Boden im Klimasystem

Aus Klimawandel
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Wichtige Beziehungen zwischen Boden und Klima
Die Pedosphäre bzw. die Böden bilden die Grenzfläche zwischen der Atmosphäre und der Biosphäre auf der einen und der Lithosphäre (Erdkruste und äußerste Schicht des Erdmantels) auf der anderen Seite. Böden sind eine Grundlage der terrestrischen Pflanzen und beeinflussen somit indirekt das Klima, von dem wiederum die Verwitterungsformen und somit die Art der Böden bestimmt wird. Auch für den Kohlenstoff-Kreislauf sind die Böden von großer Bedeutung. Sie speichern mehr als doppelt so viel Kohlenstoff wie die oberirdische Pflanzendecke, stehen allerdings nicht in so unmittelbarer Wechselwirkung mit der Atmosphäre wie diese. Veränderungen von Bodeneigenschaften, z.B. das Auftauen von Permafrostböden, können allerdings durch Freisetzung von Kohlendioxid und Methan auch in verhältnismäßig kurzer Zeit zu erheblichen Änderungen im Gasaustausch mit der Atmosphäre führen. Von dem Vorhandensein und der Art der Böden ist direkt oder indirekt, über die Pflanzendecke, auch die Albedo des Festlandes abhängig. Der Boden ist zudem ein wichtiger Wasserspeicher und lenkt das aufgenommene Wasser ins Grundwasser, in Oberflächengewässer oder in Pflanzen um.

1 Temperatur und Strahlung

Boden und Atmosphäre tauschen wechselseitig Energie aus. Der Boden wird über die Atmosphäre durch die Sonneneinstrahlung erwärmt, die zunächst die obere Schicht des Bodens erreichen, von wo aus die Erwärmung der darunter liegenden Schichten erfolgt. Wie viel von der Sonnenstrahlung aufgenommen bzw. absorbiert und nach unten weitergegeben wird, hängt einerseits von der Beschaffenheit der Bodenoberfläche, andererseits von der des tieferen Bodens ab. Je heller die Erdoberfläche ist, desto mehr Einstrahlung wird wieder reflektiert, d.h. desto höher ist die Albedo bzw. das Rückstrahlungsvermögen. Eine Oberfläche aus frisch gefallenem Schnee reflektiert 75-95 % der Einstrahlung, trockener Sandboden 35-45 % und Schwarzerde nur 5-15 % der Solarstrahlung.[1]

Tages- (links) und Jahresgang (rechts) der Temperatur in verschiedenen Bodentiefen
Die Erwärmung der Bodenoberfläche folgt dem Tages- und Jahresgang, mit einem Maximum um die Mittagszeit und in den Sommermonaten. Die Weitergabe in die Tiefe ist abhängig von der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des Bodens. Die Wärmeleitfähigkeit wird vor allem durch die schlecht leitende Luft im Boden bestimmt: Je weniger Luft sich in den Bodenporen befindet, desto besser ist die Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmekapazität ist primär vom Wassergehalt des Bodens abhängig, denn die Wärmekapazität von Wasser ist deutlich höher als die von Luft, mineralischen und organischen Bestandteilen. Feuchte Böden erwärmen sich zwar langsamer als trockene, können die Wärme aber besser speichern und kühlen entsprechend langsamer aus. Entsprechend sind die Tages- und Jahresmaxima im tieferen Boden nur mehr oder weniger stark verzögert feststellbar.

Der Energieaustausch vom Boden zur Atmosphäre geschieht über die Abgabe von Strahlungsenergie und latenter Wärme.[2] Ein warmer Boden gibt über langwellige Wärmestrahlung Energie an die Atmosphäre ab, dunkle Böden mehr, helle Böden weniger, da sie weniger Strahlung absorbiert haben. Die Abgabe latenter Wärme geschieht über die Verdunstung von Wasser im Boden. Für die Umwandlung von Wasser in Wasserdampf wird dem umgebenden Boden und der Luft im und über dem Boden Energie entzogen, die im Wasserdampf ‚verborgen’ (latent) in die Atmosphäre gelangt und dort bei Kondensation wieder frei wird. Ist der Boden relativ trocken, kann weniger latente Wärme an die Atmosphäre abgegeben werden. Durch die geringere Verdunstung werden der Boden und die Atmosphäre unmittelbar darüber stärker aufgeheizt. Das stößt eine positive Rückkopplung an. Da weniger Wasserdampf in die Atmosphäre gelangt, kann dort auch weniger Kondensation stattfinden und damit weniger Wolkenbildung. Bei geringerer Bewölkung verstärkt sich aber die Einstrahlung, wodurch der Boden noch wärmer und trockener wird usw.

2 Wasserkreislauf

Wasserkreislauf und Boden
Das Bodenwasser spielt nicht nur eine wichtige Rolle beim Energieaustausch mit der Atmosphäre, sondern ist auch selbst Bestandteil eines Atmosphäre und Boden umfassenden Kreislaufs. Der Boden erhält sein Wasser direkt oder indirekt über Zuflüsse aus den Niederschlägen der Atmosphäre. Der Wasserkreislauf zwischen Boden und Atmosphäre ist jedoch nicht geschlossen. Die Atmosphäre erhält 35 % des Niederschlags, der über dem Land fällt, aus verdunstetem Ozeanwasser, das über Luftströmungen herantransportiert wird. Und der Boden gibt nur einen Teil des Niederschlagswassers durch Verdunstung wieder an die Atmosphäre zurück. Dieser Anteil ist in feuchten Klimazonen geringer als in trockenen Klimaten, wo er sogar 100 % erreichen kann.

