Was ist Klima und wodurch wird es gesteuert?


Naturwissenschaftliche Theorien sind nicht zu verwechseln mit dem Begriff Theorie der Umgangssprache, sondern sind in der Realität bewährte Beschreibungen der Naturgesetze.

Der Begriff Klima stammt von Aristoteles und bezeichnet heute den mittleren Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort über einen längeren Zeitraum von mindestens ca. 30 Jahren (definiert durch die WMO).

Das Wetter ist der aktuelle Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit.
Die Witterung ist der vorherrschende Wetterablauf über einen kürzeren Zeitraum von z.B. einigen Tagen.

Klima ist Wetter/Zeit!

Die Klimatologie beschreibt den durchschnittlichen Zustand der Atmosphäre und die von diesem zu erwartenden Abweichungen.

Grundlegende Klimaelemente

Das Klima an unterschiedlichen Orten wird bestimmt durch die folgenden Größen:

Strahlung
Temperatur
Luftfeuchte
Luftdruck
Wind
Niederschlag

Zwei Klimafaktoren, Luftfeuchte und Niederschlag betreffen direkt Wasser.

Die Erde als "Wasserplanet"

Unsere Erde als offenes System (d.h. tauscht Materie und Energie mit seiner Umgebung aus) ist gemessen am unvorstellbar großen Universum ein winziger, ca. 4,6 Milliarden Jahre alter Materienhaufen, der um einen Stern namens Sonne kreist. Das Sonnensystem mit weiteren 8 Planeten liegt am Rande der Milchstraße, einer Galaxis mit ca. 100 Milliarden Sternen, die sich wie die Millionen anderer Spiralnebel mit einer Geschwindigkeit von mehreren 100 000 Km/Std. voneinander entfernen. (siehe unten rechts, Andromedanebel, eine Nachbargalaxis)

Die Erde besitzt eine ca. 500 Km dicke Atmosphäre aus ca. 78% N2, 21% O2, 1% Edelgase. Alle anderen Inhaltsstoffe wie CO2, usw. sind in geringsten Konzentrationen enthalten (< 0,04 %), also praktisch nicht vorhanden. Dabei sind die Inhaltstoffe gemäß einem Dichtegradienten so verteilt, daß in den untersten 20 km bereits rund 95% der Masse enthalten ist. Zwischen Ionosphäre und Boden besteht eine Spannung von ca. 500 KVolt. Erde und Atmosphäre bilden dabei eine Art Kugeltransformator bei dem die 2000 Gewitter, die jederzeit rund um den Globus auftreten, wie eine Batterie wirken. Eine Entladung erfolgt in Schönwettergebieten durch die schwach leitende Atmosphäre, bei der Ladung mit einer globalen Rate von rund einem Kiloampère wieder zurückfließt. (8)

Daneben kann die Erdatmosphäre maximal 4 % Wasser aufnehmen. Links oben sieht man den "Wasserplaneten" Erde vom Weltraum aus. Die Wolken bestehen aus Wassertröpfchen (= Aerosol). (2)

Zur Verdeutlichung unten die Verhältnisse in einem Luftvolumen mit 3000 Molekülen. (genaueres dazu im Kapitel Atmosphäre und Wetter (Atmosphäre und Wetter)

Dabei wird deutlich, daß die gemessene Temperatur zu mehr als 99,9% durch die Bewegungsenergie von Stickstoff und Sauerstoff erzeugt wird, die keine Wärmestrahlung absorbieren.
Durch die Erddrehung und Umlaufbahn samt Tag/Nacht-Wechsel und Jahreszeiten findet ein ständiger Wasserkreislauf statt (hydrologischer Zyklus).

Vor ca. 3.7 Milliarden Jahren verfestigte sich die Erdkruste. Aus Vulkanen und Rissen strömten Gase und Lava aus. Die vulkanischen Gase sind die gleichen wie heute: Wasserdampf, CO2 usw. woraus Methan u.a entstanden. Seit dieser Zeit bildete sich die heutige Atmosphäre aus. Nach wievor ist oberste Erdschicht (= Lithosphäre), die zum größten Teil aus SiO2 besteht ständig in Bewegung und es treten laufend Materie und Energie an die Oberfläche. Heute ist die Erde von ca. 71% Wasser bedeckt, wobei die Pole fast die gesamte Süßwassermenge bzw. Eismasse enthalten. (2) Diese Wassermengen sind auch der größe Wärmespeicher der Erde und bestimmen deshalb maßgeblich das Wärmegeschehen an der Erdoberfläche.

Seit ca. 3,7 Milliarden Jahren kennt man Leben auf diesem Planeten, das sich abhängig von den wechselnden Bedingungen bis heute entwickelt hat. Die Gegenwart ist auf einer solchen Zeitskala von ca. 20 cm nicht sichtbar!

Heute wird die Erde von >10 30 Lebewesen (Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere, Pilze) besiedelt, die sich in ca. 3,7 Milliarden Jahren auseinander entwickelt haben. Die Biosphäre umfaßt Ozeane, Böden und die Atmosphäre. Seit ca. 600 Millionen Jahre (= Phanerozoikum) hat sich Leben explosionsartig entwickelt.

