BEZIEHUNGEN ZWISCHEN DEN VERSCHIEDENEN
ERDKOMPONENTEN
Der Planet Erde besteht aus folgenden Komponenten oder Sphären (I1):
Geosphäre bereits definiert
Hydrosphäre Ozeane, Seen und Flüsse
Atmosphäre Gase über der Geosphäre und Hydrosphäre
Kryosphäre Die polaren Eiskappen; die Eisschollen in der Polarregion und die vielen
Gebirgsgletscher.
Biosphäre Das Pflanzen- und Tierreich.
Diese Komponenten sind durch viele Austauschprozesse eng miteinander verbunden.
Sie sind aber auch mit anderen Körpern unseres Sonnensystems verbunden, im speziellen mit der Sonne und dem Mond.
Signifikante Änderungen in einer Erdkomponente können langfristige Effekte auf die anderen Komponenten haben.
Über relativ kurze Zeitintervalle betrachtet, das heisst einige Jahre bis Jahrzehnte, sind diese Komponenten in einem dynamischen Gleichgewichtszustand, der gewissen natürlichen Gesetzen gehorcht.
Folglich tendieren die vielen verschiedenen Wechselwirkungs- prozesse dazu, in kurzzeitigen Massstäben geringfügig zu variieren.
Wenn man längere Zeitperioden betrachtet, zum Beispiel in der Grössenordnung von tausenden oder zehntausenden von Jahren, so sind die Fluktuationen und Übergänge von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen sichtbar.
Diese delikaten Gleichgewichtszustände können durch Änderungen von externen Bedingungen langfristig gestört werden.
Einflüsse des Sonnensystems
Seit seiner Entstehung vor ca. 4.55 Milliarden Jahren, ist unser Planet andauernden Änderungen in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Massstäben unterworfen.
Zum Beispiel, gab es viele kritische Klimaänderungen.
In der Vergangenheit waren solche Änderungen Folgen von natürlichen Prozessen.
Die grossen Polar-Eiskappen, und Gebirgsgletscher bedecken
~10% der kontinentalen Oberfläche.
Sie waren wichtigen periodischen Schwankungen unterworfen.
Diese periodischen Änderungen dauerten Zehntausende, Hundertausende, oder sogar Millionen von Jahren.
Abbildung I2 zeigt die abgeschätzte Variation von Gletschereisvolumen während der letzten 600,000 Jahren, dürch geologische Beobachtungen und Messungen von Isotopen.
Sie erkennen eindeutige Maxima und Minima im Eisvolumen im Verlaufe der Zeit
Maxima = Eiszeiten
Minima = Zwischeneiszeiten
Beachten Sie speziell, den wichtigen 100,000-Jahre Zyklus.
Während dieses Zykluses bildet sich das Eisvolumen allmählich über mehrere zehntausend Jahre, um dann schnell wieder abzunehmen.
Das 100,000-Jahre Zyklus werden hauptsächlich durch die Variation der Sonneneinstrahlung, auf der Erde verursacht.
Der Wechsel zwischen Glazialen (Eiszeiten) und Interglazialen (Zwischeneiszeiten) lässt sich am besten durch astronomische Zyklen erklären.
Der Abstand der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne ändert sich periodisch, wodurch wir uns entweder etwas näher oder weiter von der Sonne entfernt befinden (I3a und I4a).
Die Variation der Erdumlaufbahn um die Sonne wird als Exzentrizität bezeichnet.
Der Zeitraum einer solchen zyklischen Schwankung von geringer zu grösserer Exzentrizität liegt ungefähr bei 100 000 Jahren.
Da die Distanz zwischen der Erde und der Sonne variiert, so schwankt auch die auf der Erde empfangenen Sonneneinstrahlung.
Der Neigungswinkel der Rotationsachse der Erde schwankt zwischen 21,5° und 24,5° mit einer Periode von ungefähr 41000 Jahren, wodurch wiederum sich die von der Sonne aufgenommene Wärmemenge geringfügig verändert (I3b und I4b).
Ausserdem pendelt die Position der Rotationsachse der Erde auf der Erdbahnebene geringfügig um die Senkrechte.
Daraus ergibt sich eine Präzession mit einer Periode von ungefähr 23000 Jahren (I3c und I4bc).
Auch dies beeinflusst in geringem Masse die Wärmemenge, die von der Sonne auf die Erde eingestrahlt wird.
Sorgfältige Berechnungen der Erdbahnschwankungen, die erstmals in den zwanziger und dreissiger Jahren des vergangenen Jahrhunderts durch den jugoslawischen Geophysiker Milutin Milankovitch durchgeführt wurden, ergaben, dass die erdbahnbedingten Schwankungen der Sonneneinstrahlung auf die Erde zeitlich mit den Kalt- und Warmzeiten übereinstimmen (I5).
Neuere Arbeiten zu dieser Theorie sagen regelmässige Klimaschwankungen voraus, wobei periodisch eine langfristige Vereisungsphase alle 100 000 Jahre auftritt und kurzfristigere Vereisungen im Abstand von 41 000 und 23000 Jahren.
