Umweltwissenschaftliche Grundlagen Green Day, 12 November 2013 Dr. Martina Flörke

Das Sphärenmodell der Umwelt 12.11.2013 Das Sphärenmodell der Umwelt Die Erde als globales Ökosystem Ein dynamischer Planet Eine Reihe komplexer Beziehungen zwischen den Teilsystemen Atmosphäre (die Lufthülle der Erde) Hydrosphäre (Wasservorkommen der Erde) Lithosphäre (Gesteine) Pedosphäre (Böden) Biospähre (Gesamtheit der Lebewesen) Die wichtigste Energiequelle ist die Sonne (sonnenstrahlung) Die Erde erhält mehr Solarenergie am Äquator als an den Polen: Differenz führt zu Temepraturdifferenzen auf der Erde Diese Temepraturdifferenz bedingt Ozeanzirkkulationen und atmoshärische Zirkulationen Wind und Ozeane transportieren Wärme von äquatorialen Regionen zu den Polen Das sogenannte Sphärenmodell ist eigentlich schon überholt, seit klar geworden ist, wie die Teilsysteme sich gegenseitig durchdringen und beeinflussen; die auf dem Modell beruhenden Bezeichnungen haben sich aber eingebürgert. Quelle: http://www.oekosystem-erde.de/html/system-erde.html

Die Atmosphäre – Vertikale Schichtung 12.11.2013 Die Atmosphäre – Vertikale Schichtung Mit zunehmender Höhe… p nimmt ab ρ wird geringer Die Schichten der Atmosphäre zeichnen sich durch Änderungen in den physikalischen Eigenschaften aus. Die Temperatur ändert sich mit der Höhe, der Druck fällt, je höher wir kommen. Mit ihm wird auch die Dichte der Luft geringer. Je höher wir sind, desto weniger Luftmoleküle finden wir im selben Volumen (z.B. einem Kubikmeter). Aber auch die Luftfeuchte und die Windgeschwindigkeit ändern sich. Warum ändert sich die Temperatur? Lokale Gründe: Festland kühlt schneller ab, als der Ozean. Kalte Luft von den Bergen ändert Temperatur in der bodennahen Schicht 2 Hauptgründe: Erde nimmt Energie des Sonnenlichts auf und erwärmt sich. Je weiter von der warmen Erdoberfläche entfernt, desto kälter wird die Luft. Diese generelle Regel wird dann aufgehoben oder vielmehr überlagert, wenn Moleküle in der Luft einen Teil der Sonnenstrahlung absorbieren und nun selbst die Luft aufheizen. In diesem Fall liegt ein lokales Temperaturmaximum vor. Dies ist in der Ozonschicht in der Stratosphäre gegeben, wo die Temperatur ansteigt bis sie ihr Maximum in etwa 50 km Höhe erreicht (Stratopause), dort, wo die Ozonmoleküle die UV Strahlen zu absorbieren beginnen. In der Mesosphäre fällt die Temperatur wieder. Ein erneuter Anstieg ist in der Thermosphäre zu beobachten. Hier absorbieren Stickstoff und Sauerstoff extrem kurzwelliges und energiereiches Ultraviolett-Licht der Sonne und werden z.T. ionisiert. Darum wird diese Schicht bisweilen auch Ionosphäre genannt. Warum fällt der Druck? Luft ist komprimierbar, Wasser nicht. Komprimierbarkeit der Luft hängt geringförmig von der Temperatur ab. Grob gemittelt: der Druck halbiert sich jeweils nach 5,5 km Höhenänderung. 1000 hPa am Boden, ca. 500 hPa in 5,5 km Höhe. http://www.atmosphere.mpg.de/enid/1__Die_Stratosphaere_verstehen/-_Schichten_1ma.html T ändert sich mit der Höhe

Die Hülle der Erde Atmosphäre = Hülle der Erde 12.11.2013 Die Hülle der Erde Atmosphäre = Hülle der Erde Die Atmoshäre ist hauchdünn im Vergleich zum Durchmesser der Erde Zahlreiche Funktionen: Filter für UV- und Röntgenstrahlung der Sonne Durchlässigkeit von Sonnenlicht (Energiequelle) Schutz vor schneller Auskühlung und Überhitzung (Wärmeausgleich) Erhöhung der durchschnittlichen Oberflächentemperatur der Erde Energietransport (aus Äquatornähe zu höheren Breiten) Durch Zirkulation wird Niederschlagsverteilung bestimmt Hauptspeicher für Stickstoff Reservoir für Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff

