Klimasystem

Als ein dynamisches Zusammenspiel von sich gegenseitig beeinflussenden Geosphären, Energiequellen und erdgeschichtlich langfristig und kurzfristig wirkenden Veränderungszyklen befindet sich das Klimasystem in permanentem Wandel.

Atmosphäre (Luft), Hydrosphäre (Wasser), Lithosphäre (Erde) Biosphäre (Lebewesen) und Kryosphäre (Eis) bestimmen in einem hochkomplexen Austausch das Klima auf der Erde. Die hauptsächlich aus Stickstoff, Sauerstoff und Argon bestehende Atmosphäre stellt dabei das Medium des Klimas dar. Die unterschiedliche Zusammensetzung ihrer Bestandteile im Lauf der Zeit, wie etwa der Anteil an Treibhausgasen wie Kohlendioxid, Methan oder Lachgas, beeinflusst den Wärmeinhalt der Atmosphäre und somit auch das Klima.

Die Hydrosphäre umfasst alle Gewässer der Erde wie Ozeane, Seen, Flüsse, Grundwasser, Wasser und Wasserdampf und kann enorme Mengen an Wärme speichern. Diese wird durch global wirkende Zirkulationssysteme in der Atmosphäre und in den Meeren um den Planeten transportiert und reguliert dadurch das Klima. Der Teil der Hydrosphäre, der die in fester Form vorkommenden Wassermassen beinhaltet, wird als Kryosphäre bezeichnet, zu welcher Meereis, Schelfeis, Schnee, Gletscher, Eisschilde und Permafrost zählen. Schnee- und eisbedeckte Flächen reflektieren die Sonneneinstrahlung und haben einen kühlenden Effekt. Sie verhindern durch ihre isolierende Wirkung auch die Abstrahlung von Boden- und Meereswärme an die Atmosphäre.

Die feste, oberste Hülle des Erdkörpers mit der Erdoberfläche wird als Lithosphäre bezeichnet und spielt eine wichtige Rolle, indem sie das Klima durch die jeweiligen Topographien und Bodenarten beeinflusst. Erdgeschichtlich langfristig wirkende Prozesse wie Plattentektonik, Gebirgsbildung, Verwitterung und Vulkanismus und deren Interaktion mit der Atmosphäre sind dabei auch zu berücksichtigen.

Die Verbreitung von Menschen, Pflanzen und Tieren sowie deren Lebensweisen sind der Biosphäre zugeordnet und beeinflussen das Klima etwa durch die Bindung von Kohlendioxid durch Photosynthese und Umwandlung in Biomasse.

All diese Geosphären beeinflussen einander, sind vielfach untrennbar verknüpft und bilden gemeinsam das Klimasystem. Änderungen im System werden zwar von außen angestoßen, innerhalb des vernetzten Klimasystems werden sie allerdings nicht direkt und sofort, sondern ungleichmäßig zum Antrieb und räumlich sehr unterschiedlich umgesetzt. Rückkopplungen halten das System stabil oder bringen es zum Kippen.

Seit der Entstehung unseres Planeten vor 4,6 Milliarden Jahren stellte die Sonne die Hauptenergiequelle für unser Klimasystem dar. Seither wurde rund ein Drittel des Wasserstoffs der Sonne in Helium umgewandelt, wodurch es zu einer langsamen Vergrößerung der Sonne und damit einhergehend zu einer stetigen Zunahme ihrer Leuchtkraft kam. Die auf der Erde einfallende, kurzwellige Sonnenstrahlung wird von den Treibhausgasen der Erdatmosphäre nicht beeinflusst. Die langwellige Wärmeabstrahlung von der Erde in das Weltall wird durch die Treibhausgase jedoch reduziert. Dadurch ergibt sich auf der Erde eine mittle Oberflächentemperatur von 15 °C. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt würde diese bei minus 18 °C liegen und Leben auf der Erde wäre nicht möglich.