Die Schwankungen der Erdumlaufbahn, die Schwankungen der Neigungswinkel und die Präzession sind als "Milankovich- Zyklen" bekannt.
Natürliche Schwankungen der Erdumlaufbahn bewirken:
(a) Änderungen des Klimas oder der Atmosphäre; dies wiederum bewirkt:
(b) Änderungen in der Hydrosphäre, verursacht durch Variationen der Niederschlagsmuster und durch Variationen in den temperaturverteilungsabhängigen Wasserzirkulations-Prozessen in Ozeanen und Seen;
(c) Änderungen im Volumen und der Verteilung von Gletschern.
Die Änderungen (a), (b) und (c) beeinflussen:
(d) die Lebensbedingungen auf der Erde
(e) die Erosion von Böden und Gesteinen, sowie Änderungen in den Sedimentationsprozessen.
Wir haben gesehen, dass die natürlichen Schwankungen der Erdumlaufbahn und die daraus folgenden Klimaänderungen zu einer Kettenreaktion führen, welche allmählich die Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre, Biosphäre und Geosphäre beeinflusst.
Das Zeitgedächtnis der Erde
Diese Ketten-reaktion hat einen Vorteil.
Wir können die Geschichte einer Erdkomponente anhand des Studiums anderer Erdkomponenten analysieren.
Zum Beispiel, können wir die Informationen, die aus dem Studium der Kryosphäre und der Geosphäre gewonnen wurden, nutzen, um Informationen über vergangene Schwankungen in der Hydrosphäre und Atmosphäre (d.h.
Klima) zu bekommen.
Untersuchungen von Isotopen in Gletschereisbohrkernen und Untersuchungen der heutigen Temperaturverteilungen in Tiefbohrungen erlauben es, Abschätzungen von Temperaturschwankungen an der Erdoberfläche für die vergangenen hundert bis tausend Jahren zu bestimmen.
Wir können die Temperaturbeobachtungen in Bohrungen verwenden, da die Effekte der vergangenen Klimaänderungen noch heute, bis zu Tiefen von mehreren hundert Metern gemessen werden können.
Die Erde ist eine riesige Wärmesenke, die sich nur sehr langsam den Temperatur-Schwankungen an der Erdoberfläche anpasst.
Abbildung I6 zeigt zwei Temperatur-Messserien in dem gleichen Bohrloch.
Diese Aufzeichnungen werden Temperatur-Logs genannt.
Wenn die Effekte der vergangenen Klimaschwankungen nicht unbeeinflussbar gewesen wären, so würde die Temperatur- Tiefenverteilung ungefähr linear sein.
Das Temperaturminimum bei ca. 100 m Tiefe, entspricht dem Effekt einer Kälteperiode, welche vor ca. 200 Jahren vorherrschte.
Die Temperaturen, die vor 22 Jahren gemessen wurden, weisen ein grösseres Minimum auf, als diejenigen, jüngeren Datums.
Dies ist natürlich zu erwarten, da die Erde sich während der Zeit allmählich aufgewärmt hat.
Mit Computersimulationen ist es möglich, dieses Bohrloch- Temperatur-Tiefenprofil in ein äquivalentes Temperatur-Zeit Profil umzurechnen.
Dies erlaubt uns, mittlere Bodentemperaturen in der Vergangenheit abzuschätzen.
Da lokale und regionale Wetterverhältnisse die Sedimentationsprozesse massgebend verändern können, enthalten Kontinentale und ozeanische Böden und Sedimente Informationen, die es ermöglichen, klimatische Daten bis auf einige Millionen Jahren zurückzuverfolgen.
Die Erde liefert uns selbst Nachrichten ihrer Vergangenheit;
Sie ist die Zeugin der Vergangenheit.
Dies erlaubt uns, nach sorgfältiger Analyse, viele Aspekte der Entwicklung der Erde besser zu verstehen.
Beobachtungen in der Geosphäre erlauben uns, grössere Schwankungen in der Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre und Biosphäre in der Zeit zurückzuverfolgen.
Einflüsse der Vulkanausbrüche
Zusätzlich zu den lokalen Zerstörungen und Schäden, und den Schänden durch Tsunamis, können riesige Vulkanausbrüche manchmal zerstörerische Kurzzeit-Effekte auf die ganze Erdatmosphäre und das Klima haben.
Auf der Abbildung I7, sehen Sie ein Satelliten Bild einer hauptsächlich schwefelsäurenhaltigen Wolke, die vor und nach dem Hauptausbruch des Mount Pinatubo Vulkans in den Philippinen aufgennomen wurde.
Zehn Tage nach dem Ausbruch, im Juli 1991, bildete diese Wolke einen fast kontinuierlichen Gürtel, der sich über 11,000 km von Indonesien bis Zentralafrika hinzog.
Wie auf der Abbildung I8 gezeigt wird, hat sich diese Säurewolke in der Zeitspanne Oktober bis November, also einige Monate später, um den ganzen Erdball ausgebreitet (auf dem Bild erscheinen die Gegenden mit hoher Schwefelsäure Konzentration hell).
