Joachim Adolphi

Struktur als Protokoll des Werdens


2.10.5 Klima

Das komplexeste Thema, mit dem sich die Öffentlichkeit herumschlägt, ist das Klima. Da jeder jeden Tag Wetter erleben kann, kann auch jeder mitreden. Und es geht ja auch wirklich jeden an!

Auch hier kann man versuchen, bei den eigenen Überlegungen mit einer „nullten Näherung“ zu starten und dann schrittweise der Komplexität Rechnung tragen zu wollen.

Als Hauptproblem wird die Erwärmung gesehen, also die Erhöhung der Temperatur. Es stellt sich also die Frage, welche Ströme der Wärme-Energie führen zur – wenigstens zeitweilig – stationären Temperatur?

Vergleicht man die Erde mit einem Kochtopf, so kann man in nullter Näherung feststellen, dass bei einer konstanten Temperatur des Kochtopfs zwei unterschiedliche Fälle die Ursache sein können:

a) Der Kochtopf wird zum Beispiel dadurch auf 55°C gehalten, dass genausoviel Wärmeenergie pro Zeit (also Wärmeleistung) durch die Heizplatte hinzugefügt wird wie durch Wärmeabgabe an die Umgebung „verloren“ geht. Wird die Heizleistung ein wenig erhöht, spielt sich ein neues Gleichgewicht ein, und zwar bei etwas höherer Temperatur, denn diese steigt, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Klingt völlig logisch und einfach und íst es auch. (Siehe Ausgleichsprozess)

b) Der Kochtopf wird so heiß, dass auf einmal ein Phasenübergang wesentlich wird: Wasser kocht. Statt einer weiteren Temperaturerhöhung wird jede Wärmemenge, die nicht in die äußere Wärmeabgabe fließt, als Verdampfungswärme in den neuen Aggregatzustands des Topfinhalts gesteckt. Dieser zweite Fall ist wesentlich komplizierter, obwohl wir noch nicht einmal eine Rückkopplung des entstandenen Wasserdampfs ansetzen, weil dieser einfach aus dem System davonfliegt.

Wie ist das nun bei der Erde und ihrer Atmosphäre?

In nullter Näherung haben wir einen Wärmeeintrag aus dem Inneren (aufsteigende Wärmeenergie aus dem heißen Erdkern, aus dem „geothermische Tiefenstufe“ genannten Temperaturgradienten und den thermischen Eigenschaften des Gesteins zu ermitteln) und einen aus dem Welltall (im wesentlichen die Sonnenstrahlung, etwa 100 mal so groß wie die Geothermie), denen eine Abstrahlung ins Weltall gegenübersteht. In der Atmosphäre ist allerdings ebenfalls Wasserdampf enthalten, dessen Verlust ans Weltall wohl vernachlässigbar ist. Vom „Kochen“ der Weltmeere können wir aber noch nicht reden.

In erster Näherung müssen wir nun die Abstrahlung ins Weltall genauer betrachten. Wer strahlt oder reflektiert denn: Die Erdoberfläche (Land) bei klarem Himmel, das Wasser, die Schneeflächen und die Wolken? Die hohen Luftschichten selber?

Und hier beginnt schon das Dilemma, denn wir benötigen sofort eine zweite Näherung und so weiter, denn die Strahlung ist wellenlängenabhängig verschieden und ändert sogar ihre Wellenlänge durch Interaktion mit den Molekülen der Atmosphäre. Es gibt also einen hochkomplexen Mix von Strahlung, Rückstrahlung, Absorption, Temperaturänderung usw. usf.

Man kann sich damit begnügen, dass man sagt: Wenn wir die Zusammensetzung der Atmosphäre im Gedankenexperiment konstant lassen, sollte auch eine konstante Temperatur auf der Erde bleiben können, solange die Einstrahlung aus dem Weltall und die Geothermie konstant sind. Die Gase, die das Strahlungs-Gleichgewicht in der Realität am stärksten beeinflussen, sind Methan und Kohlendioxid. Wenn wir uns deren Bilanz widmen, sind wir also am dichtesten am Problem dran.

