Inhaltsverzeichnis

1  EINFÜHRUNG  7

2  KLIMATOLOGIE  8

2.1  Klimatologische Grundlagen  8

2.1.1  Der Strahlungshaushalt der Erde  10

Lambert  ʼsches Gesetz  11

   2.1.1.1

Planck  ʼsches Gesetz  12

   2.1.1.2

Wien  ʼsches Verschiebungsgesetz  14

   2.1.1.3

Stefan  - Boltzmannʼsches Gesetz  14

   2.1.1.4

2.1.1.5  Globalstrahlung  15

2.1.1.6  Albedo  18

2.1.1.7  Strahlungsbilanz  19

2.1.2  Der Treibhauseffekt  20

2.1.3  Klimageschichte  23

2.2  Das Klima im Saarland  26

2.2.1  Lufttemperatur und Niederschlag im Jahresmittel  26

2.2.2  Der Jahresgang der Klimaelemente  29

2.2.2.1  Winter  29

2.2.2.2  Frühjahr  29

2.2.2.3  Sommer  30

2.2.2.4  Herbst  30

3  KLIMAMODELLE  31

3.1  Das Regionale Klimamodell WETTREGG  32

3.1.1.1  Temperatur  37

3.1.1.2  Niederschlag  41

3.1.1.2.1  NIEDERSCHLAG IM SOMMER  41

3.1.1.2.2  NIEDERSCHLAG IM WINTER  45

3.1.1.3  Kenntage  49

3.1.2  Szenariovergleich  50

3.1.2.1  Temperatur  50

3.1.2.2  Niederschlag  52

3.2  Das Regionale Klimamodell REMO  53

3.2.1  Ausgewählte Ergebnisse  53

3.2.1.1  Temperatur  53

3.2.1.2  Niederschlag  55

3.2.1.2.1  NIEDERSCHLAGSSUMMEN  55

3.2.1.2.2  PROZENTUALE VERÄNDERUNGEN  60

3.2.2  Szenariovergleich  66

3.2.2.1  Temperatur  66

3.2.2.2  Niederschlag  66

3.3  Zusammenfassung  67

4  FORSTWIRTSCHAFT  68

4.1  Forstwirtschaft im Saarland  68

4.2  Waldzustandserhebung  70

4.3  Untersuchung einzelner Baumarten  72

4.3.1  Die Buche  72

4.3.1.1  Natürliche Verbreitung  72

4.3.1.2  Klimahüllen  73

4.3.2  Die Fichte  77

4.3.2.1  Natürliche Verbreitung  77

4.3.2.2  Klimahüllen  78

4.3.3  Die Eiche  81

4.3.3.1  Natürliche Verbreitung  81

4.3.3.2  Klimahüllen  82

4.3.4  Die Kiefer  84

4.3.4.1  Natürliche Verbreitung  84

4.3.4.2  Klimahüllen  85

4.4  Zusammenfassung  87

5  AUSWIRKUNGEN DES KLIMAWANDELS AUF DIE FORSTWIRTSCHAFT  89

5.1  Wasserbilanz  89

5.2  Entwicklung von Schädlingen  91

5.3  Untersuchung einzelner Baumarten  92

5.3.1  Die Buche  92

5.3.2  Die Fichte  95

5.3.3  Die Eiche  97

5.3.4  Die Kiefer  99

5.3.5  Alternative Baumarten  101

5.3.5.1  Die Douglasie  101

5.3.5.2  Die Kastanie  103

5.4  Zusammenfassung  104

6  DISKUSSION  105

7  FAZIT  109

8  LITERATURVERZEICHNIS  111

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Der Aufbau der Atmosphäre (Leser, 2005, S.57) .............................................................. 8 Abbildung 2: Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung (Strahler & Strahler, 2002, S. 57). ..... 11 Abbildung 3:Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen (Strahler & Strahler, 2002, S. 60) ......................... 12 Abbildung 4: Spektralverteilung der nach dem Planckschen Gesetz emittierten Strahlung (Häckel, 2005,

S. 168) .................................................................................................................................... 13 Abbildung 5: Strahlungsabsorption wichtiger atmosphärischer Gase und der gesamten Atmosphäre

(Häckel, 2005, S. 185) ............................................................................................................. 15 Abbildung 6: Streuung, Reflexion und Absorption (Strahler & Strahler, 2002, S. 63) ............................ 17 Abbildung 7: Meridionalprofil der kurzwelligen Einstrahlung (Weischet, 2002, S. 76) ........................... 18 Abbildung 8: Schema der Strahlungsbilanz für das System Erde plus Atmosphäre (Weischet, 2002, S.

