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Lexikon der Biologie

Klimaänderungen

ESSAY

Silvan Kindt

Klimaänderungen

Einführung

Wenige Phänomene prägen die belebte Umwelt in den unterschiedlichen Regionen dieser Erde so umfassend wie das lokal herrschende Klima. Entsprechend tief greifen Änderungen des Klimas auf unterschiedlichsten Ebenen in Ökosysteme ein: Sie können den Prozessen der Evolution eine neue Richtung geben, zum Aussterben oder zu Wanderungsbewegungen von Tier- (Tierwanderungen) und Pflanzenarten führen oder über Jahrhunderte gewachsene natürliche Systeme zerstören, um zugleich Raum für neue Entwicklungen zu schaffen. Daher liegt es nahe, daß der Mensch Veränderungen des Klimas seit jeher nicht nur aus rein wissenschaftlicher Neugier, sondern zugleich aus existenziellem Eigeninteresse heraus verfolgt und zu verstehen versucht hat. Dies gilt um so mehr, seit ausreichend nachgewiesen ist, daß der Mensch durch sein Wirken das Klima deutlich beeinflussen kann – sei es durch den massiven Ausstoß klimarelevanter Gase (Abgase) wie Kohlendioxid oder Methan oder durch großflächige Veränderungen der Vegetation wie z.B. die Abholzung der Regenwälder (Humanökologie).
Die Sorge vor den negativen Folgen anthropogen induzierter Klimaänderungen hat in den vergangenen Jahrzehnten zu zahlreichen neuen Forschungsprojekten geführt, deren Erkenntnisse über Ausmaß und Ursachen zurückliegender Klimaänderungen zumindest erahnen lassen, mit welcher Komplexität sich klimatologische Prozesse vollziehen und wie sensibel die zugrundeliegenden Zustände eines dynamischen Gleichgewichtes auf Änderungen einzelner Parameter reagieren. Das Vertrauen in die Vorhersagen des zukünftigen globalen Klimas mit globalen Zirkulationsmodellen der Atmosphäre (GCM) – inzwischen mit entsprechenden Modellen des Ozeans gekoppelt – hat mit jeder neuen Modellgeneration und der damit verbundenen Verbesserung im Verständnis des Klimasystems zugenommen. Allerdings sind die Ergebnisse im in der Klimawirkungsforschung überwiegend interessierenden regionalen und lokalen Maßstab noch unbefriedigend, so daß hier zusätzliche Anstrengungen (statistisches Downscaling, Nesting von hochauflösenden Modellen o.ä.) erforderlich werden. Erschwert wird die Modellbildung nicht zuletzt durch den schlecht abschätzbaren Anteil der menschlichen Einflüsse, welcher zu einem erheblichen Anteil auch von dem Erfolg oder Mißerfolg der politischen Bemühungen um Reduktion des Ausstoßes (Emissionen) klimarelevanter Gase (Emissionsszenarien) und ähnlicher Faktoren abhängen wird.
Klimaänderungen sind in erdzeitlicher Betrachtungsweise (Erdgeschichte, Farbtafel) ähnlich natürlich, wie den Menschen die täglichen Änderungen des Wetters unter ihrem Zeitmaßstab als vollkommen natürlich erscheint ( ä vgl. Tab. 1 ). Die Dramatik der weitreichenden Auswirkungen auf Flora (Florengeschichte) und Fauna, wie sie z.B. aus zurückliegenden Glazialen (Eiszeit) bekannt ist, ergibt sich erst aus der gerafften Darstellung von Klimaänderungen, die sich über Zeiträume von Jahrmillionen vollzogen haben.
Daher besteht eine der Hauptaufgaben der Klimaforschung darin, die natürlichen Klimaänderungen zurückliegender Jahrmillionen und die typischerweise herrschende Variablität zu beschreiben und zu verstehen, um daraus möglicherweise Aussagen über zukünftige natürliche Klimaänderungen ableiten zu können. Nur vor diesem Hintergrund kann der Einfluß des Menschen auf das Klima in seiner ganzen Breite sichtbar und einschätzbar werden.

