Klimasystem

Äußere Antriebe und innere Umsetzungen

Klimaschwankungen, -änderungen, -trends werden durch Antriebe von außen verursacht bzw. angestoßen, die dann im vernetzten Klimasystem auf ganz unterschiedliche Art umgesetzt werden. Jeder Klimaantrieb bewirkt eine Klimaänderung, die jedoch nicht direkt, nicht sofort; räumlich sehr unterschiedlich und nicht linear zum Antrieb erfolgt.

Rückkopplungen

Typisch für die oft nichtlinearen Reaktionen des Klimasystems und von großer Bedeutung für Klimaschwankungen sind Rückkopplungen, die zu Verstärkungen (positive Rückkopplung) oder zu Abschwächungen (negative Rückkopplung) des Effekts führen. Es kann also ein an sich geringer Klimaantrieb große Wirkungen haben, wenn er eine positive Rückkopplung auslöst. Umgekehrt kann ein bedeutender Antrieb durch eine negative Rückkopplung gedämpft werden. Wie die äußeren Antriebe im Klimasystem umgesetzt werden, das zu erkennen und quantitativ zu beschreiben erfordert mathematisch physikalische Simulationsmodelle, und zwar sogenannte globale Zirkulationsmodelle, die in Großrechenanlagen die physikalischen Gleichungen, die den Zustand und die Bewegungen in Atmosphäre und Ozean an einem dreidimensionalen Gitter lösen.

Ein Beispiel für eine positive Rückkopplung ist z.B. die Eis-Albedo-Rückkopplung, die auf der sehr unterschiedlichen Reflexion der eingestrahlten Sonnenenergie durch verschiedene Oberflächen beruht. Eine geringe Abkühlung durch einen äußeren Antrieb, der beispielsweise in 65°N über den ausgedehnten Landmassen Sibiriens und Kanadas die winterliche Schneedecke dort etwas länger in die warme Jahreszeit hinein andauern lässt, bewirkt einen erhöhten Energieverlust durch Reflexion am weißen Schnee (bis 80 % und mehr) gegenüber der durch apere Oberflächen (20 % und weniger). Die Albedo Rückkopplung ist allerdings komplizierter, da auch die Oberfläche der Wolken stark zu ihr beiträgt, und diese sind in den Klimamodellen noch nicht befriedigend simuliert.

Eine andere Rückkopplung beruht auf der temperaturabhängigen Löslichkeit von Gasen (auch von Treibhausgasen) im Ozean: da wärmeres Wasser geringere Gaslöslichkeit besitzt und atmosphärische Treibhausgase Erwärmung verursachen, haben wir es wieder mit einer positiven Rückkopplung zu tun.

Umgekehrt sorgt die Pflanzendecke der Kontinente für eine dämpfende negative Rückkopplung, da sie üppiger in einer warmen und feuchten Atmosphäre gedeiht, damit der Atmosphäre mehr CO₂ entzieht und dadurch die Erwärmung stabilisiert. Diese negative Rückkopplung über die Biosphäre funktioniert auch in einer Kaltzeit, in der die Pflanzendecke schütterer ist und somit mehr CO₂ in der Atmosphäre bleibt.

Eine der wirksamsten internen Stabilisierungseffekte des Erdklimas beruht auf dem Stefan-Boltzmann-Gesetz, welches beschreibt, dass die Wärmeabstrahlung eines Körpers mit zunehmender Temperatur ansteigt. Der Anstieg ist progressiv und nimmt mit der vierten Potenz (T⁴) der absoluten Temperatur zu. Diese starke negative Rückkopplung hat das Erdklima in starkem Maß über die Jahrmillionen erstaunlich stabil gehalten, wenn man die Sache in absoluten Temperaturen betrachtet. Zumindest seit einer Milliarde von Jahren, seit wir halbwegs zuverlässig Bescheid wissen über die Variabilität der globalen Durchschnittstemperatur, hat diese sich in einer Bandbreite vor rund 10° bewegt (beschrieben z.B. in Schönwiese 2008, Abb. 134) – das sind nur rund 3 %, wenn man als einzig sinnvollen Maßstab die absolute Temperaturskala (Kelvin) zugrundelegt, die den absoluten Nullpunkt bei -273°C (= 0K) besitzt.

Interne Energietransporte

Insgesamt ist die Reaktion des Klimasystems auf die äußeren Antriebe nicht allein durch die Rückkopplungen zu verstehen. Auch die Wärmetransporte, die vor allem in den Ozeanen große Energiemengen von den Überschussgebieten in niedrigen Breiten polwärts transportieren, sind Schwankungen unterworfen. Ein bekanntes Beispiel ist etwa der Golfstrom, der – zusammen mit seinen Verlängerungen in Richtung Westeuropa bis hinauf zur Barentssee – Norwegens Fjorde wärmt, ein anderes die von Zeit zu Zeit auftretende Anomalie (Abweichung vom Normalzustand) im östlichen Pazifik, die als „El Niño“ für markante mehrmonatige Klimaanomalien von Australien bis Peru und Kalifornien sorgt. Derartige großräumig-regionale Effekte sind imstande, über längere Zeiträume hindurch auch für globale Anomalien zu sorgen. Es konnte in Modellsimulationen gezeigt werden, dass mehrmonatige bis mehrjährige (dekadische) globale Abweichungen im Klimasystem selbst erzeugt werden, einfach durch regionale Umschichtungen und ganz ohne äußere Antriebe. Das ist letztlich auch der Grund, warum man die enorme Computerleistung für die gekoppelten Zirkulationsmodelle benötigt – wesentlich einfacher zu rechnende Simulationen, die etwa nur den Einfluss der äußeren Antriebe auf die globalen Mittelwerte der Temperatur berechnen sind aus diesen Gründen nicht zielführend.

