Kitabı oku: «Klimaschutz und 1,5 °C Leitplanke?»

3 Ursachen für das Auftreten von Kalt- und Warmzeiten

Die Suche nach den Ursachen für die Eiszeitalter der Erdgeschichte gehört auch heute noch zu den spannendsten Herausforderungen der Paläoklimatologie. Zahlreiche zyklische und nichtzyklische Prozesse wirken auf das Klima der Erde ein und verstärken oder neutralisieren sich gegenseitig. Viele der Einflussgrößen sind wissenschaftlich verstanden, andere sind als grundsätzlicher Wirkungszusammenhang plausibel, aber noch nicht quantifiziert, was auch daran liegt, dass das Wissen spärlicher wird, je weiter man in der Vergangenheit zurückgeht. Grundsätzlich kann bei der Ursachenforschung der natürlichen Klimaveränderungen zwischen terrestrischen und extraterrestrischen bzw. astronomischen Einflüssen unterschieden werden.

3.1 Terrestrische Ursachen

3.1.1 Kontinentaldrift – Bewegung der Lithosphärenplatten

Betrachtet man die Erde aus einer Raumschiffumlaufbahn, so sieht man eine wunderschöne, blau-weiße Kugel im Samtschwarz4 des Weltalls schweben, Abb. 1, und erkennt, abgesehen von den Wolken, den Zimmerglobus. Nach Auffassung der Geologen entspricht der Anblick jedoch nur einer Momentaufnahme, einer zufälligen, vorübergehenden Anordnung von Land und Meer, die sich im nächsten Moment schon wieder verändert. Die Kontinente der Erde hatten nicht immer die Lage und das Aussehen, das sie heute haben. Verantwortlich hierfür ist der sogenannte Kontinentaldrift, auch Kontinentalverschiebung genannt, was bedeutet, dass die Kontinente sich fortwährend auseinanderbewegen und wieder zusammentreffen. Der deutsche Wissenschaftler Alfred Wegener (1. 11. 1880–November 1930) beschrieb als Erster die langsame Bewegung, Vereinigung und Aufspaltung von Kontinenten.

Wegener folgerte aus der genauen Passung der Küstenlinien von Afrika und Südamerika, dass diese Bruchstücke eines ehemals größeren Kontinents gewesen sein könnten, der in der erdgeschichtlichen Vergangenheit auseinandergebrochen war. Er konnte durch vielfältige Untersuchungen seine Theorie erhärten. Dazu zählen u. a. folgende von ihm zusammengetragenen Argumente (Abb. 11):

 Faltengürtel und Scherzonen aus Südamerika lassen sich in Afrika mit ähnlichen Gesteinsfolgen vergleichen.

 Auf allen Südkontinenten finden sich Klimazeugen der permo-karbonen Eiszeit.

 Bestimmte fossile und gegenwärtig lebende Floren und Faunen beiderseits des Atlantik stimmen überein.

 Fossilien kälteliebender Landpflanzen mit zungenförmigen Blättern (des Farns Glossopteris) waren auf allen Südkontinenten verbreitet.

 Fossile Überreste von Mesosaurus, eines im Süßwasser lebenden Reptils, konnten sowohl in Afrika als auch in Südamerika nachgewiesen werden.

Abb. 11: Die farbig dargestellten paläobiogeographischen Verbreitungsgebiete von Cynognathus, Mesosaurus, Lystrosaurus und Glossopteris untermauern, dass sie ehemals Teil eines größeren Kontinents (Gondwana) waren. (25)

Aufgrund der in Abb. 11 dargestellten paläobiogeographischen Verbreitungsgebiete rekonstruierte Wegener einen Superkontinent, den er Pangaea (griech.: „Ganz-Erde“) nannte, der alle Landmassen umfasste, Abb. 12.

Abb. 12: Der Superkontinent Pangäa, während der Trias vor ca. 240 Millionen Jahren. (25)

Wegen Fehlens einer plausiblen Erklärung der Verschiebung konnte sich die Theorie der Kontinentaldrift jedoch lange nicht durchsetzen. Erst die Entwicklung der Plattentektonik-Theorie um 1960, also 30 Jahre nach Wegeners Tod, brachte die allgemeine Anerkennung der Kontinentaldrift. Der Begriff Plattentektonik resultiert aus der Erkenntnis, dass es eigentlich nicht die Kontinente selbst sind, die sich gegeneinander verschieben, sondern dass diese auf Platten der Erdkruste sitzen, die auseinanderdriften, weil sie auf dem zähflüssigen Magma der Erde schwimmen, Abb. 13. Die kontinentale Erdkruste ist 20 bis 70 km dick, die ozeanische nur ca. 6 km. Die Kruste bildet eine extrem dünne Schale (nur 0,2–0,8 % des Erdradius und nur 0,4 % der Gesamtmasse der Erde) einer immer noch glühend heißen Kugel. Wir leben also auf einem höchst zerbrechlichen Planeten. Die Erdkruste ist im Vergleich so dünn wie eine Eierschale, aber nicht so geschlossen. Die wichtigsten geodätischen Verfahren zur Messung der Plattenbewegungen sind: Das GPS (Global Positioning System), mit Hilfe autonom arbeitender Messstationen, das Satelliten-Laser-Radar (SLR)-System und die Very Long Baseline Interferometry (VLBI). (26) Letzteres ist Abb. 14 zugrunde gelegt.

Abb. 13: Tektonik – Plattengrenzen mit Kontinenten. (25)

Wenn auch die Rekonstruktion der Geschichte der Plattenbewegungen viel Spekulation enthält, kann man davon ausgehen, dass die Welt vor 500 Millionen Jahren ganz anders aussah als heute. Am Ende des Paläozoikums vor ca. 250 Millionen Jahren, zur Zeit des Perms, vereinigen sich alle Kontinente der Erde zu einem einzigen, riesigen Kontinent Pangäa (Abb. 12). Er ist umgeben von dem einzigen Ozean, genannt Panthalassa. Das Klima war allgemein kühler als heute. Mitteleuropa liegt mit heißem Wüstenklima fast am Äquator. Im Gegensatz dazu werden weite Teile der Südhalbkugel (Afrika, Indien, Südamerika, Australien) von riesigen Eismassen bedeckt. Vor ca. 220 Millionen Jahren, in der Trias, beginnt der Superkontinent Pangäa zu zerbrechen. Im Alttertiär vor ca. 65 Millionen Jahren sind Afrika, Arabien und Vorderindien vom eurasischen Kontinent getrennt. Zwischen Europa und Nordamerika besteht eine Landbrücke, die einen Austausch der Säugetierfaunen ermöglicht. Im Jungtertiär vor ca. 30 Millionen Jahren entstehen die großen Faltengebirge Alpen und Himalaja. Die Polgebiete und Kontinente nähern sich ihrer heutigen Position und erhalten allmählich ihre jetzige Gestalt. Während dieser Epoche war der Südpol mit Eis bedeckt, der Nordpol jedoch noch eisfrei. Tropische Regenwälder bedeckten Europa und Nordamerika. Zu Beginn des Tertiärs ist das Klima noch gleichförmig und warm, die Polargebiete sind waldbedeckt (Kohle in Grönland und Spitzbergen!). Gegen Ende des Alttertiärs beginnt dann ein deutlicher Temperaturrückgang. Die mittlere Jahrestemperatur in Europa sinkt von über 20 °C auf 12 °C am Ende des Tertiärs (Abb. 7).

Die im Tertiär begonnene kontinuierliche Abkühlung setzt sich im Quartär (ca. 2 Millionen Jahre v. H.) fort. Die mittlere Jahrestemperatur erreicht an der Pliozän-Pleistozän-Grenze 10 °C, was zur Vereisung der Nordhalbkugel führt. Das Eis dringt bis Mitte Deutschland vor. Erst Ende der Würmeiszeit, mit dem Übergang zum Holozän, weicht das Eis wieder endgültig nach Norden zurück. Die Kontinentaldrift ist ein kontinuierlicher, dynamischer Vorgang. Die einzelnen Platten bewegen sich mit ca. 0,5 bis 10 cm pro Jahr (Abb. 14, Indexziffer 157).

Abb. 14: Heutige Bewegung der tektonischen Platten, der Lithosphäre. Die Pfeile zeigen die Bewegungsrichtung, die Ziffern die Geschwindigkeiten in mm/Jahr der Platten. (26)

Man unterscheidet drei Arten von Plattengrenzen: An divergenten Plattengrenzen bewegen sich die Platten voneinander weg. Ein Beispiel sind die Mittelozeanischen Rücken (Gebirge), die in nahezu allen Weltmeeren vorhanden sind. Bedingt dadurch, dass der ständig entstehende Raum zwischen den auseinanderweichenden Platten mit Magma gefüllt wird, ist die divergente Plattengrenze durch Vulkanismus und Erdbebentätigkeit gekennzeichnet. Bei konvergenten Plattengrenzen stoßen die Platten gegeneinander. Dabei taucht die eine Platte unter die andere in den Erdmantel ab. Dieser Vorgang wird Subduktion genannt, Abb. 17 und 18. Die Wechselwirkung zwischen der abtauchenden und der sich darüber bewegenden Platte setzt sich entlang der Kontaktfläche über viele Kilometer und bis in Tiefen von über 100 km fort. Dabei kommt es zu einem bedeutenden Austausch von Gesteinsmassen sowie von Flüssigkeiten und Gasen. Dieser Austausch führt zu einem intensiven Vulkanismus. An den Rändern der kollidierenden Platten gibt es weltweit die meisten Vulkaneruptionen. Da der Pazifik von konvergenten Plattengrenzen umgeben ist, gibt es rund um den Pazifik Vulkane in großer Zahl. Der Begriff Feuergürtel des Pazifiks ist auf diesen Vulkanismus zurückzuführen. (27) Transformplattengrenzen sind gegeben, wenn zwei Platten aneinander vorbeigleiten. Dieser Vorgang erfolgt nicht kontinuierlich, sondern ruckartig, wodurch Erdbeben entstehen. Die San-Andreas-Verwerfung vor Kalifornien ist ein Beispiel für eine Transformplattengrenze. Die Mechanismen der Plattenbewegungen werden auf den S. 55 ff. detaillierter beschrieben.

