klima

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Klimaet er gennemsnittet af de dynamiske processer i jordens atmosfære bestemt ved hjælp af meteorologiske metoder baseret på små steder ( meso eller regionalt klima) eller på kontinentale dimensioner ( makroklima ), inklusive alle udsving i løbet af året og baseret på et stort antal klimaelementer . De klimatiske forhold styres ikke kun af solstråling og de fysiske og kemiske processer i atmosfæren, men også af påvirkninger og vekselvirkninger fra de fire andre jordkugler ( hydrosfære , kryosfære , biosfære og litosfære ). For at vise temperaturprofilen i en statistisk relevant tidsramme med tilstrækkelig nøjagtighed, ud over alle andre vejrprocesser, anbefaler Verdens Meteorologiske Organisation (WMO) brug af referenceperioder (inklusive normale perioder eller CLINO -perioder ), hvor den månedlige middelværdier som en tidsserie over 30 år i et datasæt er opsummeret. Op til og med 2020 var referenceperioden fra 1961 til 1990 det gyldige og almindeligt anvendte benchmark. Dette blev erstattet af den nye normale periode 1991 til 2020 i begyndelsen af ​​2021. [1]

Klimaets regelmæssigheder, dets komponenter, processer og påvirkningsfaktorer samt dens mulige fremtidige udvikling er genstand for forskning inden for klimatologi . Som en tværfaglig videnskab samarbejder klimatologi med emner som fysik , meteorologi , geografi , geologi og oceanografi og bruger nogle af deres metoder eller detektionsmetoder.

Paleoklimatologi er et vigtigt underområde for både klimatologi og historisk geologi . Din opgave er at bruge isotopundersøgelser og dataserier fra klimaarkiver og indirekte klimaindikatorer ( proxyer ) til at rekonstruere klimaforholdene over historiske eller geologiske perioder i form af en klimahistorie og til at dechiffrere mekanismerne for tidligere klimaændringer , som f.eks. påvirkningen af ​​periodiske klimaforandringer, der ændrer solstråling på grund af Milanković -cyklusser på jordsystemet.

udtryk

definition

Afhængigt af udviklingsstadiet og klimaforskningens fokus var og er der forskellige definitioner. [2] [3] Det mellemstatslige panel for klimaændringer (IPCC) arbejder ud fra en bred definition: [4]

”Klima i smallere forstand defineres normalt som det gennemsnitlige vejr, eller mere præcist som den statistiske beskrivelse i form af gennemsnittet og variationen af ​​relevante mængder over en periode, der spænder fra måneder til tusinder eller millioner af år. Den klassiske periode for gennemsnit af disse variabler er 30 år, som defineret af World Meteorological Organization. De relevante parametre er for det meste overfladevariabler som temperatur, nedbør og vind. Klima i bredere forstand er tilstanden, herunder en statistisk beskrivelse, af klimasystemet. "

Denne definition af IPCC inkluderer et dybtidsperspektiv og tager ud over atmosfæren hensyn til andre undersystemer ( jordkugler ). Det afspejler udviklingen siden anden halvdel af det 20. århundrede, hvor tværfaglig forskning i klimadynamik, herunder dens årsager, blev mulig og kom til udtryk. Således fik den tidsmæssige dimension betydning i forhold til den regionale dimension. [3]

Den tyske vejrtjeneste (DWD) definerer klimaet nærmere, med rumlig reference og på en tidsskala på årtier: [5]

”Klimaet er defineret som en opsummering af de vejrfænomener, der kendetegner atmosfærens gennemsnitlige tilstand på et bestemt sted eller i et mere eller mindre stort område.

Det repræsenteres af de overordnede statistiske egenskaber (middelværdier, ekstreme værdier, frekvenser, varighedsværdier osv.) Over en tilstrækkelig lang periode. Generelt bruges en periode på 30 år som grundlag, den såkaldte normale periode, men der bruges også kortere perioder. "

I den geografiske klimatologi Klima af Joachim Blüthgen i sin generelle blev klimatologi defineret som følger: [6]

"Det geografiske klima er det typiske resumé af nærjorden og jordens overfladepåvirkende atmosfæriske forhold og vejrprocesser over en lang periode i en karakteristisk frekvensfordeling, som er typisk for et sted, et landskab eller et større område. "

I meteorologisk klimatologi er klimaet ifølge Manfred Hendl defineret som følger: [7]

"Klima er den lokalt karakteristiske frekvensfordeling af atmosfæriske forhold og processer i løbet af en tilstrækkelig lang referenceperiode, som skal vælges på en sådan måde, at frekvensfordelingen af ​​de atmosfæriske forhold og processer gør retfærdighed over for de typiske forhold på referencestedet. "

Den grundlæggende definition for klimatologi stammer fra den wienerske meteorolog Julius von Hann (1839–1921), [3], der forstod udtrykket som "helheden af ​​alle meteorologiske fænomener, der karakteriserer atmosfærens gennemsnitlige tilstand på et hvilket som helst tidspunkt på jordens overflade. "(Handbook der climatology, 1883) [8] Von Hann grundlagde således" middelværdi -klimatologien ". I sin definition gik han tilbage til 1800 -tallets definition af Alexander von Humboldt , som var baseret på den menneskelige oplevelse af et sted; [3] han forstod klimaet som "alle ændringer i atmosfæren, der mærkbart påvirker vores organer" ( Kosmos bind I ) [9] .

etymologi

Ordet klima ( flertal : Klimate eller, tættere på det græske , Klimata ; sjældent ( germaniseret ) også Klimas ) er en adoption af det gamle græske ord κλίμα klíma , hvis første betydning (omkring 500 f.Kr. ) i denne sammenhæng 'krumning / hældning [ af solens position] 'og tilhører verbet κλίνειν klínein ,' hældning ',' bøjning ',' bøjning ',' mager '. Udtrykket kom endelig på tysk via det sene latinske klima (verb: clinare , ' beugen ', ' biegen ', ' neigen ' [10] ). [11]

Klima refererer ikke til ekliptikken , dvs. til det faktum, at jordaksen i øjeblikket har en hældningsvinkel på ca. 23,5 grader til planet i jordens bane , men til jordens sfæriske form. Dette svarer til oplevelsen af, at det kun er muligt at observere andre områder af himlen ved at bevæge sig i nord-syd retning. Den tilsvarende germanisering er forbindelsen " Himmelsstrich ", som dog kun beskriver det geografiske område og ikke længere det tilhørende vejr.

I det 20. århundrede udviklede forståelsen af ​​udtrykket sig fra det samlede vejr ( EE Fedorov 1927) [12] til syntesen af ​​vejret ( WMO 1979).

Midlertidig dimension

Meteorologisk observatorium på Hohen Peißenberg (Øvre Bayern), 977 meter over havets overflade

I modsætning til vejret, der forekommer i et bestemt område (tidsramme: timer til et par dage) og vejret (tidsramme: op til cirka en uge, sjældnere en måned eller en sæson), vurderes fast definerede tidsperioder statistisk i klimatologi, primært i forhold til det 19. til det 21. århundrede. Udgangspunktet er altid vejret, herunder de meteorologisk registrerede data og måleværdier.

Verdens Meteorologiske Organisation (WMO) anbefaler såkaldte normale klimaperioder med en varighed på 30 år. Den tidligere standard var årsserien 1961–1990, der ifølge den sædvanlige regulering var gældende frem til 2020 og nu er blevet erstattet af 1991–2020. Alternative normale perioder bruges også af praktiske årsager. For at få et så rettidigt interval som muligt brugte det østrigske Centralinstitut for Meteorologi og Geodynamik (ZAMG) ofte perioden 1971–2000, også med hensyn til de gletsjerinventarer, der er vigtige for alperegionen. Derudover anbefaler WMO til sine medlemsorganisationer sammenligningsperioden 1981-2010, som bruges parallelt med den aktuelt gyldige referenceperiode, herunder for MeteoSwiss .