Wenn wir uns – stark vereinfachend! –  erst einmal NUR dem CO2 widmen, sehen wir auch nach kurzem Nachdenken, dass es hochkomplex wird, denn das atmosphärische CO2 steht im Austausch mit dem Wasser der Ozeane und mit Mineralien auf dem Festland und erst recht mit denen unter Wasser. Und die Zeitabläufe dieser Austäusche sind völlig verschieden! Wir haben es also mit einem System zu tun, in dem Quellen, Senken, Speicher, Austauschströme zwischen diesen und Konvektionsströme innerhalb dieser (Ozeane) alle gleichzeitig aktiv sind und „nebenbei“ auch noch Temperatur-Abhängigkeiten aufweisen, wobei sie selbst genau diese Temperatur beeinflussen.

Das schreit geradezu nach Modellierung! Das schafft mein kleiner Rechner aber nicht.

Und trotzdem ist es sinnvoll, einige Überschlagsrechnungen anzustellen, damit man nicht dem versimplifizierenden Verstand von Sensations-Reportern ausgeliefert ist.

Zuerst muss man sich vergegenwärtigen, mit welchen Mengen-Verhältnissen man es zu tun hat. Als Maßeinheit soll die Gigatonne (Gt) dienen, also zehn hoch neun Tonnen oder Milliarden Tonnen. Ein Kubikmeter CO2 bei Normaldruck und 0°C wiegt etwa 2 kg, eine Tonne reines CO2 sind also etwa 500 m³.

In der Erdatmosphäre befinden sich zur Zeit rund 2.000 Gt CO2, wenn man von einer Konzentration von etwa 0,04% ausgeht.

In den Weltmeeren sind etwa 38.000 Gt gelöst, also etwa 19 mal so viel wie in der Luft. Gäbe das Meer alles gleichzeitig ab, stiege der CO2-Gehalt der Luft also mit 0,8% fast auf den MAK-Wert von 0,9%. (Ab 1% tritt Schläfrigkeit beim Menschen auf, ab 8% Ohnmacht!)

Die gesamte Biomasse der Erde (Tiere und Pflanzen in Luft und Wasser) wird mit 1.800 Gt angegeben, entspricht also etwa dem Luft-CO2. Davon sind 200 Gt Wald und 0,4 Gt Menschen, was 40% des Säugetier-Anteils ausmacht. Der größte Anteil der Biomasse ist also im Meer zu finden.

(Würde man den gesamten Wald der Erde auf einmal verbrennen, stiege der CO2-Gehalt der Erde kurzfristig um relativ 10% auf absolut 0,044% an, bevor Austauschprozesse mit dem Meer greifen können.)

(Würde man die Waldfläche der Erde plötzlich verdoppeln, sänke der CO2-Gehalt von 0,040% auf 0,036%, wenn man sämtliche anderen – gegenläufigen! – System-Reaktionen vernachlässigt, wie etwa daraus folgende steigende Abgabe von CO2 aus den Meeren.)

Die oberflächennahen Carbonat-Gesteine (z.B. an den Kreideküsten) werden mit 290 Gt veranschlagt, liegen also deutlich unter der Luft. (Bei Vulkanausbrüchen kommt auch CO2 aus viel tieferen Schichten in die Atmosphäre. Das ist hier nicht berücksichtigt.)

