Umwelt Erde – unser blauer Planet

Umwelt Erde – unser blauer Planet Aus dem Weltraum wirkt die Erde wie eine blauweiß geäderte Murmel. Diese Welt, die in der kosmischen Hierarchie nur eine Randlage einnimmt, ist unsere Heimat im Weltall. Sie ist der einzige Planet, auf dem wir leben können. Die Einzigartigkeit dieses Himmelskörpers ist erst in den letzten Jahren immer deutlicher hervorgetreten. Nicht nur flüssiges Wasser, sondern eine große Zahl von weiteren Umständen sind Voraussetzungen für die Entwicklung höheren Lebens gewesen: Die Neigung der Erdachse, die vom Mond stabilisiert wird, Ozonschicht und Erdmagnetfeld, Vulkanismus und Plattentektonik sind Beispiele hierfür. Ein Globus zeigt das Antlitz unseres Planeten: Ein weltumspannendes Meer, in das Kontinente und Inseln hineingeworfen scheinen. Diese beherbergen trockenheiße Wüsten, gemäßigte Klimazonen mit Wäldern und Seen, aber auch Eiswüsten voll klirrender Kälte. Abgesehen von den beiden Extremen sind die Lebensbedingungen fast überall akzeptabel: Das Wasser ist flüssig und trinkbar, es ist nicht ständig vereist und es kocht auch nicht. Die Lufttemperaturen sind angenehm – mit jahreszeitlichen Schwankungen. Über sechs Milliarden Menschen drängen sich heute in den bewohnbaren Gebieten – und täglich werden es mehr. Dazu kommen trotz des fortwährenden Artensterbens unzählige Tiere und Pflanzen. Wie Tier und Pflanze lebt der Mensch von der Erde: Auf ihrer Oberfläche bringen wir Saatgut aus, aus der Erdkruste fördern wir Rohstoffe, und das Meer liefert uns ebenfalls Nahrungsmittel und erweckt wegen seiner Bodenschätze unser Interesse. Angesichts der immer weiter ausgreifenden Zersiedlung, der Umweltzerstörung und eines drohenden Klimawandels fragte der Astronom Heinz Haber schon Anfang der 1970er Jahre: »Stirbt unser blauer Planet?« Verschiedene geowissenschaftliche Disziplinen versuchen, Antworten auf diese Frage zu finden. Sie beschäftigen sich mit dem Aufbau und der Entwicklung der Erde, Häufigkeit und Entstehung von Bodenschätzen oder mit Wettergeschehen und Klima. Angewandte Geologie: Wie wird die Erde erforscht? Befassen sich Geologen nur mit Gesteinen? Nein. Gegenstand der Geologie sind auch Ozeane und Binnengewässer, Atmosphäre, Klima und alle darin ablaufenden Vorgänge. Und die Arbeit beschränkt sich nicht auf die Erdkugel, sondern auch der erdnahe Raum wird einbezogen. Manche Geologen arbeiten noch richtig im Gelände. Sie analysieren den Untergrund auf der Suche nach Lagerstätten oder klettern durch Tunnel oder Höhlen, um Erzgänge zu finden und zu markieren – fast wie die alten Goldsucher. Sie müssen allerdings im wahrsten Sinne des Wortes tiefer schürfen als ihre Vorgänger: Sondierbohrungen und seismische Erkundungen reichen heute tief in die Erdkruste hinein. Die tiefste bisher in Europa durchgeführte Bohrung war die kontinentale Tiefbohrung (KTB) im oberpfälzischen Windischeschenbach: Nach vierjähriger Bohrzeit war man bis in 9101 Meter Tiefe vorgestoßen. Zwar lernt auch heute noch jeder Geologiestudent bei seinen Geländepraktika »Steine klopfen«, doch hat der technische Fortschritt viele Arbeitsmethoden grundlegend geändert: Viele Geologen arbeiten vorwiegend am Computer oder im Labor. Sei es bei der Auswertung umfangreicher Messprogramme, sei es bei der Modellierung von Vorgängen tief im Erdinneren – ohne modernste Rechner und Untersuchungsmethoden kommt man heute in der Geologie nicht mehr aus. Woher weiß man, wie alt die Erde ist? Aus der geologischen Untersuchung von Gesteinsschichten. Die entscheidende Erkenntnis für die Altersbestimmung war dabei, dass gleichartige Schichten ähnlich alt sein müssen. Über die ersten drei bis vier Milliarden Jahre der Erdgeschichte weiß die Geologie nicht sehr viel, da es nur recht wenige Gesteine gibt, die seit dieser Zeit unverändert geblieben sind. Man nennt diese Phase zusammenfassend »Präkambrium«, also die Zeit vor dem ersten »gut dokumentierten« Erdzeitalter Kambrium, das vor etwa 600 Millionen Jahren begann. Um den Überblick zu bewahren, fasste man die Schichten zu Erdzeitaltern zusammen: Dem Erdaltertum (Kambrium bis Perm) folgten das Erdmittelalter (die »Dinosaurierzeit«, Trias bis Kreide), die Erdneuzeit (Tertiär, wörtlich das »dritte Zeitalter«) und die geologische Jetztzeit (das Quartär oder »vierte Zeitalter«), welche die letzten zwei Millionen Jahre umfasst. Ihren Namen erhielten die Schichten und damit geologischen Epochen übrigens jeweils von Orten, wo sie besonders gut zu finden waren, so etwa die Jurazeit nach dem Schweizer Jura oder das Devon nach der englischen Grafschaft Devonshire. Was verraten Gesteine über das Erdmagnetfeld? Dass mehrmals eine Umpolung stattgefunden hat, das heißt, dass der magnetische Südpol und der magnetische Nordpol ihre Position getauscht haben. Eindeutige Beweise dafür fanden Geologen auf dem Boden des Atlantiks, der sich seit gut 200 Millionen Jahren allmählich nach außen aufspreizt. Dort zeigt sich eine lange Folge von magnetischen Kristallen mit wechselnder Polung. Dies