Desuden evalueres større tidsperioder, såsom den hundrede års sekulære periode 1851–1950, for at præsentere klimatiske anomalier og tendenser i en større tidsmæssig kontekst. Dette princip anvendes både lokalt og nationalt eller globalt. Det internationalt anerkendte indeks for Goddard Institute for Space Studies (GISS) og NASA indeholder de globale temperaturanomalier fra 1880 og fremefter baseret på referenceperioden 1951–1980. [13]

I tilfælde af klimatiske rekonstruktioner, der spænder over geologiske perioder og dermed perioder på millioner af år , spiller vejrpåvirkninger naturligvis ikke længere en rolle. I stedet forsøger man at skabe klimatiske karakteristika for de respektive epoker, herunder kortsigtede køle- eller opvarmningsfaser, ved at evaluere sedimenter, dyre- og plantefossiler og gennem isotopundersøgelser. På grund af de hurtige fremskridt med de forskellige analyseteknikker opnås stadig mere præcise resultater i denne sektor, herunder med hensyn til tidsopløsning.

Rumlig dimension

Udtrykket klima er ofte forbundet med verdensklimaet eller det globale klima. Den globale temperaturudvikling er imidlertid ikke repræsentativ for enkelte regioner, som endda kan vise en modsat tendens over et bestemt tidsrum. Et eksempel på dette er en stabil kold boble kaldet en "kold klat" i den subpolare Atlanterhav syd for Grønland , som åbenbart udviklede sig over årtier, og som kan skyldes dens eksistens til omfattende smeltevandsudledninger fra den grønlandske indlandsis . [14] Omvendt kan en lokal rekordsommer "forsvinde" i globalt bestemte dataserier.

Med hensyn til rumlige dimensioner har en tre-trins klassificering vist sig:

  • Mikroklimaet spænder fra et par meter til et par kilometer, som en terrasse, et landbrugsområde eller en gade.
  • Mesoklimatet refererer til landstrækninger (f.eks. En bjergkæde) op til et par hundrede kilometer.
  • Makroklimaet beskriver kontinentale og globale relationer.

Selvom der er et tæt forhold mellem den rumlige dimension og varigheden af ​​begivenheden i vejret , er dette aspekt mindre relevant for klimatologiske analyser.

Mikroklima (eller mikroklima)

Mikroklima beskriver klimaet i området med luftlagene tæt på jorden op til en højde på cirka to meter eller det klima, der udvikler sig i et lille, klart defineret område (f.eks. På skråninger eller i et bymiljø ).

Mikroklimaet er afgørende formet af overfladestrukturen og jorden friktion af den vind , der opstår der. I dette miljø er der svagere luftstrømme, men større temperaturforskelle . Jordbundens , landskabsformernes og plantesamfundets mangfoldighed kan forårsage store klimatiske kontraster i et begrænset rum. Mikroklimaet er ideelt til lavvoksende planter er vigtigt, fordi dette er mest følsomt over for klima Livsfasen igennem i overfladeluflaget, og spiller f.eks. Egenskaberne af en vingård i kvalitetens vindyrkning en vigtig rolle.

Mennesker udsættes også direkte for mikroklimaet. Især i byens boligareal afviger mikroklimaet ofte fra de naturlige forhold på grund af forskellige byggematerialer , arkitektonisk design , solstråling eller skygge og kan ændre sig hurtigt og permanent gennem indgreb i det respektive bygningsstof eller dets omgivelser.

Mesoklima

Mesoklima består af forskellige individuelle klimaer, der har et omfang mellem et par hundrede meter og et par hundrede kilometer, men normalt omfatter områder i det lavere kilometerinterval. På grund af dette brede, men lokale spektrum spiller mange aspekter af anvendt meteorologi og klimatologi en stor rolle, for eksempel byklimaet eller regnskovsklimaet . Generelt tælles alle lokale klimaer og terrænklimaer som mesoklimater, ligesom de lokale klimaer i økosystemer , hvorved overgangen til mikroklima er flydende i disse.

Regionalt klima

Det regionale klima er klimaet i en rumenhed på mesoskalaen. Derfor har det meget tilfælles med mesoklimatet . Det regionale klima er kendetegnet ved, at det hovedsageligt afhænger af regionale forhold såsom arealanvendelse. Desuden er terrænets regionale form en vigtig påvirkningsfaktor.

Da det regionale klima er særlig vigtigt for skovbrug, landbrug og infrastrukturelle processer, bruges regionale klimakort til dette. Normalt undersøger man regionale klimaer i forhold til geografisk, administrativt eller scenisk afgrænsede territoriale enheder. [15] [16]

Makroklima (eller stort klima)

Makroklimaer omfatter store atmosfæriske cirkulationsmønstre, havstrømme eller klimazoner på mere end 500 kilometer. Disse omfatter strømningskombinationen af termohalin-cirkulationen , der forener fire af de fem oceaner i en vandcyklus, såvel som de periodiske virkninger af den atlantiske oscillation i flere årtier . De forskellige vindsystemer i planetcirkulationen , for eksempel monsunerne , passatvindene eller de oceaniske og atmosfæriske Rossby -bølger, tildeles makroklimaet, ligesom store regionale klimaer som Amazonas regnskov . Alle makroklimaer påvirker hinanden og danner tilsammen det globale klimasystem.

Klimatiske zoner og klimaklassificering

Områder med de samme klimaforhold er opdelt i klimazoner og dermed klassificeret. Den mest kendte klassifikation kommer fra geoforskeren Wladimir Köppen (1846–1940). Hans værk Geographical System of Climates , udgivet i 1936, betragtes som den første objektive klimaklassificering (se illustration til højre). Det fik udbredt anvendelse primært gennem Köppens samarbejde med klimatolog Rudolf Geiger og er stadig af stor betydning i dag.

Klimazonernes omfang, struktur og placering afhænger af tilstanden og udsvingene i det globale klima over forskellige tidsperioder. Ifølge flere undersøgelser har der været en klar tendens mod dannelsen af ​​varmere og tørre klimaer siden midten af ​​det 20. århundrede . [17] Hvis denne udvikling fortsætter, er det meget sandsynligt, at der vil være et skift i eksisterende klimazoner og etablering af nye. [18]

I videnskaben antages det generelt, at med yderligere stigende opvarmning kan der forventes betydelige konsekvenser for flora og fauna i alle klimazoner. Inden år 2100, kunne næsten 40 procent af verdens landområder blive påvirket af den igangværende omdannelse af de eksisterende klimaer, med risiko for omfattende arter tab og storstilet skovrydning . Sub-tropiske og tropiske områder ville være særligt modtagelige for denne ændring, da de ifølge paleobiologiske analyser kun har været udsat for marginale udsving i løbet af de sidste årtusinder og derfor er mindre tilpasningsdygtige. En af de mest varige virkninger af opvarmningsprocessen i de arktiske områder er, hvis den nuværende tendens til polarforstærkning fortsætter i denne region. Ændringer i temperatur har en betydelig indvirkning på de biotoper, der findes der. [19] Hvis menneskeskabte emissioner fortsat stiger, påvirkes Middelhavsområdet og dele af Chile og Californien også stærkt af denne udvikling med risiko for regional ørkendannelse. [20]

Udover det nye skift i klimazoner er der også ændringer i fordelingen af vegetation i bjergkæder i det tropiske bælte . For eksempel fandt man for den 6.263 meter høje Chimborazo i Ecuador, baseret på en sammenligning med tidligere optegnelser, at i løbet af de sidste 200 år på grund af issmeltning og stigende global opvarmning er plantedækket ekspanderet omkring 500 meter længere opad. [21]

Klimasystem

Jordens klimasystem, der i det væsentlige drives af solstråling , består af fem hovedkomponenter, også kaldet jordkugler : Jordens atmosfære , hydrosfære , kryosfære , biosfære og litosfære (med pedosfærens overfladeareal). [22] Disse er detaljeret karakteriseret som følger:

