veðurfar

Loftslagið er meðaltal kraftmikilla ferla í andrúmslofti jarðar sem ákvarðað er með veðurfræðilegum aðferðum, byggt á litlum stöðum ( meso eða svæðisbundnu loftslagi) eða á meginlandsvíddum ( þjóðhagsloftslagi ), þar með talið allar sveiflur á árinu og byggjast á mikinn fjölda loftslagsefna . Loftslagsaðstæðum er ekki aðeins stjórnað af sólargeislun og eðlis- og efnafræðilegum ferlum innan lofthjúpsins, heldur einnig af áhrifum og samspili hinna fjögurra jarðsviðanna ( vatnshvolfs , kristalshvolfs , lífríkis og lithverfu ). Til að birta hitastigssniðið í tölfræðilega viðeigandi tímaramma með nægilegri nákvæmni, til viðbótar við öll önnur veðurferli, mælir Alþjóða veðurfræðistofnunin (WMO) með því að nota viðmiðunartímabil (þ.mt venjuleg tímabil eða CLINO tímabil ) þar sem mánaðarleg meðalgildi sem tímaröð yfir 30 ár í einu gagnasafni eru dregin saman. Til og með 2020 var viðmiðunartímabilið frá 1961 til 1990 gild og algengt viðmið. Þessu var skipt út fyrir nýtt venjulegt tímabil 1991 til 2020 í byrjun árs 2021. ^[1]

Reglur loftslagsins, íhlutir þess, ferli og áhrifaþættir sem og hugsanlega framtíðarþróun þess eru viðfangsefni rannsókna í loftslagsfræði . Sem þverfagleg vísindi hefur loftslagsfræði samvinnu við efni eins og eðlisfræði , veðurfræði , landafræði , jarðfræði og haffræði og notar nokkrar af aðferðum þeirra eða uppgötvunaraðferðum.

Fjarhvarfafræði er mikilvægt undirsvið bæði loftslagsfræði og sögulegrar jarðfræði . Verkefni þitt er að nota samsætuathuganir og gagnaseríur úr loftslagsskjalasafni og óbeinum loftslagsvísum ( umboðsmönnum ) til að endurgera veðurskilyrði á sögulegum eða jarðfræðilegum tímabilum í formi loftslagssögu og til að ráða ferli liðinna atburða í loftslagsbreytingum , s.s. áhrif reglulegra loftslagsbreytinga sem breyta sólargeislun vegna Milanković hringrásanna á jörðinni.

tjáning

skilgreiningu

Það fer eftir þróunarstigi og áherslum loftslagsrannsókna, það voru og eru mismunandi skilgreiningar. ^{[2] [3]} Milliríkjanefndin um loftslagsbreytingar (IPCC) vinnur á grundvelli víðtækrar skilgreiningar: ^[4]

Þessi skilgreining á IPCC felur í sér djúptíma sjónarhorn og tekur tillit til annarra undirkerfa ( jarðkúla ) til viðbótar við andrúmsloftið. Það endurspeglar þróunina síðan á síðari hluta 20. aldar, þegar þverfaglegar rannsóknir á gangverki loftslags, þar með talið orsökum hennar, urðu mögulegar og komu fram á sjónarsviðið. Þannig fékk tímavíddin mikilvægi miðað við svæðisvíddina. ^[3]

Þýska veðurþjónustan (DWD) skilgreinir loftslag nánar, með staðbundinni tilvísun og á áratugatíma: ^[5]

Í landfræðilegu loftslagsfræðilegu loftslagi Joachim Blüthgen í General þess var loftslagsfræði skilgreint þannig: ^[6]

Í veðurfræðilegri veðurfræði er loftslag samkvæmt Manfred Hendl skilgreint þannig: ^[7]