102) ........................................................................................................................................ 19 Abbildung 9: Die Entwicklung der Konzentration wichtiger Treibhausgase in der Atmosphäre über die

Abbildung 10: Die räumliche Verteilung der Jahresdurchschnittslu fttemperatur im Saarland in der

Periode 1961 bis 1990 (nach Deutscher Wetterdienst). ............................................................ 27 Abbildung 11: Die räumliche Verteilung des Jahresniederschlages im Saarland in der Periode 1961 bis

1990 (nach Deutscher Wetterdienst) ........................................................................................ 28 Abbildung 12: SRES-Szenarios (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007, S. 44) .... 35

Abbildung 13: Tagesmitteltemperatur über den Zeitraum 1961 - 1990 (ECHAM5 - Kontrolllauf)

Abbildung 14: Tagesmitteltemperatur: Differenz zwischen dem Zeitraum 2071 - 2100 und dem Zeitraum

Abbildung 15: Tagesmitteltemperatur: Differenz zwischen dem Zeitraum 2071 - 2100 und dem Zeitraum

Abbildung 16: Niederschlag im Sommer, über den Zeitraum 1961 - 1990 (ECHAM5 - Kontrolllauf)

Abbildung 17: Niederschlag im Sommer; prozentuale Änderung zwischen dem Zeitraum 2071 - 2100

Abbildung 18: Niederschlag im Sommer; prozentuale Änderung zwischen dem Zeitraum 2071 - 2100

Abbildung 19: Niederschlag im Winter, über den Zeitraum 1961 - 1990 (ECHAM5 - Kontrolllauf)

Abbildung 20: Niederschlag im Winter; prozentuale Änderung zwischen dem Zeitraum 2071 - 2100 und

Abbildung 21: Niederschlag im Winter; prozentuale Änderung zwische n dem Zeitraum 2071 - 2100 und

Abbildung 22: Ringdiagramme für die WETTREGG-Simulationen der Tagesmitteltemperatur als

Differenz 2091-2100 minus 1981-1990 (Spekat et al., 2007, S. 30) ........................................... 50 Abbildung 23: Ringdiagramme für die WETTREGG-Simulationen der Niederschläge als Differenz 2091-

2100 minus 1981-1990 (Spekat et al., 2007, S. 31) .................................................................. 52 Abbildung 24: Änderung des Jahresmittels der 2m Temperatur für die Z ukunftsperiode 2071-2100

Abbildung 25: Mittlere saisonale Niederschlagssummen für den Kontr olllauf 1961-1990 a) Frühjahr, b)

Sommer, c) Herbst, d) Winter (Jacob et al., 2008, S. 117) ........................................................ 56 Abbildung 26: Mittlere saisonale Niederschlagssummen für die Zukunftsperiode 2071 -2100 für das

Szenario A1B a) Frühjahr, b) Sommer, c) Herbst, d) Winter (Jacob et al., 2008, S. 119) ........... 57 Abbildung 27: Mittlere saisonale Niederschlagssummen für die Zukunftsperiode 2071 -2100 für das

Szenario B1 a) Frühjahr, b) Sommer, c) Herbst, d) Winter (Jacob et al., 2008, S. 121) .............. 58 Abbildung 28: Mittlere saisonale Niederschlagssummen für die Zukunftsperiode 2071 -2100 für das

Szenario A2 a) Frühjahr, b) Sommer, c) Herbst, d) Winter (Jacob et al., 2008, S. 123) .............. 59 Abbildung 29: Mittlere relative Jahresniederschlagsänderung für die Zukunftsperiode von 2071 -2100

Abbildung 30: Mittlere relative Jahresniederschlagsänderung im Frühjahr für die Zukunftsperiode von

Abbildung 31: Mittlere relative Jahresniederschlagsänderung im Sommer für die Zukunftsperiode von

Abbildung 32: Mittlere relative Jahresniederschlagsänderung im Herbst für die Zukunftsperiode von

Abbildung 33: Mittlere relative Jahresniederschlagsänderung im Winter für die Zukunftsperiode von

Abbildung 34: Baumartenverteilung im Saarland (nach Saarforst, 2007) ............................................. 68 Abbildung 35: Die Waldflächen im Saarland im Jahr 20 00 .................................................................. 69 Abbildung 36: Natürliche Verbreitung der Buchenwälder in Europa, (Bohn, 2007, S.393) .................... 72 Abbildung 37: Klimahülle der Buche im Vergleich zum Szenario B1 im Jahr 2100 Deutschland,

(unveröffentlicht Saarforst, nach Kölling, 2007) ........................................................................ 75 Abbildung 38: Klimahülle der Buche im Vergleich zum Szenario B1 im Jahr 2100 Saarland,

(unveröffentlicht Saarforst, nach Kölling, 2007) ........................................................................ 75 Abbildung 39: Karte der natürlichen Vegetation Europas, Picea abies, (nach Bohn et al., 2003) .......... 77 Abbildung 40: Klimahülle der Fichte im Vergleich zum Szenario B1 im Jahr 2100 Deutschland,

(unveröffentlicht Saarforst, nach Kölling, 2007) ........................................................................ 80

Abbildung  41: Klimahülle der Fichte im Vergleich zum Szenario B1 im Jahr 2100 Saarland,  

  (unveröffentlicht Saarforst, nach Kölling, 2007)  80

Abbildung  42: Karte der natürlichen Vegetation Europas, Que rcus petraea, (nach Bohn et al., 2003)  81

Abbildung  43: Klimahülle der Eiche im Vergleich zum Szenario B1 im Jahr 2100 Deutschland,  

  (unveröffentlicht Saarforst, nach Kölling, 2007)  83

Abbildung  44: Klimahülle der Eiche im Vergleich zum Szenario B1 im Jahr 2100 Saarland,  

