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Lexikon der Biologie: Klima

Klima s, mangels einer allgemein anerkannten und umfassenden Klimadefinition wird für Klima oft die recht unscharfe Bezeichnung „durchschnittlicher Verlauf von Wetter und Witterung" benutzt. Wetter ergibt sich aus dem Zustand und den Prozessen der Atmosphäre an bis zu 2 Tagen, Witterung aus deren Abfolge in einem Zeitraum bis zu einigen Wochen; das Klima beinhaltet charakteristische Zeiträume ab etwa einem Jahr. Durch die Statistik (Mittelwerte, Häufigkeiten, Andauer, Extremwerte und ähnliches) der Phänomene und Felder von Klimaelementen ( vgl. Tab. 1 ), deren zeitliches und räumliches Verhalten von den Klimafaktoren ( vgl. Tab. 2 ) abhängt, läßt sich ein Klima kennzeichnen. Das Klima gilt als wichtigster abiotischer Faktor, der die Verteilung der Lebewesen auf der Erde maßgeblich bestimmt (Biodiversität, Biogeographie) und einen wesentlichen Begrenzungsfaktor für deren Auftreten darstellt. – Das Klima ist eine Folge von komplexen Wechselwirkungen innerhalb des Klimasystems, das aus Atmosphäre (Lufthülle), Hydrosphäre (u.a. Ozeane, Binnengewässer), Kryosphäre (Eis- und Schneemassen), Lithosphäre (Landoberflächen: Erd-Boden, Gesteine) und Biosphäre (von Organismen bewohnter Teil der Erde) besteht. Das Klimasystem reagiert empfindlich auf externe Einflüsse (z.B. Sonnenstrahlung [Strahlungsbilanz], Vulkanausbrüche [Vulkanismus]) oder interne Vorgänge (Kohlendioxid, Änderungen in der Landnutzung, z.B. Wald-Rodungen, Städtebau usw.). Das komplexe Schwankungsverhalten der Klimaelemente im Klimasystem vollzieht sich über etwa 10 Größenordnungen im Raum (Millimeter bis einige zehntausend Kilometer) und über weit mehr als 10 Größenordnungen in der Zeit (Bruchteile von Sekunden bis zu geologischen Zeiträumen). Klima darf deshalb nicht als statisch-konservativ, sondern muß vielmehr als kontinuierlich variabel in allen charakteristischen Zeiten angesehen werden. Nach den charakteristischen räumlichen Skalen kann eine Hierarchie von Makroklima, Mesoklima und Mikroklima aufgestellt werden, wobei die Wechselwirkungen zwischen den Skalen, die im Strahlungs- und Wärmehaushalt der Atmosphäre sowie im Austausch von Masse und Impuls begründet sind, scharfe Abgrenzungen ausschließen. Das Makroklima (Großklima), das Klima außerhalb der bodennahen Luftschicht, wird auf der Basis eines weitmaschigen Netzes von standardisierten Meßstationen über eine generalisierende Methodik mit dem Ziel eines großräumigen Überblicks und großräumiger Vergleichbarkeit erfaßt. Die Abmessungen reichen von einigen hundert Kilometern bis zum globalen Maßstab, so daß hierin z.B. das Klima der Bundesrepublik Deutschland, von Mitteleuropa, die Klimazonen oder das globale Klima behandelt wird. Das Mikroklima (Kleinklima), das Klima der bodennahen Luftschicht (Bodenklima, Grenzschicht), ist gekennzeichnet durch starke Variationen aller klimatologischen Elemente aufgrund der kleinräumig wechselnden physikalischen Eigenschaften der Unterlage (Bodenentwicklung, Bodentemperatur). Die entsprechenden Größenordnungen erstrecken sich von einigen Millimetern bis zu einigen hundert Metern. Zwischen diesen Extremen von Mikro- und Makroklima liegt das Mesoklima (Geländeklima, Lokalklima) mit charakteristischen Ausdehnungen von einigen hundert Metern bis einigen hundert Kilometern, das im Lokal- und Geländeklima das Klima z.B. eines Stadtteils (Stadtökologie), einer Nordseeinsel, eines Talkessels, Forstgebiets, Ballungsgebiets, des Schwarzwalds oder der norddeutschen Tiefebene beinhaltet.