Grundvallarskilgreiningin á veðurfari kemur frá veðurfræðingnum í Vín, Julius von Hann (1839–1921), ^[3] sem skildi hugtakið sem „heild allra veðurfræðilegra fyrirbæra sem einkenna meðalástand lofthjúpsins hvenær sem er á yfirborði jarðar. "(Handbook der climatology, 1883) ^[8] Von Hann stofnaði þannig" meðalgildi loftslagsfræði ". Í skilgreiningu sinni fór hann aftur til 19. aldar skilgreiningar eftir Alexander von Humboldt , sem byggðist á mannlegri reynslu af stað; ^[3] hann skildi loftslag sem „allar breytingar í andrúmsloftinu sem hafa verulega áhrif á líffæri okkar“ ( Kosmos Volume I ) ^[9] .

siðfræði

Orðið loftslag ( fleirtölu : Klimate eða, nær grísku , Klimata ; sjaldan ( germanískt ) líka Klimas ) er ættleiðing á forngríska orðinu κλίμα klíma , en fyrsta merking þess (um 500 f.Kr. ) í þessu samhengi „sveigja / halli [ um stöðu sólar] 'og tilheyrir sögninni κλίνειν klínein ,' halla ',' beygja ',' beygja ',' halla '. Hugtakið kom loks á þýsku með síð latnesku klima (sögn: clinare , ' beugen ', ' biegen ', ' neigen ' ^[10] ). ^[11]

Loftslag vísar ekki til sólmyrkva , það er að segja að ás jarðar hefur um það bil 23,5 gráður halla að hringbrautarplani jarðar , heldur kúlulaga lögun jarðar. Þetta samsvarar þeirri reynslu að aðeins er hægt að fylgjast með öðrum svæðum himinsins með því að hreyfa í norður-suður átt. Samsvarandi þýskun er efnasambandið " Himmelsstrich ", sem lýsir þó aðeins landfræðilegu svæði og ekki lengur tilheyrandi veðri.

Á 20. öld þróaðist skilningur á hugtakinu frá heildarveðri ( EE Fedorov 1927) ^[12] til myndunar veðursins ( WMO 1979).

Tímabundin vídd

Veðurathugunarstöð á Hohen Peißenberg (Efra -Bæjaralandi), 977 metra yfir sjávarmáli

Öfugt við veðrið á ákveðnu svæði (tímamörk: klukkustundir í nokkra daga) og veðrið (tímarammi: allt að um það bil viku, sjaldnar mánuður eða árstíð), eru fast skilgreind tímabil metin tölfræðilega í loftslagsfræði, fyrst og fremst í tengslum við 19. til og með 21. öldina. Upphafsstaðurinn er alltaf veðrið, þar með talið veðurfræðilega skráð gögn og mæligildi.

Alþjóða veðurfræðistofnunin (WMO) mælir með svokölluðum eðlilegum loftslagstímabilum með 30 ára lengd. Fyrri staðallinn var árgangurinn 1961–1990, sem samkvæmt venjulegri reglugerð gilti til 2020 og hefur nú verið skipt út fyrir 1991–2020. Aðrir eðlilegir tímar eru einnig notaðir af hagnýtum ástæðum. Til þess að hafa sem tímabært að líða eins og kostur er, austurríska Central Institute for veðurfræði og aflfræði jarðar (ZAMG) oft notuð tímabilið 1971-2000, einnig með tilliti til jökli birgðum sem eru mikilvæg fyrir alpahéruð. Að auki mælir WMO við aðildarsamtök sín um samanburðartímabilið 1981-2010, sem er notað samhliða gildandi viðmiðunartímabili, þar með talið fyrir MeteoSwiss .

