Table Of ContentKolumban Hutter (Hrsg.)
Dynamik umweltrelevanter Systeme
K. Hutter (Hrsg.)
Dynamik
umweltrelevanter Systeme
Mit Beitragen von
E. Augstein, H. Blatter, B. Diekmann, H. Fleer,
F. Gassmann, H. Grassl, G. Gross, K. Hf,rterich,
K. Hutter, W. Klug, G. Manier, A. Neftel, A. Ohmura,
C.-D. Schonwiese, F.H. Schwarzenbach, M.M. Tilzer
Mit 186 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York London Paris
Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest
Professor Dr. Kolumban Hutter
Institut fiir Mechanik, Technische Hochschule Darmstadt,
HochschulstraBe 1, W-6100 Darmstadt
Umschlagbild:
"Leewellen-Rotor iiber Island", Wolf Dietrich Heckendorff, Manaira, Brasilien
ISBN-13: 978-3-540-53597-3 e-ISBN-13: 978-3-642-76369-4
DOT: 10.1007/978-3-642-76369-4
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991
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Satz: Reproduktionsfertige Vorlage yom Herausgeber
55/3140-543210
Prof. Dr. E. Augstein
Alfred-Wegener-Institut fUr Polar- und Meeresforschung
Am Handelshafen 12
W-2850 Bremerhaven
Dr. H. Blatter
Geographisches Institut der ETHZ
Winterthurer StraBe 190
CH-8057 Zurich
Priv.-Doz. Dr. B. Diekmann
Physikalisches Institut
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Un iversitat
NuBallee 12
W-5300 Bonn
Prof. Dr. H. Fleer
Geographisches Institut
Ruhr-Universitat Bochum
UniversitiitstraBe 150
W-4630 Bochum
Dr. F. Gassmann
Labor Umwelt- u. Systemanalysen
Paul-Scherrer-Instit ut
CH-5232 Villigen
Prof. Dr. H. Grassl
Max-Plank-Institut fUr Meteorologie
BundesstraBe 55
W-2000 Hamburg
Prof. Dr. G. Gross
Institut fUr Meteorologie
Technische Universitiit
Herrenhiiuser StraBe 2
W-3000 Hannover 21
Dr. K. Herterich
Max-Planck-Institut fUr Meteorologie
BundesstraBe 55
W-2000 Hamburg 13
VI
Prof. Dr. K. Hutter
Institut fUr Mechanik (III)
Technische Hochschule
HochschulstraBe 1
W-6100 Darmstadt
Prof. Dr. W. Klug
Institut fUr Meteorologie
Technische Hochschule
Hochschulstraf3e 1
W-6100 Darmstadt
Prof. Dr. G. Manier
Institut fUr Meteorologie
Technische Hochschule
HochschulstraBe 1
W-6100 Darmstadt
Dr. A. Neftel
Physikalisches Institut
Universitat Bern
Abteilung Klima u. Umweltphysik
SidlerstraBe 5
CII-3012 Bern
Prof. Dr. A. Ohmura
Geographisches Institut der ETHZ
Winterthurer StraBe 190
CH-8057 Zurich
Prof. Dr. C.-D. SchOnwiese
Institut fur Meteorologie und Geophysik
J .W. Goethe-Universitat
Praunheimer LandstraBe 70
W-6000 Frankfurt a.M. 90
Dr. F. H. Schwarzenbach
Forschungsanstalt fur Wald, Schnee und Landschaft
Gheggio
CH-6714 Semione
Prof. Dr. M. M. Tilzer
Limnologisches Institut
U niversitat Konstanz
Postfach 5560
W-7750 Konstanz
Zur Einfiihrung
Es ist uns allen sicherlich hinliinglich bekannt, wenn vielleicht auch nicht in
der notwendigen Schiirfe bewuBt, daB der Mensch und seine Umwelt in einer
Wechselbeziehung zueinander stehen. Wiihrend Jahrtausenden - bis in die
Anfiinge dieses Jahrhunderts hinein - bestand diese Beziehung weitgehend in
einer Abhiingigkeit des Menschen von seiner Umwelt; er hatte gelernt, im Ein
klang mit der Natur zu leben. Seit jiingster Zeit wird jedoch mit immens
anwachsender Intensitiit die Umwelt - und damit sei hier der gesamte Erdball
gemeint - mehr und mehr yom Menschen abhiingig. Dies hiingt eng zusammen
mit dem Anstieg der Weltbevolkerung und den wachsenden Anspriichen unserer
eigenen Zivilisation sowie derjenigen der unterentwickelten Liinder. Umwelt
forschung geht uns aile an; sie hat naturwissenschaftliche, soziookonomische
und politische Hintergriinde und ist daher komplex und schwierig zu verstehen.