  (unveröffentlicht Saarforst, nach Kölling, 2007)  83

Abbildung  45: Karte der natürlichen Vegetation Europas, Pinus sylvestris, (nach Bohnet al., 2003)  84

Abbildung  46: Klimahülle der Kiefer im Vergleich zum Szenario B1 im Jahr 2100 Deutschland,  

  (unveröffentlicht Saarforst, nach Kölling, 2007)  86

Abbildung  47: Klimahülle der Kiefer im Vergleich zum Szenario B1 im Jahr 2100 Saarland,  

  (unveröffentlicht Saarforst, nach Kölling, 2007)  86

Abbildung  48: Wasserbilanz eines Eichenwaldes in belaubtem und in winterkahlem Zustand, (Schulz,  

2002,  S. 146)  89

Abbildung  49: Potentielle Buchenstandorte im Saarland im Jahr 2000  94

Abbildung  50: Potentielle Buchenstandorte im Saarland im Jahr 2100  94

Abbildung  51: Potentielle Fichtenstandorte im Saa rland im Jahr 2000  96

Abbildung  52: Potentielle Fichtenstandorte im Saarland im Jahr 2100  96

Abbildung  53: Potentielle Eichenstandorte im Saarland im Jahr 2000/2100  98

Abbildung  54: Potentielle Kiefernstandorte im Saarland im Jahr 2000  100

Abbildung  55: Potentielle Kiefernstandorte im Saarland im Jahr 2100  100

Abbildung  56: Klimahülle der Douglasie im Vergleich zum Szenario B1 im Jahr 2100 Saarland,  

  (unveröffentlicht Saarforst, nach Kölling, 2007)  102

Abbildung  57: Klimahülle der Kastanie im Vergleich zum Szenario B1 im Jahr 2100 Saarland,  

  (unveröffentlicht Saarforst, nach Kölling, 2007)  103

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Wetterelemente in den bereitgestellten Klimastationenzeitreihen (nach Spekat et al., 2007) 34 Tabelle 2: Definition der Kenntage (nach Spekat et al., 2007) ............................................................ 49

Tabelle 3: Anzahl der Kenntage für den Kontrolllauf und ihre Veränderung bi s zur Periode 2091 - 2100 für die Szenarios A1B, A2 und B1 (nach Spekat et al., 2007) .................................................... 49 Tabelle 4: Mittelwert der Abweichungen der Tagesmitteltemperatur im Vergleich von Szenario (2071 -

2100) minus Kontrolllauf (1961-1990) (Spekat et al., 2007, S. 33) ............................................ 51 Tabelle 5: Mittelwert der prozentualen Änderung des Niederschlags im Sommer im Vergleich von

Tabelle 6: Mittelwert der Abweichungen der Tagesmitteltemperatur im Vergleich von Szenario (2071 -

2100) minus Kontrolllauf (1961-1990) ...................................................................................... 66 Tabelle 7: Mittelwert der prozentualen Änderung des Niederschlags im Vergleich von Szenario (2071 -

2100) minus Kontrolllauf (1961-1990) für die drei Szenarios ..................................................... 66

Abkürzungsverzeichnis

DWD Deutscher Wetterdienst K Kelvin SRES Special Report on Emissions Scenarios IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change

7 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

1 Einführung

„Der Klimawandel ist die wichtigste globale Herausforderung unserer Zeit“. [Sigmar Gabriel, ehemaliger Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit]

Der Klimawandel stellt ein globales Problem dar. Diese Herausforderung gilt es anzunehmen und nach Lösungen zu suchen, da sich eine Klimaänderung nicht mehr gänzlich abwenden lässt. Dies ist mittlerweile wissenschaftlicher Konsens. Eine Klimaänderung hat Auswirkungen auf alle Lebewesen und kann teilweise als existenzbedrohend angesehen werden. Aus diesem Grund ist es eine der größten Herausforderungen unserer Zeit uns auf den Klimawandel einzustellen und nicht weiter die Augen davor zu verschließen. Als Hauptverursacher gilt vor allem der explosionsartige Anstieg der CO 2 -Konzentration der Atmosphäre. Bis zu 25% der globalen CO 2 Emissionen gehen hierbei auf die Zerstörung von Wäldern zurück. Gleichzeitig sind Wälder jedoch in besonderem Maße vom Klimawandel betroffen. Es besteht das Risiko, dass der Klimawandel zu einem Verlust von in Wäldern gespeichertem Kohlenstoff führt, was den Klimawandel weiter verstärken könnte. Die Forstwirtschaft steht vor dem Problem weitreichende, adäquate Entscheidungen treffen zu müssen um den Fortbestand des funktionierenden Ökosystems Wald sichern zu können. Aus den momentan gültigen Klimamodellen müssen Rückschlüsse über den etwaigen Verlauf des Klimawandels gezogen werden. In einem weiteren Schritt muss überprüft werden welche Baumarten auf welchen Standorten zukunftssichere Aussichten haben. Im Folgenden werden die zu erwartenden Klimaänderungen und ihre Auswi rkungen auf die Forstwirtschaft im Saarland näher untersucht. Hierbei w erden zunächst der Klimawandel und die Voraussetzungen der heutigen Forstwir tschaft getrennt voneinander betrachtet. Im letzten Kapitel werden die daraus resultierenden Erkenntnisse zusammengefügt und mittels Karten graphisch dargestellt. Hierbei soll herausgearbeitet werden, welche Baumarten für das Klima im Saarland im Jahr 2100 gut angepasst sind.