Að auki eru stærri tímabil, svo sem hundrað ára veraldlega tímabilið 1851–1950, metin til að koma á framfæri loftslagsbreytingum og þróun í stærra tímalegu samhengi. Þessari meginreglu er beitt bæði á staðbundnu og innlendu eða alþjóðlegu stigi. Alþjóðlega viðurkennda vísitala Goddard Institute for Space Studies (GISS) og NASA inniheldur hnattræn frávik frá 1880 og áfram miðað við viðmiðunartímabilið 1951–1980. ^[13]

Þegar um er að ræða loftslagsuppbyggingar sem ná yfir jarðfræðileg tímabil og þar með milljón ára tímabil hafa veðuráhrif náttúrulega ekki lengur hlutverk. Þess í stað er reynt að búa til loftslagseinkenni viðkomandi tímabil, þar með talið skammtíma kælingu eða upphitunarfasa, með því að leggja mat á seti, dýra- og plöntusteninga og í gegnum samsæturannsóknir. Vegna hraðrar framvindu hinna ýmsu greiningaraðferða er sífellt nákvæmari árangri náð í þessum geira, þar með talið hvað varðar upplausn tíma.

Rýmisvídd

Hugtakið loftslag er oft tengt loftslagi í heiminum eða loftslagi á heimsvísu. Hins vegar er hitastigsþróun á heimsvísu ekki dæmigerð fyrir einstök svæði, sem getur jafnvel sýnt gagnstæða tilhneigingu á ákveðnu tímabili. Dæmi um þetta er stöðug köld kúla sem kallast „kuldablettur“ í undirskautinu Atlantshafi suður af Grænlandi , sem greinilega hefur þróast í áratugi og kann að þakka tilveru hennar fyrir umfangsmiklu bræðsluvatnslosun frá Grænlandsís . ^[14] Aftur á móti getur staðbundið metsumar „horfið“ í hnattrænum ákvörðuðum gagnasyrpum.

Að því er varðar staðbundnar víddir hefur þriggja þrepa flokkun sannað sig:

• Örloftslagið er frá nokkrum metrum upp í nokkra kílómetra, eins og verönd, landbúnaðarsvæði eða götu.
• Mesoclimate vísar til landshluta (til dæmis fjallgarðar) allt að nokkur hundruð kílómetra.
• Þjóðarloftslagið lýsir samböndum heims og á heimsvísu.

Þó að náið samband sé á milli staðbundinnar víddar og tímalengd atburðarins í veðri , þá á þessi þáttur síður við um loftslagsgreiningar.

Örloftslag (eða örloftslag)

Örloftslag lýsir loftslagi á svæði loftlaganna nálægt jörðu upp í um tveggja metra hæð eða loftslaginu sem þróast á litlu, skýrt afmörkuðu svæði (til dæmis í brekkum eða í þéttbýli ).

Örloftslagið mótast afgerandi af yfirborðsuppbyggingu og núningi jarðar vindsins sem þar verður. Í þessu umhverfi eru veikari loftstraumar en meiri hitamunur . Fjölbreytileiki jarðvegsins , landformanna og plöntusamfélagsins getur valdið miklum andstæðum loftslagi í lokuðu rými. Örloftslagið er tilvalið fyrir lágvaxnar plöntur er mikilvægt vegna þess að þetta viðkvæmasta fyrir loftslagi Lífsstig í gegnum yfirborð loftlagsins, og gegnir til dæmis eiginleikum víngarðs í gæðavínrækt mikilvægu hlutverki.

Menn verða einnig beint fyrir örloftslagi. Sérstaklega í búsetu borgarinnar víkur örloftslagið oft frá náttúrulegum aðstæðum vegna mismunandi byggingarefna , byggingarhönnunar , sólargeislunar eða skyggingar og getur breyst hratt og varanlega með inngripum í viðkomandi byggingarefni eða umhverfi þess.

Mesoclimate

Mesoclimate samanstendur af mismunandi einstökum veðurfari, sem eru á bilinu nokkur hundruð metrar til nokkur hundruð kílómetra, en innihalda venjulega svæði á lægra kílómetrasviðinu. Vegna þessa breiða en staðbundna litrófs gegna margir þættir hagnýtrar veðurfræði og loftslagsfræði stórt hlutverk, til dæmis þéttbýli eða loftslag regnskóga . Almennt eru öll staðbundið loftslag og loftslag í loftslagi talið sem mesoclimates, eins og staðbundið loftslag vistkerfa , þar sem umskipti í örloftslag eru fljótandi í þessum.

