Physik in unserer Zeit

Cover image for Vol. 48 Issue 1

Editor: Thomas Bührke and Roland Wengenmayr

Online ISSN: 1521-3943

Associated Title(s): Biologie in unserer Zeit, Chemie in unserer Zeit

Klima, Atmosphäre und Umwelt

ISS007-E-10807Foto: This view of Earth's horizon as the sunsets over the Pacific Ocean was taken by an Expedition 7 crewmember onboard the International Space Station (ISS). Anvil tops of thunderclouds are also visible (Quelle: Earth Science and Remote Sensing Unit, NASA Johnson Space Center)


Klima, Atmosphäre und Umwelt beschreiben allgegenwärtige, teils brisante Forschungsthemen der heutigen Zeit. Verändert sich unser Klima, wie kann man das messen, was für Auswirkungen hat dies ggf. auf unsere Umwelt? Es geht um Wolken, um Aerosole und deren chemische Prozesse in der Atmosphäre, u.a. durch Wechselwirkung mit Spurengasen. Dies kann z.B. mit Hilfe von Fernerkundung analysiert werden. Aber auch höhere Atmosphärenschichten - über der Troposphäre die Mesosphäre - müssen in ihren Eigenschaften verstanden werden. Und letztlich kann auch das Weltraumwetter Einfluss auf das Klima haben. Der Klimawandel ist auch in der aktuellen Politik zu finden, man denke an die im amerikanischen Präsidentschaftswahlkampf von Donald Trump geäusserte Verneinung des anthropogenen Klimawandels. Umso wichtiger sind handfeste wissenschaftliche Studien und Aussagen.

Neben all ihren negativen Schlagzeilen zeigt uns die Atmosphäre aber auch - gewissermassen als Kontrapunkt - eindrucksvoll ihre ästhetischen Seiten, sei es z.B. durch Regenbögen, Halos oder Glorien.

Physik in unserer Zeit hat sich bereits seit Jahren intensiv mit dem Themenkreis befasst und immer wieder Fachleute zu diversen relevanten Themen zu Wort kommen lassen.

Wir freuen uns, Ihnen - anlässlich der DPG Lehrerfortbildung "Klima, Atmosphäre und Umwelt" vom 18.-22. Juli 2016 in Bad Honnef - eine kleine Zusammenstellung von Beiträgen zu dieser Thematik zur Verfügung zu stellen. Der Zugang zu den Artikeln ist kostenfrei.

  • Klimamodelle und Globale Erwärmung: Zum fünften Bericht des Weltklimarats IPCC
    Jochem Marotzke
    Die vom Menschen verursachte globale Erwärmung ist in ihrer physikalischen Grundlage sehr gut verstanden und robust nachgewiesen. Ihre quantitative Abschätzung weist allerdings noch immer erhebliche Unsicherheiten von bis zu 50 % auf. Die von Menschen freigesetzten Treibhausgase verändern den Strahlungshaushalt der Atmosphäre und erhöhen den Energieinhalt des Klimasystems. Klimamodelle basieren in ihrem Kern auf physikalischen Grundgesetzen. Entscheidend für ihre Entwicklung ist eine möglichst gute Kenntnis der Rückkopplungen im Klimasystem. Heutige Modelle können die beobachtete langfristige, global gemittelte Erwärmung sehr gut wiedergeben. Die in den letzten 15 Jahren beobachtete Abschwächung der Erwärmung an der Erdoberfläche wirft zwar faszinierende Fragen zur natürlichen Klimavariabilität auf. Sie ist jedoch weitgehend irrelevant für den langfristigen anthropogenen Klimawandel.
    Physik in unserer Zeit, 45, No. 3, 118-125, 2014

