Die Einflüsse menschlicher Tätigkeiten auf die globale Umwelt haben in den letzten Jahrzehnten immer stärker zugenommen. Diese Einflüsse drohen die natürlichen Prozesse aus dem Gleichgewicht zu bringen. Um jedoch Umwelteffekte menschlicher Tätigkeiten nachweisen zu können, ist es notwendig, die natürlichen Veränderungen in der globalen Umwelt zu kennen.
«Global Change» - als «Erde im Wandel» übersetzt » ist das grösste laufende internationale Umweltforschungsprogramm. Es wird geleitet vom International Council of Scientific Unions (ICSU), der wichtigsten unabhängigen internationalen Wissenschafterorganisation. Es besteht aus drei Teilen:
Die Zielsetzung dieser mehrjährigen Forschungsprogramme istäusserst ehrgeizig, nämlich «die physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse besser zu verstehen, welche das ganze Erdsystem regulieren und die es ermöglicht haben, dass auf unserem Planeten Leben entstehen und sich entwickeln konnte, sowie die Veränderungen zu untersuchen, die in diesem Erdsystem ablaufen, speziell jene, die durch menschliche Aktivitäten verursacht sind».
Um diesen Zielvorgaben auch nur annähernd nachzukommen, ist es notwendig, die natürlichen Wechselbeziehungen zwischen Erde (Lithosphäre), Luft (Atmosphäre), Wasser (Hydrosphäre), Tieren und Pflanzen (Biosphäre) in globalem Massstab zu verstehen und auf mögliche Einflüsse durch menschliche Aktivitäten hin zu untersuchen. Die beteiligten Prozesse sind naturgemäss zahlreich und spielen sich in sehr ausgedehnten zeitlichen und räumlichen Massstäben ab, wie dies auf Abbildung 1 dargestellt ist.
Weil es sich bei vielen Umweltprozessen um Vorgänge handelt, die sich laufend verändern und sich gegenseitig beeinflussen, sind die gebräuchlichsten mathematischen Methoden der Natur- und Sozialwissenschaften (lineare Algebra) für mengenmässige Betrachtungen oft nicht hinreichend. Man spricht in solchen Fällen von der Analyse «komplexer Systeme», ein Gebiet der Mathematik, welches in den letzten Jahren eine rasche Entwicklung durchgemacht hat. Durch die Entwicklungen der Katastrophen- und Chaostheorie ist es möglich geworden, das in der Natur oft beobachtete Schwanken um bestimmte dynamische Gleichgewichtszustände und das gelegentliche Springen zu anderen dynamischen Gleichgewichtszuständen quantitativ zu erfassen.
Ein relativ einfaches und alltägliches Beispiel eines nichtlinearen Prozesses findet sich in den vorherrschendenökonomischen und biologischen Wachstumserscheinungen. So nimmt zum Beispiel in der Bank oder in der Wirtschaft angelegtes Geld nicht jährlich um einen fixen Betrag zu, sondern um einen Prozentsatz (den Zins), der, falls er jährlich zur Anlage zugeschlagen wird, zu einem exponentiellen Wachstum der Investition führt. Das gleiche gilt für das Bevölkerungswachstum oder die beobachtete Zunahme des Weltenergieverbrauchs. Auch mit relativ bescheidenen jährlichen Wachstumsraten ergibt sich für viele dieser Prozesse eine Verdoppelung in wenigen Generationen.
Tabelle 1: Jährliche Wachstumsraten und Verdoppelungszeiten
| Wachstum (in % pro Jahr) |
Verdoppelung des Gesamt-Betrags (in Jahren) |
|---|---|
| 0,1 | 700 |
| 0,5 | 140 |
| 1,0 | 70 |
| 2,0 | 35 |
| 4,0 | 18 |
| 8,0 | 9 |
Für Kapitalanlagen ist dies ein höchst erfreuliches Ergebnis, für Umweltgüter, deren Gesamtverfügbarkeit begrenzt ist, stellt dies jedoch kurzfristig ein Dilemma und langfristig eine Bedrohung dar. So hat nach neusten Erhebungen des World Energy Councils der Ausstoss des Treibhausgases Kohlendioxid durch die Verbrennung von Erdöl, Erdgas und Kohle zwischen 1990 und 1995 global um 12 Prozent zugenommen, was einer Verdoppelungszeit von 30 Jahren entspricht. Dabei ist der Ausstoss in der Schweiz gesamthaft nicht mehr gewachsen, in den GUS-Staaten Osteuropas ist er um 30 Prozent gefallen, aber in den Ländern des Mittleren und Fernen Ostens um 30 bis 35 Prozent gestiegen, was einer Verdoppelungszeit von 10 bis 15 Jahren entspricht. Diese Unterschiede bereiten auch die grössten Schwierigkeiten in den gegenwärtigen internationalen Verhandlungen zur Umsetzung der Bestimmungen der internationalen Klimakonvention, in der sich die Signatarstaaten (unter ihnen die Schweiz) nach der Rio-Konferenz 1992 verpflichtet haben, bis zum Jahre 2000 den Kohlendioxidausstoss auf dem Niveau von 1990 zu stabilisieren.