Nun müssen wir uns die Austausch-Mengen vor Augen führen:

14 Gt/a fossile Brennstoffe werden durch den Menschen hinzugefügt. Das sind jährlich etwa 2% des Luft-CO2 (51 Gt/a theoretisch an CO2, aber abzüglich der Kunststoffe aus Erdöl nur noch 36 Gt/a), wenn man die beiden O-Atome zum C hinzufügt und das Wasser weglässt. (Schon nach 50 Jahren Industriegesellschaft hätten wir also den CO2-Gehalt der Luft verdoppelt, wenn es nicht Ströme in die Speicher gegeben hätte, die etwa die reichliche Hälfte woanders verstecken halfen. Eine späte „Rache“ ist dafür aber gewiss…)

Fast neutral („nachhaltig“) sind die Austauschmengen zwischen Luft und Meeresströmungen (im wesentlichen durch die Temperaturschwankungen bedingt) von etwa -92 Gt/a ins Meer und +90 Gt/a in die Luft (also Versäuerung der Meere durch 2 Gt/a und damit Gefahr der Reduzierung/Abtötung von Biomasse im Meer und also Verlust eines Speichers), durch die Landwirtschaft etwa +19 Gt/a und -19 Gt/a und durch den Wald von etwa +16 Gt/a und -16 Gt/a. (Die Landwirtschaft erzeugt aber zusätzlich noch Methan!)

Doch ACHTUNG: Diese 90 Gt/a sind fast 5% des Luft-CO2. Und da dieser Austausch stark sowohl von Temperaturdifferenzen (sowohl an der Oberfläche als auch in der Meerestiefe) als auch von absoluten Temperaturen abhängt, kann auch hier ein langfristiger – und rückgekoppelter! – Prozess in Gang gesetzt werden, den man am Anfang nicht so leicht überschauen kann. In etwa 20 Jahren ist also im statistischen Mittel jedes CO2-Molekül einmal von der Luft ins Wasser übergewechselt. Das sind etwa 1 g CO2 pro m² Meeresoberfläche  und Tag. (Die Diffusion im Wasser kann wohl im Verhältnis zur Konvektion vernachlässigt werden, wie auch in der Luft…)

Nicht neutrale Ströme sind die 16 Gt/a Biomasse, die zum Meeresboden sinkt. (Also etwa 150 mg/(m²*d).) Dort werden durch z.B. Hydride Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) zeitweilig (weil temperaturabhängig) gebunden oder eventuell langfristig in fossile Brennstoffe gewandelt. Das ist die einzige zur Zeit existierende langfristige Senke für CO2 und also dafür verantwortlich, dass sich nicht die gesamte Summe der bisher durch die Menschheit verbrannten fossilen Energieträger als CO2 in der Atmosphäre wiederfindet!

Allein die Betrachtung dieser nackten Zahlen zeigt wieder einmal, wie wenig das Meer in unseren Alltags-Überlegungen eine Rolle spielt, obwohl es viel mehr Bedeutung als die Atmosphäre hat. Auch ohne CO2-Aspekt spielt das Meer durch seine viel größere Wärmekapazität (nur 2,5 m Wasserschicht entsprechen dabei der gesamten Atmosphäre!)  und viel langsamere Umwälzung (Jahrzehnte bis Jahrhunderte) im Vergleich zur Atmosphäre (Wochen) eine immense Rolle bei Langzeitbetrachtungen, kann aber kurzfristige Krisen nicht kurzfristig ausgleichen. Die „Strafe“ der Weltmeere wird also langfristig wirken, auch wenn die Menschen bald vernünftig werden sollten. (Wasser ist der Stoff mit der höchsten Wärmekapazität und der höchsten Verdampfungswärme, was wir besonders bei der Gewitter-Entstehung zu spüren bekommen.)