spiegelt die Richtung des Magnetfeldes zu dem Zeitpunkt wider, als der diese Kristalle enthaltende Ozeanboden gebildet wurde. Man kann sogar erkennen, dass es zu manchen Zeiten mehr als zwei Magnetpole gab (sog. Quadrupol- oder Oktopolfelder), und es lassen sich auch Phasen ganz ohne ausgeprägtes Magnetfeld belegen. Über die Ursache des Erdmagnetfelds herrschte übrigens lange Zeit Unklarheit. Heute geht man davon aus, dass sich zunächst schwache Ströme im metallischen äußeren Erdkern durch elektromagnetische Induktion so verstärkten, dass ein annähernd stabiles globales Magnetfeld entstand. Diese Theorie wurde durch im Labor nachgebaute »Geodynamos« eindrucksvoll bestätigt. Allerdings bricht das Feld – nach geologischen Maßstäben urplötzlich – in unregelmäßigen Abständen zusammen, um dann nach kurzer Zeit (das heißt »schon« nach wenigen Jahrtausenden) mit entgegengesetzter Polung neu zu erstehen. Während des größten Teils der Erdgeschichte muss aber ein relativ stabiles Erdmagnetfeld bestanden haben. Sonst hätten nämlich Tiere keinen magnetischen Sinn entwickeln können. Das bekannteste Beispiel hierfür sind unsere Zugvögel. Sie orientieren sich bei ihren Tausende von Kilometern überspannenden Reisen unter anderem an der magnetischen Feldrichtung. Wussten Sie, dass … die Magnetpole wandern? Der magnetische Südpol, heute in Nordkanada, wird z. B. in etwa 50 Jahren die sibirische Küste erreichen. man im Grand Canyon von der Erdurzeit (vor 4600 Mio. Jahren) bis zum Perm (bis vor 258 Mio. Jahren) wandern kann? magnetische und geographische Pole nicht das Gleiche sind und der magnetische Südpol sich außerdem in der Nähe des geographischen Nordpols befindet? Was erforscht die Selenologie? Den Mond. Der Begriff »Selenologie« – heute nur noch selten verwendet – entstand in Anlehnung an den Begriff »Geologie« und meint die wissenschaftliche Erforschung des Mondes. Er geht auf Selene, die griechische Mondgöttin, zurück. Meist wird die Erforschung aller festen Himmelskörper, also z. B. auch die Untersuchung von Mondgestein oder Marsmeteoriten, der Geologie zugeschlagen. Diese »außerirdische Erdwissenschaft« ist für die Geologen von großer Bedeutung. Denn je mehr sie von den anderen erdähnlichen Himmelskörpern im Sonnensystem (und vielleicht eines Tages auch außerhalb davon) erfahren, desto mehr können sie auch ihr Wissen über unseren Heimatplaneten erweitern und einordnen. Seismologie und Vulkanologie: In das Innere der Erde schauen Ist das Festland wirklich fest? Nein, denn das, was wir als festen Erdboden unter unseren Füßen empfinden, schwimmt in Wirklichkeit auf dem zähflüssigen Erdinneren. Verglichen mit den anderen Schichten, aus denen die Erde zusammengesetzt ist, ist diese Kruste hauchdünn – an ihrer dicksten Stelle erreicht sie gerade einmal 50 Kilometer. Die Erdkruste kann sich deshalb bewegen, weil sie in verschiedene Platten zerbrochen ist, die durch tektonische Prozesse langsam, aber unaufhörlich verschoben werden. Der Geophysiker und Meteorologe Alfred Wegener (1880–1930) formulierte als Erster die Theorie der Kontinentalverschiebung. Ein Blick auf den Globus hatte ihn Anfang des 20. Jahrhunderts auf eine unerhörte Idee gebracht: Gäbe es den Südatlantik nicht, dann würde die Ostküste Brasiliens fast exakt in den westafrikanischen Golf von Guinea passen. Könnte es nicht sein, dass Südamerika und Afrika tatsächlich in grauer Vorzeit einen gemeinsamen Kontinent gebildet haben, der dann später vom Atlantik getrennt wurde? Für diese Idee sprachen sehr ähnliche Fossilfunde auf beiden Seiten des Atlantiks, dagegen das Unvermögen seiner Zeitgenossen, sich von der Unverrückbarkeit des Festlands zu verabschieden. Lässt sich die Bewegung der Kontinente messen? Ja. Erderkundungssatelliten wiesen Geschwindigkeiten von einem bis zehn Zentimetern pro Jahr nach, mit denen die Platten, auf denen die Kontinente liegen, sich aufeinander zu bzw. voneinander wegbewegen. Und die Richtungen, in die sich die einzelnen Platten verlagern, entsprechen im Wesentlichen denen, die Alfred Wegener – der Entdecker dieses Phänomens – vermutet hat. Vor der Unterstützung durch Satelliten waren die Geologen auf »irdische« Indizien für Wegeners heute als »Plattentektonik« bezeichnete Theorie angewiesen. Eine erste Bestätigung brachten in den 1950er Jahren Gesteinsproben vom Grund des Atlantiks: Deren magnetische Orientierung ist in ost-westlicher Richtung symmetrisch zur Mitte des Ozeans. Dies zeigt, dass am so genannten Mittelatlantischen Rücken Material aus dem Erdinneren aufsteigt und die östlich und westlich davon gelegene Erdkruste nach außen wegdrückt. Während in der Mitte der Ozeane neues Krustenmaterial gebildet wird und dieses die Platten auseinandertreibt, stoßen andernorts Platten zusammen. Dabei wird eine der Platten nach unten in den Erdmantel weggedrückt, wo sie aufschmilzt und so den Kreislauf schließt. Auf der Erdoberfläche falten sich an solchen Stellen Gebirge auf, wie etwa die Alpen oder der Himalaya. Gibt es »Fenster« zum Inneren