Ihre Einfiihrung an Universitiiten und Technischen Hochschulen, ihr Eingang
in fachbezogene oder fachiibergreifende Veranstaltungen und ihre Darstellung
in zielgerichteten Lehrbiichern tun Not. Wir unternehmen hier einen Versuch
der integrierenden Darstellung, notwendigerweise einschriinkend, urn von er
stklassigen Wissenschaftlern ihres Fachgebietes zu erfahren, was wir zu er
warten haben, was im ProzeB des vielleicht Zu-spiit-Erkennens schon einge
treten ist, und was getan werden muB, damit gewisse unerwiinschte Entwick
lungen abgewendet werden konnen. Urn diese Erkenntnisse in ihrem vollen
Umfang wert en zu konnen, sind griindliche naturwissenschaftliche Kenntnisse
notwendig, Kenntnisse der Physik, Chemie und Biologie, die aIle im Wechsel
spiel okologischer Fragestellungen teilhaben. Das ist denn auch der Grund,
warum die Beurteilung umweltrelevanter Systeme so schwierig ist und warum
- mangels solider Fachkenntnisse - ihre Behandlung oft im Dilletantischen
stecken bleibt.
Umweltforschung hat lokale wie globale Komponenten. Erstere mogen sich
in den Wechselwirkungen der in der Luft vorhandenen chemischen Spuren
stoffe mit Oberfliichen - als Verwitterung, Korrosion - iiuBern; sie mogen
die Auswirkungen einer Verstiidterung auf das Mikroklima der unmittelbaren
Umgebung der Stadt oder den Transport von Schadstoffen iiber gro/3ere Dis
tanzen betreffen. Damit sind v.a. der saure Regen und das Waldster
ben gemeint; letzteres wirkt sich in alpinen Liindern iibrigens direkt auf die
Lawinen- und Murganghiiufigkeit aus und beeinfluBt dabei die dort ansiissige
Bevolkerung. Aber auch die Verschmutzung unseres Bodens, des Grund
wassers, der Fliisse, der Seen und des Ozeans sind angesprochen; gerade durch
die immer hiiufiger auftretenden Olunfiille sind wir uns der Umweltrelevanz der
Pedosphiire und Hydrosphiire bewuBt geworden.
Wesentlich tiefgreifender und auch unheimlicher, weil nur langsam eintre
tend und erst unsere niichsten Generationen schiidigend, dann aber urn so
nachhaltender, sind die globalen, anthropogenen Umweltveriinderungen, die
mit dem Begriff "Treibhauseffekt" verbunden sind. Es handelt sich hierum die
VIII
Erwarmung der unteren Atmosphare durch von Menschen verursachte Ernis
sionen bestimmter Spurengase. Diese glob ale Erwarmung wird, sofern wir
nicht rechtzeitig entsprechende MaBnahmen ergreifen, mit an Sicherheit gren
zender Wahrscheinlichkeit in den nachsten 50 - 100 J ahren eine glob ale Kli
maveranderung bewirken, welche tiefgreifende okologisch-wirtschaftlich-soziale
Auswirkungen nach sich ziehen wird - erwahnt seien hier die mogliche Nord
verschiebung arider Wiistengebiete auf der nordlichen Hemisphare und der
wahrscheinliche Landverlust weiter flacher Kiistengebiete aufgrund der An
hebung des Meeresspiegels. Das Problem der Erfassung der Auswirkungen des
"Treibhauseffektes" ist deshalb so schwierig, wei I neben den komplexen natur
wissenschaftlichen Wechselwirkungen - es spielen Atmosphare, Biosphare, Hy
drosphare, Kryosphare und Pedosphare eine Rolle - auch soziopolitische Reak
tionen die Systemdynarnik beeinflussen.