Svæðisloftslag

Svæðisloftslagið er loftslag einingar rýmis á mesoscale. Í samræmi við það hefur það margt sameiginlegt með mesoclimate . Svæðisloftslag einkennist af því að það fer aðallega eftir svæðisbundnum aðstæðum eins og landnotkun. Að auki er svæðisbundið form landslagsins mikilvægur áhrifaþáttur.

Þar sem svæðisbundið loftslag er sérstaklega mikilvægt fyrir skógrækt, landbúnað og innviði, eru svæðisbundin loftslagskort notuð til þess. Venjulega skoðar maður svæðisbundið loftslag í tengslum við landfræðilega, stjórnsýslulega eða fallega afmarkaða landhelgi. ^{[15] [16]}

Makróloftslag (eða stórfellt loftslag)

Makróhimnur innihalda stórfelld hringrásarmynstur í andrúmsloftinu, hafstrauma eða loftslagssvæði sem eru meira en 500 kílómetra. Má þar nefna flæðissamsetningu hitauppstreymis hringrásarinnar , sem sameinar fjögur af fimm sjónum í eina hringrás vatns, svo og reglubundin áhrifAtlantshafs margra áratuga sveiflu . Hinum ýmsu vindkerfum plánetuhringrásarinnar , til dæmis monsúnunum , viðskiptavindunum eða Rossby -öldunum í sjónum og andrúmsloftinu, er úthlutað til stórveðurloftslagsins, eins og stórum svæðisbundnum loftslagi eins og Amazon regnskóginum . Öll þjóðhimnu loftslag hafa áhrif á hvert annað og saman mynda loftslagskerfi heimsins.

Loftslagssvæði og loftslagsflokkun

Stórt loftslag á jörðinni ( áhrifarík loftslagsflokkun samkvæmt Köppen-Geiger, einfölduð framsetning):

Suðrænt regnskógarloftslag

savanne loftslag

loftslag í steppum

loftslag í eyðimörkinni

Etesienklima

Blautt temprað loftslag

Sinisches loft

Rakt meginlandsloftslag

Transsiberian loftslag

Sumar þurrt kalt loft

Tundra

Íshettu

Svæðum með sömu veðurskilyrðum er skipt í loftslagssvæði og þannig flokkað. Þekktasta flokkunin kemur frá jarðvísindamanninum Wladimir Köppen (1846–1940). Verk hans Geographical System of Climates , gefið út árið 1936, er talið vera fyrsta hlutlæga loftslagsflokkunin (sjá mynd til hægri). Það náði útbreiddri notkun fyrst og fremst með samstarfi Köppen við Rudolf Geiger veðurfræðing og hefur enn mikla þýðingu í dag.

Umfang, uppbygging og staðsetning loftslagssvæða fer eftir ástandi og sveiflum í loftslagi jarðar á mismunandi tímabilum. Samkvæmt nokkrum rannsóknum hefur greinileg þróun verið í átt til myndunar hlýrra og þurrara loftslags síðan um miðja 20. öldina . ^[17] Ef þessi þróun heldur áfram er mjög líklegt að breyting verði á núverandi loftslagssvæðum og stofnun nýrra. ^[18]