der Erde? Ja, und zwar die Grenzen der Kontinentalplatten. Hier entstehen häufig Risse im Untergrund, durch die das heiße Magma, das den größten Teil des Erdinneren ausfüllt, an die Erdoberfläche tritt – meist in einem mehr oder weniger heftigen Vulkanausbruch. Da zwischen der Lava – wie das an die Erdoberfläche gedrungene Magma genannt wird – und dem Gestein ein Temperaturunterschied von über tausend Grad besteht, wird das im Boden befindliche Wasser überhitzt, bis es schlagartig verdampft. Der Dampf zerreißt das Gestein und schleudert Steinbrocken, Staub und Schlacke bis zu 20 Kilometer in die Höhe, wie beispielsweise 1991 beim Ausbruch des philippinischen Vulkans Pinatubo. Auch Erdbeben geben Kenntnis von den Aktivitäten im Inneren der Erde. Sie kommen zustande, wenn sich mechanische Spannungen im Gestein unter der Erdoberfläche schlagartig abbauen und die Erde zum Zittern bringen. Und solche Spannungen treten meistens dort auf, wo eine Platte der Erdkruste in ihrer langsamen Bewegung aufgehalten wird, etwa an den Rändern der Kontinentalplatten, an den Hochgebirgen oder an Einsenkungen wie dem Rheintalgraben. Im Gegensatz zu den unvorstellbar langsamen Bewegungen der Platten hüpft und schnellt der Untergrund bei einem Beben in unterschiedliche Richtungen. Scherungen und Stauchungen überlagern sich. Diese Abfolge von Druck und Zug ist es, die die meist verheerenden Schäden verursacht. Wie gewinnt man Erkenntnisse über Erdbeben? Mithilfe von Seismographen, mit dem seit dem 18. Jahrhundert die Bodenschwingungen bei Beben aufgezeichnet werden. Dabei wird unter einem beweglich gelagerten Stift langsam ein Papierstreifen vorbeigezogen. Bebt die Erde, so folgt der Stift den Erdschwankungen und schreibt eine gezackte Kurve. Den Ort eines Erdbebens bestimmen Geologen, indem sie Kurven von mindestens drei weit voneinander entfernten Stationen vergleichen. Jedes Erdbeben erzeugt nämlich nur wenige, ganz bestimmte Schwingungen. So genannte Oberflächenwellen breiten sich entlang der Erdoberfläche aus. Aufgrund der Kugelform der Erde benötigen sie am längsten, um einen Seismographen zu erreichen. Tiefenwellen durchqueren dagegen das Erdinnere in einer geraden Linie und treffen daher schneller ein. Da die Geschwindigkeit der Bebenwellen im Erdinnern bekannt ist, lässt sich aus den Zeitdifferenzen die Entfernung des Bebens berechnen und der Ort des Epizentrums bestimmen. Dies ist der Punkt in der Erde, an dem sich die Spannungen entluden. Wussten Sie, dass … die Staubwolken, die beim Ausbruch des Pinatubo freigesetzt wurden, das Klima veränderten? Da sie einen Teil des Sonnenlichts reflektierten, sank die Durchschnittstemperatur auf der Erde für einige Monate um etwa 1 °C. mitunter auch die Erde in Deutschland bebt? Die Erdbebenherde konzentrieren sich besonders auf die Alpen, den Rheintalgraben und den Elbtalgraben. der Ausbruch des Tambora in Indonesien 1815 als größter Vulkanausbruch der letzten 10 000 Jahre gilt? Er forderte etwa 12 000 Opfer; weitere 50 000 bis 80 000 Menschen starben durch Erdbeben und Flutwellen als Folge des Ausbruchs. Was gibt die Richter-Skala an? Die Stärke von Erdbeben, genauer gesagt die Energie, die ein Beben freisetzt. Theoretisch ist die Skala nach oben hin offen, aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Erdkruste sind Erdbeben der Stärke 9,5 oder höher jedoch nahezu unmöglich. Eine Bebenstärke zwischen 8 und 8,5 – was etwa alle fünf Jahre vorkommt – entspricht rund 60 000 Wasserstoffbomben. Die Richter-Skala ist nach dem amerikanischen Seismologen Charles Francis Richter benannt, der sie zusammen mit seinem Kollegen Benno Gutenberg 1935 entwickelte. Hydrologie: Die Kunde vom Wasser Wie kommt das Salz ins Meer? Durch den Kreislauf des Wassers. Auf seinem Weg durch die Erdkruste reichert sich das Süßwasser mit Spuren von Natriumchlorid und anderen Mineralien an, die es aus den Boden- und Gesteinsschichten herauslöst. Über die Bäche und Flüsse wird diese gelöste Fracht nach und nach ins Meer transportiert, wo es sich im Laufe von Jahrmilliarden angereichert hat. Alles Wasser, das sich auf den Kontinenten befindet, stammt aus dem Meer. Ohne den Kreislauf des Wassers bliebe es jedoch ungenießbares Salzwasser, denn bei der Verdunstung von Meerwasser durch die Sonnenenergie verbleiben die im Wasser gelösten Salze in den Ozeanen zurück. Praktisch salzfrei kehrt der aufsteigende Wasserdampf über die Kondensation und den Niederschlag wieder auf den Erdboden zurück. Drohen uns Kriege ums Wasser? Möglicherweise, Konfliktforscher rechnen jedenfalls in den kommenden Jahrzehnten damit. Denn obwohl etwa zwei Drittel der Erdoberfläche von Wasser bedeckt sind, sind die Vorkommen an nutzbarem Trinkwasser begrenzt, zudem steht die Gewinnung von Trinkwasser in Konkurrenz zur Wassernutzung durch Industrie und Landwirtschaft. Der steigende Lebensstandard einer wachsenden Weltbevölkerung lässt die Vorräte schwinden. So ist zwar in Deutschland die Wasserversorgung noch gesichert, doch in vielen Teilen der Welt