  • Jordens atmosfære er den gasformige skal af jordoverfladen, der hovedsageligt består af nitrogen og ilt . Dette er opdelt i flere lag, nemlig fra bunden til toppen troposfæren , stratosfæren , mesosfæren , termosfæren og eksosfæren . Vejret sker udelukkende i det laveste lag ( troposfæren ), hvis lodrette udstrækning (stigende fra polerne til ækvator) er cirka 7 til 17 kilometer. Den atmosfæriske drivhuseffekt , baseret på virkningerne af sporgasser som kuldioxid og metan , forhindrer den globale overfladetemperatur i at falde et godt stykke under frysepunktet .
  • Hydrosfæren omfatter hele forekomsten af ​​flydende vand på eller under jordoverfladen . Delsystemer er oceanosfæren (vandet i havene) og limnosfæren (indre farvande på fastlandet såsom søer, floder eller grundvand ). Vanddampen som en gasformig aggregattilstand i vandet tilhører ikke denne kategori, men er en del af atmosfæren .
  • Kryosfæren omfatter havis , ishylder , iskapper , bjerggletsjere , is i permafrostjord , iskrystaller i skyer og alle sæsonbetonede og derfor meget varierende sne- og isdækninger. Da isoverflader afspejler det meste af den indfaldende solstråling, er kryosfærens vækst eller tilbagegang en elementær klimafaktor, der påvirker jordens reflektans ( albedo ).
  • Biosfæren ( "livsrum" ) strækker sig fra højere atmosfæriske lag til et par kilometer dybt ind i jordskorpen ( litosfæren ) og befolker sig udelukkende af mikroorganismer i disse "perifere områder". Da livet afhænger af at interagere med og tilpasse sig det livløse miljø, er flere økosystemer dukket op på planetarisk plan i løbet af udviklingen . På grund af sin kompleksitet og dens intensive interaktioner med andre sfærer er biosfæren (som også omfatter mennesker) i centrum for mange videnskabelige discipliner, især biologi og miljøvidenskab .
  • Litosfæren danner fastlandsområdet på jordoverfladen og havbunden . Da det øverste lag på den kontinentale litosfære udsættes for forvitring, samtidig absorberer eller lagrer luft, vand og organiske stoffer og ofte har vegetation, er der en bred interaktion mellem den og jordens andre sfærer.

De interne processer og interaktioner, der finder sted inden for og mellem de enkelte sfærer, er også en del af klimasystemet. Eksterne processer, dvs. processer, der ikke tilhører klimasystemet, driver klimasystemet; ud over solstråling er det vulkanisme og menneskelig påvirkning (→ #klimafaktorer ).

Klimaelementer

De målbare egenskaber ved terrestrisk klimasystem kaldes klimaelementer , der individuelt eller gennem deres interaktion former klimaet. Disse er for det meste meteorologiske variabler, der registreres ved hjælp af vejrstationer , vejrprober eller satellitter , men også dataserier fra oceanografi og forskellige geofaglige discipliner. I meteorologi er fokus på rumlig dataanalyse , mens der inden for klimatologi er fokus på tidsserieanalyse .

De vigtigste metrics er:

Gennemsnitlige årlige globale strålingssummer i Europa

Klimatiske faktorer

En række vigtige klimafaktorer

Klimafaktorer er de komponenter, der har en fysisk, kemisk eller biologisk effekt på klimasystemet og stabiliserer, former eller ændrer det over forskellige tidsperioder. Flere faktorer kan interagere og på denne måde styrke en proces eller stort set neutralisere hinanden som modsatrettede påvirkninger.

Klimatiske faktorer over hele varigheden af ​​jordens historie

Udvikling af lysstyrke (rød), radius (blå) og effektiv temperatur (grøn) af solen under dens eksistens på hovedsekvensen , relateret til det nuværende udviklingstrin.
  • Solen er af primær betydning for jordens klima. 4,6 milliarder år siden sad hos hende efter en periode som protostjerne i fusionsprocessen, der i solkernen brint gradvist til heliumkonverterer . Denne fase varer omkring 11 milliarder år, hvorved lysstyrken og stjernens radius vil stige betydeligt eller allerede er steget. [23] Det betyder, at solen i begyndelsen af ​​jordens historie kun havde 70 procent af sin nuværende strålingsudgang . Paradokset for den svage unge sol berører grundlæggende spørgsmål om jordelivets oprindelse og kontinuitet og er et centralt tema i atmosfæriske videnskaber .
  • Siden begyndelsen af ​​jordens historie har vulkanisme været en elementær klimafaktor med meget forskellige manifestationer (herunder skjoldvulkaner , hotspots eller kappe diapirer , magmatiske store provinser ). Den permanente frigivelse af kuldioxid gennem vulkansk udgasning (ca. 180 til 440 megaton årligt) [24] kompenserer stort set for CO 2 -lagringen forårsaget af forvitring og sedimentering og bidrog afgørende til at overvinde snebold-jord-stadierne i det sene prækambrium . [25] [26] På den anden side er gentagen destabilisering af biosfæren på grund af stærkt øgede vulkanske aktiviteter tydeligt blevet demonstreret. [27]
  • Drivhusgasser er strålepåvirkende gasformige stoffer i atmosfæren, der driver drivhuseffekten , herunder vanddamp , kuldioxid, metan , troposfærisk ozon og lattergas . Med hensyn til dens samlede effekt er den mest kraftfulde drivhusgas vanddamp , hvis andel i den naturlige drivhuseffekt svinger mellem 36 og 70 procent. Da det atmosfæriske vanddampindhold afhænger direkte af lufttemperaturen, falder dets koncentration ved lavere gennemsnitstemperaturer og stiger under en opvarmningsfase ( feedback fra vanddamp eller Clausius-Clapeyron-ligning ).
  • Til en vis grad er pladetektonik motoren til klimatiske ændringer i geologiske tidsperioder. Deres indflydelse på jordens klima er ikke kun begrænset til dannelsen af ​​vulkanske zoner, bjergformationer, kontinenternes placering og størrelse og de tilhørende vejrsystemer og havstrømme er også direkte relateret til pladetektonik. Kulstof, der er bundet af forvitring i kalksten, kan frigives tilbage i atmosfæren, hvis de tilsvarende stenlag subdugeres i løbet af pladetektoniske skift og i forbindelse med øgede vulkanske aktiviteter (jf. Uorganisk kulstofcyklus ).
  • Albedo er målet for refleksionsevne på overflader, der ikke selv er lysende. Sne- og isoverflader har en albedo på cirka 0,80 (hvilket svarer til en refleksion på 80 procent), mens frie havoverflader har en albedo på cirka 0,20 og dermed absorberer mere varmeenergi, end de reflekterer. Jordens gennemsnitlige sfæriske albedo er i øjeblikket omkring 0,3. Det afhænger af oceanernes omfang, indlandsis, ørkener og vegetationszoner (herunder skydække og aerosolkoncentration ) og kan ændre sig sammen med strålingsbalancen .
  • Forvitringsprocesser har en tendens til at køle ned og komme i spil i forskellige grader afhængigt af den respektive klimatiske tilstand. På grund af kemisk forvitring trækkes kuldioxid permanent ud af atmosfæren og bindes i litosfæren . En del af det lagrede CO 2 returneres til atmosfæren i løbet af millioner af år gennem udledning af kontinentale eller oceaniske vulkaner. [28] Under de nuværende geofysiske forhold ville en komplet udskiftning af atmosfærisk kuldioxid på grundlag af carbonat-silikatcyklussen tage cirka 500.000 år.
  • Klimarelevante udsving i havoverfladen (eustasia) er baseret på to hovedårsager: 1. Ændringer i havvandsmængden på grund af vandets binding i kontinentale indlandsis eller på grund af deres smeltning (glacial eustasia) ; 2. Ændringer i havbassinets volumen som følge af tektoniske processer, for eksempel gennem dannelsen af ​​ny oceanisk skorpe . Dette gør det muligt at stige eller falde havniveauet i området 100 til 200 meter.
  • Wolkenbildungen haben einen großen Einfluss auf den Energiehaushalt beziehungsweise die Strahlungsbilanz der Erde und damit auf das Klimasystem. Die Wirkungszusammenhänge sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Neuere Studien gehen von der Möglichkeit aus, dass hohe CO 2 -Konzentrationen einen negativen Einfluss auf die Entstehung von Stratocumuluswolken ausüben könnten, was einen zusätzlichen Erwärmungseffekt bedeuten würde. [29]