12.11.2013 Hydrosphäre Max-Planck-Institut für Meteorologie, http://www.mpimet.mpg.de Von der Landoberfläche und den Ozeanen gelangt Wasser durch Verdunstung in die Atmosphäre. Dort kann das in Wasserdampf umgewandelte Wasser entweder durch Kondensation oder Gefrieren in den Prozess der Wolkenbildung eingebunden werden, um dann in Form von Niederschlag wieder die Erde bzw. den Ozean zu erreichen, oder in die atmosphärische Zirkulation eingebunden und um die Erde transportiert werden. Die Abbildung schematisch den Wasserkreislauf mit seinen auf globalem Niveau bedeutenden Prozessen. Man erkennt, dass die Bilanz zwischen Niederschlag und Verdunstung weder über dem Land noch über dem Ozean ausgeglichen ist und durch atmosphärischem Transport bzw. ober- und unterirdische Flüsse kompensiert wird.

“Der blaue Planet” Schönwiese 2008 12.11.2013 Jener wichtige Teil der Hydrosphäre, welcher die in fester Form vorkommenden Wassermassen beinhaltet, wird oft als eigene Sphäre, die Kryosphäre, behandelt. Beispiele dafür sind die polaren Eisschilde, Meereis, Gebirgsgletscher, Permafrost und Schnee. In Tabelle 1 sind alle Wasservorkommen, zusammen mit ihrem Volumen und dem prozentuellen Anteil am Weltwasservorkommen aufgezählt. Schönwiese 2008

Biosphäre Die Gesamtheit des Lebens wird auch Biosphäre genannt. 12.11.2013 Biosphäre Die Gesamtheit des Lebens wird auch Biosphäre genannt. Dünne Schicht, die die Erde von der tiefsten bis zur höchsten Stelle überzieht. Überall, wo es Wasser, organische Stoffe und eine Energiequelle gibt, gibt es Leben. Ein Merkmal des Lebens ist die Anzahl, die Vielfalt und die Verschiedenartigkeit der Lebewesen, auch Biodiversität genannt.

12.11.2013 Biodiversität www.oekosystem-erde.de Grundlage für zahlreiche Dienstleistungen des Ökosystems Erde. Heute sind etwa 1,75 Millionen Arten bekannt Organismengruppe Beschriebene Arten Geschätzte Arten % Insekten 950.000 8.000.000 12 Gefäßpflanzen 250.000 300.000 83 Weichtiere 70.000 200.000 35 Wirbeltiere 45.000 50.000 90 Säugetiere 4.300 4.300?  95?

12.11.2013 Pedospähre Pedosphäre = Bodenhülle

Die Haut der Erde Böden = Bodenhülle der Erde 12.11.2013 Die Haut der Erde Böden = Bodenhülle der Erde Mischung aus zerbröseltem Gestein, organischem Material, Luft und Wasser. Böden wandeln tote organische Materie wieder in Mineralien um, die den Pflanzen als Nährstoff dienen und so in den Kreislauf der Natur zurückkehren. Die Böden der Erde sind die Grundlage für die Erzeugung der meisten Nahrungsmittel. Artenreicher Lebensraum im Ökosystem Erde.

12.11.2013 Lithosphäre Erdkruste, oberste Erdschicht. 70-250 km dick, bestehend aus Platten Die Platten schwimmen auf einer plastischen Astenosphäre Die Platten bewegen sich = Kontinentalverschiebungen (aufgeschmolzenes Gestein, obere Schicht des Erdmantels) Durch die Platenbewegungen entstehen Erdbeben und Vulkanausbrüche. Die Lithosphäre verbindet das “Innere der Erde” mit den äußeren Sphären. www.zum.de

Das Sphärenmodell der Umwelt 12.11.2013 Das Sphärenmodell der Umwelt Die Erde als globales Ökosystem Ein dynamischer Planet Eine Reihe komplexer Beziehungen zwischen den Teilsystemen Atmosphäre (die Lufthülle der Erde) Hydrosphäre (Wasservorkommen der Erde) Lithosphäre (Gesteine) Pedosphäre (Böden) Biospähre (Gesamtheit der Lebewesen) Die wichtigste Energiequelle ist die Sonne (sonnenstrahlung) Die Erde erhält mehr Solarenergie am Äquator als an den Polen: Differenz führt zu Temepraturdifferenzen auf der Erde Diese Temepraturdifferenz bedingt Ozeanzirkkulationen und atmoshärische Zirkulationen Wind und Ozeane transportieren Wärme von äquatorialen Regionen zu den Polen Das sogenannte Sphärenmodell ist eigentlich schon überholt, seit klar geworden ist, wie die Teilsysteme sich gegenseitig durchdringen und beeinflussen; die auf dem Modell beruhenden Bezeichnungen haben sich aber eingebürgert. Quelle: http://www.oekosystem-erde.de/html/system-erde.html

Die besondere Rolle des Menschen 12.11.2013 Die besondere Rolle des Menschen IGBP 2004 Menschen bewirken Umweltveränderungen, die auf die natürlichen Regelkreise einwirken, die das Ökosystem steuern. Globale Umeltveränderungen wie z. B. Klimawandel und Überfischung der Weltmeere gehen auf eine wachsende Weltbevölkerung und zunehmenden Wohlstand eines Teils dieser Bevölkerung zurück.