Obwohl es keine Möglichkeit gibt zu wissen, wie die Erde in weiter Zukunft aussehen wird, kann man doch versuchen die gegenwärtigen Plattenbewegungen in die Zukunft zu projizieren und ein wohlbegründetes Szenario erstellen. Gemäß der von dem amerikanischen Geologen Christopher Scotese (28) angestellten Vermutungen wird die Erde in 50 Millionen Jahren etwas schief aussehen. Nordamerika wird sich leicht gegen den Uhrzeigersinn drehen; Eurasien wird sich im Uhrzeigersinn drehen und England dem Nordpol näher bringen. Sibirien dreht sich südwärts zu warmen, subtropischen Breitengraden. Afrika wird mit Europa und Arabien kollidieren (das wird aber ein Getöse geben) und damit das Mittelmeer und das Rote Meer schließen (nichts mehr mit „Ballermann“). Von Spanien, quer durch Südeuropa, den mittleren Osten bis nach Asien werden sich Gebirge von der Dimension des Himalajas erheben. Die Heraushebung von Festland in bedeutende Höhen verändert in erster Linie groß- und kleinräumig die Luftströmungen. Die Änderung der Zirkulationsmuster in der Atmosphäre brachte einst die notwendige Feuchtigkeit auf die Kontinente, die zur Vergletscherung weiter Teile der Nordhalbkugel beitrug. Weiters wird mit der Kontinentaldrift der Atlantische Ozean „geschlossen“, was zwangsläufig das Ende des Golfstromes, unserer derzeitigen „Fernheizung“, bedeutet. Schließlich wird in ca. 250 Millionen Jahren der Großteil der Landmassen wieder zu einem Superkontinent fusionieren, den Scotese Pangäa Ultima nennt, Abb. 15. Wie sich zeigt, liegt die übergeordnete Kontrolle der zwei Hauptmodi des globalen Klimas, Warmzeit Kaltzeit, in der Konfiguration der Kontinente, und damit der globalen Verteilung der Energie durch die ozeanischen und atmosphärischen Systeme.

Abb. 15: Kontinentaldrift, Verteilung der Landmassen nach C. Scotese, von heute bis „Pangäa Ultima“ in 250 Millionen Jahren. (28)

Wenn auch die Realität der Kontinentaldrift heute kaum noch bezweifelt wird, so besteht über die Kräfte im Erdinneren, die die Bewegungen der Platten auslösen, fast noch so viel Unklarheit wie zu Zeiten Wegeners.

Zwecks besserem Verständnis der Plattentektonik zunächst etwas zum inneren Aufbau der Erde (Abb. 16). Die Zahlen und Daten in Abb. 16 sind allerdings nicht immer ganz gesichert, und der physikalisch-chemische Zustand des Erdkerns wird von einigen Autoren unterschiedlich beurteilt. Sehr grob gesehen ist die Erde in zwei mächtige Schalen gegliedert: Den Erdkern und den Erdmantel.

Abb. 16: Schalenaufbau und physikalische Eigenschaften der Erde. (29)

Aus seismischen Messungen weiß man, dass der Erdkern in eine innere feste, und äußere zähflüssige Schale unterteilt ist. Vermutlich besteht der feste Erdkern aus Eisenlegierungen (Eisen und Nickel), der zähflüssige, äußere Kern dürfte aus Eisen und einigen Zusatzmetallen, die leichter als Nickel sind, bestehen. Eine Erklärung für den festen Erdkern ist, dass bei Drücken von bis zu 4 Millionen Atmosphären der Schmelzpunkt von den entsprechenden Stoffen so hoch ist, dass sich diese, selbst bei sehr hohen Temperaturen von ca. 5.000 °C, nicht mehr verflüssigen können. Der größte Teil der Energie aus den Tiefen der Erde kommt in Form von Wärme an die Oberfläche und wird von dort in den Weltraum abgestrahlt. Der mittlere Wärmefluss an der Oberfläche beträgt ca. 82 mW/m². Bei einer Oberfläche der Erde von 5,1 x 1014 m² bedeutet das eine Leistung von 4,2 x 1013 Watt (42 Terawatt, Tw). Die im Erdinneren produzierte Wärme muss nach außen abgeführt werden, sonst würde die Temperatur so weit ansteigen, dass die Erde verdampft. Der wesentliche Anteil der in der Erde produzierten Wärme ist auf den Zerfall radioaktiver Elemente zurückzuführen. (30) Das Magnetfeld der Erde wird vermutlich durch Konvektionsströme an der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel erzeugt. Der so entstehende „Geodynamo“ ist ein sich selbst anregendes Phänomen und als Ergebnis verhält sich die Erde wie ein riesiger Stabmagnet.

Die heute von den meisten Geologen vertretene Theorie zur Plattentektonik geht, wie oben dargestellt, von langsamen Konvektionsströmen aus, die sich durch den Wärmeübergang zwischen dem heißen Erdkern und dem Erdmantel ergeben. Schon während des Zweiten Weltkrieges zeigten Untersuchungen mit den (ursprünglich zur U-Boot-Abwehr entwickelten) Sonaren, dass der Meeresboden unterirdische Gebirge und Gräben aufweist. Es war der amerikanische Geologe Harry H. Hess, der im Jahre 1962 mit seiner Veröffentlichung „History of Ocean Basins“ („Geschichte der Meeresbecken“) eine Lösung für den Ursprung der Plattentektonik vorschlug. (31) Im Wesentlichen behauptete Hess, dass an den unterirdischen Gebirgen Gestein austritt, und dass die Kontinente passiv auf Erdmantelmaterial auseinanderbewegt werden. Es gab also keine „Kontinental-Verschiebung“, sondern eine Ausdehnung des Meeresbodens. Man nennt den Mechanismus deshalb Ozeanboden-Spreizung (Seafloor-spreading). (32) Die Vorgänge unter den Meeren und die Bewegung der Kontinente hängen also eng zusammen. Es wird angenommen, dass zwei Prozesse für die Ozeanspreizung verantwortlich sind. Einmal schiebt, infolge der Schwerkraft, das Gewicht des ozeanischen Gebirges den Rest der Platte meistens in Richtung einer Subduktionszone (engl.: „ridge-push“). Da andererseits die kalte ozeanische Platte ein höheres spezifisches Gewicht hat als das heiße Mantelmaterial, wird diese, nach dem Prinzip des Archimedes, an der Subduktionszone unter die darüber liegende Platte gezogen. Welcher der beiden Prozesse dominiert ist ungewiss (Abb. 17 und 18).

Abb. 17: oben: Ein ozeanischer Gebirgszug (oceanic ridge), der, wegen der Plattentektonik, in seiner Mitte (Achse) einen Graben hat. rechts: Schematische Darstellung, wie eine ozeanische „Kruste“ bei der Gebirgsbildung (Mitte) entsteht, während diese an einem Tiefseegraben (unten) unter die darüber liegende Platte „gezogen“ wird. (33)

Abb. 18: Querschnittzeichnung der Plattentektonik mit den Haupttypen der Plattengrenzen – gemäß der aktuellen Theorie. (34)

Wie in Abschnitt 3.1.1 beschrieben, entsteht an den Mittelozeanischen Rücken neue Erdkruste. Diese driftet durch die Ozeanbecken und versinkt in der Nähe der Tiefseegräben, den Subduktionszonen, wieder im Erdmantel. Vgl. auch Abb. 81, S. 185. Man nennt diesen Zyklus auch Kreislauf der Gesteine.

Da die Erde eine gegebene endliche Oberfläche und während der letzten 600 Millionen Jahre ihre Größe kaum verändert hat, kann die Krustenbildung von ca. 2 cm pro Jahr nicht unablässig weiter wachsen. Es muss also auch eine „Krustenvernichtung“ geben, die mit der Krustenbildung im Gleichgewicht steht. Dieser der Krustenbildung gegenteilige Prozess findet, wie oben beschrieben, durch ein Abtauchen der Ozeanböden an den Subduktionszonen, auch Tiefseegraben genannt, meist in der Nähe zu einem Kontinent (Abb. 17 und 18) statt. Dabei werden die Gesteine der absinkenden ozeanischen Kruste wieder eingeschmolzen, sodass ein globaler Kreislauf der Gesteine entsteht. Die submarinen Gebirge (mid-ocean ridges) durchziehen alle Ozeane. Sie sind untereinander verbunden und bilden mit ca. 60.000 km die längste Gebirgskette der Erde (Abb. 19).

Abb. 19: Das globale System der Meeresgebirge. (35)

Aus den thermischen Modellen ergibt sich, dass die Erde keine starre Kugel ist, sondern ein dynamisches Gebilde. Die Konvektionsbewegungen im Innern der Erde sind letztendlich verantwortlich für die an der Oberfläche beobachteten Plattenbewegungen, der Drift der Kontinente. Trotz der oben dargestellten schlüssigen Beweise für die Hess’sche Hypothese der Seebodenspreizung, fehlte eine wirklich überzeugende Bestätigung der Grundidee. Erst mit Hilfe der Paläomagnetik sollte der fehlende Nachweis der Richtigkeit der Hess’schen Hypothese gelingen.

Etwa zur gleichen Zeit als die Theorie der Seebodenspreizung vorgeschlagen wurde, war auch bekannt, dass, aus noch ungeklärten Gründen, der magnetische Nord- und Südpol der Erde unregelmäßig ihre Lage vertauschen. Solche Umpolungen, die etwa alle Millionen Jahre erfolgen, konnten in den magnetischen Aufzeichnungen fossiler übereinanderliegender Lavaergüsse nachgewiesen werden. (36) Es war Ende der Fünfziger Jahre, als mehrere Expeditionen den Auftrag hatten, den magnetischen Charakter des Meeresbodens zu vermessen, in der Erwartung, dass der Meeresboden weitestgehend regelmäßige magnetische Eigenschaften aufweisen würde. Überraschenderweise war jedoch das Ergebnis, dass der basaltische Meeresboden ein Streifenmuster aufwies, das im Wesentlichen parallel zu den Ozeanrücken verlief.

Außerdem stellte man fest, dass diese „Zebrastreifen“ auf der einen Seite eines submarinen Gebirges symmetrisch mit den Streifen auf der anderen Seite in Breite und Polarität zusammenpassten (Abb. 20).

Abb. 20: Eine moderne Karte der symmetrisch magnetischen Anomalien in der Nähe des Nordatlantischen Rückens, südlich von Island (nach Hiertzler et al. 1966). (37)

Da die meisten Felsen magnetische Materialien wie z. B. Magnetit (Fe2O4), Hämatit (Fe2O3) enthalten, bleibt bei der langsamen Erstarrung von Magma oder Ablagerung von Sedimenten die Magnetisierung, die diese Gesteine im damaligen Erdfeld angenommen haben, erhalten. Die dabei entstehende Streifenstruktur, die weltweit übereinstimmt, erlaubt eine Altersbestimmung der Ozeanböden. Nahe des Mittelozeanischen Rückens, den Quellzonen, ist der Boden sehr jung, nach außen wird er immer älter. Die Ergebnisse der magnetischen Messungen werden als eine Bestätigung für die Seebodenspreizung und die Kontinentaldrift gesehen. (37)

Es sind also nicht die Kontinente selbst, die sich gegeneinander verschieben, sondern die Erdteile, auf denen sie passiv sitzen. Diese Teile sind es, die auseinander- und zusammendriften, weil sie auf dem zähflüssigen Magma der Erde schwimmen. Die Plattendynamik ist auch eine mögliche Erklärung für die Orogenese, die Gebirgsbildung an den Plattenrändern. Die Orogenese ist ein komplizierter Prozess, den wir bis heute nur teilweise erklären können.

