Sonne und Vu lkane) erklärt werden kann. Die anthropogene Zunahme von Treibhausgasen in der Atmosphäre muss
als Antriebsfaktor miteinbezogen werden. Der Mensch verändert heute das Klima. Die statistische
Analyse der letzten 400 Jahre zeigt, dass vor 1850 der Einfluss der Sonne (Erwärmung) und der Vu lkane (Abkühlung) den Temperaturverlauf am besten beschreiben, während im 20. Jahrhundert d er
Einfluss der steigenden Treibhausgase dominant wird und die Sonne in den Hintergrund drängt. Ohne
Einbezug des anthropogenen CO 2 Anstiegs im 20. Jahrhundert können die Klimamodelle den beobachteten Temperaturanstieg nicht nachvollziehen und simulieren (vgl. Abbildung 3; Grosjean, 2004,
S. 6).
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d.h. nach IPCC- Definition in mindestens 9 von 10 Fällen korrekt
d.h. nach IPCC- Definition mit 90-bis 99%iger Wahrscheinlichkeit
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Im dritten Sachstandbericht des IPCC hatte es noch „wahrscheinlich“ geheissen.
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Abbildung 3: Rekonstruierte Temperaturen der Nordhemisphäre, Sonnenaktivität, CO 2 und Vulkanausbrüche der
letzten 400 Jahre (Mann et al. 1998. Nature 392; aus Grosjean, 2004, S. 7).
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Quellenangaben:
o Erziehungsrat des Kantons St. Gallen (2009): Aktuell. Klimawandel. Arbeitsheft für den Unterricht an der Oberstufe. Nr. 3 – September 2009. S. 2 – 7.
o Germanwatch (2008): Globaler Klimawandel. Ursachen, Folgen, Handlungsmöglichkeiten. S.
4 – 9.
o Grosjean (2004): Klimawandel im Alpenraum. CIPRA 7. Sommerakademie „Brennpunkt Alpen“, 25. August 2004. S. 4 – 7.
o Häckl, Hans (1999): Meteorologie. 4. Auflage. UTB Verlag. S. 173.
o Hasler, Martin/ Egli, Hans-Rudolf (2004): Geografie. Wissen und verstehen. 1. Auflage, hep
Verlag. S. 27 - 28.
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