Planetary Boundaries Gefährdung der Ökosysteme 12.11.2013 Planetary Boundaries Gefährdung der Ökosysteme Verlust an Biodiversität Stickstoffkreislauf Klimawandel …haben die Grenzwerte bereits überschritten „Die Belastung des Erdsystems durch den Menschen hat ein Ausmaß erreicht, bei dem plötzliche globale Veränderungen der Umwelt nicht mehr auszuschließen sind. Um weiterhin sicher leben zu können, muss der Mensch innerhalb bestimmter kritischer und fester Grenzen der Umwelt agieren und die Natur der klimatischen, geophysikalischen, atmosphärischen und ökologischen Prozesse im Erdsystem respektieren“, sagt der Hauptautor der Studie, Johan Rockström, Direktor des Stockholm Resilience Centre an der Universität Stockholm. Das Überschreiten dieser Grenzen könne sich verheerend auf die Menschheit auswirken, sie zu respektieren aber gute Zukunftsaussichten sichern. Planetarische Grenzen wurden in neun Bereichen identifiziert und sieben davon konkret beziffert. Die Studie deutet darauf hin, dass diese Grenzwerte in dreien der Bereiche bereits überschritten wurden: Klimawandel, biologische Vielfalt und Stickstoffeintrag in die Biosphäre. Als weitere Bereiche identifizierten die Forscher die stratosphärische Ozonschicht, Landnutzungsänderungen, Wassernutzung, die Versauerung der Ozeane, den Eintrag von Phosphor in die Biosphäre und die Meere sowie die Aerosolbelastung und Verschmutzung durch Chemikalien. Die Wissenschaftler heben hervor, dass die Grenzen eng miteinander verknüpft sind. Eine Grenze zu überschreiten, könne es erheblich erschweren, in anderen Bereichen weiterhin innerhalb des sicheren Bereichs zu agieren. Rockström et al. 2009

Ökölogischer Fussabdruck 12.11.2013 Ökölogischer Fussabdruck „Ecological Footprint“ oder „ökologischer Fußabdruck“ Quelle: SASI Group (University of Sheffield) and Mark Newman (University of Michigan) Die Länder der Welt entsprechend ihrem Einfluss auf die Umwelt: Die Fläche eines jeden Staates entspricht dem >>Ökologischen Fußabdruck<< seiner Bewohner.

Passen wir noch auf den Planeten? 12.11.2013 Passen wir noch auf den Planeten? Heute nutzt die Menschheit Ressourcen von 1,5 Planeten. Ressourcen werden schneller in Abfälle verwandelt, als dass Abfälle wieder in Ressourcen umgewandelt werden können.

12.11.2013 Klima Klimadaten aus dem Wostok-Eisbohrkern, Informationen Atmosphäre der letzten 400.000 Jahre Temperaturverlauf (rot) Kohlendioxid-Gehalt (gelb) der Veränderungen der Exzentrizität der Erdumlaufbahn (weiß). Kohlendioxid Methan Distickstoffoxid

12.11.2013 Erwärmung der Erde Beobachtete Änderung der durchschnittlichen Erdoberflächentemperatur (seit Beginn der flächendeckenden Temperaturmessung) IPCC 2007 Wird die Erde wirklich wärmer? Im Jahr 2011 wurden 1,6 Milliarden Temperaturmessungen aus 15 Datenbanken mit einer ganz neuen Methode ausgewertet (Universität Berkeley) Ergebnis: In den letzten 60 Jahren ist die Erde um 0,9°C wärmer geworden. Die Punkte zeigen Jahreswerte, die schwarze Linie über ein Jahrzehnt gemittelte Durchschnittwerte und der blaue Bereich zeigt die Unsicherheiten an. Damit lagen neun der zehn wärmsten Jahre seit Beginn der Klimamessungen in den letzten 10 Jahren!