Sporadisch auftretende Einflüsse über längere Zeiträume

Die Basaltschichten des Dekkan-Trapp bei Matheran östlich Mumbai
  • Magmatische Großprovinzen waren oftmals Ursache für rasch verlaufende Klimawechsel. Dabei handelt es sich um den großvolumigen Austritt magmatischer Gesteine aus dem Erdmantel , die sich mitunter über Millionen km² ausbreiteten und erhebliche Mengen an Kohlenstoffdioxid und anderen Gasen emittierten. Im Unterschied zum „normalen“ Vulkanismus bewirkten die Aktivitäten einer Magmatischen Großprovinz keine aerosolbedingte Abkühlung, sondern eine weltweite und zum Teil extreme Erwärmung mit zusätzlicher Aktivierung mehrerer Rückkopplungen. [30] Bekannte Magmatische Großprovinzen sind der Sibirische Trapp (252 mya) und der Dekkan-Trapp im heutigen Westindien (66 mya).
  • Organismen , die durch Fixierung oder Freisetzung von Treibhausgasen klimawirksame Effekte hervorrufen können, wie Korallen , Methanbildner oder Pflanzen wie der Schwimmfarn Azolla , der wahrscheinlich 800.000 Jahre lang im Eozän den Arktischen Ozean „besiedelte“. [31]
  • Die Eis-Albedo-Rückkopplung bezeichnet einen positiven Rückkopplungseffekt im Klimasystem, durch den im Verlauf einer globalen Abkühlung die Schnee- und Eisbedeckung (vor allem in den Polargebieten) weiter zunimmt. Die Eis-Albedo-Rückkopplung ist besonders beim Übergang von einer Warm- zu einer Kaltzeit von Bedeutung, da sie Vereisungs- und Abkühlungsprozesse beschleunigt und verstärkt.
  • Impaktereignisse größeren Ausmaßes können nicht nur die Biosphäre in erheblichem Umfang destabilisieren und Massenaussterben wie jenes an der Kreide-Paläogen-Grenze verursachen, sondern auch das Klima über längere Zeiträume beeinflussen (abrupt einsetzender Impaktwinter über einige Jahrzehnte, eventuell nachfolgende starke Erwärmung mit einer Dauer von mehreren 10.000 Jahren).
  • #Erdbahnparameter .

Zusätzliche und gegenwärtig wirksame Einflüsse

  • Sonnenfleckenzyklen korrelieren im Normalfall mit dem elfjährigen Schwabe-Zyklus und dem Hale-Zyklus mit 22 Jahren Dauer, wobei die Sonne auch jahrzehntelang in einer „Stillstandsphase“ verharren kann. In der Klimatologie herrscht breite Übereinstimmung, dass sich die Globale Erwärmung seit Mitte des 20. Jahrhunderts von der Sonnenaktivität vollständig abgekoppelt hat. Welchen Anteil die Aktivitätszyklen am Verlauf der „ Kleinen Eiszeit “ und anderen Klimaanomalien hatten, ist Gegenstand einer wissenschaftlichen Diskussion. [32]
  • Aerosole sind mit einem Trägergas verbundene flüssige oder feste Schwebeteilchen, die in Form von hygroskopischen Partikeln als Kondensationskerne an der Wolkenbildung beteiligt sind. Zusätzlich tragen sie je nach Konzentration, chemischer Beschaffenheit und atmosphärischer Verteilung überwiegend zu einer Abkühlung des Klimas bei, vor allem bei einem Auftreten als helle Sulfataerosole . Aerosole gelangen zum Beispiel durch Vulkanismus, Wald- und Flächenbrände sowie verstärkt seit Beginn des Industriezeitalters durch anthropogene Emissionen in die Atmosphäre.
  • Rossby-Wellen (auch planetarische Wellen ) sind großräumige wellenförmige Bewegungen in der Atmosphäre und den Meeren (als windgesteuerter Faktor der ozeanischen Zirkulation ). In der Lufthülle sind Rossby-Wellen eine mäandrierende Ausprägung des Jetstreams entlang der Grenze zwischen polaren Kalt- und subtropischen Warmluftzonen. Die in den letzten Jahren registrierte Veränderung der atmosphärischen Rossby-Wellen führt zu einer Zunahme stabiler Wetterlagen und damit zu einer Häufung extremer Witterung in den mittleren Breiten der Nordhemisphäre. [33] [34]
  • Mit der Nordatlantischen Oszillation ( NAO ) ist eine Veränderung der Druckverhältnisse zwischen dem Islandtief im Norden und dem Azorenhoch im Süden über dem Nordatlantik verbunden. Die NAO übt einen starken Einfluss auf die Wetter- und Klimabedingungen im östlichen Nordamerika, des Nordatlantiks und in Europa aus.
  • Die Atlantische Multidekaden-Oszillation (AMO) bezeichnet eine zyklische Schwankung der Ozeanströmungen im Nordatlantik mit einer Veränderung der Meeresoberflächentemperaturen des gesamten nordatlantischen Beckens.
  • Die El Niño-Southern Oscillation (ENSO) ist eine kurzfristige Schwankung im Klimasystem der Erde, resultierend aus einer ungewöhnlichen Erwärmung im östlichen Pazifik ( El Niño ) und Luftdruckschwankungen in der Atmosphäre ( Southern Oscillation ). Das ENSO-Phänomen ist in der Lage, die weltweite Temperaturentwicklung kurzfristig zu beeinflussen.
  • Globale Erwärmung ist der vielfach belegte Trend zu höheren globalen Durchschnittstemperaturen aufgrund anthropogener Treibhausgas-Emissionen, mit Folgen wie steigenden Meeresspiegeln , Gletscherschmelze , Verschiebung von Klimazonen sowie Zunahme von Wetterextremen . [35] Aussagen über Umfang und Dauer der künftigen Temperaturentwicklung beruhen auf verschiedenen Szenarien, die deutliche Auswirkungen über Jahrtausende erwarten lassen, unter Umständen auch darüber hinaus. [36] [37]

Klimawandel

Fennoskandischer Eisschild und alpine Vergletscherung während der Weichsel- beziehungsweise Würm-Kaltzeit

Im Unterschied zu regional oder hemisphärisch auftretenden Klimaschwankungen (auch Klimafluktuationen oder Klimaanomalien , mit einer Dauer von einigen Jahrzehnten oder Jahrhunderten) erfolgt ein weltweiter Klimawandel durch die markante Veränderung des Strahlungsantriebs , der das Erdsystem aus einem thermisch-radiativen Gleichgewicht in ein neues Gleichgewicht überführt. Dieser Prozess bewirkt je nach geophysikalischer Konstellation eine deutliche Abkühlung oder eine starke Erwärmung über unterschiedlich lange Zeiträume. Die gegenwärtige, durch den Menschen verursachte Globale Erwärmung ist ein Beispiel für einen rasch fortschreitenden, aber noch nicht abgeschlossenen Klimawandel, [38] dessen bisheriger und prognostizierter Verlauf möglicherweise ein in der Klimageschichte singuläres Ereignis darstellt, für das keine Entsprechung existiert.[39] [40]

Die wichtigsten Komponenten eines Klimawandels auf globaler Ebene sind die variierende Sonneneinstrahlung aufgrund der Milanković-Zyklen , das Rückstrahlvermögen ( Albedo ) der gesamten Erdoberfläche sowie die atmosphärische Konzentration von Treibhausgasen , vorwiegend Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und Methan (CH 4 ), die wiederum auf der Basis des Treibhauseffekts die Stärke der temperaturabhängigenWasserdampf-Rückkopplung beeinflussen. Der Klimazustand der letzten 2,6 Millionen Jahre ( Quartäre Kaltzeit ) war der eines Eiszeitalters und wurde hauptsächlich von den Milanković-Zyklen gesteuert, die die Sonneneinstrahlung über die Dauer von 40.000 beziehungsweise 100.000 Jahren signifikant veränderten und so den Anstoß für den Wechsel der Kaltzeiten (Glaziale) mit Warmzeiten (Interglaziale) gaben. [41]

Nicht immer waren Kohlenstoffdioxid und/oder Methan die Hauptfaktoren eines Klimawandels. Sie fungierten im Rahmen natürlicher Klimawandel-Ereignisse manchmal als „Rückkopplungsglieder“, die einen Klimatrend verstärkten, beschleunigten oder abschwächten. [42] In diesem Zusammenhang sind neben den Erdbahnparametern auch Feedbacks wie die Eis-Albedo-Rückkopplung , die Vegetationsbedeckung , Verwitterungsprozesse , die Variabilität des Wasserdampfgehalts sowie eine Vielzahl geologischer und geophysikalischer Einflüsse zu berücksichtigen.