hat die Bevölkerung keinen (oder nur sehr beschwerlichen) Zugang zu unverschmutztem Trinkwasser. Weshalb wird sauberes Wasser knapp? Weil Landwirtschaft, Industrie und Haushalte große Schadstoffmengen in die Gewässer spülen. In Deutschland ist die Überdüngung (Eutrophierung) eines der größten Probleme bei der Reinhaltung der Gewässer. Dazu kommt es, wenn durch Abwässer zu viele Nährstoffe in Flüsse und Seen gelangen. Dadurch vermehren sich die Algen so stark, dass andere Pflanzen an Lichtmangel zugrunde gehen. Bei deren Zersetzung verbrauchen Mikroorganismen so viel Sauerstoff, dass Tiere und Kleinstlebewesen verenden – das Gewässer »kippt um«. Quellen der Nährstoffeinträge sind Waschmittelrückstände, Dünger und vor allem das Ausbringen von Gülle. Gülle enthält darüber hinaus Nitrationen, die in das Trinkwasser gelangen können. Nitrat selbst ist ungiftig, wird aber im Körper zu Nitrit umgesetzt, das sich schädlich auf das Hämoglobin auswirkt. Auch die chemische Industrie trägt zur ständigen Gewässerbelastung bei. Werden etwa über einen längeren Zeitraum kleinere Mengen z. B. giftiger Schwermetalle wie Blei oder Quecksilber über das Wasser der Nahrungskette zugeführt, reichern sie sich im menschlichen Gewebe an. Daher führen auch sehr kleine Emissionen dieser Stoffe langfristig zu erheblichen Gesundheitsschäden. Können Abwässer überhaupt gereinigt werden? Ja, doch weil die Konzentration von Schadstoffen und Keimen im Abwasser so hoch ist, reicht die biologische Selbstreinigungskraft von Flüssen und Gewässern nicht mehr aus. Daher werden Abwässer in Kläranlagen gereinigt. In einer modernen Kläranlage durchlaufen die Abwässer zunächst eine mechanische, dann eine biologische Reinigungsstufe. In der mechanischen Reinigungsstufe werden Fest- und Schwebstoffe entfernt: Rechenartig angeordnete Gitterstäbe filtern grobe Verunreinigungen aus, Sand und andere Festkörper setzen sich in den folgenden Sandfängern fest. Das Wasser durchläuft dann große Becken, in denen sich Schwebstoffe absetzen können. Die biologische Klärstufe entfernt vor allem Nährstoffe wie Stickstoff, Nitrat und Nitrit sowie Phosphate. Dies schützt die Gewässer vor Eutrophierung. Die Verfahren sind den natürlichen Reinigungssystemen der Gewässer entlehnt: Mikroorganismen nehmen die abzubauenden Stoffe auf, verdauen sie und scheiden leichter abzubauende und weniger gefährliche Stoffe wieder aus. Technisch erfolgt die biologische Reinigung, indem das mechanisch gereinigte Wasser über eine drei bis vier Meter hohe Schüttung aus porösem Naturstein oder Sand läuft, auf der sich die gewässerreinigenden Bakterien angesiedelt haben. Wieso friert ein See am Boden nicht zu? Das hängt mit einer besonderen Eigenschaft des Wassers zusammen: Kühlt man Wasser ab, wird es bis zu einer Temperatur von 4 °C zunächst schwerer, darunter aber leichter! Eis hat eine um etwa zehn Prozent geringere Dichte als Wasser und schwimmt deshalb obenauf. Teiche, Seen und die Polarmeere gefrieren deshalb von der Oberfläche her. Da Eis Wärme sehr schlecht leitet, schützt es die tieferen Wasserschichten und die darin ausharrenden Lebewesen vor dem Gefrieren. Wussten Sie, dass … jede Person in Deutschland durchschnittlich jeden Tag 127 Liter Trinkwasser verbraucht? Das meiste davon wird zum Baden und Duschen verwendet. in Deutschland täglich eine Fläche versiegelt wird, die so groß ist wie etwa 250 Fußballfelder? Insgesamt sind bereits 12 % der Landesfläche bebaut oder zugepflastert. Atmosphärenwissenschaften: Luft, Klima, Wetter Weshalb ist die Erdatmosphäre für uns überlebenswichtig? Alle Lebewesen atmen die in der Atmosphäre enthaltenen Gase. Darüber hinaus ist sie zum einen ein wirksamer Schutz vor der schädlichen kurzwelligen Sonnenstrahlung und zum anderen wirkt sie gegen die eisige Kälte des Weltalls wie ein wärmender Mantel. Doch unmittelbar nach ihrer Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren hatte die Erde überhaupt keine Gashülle. Erst aus den Ausdünstungen erkaltender Lava bildete sich die Uratmosphäre, die vermutlich Wasserdampf, Kohlendioxid, Stickstoff, Methan und verschiedene Säuren enthielt. Freier Sauerstoff war zunächst nicht vorhanden, doch das war auch gut so: Ohne schützende Zellwände wären die ersten Lebensformen von ihm sofort zersetzt worden. Mit fortschreitender Abkühlung kondensierte der Wasserdampf und die Ozeane entstanden. Mit den ersten Fotosynthese treibenden Einzellern begann dann vor etwa zwei Milliarden Jahren die Umwandlung des Kohlendioxids in den für uns heute so unverzichtbaren Sauerstoff, bis vor einigen Hundert Millionen Jahren die heutige Sauerstoffkonzentration von knapp 21 Prozent erreicht wurde. Was ist Luft? Luft ist der Stoff, mit dem die Erdatmosphäre gefüllt ist. In der Antike hielt man Luft für ein Element, doch heute weiß man, dass sie ein Stoffgemisch ist. Ihre Bestandteile sind Stickstoff, Sauerstoff, verschiedene Edelgase und Kohlendioxid sowie schwankende Mengen Wasserdampf. Mehr als drei Viertel der Luft bestehen aus Stickstoff. Die