Quelltext der Seite Boden im Klimasystem

[[File:Boden klima.jpg|thumb|400px|Wichtige Beziehungen zwischen Boden und Klima]] Die Pedosphäre bzw. die Böden bilden die Grenzfläche zwischen der [[Aufbau_der_Atmosphäre|Atmosphäre]] und der [[Biosphäre_im_Klimasystem|Biosphäre]] auf der einen und der Lithosphäre (Erdkruste und äußerste Schicht des Erdmantels) auf der anderen Seite. Böden sind eine Grundlage der [[Terrestrisch|terrestrischen]] Pflanzen und beeinflussen somit indirekt das Klima, von dem wiederum die Verwitterungsformen und somit die Art der Böden bestimmt wird. Auch für den [[Kohlenstoffkreislauf|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 [[Permafrost|Permafrostböden]], können allerdings durch Freisetzung von [[Kohlendioxid|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|Albedo]] des Festlandes abhängig. Der Boden ist zudem ein wichtiger Wasserspeicher und lenkt das aufgenommene Wasser ins Grundwasser, in Oberflächengewässer oder in Pflanzen um.

== Temperatur und Strahlung ==

Boden und [[Atmosphäre_im_Klimasystem|Atmosphäre]] tauschen wechselseitig Energie aus. Der Boden wird über die Atmosphäre durch die [[Strahlung|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|Albedo]] bzw. das Rückstrahlungsvermögen. Eine Oberfläche aus frisch gefallenem Schnee reflektiert 75-95&nbsp;% der Einstrahlung, trockener Sandboden 35-45&nbsp;% und Schwarzerde nur 5-15&nbsp;% der Solarstrahlung.<ref>Brigitte Klose (2008): Meteorologie. Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre, Heidelberg, S. 174</ref>

[[File:Bodentemperatur.jpg|thumb|520px|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.<ref> IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Box 7.1</ref> 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|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.

== Wasserkreislauf ==

[[File:Wasserkreislauf boden.jpg|thumb|420px|Wasserkreislauf und Boden]] Das Bodenwasser spielt nicht nur eine wichtige Rolle beim Energieaustausch mit der [[Atmosphäre|Atmosphäre]], sondern ist auch selbst Bestandteil eines Atmosphäre und Boden umfassenden [[Wasserkreislauf|Kreislaufs]]. Der Boden erhält sein Wasser direkt oder indirekt über Zuflüsse aus den [[Niederschlag|Niederschlägen]] der Atmosphäre. Der Wasserkreislauf zwischen Boden und Atmosphäre ist jedoch nicht geschlossen. Die Atmosphäre erhält 35&nbsp;% 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|Verdunstung]] wieder an die Atmosphäre zurück. Dieser Anteil ist in feuchten [[Klimazonen|Klimazonen]] geringer als in trockenen Klimaten, wo er sogar 100&nbsp;% 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.

== Stoffkreisläufe ==

Die wichtigste Beziehung zwischen Boden und Klimasystem besteht in dem Austausch von [[Treibhausgase|Treibhausgasen]], vor allem von [[Kohlendioxid|Kohlendioxid]]. Aber auch [[Lachgas|Lachgas]] (N<sub>2</sub>O) und in besonderen Fällen [[Methan|Methan]] (CH<sub>4</sub>) spielen eine Rolle. Nach dem Ozean, der mit 38 000 Gt C<ref>Gt = Gigatonnen = Milliarden t; 1 t C entspricht 3,67 t CO<sub>2</sub></ref> mit Abstand das größte Kohlenstoffreservoir darstellt, ist der Boden der größte Kohlenstoff-Speicher des [[Klimasystem|Klimasystems]]. In ihm sind 1500 Gt C gespeichert, in der Vegetation dagegen nur 600 und in der Atmosphäre 720 Gt C.<ref>David Powlson (2005): Will soil amplify climate change?, Nature 433, 204-205</ref>

[[File:Stoffkreislauf boden.jpg|thumb|520px|Der Boden als Speicher und Emittent von Treibhausgasen]] Die Vegetation ist die Brücke, über die Kohlendioxid aus der Atmosphäre in den Boden gelangt. Durch [[Kohlenstoffkreislauf_Land|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 CO<sub>2</sub>-Partialdruck im Boden höher als in der Atmosphäre. Dadurch gibt der Boden ständig Kohlendioxid an die Atmosphäre ab. Im Mittel stehen die Aufnahme von CO<sub>2</sub> durch den Boden aus der Atmosphäre über die Vegetation und die Abgabe an die Atmosphäre über den höheren CO<sub>2</sub>-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 CO<sub>2</sub>-Quelle, aus der knapp 8 Millionen t CO<sub>2</sub>-Äquivalente (neben Kohlendioxid auch Methan) pro Jahr freigesetzt werden. Das entspricht 2,8&nbsp;% der gesamten Treibhausgasemissionen Deutschlands.<ref>UBA-Workshop [http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-medien/mysql_medien.php?anfrage=Kennummer&Suchwort=3495 Böden im Klimawandel - Was tun?!], S. 105 ff.</ref> Dagegen zeigen Waldböden in Deutschland einen ausgeglichenen CO<sub>2</sub>-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 (N<sub>2</sub>O) und in besonderen Fällen Methan (CH<sub>4</sub>) wichtige Treibhausgase im Boden. Der Boden gibt sie ebenfalls an die Atmosphäre ab, nimmt sie aber nicht wie Kohlendioxid von ihr auf. [[Methan|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|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 N<sub>2</sub>O, das dann in die Atmosphäre gelangt.