8 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

2 Klimatologie

2.1 Klimatologische Grundlagen

Die Lufthülle der Erde bezeichnet man als Atmosphäre. Sie besteht aus Gasen und verschiedenen gasförmigen Elementen. Die Mengenanteile bleiben auf-grund des ständigen Luftmassenaustauschs relativ konstant. Die Hauptbestandteile sind Stickstoff (77%), Sauerstoff (20,7%), Wasserdampf (1,3%) und A rgon (0,9%). Die restlichen 0,1% bestehen aus Edelgasen, wie zum Beispiel Ozon und Kohlendioxid. In den unteren Schichten können noch feste Schw ebeteilchen wie Aerosole, hinzukommen (Leser, 2005).

Abbildung 1: Der Aufbau der Atmosphäre (Leser, 2005, S.57)

97% davon befinden sich in den untersten 30 Kilometern der Atmosphäre. Dieser Bereich ist dementsprechend besonders wichtig für die

9 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

Klimaerscheinungen auf unserem Planeten. Als äußerste Atmosphärengrenze gilt eine Höhe von 10 000 Kilometern. Wie man Abbildung 1 entnehmen kann, ist die Atmosphäre in mehrere Stockwerke gegliedert. Die unterste Etage bildet die Troposphäre. Sie reicht bis in 14 Kilometern Höhe. Auffallend in der Graphik ist die Temperaturkurve. Durch den geometrischen Temperaturgrad ienten sinkt die Temperatur um etwa 6,4° C pro 1000 Metern Höhenzunahme. So können Temperaturen an der Obergrenze dieser Schicht von bis zu -50 °C zustande kommen. Die Troposphäre ist für das Wettergeschehen auf der Erde von enormer Relevanz. Vor allem die in dieser Schicht enthaltene Menge an Wasserstoff ist von zentraler Bedeutung hinsichtlich Wolkenbildung und den daraus entstehenden Wettererscheinungen. Durch Wasserdampf und Kohlend ioxid wird die von der Erde zurückgestrahlte Wärme absorbiert, was unseren Planeten vor dem Erfrieren schützt. Der daraus resultierende Treibhauseffekt wird in einem späteren Kapitel behandelt. Die nächste Schicht in der Atmosphäre ist die Stratosphäre. Sie ist ebenfalls von enormer Bedeutung. In ihr b efindet sich die Ozonschicht. Sie reicht von etwa 15 Kilometern bis 55 Kilom etern Höhe. Durch die Ozonschicht wird ein großer Teil der UV-Strahlung ab-sorbiert. In voller Intensität wären diese Strahlen schädlich für Menschen und Tiere.

Weiter in der Höhe folgen die Mesosphäre und die Thermosphäre. Von der Stratopause, dem Übergang von Stratosphäre zu Mesosphäre, nimmt die Temperatur bis auf fast 0 °C zu, da die auftreffende Sonnenstrahlung von Ozon ab-sorbiert wird. In der Mesopause, dem Übergang von Mesosphäre zu Therm osphäre, sinkt die Temperatur wieder auf bis zu -80 °C ab, da in dieser Schicht kein Ozon vorhanden ist. In der Thermosphäre nimmt die Temperatur hing e- gen wieder ständig zu. (Leser, 2005)

10 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

2.1.1 Der Strahlungshaushalt der Erde

Leben auf unserem Planeten Erde ist nur durch die von der Sonne ausgehende Strahlung möglich. Alle Systeme, sowohl von klimatischer, als auch biologischer Natur hängen von dieser Energie ab.

Auf der Oberfläche der Sonne herrscht eine durchschnittliche Temperatur von etwa 6000° C. Von hier wird elektromagnetische Strahlung in geraden Ric htungen radial ausgestrahlt (Strahler & Strahler, 2002). Diese Strahlung braucht zur Erde, die im Durchschnitt etwa 150 Millionen K ilometer von der Sonne entfernt ist, 8 ½ Minuten, was der Lichtgeschwindi gkeit von ca. 300 000 km pro Sekunde entspricht. Pro Jahr erhält die Erde von der Sonne 1,5 Billiarden Megawattstunden Sonnenenergie. Dies ist etwa das 28 000 -fache des jährlichen Energieverbrauchs auf der Erde. Die annähernd konstante Strahlungsintensität der Sonne an der Obergrenze der Atmosphäre der Erde wird Solarkonstante genannt. Bei einer mittleren Entfernung der Erde zur Sonne liegt der Wert der Solarkonstante bei 1368 Watt pro Quadratmeter (Lauer & Bendix, 2006). Im Perihel werden sogar Werte von 1420 W/m², im Aphel immerhin noch Werte von 1319 W/m² erreicht. Die Sonnenstrahlen bewegen sich in unterschiedlicher Wellenlänge und Fre- quenz fort.

