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2. |
Ökologie |
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2.1 |
Abhängigkeit der Organismen von Umweltfaktoren |
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2.1.1 |
Einführung in die Ökologie |
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2.2 |
Beispiel eines Ökosystems |
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2.2.1 |
Nahrungsbeziehungen, Produzenten,
Konsumenten, Destruenten , Nahrungsnetz |
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2.3 |
Umweltbelastung und Umweltschutz |
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2.3.1 |
Störung des biologischen Gleichgewichts, Global Change_Szenario |
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2.3.2 |
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2.3.3 |
Ozon, Entstehung und Bedeutung, Veränderung der stratosphärischen Ozonschicht |
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| 2.3.4 | Informationen aus der Vergangenheit - Proxydaten: Eisbohrkerne , Speleotherme, Jahrensringe | |
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2.4 |
2.1.1 Einführung
- Definitionen
- Temperatur
- Erdkruste
- Sonne
- Atmosphäre
Die Ökologie ist die Lehre von den Lebensbeziehungen der Organismen zu ihrer Umwelt. Die Lebewesen haben wir im Kurs Zellbiologie schon etwas kennengelernt. Nun wollen wir uns deren Umwelt und ihre Beziehungen dazu näher anschauen. Die folgenden Betrachtungen sind zunächst ohne Berücksichtigung menschlicher zivilisatorischer Einflüsse.
Die Umwelt kann man in 4 Bereiche einteilen:
- Atmosphäre (Luft.....)
- Biosphäre (da wo die Pflanzen wachsen.......)
- Hydrosphäre (im Wasser.....)
- Lithosphäre (Erdkruste ....)
Wir Menschen sind inzwischen in alle Bereiche vorgedrungen, andere Lebewesen jedoch sind auf einen oder wenige dieser Lebensbereiche beschränkt. Trotzdem herrscht zwischen diesen Bereichen unserer Umwelt ein reger Austausch. Eine Amsel fliegt und nistet auf einem Baum, sucht Nahrung in einer Wiese, wird dabei von einem freilaufenden Hund gestört, konnte aber den Regenwurm gerade noch mitnehmen. Der Regenwurm als Bodenbewohner hatte gerade im Wurzelwerk von Pflanzen organische Stoffe und Bakterien aufgenommen.
Die organischen Stoffe stammten aus abgestorbenen Pflanzenteilen. Als die Pflanzen noch lebten, nahmen sie Salze und Wasser aus dem Boden auf, dazu CO2 aus der Luft und wuchsen bei Sonnenbestrahlung, d.h. sie bildeten die Stoffe, aus denen sie bestehen nämlich Kohlenhydrate, Fette und Proteine also organische Stoffe.
Wenn es regnet werden Teile des Bodens in den nahen Bach geschwemmt, der in einen kleinen See mündet.
Unser kleines Beispiel zeigt schon die Vernetzung der verschiedenen Umweltbereiche. Jeder dieser Bereiche besteht wieder aus speziellen Lebensräumen für bestimmte Organismen:
- die Luft
- der Baum
- die Wiese für die Amsel
- der Boden für den Regenwurm
- der Boden und die Luft für die Pflanze
- der See für Fische usw.
Solche Lebensräume nennt man Biotope. In einem Biotop können ganze Populationen der gleichen Spezies leben. Eine Population ist eine Gruppe von Individuen der gleichen Art, die zusammenleben und sich miteinander fortpflanzen können. Innerhalb solcher Biotope bilden verschiedene Organismen eine Lebensgemeinschaft, genannt Biozönose. Die Gesamtheit aller Biotope mit all ihren Wechselbeziehungen und Biozönosen wird Ökosystem genannt.
Eine Ökosystem kann mit einer Stadt verglichen werden. Es gibt viele lebenden und nichtlebenden Teile der Stadt. Man findet Gruppen von Leuten, die nahe zusammenleben und eine Nachbarschaft bilden. Innerhalb einer Stadt gibt es verschiedene Nachbarschaften. Entsprechend gibt es verschiedene Biozönosen in einem Ökosystem.