Welche Auswirkungen haben nun die langsam über Millionen von Jahren laufenden plattentektonischen Prozesse auf das Klima?

Wenn auch die Kontinentaldrift für uns Menschen mit unserer kurzen Lebensspanne ein kaum wahrnehmbarer Vorgang ist, sind die globalen und langfristigen Auswirkungen gleichwohl von gravierender Bedeutung. Die magnetischen Messungen bestätigen die bereits oben gemachten Ausführungen, wonach die Konfiguration der Kontinente die entscheidende Rolle für das Klima spielt. So führt in geologischen Zeiträumen die Kontinentaldrift zu der Schließung oder Öffnung von Meeresarmen, was sowohl die ozeanische wie auch die atmosphärische Zirkulation derart verändern kann, dass der Transport von Wärme und Feuchtigkeit in ganz andere Richtungen gelenkt wird. Beide Systeme spielen für das Wettergeschehen die wichtigste Rolle. Weiters besteht ein auffälliger Zusammenhang zwischen Vulkanismus und der Plattentektonik. So sind Vulkanismus und Erdbeben Ausdruck der spannungsreichen plattentektonischen Prozesse. Auch sie beeinflussen Klima und Umwelt und können Lebensräume von heute auf morgen zerstören.

Als logische Fortsetzung zu den obigen Ausführungen werden wir uns nun mit dem Vulkanismus und den Auswirkungen der großen Zirkulation der Atmosphäre und der Meeresströmungen beschäftigen.

3.1.2 Vulkanismus

Man nimmt an, dass sich zuerst in dem solaren Urnebel kilometergroße Körper formten, sogenannte Planetesimale. In einer solch dicht besiedelten Scheibe könnte dann ein kollisionsgetriebenes Wachstum eingesetzt haben, das zur Bildung der Planeten führte. So entstand zunächst auch eine Protoerde mit etwa einem Zehntel der heutigen Erdmasse. Die Uratmosphäre wird durch den intensiven Sonnenwind „weggeblasen“, da sie wegen der hohen Temperaturen und der damals geringen Gravitationskraft des Erdkörpers nicht gehalten werden konnte. (38)

Vor etwa 4,2 Milliarden Jahren erreichte die Erde ihre gegenwärtige Größe und konnte sich über Wärmestrahlung soweit abkühlen, dass sich flüssiges Wasser, das noch siedend heiß war, auf ihr halten konnte. Es kam zu einem extrem langen Dauerregen von etwa 40.000 Jahren, an dessen Ende sich die Ozeane gebildet hatten. Gleichzeitig wurden durch heftigen Vulkanismus unglaubliche Gasmengen nach außen befördert, die zur Bildung einer neuen Atmosphäre beitrugen. Vulkanismus und Atmosphäre sind offensichtlich seit der Entstehung der Erde eng miteinander verknüpft.

Was ist nun Vulkanismus?5 – Vulkanismus ist der Transport von Material (fest, flüssig gasförmig) und Wärme aus dem Inneren eines planetaren Körpers in seine Kruste und/oder seine Oberfläche. (39) Dabei nennt man die unter der Oberfläche befindliche glutflüssige, gashaltige Gesteinsschmelze Magma. Die an die Oberfläche austretende Gesteinsschmelze nennt man Lava (1.000 bis 1.300 °C warm).

Wie schon angedeutet kann der Vulkanismus der Erde nur zusammen mit der Plattentektonik, den konvergierenden und divergierenden Platten, verstanden werden. Die Plattentektonik ist der Motor des Vulkanismus. Von den heute ca. 550 aktiven Vulkanen sitzen rund 90 % an den Plattenrändern, den Schwächezonen (Subduktionszonen) der Erde. Die meisten und heftigsten Vulkanausbrüche befinden sich dabei an den Konvergenzgrenzen der pazifischen Platte, dem sogenannten „Pacific Ring of Fire“, Abb. 21.

Abb. 21: Der „Ring of Fire“ ist ein direktes Ergebnis der Plattentektonik. Er ist ca. 40.000 km lang und eine Region mit vielen schweren Erdbeben und Vulkanausbrüchen. (40) Die Vulkane sind als rote Punkte eingezeichnet.

Der „Feuerring“ ist die Heimstatt von rund 452 Vulkanen und damit von über 75 % der aktiven und schlafenden Vulkane der Erde. Auch ca. 90 % aller Erdbeben ereignen sich entlang des Feuerrings. (41) Interessant ist, dass es an der Andreas-Verwerfung bei Kalifornien keine Vulkanaktivitäten gibt. Die Erklärung ist, dass an dieser Stelle keine konvergente, sondern eine Transformplattengrenze vorliegt. Deshalb ereignen sich in diesem Gebiet „nur“ Erdbeben! (s. hierzu die Definition der Plattengrenzen. S. 55 f)

Im Gegensatz zu den kollidierenden Platten im Feuerring ist eine zweite Gruppe von Vulkanen an den Grenzen der divergierenden Platten des Mittelozeanischen Rückens angesiedelt. Die gesamten heutigen Ozeanböden entstanden in den letzten 200 Millionen Jahren, indem die Trennungsnarben der auseinanderdriftenden Platten mit basaltischen Lavaströmen der Vulkane aufgefüllt wurden. Ein Prozess, der bis heute anhält. An einigen Stellen der Erde reichen die Basaltmassen der Ozeanischen Rücken bis über den Meeresspiegel und bilden Inseln. Ein Beispiel hierfür ist Island. Messungen haben ergeben, dass sich Island im Zustand der Dehnung befindet. Die Platten entfernen sich jährlich etwa 2 cm voneinander. Der Vulkanismus sorgt für ständigen Nachschub von geschmolzenem Gesteinsmaterial aus dem Erdinneren, sodass die Insel nicht auseinander bricht.

Unabhängig von Plattengrenzen finden sich auch inmitten von Kontinenten und Ozeanen auftretende Vulkangruppen. Sie entstehen durch thermische Anomalien im tieferen Erdmantel, der Asthenosphäre, und werden Hot Spots genannt. Die Theorie des Hot Spot-Vulkanismus wurde erstmals 1963 von dem Geologen John Tuzo Wilson formuliert. (42) Hot Spots sind lokale, ortsstete und über lange geologische Zeiträume hinweg bestehende Aufschmelzschlote, die sogenannte Mantel-Plume, unterhalb der Lithosphäre. (43) Da sich die Lithosphärenplatten schneller bewegen als die Asthenosphäre (Ort des Hot Spots), schweißt sich das Mantelmaterial durch die Platte und bildet nach und nach Vulkangebäude, die solange mit Schmelze versorgt werden, wie sie oberhalb der Mantelanomalie liegen. Auf diese Weise entstehen ozeanische Vulkanketten wie die Hawaii-Inseln.

Abb. 22: Hawaiianische Inselkette, ein Ergebnis des Hot Spot-Vulkanismus. Die meisten Inseln in den Ozeanen sind vulkanischen Ursprungs. (43)

Neben der Hawaiianischen Inselkette, das bekannteste Ergebnis des Hot Spot-Vulkanismus, gibt es viele andere Hot Spots. Manche liegen nahe divergierender Plattengrenzen, andere sind nahe des Mittelozeanischen Rücken-Systems angesiedelt, wie unter Island, den Azoren und den Galapagos Inseln.

Wie die Abb. 22 unten zeigt, nimmt das Alter der Inseln von Hawaii nach Nordwesten zu.

Aus radiometrischen Altersbestimmungen wissen wir heute, dass Hawaii, die größte und südöstlichste Insel des Archipels, weniger als eine Million Jahre alt ist, während die kleine nordwestliche Insel Kauai ein Alter von etwa 5,6 Millionen Jahren aufweist. Diese Altersverteilung spricht eindeutig dafür, dass sich die pazifische Platte derzeit in Nordwest-Richtung über einen stationären Hot Spot hinweg bewegt. (44)

Die Explosivität eines Vulkanausbruchs wird nach dem VEI (volcanic explosivity index) gemessen. Der VEI ist eine logarithmische Skala mit 9 Stufen (0–8), wobei die Erhöhung um eine Stufe einer Verzehnfachung der Explosivität entspricht. Ausgenommen ist der Übergang von 0 auf 1, was einer Verstärkung um den Faktor 100 entspricht. Gemäß Definition entspricht ein VEI von 0 der effusiven Tätigkeit, bei der nur Lavaströme, oder Lavaseen entstehen. (45) Effusionen der Stärke 0–1 werden „Hawaiianische Eruptionen“ genannt; sie sind typisch für die Vulkane Hawaiis. Das Magma enthält wenig Gas und ist mit ca. 1.000 °C dünnflüssig. Eine „Strombolianische Tätigkeit“, benannt nach dem daueraktiven Vulkan Stromboli vor Sizilien, wird mit VEI 1–2 definiert. Die Durchschnittshöhe der Eruptionen beträgt wenige 100 m. Die „Vulkanische Tätigkeit“, benannt nach dem Vulkan Vulcano, wird mit VEI 3–4 bewertet. Hier kommt es zu stärkeren Explosionen, wobei Partikel bis zu 20 km hochgeschleudert werden. Die „Plinianischen Eruptionen“, benannt nach Plinius dem Jüngeren, werden mit einem VEI von 5–8 bewertet. Bei diesen kraftvollen Ausbrüchen können schirmförmige Eruptionswolken bis zu 60 km hoch aufsteigen.

Aktivitäten, bei denen sich ausschließlich Pyroklastische Ströme (Feststoff-Gas-Dispersion, die sich sehr schnell mit bis zu 400 km/h und 800 °C heiß hangabwärts bewegt), Glutwolken und Glutlawinen bilden, nennt man „Peleanische Eruption“. Sie sind nach dem Vulkan Pelée auf Martinique in der Karibik benannt. Bei einer Eruption im Jahre 1902 wurde die Stadt Saint-Pierre von einer Glutwolke zerstört, wobei 29.000 Menschen starben.

Abb. 23: Verschiedene Ergüsse beim Ausbruch eines Vulkans. (46)

Tephra ist ein Sammelbegriff für alle festen Materialien, Lava, Asche oder Gestein, die ein Vulkan ausstößt. Lahare sind Schlammströme, die neben Wasser aus 60–85 % Feststoffen bestehen. Mit ihrer großen Geschwindigkeit, 4–8 m/Sekunde, und dem damit verbundenen Massentransport sind sie eine große Gefahr für die in Vulkangebieten ansässige Bevölkerung.