Externe Antriebe

Viele Missverständnisse erwachsen aus den unterschiedlichen Zeitskalen, auf denen Klimaantriebe wirksam sind und auf denen die verschiedenen Komponenten des Klimasystems reagieren. Diese reichen von hunderten Millionen von Jahren bis zu Jahren bis Jahrzehnten, wobei die kurze Skala streng genommen nach unten nicht begrenzt ist, da hier Klimaeffekte nahtlos in Wettereffekte übergehen. Typisch für sehr lange Zeitskalen ist die langsame Intensivierung der Sonnenaktivität, die vor rund 300 Millionen Jahren noch 2 bis 3% geringer war als heute, ein anderer die Plattentektonik. Auf mittellangen (Jahrtausende bis Jahrhunderttausende) Zeitskalen wirken die astronomischen Zyklen der Erdbahnparameter, die allerdings besonders stark auf verstärkende Prozesse durch die Albedo und durch die Löslichkeit von CO₂ im Ozean angewiesen sind, um klimawirksam zu werden.

Auch auf der Zeitskala von Jahrzehnten bis Jahrhunderten ist die Sonnenaktivität variabel, und sie stellte in den letzten Jahrtausenden – zusammen mit dem Vulkanismus – den wirksamsten Klimaantrieb dar. Erst in den aktuellsten Jahrzehnten hat der menschliche Einfluss über die Aerosole (siehe unten) und über die Treibhausgase die Sonnenaktivität als stärkster Klimaantrieb abgelöst, und dabei wird es wohl auch in der absehbaren Zukunft dieses Jahrhunderts bleiben.

Ebenfalls typisch für unterschiedliche Zeitskalen sind die Treibhausgase. Hier reicht die Skala von relativ kurz – dekadisch bis säkular wie beim anthropogene Treibhauseffekt – bis zu Jahrtausenden bis Jahrmillionen in denen sich der natürliche Treibhauseffekt auf unterschiedliche Art bemerkbar macht. Ihre Wirkung beruht darauf, dass sie die einfallende, kurzwellige Sonnenstrahlung nicht beeinflussen, die langwellige Wärmeabstrahlung ins Weltall jedoch reduzieren. Es gibt mehrere Treibhausgase – die Skala reicht vom Wasserdampf über das Kohlendioxid bis zu weniger in der öffentlichen Aufmerksamkeit stehenden Spurengasen wie Methan (CH₄) oder Lachgas (N₂O).

Ebenfalls klimawirksam sind flüssige und feste Teilchen in einem sehr breiten Größenspektrum, das sich grob zwischen 10 und 10.000 Nm (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) bewegt. Als Gemisch mit den Gasen der Atmosphäre werden sie als Aerosole bezeichnet werden. Aerosole sind sehr wandelbar, reagieren während ihres Aufenthalts in der Atmosphäre chemisch, verändern ihre Größe und können auch relativ schnell wieder aus der Atmosphäre ausscheiden, z.B. durch Niederschlag. Sie sind auch klimawirksam und zwar auf direkte und auf indirekte Art und Weise. Sie kommen in der Atmosphäre sowohl natürlich vor, z.B. bei Vulkanausbrüchen, werden aber auch durch menschliche Aktivitäten emittiert (anthropogenes Aerosol). Insgesamt ist Ihre Klimawirksamkeit noch weniger gut verstanden, als die der Treibhausgase – in Summe wirken sie jedoch abkühlend.

Die Antriebe des Klimasystems im Detail

Der Abschnitt Klimasystem, zu dem dieser Beitrag als Verteiler dient, führt eine Reihe von Klimaantrieben vor. Wie man diese gewinnen konnte, und auch wie Klimamodelle die Umsetzung dieser externen Antriebe im vernetzten Klimasystem beschreiben und berechnen, wird im Abschnitt Klimaforschung besprochen.

Weitere Informationen: klimaforschung@zamg.ac.at (rb/jn)

Literatur:

Schönwiese C. (2008): Klimatologie. 3. Auflage, Verlag Ullmer UTB Stuttgart, 472 Seiten, ISBN 978-3-8252-17923-8

Ruddiman W.F. (2008): Earth’s Climate – Past and Future. 2.Auflage, Freeman & Company, New York, 465 Seiten, ISBN 978-0-7167-8490-6