Um abschätzen zu können, wie weit menschliche Tätigkeiten zu einer tatsächlichen Veränderung der Umweltbedingungen beitragen, muss bekannt sein, wie stark und wie schnell sich die Umweltbedingungen auf natürliche Weise verändern können. Die besten Abschätzungen können erzielt werden durch das Studium von vergangenen Umweltveränderungen in «Umweltarchiven». Zu den informativsten Archiven gehören geologische Sedimentablagerungen in Meeren, Seen und Torfmooren, wo umweltabhängige Pflanzen- und Tierreste erhalten geblieben sind, sowie Eisablagerungen in Gletschern, in denen Luftblasen und Luftverunreinigungen mit abgelagert wurden. Die Umweltarchive in Sedimentablagerungen enthalten Informationen, die sehr weit in die Vergangenheit zurückreichen (bis mehrere hundert Millionen Jahre), aber meist eine geringe zeitliche Auflösung (Tausende von Jahren) aufweisen. Eisbohrkerne aus Gletschern, vor allem jene aus Grö nland und der Antarktis, sind zwar zeitlich auf die letzten 200 000 Jahre beschränkt, die Ablagerungen erlauben es jedoch, Veränderungen zu rekonstruieren, welche innerhalb von wenigen Jahren stattfanden.
Unsere Kenntnisseüber Schwankungsbreite und Geschwindigkeit von längst vergangenen Umweltveränderungen nehmen mit der laufenden Verbesserung der analytischen Methoden von Jahr zu Jahr zu. So ist es aufgrund von neueren Forschungsresultaten möglich geworden, Vergleiche zwischen den durch den Menschen (anthropogen) in den vergangenen 50 Jahren verursachten Umweltveränderungen und den höchsten natürlichen Veränderungsraten aus geologischen Klimaarchiven zu erstellen.
Tabelle 2: Durch menschliche (anthropogene) Einflüsse verursachte Veränderungen klimatischer Prozesse im Vergleich mit den aus verschiedenen Klimaarchiven rekonstruierten maximalen natürlichen Veränderungraten, je pro 50 Jahre (nach Thierstein, 1990).
| Parameter | Veränderung pro 50 Jahre | Datenquelle |
|---|---|---|
| Temperatur- anthropogen: | +0.3°C | Instrumentenmessungen 1885-1985, global gemittelt |
| +2.5°C | Modellerwartungen für die nächsten 50 Jahre | |
| -natürlich: | +7°C | Dye-Eisbohrkern, Grönland |
| -2.5°C/+1°C | Höhenlage der Gleichgewichtslinie vonGletschern in norwegischen Fjorden | |
| Jahresniederschläge:- natürlich: | +19 mm | Pollenanalysen aus Torfmoor inVogesen |
| Meeresspiegel:-anthropogen: | +12 cm | Gezeitenmessungen seit ca. 1880, global gemittelt |
| -natürlich: | +80 cm | Korallenterrassen |
| Produktivität:-anthropogen: | +50 g C m-2 | Sedimentkerne in Ostsee |
| natürlich: | -3 g C m-2 | Sedimentkern vor NW-Afrika |
| pCO2:-anthropogen: | +40 ppm | Luftanalysen auf Hawaii seit 1958 und in Eiskernen |
| -natürlich: | +0.8 ppm | Vostok Eiskern aus Antarktis |
Rekonstruktionen von Veränderungen aus solchen Archiven sind bisher versucht worden für Temperaturen (Jahresmittel, wärmste und kü hlste Monate), für Niederschläge (Jahresdurchschnitt), für lokale und globale Meeresspiegelschwankungen, für die Produktivität in Meeresgebieten und für atmosphärische Kohlendioxidkonzentrationen.