Dome (Lavapropf) entstehen durch Aufstauen hochviskoser, an der Oberfläche fast erstarrter Magmen. Sie können explodieren oder kollabieren. Häufig entstehen dabei pyroklastische Ströme. Vulkanausbrüche sind ein wichtiger Faktor natürlicher Klimaschwankungen. Einen nennenswerten Einfluss auf das globale Klimasystem haben insbesondere hochexplosive Vulkanausbrüche, da dann große Mengen von Aerosolen6 bis in die Stratosphäre geschleudert werden können. Ein weiterer wichtiger Faktor für einen Klimaeffekt ist die geographische Breite von Eruptionen. Insbesondere Vulkanausbrüche in Äquatornähe haben einen globalen Klimaeffekt, da hier die Zirkulation in der Stratosphäre die Aerosole um den ganzen Globus transportiert.

Systematische Analysen der Atmosphäre mit Hilfe von Flugzeugen und Satelliten zeigten, dass Ascheteilchen innerhalb weniger Tage ausgewaschen werden und damit nur einen kurzfristigen Einfluss auf das Klima haben. Die dagegen länger in der unteren Stratosphäre verbleibenden Aerosole haben eine kühlende Wirkung. Der abkühlende Effekt dieser Aerosole entsteht durch Rückstreuung des einfallenden Sonnenlichts, also Erhöhung der planetaren Albedo7, und Absorption langwelliger Strahlung, Abb. 24 unten.

Abb. 24: Gasausstoß bei einer Vulkaneruption. In der obigen Reaktionsformel bedeutet „hv“ ultraviolette Strahlung. Durch die UV-Strahlung dissoziieren (trennen sich) die Wassermoleküle (SO2 + hv + OH = H2SO4 à Erwärmung). (48)

Der Ausbruch des Tambora auf der Insel Sumbawa in Indonesien am 11. April 1815 hat dies eindrucksvoll bewiesen. Bei diesem gewaltigen Naturereignis, mit einem VEI von 7, wurden innerhalb weniger Tage 50 km Lockermaterial und Aschepartikel in die Atmosphäre geblasen. Die Folgen nahmen globales Ausmaß an. Es gab ca. 90.000 Tote. In Europa und dem Osten der USA kam es zu erheblichen Ernteausfällen und Hungersnöten. Das Jahr 1816 ist als „Jahr ohne Sommer“ in die Geschichte eingegangen. Zeitlich fiel die Tambora-Eruption mit dem Dalton-Minimum, einer Epoche niedriger Sonnenflecken-Relativzahl, zusammen (Abb. 10, S. 41 oben), was eine ergänzende Erklärung für den ungewöhnlich langen und starken Abkühlungseffekt sein könnte.

Mit großer Deutlichkeit geht auch aus Abb. 25 hervor, wie das globale Temperaturverhalten vorübergehend einem vulkanischen Einfluss unterliegt. Dies zeigt sich in der jüngeren Geschichte nach dem Ausbruch des mexikanischen Vulkans El Chichon im Jahre 1982 und des philippinischen Vulkans Pinatubo im Jahre 1991. So wird die Temperaturdämpfung durch den Ausbruch des El Chichon für 1983 auf 0,2 °C geschätzt. Ein Hinweis, wie sensibel das Klima auf eine Änderung des solaren Strahlungsflusses reagiert.

Abb. 25: Koinzidenz von Temperaturänderungen und Vulkanismus. (49) Die Umrechnungsformel von Grad Fahrenheit(°F) in Grad Celsius (°C) lautet: TC = 5/9 (TF-32)

Die obige Temperaturkurve ist geglättet, was auch aus dem Hinweis, dass es während des Betrachtungszeitraumes mindestens 75 größere Temperaturausschläge gegeben habe, hervorgeht.

Bisher haben wir uns mit dem Vulkanismus der Neuzeit von wenigen tausend Jahren beschäftigt. Verglichen mit größeren Ausbrüchen in der geologischen Vergangenheit könnte man ihn, trotz seiner globalen Auswirkung, als mäßig bezeichnen. Im Laufe der Erdgeschichte gab es wahrscheinlich Perioden extremer vulkanischer Tätigkeit, die auch zu Massenaussterben beigetragen haben könnten, Abb. 26 unten. Schon im Ordovizium, vor etwa 430 Millionen Jahren, gab es eine Katastrophe, die zur Extinktion von etwa 50–60 % aller Lebewesen führte. Später im Devon vor ca. 370 Millionen Jahren erlitt das Leben einen weiteren Rückschlag.

Vor ca. 250 Millionen Jahren, am Ende des Perms, geschah wohl das größte Aussterbeereignis der Erdgeschichte. Es wird vermutet, dass damals 95 % aller Lebewesen ausstarben. Abgeleitet ist der Name Perm vom Ort des Geschehens, dem ehemaligen russischen Gouvernement Perm am Fuße des Uralgebirges, wo der Supervulkan explodierte.

Zu den Massensterben gibt es verschiedene Erklärungen. Dabei sind die üblichen Verdächtigen, von Meteoriteneinschläge über Strahlung einer Supernova bis zum extremen Vulkanismus oder eine Kombination aller. Eine ehrliche Antwort wäre: Wir wissen es nicht.

Es gibt keine gesicherten Beweise dafür, dass das Massenaussterben und extremer Vulkanismus in ursächlichem Zusammenhang stehen. Die zeitliche Übereinstimmung der beiden Ereignisse wird jedoch als Hinweis auf eine ursächliche Verbindung gesehen.

Abb. 26: Die fünf größten Aussterbeereignisse der Erdgeschichte. (50)

Nach gängiger Meinung der meisten Geologen dürfte der Prozess bis zur Massen-Extinktion wie folgt verlaufen sein: Im unteren Perm, vor 250 Millionen Jahren, war durch die Kollision der Großkontinente der Superkontinent Pangäa entstanden (S. 47, u. Abb. 12). Ein starker Vulkanismus und eine Gebirgsbildungsphase, variszische Orogenese genannt, während u. a. der Ural aufgefaltet wurde, waren das Ergebnis dieser Kollision. In Sibirien konnte eine extrem starke Vulkantätigkeit mit einem VEI von 8, für Vulkanologen ein Supervulkan, nachgewiesen werden. Diese Eruptionen übertrafen mit Abstand alle bisherigen Vulkanausbrüche. Als Folge geschah wahrscheinlich das größte bekannte Massenaussterben der Erdgeschichte.

Das vulkanische Ereignis dauerte etwa eine Million Jahre. Die bei dem Ausbruch ausgestoßene Menge an basaltischer Lava bedeckt heute noch ca. 2 Millionen km². Schätzungen der durch die ursprünglich ausgestoßene Lava bedeckten Fläche belaufen sich auf bis zu 7 Millionen km². Die Mächtigkeit des Flussbasalts, auch Trapp genannt, beträgt mehr als 3.000 m. Die daraus abgeleitete Menge an ausgeflossener Basaltlava wird auf einen bis 4 Millionen km3 geschätzt. (51)

Offen bleibt noch die Frage, welche Auswirkungen die Explosion des Supervulkans auf das Klima hatte. Bei der Interpretation der Auswirkungen der Tambora-Eruption 1815 war das Ergebnis, dass es zu einer Abkühlung der Atmosphäre kam. Wie wir wissen, werden bei Vulkanausbrüchen nicht nur Aerosole mit einem negativen Temperatureinfluss, sondern auch sogenannte Treibhausgase wie Kohlendioxid CO2 und Methan CH4 gefördert, die einen gegenteiligen Effekt haben. In der Bilanz scheinen die temperatursenkenden Effekte zu überwiegen, was nach einem Ausbruch, wie des Tambora, zu dem beobachteten kühlen Sommer und kalten Winter führte. Der Grund für das Massensterben im Perm soll jedoch eine Temperaturerhöhung, sowohl der Atmosphäre als auch der Meere, um ca. 5 °C gewesen sein. Durch diese starke Erwärmung der Meere sollen große Mengen von Methanhydrat, auch Methaneis genannt, das in gefrorenem Zustand unter dem Meeresboden lagert, aufgetaut sein, was zur Freisetzung gewaltiger Mengen von Methan führte. Da das „Treibhauspotential“ von Methan rund 30 Mal größer ist als von Kohlendioxid, dürfte es zu einer weiteren Erwärmung um 5 °C gekommen sein. Als Ergebnis dieser Hypothese bleibt, dass eine globale Temperaturerhöhung um 10 °C ausreichte, um das Massensterben auszulösen. (52) Die Temperaturkurve in Abb. 7 zeigt am Übergang vom Perm zur Trias diesen Ausreißer.

Die angeführten, zum Teil kontroversen Interpretationen über die Auswirkungen von Vulkanausbrüchen auf das Klima zeigen, dass unsere Schlussfolgerungen von großer Unsicherheit geprägt sind. Rückblickend können wir über die räumliche Verteilung der ausgestoßenen Aerosole genau so wenig sichere Aussagen machen wie über ihre Menge oder Ausbreitung. Dasselbe gilt natürlich auch für die Abschätzung der Auswirkung eines Vulkanausbruchs in der Zukunft.

Da Supervulkane eine schicksalhafte Bedeutung für das Leben auf der Erde haben können, sollen ihr Charakter und Vorkommen noch kurz dargestellt werden (Abb. 27).

Abb. 27: Markierte Supervulkane, die in den letzten 2 Millionen Jahren tätig waren, zeigen Regionen auf der Erde an, wo weitere Ausbrüche möglich sind. (53) Sie schlummern unter allen Kontinenten.

Eine klare Definition für Supervulkane gibt es nicht. Erkennbar sind sie an den unvorstellbar großen und extrem gefährlichen Ausbrüchen. Mit einem VEI 8 sind die Eruptionen eines Supervulkans 10 bis 1.000 Mal stärker als die von „gewöhnlichen“ Vulkanen. Ein derartiger Ausbruch wäre in seinen Auswirkungen mit dem Einschlag eines Asteroiden von 1 km Durchmesser vergleichbar. Allerdings ist der Ausbruch eines Supervulkans 5 bis 10 Mal wahrscheinlicher als der Einschlag eines Asteroiden. Wie man den Medien immer wieder entnehmen kann, arbeiten Astronomen und Ingenieure gemeinsam an der Möglichkeit, Asteroiden frühzeitig zu erkennen, um sie dann zu zerstören bzw. vom Kurs abzulenken und damit eine Katastrophe zu verhindern. Die Gewalt eines Supervulkans zu beeinflussen ist dagegen nicht einmal als Science Fiction-Szenario denkbar. Die Menschheit sitzt auf einem Pulverfass, dessen Zündung sie weder voraussehen, noch beeinflussen kann.