Moleküle dieses Gases sind aus zwei Atomen aufgebaut, die sehr fest aneinander gebunden und wenig geneigt sind, Bindungen mit anderen Elementen einzugehen. Daher unterhält Stickstoff keine Verbrennungsprozesse, sondern »erstickt« sie. Das Element Sauerstoff macht etwa ein Fünftel der Luft aus. Es besteht ebenfalls aus zweiatomigen Molekülen, die jedoch weniger stark aneinander gebunden sind. Sauerstoff ist lebensnotwendig, ohne ihn ist keine Atmung möglich. Reiner Sauerstoff, über längere Zeit eingeatmet, wirkt jedoch giftig. Edelgase sind mit knapp einem Prozent in der Luft vertreten, wobei das Element Argon am häufigsten ist. Die übrigen Gase sind tatsächlich nur in Spuren, das heißt in Bruchteilen von Promillen, vorhanden. So findet sich Kohlendioxid mit einem Anteil von 0,37 Promille. Es ist jedoch für das Bestehen des irdischen Lebens von immenser Bedeutung, den Gehalt dieses Treibhausgases weder zu über- noch zu unterschreiten. Pflanzen benötigen Kohlendioxid für die Fotosynthese, bei der Sauerstoff freigesetzt wird. Wie wird die Atmosphäre erforscht? Mithilfe modernster Technik, die am Boden, in Ballonen oder Satelliten installiert ist. Einige Parameter der unteren Lufthülle lassen sich vom Boden aus messen, so Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck und Wind. Um herauszufinden, was sich in höheren Schichten tut, richtete man zunächst Messstationen auf hohen Bergen ein, die für Dauerbeobachtungen noch heute von Bedeutung sind. Mit der Erfindung bemannter Heißluftballons konnte man endlich weiter vorstoßen; bei Messfahrten über 10 km Höhe schwanden jedoch jedem Piloten die Sinne. Daher schickte man bald unbemannte, mit Instrumenten bestückte und mit Helium befüllte Freiballons in die Höhe. Schon nach dem Ersten Weltkrieg kamen Radiosonden zum Einsatz: kleine Gasballons, die während des ein- bis zweistündigen Aufstiegs in Höhen von 30–50 Kilometern z. B. Feuchte-, Temperatur- und Luftdruckwerte messen und über Kurzwelle an die Bodenstation senden. Platzt der Ballon wegen des sinkenden Luftdrucks, segeln die Instrumente an einem Fallschirm zu Boden. Indem man den Ballon von der Erde aus mit einem sog. Windradar anpeilt, misst man die Richtung und Stärke der Höhenwinde. Radar wird auch zur Niederschlagsmessung eingesetzt: Wassertropfen, Eis und Hagel reflektieren auftreffende Radarstrahlen. Die Stärke der Rückstrahlung (Radarecho) gibt unter anderem Aufschluss über die Niederschlagsintensität, die Zeit bis zum Echo über die Entfernung und der Dopplereffekt über die Bewegung der Partikel. Die Dicke der Ozonschicht erfasst man mit Spektrometern, die das Sonnenlicht analysieren. 1960 wurde der erste Wettersatellit in eine polare Umlaufbahn geschossen. Seit 1963 übertragen die künstlichen Trabanten ihre Messdaten an Bodenstationen und seit 1966 kreisen geostationäre Satelliten 35 Kilometer über dem Äquator – mit derselben Geschwindigkeit, mit der die Erde sich dreht, so dass sie stets denselben Ausschnitt überwachen. Mit fünf geostationären und zwei polarumlaufenden Satelliten lässt sich heute die ganze Erdoberfläche kontinuierlich beobachten. Wie entsteht das Ozonloch? Durch Chemikalien, die in 15 bis 30 Kilometern Höhe mit dem Ozon reagieren und es zerstören, dabei selbst aber kaum verändert werden. Der niederländische Forscher Paul J. Crutzen wies 1970 nach, dass Stickstoffoxide den Ozongehalt verringern. 1974 entdeckten dann die beiden amerikanischen Chemiker Mario Molina und Sherwood Rowland nicht nur, dass auch Chlor dazu in der Lage ist, sondern vor allem, dass es in Form von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) in bedrohlichen Mengen in die Ozonschicht gelangt war. FCKWs galten bis dahin als ideale, weil reaktionsträge Kältemittel und Treibgase für Spraydosen. In der Ozonschicht werden sie bei sehr tiefen Temperaturen und intensivem UV-Licht zersetzt und geben dabei das Chlor frei. Jedes Chloratom fördert die Spaltung vieler Zehntausend Ozonmoleküle, wodurch letztlich der UV-Schutzschild durchbrochen wird. Von wo drohen der Atmosphäre Gefahren? Insbesondere von der seit etwa 100 Jahren ständig sich intensivierenden Industrialisierung. Sie führte zu einem massiven Ausstoß an schädlichen Gasen, vor dem die Selbstreinigungskräfte der Natur mehr und mehr versagen. Wie groß die von diesen Stoffen angerichteten Schäden sind, hängt nicht nur von der emittierten Menge ab, sondern auch von ihrer Verweildauer sowie möglichen Reaktionsprodukten. Je länger sie existieren, desto weiter kann der Wind sie verteilen – über eine Halbkugel innerhalb weniger Monate, global in ein bis zwei Jahren. Moleküle wie die FCKW werden noch viele Jahrzehnte nach einem totalen Produktionsstopp in der Atmosphäre zu finden sein, weil sie sehr langlebig sind. Andere Stoffe reagieren dagegen chemisch oder werden mit Regen oder Staub aus der Luft entfernt. Wie zuverlässig sind Wettervorhersagen? Recht zuverlässig, denn die Meteorologen stützen ihre Aussagen auf Messungen von weltweit fast 15 000 Stationen, in denen