Ein Ökosystem kann groß oder mikroskopisch sein. Die Erde ist das größte Ökosystem. Sie kann in 9 kleinere Komplexe aufgeteilt werden, die man Biome nennt. Ein Biom ist ein Komplex von Biozönosen, die durch einen bestimmten Typ Vegetation und ein bestimmtes regionales Klima gekennzeichnet sind ( z.B. Tropen) . Das Klima ist ein sehr wichtiger Faktor eines Bioms, da es bestimmt, welche Pflanzen und Tiere dort leben.
Das Leben auf der Erde braucht Wasser, eine Energiequelle und verschiedene Nährstoffe aus dem Boden , dem Wasser und der Luft. Vernünftige Kombinationen dieser Faktoren kann man nicht in der oberen Atmosphäre oder tief im Boden finden. Sie existieren nur in einer schmalen Schicht nahe der Erdoberfläche (ca. 8km hoch in die Luft und ca. 8 km hinunter in die Tiefsee). Man nennt diese Schicht Biosphäre.
Die Organismen sind nicht gleich über die Biosphäre verteilt. An den Polen und auf den Gletschern leben nur wenige Organismen aber sehr viele in den tropischen Regenwäldern.
Jeder Organismus in einem Biotop nutzt jedoch andere Faktoren der Umwelt aus:
- die Bakterien die Nährstoffe des Bodens und Wassers
- die Pflanze die Mineralstoffe und das Wasser des Bodens und CO2 der Luft und das Licht der Sonne
- die Amsel das Nahrungsangebot der Bäume und der Wiese usw.
Nahrung ist jedoch nicht alles. Die Pflanze öffnet ihre Blütenblätter nur am Tag und wächst nur bei bestimmter Temperatur. Die Bakterien und Pflanzen sterben ab, wenn der Boden zu sauer ist. Ohne Nistmöglichkeiten wird man keine Vögel vorfinden, und Regenwürmer sind in Sandböden nicht zu finden.
Unser kleines Szenario zeigt auf, daß die Lebewesen einer Biozönose ganz unterschiedliche Faktoren ihrer Umwelt nutzen:
- Faktoren die sich auf andere Lebewesen beziehen: biotische Faktoren
- der Hund vertreibt den Vogel, der Vogel frißt den Regenwurm, der Vogel nistet im Baum
- (Konkurrenz, Nahrungsangebot, Fortpflanzungsfähigkeit)
- Faktoren, die sich auf die unbelebte Umwelt beziehen: abiotische Faktoren
- die Pflanze braucht Licht, CO2 und Wasser, die Bakterien beötigen einen bestimmten Boden-pH, der Regenwurm braucht einen feuchten Boden usw.
- (Energiequelle, Wasserversorgung, Bodenbeschaffenheit)
Dies gilt für alle Biotope und Ökosysteme.
Jedes System besitzt seine spezifischen Faktoren: die Wiese, der Wald,
das Hochgebirge, das Meer, die Steppe, der Regenwald usw.
Konsequenz aus den bisherigen Betrachtungen:
- Alle Lebewesen eines Ökosystems hängen voneinander ab
- Sie nutzen unterschiedliche Faktoren ihrer Umwelt aus
Wir wollen nun einige Faktoren genauer analysieren.
2.1.2 Abiotische Faktoren
Temperatur, Globale Betrachtung
Die Wärme auf der Erde hat ihren Ursprung sowohl auf der Sonne, als auch in der geothermische Energie aus dem Innern der Erde.
Unsere Erde besteht aus Erdkern,
Erdmantel und Erdkruste.
Die Erdkruste wird auch als Lithosphäre bezeichnet. In ihrem
Mittelpunkt ist sie etwa 5000° Celsius heiß.