(Wer mehr über Vulkane wissen möchte, dem empfehle ich im Internet folgende Seiten: www.geology.sdu.edu/how_volcanoes_work: für allgemeine Informationen und www.mpimet.mpg.de/en/wissenschaft/working-groups/super-volcanoes.html: eine Seite, in der die Supervulkane Yellowstone (USA, 640.000 Jahre vor heute) und der indonesische Supervulkan Toba (74.000 Jahre vor heute) für Simulationszwecke auserwählt wurden.)

Abb. 28: Querschnitt durch den Supervulkan Long-Valley-Caldera, im östlichen Kalifornien an der Grenze zu Nevada. (54)

Supervulkane sind in der Landschaft kaum zu erkennen, da ihre Ausmaße das menschliche Gesichtsfeld sprengen. So ist die elliptische Yellow-Stone-Caldera in den USA mit Abmessungen von 45 x 75 km so groß, dass sie erst auf Satellitenbildern deutlich erkennbar ist. Bei Ausbrüchen hinterlassen Supervulkane keine Vulkankegel wie „normale“ Vulkane, sondern riesige Calderen (Einbruchskessel) im Boden (Abb. 28). Ein weiteres Merkmal für Supervulkane ist eine besonders große Magmakammer unter dem Vulkangebiet. So ist die Magmakammer des Yellowstones-Vulkans 60 km lang, 40 km breit und 10 km hoch. Sie umfasst ca. 24.000 km³ Magma! Ein Ausbruch des Yellow-Stone-Vulkans erscheint möglich. Etwa alle 600.000 Jahre kommt es dort zur Katastrophe. Die letzte große Eruption liegt 640.000 Jahre zurück, eine neue ist also längst fällig! Ein Ausbruch würde den Westen der USA total verwüsten. Im 1.000 km entfernten Los Angeles ginge ein Regen nieder, der die Region mit 30 cm Asche bedecken würde. Bekanntlich vernichtet bereits eine Ascheschicht von 1 cm jede Ernte.

Mit dem Ausbruch würden auch Milliarden Tonnen von Schwefeldioxid in die Atmosphäre gelangen und sich mit dem Wasserdampf zu Schwefelsäure verbinden. Der Abkühlungseffekt der Aerosole könnte die Temperatur bis zu 10 °C über Jahre sinken lassen. Eine lang anhaltende Temperatursenkung könnte schließlich eine neue Eiszeit auslösen. Aber auch in Europa lauert die Gefahr einer apokalyptischen Katastrophe durch die Eruption eines Supervulkans. Geologen haben zwei dieser „schlafenden Riesen“ entdeckt. Zum einen unter den Phlegräischen Feldern bei Neapel und zum anderen im östlichen Mittelmeer nahe der griechischen Insel Kos.

Der Menschheit ist in geologisch junger Vergangenheit schon zwei Mal der Ausbruch eines Supervulkans widerfahren. Letztes Beispiel ist der Ausbruch des Taupo auf Neuseeland, der vor 26.500 Jahren ausbrach. Vor 74.000 Jahren vernichtete der Ausbruch des Tobas auf Sumatra fast die gesamte Menschheit. Genforschungen zufolge soll der durch den Ausbruch entstandene „Vulkanische Winter“ die Menschheit auf ca. 10.000 Überlebende dezimiert haben, was fast das Ende des homo sapiens bedeutete. Das Leben auf der Erde hat also schon vieles überstanden. Wie sich die Apokalypse einer „Supervulkan-Eruption“ ankündigen würde, wissen die Wissenschaftler nicht, wir wissen nur, dass die nächste globale Katastrophe mit 100 %-iger Sicherheit kommen wird. (55) Die Frage lautet also nicht ob, sondern wann?

Offensichtlich ist Vulkanismus eine Naturgewalt mit vielen Gesichtern. Vulkane zählen zu den faszinierendsten Naturphänomenen unserer Erde. Mindestens 500 Millionen Menschen leben in der Nähe aktiver Vulkane. Durch die Plattentektonik und der damit verbundenen Erdbeben und Vulkanausbrüche ist ihr Leben andauernd bedroht. Das jüngste tragische Beispiel ist das Erdbeben auf Haiti am 12. Januar 2010, bei dem es mehr als 250.000 Tote gab. Die zweitgrößte Insel der Großen Antillen, Hispaniola, mit den Staaten Haiti und Domenika, liegt auf dem berüchtigten „Feuerring“, wo die karibische und die nordamerikanische Platte zusammenstoßen (Abb. 21).

Als Folgerung kann festgehalten werden, dass der Vulkanismus seit Bestehen unseres Planeten einen großen Einfluss auf das Klima und das Leben hat. Mangels genügend Möglichkeiten zur Erfassung der weltweit vorhandenen und sich dauernd ändernden Ausgasungen aktiver und „schlummernder“ Vulkane bestehen viel zu große Unsicherheiten um sowohl die permanenten Auswirkungen vulkanischer Aktivitäten, als auch die Wirkung eines Ausbruchs auf das Klima vorhersagen zu können. Hierzu müsste nicht nur die Menge, sondern auch Art und Verteilung der Aerosolpartikel bekannt sein, was in zuverlässiger Weise nicht möglich ist. Ohnehin befinden sich die meisten vulkanischen Aktivitäten auf der Erde im submarinen Bereich, vor allem im Mittelozeanischen Rücken.

Die bei Vulkanausbrüchen verstärkt entstehenden Aerosole bewirken nicht nur einen Abkühlungseffekt durch teilweise Reflektion der Sonnenenergie, sondern sind auch maßgeblich an der Bildung von Wolken beteiligt. Erfahrungsgemäß bildet sich unter normalen atmosphärischen Bedingungen kein Wolkentropfen, ohne dass Staubpartikel oder ein anderes „Schwebeteilchen“ als Kondensationskern daran beteiligt ist. In unserer Wahrnehmung des Wetters sind Wolken das eindrucksvollste Phänomen. Ihr Einfluss auf das Klima ist ambivalent. Einerseits kühlen sie die Erde durch Reflektion der Sonnenstrahlen, andererseits dämpfen sie die Wärmeausstrahlung der Erde, wodurch z. B. während der Nacht die Temperatur langsamer zurückgeht. Trotz ihrer herausragenden Bedeutung für das Klima ist unsere Kenntnis der Wolken ungenügend, weshalb gegenwärtige Computer-Modelle die Entstehung realer Wolken auch nicht nachvollziehen können. (56) Es bleibt damit, wie in anderen wesentlichen Prozessen des Klimawandels, die Problematik, dass wichtige Vorgänge nicht richtig verstanden und deshalb auch nicht richtig beschrieben werden können. (57) Mit ein Grund, warum, auch für Computer-Modelle zu Wettervorhersagen und damit auch zur Klimaentwicklung, Wolken und Aerosole große Unsicherheitsfaktoren sind.

Allerdings wissen auch die Klimaforscher, dass heutige Klimamodelle noch weit davon entfernt sind, die physikalische Komplexität des Klimasystems im Rechner auch nur annähernd abzubilden.

3.1.3 Zusammenfassung

In unseren Augen scheint der Planet Erde unwandelbar zu sein. Nach Auffassung der Geologen entspricht jedoch der Anblick nur einer Momentaufnahme, einer zufälligen, vorübergehenden Anordnung von Land und Meer. Der vor 4,6 Milliarden Jahren entstandene Planet ändert sich von Tag zu Tag in seinem eigenen, geologischen Rhythmus. Die Erde ist ein lebender, unruhiger Planet. Verantwortlich hierfür ist die – zum ersten Mal von dem deutschen Wissenschaftler Alfred Wegener beschriebene – sogenannte Kontinentalverschiebung. Sie besagt, dass sich die Kontinente auf der Erdkruste schwimmend langsam bewegen und sich dabei über Jahrmillionen vereinigen und wieder aufspalten. So entstehen Ozeane, Gebirge schieben sich nach oben, während andere, von der Erosion abgetragen, wieder verschwinden. (58) Die einzelnen Kontinentalplatten bewegen sich dabei mit ca. 0,5 bis 10 cm pro Jahr,

Am Ende des Paläozoikums vor ca. 250 Millionen Jahren, zur Zeit des Perms, vereinigen sich die Kontinentalplatten zu einem Superkontinent, Pangäa (griech.: „Ganz-Erde“). Pangäa liegt inmitten eines einzigen Ozeans, Panthalassa genannt (Abb. 12). Vor ca. 235 Millionen Jahren beginnt der Superkontinent wieder zu zerbrechen. Über weitere Jahrmillionen entstehen die heutigen Kontinente, das Bild der Erde, wie wir es vom Globus kennen.

Es besteht kein Zweifel, dass die Anordnung der Kontinente auf das Klima einen großen Einfluss hat. Die mit der Kontinentaldrift verbundene Öffnung oder Schließung von Meeresarmen verändert sowohl die ozeanische, als auch die atmosphärische Zirkulation erheblich. Beide Systeme spielen, wie wir später sehen werden, die größte Rolle im Klima- und Wettergeschehen. In der Konfiguration der Kontinente liegt deshalb die übergeordnete Kontrolle der zwei Hauptmodi des globalen Klimas – Warmzeit Kaltzeit – und damit der globalen Verteilung der Energie (Abb. 7).

Die von den meisten Geologen vertretene Theorie zur Plattentektonik geht von langsamen Konvektionsströmen aus, die sich durch den Wärmeübergang zwischen dem heißen Erdkern und dem Erdmantel ergeben. Es entstehen submarine Gebirge, die alle Ozeane durchziehen. Sie sind untereinander verbunden und bilden mit ca. 60.000 km die längste Gebirgskette der Erde. Eine weitere Folge der plattentektonischen Prozesse sind Vulkanismus und Erdbeben. Auch sie beeinflussen durch Ausgasungen Klima und Umwelt und können Lebensräume von heute auf morgen zerstören. Im Laufe der Erdgeschichte gab es wahrscheinlich Perioden extremer vulkanischer Tätigkeit, die zu Massenaussterben beigetragen haben könnten. Allerdings gibt es zu dem Massenaussterben verschiedene Erklärungen. Dabei sind die üblichen Verdächtigen, von Meteoriteneinschläge über Strahlung einer Supernova bis zum extremen Vulkanismus oder eine Kombination aller.

Die bei Vulkanausbrüchen verstärkt entstehenden Aerosole bewirken nicht nur einen Abkühlungseffekt durch teilweise Reflektion der Sonnenenergie, sondern sind auch maßgeblich an der Bildung von Wolken beteiligt. Deren Einfluss auf das Klima ist ambivalent. Einerseits kühlen sie die Erde durch Reflektion der Sonnenstrahlen, andererseits schwächen sie die Wärmeausstrahlung der Erde ab, wodurch z. B. während der Nacht die Temperatur langsamer zurückgeht. Trotz ihrer herausragenden Bedeutung für das Klima ist unsere Kenntnis der Wolken ungenügend. Wegen der dadurch unbestimmten Datenlage können gegenwärtige Computer-Modelle die Entstehung realer Wolken nicht nachvollziehen. Wolken und Aerosole sind, neben anderen Elementen, in der Klimaentwicklung die großen Unsicherheitsfaktoren.