Die Wissenschaft vom Klima der Erde ist die Klimatologie, ein Teilgebiet der physikalischen Geographie und Meteorologie. Grundlage für die Erforschung des Klimas bilden die Beobachtungen der Klimaelemente, die in einem Netz von (allerdings sehr ungleichmäßig verteilten) Klimastationen weltweit nach einheitlichen Richtlinien durchgeführt werden. Aus der statistischen Analyse solcher Daten lassen sich Charakteristika derzeitiger und früherer Klimazustände erfassen und für zahlreiche Fragen anwendungsbezogene Informationen ableiten, die z.B. in Klimakarten bewertend dargestellt werden können. In der Witterungsklimatologie wird das Verhalten der Klimaelemente bei typischen Wetterabläufen untersucht. Damit erfolgt der Übergang zu der genetisch-kausalen Betrachtungsweise, in der das Klima als Folge der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre aufgrund der Wechselwirkungen innerhalb des Klimasystems erklärt wird. Dazu werden umfangreiche Simulationsmodelle (Computersimulation) entwickelt, die auch der Untersuchung der Auswirkungen des Klimas und der Klimaschwankungen auf sämtliche Komponenten des Klimasystems einschließlich der Biosphäre sowie die sozioökonomischen Bedingungen des Menschen dienen sollen, so daß die Problematik der Klimatologie außergewöhnlich interdisziplinär angelegt ist.
Klimaklassifikationen: Typisierende Klimaeinteilungen orientieren sich entweder als effektive, d.h. wirkungsbezogene Verfahren an bestimmten Fragestellungen, z.B. an den Auswirkungen des Klimas auf Pflanzenwelt (Flora, Vegetation), Boden, Abfluß, Anbau, menschliches Befinden, Bewohnbarkeit, oder sie sind genetisch-kausal, d.h., sie gehen von den klimatischen Ursachen aus. In einer solchen Klassifikation muß die Lage der Zirkulationsgürtel, Zugbahn und Häufigkeit der Zyklonen und der Antizyklonen, Frontenhäufigkeit, Höhenlage, Luv- und Leewirkungen, breiten- und bewölkungsabhängiger Strahlungsgenuß (Energieflußdiagramm, Abb.), Entfernung zum Meer, Bodenbedeckung, Reibungseinfluß und ähnliches im Zusammenhang mit dem horizontalen und vertikalen Austausch von Masse, Energie und Impuls gesehen werden. Anomalien des Klimas bedeuten danach nichts anderes als großräumige Anomalien der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre. Die wohl älteste Klassifikation geht vom Jahresgang des Sonnenstands aus, womit sich (auf einer völlig homogenen Erdkugel) 5 mathematische oder solare Klimazonen ergeben: die tropische Zone innerhalb der beiden Wendekreise (Breitenkreise ca. 23,5° nördlich und südlich des Äquators), 2 gemäßigte Zonen zwischen den Wende- und Polarkreisen und 2 Polarzonen jenseits der Polarkreise (Breitenkreise ca. 66,5° nördlich und südlich des Äquators). Vielfach wurde eine Klimadifferenzierung nach der Temperatur, insbesondere nach deren Jahresgang, vorgenommen, wobei auch Überlegungen zur Dauer der Überschreitung von biologisch relevanten Schwellen (z.B. Latenz- und Letalgrenzen bis zu extremer Hitze oder Kälte) eine Rolle spielten. Der Wärmehaushalt der Biosphäre ist für alle Lebensvorgänge, z.B. für Photosynthese und Transpiration, von Bedeutung, und der enge Zusammenhang von Wärmehaushalt und Gaswechsel über den Wasserhaushalt weist auf die Rolle der Feuchtigkeit hin. Entsprechend werden nach dem Verhältnis von Niederschlag, (temperaturabhängiger) Verdunstung (Evaporation, Evapotranspiration), Abfluß (Abflußregime) und Grundwasser aride, humide und nivale Klimatypen ( vgl. Abb. 1 ) unterschieden. Als ein Musterbeispiel