Eine spezielle Form des Klimawandels sind abrupte Klimawechsel . Sie wurden in der Erdgeschichte durch Impaktereignisse , Eruptionen von Supervulkanen , großflächige Magmaausflüsse , schnelle Veränderungen von Meeresströmungen oder durch rasch ablaufende Rückkopplungsprozesse im Klimasystem ausgelöst, oft in Verbindung mit ökologischen Krisen. [43]

Klimageschichte

Rekonstruktion des Temperaturverlaufs während der Quartären Kaltzeit anhand verschiedener Eisbohrkerne

Die Erde bildete sich vor 4,57 Milliarden Jahren aus mehreren Protoplaneten unterschiedlicher Größe. Ihre heutige Masse soll sie der Kollisionstheorie zufolge durch einen Zusammenstoß mit einem marsgroßen Himmelskörper namens Theia vor 4,52 Milliarden Jahren erhalten haben. Dadurch wurden Teile des Erdmantels und zahlreiche Trümmerstücke von Theia in den Orbit geschleudert, aus denen sich innerhalb von 10.000 Jahren der zu Beginn glutflüssige Mond formte. [44] Über dieses früheste und chaotisch geprägte Stadium der Erdgeschichte sind mangels verwertbarer Klimadaten keine gesicherten Aussagen möglich. Erst ab der Zeit vor 4,0 bis 3,8 Milliarden Jahren, nach der Entstehung der Ozeane und erster Lebensformen, existieren fossile Spuren und Proxys („Klimaanzeiger“), die Rückschlüsse auf klimatische Bedingungen erlauben. Auf Basis dieser Hinweise wird angenommen, dass über weite Teile des Archaikums ein relativ warmes Klima herrschte.[45] Diese Phase endete im frühen Proterozoikum vor 2,4 Milliarden Jahren mit dem Übergang in die 300 Millionen Jahre dauernde Paläoproterozoische Vereisung . [46]

Gegen Ende des Präkambriums diffundierte Sauerstoff in größeren Mengen bis in die Stratosphäre , und es bildete sich auf der Grundlage des Ozon-Sauerstoff-Zyklus eine Ozonschicht . Diese schützte fortan die Erdoberfläche vor der solaren UV-Strahlung und ermöglichte so die Besiedelung der Kontinente durch Flora und Fauna. Während des Erdaltertums nahm der Sauerstoffgehalt rasch zu. Er entsprach im Umkreis der Devon - Karbon -Grenze (ca. 359 mya) erstmals der heutigen Konzentration von 21 Prozent und erreichte gegen Ende des Karbons etwa 33 bis 35 Prozent. Im weiteren Verlauf der Erd- und Klimageschichte war die Atmosphäre in Abhängigkeit von biogeochemischen und geophysikalischen Einflüssen immer wieder starken Veränderungen unterworfen. Die Sauerstoff-, Kohlenstoffdioxid- und Methan-Anteile schwankten zum Teil erheblich und spielten direkt oder indirekt eine entscheidende Rolle bei einer Reihe von Klimawandel-Ereignissen. [47]

Bei Analyse der Klimageschichte spricht eine wachsende Zahl von Belegen für die Annahme, dass fast alle bekannten Massenaussterben oder die deutliche Reduzierung der Biodiversität mit raschen Klimaänderungen und deren Folgen verknüpft waren. Daraus resultierte die Erkenntnis, dass diese Ereignisse nicht zwangsläufig an langfristige geologische Prozesse gekoppelt sein müssen, sondern häufig einen katastrophischen und zeitlich eng begrenzten Verlauf genommen haben. [48] Biologische Krisen korrelierten in den letzten 540 Millionen Jahren mehrmals mit einer Abkühlungsphase (mit einem weltweiten Temperaturrückgang von 4 bis 5 °C), häufiger jedoch mit starken Erwärmungen im Bereich von 5 bis 10 °C. [49] Im letzteren Fall trug ein Bündel von Nebenwirkungen (Vegetationsrückgang, Ausgasungen von Gift- und Schadstoffen, Sauerstoffdefizite, Versauerung der Ozeane etc.) dazu bei, die irdische Biosphäre weiter zu destabilisieren. [27] [30]

Stalagmit, rechts Ansicht, links Schnitt mit Wachstumsstreifen

Die im 20. Jahrhundert entwickelte radiometrische Datierung , die eine absolute Altersbestimmung magmatischer Gesteine und vulkanogener Sedimente erlaubt, führte zur Etablierung der Subdisziplinen Geochronologie und Chronostratigraphie und besitzt große Bedeutung für alle Perioden des 541 Millionen Jahre umfassenden Phanerozoikums und darüber hinaus. Gebräuchliche Methoden sind die Uran-Thorium-Datierung und die Uran-Blei-Datierung . Für genaue Datierungen eignen sich vor allem Zirkonkristalle , deren stabile Gitterstruktur eine präzise Auswertung der darin eingeschlossenen radioaktiven Nuklide erlaubt. Zusätzlich wird zur Rekonstruktion vergangener Klimate und ihrer Umweltbedingungen eine Reihe verschiedener Isotopenuntersuchungen verwendet, mit deren Hilfe beispielsweise frühere Meerestemperaturen, CO 2 -Konzentrationen oder Veränderungen des Kohlenstoffzyklus ermittelt werden können. Für jüngere erdgeschichtliche Abschnitte ( Pleistozän und Holozän ) kommen weitere Analysewerkzeuge zum Einsatz. Mit die wichtigsten sind die Dendrochronologie (Jahresring-Auswertung), [50] die Palynologie (Pollenanalyse), die Warvenchronologie (Bändertondatierung), [51] Eisbohrkerne , [52] Ozeanische Sedimente sowie Tropfsteine ( Stalagmiten und Stalaktiten ).

Klimaereignisse in historischer Zeit und ihre Auswirkungen auf menschliche Gesellschaften sind Forschungsgegenstand der Historischen Klimatologie beziehungsweise der Umweltgeschichte , wobei vielfach auf schriftliche Aufzeichnungen zurückgegriffen wird. Mitteleuropa verfügt über einen so reichhaltigen Fundus zeitgenössischer Berichte, dass etwa ab dem Jahr 1500 für nahezu jeden einzelnen Monat aussagekräftige Schilderungen der damaligen Witterung vorliegen. Klimaveränderungen wie die Mittelalterliche Klimaanomalie oder die Kleine Eiszeit werden dabei ebenso einer wissenschaftlichen Analyse unterzogen wie einzelne Extreme, zum Beispiel das von katastrophaler Dürre geprägte Jahr 1540 . [53]

Erdbahnparameter

Maximaler und minimaler Neigungswinkel der Erdachse, eingebunden in einen Zyklus von 41.000 Jahren

Dass langfristige Schwankungen des globalen Klimas auf zyklischen Veränderungen der Erdachse und der Erdumlaufbahn beruhen könnten, wurde bereits in der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts vermutet. [54] Eine erste umfassende Darstellung auf der Basis umfangreicher Berechnungen gelang dem Geophysiker und Mathematiker Milutin Milanković (1879–1958). Sein in jahrelanger Arbeit erstelltes Erklärungsmodell berücksichtigt die periodischen Veränderungen der Erdbahn (von leicht elliptisch bis fast kreisförmig), die Neigung der Erdachse sowie das Kreiseln der Erde um ihre Rotationsachse ( Präzession ).

