Globale Erwärmung: Untersuchung und Vorhersage
Globale Erwärmung: Untersuchung und Vorhersage
Unser Planet erhält fast seine gesamte Wärme von der Sonne. Nach modernen Satellitendaten empfängt eine Fläche von einem Quadratmeter außerhalb der Atmosphäre, die im rechten Winkel zur Sonne steht, 1.365 Watt (W) an Sonnenstrahlungsleistung. Dies ist die so genannte Sonnenkonstante. Den Skeptikern sei gesagt, dass sie keineswegs konstant ist und je nach Sonnenaktivität, Jahreszeit und Art der Messung und Berechnung innerhalb von ±3 Prozent schwankt.
Die Schwankungen der Sonnenaktivität werden in den Klimamodellen ebenso berücksichtigt wie die vulkanische Aktivität.
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Angesichts der Gesamtoberfläche des Planeten, der Veränderung des Winkels der Oberfläche zur Sonneneinstrahlung und der Tatsache, dass die Hälfte der Erde im Schatten liegt, reduziert sich die tatsächlich empfangene Energie im Jahresdurchschnitt außerhalb der Atmosphäre auf 340 Watt pro Quadratmeter. Auf der Erde angekommen, wird ein Teil dieser Energie von Wolken, Kontinenten und Ozeanen reflektiert, in der Atmosphäre selbst absorbiert und wieder abgestrahlt. Somit stehen nur 250 Watt zur Verfügung, um die Klima-Wärmemaschine in all ihren Formen zu betreiben. Dieser Wert ist wesentlich ungenauer als die Sonnenkonstante. Im Vergleich dazu ist der Wärmebeitrag aus dem Inneren des Planeten gering und beträgt nur 0,03 W oder etwa 0,01 Prozent der verfügbaren Energie.
Ohne atmosphäre wäre die Erde eine Kühltruhe
Der direkte Beitrag der vom Menschen erzeugten Wärme liegt in der gleichen Größenordnung – etwa 0,04 W. Außerdem haben die Menschen vor kurzem damit begonnen, aktiv Wärme zu «erzeugen», z. B. durch das Mining von Kryptowährungen, obwohl man auch einfach Handel damit auf Bitalpha Ai treiben könnte. Aus praktischer Sicht wird das Klima von den Menschen und dem Großteil der Biosphäre als das durchschnittliche Wetterregime an der Erdoberfläche wahrgenommen, wo wir tatsächlich leben und unseren Aktivitäten nachgehen. Obwohl das Wetter viele wichtige Eigenschaften hat (Wind, Niederschlag usw.), ist es einfach, das Klima anhand der Veränderungen der Lufttemperatur zu beurteilen, was eine erste Annäherung darstellt. Dies ist ein intuitiver Wert. Er ist leicht zu messen, und seine direkten Messungen sind seit etwa 200 Jahren bekannt, und wenn wir indirekte Daten nehmen, wie das Verhältnis der Sauerstoffisotope im Eis der Antarktis, seit über einer Million Jahren.
Wäre die Erde ohne Atmosphäre, würde die Gleichgewichtstemperatur der Wärmestrahlung des grauen Körpers in der Erdumlaufbahn -18 Grad betragen. Die Gase in der Atmosphäre sind für die Wärmestrahlung teilweise undurchlässig. Damit die ein- und ausgehenden Energieströme im Durchschnitt gleich sind und die Temperatur entweder steigt oder fällt, muss die strahlende Oberfläche erwärmt werden, d. h. der Wärmestrom muss um die Menge erhöht werden, die von der Atmosphäre wieder auf die Erde zurückgestrahlt wird.
Bei einer stationären Atmosphäre würde die Temperatur der Erde auf +40 Grad ansteigen. Die Überhitzung wird durch die atmosphärische Konvektion begünstigt, die den Wasserdampf über den Hauptteil der Atmosphäre trägt, wo er durch Kondensation Wärme abgibt und dadurch die Wärme effizienter in den umgebenden Raum abstrahlt. Das Klima des Planeten wird also nicht so sehr durch die einfallende Sonnenenergie bestimmt, sondern durch die Dynamik der Atmosphäre und der Ozeane. Leider kommt das Studium der Dynamik nicht ohne einfache Überlegungen über physikalische Effekte und Werturteile aus. Jeder Effekt, auch der sinnvollste, kann durch die Dynamik ausgeglichen oder umgekehrt verstärkt werden.
Dynamisches Klimegeschehen
Dennoch können einige Überlegungen zum Klima nützlich sein, wenn man die bekannten orbitalen Faktoren ausklammert, die die Vergletscherungszyklen über Zehntausende von Jahren langsam vorantreiben; in historischer Zeit, d. h. in den letzten fünftausend Jahren des modernen Interglazials, werden die Temperaturschwankungen durch das Gleichgewicht zwischen der verfügbaren Wärme von der Sonne und dem Wärmeaustausch mit der aktiven Meeresschicht bestimmt.
Derzeit wird die vulkanische Aktivität als der wichtigste Faktor angesehen, der die solare Wärmebilanz verändern könnte. Geochemische Untersuchungen von Gletschern und anderen Sedimenten ermöglichen es uns, die vulkanische Aktivität in historischer Zeit recht gut zu rekonstruieren und mit Temperaturveränderungen zu vergleichen. In der Tat lassen sich viele historische Abkühlungsereignisse, wenn auch nicht vollständig, durch Aktivitätsausbrüche und ihre „unglückliche“ geografische und saisonale Konfiguration erklären, was wiederum die Dynamik der Atmosphäre offenbart: nicht alle Vulkane haben die gleiche Wirkung auf das Klima. Die Veränderungen in der Konvektionsdynamik, die sich in der Menge, der Organisation und dem Reflexionsvermögen der Wolkendecke und dem Wärmetransport an der Oberfläche widerspiegeln, haben ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die Wärmebilanz und die Temperatur des Planeten. Der Wärmeaustausch mit dem Ozean kann sowohl die Temperatur direkt verändern – die Amplituden dieser Veränderungen sind sehr gering – als auch die Dynamik der atmosphärischen Prozesse und durch diese Veränderungen die Temperatur.
Alex Larson