3.1.4 Ozeanische Strömungen – die Rolle der Meere

3.1.4.1 Das Wasser

Vor der Diskussion über die Bedeutung der Meere für das Klimasystem, einige generelle Anmerkungen zu Relevanz und Eigenschaften des Elements Wasser. Es gibt keinen anderen Stoff auf der Erde, der in Quantität und Qualität dem Wasser gleichkommt. Wasser gibt es überall auf der Erde. Es ist das einzige bekannte Element, das natürlich sowohl gasförmig, flüssig und fest in dem kleinen Temperatur- und Druckbereich, den es auf der Erdoberfläche gibt, existiert. Es ist farblos, geschmacklos, geruchlos und ein extrem gutes Lösungsmittel. Obwohl es keinen Nährwert hat, ist es die wichtigste Flüssigkeit für das Leben. Auf die Frage wie Leben entstanden ist, haben wir allerdings noch keine Antwort.

Bei einer Abkühlung auf +4 °C nimmt die Dichte des Wassers zu (es wird schwerer) und damit das Volumen ab. Bei weiterer Abkühlung wird das Volumen jedoch nicht geringer, sondern im Gegenteil, beim Gefrieren nimmt die Dichte sprunghaft um 9 % ab, was zu einer entsprechenden Vergrößerung des Volumens führt. Dies ist der Grund, warum Eis eine kleinere spezifische Dichte hat und schwimmt. Jeder Gartenfreund, der vergessen hat im Winter das Wasser abzustellen, hat dieses besondere Verhalten mit einer geplatzten Wasserleitung im Frühjahr erfahren müssen. Wie wir weiter unten sehen werden spielt u. a. die temperaturabhängige Dichte (Schwere) des Wassers bei den Meeresströmungen eine entscheidende Rolle. Das Wasser auf der Erde befindet sich in einem kontinuierlichen Kreislauf. Durch die Zufuhr von Sonnenenergie und die daraus folgende Erwärmung verdunstet das Wasser. Der in der Atmosphäre aufsteigende und zu Wolken kondensierende Wasserdampf, von Winden transportiert, gelangt als Niederschlag wieder auf die Kontinente und Meere zurück. Die Meere sind somit Start- und Endpunkt des Wasserkreislaufs. Heraklits Ausspruch „panta rhei“ wird hier leicht verständliche Wirklichkeit.

Die gesamten Wassermengen der Erde werden auf ca. 1.400 Millionen km³ geschätzt. Lediglich 2,5 % oder 35 Millionen km³ davon sind Süßwasser. Ein Grund, vom „kostbaren Nass“ zu sprechen. Da rund 1,87 % des Süßwassers in Eiskappen und Gletschern gespeichert sind, verbleiben für den Menschen als nutzbare Menge der Ressource Wasser weniger als 1 %! Die Verteilung der gesamten Wassermasse der Erde zeigt, wie groß die Bedeutung der Ozeane ist (Abb. 29). Die Meere unseres Planeten reagieren nicht nur auf Veränderungen des Klimas, sondern steuern dieses aktiv mit, was im folgenden Abschnitt beschrieben wird.

Abb. 29: Wasserverteilung auf der Erde. (59)

3.1.4.2 Die Ozeane, ozeanische Strömungen

Da Insgesamt ca. 71 % der Erdoberfläche von Meeren bedeckt sind, müsste man strenggenommen unseren Planeten nicht „Erde“, sondern „Wasser“ nennen (Abb. 30). Im Klimasystem kommt den Ozeanen schon wegen ihrer schieren Größe eine dominante Rolle zu. Infolge ihrer hohen Wärmekapazität benötigen die Meere lange Zeitspannen, um sich zu erwärmen oder abzukühlen, wodurch große klimatische Schwankungen ausgeglichen werden. Wer seinen Urlaub am Meer verbringt, kann bei Windstille die unterschiedliche thermale Pufferwirkung zwischen Land und Meer fast täglich erleben. Da sich das Festland bei Sonneneinstrahlung stärker und schneller erwärmt als das Meer, kommt es wegen der Thermik (Aufwind) zu einer Brise landeinwärts. Nachts kühlt das Land schnell ab und ist innerhalb weniger Stunden kühler als das Meer und der Wind bläst meerwärts. Wie bekannt begünstigen große Landflächen ein kontinentales Klima mit hohen jahreszeitlichen Temperaturschwankungen.

Abb. 30: Weltkarte der fünf Ozeane. (60)

Für das Klima ist jedoch, wie schon in Abschnitt 3.1.1 thematisiert, neben der Größe und Lage der Landmassen in einer Beleuchtungsklimazone auch die allgemeine Land-Meer-Verteilung von großer Bedeutung. Diese wichtigen Zusammenhänge sollen mit den folgenden Betrachtungen verdeutlicht werden.

Eine wesentliche Rolle für das längerfristige Wetter-und Klimageschehen spielen die Meeresströmungen. Diese sind vertikale und überwiegend horizontale Massenströme des Meerwassers. Sie ziehen sich durch alle Ozeane und bilden eine globale Schleife (das „Globale Förderband“, engl.: „The Oceanic Conveyer Belt“ bzw. im wissenschaftlichen Sprachgebrauch die „Thermohaline Zirkulation“, THZ genannt), Abb. 31.

Abb. 31: Modellvorstellung des globalen marinen Förderbandes bzw. der globalen thermohalinen Zirkulation. (61)

In diesem globalen Wasserkreislauf wird warmes Oberflächenwasser und damit Wärmeenergie aus tropischen in hohe Breiten transportiert, umgekehrt gelangt kaltes Tiefen-Meerwasser in tropische Regionen. Dabei stehen die Meeresströme in einer komplexen Wechselwirkung mit der Atmosphäre und Kryosphäre. Der komplette Durchlauf der Schleife dauert ca. 1.500 Jahre und es werden pro Sekunde ca. 10 bis 40 Millionen m3 Wasser transportiert.

Der Motor dieser globalen Umwälzungen sind, neben der Sonne, die Dichteunterschiede der verschiedenen Wassermassen, die durch unterschiedliche Temperaturen (Meeresoberflächentemperaturen) und unterschiedlichen Salzgehalt (Salinität) bestimmt sind. Neben diesen primären strömungserzeugenden Kräften wird der örtliche Verlauf der thermohalinen Zirkulation auch durch die sekundär wirkende Verteilung der Landmassen, Relief des Meeresbodens, die Zentrifugalkraft und die Coriolis-Kraft durch die Erdrotation beeinflusst. (62) Da das globale Förderband vermutlich durch das Absinken des kalten und salzreichen Meerwassers im Nordatlantik angeregt wird, macht es Sinn das Zirkulationsmuster von hier aus zu betrachten.

Wie in Abb. 31 dargestellt, fließt das kalte, salzhaltige und damit schwere, nordatlantische Wasser als Tiefenströmung bis zum Ausgang des Südatlantiks. (63) Der Antarktische Zirkumpolarstrom (ACC, engl.: „Antarctic Circumpolar Current“) zusammen mit der Untiefe zwischen der antarktischen Halbinsel und der Südspitze Südamerikas, der Drake-Straße, verhindern, dass die Wassermassen westwärts in den Pazifik fließen. Die thermohaline Zirkulation wendet sich deshalb, zusammen/parallel mit dem ACC, ostwärts. Nun spaltet sich die Strömung auf. Der eine Teil fließt nordwärts, entlang der Ostküste Afrikas, in den Indischen Ozean, während der andere Teil weiter nach Osten strömt, an der Südküste Australiens entlang, um sich schließlich nach Norden wendend in den Pazifik abzudrehen. Während der Bewegung nach Norden beginnen sich die Tiefenwasser langsam zu erwärmen, mit dem darüber liegenden warmen, leichteren Wasser zu mischen und wieder aufzusteigen.

Um den Zufluss des kalten Tiefenwassers in den Indischen und Pazifischen Ozean auszugleichen, muss warmes Oberwasser zurückfließen. Das warme Oberflächenwasser des Pazifiks fließt zunächst an Indonesien vorbei in den Indischen Ozean, wo es sich mit den anderen aufsteigenden Wassern mischt. Die vereinigten Ströme fließen westwärts, an der Südspitze Afrikas vorbei in den Südatlantik, um dann wieder in den Nordatlantik zu driften, wo der Kreislauf von neuem beginnt. Diese dauernde, an der Oberfläche nordwärts gerichtete, Strömung führt warmes, tropisches Wasser in den Golfstrom und Nordatlantik. Der ganze Strömungsmechanismus kann wie eine sich selbst erhaltende Pumpe betrachtet werden. Auf diese Weise wird das, im Vergleich zu anderen Regionen derselben geographischen Breite, außergewöhnlich milde Klima von West- und Nordeuropa begünstigt.

Die stärkste und damit für das Klima wichtigste Meeresströmung ist jedoch der Antarktische Zirkumpolarstrom, erzeugt durch die starken Westwinde zwischen 40° und 60° südlicher Breite. Diese Westwinddrift treibt etwa 140 Millionen m³ Wasser pro Sekunde um den antarktischen Kontinent, was fast dem Fünffachen Wassertransport des Golfstroms entspricht (Abb. 32).

Abb. 32 (links): Antarktischer Ozean mit ACC, Abb. 33 (rechts): Argo-Sonden, Höhe ca. 2 m, blau, und Argo-Sonden, rot. (64) schematischer Schnitt. (65)

Seine Ausdehnung erstreckt sich von der Meeresoberfläche bis zum Meeresboden in über 4.000 m Tiefe. Der ACC ist die einzige Meeresströmung, die den gesamten Globus umfasst. Sein besonderes Merkmal ist: im Gegensatz zu allen anderen großskaligen Strömungen, wo die Tiefenströmung gegenläufig zur Oberflächenströmung ist, fließt der Zirkumpolarstrom von der Oberfläche bis zum Meeresgrund in eine Richtung. (66)

Eingebettet in den Südlichen Ozean stellt er die einzige bedeutende Verbindung zwischen dem Pazifischen, dem Atlantischen und dem Indischen Ozean dar. Über diese Verbindung findet der Austausch von Wassermassen, Wärme, Salzen, Kohlenstoff und sonstigen chemischen und biologischen Komponenten zwischen den Ozeanen statt. In den polaren Regionen entweicht sozusagen die Wärme wieder in den Weltraum, die in den tropischen Regionen durch Sonneneinstrahlung der Erde zugeführt und über die Atmosphäre und ozeanische Strömungen zu den Polen transportiert wird. Der gewaltige Wärmeumsatz ist also ein Ergebnis der Wechselbeziehung zwischen Atmosphäre und den Meeren und dem Eis. Wegen der niedrigen Temperatur hat das kalte Wasser des Südpolarmeeres, das niemals eine höhere Temperatur als 5 °C erreicht und einen Großteil des Jahres kälter als 0 °C bleibt, eine extrem große Aufnahmefähigkeit für das gut lösliche CO2. Dieses „Klimagas“ wird mit den Vertikalströmungen entlang des zirkumpolaren Strömungsbandes in die Tiefen des Ozeans befördert und dort gespeichert.