Der innere Erdkern besteht im Wesentlichen aus den Metallen Eisen und
Nickel; er ist fest. Die Temperatur nimmt zur Erdkruste hin allmählich
ab. In etwa 40 bis 50 km Tiefe haben wir noch eine Temperatur von ca.
1000° Celsius, in ca. 100 m Tiefe ist die Temperatur zwischen 2,5
und 4°C. Bis in die Tiefe von ca. 10 m beeinflußt die Lufttemperatur
die Bodentemperatur. Unterhalb 10 m ist die Bodentemperatur auch unabhängig
von den Jahreszeiten. Die Erde hat einen mittleren geothermalen Gradienten
von ca. 25°C/km.
Im oberen Erdmantel und in der unteren Erdkruste befinden sich in verschiedenen Tiefen geschmolzene und gasreiche Gesteinsmassen, die aus dem Erdinnern aufgestiegen sind. Dieses flüssige Gestein nennt man Magma (griech. = geknetete Masse). Die Stellen, an denen sich das Magma sammelt, nennt man Magmaherde. Diese liegen überwiegend im oberen Erdmantel in 60 bis 100 km Tiefe.
Die Kruste ist durchschnittlich etwa 30 km
dick, der Erdmantel 2870 km und der Kern (innerer und äußerer)
3471 km.
Bei Eruptionen wird Magma ausgestoßen, das über 1000°
C heiß ist.
Die Erdkruste besteht hauptsächlich aus SiO2.
Ein großer Teil der Energie aus dem Erdinneren tritt durch die Verschiebung
der Erdplatten zu Tage. Genaueres finden Sie in : http://hum.amu.edu.pl/~zbzw/glob/glob34e.htm.
Die Erdkruste gliedert sich in verschiedene Platten,
die sich verschieben. Die Plattentektonik
sieht wie in der Abbildung rechts aus.
Nordamerikanische Platte, Südamerikanische Platte, Antarktische
Platte, Eurasische Platte, Afrikanische Platte, Indisch-Australische Platte,
Nazca-Platte, Pazifische Platte.
Auf der Erde gibt es trotz des Alters
von ca. 4.6 Millarden Jahren immer noch unzählige Stellen, wo heißes
Material aus dem Erdinneren und Unmengen verschiedene Gase (>70% H2O,
daneben CO2, SO2) ua. in die Erdatmosphäre
gelangen wie z.B. in Abb. 5 bei einer vulkanischen
Eruption des Mount St. Helens, Washington 1980.
In Abb. 6 sind alle Vulkane der Erde als
helle Punkte eingezeichnet. Die Quellen anderer geothermischer Energie
wurden nicht berücksichtigt.
Vom Weltraum aus sieht das Ökosystem Erde aus:
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71 % der Erdoberfläche ist mit Wasser bedeckt. Deshalb ist die Erde ein Wasserplanet. In den Ozeanen gibt es eine gigantisches Wasserförderband, das warmes Wasser in den Norden des Atlantik und kaltes Wasser in den Pazifik im Süden befördert:
Die Wärmespeicherkapazität dieser Ozeane ist ein wichtiger Faktor, um die Temperatur an der Erdoberfäche relativ konstant zu halten .
Die Wärme, die an der Erde ankommt, ist gemessen
an ihrem Ursprung Sonne relativ gering. Die Sonne gibt eine Leistung von
3.86x1026 W ins All ab. In Höhe der Erdbahn führt
dies im Raum zu einem Strahlungsfluss ( Intensität der Strahlung
= Energie/Zeit/Fläche) von S = 1368 W/m2 d.h. die Erde
wird mit 1,74x1017 W bestrahlt, wovon im Mittel ca. 30% reflektiert
werden (=Albedo Erde =0,3). Damit absorbiert die Erde 1,2 x1017
Watt.