Wetterdaten erfasst und meist automatisch an zentrale Einrichtungen übermittelt werden. Einige der wichtigsten Stationen befinden sich in 36 Kilometern Höhe über der Erde. Es sind Wettersatelliten, wie der europäische Meteosat. Mithilfe von Supercomputern berechnet man aus allen zu einer bestimmten Zeit vorliegenden Daten für jeden Punkt des Vorhersagegebiets einen neuen Datensatz für einen etwas späteren Zeitpunkt, daraus wieder neue Daten für den nächsten Zeitschritt und so weiter. Die so entstehenden Kurzfristvorhersagen, die wir als Wetterberichte aus den Medien kennen, liegen gar nicht so schlecht, wie man immer glaubt: Sie haben eine Trefferquote von etwa 85 Prozent. Temperaturen werden sogar mit etwa 90 Prozent Wahrscheinlichkeit richtig vorhergesagt. Übrigens: Die Meteorologen unterscheiden vier »Zeithorizonte«. Kürzestfristvorhersagen betreffen die nächsten zwölf Stunden. Kurzfristvorhersagen beginnen in zwölf Stunden und umfassen etwa drei Tage. An sie schließen sich die mittelfristigen Vorhersagen an, die sich auf bis zu zehn Tage erstrecken. Der Zeitraum danach wird von den langfristigen Vorhersagen erfasst. Wie bestimmt das Meer unser Klima? Durch Meeresströmungen, aber auch durch seine große Wärmespeicherfähigkeit, die extreme Temperaturschwankungen abmildert: Im Sommer heizt sich das Meer auf und speichert die Wärme, im Winter gibt es sie allmählich wieder ab. Meeresströmungen wie der Golfstrom bringen enorme Mengen an Wärmeenergie aus äquatornahen Zonen in hohe Breiten – oder verfrachten bei kalten Strömungen wie dem Humboldt-Strom vor Chiles Küste ein Energiedefizit in umgekehrte Richtung. Diese Strömungen treten jedoch nicht isoliert auf, sondern bilden ein den ganzen Globus umspannendes System. Kaltes Wasser sinkt im Nordatlantik ab und zieht warmes Oberflächenwasser aus dem Golf von Mexiko in Richtung Nordeuropa. Gleichzeitig strömt das kühle Wasser am Meeresboden den Atlantik entlang, umrundet das Kap der Guten Hoffnung und fließt zum Teil in den Indischen Ozean, zum Teil an der Antarktis entlang bis zum Pazifischen Ozean. Dort steigt das Wasser auf, fließt als Oberflächenströmung im südlichen Indischen Ozean wieder zusammen, umrundet erneut Südafrika und gelangt schließlich quer durch den Südatlantik wieder in Richtung des Golfs von Mexiko, wo sich der Kreis schließt. Die mit den Strömungen verbundene globale Umverteilung von Wärme hat deutliche Auswirkungen auf das Weltklima: So gibt es selbst in Nordnorwegen im Winter eisfreie Häfen und die kühlen Gewässer vor Südamerikas Westküste lassen alle Wolken sich bereits über dem Meer abregnen und machen die Atacama-Wüste in Nordchile zur trockensten Wüste der Welt. Wird Europa in der Zukunft zu einer Wüste? Zu welchem Endzustand die durch die sog. Treibhausgase ausgelöste Klimaerwärmung in Europa führen wird, lässt sich noch nicht abschätzen. Doch dass es Verschiebungen der Klimazonen geben wird, ist sicher. Auch mit häufigeren und stärkeren Unwettern muss man rechnen, denn eine Erwärmung bedeutet, dass mehr Energie in der Atmosphäre steckt, die sich entsprechend heftiger entladen kann. Erste Anzeichen des Wandels sind bereits zu sehen: Zugvögel kommen früher zurück, Obstbäume blühen früher und Hochwasser werden häufiger. Ist Ozon gut oder schlecht? Das hängt davon ab, wo es sich befindet. »Schlechtes« Ozon bildet sich vor allem im Sommer bei hohen Abgaskonzentrationen in Bodennähe. Dann wird »Ozonalarm« ausgelöst, denn Ozon ist ein Reizgas und deshalb immer gesundheitsschädlich. Das »gute« Ozon ist dagegen in 20 Kilometern Höhe zu finden, wo es die von der Sonne kommende hochenergetische UV-Strahlung abfängt und den »Ozonschutzschild« bildet. Es ist also nur deshalb so positiv zu bewerten, weil sich dort gewöhnlich keine Menschen aufhalten. Wussten Sie, dass … nur die Erdatmosphäre atembare Luft enthält? Die Gashüllen aller anderen bekannten Himmelskörper sind für uns lebensfeindlich. ein Mensch keine fünf Minuten ohne Luft überlebt? Ohne Wasser kann er immerhin zwei Tage und ohne Nahrung sogar zwei Wochen auskommen. die Erdatmosphäre aus mehreren Schichten besteht? Unterschieden werden die Troposphäre (bis 6 km Höhe), die Stratosphäre (bis 50 km), die Mesosphäre (bis 80 km), die Ionosphäre (bis 300 km) und die Exosphäre. Bedeuten »Wetter« und »Klima« dasselbe? Nein. Laut Lexikon ist Wetter der physikalische Zustand der Erdatmosphäre an einem bestimmten Ort und zu einem bestimmten Zeitpunkt. Das Wetter in einer Region bezeichnet man als Wetterlage, den Verlauf des Wetters innerhalb von Tagen als Witterung. Klima ist dagegen das zeitlich über Jahre oder Jahrzehnte gemittelte Wettergeschehen in Regionen, Kontinenten oder weltweit. Wussten Sie, dass … Eisbohrkerne Zeugen des Klimas in der Vergangenheit sind? Unterschiede in der Dicke von Sommer- und Wintereis etwa deuten auf eine Veränderung der Niederschlagsmenge hin und die Temperatur zur Zeit der Eisbildung lässt sich aus Lufteinschlüssen ableiten, da die Konzentration bestimmter Spurengase in der Atmosphäre