Die nach Milanković benannten Zyklen beeinflussen die Verteilung und zum Teil die Intensität der Sonneneinstrahlung auf der Erde. Vor allem der die Exzentrizität steuernde Großzyklus mit einer Dauer von 405.000 Jahren bildete über weite Teile des Phanerozoikums einen stabilen kosmischen „Taktgeber“ und kann nach neueren Erkenntnissen bis in die Obertrias vor etwa 215 Millionen Jahren zurückverfolgt werden. [55] Eine dauerhafte Wirkung entfalteten die Zyklen speziell während verschiedener Glazialphasen mit niedrigen Treibhausgas-Konzentrationen, wobei ihr Einfluss auf den Verlauf der Quartären Kaltzeit aufgrund deren zeitlicher Nähe gut nachvollzogen werden kann. [41] Da die Milanković-Zyklen jedoch zu schwach sind, um als primärer Antrieb für die gesamte Klimageschichte in Frage zu kommen, scheinen sie im Klimasystem in erster Linie als „Impulsgeber“ zu fungieren. Bei der Modellierung von Klimaverläufen werden daher zusätzliche Faktoren und Rückkopplungseffekte mit einberechnet.

Seit ihrer „Wiederbelebung“ in den 1980er Jahren ist die Theorie in modifizierter und erweiterter Form zum festen Bestandteil von Paläoklimatologie und Quartärforschung geworden. [56] Die Milanković-Zyklen gelten in der Klimaforschung als wichtiger Einflussfaktor und werden sowohl bei der Rekonstruktion der letzten Kaltzeitphasen als auch bei der Analyse weiterer Klimawandel-Ereignisse während des Phanerozoikums herangezogen. [41][57]

Klimasensitivität

Absorptionsspektren der Gase der Erdatmosphäre

Die Klimasensitivität ist nach einer häufig verwendeten Definition jene Temperaturzunahme, die sich bei einer Verdoppelung der atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-Konzentration einstellt. Bezogen auf die aktuelle Globale Erwärmung würde dies eine CO 2 -Verdoppelung von vorindustriellen 280 ppm auf 560 ppm bedeuten. Mit Stand 2019 beträgt die im Jahresverlauf leicht schwankende CO 2 -Konzentration ungefähr 412 ppm. Neben Kohlenstoffdioxid sind noch weitere Gase am Treibhauseffekt beteiligt, deren Beitrag in der Regel als CO 2 -Äquivalente dargestellt wird.

Die Eingrenzung der Klimasensitivität auf einen möglichst genauen Temperaturwert ist für die Kenntnis der künftigen Klimaentwicklung von grundlegender Bedeutung. Bei ausschließlicher Betrachtung der im Labor gemessenen Strahlungswirkung von CO 2 beträgt die Klimasensitivität 1,2 °C. Zur Klimasensitivität trägt jedoch auch eine Reihe positiver Rückkopplungseffekte im Klimasystem bei, wobei zwischen schnellen und langsamen Feedbacks unterschieden wird. Wasserdampf- , Eis-Albedo- und Aerosolrückkopplung sowie die Wolkenbildung zählen zu den schnellen Rückkopplungen. Die Eisschilde , kohlenstoffbindende Verwitterungsprozesse sowie die Ausbreitung oder Reduzierung der Vegetationsfläche gelten als langsame Rückkopplungseffekte und werden der Erdsystem-Klimasensitivität zugeordnet.

Die Klimasensitivität als dynamischer Faktor hängt in hohem Maße vom jeweiligen Klimazustand ab. Beispiele aus der Erdgeschichte zeigen, dass sich die Klimasensitivität mit Zunahme des Strahlungsantriebs und der damit steigenden Globaltemperatur ebenfalls erhöht. So wird beispielsweise für die starke Erwärmungsphase des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximums vor 55,8 Millionen Jahren eine Klimasensitivität im Bereich von 3,7 bis 6,5 °C postuliert. [58] Ähnlich hohe Werte werden auch für den größten Teil des übrigen Känozoikums veranschlagt. [59]

In den vergangenen Jahrzehnten wurden der Klimasensitivität sehr unterschiedliche Werte zugeschrieben. Die Sachstandsberichte des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), die den jeweils aktuellen Forschungsstand zusammenfassen, gelten hierbei als maßgebliche und zuverlässige Quelle. Im 2007 erschienenen Vierten Sachstandsbericht lag der als „wahrscheinlich“ eingestufte Temperaturkorridor zwischen 2 und 4,5 °C. Laut dem 2013 veröffentlichtenFünften Sachstandsbericht betrug die Bandbreite zwischen 1,5 und 4,5 °C. [60] Demnach liegt der beste mittlere Schätzwert für die gegenwärtige Klimasensitivität bei rund 3 °C. Im Jahr 2019 zeigten erste Auswertungen der neuentwickelten Klimamodellreihe CMIP6, dass einige Standardtests mit 2,8 bis 5,8 °C deutlich höhere Klimasensitivitäten ergaben als frühere Modellgenerationen. [61] [62] Allerdings führte die Anwendung von CMIP6 mit der Modellvariante CESM2 (Community Earth System Model version 2) beim Vergleich mit paläoklimatologisch ermittelten Temperaturdaten des frühen Känozoikums zu erheblichen Abweichungen beziehungsweise unrealistischen Werten. [63]

Klimafaktor Mensch

Globaler Land-Ozean-Temperaturindex seit 1880, Differenz zum Mittelwert der Jahre 1951 bis 1980

Seit Beginn der Industrialisierung im 19. Jahrhundert erhöhen die Menschen den Anteil an Treibhausgasen in der Atmosphäre in signifikantem Umfang. Besonders die Verbrennung fossiler Energieträger trug dazu bei, dass die Kohlenstoffdioxid -Konzentration von 280 ppm (Teile pro Million) auf (Stand 2020) 415 ppm stieg. Hinzu kommen beträchtliche Methan -Emissionen, vor allem bedingt durch intensive Tierhaltung , sowie weitere Treibhausgase wie Distickstoffmonoxid (Lachgas) oder Carbonylsulfid . Ein bedeutender Faktor ist zudem die großflächige Entwaldung insbesondere der tropischen Regenwälder .

Der Temperaturanstieg gegenüber der vorindustriellen Zeit bis zum Jahr 2018 betrug nach Angaben des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) etwa 1,0 °C. [64] Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts rechnet der IPCC im ungünstigsten Fall (repräsentativer Konzentrationspfad RCP 8.5) mit einem Temperaturanstieg im Bereich von 2,6 bis 4,8 °C. [65]

Rekonstruktion der globalen Temperaturentwicklung über die letzten 2000 Jahre, einschließlich der anthropogenen Erwärmung (nach PAGES 2k Consortium, 2019).

Die Zunahme von Treibhausgasen und der damit gekoppelte Temperaturanstieg sind nach einhelliger wissenschaftlicher Meinung auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen. Wenn es nicht gelingt, die anthropogenen Emissionen in hohem Umfang zu reduzieren, drohen selbst bei einer relativ moderaten Erwärmung von 2 °C zahlreiche und zum Teil schwerwiegende Folgen , zu denen steigende Meeresspiegel, zunehmende Wetterextreme und gravierende Auswirkungen auf menschliche Gemeinschaften zählen. [66] Neuere Analysen auf der Basis umfassender paläoklimatologischer Datenreihen der letzten 12.000 Jahre kommen zu dem Ergebnis, dass die im bisherigen 21. Jahrhundert aufgetretene Erwärmung die Temperaturwerte des Holozänen Klimaoptimums (vor etwa 8000 bis 6000 Jahren) mit hoher Wahrscheinlichkeit übertrifft. [67]

Kippelemente

Kippelemente ( englisch Tipping Elements ) sind in der Erdsystemforschung Bestandteile des Klimasystems, die durch geringe äußere Einflüsse einen neuen Zustand annehmen, wenn sie einen bestimmten Kipppunkt erreichen. Diese Änderungen können abrupt erfolgen und gelten zum Teil als irreversibel. Das Konzept der Kippelemente wird vor allem in der geowissenschaftlichen Fachliteratur seit Beginn des Jahrtausends als bis dahin vernachlässigte Möglichkeit diskontinuierlicher Prozesse – vor allem im Zusammenhang mit der gegenwärtigen globalen Erwärmung – auf breiter Basis diskutiert. [68]