Aus den seit dem letzten Jahrhundert gemessenen Jahresmitteltemperaturen lässt sich eine durchschnittliche globale Erwärmung von etwa 0,6 °C bestimmen. Diese Erwärmung könnte anthropogen verursacht sein durch die Zunahme des atmosphärischen Kohlendioxidgehalts von 280 ppm auf 360 ppm heute. Gegenwärtige Schätzungen der in den nächsten 50 Jahren bei gleichbleibenden Wachstumsraten im Energieverbrauch zu erwartenden globalen Erwärmung liegen zwischen 1,5 °C und 2,5 °C, was etwa eine Verdreifachung der bisherigen Erwärmungsrate bedeuten würde.
In einer ganzen Anzahl von Archiven ist es gelungen, vergangene regionale Temperaturveränderungen mit einer Zeitauflösung von einigen hundert bis einigen tausend Jahren zu rekonstruieren. Die schnellste Erwärmung ist in einem Eiskern von Grönland dokumentiert, wo relativ hohe Niederschlagsraten zu rascher Eisakkumulation geführt haben und daher auch eine hohe relative zeitliche Auflösung möglich ist. Die Veränderung der Sauerstoffisotopen-Verhältnisse im Eis am Ende der jüngeren Dryaszeit, einer kurzen Kaltphase im Übergang der letzten Eiszeit zur heutigen Nacheiszeit (vor etwa 10 400 Jahren), sind dort als lokale Erwärmung von 7 °C innerhalb von 50 Jahren interpretiert worden.
Globale Klimamodelle, die auf Rekonstruktionen der eiszeitlichen Erdoberflächeneigenschaften basieren, zeigen eine um etwa 5°C geringere globale Durchschnittstemperatur für die letzte Eiszeit vor etwa 18 000 Jahren an. Vergleichbare Simulationen für nochältere Warmzeiten deuten auf bis zu 7°C wärmere planetare Durchschnittstemperaturen hin.
Zunahme oder Abnahme der Jahresniederschlägeü ber Zeiträume von Jahrzehnten sind mit den verfügbaren Messdaten für dieses Jahrhundert nichtüberzeugend nachweisbar. Die globale Überwachung der Luftfeuchtigkeit mit Satelliten ist zwar heute möglich, aber die Beobachtungsperiode war bisher noch zu kurz, um längerfristige Trends feststellen zu können.
Mit Hilfe von Pollenuntersuchungen und Radiocarbondatierungen einer Torfablagerung in den Vogesen ist eine Verdoppelung der durchschnittlichen Jahresniederschläge von 280 mm auf 600 mm zwischen 14 000 und 12 000 rekonstruiert worden.
Die aus jahrzehntelangen präzisen Gezeitenmessungen rekonstruierten lokalen Meeresspiegelschwankungen sind im Bereich von wenigen Zentimetern und zeigen relativ grosse Unterschiede untereinander, die durch regionale geologische Prozesse (tektonische Vertikalbewegungen) verursacht werden. Ein gemeinsames globales Signal fü r dieses Jahrhundert muss daher unter Berücksichtigung der lokalen tektonischen Gegebenheiten rekonstruiert werden. Die beste gegenwärtig verfügbare Schä tzung des durchschnittlichen globalen Meeresspiegelanstiegs beträgt 2,4 ± 0,9 mm/Jahr. Davon wird etwa die Hälfte auf die durch die bisherige Erwärmung der Oberflächenwässer verursachte Ausdehnung (Dichteverringerung) des Meerwassers und die andere Hälfte auf das bisherige Abschmelzen von Gletschern zurückgeführt.
Mit geochemischen Untersuchungen von fossilen Flachwasserkorallen in tropischen und subtropischen Gebieten ist die Geschichte des durch das Abschmelzen der kontinentalen Eisschilde verursachten spä tglazialen Meeresspiegelanstiegs recht präzise rekonstruiert worden. Die zuverlässigsten Daten stammen von Barbados und zeigen eine Erhöhung des Meeresspiegels von -98 m (relativ zum heutigen Meerespiegel) vor 12 500 Jahren auf -18 m vor 7500 Jahren an, was einer durchschnittlichen globalen Meeresspiegelanstiegsrate von 1,6 cm/Jahr entspricht.