sich mit der Lufttemperatur ändert. Meeresströmungen die Reisezeit von Schiffen verkürzen? So brauchen in früheren Zeiten Segelschiffe dank des ostwärts gerichteten Golfstroms für die Fahrt von Amerika nach Europa zwei Wochen weniger als in umgekehrter Richtung. Bodenkunde: Grundlage von Schutz und Bewirtschaftung Sind Böden einheitliche Gebilde? Nein, Böden sind sehr heterogene Systeme. Sie enthalten organische und mineralische Bestandteile, durchsetzt von Poren in unterschiedlicher Größe, die mit Bodenwasser oder Bodenluft gefüllt sind. Böden sind der Lebensraum von Mikroorganismen und Tieren und werden vom Wurzelwerk der Pflanzen durchdrungen. Zwischen allen Komponenten besteht ein komplexes Geflecht wechselseitiger Beeinflussung. Grünlandboden beispielsweise besteht typischerweise aus 25 % Luft, 25 % Wasser, 45 % mineralischen und 5 % organischen Bestandteilen; Letztere befinden sich vor allem in der obersten, der Humusschicht. Sie bildet sich aus abgestorbener pflanzlicher und tierischer Substanz, die als ungeordnetes Gemisch von Makromolekülen – den Huminstoffen – vorliegt. Huminstoffe können sich gut mit Wassermolekülen und Metallionen verbinden, weshalb Humus ein guter Wasser- und Nährstoffspeicher ist. Die kleinsten Bodenpartikel sind die Tonminerale. Sie bilden ein Gerüst aus Aluminiumsilicat, das außer Wasser auch positiv geladene Pflanzennährstoffe, sog. Kationen wie Ca 2+ , Mg 2+ oder K + , speichern kann. Was macht einen fruchtbaren Boden aus? Es sind Faktoren wie Korngröße, mineralische Zusammensetzung des Ausgangsgesteins, Anteil der organischen Substanz und pH-Wert. Dabei gilt: je nährstoffärmer die mineralische Basis und je geringer der Humusgehalt, desto unfruchtbarer der Boden. Die besten Voraussetzungen für fruchtbare Böden bieten daher Ausgangssubstrate, die reich an Natrium (Na), Calcium (Ca), Kalium (K), Magnesium (Mg) und Eisen (Fe) sind, z. B. Löss, Kalkstein, Schiefer oder Basalt. Böden, die sich auf Sandsteinen, Granit oder Grauwacke entwickeln, sind dagegen von vornherein nährstoffarm. Ähnliches gilt für den Humusanteil in Böden: In vegetationsreichen Regionen wird viel Biomasse zersetzt und in Humus umgewandelt. Eine wichtige Rolle spielt auch der pH-Wert, denn Pflanzen können nur wachsen, wenn er in einem bestimmten, artspezifischen Bereich liegt. Zum Glück sorgt der Boden selbst dafür, dass sein pH-Wert keinen allzu großen Schwankungen unterworfen ist. Vor allem der Versauerung, also der Absenkung des pH-Werts durch Zufuhr von positiven Wasserstoffionen (Protonen), kann der Boden durch Aufnahme von Protonen begegnen. Daran sind unter anderem Carbonate, Silicate und Tonminerale beteiligt. Diese Pufferkapazität des Bodens ist allerdings nicht beliebig belastbar. In vielen Regionen ist sie in den letzten Jahrzehnten durch den sauren Regen erschöpft. Neben einer zunehmenden Versauerung der Böden ist auch eine Auswaschung von Nährstoffen die Folge, denn alle Speicherplätze für Nährstoff-Ionen werden von gepufferten Protonen besetzt. Welche Stoffe belasten heute den Boden? Vor allem in Wasser gelöste Luftschadstoffe, Schwermetalle, Düngemittel, Biozide und Mineralöle. Zu den Schadstoffen, die über den Regen in den Boden gelangen, gehören insbesondere die Oxide von Schwefel und Stickstoff. Sie bewirken eine Versauerung des Bodens und dadurch eine Freisetzung von Schwermetall-Ionen, die sonst in unlöslicher und somit unschädlicher Form im Boden vorliegen. In begrenztem Umfang ist es möglich, der Bodenversauerung durch Einbringen von Kalk entgegenzuwirken. Noch problematischer sind aber Schwermetallionen, die aus Industriestäuben, Klärschlamm, Gülle und Abwasser in den Boden zusätzlich eingeschwemmt werden. Abgesehen davon, dass Schwermetalle die Fruchtbarkeit der Böden mindern, gelangen sie teilweise auch in die Nahrungskette und gefährden so die menschliche Gesundheit. Dasselbe gilt für die Biozide, die in der Landwirtschaft zur Schädlingsbekämpfung eingesetzt werden. Auch die aus dem Kfz-Verkehr und aus Deponien stammenden Mineralöle sind für viele Bodenorganismen giftig. Eine Bodenbelastung im physikalischen Sinn stellt die Bodenverdichtung durch Befahren mit Fahrzeugen dar, bei der das Porenvolumen vermindert wird. Auch können in verdichtetem Boden keine Organismen leben, da in ihm zu wenig Sauerstoff zum Atmen vorhanden ist. Was bedeutet »biologisch abbaubar«? Dass Stoffe im Boden von Mikroben zersetzt werden können. Biologisch leicht abbaubar sind Stoffe biologischen Ursprungs wie Proteine (Eiweiße), Kohlenhydrate oder Fettsäuren. Biologisch schwer abbaubar sind meistens Stoffe, die vom Menschen eingebracht werden, wie etwa Erdöl, Pestizide, Waschmittel und Kunststoffe. Sie können sich im Boden unter Umständen stark anreichern. Wussten Sie, dass … es Böden gibt, die ständig gefroren sind? Solche Permafrostböden tauen lediglich im Sommer in den oberen Bereichen auf, der Untergrund bleibt jedoch ganzjährig gefroren. Regenwürmer für die Fruchtbarkeit eines Bodens besonders wichtig sind? Als