11 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

Abbildung 2: Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung (Strahler & Strahler, 2002, S. 57).

Abbildung 2 zeigt das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung. Auffallend ist, dass der für das menschliche Auge sichtbare Teil nur einen kleinen Teil des Spektrums ausmacht. Er reicht von 0,3 bis zu 1,0 Mikrometer Welle nlänge. Radiowellen, zum Vergleich, können sogar eine Wellenlänge über 100 Meter erreichen, die Frequenz ist dann jedoch sehr niedrig, wie man in der obersten Zeile der Abbildung erkennen kann.

Es besteht ein einfacher Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und der Energie eines Strahlenpaketes. Man kann festhalten, dass bei kürzer we rdenden Wellenlängen die Strahlung energiereicher wird. UV- Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,1 µm beispielsweise hat 10- Mal mehr Energie als Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 1 µm.

2.1.1.1 Lambertʼsches Gesetz

Für das Eintreffen der Sonnenstrahlen auf der Erdoberfläche gelten bestimmte Gesetzmäßigkeiten. Durch die Stellung der Erde zur Sonne treffen die Sonne nstrahlen in unterschiedlichen Winkeln auf der Erdoberfläche auf. Abbildung 3 zeigt schematisch den Unterschied von senkrecht und schräg ein fallenden Strahlen. Ein Strahlenpaket von 1 m² Fläche beispielsweise, das senkrecht au f

12 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

der Erdoberfläche auftrifft, bestrahlt auch genau 1 m² Erdoberfläche. Das gleiche Strahlenpaket, jetzt aber schräg einfallend, bestrahlt jedoch eine größere Fläche auf der Erde. Da die Energie in beiden Strahlenpaketen gleich groß ist, lässt sich daraus folgern, dass die Strahlungsintensität bei senkrecht einfallenden Strahlen höher sein muss wegen der im Verhältnis kleineren zu bestrahlenden Fläche. Dieser Sachverhalt wird nach seinem Entdecker Lambertʼsches Gesetz genannt. So lässt sich zum Beispiel auch erklären, dass Nordhänge weniger Sonnenenergie empfangen als südexponierte Hänge. Ebenfalls ist durch diesen Sachverhalt festzuhalten, dass die Strahlungsint ensität in den Tropen höher ist als in unseren Breiten. Die Polarregionen erhalten immerhin noch etwa 40% der Strahlungsmenge am Äquator.

Abbildung 3:Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen (Strahler & Strahler, 2002, S. 60)

2.1.1.2 Planckʼsches Gesetz

In der Teilchenphysik betrachtet man Strahlung nicht als eine Welle, sondern als einen Teilchenstrom. Die darin enthaltenen Atome und Moleküle sind in ständiger Bewegung. Durch Kollisionen einzelner Atome miteinander kann es dazu kommen, dass das Elektronengefüge verändert wird. Man spricht dann davon, dass sich Atome in einem angeregten Zustand befinden. Das Anstoßen mit anderen Teilchen kann jedoch auch dazu führen, dass die Moleküle ihre

13 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

Rotations- und Schwingungsbewegungen noch verstärken. In diesem angeregten Zustand, der allerdings nur für eine kurze Zeit von 10 ^-9 Sekunden andauert, gibt das Molekül die aufgenommene Energie in Form eines Strahlungsquants ab. Danach fällt das Molekül in seine Ausgangssituation zurück. Das bedeutet, dass Materie, egal welchen Aggregatzustandes, dazu fähig ist, Strahlung auszusenden (Häckel, 2005).

Daraus folgerte und berechnete schließlich Planck, dass sämtliche Wellenlä ngen des elektromagnetischen Spektrums an der Ausstrahlung eines Körpers b eteiligt sind. Jedoch spielt sich die Hauptabstrahlung in einem kleinen Fenster dieses Spektrums ab. Im Falle der kurzwelligen Sonnenstrahlen liegen die Grenzen dieses Fensters bei 0,2 µm und 3 µm. In Abbildung 4 ist die dafür typische Glockenkurve zu sehen.

Abbildung 4: Spektralverteilung der nach dem Planckschen Gesetz emittierten Strahlung (Häckel, 2005, S. 168)

Dieser Sachverhalt wird in einem späteren Kapitel, welches sich mit der Alb edo beschäftigt, wieder aufgegriffen und seine Bedeutung für das Klima weiter untersucht.

14 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

2.1.1.3 Wienʼsches Verschiebungsgesetz

Der Physiker Wilhelm Wien, 1911 mit dem Nobelpreis für Arbeiten zur Wä rmestrahlung ausgezeichnet, untersuchte den Zusammenhang zwischen der Temperatur einer strahlenden Oberfläche und der Wellenlänge der Strahlen. Tatsächlich konnte er belegen, dass mit steigender Temperatur die Wellenlän- geimmer kleiner wird. Die „Plancksche Glockenkurve“ verschiebt sich de mentsprechend auf der Achse der Wellenlängen. So ist auch der Name, „Wiensches Verschiebungsgesetz“, zu erklären, da die Kurve quasi auf der x-Achse nach rechts oder links verschoben werden kann. Folgendes Beispiel soll zum Verdeutlichen dieses Zusammenhangs dienen:

Man betrachte die Leuchterscheinungen bei erhitztem Eisen. Solange das M etall nur mäßig erwärmt ist, sendet es langwellige Strahlung aus, die wir mit unseren Augen nicht wahrnehmen können. Mit steigender Temperatur verfärbt sich das Eisen dunkelrot bis hin zu einem hellen gelb. Anhand Abbildung 4 kann man erkennen, dass die vom Eisen ausgehende Strahlung immer kleiner werdenden Wellenlängen zuzuordnen ist.