In ahnlicher Weise komplexe Systeme sind der Ozean oder ein See, die
beide als Szene fUr das Wechselspiel von physikalischen, chemischen und biola
gischen Prozessen aufgefaBt werden konnen. Auf der physikalischen Seite sorgt
der atmospharische Wind- und Warmeeintrag (durch die Sonneneinstrahlung)
einerseits fur eine von diesen treibenden Agenzien erzeugte Schichtung und
Stromung. Diese sorgen andererseits durch den diffusen und advektierten
Niihrstoff- und Spurenelementtransport fUr einen entsprechend verkniipften
Verlauf biologischer und chemischer Prozesse. Die Ozeanographie und die Lim
nologie sind erst seit wenigen Jahren dabei, ein die Physik, Chemie und Biologie
integrierendes Verstandnis zu entwickeln. Man erkennt diese Wechselwirkung
jedoch in unzahligen Teilfragen; sie werden uns hier besonders anschaulich im
Phanomen "EI Nino" und bei der Behandlung der biologischen Produktion
sprozesse durch Umweltfaktoren vor Augen gefUhrt.
SchlieBIich kann man unsere Umwelt, ja die Natur schlechthin, unter dem
verbindenden Konzept der Systemdynarnik betrachten. Dadurch wird deut
lich, daB die natiirlichen Systeme aIle in verbluffend ahnlicher Weise den wider
strebenden Kraften von Chaos und Ordnung unterworfen sind und gemaB ihrer
Evolution entweder einen eher dem Chaos oder der Ordnung entsprechenden
Zustand einnehmen konnen.
Die Texte dieses Buches stiitzen sich auf Vortrage, welche innerhalb
einer zweisemestrigen Ringvorlesung "Dynamik umweltrelevanter Systeme" im
akademischen Jahr 1989/90 an der Technischen Hochschule Darmstadt gehalten
wurden. Das Ziel war, ein naturwissenschaftlich begriindetes Fundament der
Dynamik umweltrelevanter Systeme zu schaffen, diese aber fachiibergreifend
zu behandeln, eingebettet in ein ganzheitliches Verstandnis, urn so den Blick
fUr verantwortungsvolles zukiinftiges Verstehen und Handeln zu schaffen. Es
ist mir gelungen, eine Schar hervorragender Wissenschaftler als Vortragende
dieser Veranstaltung zu gewinnen und die meisten von ihnen zur Ausarbeitung
der hier abgedruckten Texte zu bewegen. Ihnen sei fUr den Einsatz mein Dank
ausgesprochen.
Danken mochte ich auch dem Prasidenten der Technischen Hochschule
Darmstadt, Professor G. B6hme, der die Veranstaltung durch die Bereitstellung
der Gelder finanziell ermoglicht hat.
IX
Meinen Mitarbeitern, allen voran Frau R. Danner, den Herren S. Diebels,
T. Koch, Qin Shilun, C. Balan sowie Frau R. Schreiber, mochte ich fUr die
Hilfe bei der Erstellung der druckreifen Vorlage des Buches sowie dem Springer
Verlag fUr die Drucklegung danken.