Seit einigen Jahren verwenden Klimatologen die Schuster-Schwarzschildgleichung,
die für heiße Sternenatmosphären entwickelt worden ist,
um die Oberflächentemperatur
der Erde als idealisierter schwarzer Körper (= optimal Strahlung
absorbierende und reflektierende Körper) zu berechnen. Diese Rechnung
liefert ohne Atmosphäre (hypothetisch; nicht per Experiment beweisbar)
einen Wert von -18 °C Strahlungstemperatur
und mit Atmosphäre eine Wert von +15 °C Strahlungstemperatur.
Dieser Wert wird mit der tatsächlich gemessenen Oberflächentemperatur
(resultiert aus Messung der kinetischen Energie) fälschlicherweise
gleichgesetzt und ein fiktiver "Treibhauseffekt" daraus abgeleitet,
der durch die Strahlungsabsorption atmosphärischer Spurengase wie
CO2, Methan, Ozon und FCKW verursacht werden soll.
Diese Spurengase (z.B. CO2 mit 0,037%) beeinflussen das
Wärmegeschehen in der unteren Atmosphäre tatsächlich jedoch
kaum. Die auf der Erde ankommende Wärme und die geothermische Energie
wird hauptsächlich in den Ozeanen
gespeichert. Das globale Wasserförderband verteilt das warme
und kalte Wasser und sorgt z.B. im Golfstrom für ein derzeit mildes
Klima in Europa.
Die Thermodynamik in der Atmosphäre sorgt zusammen mit der Erddrehung,
dem Tag- und Nachtwechsel und dem jahreszeitlich unterschiedlichem Abstand
der Erde zur Sonne zusammen mit deren Zyklen und der kosmischen Strahlung
für ein lokal chaotisches Wetter und laufende Klimavariationen.
Allein an der Sonnenoberfläche haben wir ca. 5500 °C. Diese
Hitze reicht aus, um in 149 600 000 Km auf der Erde zusammen mit der geothermischen
Energie, der Thermodynamik und dem Druckgradient
der Atmosphäre eine Oberflächentemperatur zwischen -89 °C
und +59°C zu erzeugen (gemessen).
In der gängigen Literatur wird meist der Begriff mittlere Erdtemperatur verwendet. Sie liegt bei Mittelung möglichst vieler globaler Werte (2m) statistisch bei +15°C.
Diese 1886 vom schwedischen Naturforscher Svante Arrhenius
(1859-1927) damals geschätzte Zahl ist eigentlich unsinnig,
denn je nach Lokalität findet man auf der Erde immer völlig
unterschiedliche Temperaturen und Schwankungen. Trotzdem wird diese damals
willkürlich genannte Zahl auch heute noch verwendet. Nimmt man z.B.
das arithmetische Mittel der seit Beginn der Messungen maximal festgestellten
Erdtemperaturen liegt man bei: (-89 + 59)/2 = -15°C, was ebenfalls
nicht anwendbar ist.
In Key West, der Südspitze von Florida z.B. waren es
in den letzten 100 Jahren immer im Mittel 25°C mit Schwankungen um
3 Grad je nach Saison.
In Verkhoyansk, im Nordosten Sibiriens findet man mittlere
Temperaturen von -15°C mit Schwankungen um 60°C.
Die Temperaturverteilung (Juli 2001) auf der Erde sah wie folgt aus:
Vergleicht man die Temperaturbereiche mit den Biomen erkennt man, daß entsprechend der Temperaturbereiche eine bestimmte Flora und Fauna vorhanden ist. Es gibt gleiche Bereiche auf der Nord-und Südhalbkugel.
Die Abbildung 10 zeigt die Änderung der mittleren Troposphären-Temperatur der Erde aus Satellitenmessungen (NASA MSU) der letzten 22 Jahre:
( Quelle: http://wwwghcc.msfc.nasa.gov/temperature/ und http://www.microtech.com.au/daly/graytemp/surftemp.htm).