Beschreibung von Klimaänderungen

Die Komplexität von Änderungen im Klima entsteht aus zahlreichen Wechselwirkungen verschiedener beteiligter Systemkomponenten. Zu ihnen zählen die Atmosphäre (Lufthülle), die Hydrosphäre (Wassergebiete; Wasser, Wasserkreislauf), die Kryosphäre (Eisgebiete; Eis), die Pedosphäre (Böden; Boden) und die Lithosphäre (Gesteinsschicht; Gesteine) als abiotische Komponenten sowie der Biosphäre (Flora und Fauna) als biotischem Anteil. Hinzu addieren sich externe Faktoren wie vulkanische Aktivität (Vulkanismus) oder die Intensität der solaren Einstrahlung (Energieflußdiagramm, Strahlungsbilanz). Langfristige Änderungen des Klimas lassen sich daher nur partiell über meßbare Parameter wie Niederschlagssummen (Niederschlag) oder Jahresmittel-Temperaturen beschreiben. Geregelte Aufzeichnungen klimarelevanter Daten, die parallel an mehreren Orten und über längere Zeiträume erhoben wurden, liegen erst seit dem ausgehenden 18. Jahrhundert vor.
Die Klimaforschung muß auf indirekte Quellen wie die sog. Klima-Archive zurückgreifen. So ermöglichen z.B. lange Bohrkerne aus arktischen Eismassen (Eisbohrkerne), die über jährliche Schneeablagerungen stetig kleine Gasblasen einschließen, die Bestimmung der gashaltigen Bestandteile der Atmosphäre in zurückliegenden Zeiträumen. Mit solchen abiotischen Klima-Archiven befaßt sich die Paläoklimatologie als Teilgebiet der Paläontologie.
In ähnlicher Weise wie aus Eisbohrkernen lassen sich aus den Torfprofilen (Torf) von Mooren mit Hilfe der Pollenanalyse recht detaillierte Aussagen über die in einer bestimmten Phase vorherrschende Flora gewinnen. Diese Erkenntnisse lassen wiederum Schlüsse auf zurückliegende Klimaumstände und deren Änderungen zu. Die methodische Erschließung solcher biologischer Klima-Archive gehört zu den Aufgaben der Paläobiologie und der historischen Geobotanik.

Anthropogen induzierte Klimaveränderungen

Spätestens mit dem Seßhaftwerden des Menschen im Neolithikum (Jungsteinzeit) und den beginnenden Wald-Rodungen (Brandrodung) in Europa hat der Mensch zumindest lokal das ihn umgebende Klima beeinflußt ( ä vgl. Tab. 2 ). Die systematischen großflächigen Wald-Rodungen im Mediterranraum (Mediterranregion) zur Zeit des Römischen Reiches haben den Waldanteil (Wald) binnen weniger Jahrhunderte von rund 90% auf nur noch 20% reduziert, was zu starken Veränderungen der Evapotranspiration, Rückstrahlung (Albedo) und anderer klimatisch relevanter Faktoren geführt hat. Die großflächige Vernichtung von Wald (Entwaldung), besonders in Form des tropischen Regenwaldes in Südamerika, Afrika und Asien, stellt auch heute noch ein Problem dar – nicht zuletzt auch aufgrund der zusätzlichen Freisetzung von in biologischer Form gebundenem Kohlendioxid (Kohlenstoffkreislauf).
Kohlendioxid (CO2), das hauptsächlich über die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Erdöl oder Steinkohle in die Atmosphäre gelangt, gilt zusammen mit anderen klimarelevanten Gasen wie Methan (CH4; Gashydrate) als Ursache für den Treibhauseffekt. Seit Beginn der Industrialisierung um 1860 ist statistisch abgesichert eine effektive Erwärmung um 0,6 °C weltweit ermittelt worden. Ohne den kühlenden Sulfat-Effekt von Schwefeldioxid, das aus anthropogenen Emissionen (Luftverschmutzung, Smog) wie auch Vulkanismus stammt, läge der Anstieg um weitere 0,4° C höher. Nach dem im Jahr 2001 veröffentlichten 3. Bericht des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), dem wissenschaftlichen Expertengremium der Vereinten Nationen, droht die mittlere globale Oberflächentemperatur bis im Jahr 2100 um 1,4 bis 5,8 °C zu steigen. Demgegenüber wird als natürliche Temperaturvariation für die letzten 10.000 Jahre (Holozän) ein Schwankungsausmaß von etwa 1 °C angenommen. Diese Angaben zeigen einen fundamentalen Unterschied zwischen den natürlichen und den anthropogen induzierten Klimaänderungen auf: Nicht die Temperaturänderungen an sich sind ungewöhnlich, sondern ihr Ausmaß in Relation zu der kurzen Zeit, innerhalb der sich die Änderungen vollziehen ( ä vgl. Tab. 3 ). Dies gilt auch für den momentanen Rückzug und Zerfall alpiner Gletscher. Die Abschmelzraten der Eiskörper haben sich in den vergangenen Jahrzehnten drastisch erhöht, der Zerfallsprozeß verstärkt sich durch die stetig geringere Albedo sogar selbst. Zahlreiche Gletscher werden in den nächsten Jahren verschwinden und dabei instabile, zu Rutschungen neigende Hänge zurücklassen.
Als besonders problematisch gelten jedoch die nichtlinear reagierenden Teile des Klimasystems, die sich selbst stabilisieren (Stabilität) und eine schwer abschätzbare Wirkung als Puffer für bestimmte Veränderungen besitzen. Überschreiten bestimmende Faktoren gewisse Grenzen, so kann das System in kürzester Zeit zusammenbrechen. Solche Reaktionen werden z.B. für den Nordatlantikstrom (Meeresströmungen) als verlängerten Arm des Golfstroms postuliert, dessen Abreißen zu einer regionalen Abkühlung in Europa führen würde. Solche und ähnliche fundamentalen Änderungen müssen als praktisch irreversibel angenommen werden.

