Atmosphäre im Klimasystem

Abb. 1: Der Stockwerkaufbau der Atmosphäre

Wettergeschehen

Die Atmosphäre ist das instabilste und sich am schnellsten ändernde Subsystem des Klimasystems. Andere Subsysteme sind der Ozean, die Biosphäre, die Kryopshäre (Eis und Schnee) und der Boden. Ihre unterste Schicht, die Troposphäre, ist der Ort des sich rapide ändernden Wettergeschehens. Auch kleinräumige Unterschiede zwischen warmen und kalten Luftmassen, z.B. zwischen Land- und Seegebieten, werden in der Regel schnell ausgeglichen. Aufeinandertreffende Luftmassen können zu heftigen Wetterreaktionen führen, z.B. zu Stürmen, einem Gewitter, starken Niederschlägen usw. In der Atmosphäre bilden sich aus Wasserdampf bei Abkühlung Wolken, die die Einstrahlung durch die Sonne und die Wärmeausstrahlung vom Erdboden her wesentlich beeinflussen und auch langfristig ein wichtiger Klimafaktor sind.

Solare Strahlung

Man kann das gesamte Klimasystem als eine riesige Wärmekraftmaschine verstehen, die ihre Energie von der Sonne bezieht. Der unterschiedliche Einfallswinkel, mit dem die Sonnenstrahlung auf die Erdkugel trifft, ist letztlich der Grund dafür, daß es verschiedene Klimazonen auf der Erde gibt (tropisches, subtropisches, gemäßigtes, kaltes und polares Klima). Darauf weist auch die Bedeutung des Wortes `Klima', das dem Griechischen entstammt und "ich neige" bedeutet. In niederen Breiten ist der Neigungswinkel der Sonnenstrahlung steil, in höheren dagegen flach. Daher empfangen die niederen Breiten beiderseits des Äquators relativ viel solare Energie pro Flächeneinheit, die höheren Breiten zu den Polen hin zunehmend weniger, was einen Energieüberschuß in den tropischen Regionen und ein Defizit nördlich und südlich davon zur Folge hat. Die sich daraus ergebenden kalten und warmen Zonen bedingen Unterschiede im Luftdruck, wodurch unter Einwirkung der Erddrehung das atmosphärische Zirkulationssystem entsteht, das im Mittel Energie von den tropischen in die höheren Breiten transportiert. Hinzu kommen die Einstrahlungsunterschiede zwischen Tag und Nacht, Sommer und Winter, die die atmosphärische Zirkulation weiter beeinflussen. Auch die Sonneneinstrahlung selbst ist über mittlere und größere Zeiträume nicht gleichbleibend, wie der Begriff Solarkonstante (die an der Obergrenze der Atmosphäre auftreffende Energie von 1368 W/m²) glauben macht. Sie hat sich im Laufe der Erdgeschichte in den letzten 4 Milliarden Jahren um 25-30% erhöht und unterliegt gegenwärtig auf Zeitskalen von 11 und 80 Jahren charakteristischen Schwankungen, die auch den Energiehaushalt der Atmosphäre geringfügig beeinflussen.

Natürlicher Treibhauseffekt

• Hauptartikel: Treibhauseffekt

Auch die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre, die sich im Laufe der Erdentwicklung deutlich verändert hat, spielt für das Klima eine große Rolle. Dabei ist bemerkenswert, dass die Hauptbestandteile Stickstoff (78,1%), Sauerstoff (20,9%) und Argon (0,93%) nicht klimarelevant sind, die nur in sehr geringen Mengen vorkommenden Spurengase Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid aber durch ihre Strahlungswirksamkeit das Klima sehr deutlich beeinflussen. Sie sind für den sogenannten natürlichen Treibhauseffekt verantwortlich, durch den die globale Mitteltemperatur von -18 °C auf 15 °C erhöht wird, wodurch flüssiges Wasser und damit Leben im großen Stil auf der Erde überhaupt erst möglich ist. Für das irdische Leben, aber auch für das Klima spielt zudem das Spurengas Ozon eine wichtige Rolle. Es wirkt in der unteren Atmosphäre, wo es nur in geringen Mengen vorkommt, als Treibhausgas und absorbiert in der Stratosphäre die ultraviolette Strahlung der Sonne.

Literaturangaben

• Hupfer, P (1998): Klima und Klimasystem, in Lozan, J.L., H. Graßl und P. Hupfer: Warnsignal Klima. Wissenschaftliche Fakten, Hamburg, S. 17-24

Klimamodell-Experimente zum Thema

Mit dem einfachen Klimamodell Monash Simple Climate Model (MSCM) können Experimente zur Bedeutung der Atmosphäre im Klimasystem durchgeführt werden:

• Experiment zur Bedeutung der Atmosphäre im Klimasystem Durchführung des Experiments mit dem MSCM

• Bedienungsanleitung Kurzanleitung zur Nutzung des MSCM

Kontakt: Dieter Kasang