Ergebnis: konstante Schwankungen innerhalb 1 Grad Celsius.
Alle anderen Messungen wie die von Bodenstationen
seit Beginn des 20.Jh. zeigen ebenfalls keinen nennenswerte Änderung
(ca. 0,5° Anstieg)
Die Abb. 11 zeigt z.B. die gemessene Oberflächentemperatur
gemessen seit 131 Jahre in Irland (Quelle: http://www.microtech.com.au/daly/graytemp/surftemp.htm).
Ergebnis: konstante Schwankungen um 1-2 Grad.
In Abb. 12
sind die Oberflächentemperaturen der Sargassosee im Atlantik
(mit einer Zeitauflösung von 50 Jahren) bis 1975 zu sehen. Sie wurden
durch den Vergleich radioaktiver Isotope bei im Sediment am Meeresgrund
abgelagerten Organismenresten bestimmt. (Kegwin, L.
D. (1996) Science 274, 1504-1508)
Die Temperatur variert dabei innerhalb 3,6 C° , war im Mittelalter
1-2 Grad höher, was zum Beispiel Weinanbau in Grönland ermöglichte
und steigt seit ca. 300 Jahre leicht an.
Schon im letzten Jahrhundert sah man den Zusammenhang der Temperaturen auf der Erde mit deren Atmosphäre.
Die Zusammensetzung der Erdatmosphäre und der Atmosphären benachbarter Himmelskörper kann man der nachfolgenden Tabelle entnehmen:
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Zusammensetzung der Atmosphären in %,
Oberflächentemperaturen und Drücke |
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Venus
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Mond
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Erde
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Mars
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CO2: 96%
N2: ca. 3 % Spuren von: SO2, H2O, CO, Argon, Helium, Neon, H2 und HF |
keine
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N2: 78%
O2: 21% Spuren von: Argon, Neon, CO2 (0,034%) feuchte Luft: H2O max. 4% |
CO2: 95.32%
N2: 2.7% Argon (Ar): 1.6% Spuren von: O2, H2O und Ne |
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Druck: 92 bar
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-
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Druck: 1 bar
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Druck: 9 Millibar
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Temperaturen:
+ 486°C |
Temperaturen:
-233°C - + 123°C |
Temperaturen:
-140°C - +20°C |
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Die Wirkung der Atmosphäre auf die Oberflächentemperatur eines Himmelskörpers nennen einige Wissenschftler: Treibhauseffekt. Andere Quellen definieren diesen allein im Zusammenhang mit der Wirkung von Spurengasen. Wie man aus der Tabelle entnehmen kann, hängt er von der Zusammensetzung und Dichte der Atmosphäre ab.
Bei den Temperaturen der Erde und des Mars ist Wasser flüssig und deshalb ist Leben möglich.
Dabei wird von einigen atmosphärischen Gasen ( hauptsächlich Wasser, auch als Aerosol und Eis) und durch Wetter-Einflüsse solare und von der Erde reflektierte Strahlung (Infrarotstrahlung) absorbiert.
Die Energie wird durch Wärmeströmung (meist vertikal) und Wärmeleitung (auch horizontal) weitergegeben. Wenig Strahlung wird reflektiert. Durch Kondensation von Wasserwird die absorbierte Wärme in der Atmosphäre wieder frei.
Die wärmeabsorbierenden Gase nennt man Treibhausgase, obwohl der Vergleich mit einem Treibhaus im Wesentlichen physikalisch falsch ist. Ein Treibhaus ist gekennzeichnet durch eine Glashülle und eine erhöhte CO2-Konzentration innen. Die Erwärmung im Inneren tritt nach einiger Zeit durch die Erwärmung der umhüllten Luft und das Fehlen von Wind (Wärmeströmung) ein. Glas hat dagegen eine hohe Wärmedurchlässigkeit. In der Atmosphäre haben wir aber in goßem Umfang Wärmeströmung und Wärmeleitung.