Í vísindum er almennt gert ráð fyrir því að með aukinni hlýnun megi búast við töluverðum afleiðingum fyrir plöntu- og dýralíf allra loftslagssvæða. Árið 2100 gæti næstum 40 prósent landsvæða heimsins orðið fyrir áhrifum af áframhaldandi umbreytingu á núverandi loftslagi, með hættu á miklu týpu tegunda og stórfelldri skógareyðingu . Sub-suðrænum og suðrænum svæðum væru sérstaklega næm fyrir þessari breytingu, þar sem samkvæmt paleobiologískum greiningum hafa þau aðeins orðið fyrir jaðarsveiflum undanfarin árþúsundir og eru því síður aðlögunarhæf. Ein varanlegasta áhrif hlýnunarferlisins á norðurheimskautssvæðunum er ef núverandi stefna í skautmögnun heldur áfram á þessu svæði. Hitastigsbreytingar hafa veruleg áhrif á líftækin sem eru til staðar þar. ^[19] Ef útblástur mannkyns heldur áfram að aukast hafa Miðjarðarhafssvæðið og hlutar Chile og Kaliforníu einnig mikil áhrif á þessa þróun með hættu á svæðisbundinni eyðimerkurmyndun. ^[20]

Til viðbótar við breytingu á loftslagssvæðum, eru einnig breytingar á dreifingu gróðurs í fjallgarðum í hitabeltisbeltinu . Til dæmis, fyrir 6,263 metra háa Chimborazo í Ekvador, byggt á samanburði við fyrri met, kom í ljós að undanfarin 200 ár, vegna jökulbráðnunar og aukinnar hlýnunar, hefur plöntulokið stækkað um 500 metra lengra upp á við. ^[21]

Loftslagskerfi

Loftslagskerfi jarðar, sem er í meginatriðum knúið áfram af sólargeislun , samanstendur af fimm meginþáttum, einnig kallaðir jarðkúlur : lofthjúpur jarðar , vatnshvolfur , kristalshvolfur , lífríki og lithverfi (með yfirborði pedosphere ). ^[22] Þetta einkennist í smáatriðum þannig:

• Lofthjúpur jarðar er lofttegundin á yfirborði jarðar sem samanstendur aðallega af köfnunarefni og súrefni . Þetta skiptist í nokkur lög, nefnilega frá botni til topps veðrahvolfs , heiðhvolfi , miðhvolfi , hitahvolfi og utanhvolfi . Veðrið gerist eingöngu í lægsta laginu ( veðrahvolfinu ), en lóðrétt umfang þess (aukast frá skautunum að miðbaug) er um það bil 7 til 17 kílómetrar. Gróðurhúsaáhrif í andrúmsloftinu, byggt á áhrifum snefiltegunda eins og koldíoxíðs og metans , kemur í veg fyrir að yfirborðshiti jarðar falli vel undir frostmarki .
• Vatnshvolfið nær yfir alla tilkomu fljótandi vatns á eða undir yfirborði jarðar . Undirkerfi eru hafhvolfið (vatnið í sjónum) og limhvolfið (innlandsvatn á meginlandinu eins og vötn, ár eða grunnvatn ). Vatnsgufan sem lofttegundartengd ástand vatnsins tilheyrir ekki þessum flokki, heldur er hún hluti af andrúmsloftinu .
• Í kristalshvolfinu er hafís , íshellur , íshellur , fjalljöklar , ís í sífrerum jarðvegi , ískristallar í skýjum og allur árstíðabundinn og því mjög breytilegur snjór og ísþekja. Þar sem ísfletir endurspegla stærsta hluta sólargeislunarinnar er vöxtur eða hnignun kristalshvolfsins grunn loftslagsþáttur sem hefur áhrif á endurkast jarðar ( albedó ).
• Lífhvolfið ( „lífsrými“ ) nær frá hærri lofthjúpslagi í nokkra kílómetra djúpt niður í jarðskorpuna ( litosphere ) og byggist eingöngu af örverum á þessum „jaðarsvæðum“. Þar sem lífið er háð því að hafa samskipti við og aðlagast líflausu umhverfi, hafa nokkur vistkerfi komið fram á plánetustigi í þróuninni . Vegna margbreytileika og mikilla samskipta við önnur svið er lífríkið (sem einnig felur í sér menn) í miðju margra vísindagreina, einkum líffræði og umhverfisvísinda .
• Lithosphere myndar meginlandssvæði yfirborðs jarðar og hafsbotnsins . Þar sem efsta lag meginlandshvolfsins verður fyrir veðrun, gleypir eða geymir samtímis loft, vatn og lífræn efni og hefur oft gróður, er vítt samspil milli þess og annarra sviða jarðar.