2.1.1.4 Stefan - Boltzmannʼsches Gesetz

Die Physiker Stefan und Boltzmann befassten sich weiter mit diesem Thema. Das nach ihnen benannte Gesetz besagt, dass die ausgestrahlte Gesamtenergie eines Körpers ausschließlich von der Temperatur der ausstrahlenden Oberfl äche abhängt. Umwelteinflüsse haben keine Auswirkung auf das Strahlungsverhalten, es sei denn sie ändern die Temperatur, wodurch sich jedoch auch wi eder das Strahlungsverhalten ändert. Danach ergibt sich für die Ausstrahlung der Erde ein Wert von 390 W/m ² , für die Sonne dagegen ein Wert von 64 200 000 W/m ² .

Hieraus lässt sich zusammenfassen, dass alle Materie auf der Erde zu jeder Zeit Strahlung aussendet, jedoch den Gesetzen zufolge mit unterschiedlicher Intensität und dementsprechend verschiedenen Wellenlängen. Somit lässt sich eine Strahlungsbilanz für die Erde aufstellen.

15 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

2.1.1.5 Globalstrahlung

Die an der Atmosphärengrenze ankommende Strahlung gelangt nicht vollstä ndig bis zur Erdoberfläche. Durch Absorption und Streuung an atmosphärische n Gasen, Aerosolteilchen und Wolken wird die Strahlung abgeschwächt. Dieser Vorgang wird Extinktion genannt. Die Absorption der Strahlung ist an die A b-sorptionsbanden der atmosphärischen Gase gebunden, die Abbildung 5 zu entnehmen sind.

Abbildung 5: Strahlungsabsorption wichtiger atmosphärischer Gase und der gesamten Atmosphäre (Häckel, 2005, S. 185)

Anhand der Abbildung wird ersichtlich, dass gewisse Gase in bestimmten Spektralbereichen Strahlung besonders gut absorbieren, in anderen hingegen weniger gut. Vor allem Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon absorbieren, jeder in einem bestimmten Bereich, besonders stark. So wird kurzwellige Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner 0,3 µm fast vollständig durch das Ozon absorbiert, was uns vor der schädlichen UV- Strahlung schützt. Besonderes Augenmerk liegt auf dem Spektralbereich zwischen 0,4 µm und 0,78 µm, dem Bereich des sichtbaren Lichtes. Die Strahlen in diesem Spektra lfenster treffen relativ ungehindert an der Erdoberfläche auf. Diesen Bereich nennt man atmosphärisches Fenster (Lauer & Bendix, 2006). Im längerwelli- gen Bereich größer 0,78 µm absorbieren Wasserdampf und Kohlendioxid ver-

16 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

mehrt die Strahlung. Für das Klima von entscheidender Bedeutung ist das Fenster im infraroten Bereich bei 11 µm Wellenlänge, das großes IR - Fenster genannt wird. In diesem Bereich kommt es zu starken Ausstrahlungen der E rde. Die mit der Strahlungsabsorption verbundenen Erwärmungseffekte sind für die Strahlungsbilanz von hoher Bedeutung.

Globalstrahlung ist die Strahlungssumme aus der direkten Sonnenstrahlung und der diffusen, also gestreuten, kurzwelligen Strahlung (Leser, 2005). Die auf der Erde auftreffende Strahlung wird also nicht nur von den atmosph ärischen Gasen und von den Aerosolteilchen absorbiert, sondern auch an ihnen reflektiert und gestreut. Unter Streuung versteht man hier den Vorgang, dass die Energie der Strahlung, die auf einen Körper, beispielsweise ein in der Luft schwebendes Aerosolteilchen, trifft, in mehrere Richtungen verteilt wird. So ist zum Beispiel eine beschlagene Fensterscheibe deshalb trüb, weil das auftreffende Licht von den Wassertröpfchen in alle Richtungen verstreut wird. Die verschiedenen Gase und Schwebeteilchen der Atmosphäre besitzen alle für sie eigene Streuungseigenschaften. Zuerst ist in diesem Zusammenhang die Abhängigkeit von der Wellenlänge zu nennen. Wolkentropfen, Dunstteilchen und Aerosole streuen in allen Wellenlängenbereichen gleich stark. Luftmol eküle jedoch lenken die kürzeren Wellenlängen stärker ab. Hierdurch erhält der Himmel seine blaue Farbe. Da die Streuung in alle Richtungen erfolgt, also auch in den Weltraum hinaus, erscheint unser Planet auf Satellitenbildern blau, wodurch die Bezeichnung des „blauen Planeten“ entstand. Ein weiterer Unte rschied liegt im Streuungsverhalten der atmosphärischen Inhalte. Kleinere Luftteilchen streuen in jede Richtung etwa gleich stark aus. Größere Partikel j edoch streuen quasi in Richtung des Lichtstrahles ein Mehrfaches an Energie zurück als in alle anderen Richtungen.