Klimawissenschaftler haben kraft Computer-Modellen angenommen, dass es infolge der Klimaveränderung zum Aufstieg des kohlenstoffreichen Tiefenwassers kommen könnte, was zu einer Zunahme von CO2 in der Atmosphäre führen würde. Doch neue Erkenntnisse, die mit dem internationalen ozeanischen Beobachtungssystem „Argo“ gewonnen wurden, lassen diese Vermutung als unbegründet erscheinen8. Wie die aktuellen gemessenen Daten zeigen, scheint der für das Weltklima Ton angebende Antarktische Zirkumpolarstrom unempfindlich gegenüber den aktuellen Klimaveränderungen zu sein! Ein Fingerzeig mehr, dass die Natur ihren eigenen Regeln und Gesetzen folgt, die sich nicht, wie schon beschrieben, mit numerischen Computer-Modellen nachvollziehen lassen.

Zu vielschichtig und zahlreich sind die Wechselwirkungen und Rückkoppelungen, die dabei eine Rolle spielen. Wie wichtig der Abgleich zwischen Modell und gemessenen Daten ist, zeigen die Ergebnisse des 2006 durchgeführten EPICA-Projekts9.

Im Rahmen dieses Projektes gelang es Wissenschaftlern erstmals, Klimaaufzeichnungen in Eisbohrkernen aus der Antarktis und aus Grönland mit hoher Genauigkeit zu synchronisieren. Basierend auf der gemeinsamen Zeitskala können die Forscher nun die rekonstruierten Verläufe der Temperatur zwischen Grönland und der Antarktika direkt vergleichen. (67) Wie die Eisbohrkerne belegen, gab es während der letzten Eiszeit eine Reihe von abrupten Temperatursprüngen. Die Temperaturen änderten sich aber auf der Nord- und Südhalbkugel genau gegensätzlich. Wenn es im Norden kalt wurde, kam es im Süden zu einer Erwärmung und umgekehrt. Diese lang vermutete Verbindung zwischen den Hemisphären über die sogenannte Nord-Süd-Klimaschaukel, eine Hypothese 1998 an der Universität Bern entwickelt, wurde nun durch die Klimaaufzeichnungen aus Eisbohrkernen gestützt. Bei dem komplexen Wechselspiel der „Bipolaren Klimamaschine“ scheint die THZ eine große Rolle zu spielen. Als Ursache und Erklärung für die bipolare Klimamaschine wird das Abschmelzen von Eisbergen im Nordatlantik vermutet. Während des Internationalen Polarjahres 2007/2008 (vom 1. März 2007 bis 1. März 2008), und darüber hinaus, wurde das Projekt BIPOMAC10 begonnen. Ziel dieses Projektes ist „die Kenntnis über Klima steuernde polare Prozesse, ihre bipolaren Wechselwirkungen sowie Auswirkungen auf den Umfang und die zeitliche Entwicklung polarer und globaler Klimaänderungen wesentlich zu verbessern.“ (68)

Die bisherigen Ergebnisse des Projektes bestätigen weitgehend die Erkenntnisse des EPICA-Projekts zur bipolaren Klimaschaukel. Ein weiteres Mosaiksteinchen zur Erhärtung der Klimaschaukel-Hypothese ist das „Meereis“. In den Klimadiskussionen der letzten Jahre spielt es eine bedeutende, aber auch nach wie vor wenig verstandene Rolle in der Klimadynamik. Im Unterschied zum Eis der großen Eisschilde am Nord- und Südpol, das durch Niederschlag entsteht, wird Meereis durch das Gefrieren von Meerwasser gebildet. In diesen Prozess werden nur Wassermoleküle einbezogen. Beim Eiswachstum werden damit die Salinität und die Dichte des Ozeans erhöht, was zur Destabilisierung der thermohalinen Zirkulation führen kann. Wegen der Eis-Albedo-Rückkoppelung ist das Meereis ein bedeutender Klimafaktor, da durch die hohe Albedo von 60 bis 90 % die einfallende Sonnenstrahlung größtenteils wieder in den Weltraum zurück reflektiert wird. Im Gegensatz zu den Eisschilden spricht das Meereis auf thermale Änderungen unmittelbar an. So reagiert die Ausdehnung und Dicke des Meereises deutlich auf jahreszeitliche Temperaturschwankungen, Abb. 34. Die Meereisausdehnung in der Arktis fluktuiert zwischen 15 Millionen km2 im Winter und 7 Millionen km2 im Sommer und in der Antarktis sogar zwischen 18 und 3 Millionen km2. Diese extremen jahreszeitlichen Schwankungen machen es schwierig, längerfristige Trends festzustellen. Eine weitere relevante Erkenntnis zu der möglichen Klimaschaukel ergab sich aus Satellitenbeobachtungen.

Abb. 34: Ausdehnung von Sommer- (hellblau) und Wintereis (weiß) in der Arktis, links, und Antarktis, rechts, im Jahr 2005/2006. (69)

Mit Hilfe dieser Überwachungen konnte eine deutliche Abnahme der arktischen Meereisbedeckung im sommerlichen Minimum im September, um etwa 8 % pro Jahrzehnt, festgestellt werden. Im Gegensatz hierzu nimmt die Meereisdecke der Antarktis im Winter um ca. 0,5 % pro Jahrzehnt zu und bleibt im Sommer annähernd gleich. So einleuchtend die Erklärungen für die Funktion der Klimaschaukel auch sein mögen, dürfen wir nicht vergessen, dass es im wissenschaftlichen Sinne keine Beweise sind. Die Schwierigkeit liegt vor allem darin, dass die genauen Vorgänge der Ozeanzirkulation noch nicht zufriedenstellend erforscht sind. Die vorhandenen Daten reichen nicht aus, um zuverlässige Aussagen über den künftigen Trend zu machen. Das ist nicht nur ein Problem der Menge von erforschten Fakten, sondern liegt auch in der limitierten Möglichkeit von Rechnermodellen, das Verhalten der natürlichen Phänomene nachzubilden. Ein Grund mehr, warum sich die Klimatologen so gründlich mit der Vergangenheit beschäftigen und für die Datensammlung Projekte wie „Argo“ und „BIPOMAC“ intensiv weiterführen.

3.1.5 Atmosphärische Zirkulation

Die Sonne erwärmt die gesamte Erde. Wegen der Schiefe der Erdachse und der Kugelform der Erde ist die Sonneneinstrahlung und damit die Verteilung dieser Wärme in den verschiedenen Breiten des Erdballs sehr unterschiedlich (Abb. 3). So erwärmen sich der Boden und die Luft am Äquator, wo die Sonnenstrahlen annähernd senkrecht eintreffen, am stärksten und an den Polen, wo die Sonnenstrahlen flach ankommen, am schwächsten.

Am Äquator ist die Strahlungsbilanz deshalb positiv (Energieüberschuss) und an den Polen negativ (Energiemangel). Diesen Gegensatz von Energie und Temperatur versucht die Atmosphäre über die ganze Erde auszugleichen. Dies ist der Grund für die atmosphärische Zirkulation. In den unseren Planeten umspannenden Windgürteln wird ihre Wechselwirkung, die Wetterdynamik der Atmosphäre, bestimmt.

Abb. 35: Zirkulationszellen und Windsysteme der atmosphärischen Zirkulation in idealisierter Darstellung. (70)

3.1.5.1 Erläuterungen zu der Illustration der atmosphärischen Zirkulation

In der Modellvorstellung sind die Windgürtel bzw. Zirkulationssysteme in drei Zellen ausgestaltet: der Hadley-Zelle bzw. tropischen Zelle (benannt nach dem englischen Physiker und Meteorologen George Hadley, 1768–1865), der Ferrel-Zelle bzw. Zelle der mittleren Breite (benannt nach dem amerikanischen Meteorologen W. Ferrel, 1817–1891) und der Polar-Zelle, Abb. 35.

Da die meteorologische Forschung derzeit und auch in absehbarer Zukunft ein Gesamtverständnis für die atmosphärische Zirkulation nicht erfüllen kann, können wir wieder nur eine modellhafte Annäherung an die Realität diskutieren bzw. darstellen!

Abb. 36: Schematische Darstellung der Hadley-Zirkulation, als einfache, idealisierte Zelle. (71)

Der Ablauf in einer Hadley-Zelle „ist“ ein geschlossener Kreislauf, dessen Zyklus am Äquator mit dem Aufstieg von warmer, feuchter Luft bis zur Tropopause beginnt. Die Hadley-Zelle liegt, den Erdball umfassend, beiderseits des Äquators. Durch die aufsteigende warme Luft entsteht am Boden ein Tief, die äquatoriale Tiefdruckrinne – auch innertropische Konvergenzzone (ITC) genannt – und in Höhe der Tropopause ein Hoch. Der aufsteigende Ast der Hadley-Zelle kühlt schnell ab, was mit der dadurch entstehenden Quellbewölkung zu ergiebigen Niederschlägen in den Tropen führt. Das Druck- und Temperaturgefälle zwischen den äquatorialen und polaren Gebieten der Erde zwingt eigentlich zu dem Schluss, dass sowohl über die Ozeane als auch über die Atmosphäre ein meridionaler11 Energietransport stattfinden muss. Beobachtungen zeigen jedoch, dass diese thermisch angeregte Zirkulation der Luftmassen nicht von den Tropen bis zu den Polen reicht, sondern ein Großteil bereits bei ca. 30° nördlicher Breite bzw. 30° südlicher Breite absinkt, Abb. 36. Das führt in diesen Zonen zu stabilen Hochdruckgebieten, wozu auch das für Mitteleuropa wichtige wetterbestimmende Azorenhoch gehört. In der Mitte dieses Hochdruckgebietes, den sogenannten Rossbreiten, herrscht nahezu Windstille. Die Bezeichnung soll auf die Zeit der Segelschifffahrt zurückgehen. Infolge fehlender Segelwinde saßen die Schiffer oft wochenlang fest und mussten sich, aus Futter- und Wassermangel, von den mitgeführten Pferden (Rösser) trennen.