Innri ferli og samskipti sem eiga sér stað innan og milli einstakra sviða eru einnig hluti af loftslagskerfinu. Ytri ferli, þ.e. ferli sem tilheyra ekki loftslagskerfinu, reka loftslagskerfið; auk sólargeislunar eru þetta eldvirkni og mannleg áhrif (→ #loftslagsþættir ).

Loftslagsþættir

Mælanlegir eiginleikar loftslagskerfisins á jörðinni eru kallaðir loftslagsþættir , sem hver fyrir sig eða með samspili þeirra móta loftslagið. Þetta eru aðallega veðurfræðilegar breytur sem eru skráðar með veðurstöðvum , veðurrannsóknum eða gervitunglum , en einnig gagnasyrpum úr haffræði og ýmsum jarðvísindagreinum . Í veðurfræði er lögð áhersla á staðbundna gagnagreiningu , en í veðurfari er áhersla lögð á tímaröðagreiningu .

Mikilvægustu mælikvarðarnir eru:

Meðaltal árlegrar heimsgeislunarupphæðar í Evrópu

• Lofthiti
• Raki ( döggpunktur )
• Loftþrýstingur
• Loftþéttleiki
• Vindhraði og vindátt
• Úrkoma gerð
• Úrkoma
• Lengd sólskins
• Skýjakápa
• Skyggni
• Alheimsgeislun
• Albedo

Loftslagsþættir

Spila fjölmiðlaskrá

Ýmsir mikilvægir loftslagsþættir

Loftslagsþættir eru þeir þættir sem hafa eðlisfræðileg, efnafræðileg eða líffræðileg áhrif á loftslagskerfið og koma á stöðugleika, móta eða breyta því á mismunandi tímabilum. Nokkrir þættir geta haft samskipti og þannig styrkt ferli eða að mestu leyti óvirkt hvert annað sem andstæð áhrif.

Veðurfarslegir þættir yfir alla lengd sögu jarðar

Þróun birtu (rauður), radíus (blár) og áhrifaríkur hiti (grænn) á sólinni meðan hún er til á aðalröðinni , tengd núverandi þróunarstigi.