Eine weitere Bemerkung muss am Anfang immer noch sein: Die Empfindlichkeit des Gesamtsystems auf kleine Änderungen seiner Komponenten wird besser klar, wenn man sich daran erinnert, dass unser Alltagsbewusstsein mit der Temperatur-Einheit „°C“ verknüpft ist, die Natur-Prozesse aber von der absoluten Temperatur in K (Kelvin) – z. B. bei der Strahlung – oder aber von Temperatur-Differenzen – bei allen Ausgleichsprozessen – oder aber von konkreten Temperaturen der Phasenübergänge (und diese wiederum von weiteren Zustandsgrößen wie z.B. dem Druck abhängig) bestimmt werden. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass kleinste Änderungen im Natur-System für unseren Alltag sehr große Änderungen bedeuten können, denn die Alltags-Skalierungen sind ja gerade diesem Alltag angepasst! (Nur 1% absolute Temperatur-Änderung der Atmosphäre sind schon 3K, also z.B. 4°C statt 1°C Winter-Temperatur 2020 in Deutschland! Das ist absolut gesehen wenig, aber für Schneefreunde katastrophal viel!)

Was muss man nun bedenken?

Ein einziger Gedanke zeigt schon die Komplexität:

Angenommen, das Klima ist im Sinne aller Ausgleichsprozesse „eingepegelt“ (also im „Gleichgewicht“), das heißt, die tatsächliche mittlere Temperatur der Atmosphäre „sorgt“ für die Gleichheit des Energiezustroms und des Energieabstroms. Wenn nun nur eine der vielen beteiligten Komponenten verändert wird, wird sich eine neue „Gleichgewichts-Temperatur“ einstellen. Das klingt einfach. Kompliziert ist es, weil viele der beteiligten Teilströme (nicht nur der Energie, sondern z. B. auch des CO2 zwischen Meer und Luft)  selbst von der Temperatur abhängen. Es existieren also viele „Rückkopplungen“, von denen rein theoretisch einige so stark sein können, dass sie nicht zum Ausgleich, sondern zur Katastrophe des Teilsystems führen. Beispiel: Eis. Erst wenn alles reflektierendes Eis geschmolzen ist, kann der „Rest“ des Systems eine neue Gleichgewichtstemperatur erreichen (T-hoch-4-Gesetz der Wärme-Abstrahlung als allereinfachste Näherung). Bis dahin führt die Verringerung des Eises zur Temperaturerhöhung und also zur weiteren Verringerung des Eises. (In der Erdgeschichte gab es „Schneeball“-Zustände und eisfreie. Das sind die beiden stabilen Endpunkte der Eis-Skala.)

Genau das gleiche passiert mit dem im Ozean gelösten CO2. Je wärmer es wird, desto mehr CO2 wird in die Luft abgegeben, was das Klima erwärmt und so weiter und so fort. Dieser Prozess dauert aber viel länger als die Eisschmelze, weil das Umwälzen der Ozeane durch die Meeresströmungen langsamer abläuft (betrifft sowohl Wärme-Aufnahme als auch CO2-Abgabe). (Das CO2 aus dem Dauerfrostboden-Torf hingegen ist als irreversibel zu betrachten wie die Verbrennung fossiler Rohstoffe.)

Wie oben schon am Beispiel des Wassertopfes oder des Eises beschrieben, gibt es zusätzlich zu den hochkomplexen stetigen System-Zustands-Änderungen also System-Parameter-Bereiche, außerhalb derer das System in völlig neue Abhängigkeits-Typen „kippt“. Man nennt diese Grenzwerte salopp „Kipp-Punkte“. Ein anschauliches Beispiel ist eine „kippende“ Oberflächenwelle, wenn sie sich flachem Ufer nähert. (Aus der Mathematik kennt man die Tatsache, dass die Lösung von Differentialgleichungen mit „Eigenwerten“ und „Eigenfunktionen“ behaftet sein kann oder nur für bestimmte Wertebereiche Gültigkeit hat. Die Kunst der „mathematischen oder Computer-Grafik“ beruht oft auf solchen Effekten.)

Der komplexeste rein stetige Teil des Systems scheint die mehrfache Streuung aller Strahlen in der Erdatmosphäre selbst zu sein, wobei sich das Spektrum jedesmal ändert. Dabei geht es nicht nur um die sichtbare Wolkendecke, sondern vor allem um die Treibhausgase.