In einer ersten Bestandsaufnahme wurden die folgenden potenziellen Kippelemente identifiziert:

Umfang der arktischen Meereisbedeckung in den letzten 1450 Jahren

In den folgenden Jahren wurden weitere Kippelemente benannt, darunter die Methan-Freisetzung aus den Ozeanen und aus tauenden Dauerfrostböden [69] sowie das weltweite Absterben von Korallenriffen . [70] Durch die Aktivierung einiger Kippelemente könnten in Form von Rückkopplungen weitere Kipppunkte überschritten werden. Damit bestünde das Risiko einer Kettenreaktion („Kaskade“), die das Klima unumkehrbar in ein Warmklima überführen würde, in etwa vergleichbar mit den Umweltbedingungen des Pliozäns oder – bei unvermindertem Emissionsvolumen – des Eozäns . [71] [72]

Im Hinblick auf verschiedene geochronologische Perioden gibt es eine Reihe deutlicher Hinweise, dass bei Erreichen bestimmter Kipppunkte ein abrupter Wechsel in einen neuen Klimazustand stattfand, [73] wie zum Beispiel während des Hangenberg-Ereignisses im späten Devon vor etwa 359 Millionen Jahren. [74]

Klimamodelle

Klimamodelle sind Computermodelle zur Berechnung des Klimas und dessen Einflussfaktoren über einen bestimmten Zeitraum und werden sowohl zur Analyse künftiger Entwicklungen als auch zur Rekonstruktion von Paläoklimaten verwendet. Die Projektionen der Klimamodelle sind naturgemäß unsicherer als die der Wettermodelle, da hierbei wesentlich größere Zeiträume in Betracht gezogen und eine Reihe zusätzlicher Parameter berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grund werden keine Klimaprognosen, sondern Szenarien mit bestimmten Wahrscheinlichkeitskorridoren erstellt. Ein Klimamodell basiert in der Regel auf einem Meteorologiemodell , wie es auch zur numerischen Wettervorhersage verwendet wird. Dieses Modell wird jedoch für die Klimamodellierung modifiziert und erweitert, um alle Erhaltungsgrößen korrekt abzubilden. Oftmals wird dabei ein Ozeanmodell , ein Schnee- und Eismodell für die Kryosphäre und ein Vegetationsmodell für die Biosphäre angekoppelt. [75]

Die meisten Modelle werden an realen Klimaverläufen der Gegenwart und der Vergangenheit kalibriert, so dass sie nicht nur aktuelle Entwicklungen, sondern beispielsweise auch die Klimazyklen über mehrere 100.000 Jahre weitgehend korrekt nachbilden können. Somit wurde es möglich, den charakteristischen Ablauf der Quartären Eiszeit mit ihren Warm- und Kaltphasen, einschließlich der Milanković-Zyklen , des Treibhauseffekts und der Eis-Albedo-Rückkopplung , auf ein solides theoretisches Fundament zu stellen. [76] Allerdings bestehen für Projektionen künftiger Klimaentwicklungen über Jahrhunderte oder länger große Unsicherheiten hinsichtlich möglicher Rückkopplungsprozesse, vor allem in Verbindung mit den Kippelementen im Erdsystem , sodass es selbst unter Einbeziehung der Klimageschichte beziehungsweise paläoklimatologisch ermittelter Daten schwierig ist, valide Resultate zu erzielen. [77] Ebenso haben dekadische Klimamodellierungen nur eine beschränkte Aussagekraft, da kurzfristig auftretende Schwankungen einen Trend jederzeit überlagern oder verfälschen können.[78]

Klima in Deutschland

Monatsmitteltemperaturen und monatliche Abweichungen für Deutschland

Deutschland liegt vollständig in der gemäßigten Klimazone Mitteleuropas im Einflussbereich der Westwindzone und somit in der Übergangsregion zwischen dem maritimen Klima in Westeuropa und dem kontinentalen Klima in Osteuropa . Das für die relativ hohe nördliche Breite milde Klima wird unter anderem vom Golfstrom beeinflusst.

Der bundesweite Gebietsmittelwert der Lufttemperatur beträgt im Jahresmittel 8,2 °C (Normalperiode 1961–1990), der niedrigste Monatsdurchschnitt wird mit −0,5 °C im Januar und der höchste mit 16,9 °C im Juli erreicht. Spitzenreiter bei den Jahresdurchschnittstemperaturen ist der Oberrhein -Graben mit über 11 °C, während Oberstdorf , 800 Meter über Meereshöhe gelegen, rund 6 °C verzeichnet. Der kälteste Ort ist der Gipfel der 2962 m hohen Zugspitze mit einer durchschnittlichen Jahrestemperatur von fast −5 °C. Die mittlere jährliche Niederschlagshöhe beträgt 789 mm, die mittleren monatlichen Niederschlagshöhen liegen zwischen 49 mm im Februar und 85 mm im Juni. Die Niederschlagshöhe schwankt in einem Bereich von über 1000 mm in der Alpenregion und den Mittelgebirgen und unter 500 mm im Regenschatten des Harzes zwischen Magdeburg im Norden, Leipzig im Osten und Erfurt im Süden. Generell nimmt die Humidität von West nach Ost ab.

In den letzten Jahrzehnten verzeichnet auch Deutschland einen deutlichen Erwärmungstrend: Nach den Statistiken des Deutschen Wetterdienstes lagen in allen Jahren seit 1988 (ausgenommen 1996 und 2010) die Durchschnittstemperaturen über dem langjährigen Mittel von 8,2 °C. 2014 wurde mit 10,3 °C erstmals ein zweistelliger Jahreswert erreicht, übertroffen nur vom bisherigen Rekordjahr 2018 mit 10,5 °C. [79] Für den Zeitraum 1881 bis 2018 ergibt sich in den Auswertungen des Deutschen Wetterdienst ein Temperaturanstieg für Deutschland um +1,5 °C (linearer Trend). [79] Die Zunahme im Sommer betrug +1,4 °C (1881–2018), im Winter +1,5 °C (1882–2019). [80] Dabei hat sich der Trend in den letzten Jahrzehnten verstärkt. [81] Damit verbunden zeigen Beobachtungen der Pflanzenentwicklung eine Verschiebung der phänologischen Jahreszeiten . Beispielsweise trat die Haselnussblüte , die als Indikator für den phänologischen Vorfrühling definiert ist, im Zeitraum 1991–2010 ca. 12 Tage früher auf als im Zeitraum 1961–1990. [82] Auch Zugvögel bleiben fast einen Monat länger in Deutschland als noch in den 1970er Jahren.

Zeitreihe der Lufttemperaturen in Deutschland 1881 bis 2018 ( Deutscher Wetterdienst )

Die tiefste jemals in Deutschland gemessene Temperatur wurde am 24. Dezember 2001 mit −45,9 °C am Funtensee in den Berchtesgadener Alpen registriert. Allerdings handelt es sich hierbei um eine besonders exponierte Lage, da in der abflusslosen Senke über Schneebedeckung ein Kaltluftstau entstehen kann. Der Deutsche Wetterdienst gibt als offiziellen Rekordwert −37,8 °C an, gemessen am 12. Februar 1929 in Hüll (Ortsteil von Wolnzach, Kreis Pfaffenhofen). Nachdem am 24. Juli 2019 die bisher höchste Temperatur mit 40,5 °C im nordrhein-westfälischen Geilenkirchen gemessen wurde, [83] setzten bereits einen Tag später die Wetterstationen Duisburg-Baerl und Tönisvorst mit jeweils 41,2 °C neue Rekordmarken. [84] Ungewöhnlich hohe Temperaturen traten am 25. Juli 2019 auch an einer Reihe anderer Orte auf. [85] [86]

Die sonnigsten Regionen Deutschlands sind in den nördlichen und südlichen Randbereichen des Landes zu finden. Mit 1869 Sonnenstunden pro Jahr ist Kap Arkona auf der Insel Rügen der Rekordhalter für die aktuelle Referenzperiode 1981–2010. [87] Im Süden befinden sich die sonnigsten Regionen am südlichen Oberrhein, in der Region um Stuttgart und im bayerischen Alpenvorland einschließlich der Landeshauptstadt München . In diesen Gebieten werden im Durchschnitt jährlich etwa 1800 Sonnenstunden gemessen. Allerdings ist deren Verteilung im Hinblick auf die Jahreszeiten sehr unterschiedlich: Während an der Ostseeküste die meisten Sonnenstunden im Frühjahr und Sommer auftreten, sind im Süden und besonders im Alpenvorland die Wintermonate deutlich sonniger als in den übrigen Landesteilen.