• Sólin er fyrst og fremst mikilvæg fyrir loftslag jarðar. Fyrir 4,6 milljörðum ára sat hjá henni eftir tímabil sem protostar í samrunaferlinu sem er til staðar í sólkjarna vetni smám saman í helíumbreytingar . Þetta stig varir í um 11 milljarða ára, þar sem birtustig og radíus stjarna mun aukast verulega eða hafa þegar aukist. ^[23] Þetta þýðir að í upphafi sögu jarðar hafði sólin aðeins 70 prósent af núverandi geislavirkni . Þversögn veikrar ungrar sólar snertir grundvallarspurningar um uppruna og samfellu jarðlífsins og er aðalþema í lofthjúpvísindum .
• Frá upphafi sögu jarðar hefur eldvirkni verið grunn loftslagsþáttur með mjög mismunandi birtingarmyndum (þ.mt skjaldareldstöðvar , heitir reitir eða möttuldýpur , stór kvikuhvöt ). Varanleg losun koldíoxíðs með eldgosi (um 180 til 440 megatón árlega) ^[24] bætir að miklu leyti upp geymslu CO _{2 sem} stafar af veðrun og seti og hefur afgerandi áhrif til að sigrast á snjóbolta-jörðu stigum seint í forkambríum . ^{[25] [26]} Á hinn bóginn hefur skýrt verið sýnt fram á endurtekna óstöðugleika í lífríkinu vegna stóraukinna eldvirkna. ^[27]
• Gróðurhúsalofttegundir eru geislun sem áhrif hafa á gaskennd efni eru í andrúmslofti sem aka gróðurhúsaáhrifum , þar á meðal vatnsgufu , koltvísýring, metan , veðrahvolfinu ósoni og nitur oxíð . Hvað heildaráhrif þess varðar er öflugasta gróðurhúsalofttegundin vatnsgufa , en hlutur þeirra í náttúrulegum gróðurhúsaáhrifum sveiflast á milli 36 og 70 prósent. Þar sem vatnsgufuinnihald í andrúmsloftinu fer beint eftir lofthita, minnkar styrkur þess við lægra meðalhita og eykst meðan á hlýnun stendur ( endurgjöf vatnsgufu eða Clausius-Clapeyron jöfnu ).
• Að vissu leyti er plötutækni hreyfillinn fyrir loftslagsbreytingar á jarðfræðilegum tímabilum. Áhrif þeirra á loftslag jarðar einskorðast ekki aðeins við myndun eldfjalla svæða, fjallamyndanir, staðsetningu og stærð álfanna og tilheyrandi veðurkerfi og hafstrauma eru einnig í beinum tengslum við plötutækni. Kolefni bundið við veðrun í kalksteini er hægt að losa aftur út í andrúmsloftið ef samsvarandi berglög eru dregin frá við plötuhvörf og í tengslum við aukna eldvirkni (sbr. Ólífræn kolefnishringrás ).
• Albedo er mælikvarði á endurspeglun yfirborða sem eru ekki sjálfir lýsandi. Snjó- og ísflöt hafa albedó sem er um 0,80 (sem samsvarar endurspeglun um 80 prósent), en laust sjóflöt hefur um 0,20 albedó og dregur þannig í sig meiri hitaorku en þeir endurspegla. Meðal kúlulaga albedó jarðar er nú um 0,3. Það fer eftir umfangi hafsins, ísbreiðum, eyðimörkum og gróðursvæðum (þ.mt skýjahimnu og úðabrúsa ) og getur breyst ásamt geislunarjafnvægi .
• Veðrunarferli hafa tilhneigingu til að kólna og koma til greina í mismiklum mæli eftir veðurfari. Vegna efnafræðilegrar veðrunar er koldíoxíð dregið varanlega úr andrúmsloftinu og bundið í lithvolfinu . Hluti af geymdu CO ₂ er skilað út í andrúmsloftið á milljónum ára með útblæstri eldfjalla á meginlandi eða sjó. ^[28] Við núverandi jarðeðlisfræðilegar aðstæður myndi það taka um það bil 500.000 ár að skipta um koldíoxíð í andrúmslofti á grundvelli hringrásar karbónatsílíkats .
• Loftslagsbreytingar á sjávarmálssveiflum (eustasia) eru byggðar á tveimur meginástæðum: 1. Breytingar á sjómagni vegna bindingar vatns í ísbreiðum á meginlandi eða vegna bráðnunar þeirra (jökulsjúkdómur) ; 2. Breytingar á rúmmáli hafsbotnsins vegna tektónískra ferla, til dæmis með myndun nýrrar hafskorpu . Þetta gerir sjávarborð kleift að hækka eða lækka á bilinu 100 til 200 metrar.
• 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

• Abschmelzen des sommerlichen arktischen Meereises
• Abschmelzen des grönländischen Eisschildes
• Abschmelzen deswestantarktischen Eisschildes
• Erlahmen der atlantischen thermohalinen Zirkulation
• Veränderung der El Niño-Southern Oscillation (ENSO)
• Zusammenbruch des indischen Sommermonsuns
• Veränderungen im Westafrikanischen Monsunsystem mit Auswirkungen auf Sahara und Sahelzone
• Verödung des tropischen Regenwaldes
• Reduzierung borealer Wälder

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

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• 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 .
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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 .
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Klimafaktor Mensch

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Weblinks

Wiktionary: Klima – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons : Klima – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikiquote: Klima – Zitate

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• earth.nullschool.net: Globale Klimakarte
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