Aus diesem Vergleich muss geschlossen werden, dass der globale Meeresspiegel stark klimaabhängig ist und sich in den letzten Jahrtausenden auf natürliche Weise 6» bis 7mal schneller verändert hat, als in diesem Jahrhundert instrumentell gemessen worden ist. Diese scheinbare Diskrepanz kann verursacht sein durch die relativ grosse Wärmekapazität der heutigen Eisschilde, die zuerst auf 0 °C erwärmt werden müssen, bis sie schmelzen. Der Vergleich zeigt auch deutlich, dass der globale Meeresspiegel sich beim Überschreiten gewisser klimatischer Schwellenwerte viel rascher, als in diesem Jahrhundert gemessen, verändern kann.
Die Eutrophierung (Überdüngung) der Gewässer durch menschliche Einflüsse ist wegen ihrer unangenehmen bis gefährlichen Auswirkungen relativ gut untersucht worden. Messungen von Primärproduktionsraten und Vergleiche mit der Ablagerung von organischem Material am Meeresboden zeigen, dass sich zum Beispiel in der Ostsee die Primärproduktionsrate seit 1900 von 90 auf 175 Gramm Kohlenstoff pro Quadratmeter und Jahr erhöht hat, was einer Verdoppelung in 100 Jahren entspricht. In einigen eutrophen schweizerischen Vorlandseen hat sich die Primärproduktionsrate durch Überdüngung in den letzten 100 Jahren mehr als verzehnfacht.
Die grössten natü rlichen, aus marinen Ablagerungen rekonstruierten Veränderungen der Primärproduktion stammen von Kernen vor Nordwestafrika, wo der dokumentierte Rückgang von 150 Gramm Kohlenstoff pro Quadratmeter und Jahr vor 9000 Jahren auf 90 Gramm Kohlenstoff pro Quadratmeter und Jahr vor 8000 Jahren zurü ckging und damit fast 20mal langsamer verlaufen ist als die heutigen anthropogenen Zunahmen.
Die mit erhöhter Primärproduktion verbundene effektivere Sedimentation von kohlenstoffhaltigen Partikeln trägt in einer positiven Weise zu einer Verminderung der atmosphärischen Kohlendioxidgehalte bei. Sie wird aber durch andere Begleiterscheinungen, wie verminderte biologische Diversität, Massenblüten und Massensterben, sowie negative Veränderungen der Wasserchemie relativiert.
Der instrumentell seit 1958 auf Hawaii gemessene Anstieg der atmosphärischen Kohlendioxidgehalte ist mit Messungen aus Luftblasen in jahreszeitlich geschichteten Eiskernen der antarktischen Siple Station bis 1750 zurück ergänzt worden und zeigt einen Anstieg von 280 ppm Kohlendioxid damals auf gegenwärtig 360 ppm Kohlendioxid (1 ppm = 1 Anteil pro Million Gesamtmenge). Dieser Anstieg entspricht etwa der Hälfte des Kohlendioxids, das durch das Verbrennen der bekannten Gesamtmenge von Kohle, Erdöl und Erdgas in den letzten 150 Jahren entstanden sein muss. Die andere Hälfte ist vermutlich von den Pflanzen und den Meeren absorbiert worden. Je nach der jährlichen Wachstumsrate des Weltverbrauchs von fossilen Brennstoffen wird mit einer Verdoppelung des Kohlendioxidgehaltes der Atmosphäre bis zum Jahr 2055 (bei gleichbleibendem Wachstum) oder erst nach dem Jahr 2100 (bei drastischen Reduktionsmassnahmen auf der ganzen Welt) gerechnet.
Vostok Eiskern (Antarktis)
Abb. 2: Schwankungen des Deuteriumgehaltes des Eises (interpretiert als lokale Temperaturschwankung, siehe rechte Skala oben) und in Luftblasen gemessene Kohlendioxidgehalte der Vostok-Eiskernbohrung. Das älteste Eis bei 2000 m Tiefe stammt aus der vorletzten (Riss-)Eiszeit und ist über 130 000 Jahre alt), jenes von 1800 m Tiefe aus der letzten Zwischeneiszeit (Eem), jenes von 300 m Tiefe aus der letzten Eiszeit (etwa 20 000 Jahre alt), und die obersten 150 m sind aus der jetzigen Zwischeneiszeit (Holozän). Die Luftblasen zeigen Kohlendioxidgehalte zwischen 280 ppm in den Zwischeneiszeiten und 200 ppm in den Eiszeiten. Als Vergleich ist der Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxidgehalts durch menschliches Verbrennen von Kohle, Erdö
l und Erdgas von 280 ppm um 1880 auf 360 ppm heute durch einen Pfeil angegeben.
