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| 2. 1 Abhängigkeit der Organismen von Umweltfaktoren | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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2.1.1 Einführung
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:
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:
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:
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:
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.
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. Die Erdkruste gliedert sich in verschiedene Platten,
die sich verschieben. Die Plattentektonik
sieht wie in der Abbildung rechts aus.
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.
Vom Weltraum aus sieht das Ökosystem Erde aus:
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. 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.
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. 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) 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) 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:
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. 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: 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!
Bemerkungen zum sog. "anthropogene Treibhauseffekt" siehe hier. |
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