== Einzelnachweise ==

<references />


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==Klimadaten zum Thema==
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Klimadaten zum Thema selbst auswerten? Hier können Sie aus [http://bildungsserver.hamburg.de/daten-zum-klimawandel/ '''Daten zum Klimawandel'''] mit dem Visualisierungsprogramm Panoply eigene Karten erzeugen:

* [http://bildungsserver.hamburg.de/00-arktis-daten/ '''Regionaldaten zur Arktis''']: z.B. [http://bildungsserver.hamburg.de/00-arktis-daten/4275340/arktis-temperatur/ Temperatur] oder [http://bildungsserver.hamburg.de/00-arktis-daten/5038548/arktis-eistage/ Eistage].
*[http://bildungsserver.hamburg.de/00-globale-daten/ '''Globale Daten''']: z.B. [http://bildungsserver.hamburg.de/00-globale-daten/3902514/global-temperatur/ Temperatur],[http://bildungsserver.hamburg.de/00-globale-daten/3904608/global-niederschlag/ Niederschlag] oder [http://bildungsserver.hamburg.de/00-globale-daten/4148640/global-verdunstung/ Verdunstung].

Hier finden Sie eine [http://bildungsserver.hamburg.de/daten-zum-klimawandel/4119542/arbeitsanweisungen-panoply/ '''Anleitung zur Visualisierung der Daten'''].
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==Schülerarbeiten zum Thema==
'''Schülerarbeiten zum Thema des Artikels''' aus dem [http://klimaprojekt.de Schulprojekt Klimawandel]:
*[http://bildungsserver.hamburg.de/contentblob/3113434/56b0c142c4713e35a191885435129fa9/data/2010-klimawandel-permafrost.pdf Auswirkungen des Klimawandels auf den Permafrostboden in Sibirien] Muss Sibirien Angst vor einer Zerstörung der dortigen Infrastruktur haben und treten möglicherweise Rückkopplungseffekte auf, die den Klimawandel verstärken? (Gymnasium Lohbrügge, Hamburg)
*[http://bildungsserver.hamburg.de/contentblob/3584434/21f4f93c52930a5f0cbeb2f5d3a9abe1/data/2012-moore-und-klimawandel.pdf Inwiefern sind Moore und der Klimawandel miteinander gekoppelt?] Das Beispiel: Moore in Norddeutschland (Gymnasium Grootmoor, Hamburg)
*[http://bildungsserver.hamburg.de/contentblob/7113276/2fee4ad41831f965537f0641cc8328c5/data/2016-permafrost-alska.pdf Inwieweit gibt es Wechselwirkungen zwischen dem tauenden Permafrostboden in Alaska und dem anthropogenen Klimawandel?] (Anne-Frank-Schule, Bargteheide)
*[http://bildungsserver.hamburg.de/contentblob/4139896/24bb9b170027afc77ec765f004de8d4e/data/2013-permafrost-lenadelta.pdf Permafrost] Worin besteht die Wechselwirkung zwischen Klimaveränderung und Permafrost-Boden am Beispiel des Lena-Deltas? (Anne-Frank-Schule, Bargteheide)
*[http://bildungsserver.hamburg.de/contentblob/3113444/f8d9fc9b3aaaa943610818328affdaae/data/2011-permafrost-sibirische-tundra.pdf Welche Auswirkungen hat das Auftauen der Permafrostböden durch den Klimawandel auf die sibirische Tundra?] (Gymnasium Osterbek, Hamburg)

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== Lizenzhinweis ==

{{CC-Lizenz}} {{Kontakt}} {{#set: Unterrichtsmaterial=[http://hypersoil.uni-muenster.de/ Hyper Soil] Lern- und Arbeitsumgebung zum Themenfeld "Boden" im Unterricht (Uni Münster) |umfasst Prozess=Hitze und Trockenheit (Boden) |umfasst Prozess=Erwärmung und Kohlenstoff im Boden |umfasst=Methan im Permafrost |Teil von=Klimasystem |ähnlich wie=Kryosphäre im Klimasystem |ähnlich wie=Ozean im Klimasystem |ähnlich wie=Atmosphäre im Klimasystem |ähnlich wie=Biosphäre im Klimasystem |ähnlich wie=Lithosphäre und Pedosphäre im Klimasystem }} <metakeywords>DBS-Wiki-KW, Hitze, Trockenheit, Erwärmung und Kohlenstoff, Methan im Permafrost, Klimasystem, Kryosphäre im Klimasystem, Ozean im Klimasystem, Atmosphäre im Klimasystem, Biosphäre im Klimasystem, Lithosphäre, Pedosphäre, Boden, Treibhausgase</metakeywords>
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