Die Geschwindigkeit natürlicher Kohlendioxidschwankungen kann abgeschätzt werden durch Untersuchungen des antarktischen Vostok-Eiskerns. Dieser reicht bis 160 000 Jahre vor heute zurü ck (Abbildung 2) und zeigt den schnellsten Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxidgehaltes von 200 ppm vor 16 300 Jahren auf 252 ppm vor 12 900 Jahren an. Dieser Anstieg entspricht einer Zunahme von 0,8 ppm Kohlendioxid pro 50 Jahre und war damit 50mal langsamer als der durch menschliche Tätigkeit verursachte Anstieg der letzten 100 Jahre.
Die Resultate der Untersuchungen des Vostok-Eiskerns haben auch einen eindeutigen empirischen Nachweis erbracht, dass sich die Konzentrationen von Treibhausgasen in der Atmosphäre parallel zum globalen Klima verändert haben und in den Eiszeiten um bis 30 Prozent geringer gewesen sind als heute (Abbildung 2). Dieser Zusammenhang legt die Befürchtung nahe, dass die gegenwärtige Zunahme der Treibhausgasgehalte durch das Verbrennen von fossilen Energierohstoffen auch zu einer globalen Temperaturzunahme führen könnte. Erschwerend» und zusätzlich beunruhigend» ist dabei, dass die Erde in den letzten 160 000 Jahren nie einen so hohen atmosphärischen Kohlendioxidgehalt erlebt hat wie heute und damit auch in den Archiven nichts Vergleichbares aus der jü ngeren Erdvergangenheit gefunden werden kann.
Das Bild, das sich aus Untersuchungen von Umweltveränderungen in der Vergangenheit ergibt, ist sicher dominiert von der Tatsache, dass die irdische Biosphäre in den vergangenen 4000 Millionen Jahren sich entwickelt undüberlebt hat. Nicht zuü bersehen sind jedoch auch die sich häufenden Anzeichen und Daten, welche zeigen, dass die Umwelt und die Lebewesen starken und zum Teil rasch abgelaufenen Veränderungen ausgesetzt gewesen sind. Vieles, was uns aus der kurzzeitigen Perspektiveüberlieferter menschlicher Erfahrung als gleichbleibend und stabil erscheint, hat sich in der Vergangenheit gelegentlich auch durch natürliche Prozesse in schneller und dramatischer Weise verändert. Des Menschen Einflussnahme auf die globale Umwelt droht jedoch die grössten vergangenen Ereignisse um ein Mehrfaches zuü bertreffen. Um diese Einflussnahme zu verringern, scheint es dringend notwendig, von den exponentiellen zu linearen Wachstumsratenüberzugehen und diese dann graduell zu verringern. Diese Anpassungen scheinen global notwendig zu sein und treffen für die Bevölkerungsentwicklung, ebenso wie für den Energieverbrauch, die Luftverschmutzung, die Abfallberge und das Artensterben zu. Sie stellen wohl die schwierigste und wichtigste technologische,ö konomische und soziale Herausforderung für unsere und die nachfolgenden Generationen dar. Jede zumutbare Anstrengung, diese Anpassungen einzuleiten und umzusetzen, ist deshalb zu unterstützen.
Literatur
Cohen, J., und Stewart, I., 1994: Chaos » Antichaos. Byblos Verlag, Berlin, 608 S.
Glogger, B., 1992: Die Schweiz im Treibhaus. Verlag NZZ. 168 S.
Kafka, P., 1989: Das Grundgesetz vom Aufstieg. Hanser Verlag, Mü nchen. 168 S.
Meadows, D., Meadows, D., und Randers, J., 1992: Die neuen Grenzen des Wachstums. Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart, 319 S.
Ruh, H., 1995: Störfall Mensch: Wege aus der ökologischen Krise. Kaiser Taschenbücher 141, 159 S.
Thierstein, H. R., 1990: Raten und Amplituden natürlicher und anthropogener Umweltveränderungen. In: Wissenschaft in Sorge um die Umwelt (ETH Zürich, Forum für Umweltfragen). Birkhäuser Verlag, Basel, S. 5»35.
Dr. Hans R. Thierstein (thierstein@erdw.ethz.ch) ist ordentlicher Professor fü r Mikropaläontologie am Geologischen Institut der ETH und der Universität Zürich.
unipressedienst» Pressestelle der Universität Zürich
Felix Mäder (fmaeder@zuv.unizh.ch)
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Last update: 3.10.1996