Darmstadt, im Miirz 1991 K. Hutter
InhaItsverzeichnis
K. Hutter, H. Blatter, A. Ohmura
Treibhauseffekt, Eisschilde und Meeresspiegel 1
C.-D. Schonwiese
Der Treibhauseffekt - Klimamodellrechnung und Beobachtungsindizien 29
H. Grassl
Die besondere Rolle des Wasserkreislaufs fiir das Klima 59
A. Neftel
Polare Eiskappen - Das kalte Archiv des Klimas 83
K. Herterich
Zur Stabilitat der Westantarktis 109
B. Diekmann
Aspekte einer zukiinftigen Energieversorgung
angesichts des Treibhauseffektes 123
E. Augstein
Die Bedeutung des Ozeans fUr das irdische Klima 141
H. Fleer
Die sozio-okologischen Auswirkungen des EI Nino Ereignisses 171
K. Hutter
GroBskalige Wasserbewegungen in Seen:
Grundlage der physikalischen Limnologie 187
M. M. Tilzer
Biologie natiirlicher Gewasser: Die Beeinflussung
des Produktionsprozesses durch physikalische Umweltfaktoren 249
G. Gross
Das Klima der Stadt 271
W. Klug
Schadstoffausbreitung in der Atmosphare 291
G. Manier
Wechselwirkungen zwischen Oberflachen und der Atmosphare 297
F. H. Schwarzenbach
Waldschaden in den Schweizer Alpen: Problemanalyse
zur Erfassung der Auswirkung auf das Berggebiet 319
F. H. Schwarzenbach
Methodologische Beitrage zum Thema
Dynamik von Waldokosystemen 341
F. Gassmann
Chaos und Ordnung in natiirlichen Systemen 369
Treibhauseffekt, Eisschilde und Meeresspiegel
1
KOLUMBAN HUTTER, Darmstadt,
HEINZ BLATTER und ATSUMU OHMURA, Ziirich
Die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphare nimmt
stan dig zu; schon um 2030 wird eine Verdopplung des etlektiven
CO2-Gehaltes erreicht. Bis dahin erwartet man eine Tempera
turerhOhung um 2 bis -I K, Veranderungen im globalen Nieder
schalgsmuster und ein Ansteigen des Meeresspiegels um 30 bis 60
cm. Beim Abschme1zen des westantarktischen Eissche1fes stiege
der M eeresspiege1 um katastrophale 6 man.
1 Einleitung
Noch vor 18 000 Jallen iiberzog ein Eispanzer 28 % der festen Oberfiache der
Erde. Die Eisdecke war in Amerika teilweise mehrere Kilometer dick und reichte
an ihrer siidlichen Berandung bis nach Oregon und New York. In Europa
lagerte ein Eisschild iiber den Alpen und begrub fast die ganze Schweiz unter
sich. Der noch gr6Bere skandinavische Eisschild bedeckte auch England und
reichte in Deutschland an seiner siidlichen Grenze bis nach Bremen. Das Eis
band soviel Wasser des hydrologischen Kreislaufs, daB die Meeresoberfia.che
etwa 100 m tiefer lag als heute.
Glaziale Perioden traten etwa in den letzten zwei Millionen J allren auf.
Der jiingste Vereisungszyklus datiert ca. 80 000 J abre zuriick und stellt eine
von insgesamt etwa 10 pleistozanen Eiszeiten dar. Der nachste H6hepunkt
einer Eiszeit - sofero sie auf Grund anthropogener Eingriffe iiberhaupt noch
eintreten kann - wird in etwa 60 000 J allren erwartet.
Mit direkten meteorologischen Messungen und indirekten geophysikalischen
Methoden k6nnen verschiedenartige Klimaschwankung~n mit unterschiedlichen
charakteristischen Zeitskalen von wenigen Jahren bis Aonen (109 Jahre) nach
gewiesen werden. Nach heutigem Verstandnis werden solche Klimaschwankun
gen durch
• astronomische,
• geophysikalische und
• atmospharenchemische
Ursachen bewirkt.
1 Beglaubigter Nachdruck des in Phy,ik in 1Ift,erer Zeit 20 {1989}:161-171 erscbienenen
Artikels