Strahlung wird nicht nur absorbiert oder gestreut, sondern auch reflektiert, es kommt also auch zum Vorgang der Reflexion. Zwischen Streuung und Refle- xion gibt es allerdings einen fließenden Übergang.

17 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

Abbildung 6: Streuung, Reflexion und Absorption (Strahler & Strahler, 2002, S. 63)

Abschließend zu diesem Kapitel sieht man in Abbildung 6 die Verluste der zur Erde gelangenden Sonnenstrahlen. Es wird hier zwischen linker und rechter Bildhälfte unterschieden. Links wird der Zustand bei wolkenfreiem Himmel, rechts bei bewölktem Himmel aufgezeigt. Betrachtet man die Zahlen genauer, fällt auf, dass die Wolken eine große Absorptionswirkung besitzen. Durch Reflexions- und Absorptionsprozesse kann es im Extremfall vorkommen, dass fast keine Sonnenstrahlen mehr an der Erdoberfläche ankommen. Auf der Grundlage der Ergebnisse der vorigen Kapitel kann man ein Meridionalprofil der kurzwelligen Einstrahlung entwickeln. Es zeigt, an we lchem Breitenkreis wie viel Energie im Mittel ankommt. Man sieht, dass die Globalstrahlung in direkte und diffuse Strahlung unterteilt ist. Im Bereich der Wendekreise lassen sich zwei Maxima ausmachen. Dies ist unter anderem auch auf die Wolken- und Wasserdampfarmut in diesen Bereichen zurück zu führen.

18 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

Abbildung 7: Meridionalprofil der kurzwelligen Einstrahlung (Weischet, 2002, S. 76)

2.1.1.6 Albedo

Wie im vorigen Kapitel schon erwähnt, versteht man unter der Albedo das Reflexionsvermögen einer Oberfläche. Wirft eine angestrahlte Oberfläche 10% der ankommenden Strahlung wieder zurück, so hat sie eine Albedo von 10%. Man kann pauschal sagen, dass helle Oberflächen im Bereich des sichtbaren Lichtes eine hohe, dunkle Flächen hingegen eine niedrige Albedo haben. Das Wort Albedo stammt vom lateinischen Wort albus = weiß ab und bedeutet „Grad der Weißheit“.

Neuschnee hat eine sehr hohe Albedo von bis zu 95%, eine Asphaltstraße im Gegensatz dazu nur 5-10%. Eine dunkle Asphaltstraße hat die Neigung, die Strahlen zu absorbieren und sich aufzuheizen, was vor allem im Sommer sehr gut zu beobachten ist. Häckel (2005) gibt für die Erde insgesamt einen Albedowert von 30% an.

Für das planetare Klimasystem von hoher Bedeutung ist der hohe Albedowert bei tiefstehender Sonne. Demzufolge ist die Oberflächenalbedo in den Pola rregionen am größten. Daraus lässt sich folgern und nachweisen, dass wir im Bereich der Tropen die geringsten Albedowerte finden. Dieser Bereich der E rde erhält dem Lambertschen Gesetz zufolge mehr Strahlungsenergie als die Polarregionen, da die Strahlen in einem größeren Winkel auf der Erdoberfläche auftreffen. Dies ist der Ursprung unseres Klimasystems. Durch diese i m- mens großen Energieunterschiede, die hierdurch zwischen Äquator und Polen

19 Christian Gillet: Auswirkungen des Klimawandels auf die Forstwirtschaft im Saarland

entstehen, kommen die bekannten Ausgleichssysteme wie die Ozeanzirkulat ion und das Windsystem erst in Gang. Wie die Zusammensetzung der Atmosphäre und die planetare Albedo in Zusammenhang zu setzen sind und welche Folgen das eventuell für die planetaren Ausgleichssysteme und schließlich auch für unser Klima hat, wird später problematisiert. In diesem Zusammenhang muss auch auf die Rolle der Bewölkung hingewiesen werden, da Wolken mit einer Albedo von bis zu 90% eine große Rolle im Strahlungshaushalt der Erde und somit auch im ganzen Wettergeschehen spielen.

2.1.1.7 Strahlungsbilanz

Abbildung 8: Schema der Strahlungsbilanz für das System Erde plus Atmosphäre (Weischet, 2002, S. 102)

Nach der Behandlung der Teilvorgänge bei der Umsetzung der Strahlung kann man nun eine Bilanz für das gesamte System Erde ziehen. Abbildung 8 zeigt die einzelnen Teilglieder auf.