Das Klimasystem wird jedoch auch durch zyklische Veränderungen der Erdumlaufbahn um die Sonne beeinflusst. Dabei sind drei Zyklen zu unterscheiden:

• Neigung der Erdachse zwischen 22° und 24,5°: Dieser 41.000-jährige Zyklus wirkt sich auf die jahreszeitlichen Unterschiede der Tageslängen aus.
• Die Abweichung der elliptischen Erdumlaufbahn von der Kreisform schwankt: Dieser 100.000- und 400.000-jährige Zyklus bewirkt klimatisch unterschiedlich stark ausgeprägte Jahreszeiten.
• Kreiselbewegung der Erdachse und der elliptischen Erdbahn: Die jahreszeitliche Entfernung der Erde von der Sonne schwankt in einem 23.000-jährigen Zyklus. Beispielsweise ist gegenwärtig der Winter auf der Nordhalbkugel sonnennäher als der Nordsommer, was sich klimatisch auswirkt.

Alle natürlich vorkommenden Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlendioxid, Lachgas, Ozon oder Methan sind derzeit auch von menschlichen Aktivitäten mitbeeinflusst. Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW), die neben ihrer zerstörerischen Wirkung auf die Ozonschicht der Stratosphäre auch als Treibhausgase klimawirksam sind, werden sogar zur Gänze vom Menschen in die Atmosphäre eingebracht. Die menschlichen Aktivitäten, mit denen die Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen, sind je nach Treibhausgas unterschiedlich.

Neben den vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen hat auch die ständige Zufuhr von Aerosolen aus anthropogenen Quellen, vor allem in der Zeit der rasanten Wirtschaftsentwicklung der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, das Klima maßgeblich durch ihren abkühlenden Effekt beeinflusst. Leider hatten die steigenden Aerosolemissionen schwerwiegende gesundheitliche und ökologische Auswirkungen zu Folge. Seit etwa 1980 erreichten die Bemühungen zur Reinhaltung der Luft, zusammen mit dem Zusammenbruch der Schwerindustrie in Osteuropa, eine Trendumkehr. Dies förderte die Gesundheit der Menschen und Wälder Europas, es reduzierte jedoch einen anthropogenen Klimaantrieb, der in den Jahrzehnten von 1950 bis 1980 den erwärmenden Effekt der Treibhausgase maskierte.

Das Klima wird statistisch aus langjährigen Wetterdaten abgeleitet. Um Werte wie Temperatur, Niederschlag, Wind und Sonneneinstrahlung aufzuzeichnen, betreibt die GeoSphere Austria seit 1851 ein umfassendes, nationales Stationsmessnetz. Da diesbezügliche, instrumentelle Messungen jedoch nur für die letzten 150–200 Jahre verfügbar sind, wird an der GeoSphere Austria für die langfristige Rekonstruktion des Klimas auf geomorphologische, biologische und geochemische Methoden zurückgegriffen. Dafür werden etwa durch Gletscher bedingte Geländeverformungen, fossile Pollen, Schnecken, Muscheln und Tintenfische und die chemische Zusammensetzung von Tonmineralen, Sedimenten und Mikrofossilien untersucht. Durch diese Analysen können Aussagen über die Klima- und Umweltbedingungen der letzten 500 Millionen Jahre getroffen werden.

Mit diesen umfangreichen Datenbeständen aus direkt und indirekt gemessenen Anzeigern kann die Klimageschichte mit ihren Einflussfaktoren rekonstruiert werden. Dies bildet die Basis für das Verständnis des gegenwärtigen und zukünftig zu erwartenden Klimas und dessen lokalen Auswirkungen auf Österreich und den Alpenraum.

Die geprüften Messdaten werden im Rahmen von wissenschaftlichen Untersuchungen sowie zur Bereitstellung von klimatologischen Produkten und Dienstleistungen verwendet. Diese dienen Bundesministerien, Bundesländern, Gemeinden, Unternehmen, Privatpersonen und Medien als Informationen und Planungsgrundlagen rund um das Thema Klima.