Wechselseitige Beziehungen zwischen Klimaänderungen und belebter Umwelt

Klima und belebte Umwelt stehen in einem engen Wechselverhältnis. Einerseits ist das heutige Klima auch ein Produkt der belebten Umwelt, welche durch organische Bindung von Kohlendioxid und die Freisetzung von Sauerstoff die Gaszusammensetzung der Uratmosphäre deutlich verändert hat (Atmosphäre [Abb.]; ä chemische und präbiologische Evolution ). Andererseits sind aus der Ökologie die Einflußmöglichkeiten unterschiedlicher Klimaparameter wie der Temperatur auf die Lebensbedingungen von Organismen (Leben) bekannt. Insofern kann es nicht verwundern, wenn bereits geringfügige Änderungen von Klimaparametern zu umfangreichen Reaktionen in der Flora und Fauna führen, für die in den letzten Jahren zahlreiche Beispiele bekannt geworden sind.
Aus Forschungsprojekten in den Schweizer Alpen wird berichtet, daß sich die Höhengrenzen einiger Pflanzenarten (Alpenpflanzen) nach oben verschieben und in Höhen siedeln und sich vermehren können, wo dies vor wenigen Jahrzehnten noch nicht möglich war. Bei einigen Vogelarten verschiebt sich die Verbreitungsgrenze in Richtung Norden, und die Brutzeit beginnt früher (brüten [Kleindruck]). Experimente mit gemischten Populationen unterschiedlicher Insektenarten ergaben, daß Temperaturverschiebungen auch die Dominanzverhältnisse (Dominanz) verändern können. Dadurch sind eingespielte Gleichgewichte (biologisches Gleichgewicht) z.B. zwischen „Schädlingen" und „Nützlingen" in der Landwirtschaft in Gefahr; harmlose Arten können durch schlagartiges Wachstum ihrer Population zu einem Problemfaktor werden.
Auch die Organismen der Meere und Ozeane (Meeresbiologie, Tiefseefauna) reagieren empfindlich auf Änderungen in der Temperatur oder der Salinität, die sich z.B. durch Veränderungen in den Strömungssystemen, dem Verdunstungshaushalt (Verdunstung) oder den Zuflüssen vom Festland (Fließgewässer) ergeben können (Temperatur). Korallenriffe, die durch klimatische Schwankungen wie El Niño schon stark geschädigt sind, sterben großflächig ab (Korallensterben). An Meeresküsten gebundene Ökosysteme wie Mangroven können sich den Änderungen von Meeresspiegel (eustatische Meeresspiegelschwankung) oder Gezeiten nicht schnell genug anpassen. Generell besteht die Gefahr, daß zahlreiche Tier- und Pflanzenarten infolge der raschen Änderung ihrer Lebensräume aussterben.
Für den Menschen ergeben sich aus den prognostizierten Klimaänderungen weitere schwerwiegende Probleme. Ob erhöhte Waldbrandgefahr oder Ertragseinbußen in der Landwirtschaft aufgrund zunehmender Sommertrockenheit, Trinkwasserknappheit und Überschwemmungen, Stürme, Hitzewellen, neue Krankheitsepidemien (Infektionskrankheiten) – die Studien der Klimaforscher der IPCC enthalten ein breitgefächertes Angebot an möglichen Katastrophen. Biodiversität, Crutzen (P.J.), Desertation, Desertifikation, Dinosaurier, Feuerökologie, Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Flohn (H.), Greenpeace, neuartige Waldschäden, Ozon, Stickoxide.

Lit.: Crutzen, P., Graedel, T.E.: Chemie der Atmosphäre. Heidelberg 1994. Lozan, J.L., Graßl, H., Hupfer, P. (Hrsg.): Warnsignal Klima. Wissenschaftliche Auswertungen. In Kooperation mit GEO. Hamburg 1998. Roedel, W.: Physik unserer Umwelt. Die Atmosphäre. Berlin 21994. Röth, E.P.: Ozonloch, Ozonsmog, Grundlagen der Ozonchemie. Mannheim 1994. Schönwiese, C.: Klimaänderungen. Berlin 1995. IPPC: Report WG I. Summary for Policymakers. www.ipcc.ch/pub/spm22-01.pdf. Geneva 2001.

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