  • Kryosphäre im Wandel: Polarforschung mit Radarsatelliten
    Manfred Gottwald, Dana Floricioiu
    Die Untersuchung der Kryosphäre mit abbildenden Radarsatelliten hat der Wissenschaft neue Methoden und Verfahren in die Hand gegeben. Sie erlauben Einblicke in die Vorgänge der Polargebiete, die früher nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich waren. Vor allem die Fähigkeit, unabhängig vom Wettergeschehen und Tageslicht auch die entlegensten und unwirtlichsten Orte zu erforschen, hat unseren Blick auf die Eisschilde und das Meereis verändert. Im Zusammenspiel mit der Vor-Ort-Erkundung in Polarstationen, dem Einsatz von Instrumenten auf Flugzeugen, Schiffen und Ballons, aber auch anderen satellitengetragenen Sensoren helfen die Radarmissionen, die sich verändernde Arktis und Antarktis in einer Zeit des globalen Klimawandels besser zu verstehen.
    Physik in unserer Zeit, 47, No. 2, 66-74, 2016

  • Das Ionosphärenwetter: Störungen in der Ionosphäre verschlechtern GPS-Navigation
    Norbert Jakowski, Jens Berdermann, Mainul Hoque
    Struktur und Dynamik der Ionosphäre reagieren in enger Wechselwirkung mit der Magnetosphäre und der Thermosphäre sensibel auf Veränderungen der elektromagnetischen und korpuskularen Strahlung der Sonne. Das Ionosphärenwetter ist somit integraler Bestandteil des Weltraumwetters mit besonderer Wirkung auf die Ausbreitung terrestrischer und transionosphärischer Funksignale. Das sich ständig verändernde Ionosphärenwetter soll deshalb in einem am DLR Neustrelitz eingerichteten Ionospheric Monitoring and Prediction Center permanent beobachtet, erforscht und vorhergesagt werden.
    Physik in unserer Zeit, 47, No. 1, 12-19, 2016

  • Tambora: das Jahr ohne Sommer: Vulkanausbruch vor 200 Jahren als Klimaexperiment
    Renate Auchmann, Stefan Brönnimann, Florian Arfeuille
    Die aussergewöhnlichen klimatischen Bedingungen des "Jahres ohne Sommer" 1816 werden grösstenteils dem Ausbruch des indonesischen Vulkans Tambora im Jahr 1815 zugeschrieben. In Mitteleuropa und Nordamerika zählt dieser Sommer zu den kältesten und regenreichsten seit Beginn der Wetterbeobachtungen. Sozioökonomische Auswirkungen wie Ernteausfälle und Hungersnöte waren die Folge. Der weitreichende Klimaeffekt durch Vulkane entsteht vor allem durch Schwefelsäureaerosole. Diese bilden sich nach explosiven Vulkanausbrüchen in der Stratosphäre. Liegen diese Vulkane wie der Tambora in den Tropen, dann können ihre Aerosole einige Jahre in der Stratosphäre verbleiben und sich über den gesamten Globus ausbreiten.
    Physik in unserer Zeit, 46, No. 2, 64-69, 2015

    Ergänzung: Vom SO2 zum Aerosol in der Stratosphäre
    Renate Auchmann, Stefan Brönnimann, Florian Arfeuille

  • Geoengineering ist keine Lösung: Der globale Wasserkreislauf im Klimasystem
    Axel Kleidon, Maik Renner
    Der globale Wasserkreislauf transportiert gewaltige Mengen an Energie durch Verdunstung und anschliessende Kondensation von der Erdoberfläche in die Atmosphäre. Er baut mit diesem latenten Energiefluss den planetaren Antrieb ab, in dem Sonnenlicht die Erdoberfläche erwärmt und Abstrahlung ins Weltall die Atmosphäre kühlt. Eine Betrachtung der globalen Energiebilanz zusammen mit der thermodynamischen Grenze von Luftbewegung als Wärmekraftmaschine liefert eine einfache Abschätzung, die das Verhalten von weitaus komplexeren Klimamodellen erstaunlich gut wiedergibt. Dabei zeigt sich, dass der Wasserkreislauf stärker auf eine Erwärmung durch Solarstrahlung reagiert als auf Änderungen des Treibhauseffekts. Die Konsequenz: Geoengineering kann eine globale Klimaerwärmung mitsamt ihren Folgen für den Wasserkreislauf nicht einfach rückgängig machen, indem es die Solarstrahlung verringert.
    Physik in unserer Zeit, 46, No. 1, 27-31, 2015