Der Mount Pinatubo Vulkanausbruch stellt die grösste Emission von Schwefeldioxid in dem letzten Jahrhundert dar (20 bis 30 Millionen Tonnen).
Ein grosser Teil des Schwefeldioxids (SO2) wurden durch fotochemische Effekte in Schwefelsäure (H2SO4) umgewandelt (I10).
Einige Studien deuten daraufhin, dass die resultierende Schwefelsäure-Wolke einen signifikanten Ozonschicht Abbau verursacht hat und dass die mittlere globale Temperatur in der untersten Atmosphäre (Troposphäre) um 0,15 bis 0,2oC abgenommen hat.
Eine wichtige Schlussfolgerung aus jüngsten Studien, bestätigt dass die Staubwolke nicht die Hauptursache einer globalen Temperaturerniedrigung ist, sondern dass die Hauptgründe bei der Schwefelsäure-Wolke zu suchen sind.
Wenn die mittlere Temperatur der Erdatmosphäre einmal in diese Weiser verändert wurde (d.h. aus dem Gleichgewicht geraten ist), dann ist die Kettenreaktion, welche mit Klimaänderungen verbunden ist, wieder aktiviert.
Während des letzten Jahrhunderts fanden in Indonesien zwei viel grössere Vulkanausbrüche statt (I11).
Der bekannte Ausbruch des Krakatau Vulkans, 1883, produzierte zwei mal soviel Magma wie der Pinatubo- Ausbruch.
Der im Jahre 1815 ausgebrochene Tambora Vulkan war sogar zehn mal grosser als der Pinatubo-Ausbruch.
Weltweit trat eine Hungersnot ein und mehr als 90,000 Menschen starben, weil die landwirtschaftliche Erträge im sogenannten "Jahr ohne Sommer" beträchtlich magerer ausfielen.
Dieses Klimaungleichgewicht war durch die Aschenwolke und die Schwefelsäure-Wolke des Vulkans, welche die ganze Erde einhüllte, verursacht worden.
Das Klima der gesamten Erde war für mehrere Jahre signifikant verändert.
Aber sogar diese globale Katastrophe hat einige positive Dinge gebracht.
Die verlängerten und farbenfrohe Sonnenuntergänge, die weltweit beobachtet werden konnten, haben einige Landschaftsmaler zu wunderschönen Gemälden inspiriert (zum Beispiel, den berühmten englischen Künstler Turner - I12).
Während dieses dunklen Sommers in Europa, nach dem Tambora Ausbruche, wurde ein Schriftstellermeeting mit Gedichtsvorlesungen und Diskussion, das im Freien an Genfer See geplant war, nach innen verlegt.
Dabei haben einigen dieser Schriftsteller Klassiker vollbracht:
Mary Shelly schrieb "Frankenstein" und Lord Byron schrieb sein düsteres Gedicht "Darkness".
Einflüsse der Topographie der Erde
Die Verteilung der weltweiten Gebirgsgürtel spielen eine wichtige Rolle für das Klima (I13-I14).
Die markante Vielfalt des Klimas in der Schweiz ist ein einleuchtendes Beispiel der Topographie-Effekte auf das Klima.
Zusätzlich zu den hauptregionalen Klimaänderungen, die zwischen den Regionen des Molasse-Beckens im Norden, den Alpen in der Mitte und der Po-Ebene im Süden zu beobachten sind, herrschen in den Bergtälern auch "Mini-Klima"- Systeme.
Die Kurzzeit-Effekte der Vulkane und die Langzeit-Effekte der Gebirgsgürtel sind beides Beispiele, die zeigen, wie die Geosphäre die klimatischen Verhältnisse beeinflussen.
Die Rolle der Menschheit
In der Vergangenheit war die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Erdkomponenten und dem Menschheit auf dem Prinzip der Adaptation begründet: der Mensch musste sich den natürlichen Schwankungen der Umweltverhältnissen anpassen.
Zum Beispiel, passte sich der Mensch dem Klima, welches normalerweise langsam fluktuierte, an.
Die Aktivitäten der Menschen haben jedoch seit einiger Zeit auf die Umwelt Einfluss ausgeübt.
Tatsächlich wird behauptet, dass die absichtlichen oder unabsichtlichen Eingriffe der Menschen auf die natürlichen Systeme möglicherweise raschere Änderungen verursachen.
Diese menschenbedingten Änderungen sind viel schwieriger zu handhaben, als die langsameren, natürlichen Änderungen.
Damit wir die Einflüsse auf die Umwelt insgesamt verstehen können und, im Speziellen, diejenigen, die durch den Menschen verursacht werden, ist es unumgänglich, zu erfahren, welche natürlichen Phänomene den Planet Erde über seine ganze Geschichte beeinträchtigt haben.
Wir können nicht erwarten, dass wir die Einflüsse der Menschen auf die Umwelt voll und ganz verstehen, ohne ein angemessenes Verständnis über die natürlichen Einflüsse auf die Umwelt zu haben.