Ein Teil der Niederschläge, die nicht verdunsten, fließt oberflächlich direkt in Flüsse und Seen. Ein anderer versickert im Boden und hält sich mehr oder weniger lange darin als Bodenwasser auf. Je nach Bodenart verbleibt davon ein mehr oder weniger großer Anteil als Haftwasser im Boden selbst, entweder in feinen Bodenporen oder an den Oberflächen fester Bodenpartikel. Dieses Wasser steht den Wurzeln der Pflanzen zur Verfügung und wird teilweise über die oberirdischen Bestandteile der Pflanze wieder an die Atmosphäre verdunstet (Transpiration). Das nicht im Boden verbleibende oder verdunstende Niederschlagswasser sickert durch den Boden hindurch in das Grundwasser. Von hier gelangt es teilweise wie der Oberflächenabfluss in Flüsse und Seen, von wo - zumindest in mittleren und höheren Breiten - der größere Anteil direkt ins Meer fließt und der Rest in die Atmosphäre verdunstet.

3 Stoffkreisläufe

Die wichtigste Beziehung zwischen Boden und Klimasystem besteht in dem Austausch von Treibhausgasen, vor allem von Kohlendioxid. Aber auch Lachgas (N2O) und in besonderen Fällen Methan (CH4) spielen eine Rolle. Nach dem Ozean, der mit 38 000 Gt C[3] mit Abstand das größte Kohlenstoffreservoir darstellt, ist der Boden der größte Kohlenstoff-Speicher des Klimasystems. In ihm sind 1500 Gt C gespeichert, in der Vegetation dagegen nur 600 und in der Atmosphäre 720 Gt C.[4]

Der Boden als Speicher und Emittent von Treibhausgasen
Die Vegetation ist die Brücke, über die Kohlendioxid aus der Atmosphäre in den Boden gelangt. Durch Photosynthese verwandeln grüne Pflanzen Kohlendioxid aus der Atmosphäre in organische Verbindungen und bauen damit Biomasse auf. Etwa die Hälfte des aufgenommenen Kohlendioxids wird durch die Atmung der Pflanze unmittelbar an die Atmosphäre wieder abgegeben. Ein Großteil der Biomasse fällt aber als Streu (Laub, heruntergefallene Zweige etc.) auf den Boden und wird durch Bodenorganismen zersetzt. Dabei wird der zuvor in der Pflanze gespeicherte Kohlenstoff bis auf einen geringen Teil, der als Humus längerfristig gespeichert bleibt, wieder frei und gelangt als Kohlendioxid in die Bodenluft. Eine weitere Quelle für den Kohlendioxidgehalt der Bodenluft ist die Atmung der Pflanzenwurzeln.

Vor allem durch die Aktivität der Bodenorganismen ist der CO2-Partialdruck im Boden höher als in der Atmosphäre. Dadurch gibt der Boden ständig Kohlendioxid an die Atmosphäre ab. Im Mittel stehen die Aufnahme von CO2 durch den Boden aus der Atmosphäre über die Vegetation und die Abgabe an die Atmosphäre über den höheren CO2-Partialdruck in einem ausgeglichenen Verhältnis. Regional kann es jedoch große Unterschiede geben, die auch durch die Nutzung des Bodens durch den Menschen stark beeinflusst sind. So sind Moorböden in Deutschland durch die gegenwärtige Nutzung eine bedeutende CO2-Quelle, aus der knapp 8 Millionen t CO2-Äquivalente (neben Kohlendioxid auch Methan) pro Jahr freigesetzt werden. Das entspricht 2,8 % der gesamten Treibhausgasemissionen Deutschlands.[5] Dagegen zeigen Waldböden in Deutschland einen ausgeglichenen CO2-Austausch mit der Atmosphäre. Und bei einer Umwandlung von Ackerland in Wald kann der Boden über einen längeren Zeitraum mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen, als er abgibt.

Neben Kohlendioxid sind auch Lachgas (N2O) und in besonderen Fällen Methan (CH4) wichtige Treibhausgase im Boden. Der Boden gibt sie ebenfalls an die Atmosphäre ab, nimmt sie aber nicht wie Kohlendioxid von ihr auf. Methan ist nach Kohlendioxid das zweitwichtigste Treibhausgas, das durch menschliche Aktivitäten emittiert wird. Es entsteht bei der Zersetzung von organischem Material unter Luftabschluss, d.h. anaerob. Im Boden kommt das vor allem in Sümpfen, Mooren und Reisfeldern vor, die daher eine wichtige Methanquelle für die Atmosphäre sind. Wenn Sümpfe dauerhaft gefrieren, wird Methan über längere Zeiten im Boden eingeschlossen, was bei den Permafrostböden der hohen Breiten der Fall ist.

Lachgas entsteht aus anderen Stickstoffverbindungen einerseits auf natürlichem Wege, andererseits durch die landwirtschaftliche Düngung. Von Natur aus werden verschiedene Stickstoffverbindungen aus der Atmosphäre entweder durch Niederschlag deponiert oder durch Bakterien direkt aus der Luft fixiert. Eine mengenmäßig sehr bedeutsame Quelle ist die Anwendung von organischem Dünger (Gülle und Mist) und anorganischen Kunstdüngern. Über verschiedene Umwandlungsprozesse im Boden entsteht das Treibhausgas N2O, das dann in die Atmosphäre gelangt.

4 Einzelnachweise

  1. Brigitte Klose (2008): Meteorologie. Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre, Heidelberg, S. 174
  2. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Box 7.1
  3. Gt = Gigatonnen = Milliarden t; 1 t C entspricht 3,67 t CO2
  4. David Powlson (2005): Will soil amplify climate change?, Nature 433, 204-205
  5. UBA-Workshop Böden im Klimawandel - Was tun?!, S. 105 ff.


5 Lizenzhinweis

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