    Ergänzung: Ein einfaches quantitatives Modell des globalen Wasserkreislaufs
    Axel Kleidon, Maik Renner

  • Globale Temperaturvariabilität der letzten 2000 Jahre: Erstmalige Rekonstruktion von Klimadaten
    Heinz Wanner, Martin Grosjean
    Neue 2000-jährige Temperaturrekonstruktionen für sieben Landregionen der Erde zeigen einen deutlichen Wechsel zwischen einem wärmeren ersten und einem kühleren zweiten Jahrtausend. Die Abkühlung der Kleinen Eiszeit erfolgte auf den Südkontinenten mit Verzögerung. Sie dürfte massgeblich durch Serien von grossen Vulkaneruptionen und durch fast gleichzeitig aufgetretene Einbrüche bei der solaren Leuchtstärke beeinflusst worden sein. Die hohen Temperaturmittel des 20. und 21. Jahrhunderts sind mit grosser Wahrscheinlichkeit während der letzten 1400 Jahre global nicht erreicht worden. Die Erwärmungsphase im 20. und 21. Jahrhundert ist in erster Linie das Resultat des anthropogenen Treibhauseffektes.
    Physik in unserer Zeit, 45, No. 4, 176-180, 2014

  • Die Wetter-Zeitmaschine: Neue Verfahren zur Wetterrekonstruktion
    Stefan Brönnimann, Olivia Martius, Silke Dierer
    Historische Wetterbeobachtungen vor 1950 liegen als reine Bodendaten der Wetterstationen vor. Neue numerische Verfahren erlauben trotzdem eine globale, dreidimensionale Wetterrekonstruktion viel weiter zurück in die Vergangenheit. Dies gelingt durch die Kombination von Messungen des Luftdrucks, dessen Verteilung am Boden ein Abbild der dreidimensionalen atmosphärischen Zirkulation liefert, mit einem numerischen Wettervorhersagemodell. Mit diesen Daten kann man beispielsweise Sturmschäden besser untersuchen und Veränderungen in den Sturmhäufigkeiten bestimmen.
    Physik in unserer Zeit, 45, No. 2, 84-89, 2014

  • Wie die Meeresspiegel steigen: Ozeanographische Beobachtungen mit Jason
    Jörg Asmus
    Die Meereshöhen auf nahezu der gesamten Erdoberfläche können nur ozeanographische Satelliten wie Jason hoch präzise erfassen. Diese Daten geben genaue Informationen über die lokalen Veränderungen der Meeresspiegel und Meeresströmungen. Sie sind zum einen für die maritime Meteorologie wichtig, etwa für die Routenberatung von Schiffen. Zum anderen zeigen sie, wo und wie stark der vom Menschen verursachte Klimawandel die lokalen Meeresspiegel anwachsen lässt. Global steigt der Meeresspiegel derzeit im Mittel um 3,18 mm pro Jahr. In einigen Gebieten im Pazifik sind es sogar 10 mm pro Jahr. Inselstaaten, deren Einwohner auf flachen Atollen leben, müssen auf die Folgen des Klimawandels reagieren.
    Physik in unserer Zeit, 44, No. 6, 280-284, 2013