Ein Teil der trockenen Luft im absteigenden Ast der Hadley-Zelle folgt dem Druckgefälle zur äquatorialen Tiefdruckrinne. Die dabei entstehenden Winde heißen Passate. Die Coriolis-Kraft, ein Effekt der Erdrotation, bewirkt, dass diese Winde nicht direkt dem meridionalen Druckgradienten folgen, sondern nach Westen abgelenkt werden. Durch die Coriolis-Kraft erfahren also Passatwinde auf der Nordhalbkugel eine Rechtsablenkung und auf der Südhalbkugel eine Ablenkung nach links. Gemäß der Richtung, aus der sie kommen, werden diese Winde deshalb auch Nordost-bzw. Südostpassat genannt. (72)

Der Ablauf in der Polar-Zelle ist ähnlich dem in der Hadley-Zelle. Obwohl im Vergleich zu den äquatorialen Luftmassen kühler, ist die Luft auf 60° nördlicher/südlicher Breite noch warm genug, um über Konvektion einen thermischen Kreislauf anzutreiben. Auf niedriger Breite steigt die warme Luft auf, um über die obere Troposphäre polwärts zu strömen.

An den Polen angekommen sinkt die nun beträchtlich kältere Luft als Hochdruckgebiet ab und fließt an der Oberfläche von den Polen, wegen der Coriolis-Kraft in westliche Richtung, in die subpolare Tiefdruckrinne (Abb. 35).

Zwischen den beiden gleichläufigen Systemen der Hadley- und Polar-Zelle jeder Halbkugel liegt die gegenläufige Ferrel-Zelle. In ihr wird bodennahe Luft polwärts verlagert, was durch den Effekt der Coriolis-Kraft zu westlichen Winden führt. Deshalb wird diese Zone auch Westwindzone genannt. Sie ist sehr instabil, da auf ca. 60° bis 70° geographischer Breite feuchtwarme Westwinde auf kalte polare Ostwinde treffen.

Abb. 37: Wind- und Druckgürtel der Erde, gemäß Modelldarstellung der Atmosphäre. (73)

Das mit Abb. 37 beschriebene idealisierte und stark vereinfachte Oberflächenschema der globalen atmosphärischen Zirkulation gibt nur die vorherrschenden Strömungen wieder. Wie aus den Abb. 36 und 37 ersichtlich, werden die Hoch- und Tiefdruckgebiete12 auf der Oberfläche der Erde im Allgemeinen durch jeweils entgegengesetzte Druckgebiete in der Troposphäre ausgeglichen.

In der Wirklichkeit sind die Winde nicht stetig und die Druckgebiete nicht ortsfest. So haben wir z. B. in unseren Breiten ja nicht nur Westwinde.

Abb. 38: Verlauf der innertropischen Konvergenzzone während eines Jahres. (74)

Die Unbeständigkeit der Windsysteme wird u. a. durch die Wanderung der Hadley-Zelle und damit der innertropischen Konvergenzzone belegt. Die ITC liegt nicht wie oben im Modell dargestellt fest am Äquator, sondern verlagert sich im Verlauf der Jahreszeiten entsprechend dem Zenitalstand der Sonne. Die allgemeine Zirkulation verläuft dabei keinesfalls symmetrisch auf beiden Hemisphären. Wegen des hohen Anteils und der starken Erwärmung der Landmassen in der Nordhemisphäre verschiebt sich die ITC im Nordsommer über weite Strecken nach Norden. Am indischen Subkontinent kann die Verlagerung bis zu 30° nördlicher Breite betragen, was für die Erklärung des indischen Monsuns eine wichtige Rolle spielt. Der Südostpassat überströmt in diesen Gebieten dabei den Äquator und wird zum Südwestwind.

Im Nordwinter, das heißt im Südsommer, reicht die Verlagerung der ITC über Südamerika (Brasilien) fast bis zum Wendekreis des Steinbocks und in Afrika kann sie sogar senkrecht verlaufen. Offensichtlich ist die Lageveränderung der ITC nicht nur vom Zenitalstand der Sonne, sondern auch von der Land-Meer-Verteilung und der Lage von Gebirgen abhängig.

3.1.5.2 Strahlströme (Jetstreams)

In Abb. 36 werden zwischen den Zirkulationszellen auch Strahlströme aufgezeigt. Einfach gesprochen sind Strahlströme enge, schnell fließende Luftströme (mit Geschwindigkeiten bis zu 540 km/h) zwischen 7 und 12 km über Grund in der oberen Atmosphäre. Ihre Breite liegt bei mehreren hundert Kilometern und die vertikale Ausdehnung beträgt oft weniger als 6 km.

Die Haupt-Strahlströme befinden sich nahe der Tropopause, der Transitionsphase zwischen der Troposphäre, wo die Temperatur mit der Höhe abnimmt, und der Stratosphäre, wo die Temperatur mit der Höhe zunimmt (Abb. 4). Wie bei der Erläuterung der ITC ausgeführt, bestehen an der Erdoberfläche in Äquatornähe Tiefdruck- und an den Polen Hochdruckbedingungen. Diese erdnahen Druckverhältnisse werden durch entgegengesetzte Druckgebiete in der Höhe (Troposphäre) ausgeglichen. Verursacht werden diese Druckunterschiede durch die Breitenabhängigkeit der Sonneneinstrahlung, d. h. sie sind thermisch bedingt. Dem Druckgradienten folgend strömt die Höhenluft vom Hoch des Äquators zum Höhentief der Pole. Unter Einfluss des Coriolis-Effektes fließen die Strahlströme mit nahezu horizontaler Strömungsachse in östliche Richtung.

Die Strahlströme sind maßgeblich für die Luftdruckverteilung und demnach für die Windgürtel auf der Erde verantwortlich. Auf diese Weise sind sie die wesentliche Ursache für die Wetterentwicklung und ein wichtiges Element für den Wärmetransport zwischen den Tropen und den Polen. (75)

Die Höhenströme haben für die Luftfahrt eine große Bedeutung. Bei Linienflügen über große Entfernungen werden sowohl Flughöhe als auch Reiseroute an den Verlauf dieser Strömungen so angepasst, dass man sie als Rückenwind nützend höhere Geschwindigkeiten und geringeren Treibstoffverbrauch erreichen kann. Wer schon öfter Transatlantik-Flüge, z. B. von den USA nach Europa, gemacht hat, kennt auch die unangenehme Seite der Jetstreams. Da mit den Strahlströmungen auch Turbulenzgebiete folgen, werden Flugzeuge und Passagiere oft kräftig durchgerüttelt. Der Flugkapitän spricht dann, da keine Wolken vorhanden sind, von „clear-air turbulence“. Diese Turbulenzen führen zu erheblichen Belastungen der Struktur des Flugzeugs und beeinflussen damit auch die Sicherheit des Fliegens.

3.1.5.3 Das El Niño-Southern Oscillation Phänomen (ENSO)

In den vorigen Abschnitten 3.1.5.1 und 3.1.5.2 haben wir uns hauptsächlich mit meridionalen, d. h. breitenabhängigen Luftzirkulationen beschäftigt und dabei festgestellt, dass die Hadley-, Ferrel- und Polar-Zellen die Hauptträger für den globalen Wärmetransport sind.

Wie die Erfahrung jedoch zeigt, führt Temperaturungleichheit auch zu zonalen, d. h. längenabhängigen Luftzirkulationen. Während die meridionale Zirkulation hauptsächlich von der breitenabhängigen Intensität der Sonneneinstrahlung bestimmt wird, entwickelt sich eine zonale Zirkulation aller Voraussicht nach aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazität von Ozean und Land, was zu entsprechenden Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre führt.

Das El Niño-ENSO-Phänomen ist eine zum Äquator parallele, also zonale Oszillation und wird nach ihrem Entdecker Sir Gilbert Walker auch Walker-Zirkulation genannt. Die zonale Walker-Zirkulation überlagert die meridionale Luftzirkulation der Hadley-Zellen, unterliegt jedoch, wegen ihrer äquatorialen Lage, nicht dem Coriolis-Effekt.

Der Name, El Niño, wurde von peruanischen Fischern geprägt. Diese beobachteten, dass alljährlich zur Weihnachtszeit (deshalb El Niño, spanisch: „das Christkind“) die Meeresoberflächentemperatur anstieg, was das Ende des Fischfangs kennzeichnete. Normalerweise kommen die Fische im Frühjahr zurück. Bei zu starker Erwärmung bleiben die Fische jedoch aus, mit entsprechenden wirtschaftlichen Konsequenzen für die Fischerei-Industrie.

Heute verbindet man mit dem Begriff El Niño nur noch das gesamte Phänomen mit allen dazugehörenden Randerscheinungen einer außergewöhnlichen Erwärmung. Über mögliche Ursachen für das in unregelmäßigem Abstand von ca. 3 bis 8 Jahren auftretende El Niño-Ereignis gibt es derzeit nur Spekulationen, aber keine gesicherten Erkenntnisse. Alle plausiblen Hypothesen zum El Niño-Phänomen haben gleichwohl Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre zum Gegenstand.

Dieses komplexe Zirkulationssystem von Atmosphäre und Ozean im Pazifik wird vereinfacht folgendermaßen beschrieben: Von der Antarktis kommend fließt der kalte Humboldtstrom entlang der Anden an der Westküste Südamerikas nach Norden. Dank der vielen Nährstoffe im kalten Tiefenwasser gibt es in den Auftriebsgebieten ein reiches Nahrungsangebot für hohe Fischbestände vor der Küste.

Der nach Norden fließende Strom wird auf der Höhe des Äquators durch die vorherrschenden Ostwinde (Passat) nach Westen abgelenkt. Auf seinem vom Wind getriebenen Weg entlang des Äquators erwärmt sich das Oberflächenwasser, und staut sich an den Ostküsten von Australien und Indonesien. Als Folge ist der Meeresspiegel an der Westküste Südamerikas um fast einen halben Meter tiefer als vor den Ostküsten Indonesiens und Australiens. Die Wassertemperatur vor den Küsten Indonesiens und Australiens beträgt ca. 28 °C und im Osten vor der Küste Südamerikas ca. 24 °C. Die hohe Wassertemperatur im westlichen Pazifik führt zu einer großräumigen Ansammlung von feuchter, warmer Luft. Diese steigt somit über Indonesien in einem Tiefdruckgebiet nach oben und bildet Wolken, die fast täglich Regen bringen. Die aufgestiegene Luft wird im Wesentlichen längs des Äquators nach Osten abtransportiert und sinkt im Hochdruckgebiet über dem östlichen Pazifik ab. Da Absinkprozesse mit Wolkenauflösungen verbunden sind, gibt es in diesen Gebieten wenig Niederschläge. Den Kreislauf schließend weht die Luft, sich wieder erwärmend, zurück in Richtung des indonesischen Tiefs. Diese Wetterlage wird als Normalphase der Walker-Zirkulation bezeichnet, Abb. 39 oben.