Dynamik umweltrelevanter Systeme PDF
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Kolumban 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 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfil mung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeiehnung nieht zu der Annahme, daB so1che Namen im Sinne der Warenzeichen-und Mar kenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirfen. 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
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