  • Luftverkehr und Klima. Atmosphärenforschung
    Ulrich Schumann
    Der globale Luftverkehr hat zum bisherigen Klimawandel nicht nur durch Ausstoss von Kohlendioxid, sondern auch durch Zusatzeffekte aus Stickoxiden, Kondensstreifen und Veränderungen der Bewölkung beigetragen. An der Gesamtheit der von Menschen verursachten Klimaänderung ist der Luftverkehr bisher mit etwa 3 % (2 bis 8 %) beteiligt. Der Anteil der Zusatzeffekte hängt vom Wachstum des Flugverkehrs und der betrachten Zeitspanne in der Zukunft ab und kann nicht mit einem konstanten Faktor bewertet werden. Bei raschem Verkehrswachstum sind die Zusatzeffekte gross, bei langsamerem Wachstum und über lange Zeiträume dominiert das ausgestossene Kohlendioxid die Klimawirkung des Luftverkehrs.
    Physik in unserer Zeit, 39, No. 3, 143-149, 2008

  • SCIAMACHY - Neue Ansichten der Erdatmosphäre: Atmosphären- und Klimaforschung aus dem All
    Manfred Gottwald,Heinrich Bovensmann
    Das Atmosphäreninstrument SCIAMACHY auf ENVISAT ermöglicht einzigartige Untersuchungen unserer Erdatmosphäre. Erstmals können weltweit die Luftschadstoffe und Ozonvorläufersubstanzen Stickstoffdioxid, Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Formaldehyd und Glyoxal global mit einer räumlichen Auflösung vermessen werden, die Aussagen über die Luftqualität einzelner Grossstädte und Ballungszentren sowie die Verifikation von Emissionskatastern erlaubt. Auch wichtige Treibhausgase wie Methan und Kohlenstoffdioxid werden erstmals erfasst. Zudem sind viele bedeutende Atmosphärenparameter von der Erdoberfläche bis in die Mesosphäre zugänglich. Dazu zählt insbesondere Ozon zusammen mit global bestimmbaren dreidimensionalen Verteilungen wichtiger ozonzerstörender Substanzen wie etwa Stick- und Halogenoxiden.
    Physik in unserer Zeit, 38, No. 2, 64-71, 2007

  • Farbige Ringe um Mond und Sonne: Koronen
    Les Cowley, Philip Laven, Michael Vollmer
    Koronen sind farbige Ringsysteme um Sonne oder Mond. Sie entstehen in der Atmosphäre durch Beugung des Lichts an Wassertropfen in Wolken oder anderen kleinen Teilchen. Wichtig ist dabei, dass die Wolken optisch dünn sind. Dann streut das Licht auf seinem Weg von der Lichtquelle ins Auge des Beobachters nur an einem einzigen Tropfen. Ausserdem sollten die streuenden Teilchen eine möglichst enge Grössenverteilung haben. Erst dann wird die Korona in voller Ausprägung mit zentraler Aureole und mehreren farbigen Ringen sichtbar. Ihre grundlegenden physikalischen Eigenschaften lassen sich durch Beugung an einer einfachen Kreisblende verstehen. Genaue Resultate liefert die Mie-Theorie. Koronen können mit Computersimulationen und einfachen Experimenten gut im Unterricht behandelt werden. Aus den Abmessungen einer Korona lässt sich die Tröpfchengrösse ermitteln.
    Physik in unserer Zeit, 36, No. 6, 266-273, 2005

  • Aerosole und das Klimasystem: Atmosphärenforschung
    Johann Feichter
    Aerosolpartikel beeinflussen Wetter und Klima. Sie streuen das Sonnenlicht zurück in den Weltraum oder absorbieren es und bewirken damit eine Abkühlung der Erdoberfläche. Man vermutet daher, dass die anthropogen produzierten Aerosole den anthropogen verursachten Treibhauseffekt mildern. Aerosole fungieren auch als Kondensationskerne für Wassertröpfchen und Eiskristalle, womit sie die physikalischen und optischen Eigenschaften von Wolken sowie die Verteilung der Niederschläge beeinflussen. Um die Verteilung des Aerosols realistisch simulieren und mit dem Klimasystem zu koppeln, müssen die Massenverteilung, die chemische Zusammensetzung und die Grössenverteilung der Teilchen bekannt sein.
    Physik in unserer Zeit, 34, No. 2, 72-79, 2003

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