Erdfresser durchmischen sie das Material im Darm besonders intensiv und bilden die sog. Ton-Humus-Komplexe. weltweit bereits 15 % der Böden geschädigt sind? Vor allem durch Bodenerosion, Versalzung und Desertifikation (Wüstenbildung) geht immer mehr fruchtbares Ackerland verloren. Agrartechnik: Vom Bauern zum Agraringenieur Bringen Maschinen der Landwirtschaft nur Vorteile? Nein. Sie senken zwar die Produktionskosten durch die Einsparung von Arbeitskräften, strapazieren unter Umständen jedoch den Boden und dessen Fruchtbarkeit. Darüber hinaus ist die stark gesunkene Zahl von landwirtschaftlichen Arbeitsplätzen auf dem Land nur betriebswirtschaftlich, nicht jedoch gesellschaftlich vorteilhaft. Zu den gängigsten Landmaschinen gehören Traktoren und Pflüge. Während Traktoren ständig weiterentwickelt wurden, hat sich das bereits seit 2000 Jahre bekannte Prinzip der Pflugschar bis heute ohne nennenswerte Änderung erhalten: Die Schar schneidet den Boden horizontal ab und leitet ihn zum Streichblech, das ihn wendet und zerkrümelt. Durch das Aufschneiden lockert der Boden auf und die Durchlüftung verbessert sich. Allerdings unterbricht das Wenden die langen, tief reichenden Bodenporen. Wasser kann dann von unten nicht mehr über die Untergrenze der zu bearbeitenden Bodenschicht hinaus aufsteigen. Das Wenden durchmischt die oberste, humusreiche Bodenschicht mit darunter liegenden Bereichen. Zu tiefes Pflügen führt jedoch dazu, dass organische Stoffe so tief verlagert werden, dass sie sich nicht zu Humus zersetzen – dadurch gehen dem Boden wertvolle Nährstoffe verloren. Gleichzeitig kommt zu viel totes Bodenmaterial nach oben. Schwere Zugmaschinen verdichten außerdem den Boden stark, was ihn wasserundurchlässig macht und die Hochwassergefahr erhöht. Gibt es technische Lösungen gegen die Überdüngung? Ja, mithilfe der modernen Informationstechnologie soll das Problem an der Wurzel gepackt werden. Eine Ursache der Überdüngung ist nämlich die uneinheitliche Bodenqualität eines Ackers, auf den im herkömmlichen Landbau jeweils einheitliche Mengen an Dünger oder Pflanzenschutzmitteln ausgebracht werden. Manche Stellen erhalten daher zu viel, andere zu wenig – es kommt also einerseits zu Ertragseinbußen und anderenorts zum Austrag von überschüssigen Mengen ins Grundwasser. Sensoren sollen Landmaschinen in die Lage versetzen, automatisch Wuchsparameter, Bodeneigenschaften, den Unkrautbefall und prognostizierte Erträge metergenau zu erfassen. Wird gleichzeitig über GPS die Position der Maschine registriert, lassen sich absolute Kartierungen erstellen. Fügt man noch Wetterdaten sowie Prognosemodelle und weiteres Expertenwissen hinzu, so ergibt sich ein »Geo-Informationssystem« (GIS), das eine genaue Dosierung von Dünger oder Agrarchemikalien ermöglicht. Solche Verfahren der »teilflächenspezifischen Pflanzenproduktion« werden derzeit von verschiedenen Stellen erforscht. Wie helfen Sensoren der Landwirtschaft? Sensoren sollen u. a. eingesetzt werden, um Pflanzenkrankheiten zu erkennen. Dies ist prinzipiell mittels Temperaturmessungen möglich, weil die Oberflächentemperatur der Pflanzen von deren Transpiration und diese wiederum von ihrem Gesundheitszustand abhängt. Daneben gibt es Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen der elektrischen Bodenleitfähigkeit und der Zusammensetzung des Bodens (Gehalte von Ton, Schluff und Sand), die den Wasserhaushalt des Bodens bestimmt, oder zum Einsatz von Laserscannern zur Erkennung von Unkrautbewuchs. Was ist nachhaltige Landwirtschaft? Nachhaltig ist die Landbewirtschaftung, wenn Boden, Wasservorräte und Luft so geschont werden, dass sie nachfolgenden Generationen im selben Umfang wie heute zur Verfügung stehen. Das bedeutet beispielsweise, dass Wasser und Böden nicht über ihre natürliche Regenerationsfähigkeit hinaus mit Dünger und Pflanzenschutzmitteln belastet werden dürfen. Chemische Herbizide (Unkrautvertilger) und Pestizide (Schädlingsbekämpfungsmittel) können im biologischen Kreislauf oft schlecht abgebaut werden, außerdem kommt es zu Resistenzen bei den zu bekämpfenden Schädlingen. Integrierter Pflanzenschutz schafft hier Abhilfe durch mechanische Unkrautbeseitigung, den Anbau schädlingsresistenter Sorten oder biologische Schädlingsbekämpfung mit Nützlingen. Sind Landwirte Rohstoffproduzenten? Ja. Angesichts der immer knapper werdenden fossilen Rohstoffe wie Erdöl und Erdgas kommt dem Anbau von sog. nachwachsenden Rohstoffen wie beispielsweise Raps, Faserpflanzen oder Holz eine immer größere Bedeutung zu. Aus Rapsöl lässt sich nicht nur »Biodiesel«, sondern auch Schmier- und Hydrauliköl herstellen. Öle aus anderen Pflanzensamen sind ferner in der chemischen Industrie als Grundstoff für die Produktion von Tensiden in Reinigungsmitteln gefragt. Schließlich eignen sich Pflanzenreste, wie beispielsweise Hanf- oder Flachsfasern, als umweltfreundliche Dämmstoffe oder als Zusatzstoffe zur Verstärkung von modernen Werkstoffen wie etwa Kunstharzen. Wussten Sie, dass … die Zahl der Arbeitskräft