einer komplexen effektiven Klimaklassifikation gilt diejenige von W.P. Köppen (Köppen-Klimaklassifikation), der einen Bezug zwischen dem Auftreten bestimmter ökologischer Leitpflanzen und Vegetationsgesellschaften (Pflanzengesellschaften) einerseits und den Klimaelementen Temperatur und Niederschlag andererseits nach Mittelwerten und jahreszeitlicher Verteilung hergestellt hat. Von den 6 Haupttypen sind entsprechend der Bedeutung der Klimaelemente für die Vegetation (Feuchtigkeit in niederen Breiten, Temperaturminimum in den höheren) 5 thermisch und 1 hygrisch definiert:
A: tropische Regenklimate ohne kühle Jahreszeit (kältester Monat 18 °C);
B: trockene Klimate mit Unterscheidung von Wüsten- und Steppenklimaten;
C: warmgemäßigte Regenklimate, deren kältester Monat zwischen +18 °C und –3 °C liegt, während der wärmste +10 °C übersteigt;
D: kühlgemäßigte, feuchte Klimate, Bedingungen für den wärmsten Monat wie bei C, der kälteste Monat jedoch unter –3 °C;
E: kalte Klimate jenseits der polaren wie der vertikalen Baumgrenze (alpine Baumgrenze) mit einer Mitteltemperatur des wärmsten Monats unter +10 °C;
F: Schneeklimate oder Klimate des ewigen Frostes; der wärmste Monat bleibt noch unter 0 °C.
Diese Haupt-Klimatypen werden nach der Verteilung und dem Mengenverhältnis der Niederschläge (jahreszeitliche Lage der Trockenheit) sowie nach Sommerwärme und Winterkälte weiter differenziert. Eine noch detailliertere Gliederung liefern die Jahreszeitenklimate von Troll und Paffen, die anhand des jahreszeitlichen Wechsels der ökologisch entscheidenden Elemente Strahlung, Temperatur, Niederschlag bzw. Humidität oder Aridität definiert sind. Für unterschiedliche Klimate typische mittlere Jahresgänge von Temperatur und Niederschlag zeigen die Diagramme von Walter und Lieth ( vgl. Abb. 2 ).
Klimaschwankungen: Die Variabilität in allen Zeitskalen ist eine charakteristische Eigenschaft des Klimas. Die letzten 2 Millionen Jahre (Erdgeschichte, Farbtafel) waren gekennzeichnet durch eine Abfolge von eiszeitlichen und warmzeitlichen Klimaverhältnissen (Milankovic). Der mittlere Abstand zwischen den Eiszeiten beträgt dabei etwa 100.000 Jahre, das Maximum der letzten Eiszeit liegt etwa 18.000 Jahre zurück (Pleistozän). Die sich anschließende vergleichsweise warme zwischeneiszeitliche Phase brachte ein „Klimaoptimum" zwischen 4000 und 2500 v.Chr. mit Temperaturen von 1 bis 2 °C über den heutigen. Darauf erfolgte eine Klimaverschlechterung mit einer Trendwende um Christi Geburt und einem erneuten Klimaoptimum im Mittelalter zwischen 1150 und 1350 nach Christus. Von 1500 bis 1850 breiteten sich bei Jahresmitteltemperaturen um 1 bis 2 °C unter den heutigen die Gletscher wieder aus („kleine Eiszeit"). Von 1880 bis 1940 beobachtete man einen Temperaturanstieg um 1 °C, wobei die Erwärmung Anfang des 20. Jahrhunderts besonders deutlich ausfiel. Nach 1940 gingen die Temperaturen auf der Nordhalbkugel wieder zurück, steigen aber seit Ende der 1970er Jahre deutlich an. 1998 war das wahrscheinlich wärmste Jahr des letzten Jahrtausends. – Regionale Klimaschwankungen entstehen innerhalb des komplexen Klimasystems. Ein Vorstoß oder Rückzug des Treibeises, eine frühe Schneedecke, abnorme Meerestemperaturen bewirken Anomalien in der allgemeinen Zirkulation. Neben der Variation der Sonnenaktivität kommen als externe Ursache für Klimaschwankungen die großen Vulkaneruptionen (Vulkanismus) in Betracht, die in der Stratosphäre (Atmosphäre, Abb.) in 11–30 km Höhe eine mehrere Jahre überdauernde Partikelschicht