Abschmelzen der Inlandgletscher auf Grönland 12.11.2013 Abschmelzen der Inlandgletscher auf Grönland 1992 Boundary of ice melting 2005 boundary Source: Steffen und Hoff, 2006, University of Colorado

12.11.2013 Meereissituation 2013

Umweltveränderungen sind bereits heute zu beobachten 12.11.2013 Umweltveränderungen sind bereits heute zu beobachten 1904 Abschmelzen der Alpengletscher 2005 Veränderung der Verbreitungsgebiete von Pflanzen (in höhere Lagen, polwärts) Änderungen in der Phänologie von Pflanzen (früheres Einsetzen des Frühlings, verlängerte Wachstumsperiode)

12.11.2013 Es wird große regionale Unterschiede in den Auswirkungen des Klimawandels geben EEA 2010

Europaweite Auswirkungen 12.11.2013 Europaweite Auswirkungen Abnehmender Sommerniederschlag und zunehmende Wasserknappheit (Mittel-, Süd-, teilweise Nordeuropa) Zunehmende Häufigkeit von Hitzewellen (Mittel- & Südeuropa) Zunehmende Häufigkeit von Winterhochwasserereignissen 22

Europaweite Auswirkungen 12.11.2013 Europaweite Auswirkungen Küstengebiete: Zunehmende Küstenüberflutungen & Stranderosion (durch Meerspiegelerhöhung) (Rückverlagerung der Strände: > 0.5-1 m pro Jahr) Zunehmende Bedrohung von Pflanzen- und Tierarten (europaweite Bewertung, bis 2080er: 20-50% der Pflanzenarten werden bedroht sein, d.h. 30-100% Verlust ihres Lebensraums) (Thuiller et al., 2005) Berggebiete: Abschmelzen der Gletscher (-2050: 30-70% Volumenreduktion) Rückgang der Schneebedeckung Bedrohung von Pflanzenarten (-2080er: Bedrohung bis 60% der Arten in alpinen Gebieten) 23

Ökonomische Folgen des Klimawandels 12.11.2013 Ökonomische Folgen des Klimawandels Reduziertes Wasserkraftpotential Abnahme des Wintertourismus im alpinen Raum und Verschiebung des Sommertourismus nach Norden Erhöhtes Risiko von Ernteeinbußen in der Land- und Forstwirtschaft sowie erhöhte Bewässerungskosten im Süden und Osten Änderung des Wärmebedarfs und Kühlungsbedarfs 24

12.11.2013 Warum ist Klimawandel unvermeidlich? Trägheit des Klimasystems (schematische Darstellung) This figure illustrates the importance of lag times in the global climate system. It illustrates the response of the system to a gradual reduction in CO2 emissions over around the next 100 years. The atmospheric concentration slowly stabilizes over 100 to 300 years because of the long time it takes for the carbon exchange between biosphere, atmosphere and ocean to come to a new equilibrium. While CO2 is stabilizing, it takes even longer for temperature to stabilize because of the centuries it takes heat to circulate in the oceans. Since it takes centuries for temperature to stabilize, this has the secondary effect of causing an even greater delay (several centuries, perhaps more than a millennium) in the stabilization of sea level.

12.11.2013 Botschaft Das Sphärenmodell ist komplex. Um Folgen unseres Handelns zu vermeiden müssen komplexe Wechselwirkungen erkannt und berücksichtigt werden. Bevölkerung, technischen Möglichkeiten und die materiellen Ansprüche der (reichen) Menschen bewirken Umweltveränderungen, die auf die natürlichen Regelkreise einwirken, die das Ökosystem steuern. Globale Umweltveränderungen haben zahlreiche negative Auswirkungen auf die menschliche Gesellschaft sowie die Natur. Die Gesellschaft kann und sollte auf diese Auswirkungen reagieren: Klimaschutz und Anpassungsmaßnahmen helfen den anthropogenen Nutzungsdruck zu verringern oder zu vermeiden.

12.11.2013 Meeresströmungen Die Atlantische Meridionale Umwälzbewegung (AMOC, Atlantic Meridional Overturning Circulation) – umgangssprachlich oft als „Golfstrom“ bezeichnet – transportiert warmes Oberflächenwasser bis in die hohen Breiten und strömt von dort nach einer Abkühlung und dem damit verbundenen Absinken als kaltes Tiefenwasser wieder nach Süden. Schwankungen der AMOC beeinflussen wesentlich den nordwärts gerichteten Wärmetransport im Ozean und damit das Klima in Europa und im Nordatlantik. Die Wasseroberflächentemperaturen bestimmen dabei Klimaphänomene wie die Dürren im Sahel oder die Häufigkeit von Hurrikanen im Atlantik. Es ist also von großem Interesse, Vorhersagen über Zeiträume von Jahren bis zu Jahrzehnten machen zu können, um diese Klimaänderungen abzuschätzen. Bisher konnte man mehrjährige Vorhersagen für dynamische Größen wie die AMOC nicht durchführen, sondern lediglich für Temperaturschwankungen oder für Sturmhäufigkeiten (Hurrikane).