Für das Leben ist Wasser essentiell (= lebensnotwendig). Organismen bestehen zu ca. 60 - 95 % aus Wasser. Alle Lebensvorgänge sind an Wasser gebunden, durch die Pflanzen findet ein ständiger Wasserstrom (=Transpiration) statt und sie stellen aus Wasser und dem nur in Spuren vorkommenden CO2 der Luft alles organische Material her (= Photosynthese), das wir kennen. Die komplette organische Materie aller Tiere und des Menschen besteht wesentlich aus den Bestandteilen des Wassers und des CO2. Der Sauerstoff der Atmosphäre ist im Laufe der Erdgeschichte wesentlich durch Pflanzen gebildet worden. (2)

Der Aufbau der organischen Substanz ist Teil des Kohlenstoffzyklus:

Das Verhältnis Kohlenstoff(Atmosphäre) / Kohlenstoff (Boden) ist mindestens in der Größenordnung 1 : 140 000.
Das ungiftige, für die Natur essentielle Gas CO2 löst sich gut in Wasser, weshalb die Ozeane die größten CO2-Speicher der Erde darstellen.
Seit Lyell gelten die selben Gesetzmäßigkeiten auch in der geologischen Vergangenheit:
Zuerst kam die Wärme, dann die CO2-Ausgasung! CO2 folgt dem Temperaturänderung zwischen 300 und 800 Jahren.(3)

Die Analyse der Gasblasen in Eisbohrkernen liefert durch Gas-Verlust bei der Aufbereitung zu niedrige CO2-Konzentrationen der Vergangenheit. Ab ca. 1 km Tiefe werden Gase kristallartig als Clathrat im Eis gelöst, die sich bei der Bergung durch Dekomprimierung zu Gasblasen vereinigen. Deshalb ist auch die allgemein daraus abgeleitete vorindustrielle CO2-Konzentration (19. Jahrhundert) von 280 ppm falsch! Richtig ist ein mittlerer Wert von 335 ppm! ( 6,7)

Leben ist ein endergonischer Vorgang, d.h. ein ständiger Energiestrom ist notwendig. Dies äußert sich darin, daß Leben nur in einem bestimmten Temperaturbereich stattfindet und die Energie für den Stoffwechsel benötigt wird.


Die Abbildung oben zeigt die verschiedenen Energiequellen, die der Erde zur Verfügung stehen. Dabei spielen die Sonne ( EMS, Sonnenwind) und die kosmische Strahlung (meist Wasserstoff-Ionen) die wichtigste Rolle. Die Erdwärme mit total 42 x 1012 Watt/Tag als Wärmeenergie, die aus der Erde fließt wird beim Wärmehaushalt der Erde allgemein nicht erwähnt.

Während der Erdgeschichte traten immer wieder globale Katastrophen ein z.B. mehrere große Meteoriteneinschläge, die entscheidend die Vorgänge auf der Erde bestimmt haben. Die Abbildung unten zeigt neben dem Einschlag kurz nach der Entstehung die zur Bildung des Mondes geführt hat die bekannten Katastrophen der letzten 600 Millionen Jahre (2):

Alle geologischen Veränderungen und das Leben der Erdgeschichte haben Spuren in Sedimenten und Fossilien hinterlassen, aus denen man einige Bedingungen der Erdgeschichte rekonstruieren kann. Man nennt diese Daten Proxydaten. Z.B. enthalten lebende Organismen eine andere Isotopenzusammensetzung als tote oder Fossilien.

Aus solchen Proxydaten kann man über das Klima der Erdgeschichte( = Paläoklima) heute recht viel aussagen. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Temperatur- bzw. CO2-Änderungen der Erde, die man aus solchen Daten ableitet.

Die Abbildung (4) zeigt:

  • Ein zyklisches Auftreten von Kalt- und Warmzeiten mit ca. 150 Millionen Jahren Zykluszeit!
  • Eine mittlere globale Temperatur von ~22°C während der meisten Zeit der Erdgeschichte
  • Die CO2-Konzentration korreliert nicht mit der Temperaturentwicklung
  • Wir leben heute am Ende einer Kaltzeit.

Die Veränderung der Erde im Laufe der Ergeschichte wird durch das Wechselspiel von Energie und Materie bewirkt.

Wer steuert das Klima auf der Erde?

Als Antwort auf diese Frage ergibt sich aus diesen allgemein anerkannten Erkenntnissen zwanglos folgender kausaler Gesamtzusammenhang ( siehe auch (5)):

Die folgenden Seiten sollen einen fundierten Beitrag zur Klärung des Zusammenhangs leisten!

Quellen:
(1) z.B.
http://www.geographie.uni-muenchen.de/iggf/Multimedia/Klimatologie/kl_Hauptseite.htm und Fachbücher der Naturwissenschaften.
(2) Fachbücher der Naturwissenschaften
(3) Petit et al.; Nature Vol 399,3 Juni 99
(4) Scotese, Paleomap; http://www.scotese.com
(5) Veizer; http://www.pm.ruhr-uni-bochum.de/pm2003/msg00202.htm

(6) Segalstad; http://folk.uio.no/tomvs/esef/ESEF3VO2.htm
(7) Jaworowski ; http://www.john-daly.com/zjiceco2.htm
(8) z.B. Wescott, E. M., Sentman, D. D., Heavner, M. J., Hampton, D. L. & Vaughan, O. H. Blue jets: Their
relationship to lightning and very large hailfall, and physical mechanisms for their production.
J. Atmos. Terr. Phys. 60, 713-714 (1998). http://www.pro-physik.de/Phy/External/PhyH/1,,2-10-0-0-1-display_in_frame-0-0-,00.html?recordId=2528&table=NEWS

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