erzeugen, welche einen Teil der Sonnenstrahlung absorbiert bzw. in den Weltraum zurückstreut und damit für 1 bis 2 Jahre zu einer hemisphärischen Abkühlung von bis zu 1 °C führen kann. Weitere Auswirkungen auf das Klima sind durch Änderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre und durch die Wolkenbedeckung möglich (Ausstrahlung). Aerosole werden über Absorption und Streuung im Strahlungshaushalt sowohl direkt wirksam als auch indirekt als Kondensationskerne bei Bildung und Eigenschaften von Bewölkung mit Konsequenzen für den Strahlungshaushalt über die Albedo. Von eminenter Bedeutung sind das Kohlendioxid (CO2) und der Wasserdampf (Wasser) in der Atmosphäre. Beide Gase absorbieren im Infraroten, so daß es zu einer nach oben abnehmenden Erwärmung der Troposphäre kommt (Treibhauseffekt). Weitere Spurengase (Abgase, Luftverschmutzung, Smog) aus überwiegend anthropogenen Quellen (Lachgas [Stickoxide] als Nebenprodukt bei der Umsetzung der Stickstoffdünger im Boden, Methan [Gashydrate], die Frigene [Fluorchlorkohlenwasserstoffe]) und als Sekundärprodukt das troposphärische Ozon tragen mit ca. 2/5 zum Treibhauseffekt bei (virtueller CO2-Gehalt). Bei einer Verdopplung des CO2-Gehalts der Atmosphäre, deren Eintreten bei weiter unkontrolliertem Verbrauch fossiler Brennstoffe (Erdgas, Erdöl, Kohle) allgemein für Mitte des 21. Jahrhunderts angenommen wird, ergibt sich nach den bisherigen Modellrechnungen eine weltweite Erwärmung der bodennahen Luftschichten um 1,4 bis 5,8 °C. In den wegen der Albedo-Schneedecke-Temperatur-Rückkoppelung sehr empfindlich reagierenden Polargebieten könnte die Erwärmung deutlich höher ausfallen. Überwiegend aufgrund der thermischen Ausdehnung des Meerwassers wird mit einer Erhöhung des Meeresspiegels um 0,09 bis 0,88 m gerechnet. Mit der Temperaturerhöhung wird der hydrologische Kreislauf (Verdunstung und Niederschlag; Wasserkreislauf) intensiviert, und die Wasserdampfabsorption verstärkt den Treibhauseffekt (positive Rückkoppelung). Andererseits nimmt mit zunehmender Verdunstung auch der mittlere Bewölkungsgrad und damit auch die mittlere Albedo zu, d.h., der Strahlungsgenuß vermindert sich (negative Rückkoppelung). Der Einfluß der Bewölkung läuft also dem der Spurengase entgegen. Ein Anstieg der globalen Mitteltemperatur hätte über die daraus folgende Variation des horizontalen und vertikalen Temperaturgradienten Konsequenzen für die allgemeine Zirkulation mit Verlagerung der Klimazonen um einige hundert Kilometer und nicht übersehbaren Folgen insbesondere im Wasserhaushalt und – damit verbunden – in der Nahrungsmittelproduktion (Ernährung, Nahrungsmittel). Vornehmlich betroffen wären dadurch jene Gebiete der Erde, die bereits heute in den Randzonen bestimmter Klimaregionen liegen und deshalb besonders stark auf Änderungen der klimatischen Bedingungen reagieren. Zusätzlich haben ausgeprägte Klimaänderungen besonders dann einschneidende Folgen auf die Umwelt und die vom Menschen geschaffenen Ökosysteme, wenn sie in kurzer Zeit erfolgen, ohne daß eine allmähliche Anpassung möglich ist. Deshalb muß die Gefahr einer zunehmenden Variabilität des Klimas aufgrund der Empfindlichkeit der Ökosysteme mindestens ebenso hoch eingeschätzt werden wie die einer langsamen Klimaänderung. Bestandsklima, Bioklima, Bioklimatologie, Biometeorologie, Bodenentwicklung, Bodenzonen, Clines, Dendrochronologie, El Niño, Feuerökologie, Frostwechselklima, Klimaänderungen (Tab.), Klimainseln, Lebensformspektren, Ozon, Vegetationszonen (Farbtafel), Wald, Weltmodelle.