Von den im Jahresmittel an der Obergrenze der Atmosphäre auftreffenden Sonnenstrahlen erreichen durchschnittlich 25% ungehindert als direkte Sonnenstrahlung die Erdoberfläche. Weitere 23% gelangen als diffus reflektierte Sonnenstrahlung zur Erdoberfläche, sodass im Mittel nur 48% der Sonnen-

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strahlung überhaupt die Erdoberfläche erreichen. Weitere 30% werden in den Weltraum zurückreflektiert, was der planetaren Albedo von 30% entspricht. Es ist festzuhalten, dass die Einnahme der Energie an der Erdoberfläche erfolgt. Die Rückgabe der Energie in den Weltraum geschieht in der Atmosph äre. Das daraus resultierende Energiegefälle zwischen Erdboden und Erdatm osphäre ist der Antrieb des vertikalen Wärmetransports. Es besteht ein Gleichgewicht zwischen aufgenommener und abgegebener Energie, sonst würde sich die Erde stetig erhitzen.

2.1.2 Der Treibhauseffekt

Dass das Klima ständigen Schwankungen unterliegt, ist der Menschheit schon sehr lange bekannt. Einen Zusammenhang zwischen der erdgeschichtlichen Klimaänderung und der Zusammensetzung der Atmosphäre der Erde, im sp eziellen dem CO 2 - Gehalt, haben der schwedische Physochemiker Arrhenius und der amerikanische Geologe Chamberlain gegen Ende des 19. Jahrhunderts als wahrscheinlich angenommen und untersucht. Die damaligen Schätzungen des Zusammenhangs zwischen Temperatur und CO 2 - Gehalt stimmen mit den heutigen Berechnungen größtenteils überein, wie Flohn (1989) anmerkt. Die in der Erdgeschichte schon des Öfteren aufgetretenen abrupten Klimaänderungen traten unter natürlichen Bedingungen auf. Nachdem die Menschen an der Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Erdatmosphäre nachweislich beteiligt sind, bedarf dies besonderer Beachtung. Flohn (1989) sieht die Rolle des Wasserdampfes in diesem Kontext als sehr wichtig und betrachtenswert an.

An dieser Stelle ist der Begriff des Glashaus- oder Treibhauseffektes zu nennen, den der Klimaforscher Charles Keeling durch seine Arbeiten geprägt hat . Die Atmosphäre ist gegenüber der Sonnenstrahlung durchlässig. Demgegenüber ist sie jedoch für die unsichtbare Wärmestrahlung, die von der Erdobe rfläche ausgeht, undurchlässig. Dies ist eine Art Schutzfunktion der Atmosph ä- re, die die Erde vor dem Auskühlen bewahrt. Insgesamt liegt der natürliche

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Treibhauseffekt bei 33°C. Ohne diesen Effekt wäre es auf der Erde -18°C kalt. Leben wäre auf diesem Planeten damit unmöglich (Lauer & Bendix, 2006). Am gesamten Treibhauseffekt ist der Wasserdampf im Mittel mit etwa 65% beteiligt, CO 2 mit 25 bis 30% (Lauer & Bendix, 2006). Erhöht man den Anteil dieser klimawirksamen Gase in der Atmosphäre der Erde, hat dies eine Erh öhung der atmosphärischen Gegenstrahlung zufolge. Dies Wiederum zieht eine Erwärmung der unteren Atmosphärenschicht mit sich. Die Folgen sind verstärkte Verdunstung, eine erhöhte Konvektion und Wolkenbildung, was sich auf die atmosphärische Gegenstrahlung auswirkt und diese erhöht. Da hie rdurch die Albedo in diesem Gebiet erhöht wird, kann dies durch die Verring erung der kurzwelligen Globalstrahlung, auch eine abkühlende Wirkung haben. Auf diese Weise wird die Klimaerwärmung in diesem Gebiet ausgeglichen. Die Variabilitäten bei dieser Art des anthropogenen Treibhauseffektes sind sehr hoch. So werden Klimaänderungen von - 0,5 K bis zu einer Erhöhung um + 4K für möglich gehalten (Lauer & Bendix, 2006). Dass diese Modelle sehr schwanken, hängt vor allem an dem komplizierten Klimasystem auf der Erde. Selbst wenn der Ausstoß von CO 2 unverzüglich stark gedrosselt würde, ginge die Erwärmung noch jahrhundertelang weiter. Dies ist durch Trägheit des Klimasystems bestimmt. So würde es Jahrhunderte dauern, bis die ozeanische Zirkulation die Wärme bis in die Tiefsee verfrachtet hat und sich dadurch ein neues Gleichgewicht einstellt. Auch die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Ozeane stehen einer Veränderung gegenüber. Man vermutet, dass der Meeresspiegel bis zum Ende des Jahrhu nderts um etwa dreißig bis vierzig Zentimeter steigt. Über sechzig Prozent d avon rechnet man der thermischen Ausdehnung des Meerwassers an. Schmelzen die Eisschilde auf Grönland und in der Antarktis, wofür es neuerdings Anze ichen gibt, könnte sich der Meeresspiegel um weitere zehn bis zwanzig Zent imeter erhöhen. Ein höherer CO 2 - Gehalt der Atmosphäre wirkt sich schließlich auf den Chemismus der Ozeane aus. Bei vermehrter Aufnahme von Kohlend ioxid durch die Meere besteht die Gefahr einer Versauerung der Weltmeere (Collins, 2007).

Dadurch, dass bis etwa zum 40. Breitengrad nördlicher und südlich er Richtung ein Energieüberschuss besteht, haben sich gewaltige Ausgleichssysteme ent-