Die durch die Wärmeabsorption des Wassers, dessen Kondensation und die Strahlungsabsorption und Emission an Erde und Atmosphäre entstehende Wärme heizt zusammen mit der geothermischen und biologischen Energie die untere Atmosphäre auf.
Neben der Aufwärmung durch die Wärmestrahlung der Sonne und den Luftdruck gibt es noch andere Faktoren, die die Temperatur der Erde deutlich beeinflussen wie z.B. der Sonnenwind, bzw. diekosmische Strahlung.
Abb. 17 zeigt den Vergleich
mit der Temperaturentwicklung im 20. Jahrhundert: Der vielfach erwähnte
Temperaturanstieg um 0,5°C korrespondiert exakt mit den gemessenen
Sonnenaktivitäten.
(http://solar-center.stanford.edu/sun-on-earth/varsun.html
)
Die Ursachen des "atmosphärischen Treibhauseffekts" werden in der Wissenschaft und den Medien kontrovers diskutiert. Die allgemein gängige Version und realistische Abhandlungen dazu findet man in den nachfolgenden Quellen:
Die etablierte Klimaforschung der
letzten 25 Jahre postulierte einen direkten Zusammenhang der Temperaturentwicklung
aufgrund der Entwicklung des CO2-Gehaltes der Atmosphäre.
Daraus wurde eine vom Menschen verursachte Temperaturänderung durch
anthropogene Treibhausgase abgleitet und durch hauptsächlich schätzungsbasierte
Computersimulationen ein Global-Change-Szenario konstruiert,
das bis heute durch Akzeptanz der Politik weitreichende Folgen für
das Leben der Menschen hat. Schlagworte dieses Szenarios sind:
Klimakatastrophe, Global Warming, anthropogener Treibhauseffekt, CO2,
Methan als Klimakiller, Klimaschutz. Siehe dazu mehr
hier.
(Bemerkung: Klima = Wetter/Zeit laut
WMO 30Jahre)
Die von einem Teil der internationalen Wissenschaft angeführten Ursachen der aktuellen Klimaveränderung durch den Menschen sind jedoch wissenschaftlich fragwürdig und meist spekulativ. Sie beruhen im Wesentlichen auf einem unverstandenen Kohlenstoff-Kreislauf und der Mißachtung grundlegender physikalischer Gesetze. Die daraus abgeleiteten spekulativen Konsequenzen wurden in Computersimulationen verarbeitet, die folglich wiederum Spekulationen lieferten. Deshalb ist das so begründete Global-Change-Szenario eine Irrlehre oder wie die Amerikaner sagen: junk science! (Begründungen siehe Quellen oben und hier)
Realistische Ursachen des Klimas und Erdtemperatur:
Faßt man alle derzeit bekannten Fakten (u.a. Geologie, Astronomie) zusammen wird klar, daß die Klimaverhältnisse auf der Erde wesentlich durch die Eigenschaften des Wassers bedingt werden!
- ca. 71% der Erde sind mit Wasser bedeckt, max. 4% sind in der Atmosphäre
- andere Planeten wie Venus und Mars besitzten kein Wasser in dieser Größenordnung
- Wasser speichert Wärme und z.B. CO2
- Wind und Wetter verteilen die Wärme, Wolken kühlen die Erdoberfläche
- Für die Wärme in Erdnähe sind auch wesentlich der Dichtegradient der Atmosphäre und Wolken verantwortlich.
- die Erde ist geologisch sehr unterschiedlich strukturiert und präsentiert sich der Sonne im Weltraum verschieden, deshalb ergeben sich unterschiedliche Klimazonen
- Energie und Materie verändert sich dauernd, also ändert sich das Klima mit der geologischen Zeit
Bemerkungen zum sog. "anthropogene Treibhauseffekt" siehe hier.
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Schichtung der Atmosphäre |
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