G.J.

Lit.: Balzer, K., Enke, W., Wehry, W.: Wettervorhersage. Berlin – Heidelberg 1998. Brauch, H.G. (Hrsg.): Klimapolitik. Berlin 1996. Flohn, H.: Das Problem der Klimaschwankungen in der Vergangenheit und Zukunft. Darmstadt 1985. Hupfer, P., Kuttler, W. (Hrsg.): Witterung und Klima. Stuttgart – Leipzig 101998. Joussaume, S.: Klima. Gestern, heute, morgen. Berlin – Heidelberg 1996. Malberg, H.: Meteorologie und Klimatologie. Berlin – Heidelberg 1997. Schönwiese, C.-D.: Klimaänderungen – Daten, Analysen, Prognosen. Berlin 1995. Schönwiese, C.-D.: Klimatologie. Stuttgart 1994. Walter, H.: Vegetation und Klimazonen. Stuttgart 61990. IPPC: Report WG I. Summary for Policymakers. www.ipcc.ch/pub/spm22-01.pdf. Geneva 2001.



Klima

Abb. 1: Die klimatischen Bereiche bzw. Klimatypen der Erde



Klima

Abb. 2:

8 ausgewählte Diagramme (nach Walter und Lieth) zu typischen Temperatur- und Niederschlagsverteilungen auf der Erde (J = Januar bzw. Juli, A = April, O = Oktober).
1 Ostküstenklima: ganzjährig etwa gleichverteilte Niederschläge, relativ warme Sommer (New York, USA). 2 Westküstenklima: schwach ausgeprägte Temperaturamplitude, Ganzjahresniederschläge (Bergen, Norwegen). 3 Inlandklima: ausgeprägter Jahresgang der Temperatur, geringe Niederschläge (Moskau, UdSSR). 4 Arktisches Klima: mehr (kontinental) oder weniger (maritim) extreme Temperaturamplitude (Upernavik, Grönland; Jakutsk, UdSSR). 5 Hochlandklima: kein Jahresgang in der relativ niedrigen Temperatur, Ganzjahresniederschläge (Quito, Ecuador). 6 Regenwaldklima: ganzjährig feucht und gleichmäßig warm (Iquitos, Peru). 7 Mittelmeerklima: milde, feuchte Winter, trockene, warme Sommer (Bengasi, Libyen). 8 Monsunklima: geringe Jahresschwankung der Temperatur, extreme Monsunniederschläge (Cochin, Südindien)

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