Witterungsbedingungen wie ausgeprägte Dürren oder Hitzewellen waren bisher aufgrund der ausgleichenden Westwindzone relativ selten, ereigneten sich jedoch im Jahresverlauf 2018 nicht nur in Deutschland, sondern fast überall in Europa, und könnten laut verschiedenen Untersuchungen künftig zunehmen. [88] Ein gegenteiliges Extrem war eine von Ende Januar bis Mitte Februar 2012 dauernde europaweite Kältephase . In den Herbst- und Wintermonaten gibt es immer wieder einzelne Sturm- oder Orkantiefs, die meistens über die Nordsee nach Osten ziehen und vor allem Norddeutschland und die Mittelgebirge treffen, wie zum Beispiel die Orkantiefs Lothar im Dezember 1999 und Kyrill im Januar 2007. Regelmäßig ereignen sich auch Hochwasser, die nach intensiven Niederschlägen im Sommer ( Oderhochwasser 1997 , Hochwasser in Mitteleuropa 2002 ) oder nach der Schneeschmelze zu Überschwemmungen mit erheblichem Schadenspotenzial führen können. Dürren betreffen im Normalfall den eher trockenen Nordosten Deutschlands, können jedoch mitunter auf das ganze Land übergreifen, wie während der Hitzewellen 2003 , 2015 und 2018 .

Weitere Wetterextreme wie Gewitterstürme und Tornados entstehen vorwiegend im Früh- und Hochsommer. Während Süddeutschland schwerpunktmäßig von Hagelunwettern heimgesucht wird, nimmt die Tornadotendenz nach Nordwesten hin leicht zu. Eine Besonderheit sind hierbei die an der Nord- und Ostseeküste hauptsächlich im Spätsommer auftretenden Wasserhosen . Insgesamt ist jährlich mit 30 bis 60 Tornados zu rechnen, in manchen Jahren auch mit deutlich mehr (119 Tornados 2006). [89]

Literatur

Begriff und Definition des Klimas

  • P. Hupfer: Das Klimasystem der Erde. Akad.-Verlag, Berlin 1991, ISBN 3-05-500712-3 .
  • K. Bernhardt: Aufgaben der Klimadiagnostik in der Klimaforschung. In: Gerl. Beitr. Geophys. 96, 1987, S. 113–126.
  • M. Hantel, H. Kraus, CD Schönwiese: Climate definition. Springer Verlag, Berlin 1987, ISBN 3-540-17473-7 .
  • M. Hogger: Climatypes. Hogger Verlag, Ainring 2007.
  • Christoph Buchal, Christian-Dietrich Schönwiese: Klima. Die Erde und ihre Atmosphäre im Wandel der Zeiten . Hrsg.: Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung, Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren. 2. Auflage. Hanau 2012, ISBN 978-3-89336-589-0 .
  • Christian-Dietrich Schönwiese: Klimatologie. 4., überarbeitete und aktualisierte Auflage. UTB, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8252-3900-8 .

Klimageschichte und natürlicher Klimawandel

  • Elmar Buchner, Norbert Buchner: Klima und Kulturen. Die Geschichte von Paradies und Sintflut . Greiner Verlag, Remshalden 2005, ISBN 3-935383-84-3 .
  • Karl-Heinz Ludwig: Eine kurze Geschichte des Klimas. Von der Entstehung der Erde bis heute. Verlag CH Beck, München 2006, ISBN 3-406-54746-X .
  • Wolfgang Behringer: Kulturgeschichte des Klimas. Von der Eiszeit bis zur globalen Erwärmung . Verlag CH Beck, München, ISBN 978-3-406-52866-8 .
  • Tobias Krüger: Die Entdeckung der Eiszeiten – Internationale Rezeption und Konsequenzen für das Verständnis der Klimageschichte. Schwabe-Verlag, Basel, 2008, ISBN 978-3-7965-2439-4 .
  • Heinz Wanner : Klima und Mensch. Eine 12.000-jährige Geschichte. Haupt Verlag, Bern 2016, ISBN 978-3-258-07879-3 .

Klimafaktor Mensch

  • Enzyklopädie der Natur. Die Geheimnisse der Natur entdecken, entschlüsseln, erklären . Orbis Verlag, 1992, ISBN 3-572-01284-8 , S. 84/85.
  • Tim Flannery : Wir Wettermacher, Wie die Menschen das Klima verändern und was das für unser Leben auf der Erde bedeutet. Fischer Verlag, 2006, ISBN 3-10-021109-X .
  • Claudia Kemfert: Die andere Klima-Zukunft: Innovation statt Depression Murmann-Verlag, Hamburg 2008, ISBN 978-3-86774-047-0 .

Weblinks

Wiktionary: Klima – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons : Klima – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wikiquote: Klima – Zitate

Einzelnachweise

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  2. Michael Hantel, Helmut Kraus, Christian-Dietrich Schönwiese : 11 Climate Definitions . In: G. Fischer G. (Hrsg.): Climatology. Part 1. Landolt-Börnstein – Group V Geophysics (Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology) . 4c1. Springer, doi : 10.1007/10356990_2 .
  3. a b c d Matthias Heymann : Klimakonstruktionen – Von der klassischen Klimatologie zur Klimaforschung . In: NTM Zeitschrift für Geschichte der Wissenschaften, Technik und Medizin . Band   17 , Nr.   2 , Mai 2009, S.   171–197 , doi : 10.1007/s00048-009-0336-3 .
  4. Julian M . Allwood, Valentina Bosetti, Navroz K . Dubash, Luis Gómez-Echeverri, Christoph von Stechow (Hrsg.): IPCC, 2013/14: Anhang zu den Zusammenfassungen für politische Entscheidungsträger der Beiträge der Arbeitsgruppen I, II und III zum Fünften Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) . Deutsche Übersetzung durch Deutsche IPCC-Koordinierungsstelle. Bonn 2016 ( de-ipcc.de [PDF; 1,3   MB ]).
  5. Klima. In: Wetterlexikon. Deutscher Wetterdienst, abgerufen am 12. Mai 2019 .
  6. Joachim Blüthgen: Allgemeine Klimageographie . Hrsg.: Wolfgang Weischet. Walter de Gruyter, 1980, ISBN 978-3-11-006561-9 , S.   5 .
  7. Manfred Hendl, Joachim Marcinek, Eckehart Jäger: Allgemeine Klima-, Hydro- und Vegetationsgeographie (= Studienbücherei / Geographie für Lehrer . Band   5 ). Haack, 1983, 1.1 Klimabegriff und Klimaelemente.
  8. Julius von Hann: Handbuch der Klimatologie (= Friedrich Ratzel [Hrsg.]: Bibliothek Geographischer Handbücher ). Von J. Engelhorn, Stuttgart 1883, S.   1 ( archive.org ).
  9. Alexander von Humboldt: Kosmos: Entwurf einer physischen Weltbeschreibung, Band 1 . 1845 ( eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  10. Latein-Wörterbuch. In: frag-caesar.de. Stefan Schulze-Steinmann, abgerufen am 10. Juli 2013 (vgl. auch Deklination und Inklination ).
  11. Wiktionary: Klima.
  12. Das Klima als Wettergesamtheit. Abgerufen am 13. Juli 2019 .
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  15. Wetterlexikon: Regionalklima – wetter.de
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  21. Naia Morueta-Holme, Kristine Engemann, Pablo Sandoval-Acuña, Jeremy D. Jonas, R. Max Segnitz, Jens-Christian Svenning: Strong upslope shifts in Chimborazo's vegetation over two centuries since Humboldt . (PDF) In: PNAS . 112, Nr. 41, Oktober 2015, S. 12741–12745. doi : 10.1073/pnas.1509938112 .
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