Einen ersten Eindruck davon vermittelt dieses Wikipedia-Bild:

Man erkennt sehr schön, dass das Wasser (Wasserdampf!) auch hier eng mit unserem Leben verknüpft ist: Es lässt das Sonnenlicht durch (und absorbiert dafür im Infrarot) und lässt auch genau die langwellige Strahlung unserer normalen Oberflächentemperatur durch. (Bei einer sehr starken Abkühlung der Erde auf 210 K würde es zum Treibhausgas werden, aber sein Partialdruck wäre dann naturgemäß sehr gering…) Die Haupt-Absorption des CO2 liegt im Strahlungsmaximum recht kalten Klimas, also regional betrachtet geade dort, wo Eis ist.

Bevor man sich genaueren Betrachtungen der einzelnen Prozesse annimmt, kann man noch überlegen, welche Folgen ein Klimawandel hat.

Eine Erderwärmung würde wegen des Anstiegs des Meeresspiegels und wegen des Austrocknens mancher Gebiete den Umzug von vielen Menschen, eine Art „Völkerwanderung“ nach sich ziehen. Das schmeckt denen nicht, die gemütlich in reichen Ländern der gemäßigten Zone leben. Aber Tomaten oder Orangen aus Norwegen statt aus Spanien zu essen, ist an sich nichts Schlimmes.

Eine Erderwärmung würde die Wahrscheinlichkeit katastrophaler Wetterereignisse erhöhen. Das beträfe die ganze Welt. Man müsste teure Vorkehrungen treffen. Das ist eine finanzielle Prioritäten-Entscheidung nach politisch zu vereinbarenden Werte-Tabellen.

Solange wir aber noch nicht wirklich wissen können, wie die Atmosphäre in den nächsten 200 Jahren reagieren wird, können wir nicht hoffen, dass wir wegen der Erderwärmung einfach weniger heizen müssen und also weniger Kohle dafür verbrennen und also weniger weiter zur Erderwärmung beitragen werden, denn es könnte jetzt schon unumkehrbar geworden sein.

Aus den ganz oben aufgezählten Zahlenwerten jedenfalls kann man erkennen, dass das Pflanzen von ein paar Bäumchen zwar einen zeitweiligen Kohlenstoff-Speicher schafft und also das Gewissen beruhigt, dass jeder Baum aber ja „nachhaltig“ ist und deshalb also die Gesamtbilanz langfristig nicht verändert. Diesen Baum in 20 Jahren anstelle von Kohle zu verheizen und an seiner Stelle einen neuen zu pflanzen, das wäre echt kreislaufmäßig gedacht, denn verrotten würde er sowieso; so aber hätte er neben den ästhetischen und mikroklimatischen Aspekten auch noch einen energetischen „Nutzen“ für den Menschen gehabt. (Brenn-Holz-Bilanz und Rott-Laub-Frucht-Bilanz bitte gleichzeitig beachten, wenn ein optimales Fäll-Alter bestimmt wird!)

(Stellen wir nicht den Menschen in den Mittelpunkt, dann können wir feststellen, dass es Zeiten mit wesentlich höherem CO2-Gehalt gegeben hat, in denen die Biosphäre wesentlich aktiver war als heute: Karbon und Kreide haben riesige Rohstoff-Lagerstätten biogenen Ursprungs geschaffen! Und auch der anfängliche Sauerstoff-Eisen-Haushalt – Stromatolithen vor 3 Milliarden Jahren bis heute – ist nicht ohne die Cyanobakterien denkbar usw. usf. Aber wir haben uns angewöhnt, uns selbst als die „Krone der Schöpfung“ zu sehen und planen also im wesentlichen unsere eigene Zukunft mit der Umwelt als notgedrungen notweniger Voraussetzung… Um „das Leben an sich“ müssen wir uns also keine Sorgen machen.)

(detaillierte Fortsetzung in Unterpunkten kommt)

 

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