Die Beeinflussung des Wärmehaushalts durch Veränderungen der Bodennutzung

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1 Sonderdrucke aus der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg ALBRECHT KESSLER Die Beeinflussung des Wärmehaushalts durch Veränderungen der Bodennutzung Originalbeitrag erschienen in: Veröffentlichung des Regionalverbandes Südlicher Oberrhein 11 (1983), S

2 DIE BEEINFLUSSUNG DES WARMEHAUSHALTS DURCH VERANDERUNGEN DER BODENNUTZUNG VON PROFESSOR DR. ALBRECHT KESSLER, FREIBURG Es ist bisher bei der allgemeinen Umweltdiskussion noch nicht so recht ins öffentliche Bewußtsein gedrungen, daß allein durch Änderung der Bodennutzung dauernd ein menschlicher Einfluß auf den Energiehaushalt der Erdoberfläche und der bodannahen Atmosphäre, und damit auf das "natürliche Regionalklima" ausgeübt wird. Das ist nicht weiter verwunderlich, denn diese Eingriffe waren auch schon in der angeblichen-heilen Welt unserer Ahnen und Vorfahren üblich. Die erste wichtige Phase menschlichen Eintriffs auf den Landschaftshaushalt und das bodennahe Klima setzte in der jüngeren Steinzeit ein. Das ursprüngliche Waldareal wurde erstmals in großem Stile zu Gunsten freier Flächen zurückgedrängt. Weitere solche Abschnitte besonderer Aktivität mit Vergrößerung der Acker- und Wiesenflächen sind die Rodungsperioden der neueren Zeit. Hier wäre die frühmittelalterliche Rodung der Mittelgebirge besonders hervorzuheben. Schließlich kommt seit dem 19. Jahrhundert durch Verstädterung, Straßenbau, Kanalisation und Industrialisierung ein weiterer Typ der Oberflächenveränderung hinzu. Leider lassen sich sämtliche Auswirkungen auf das natürliche Klima zunächst nur unvollkommen abschätzen. Es existieren im Augenblick nur grobe Abschätzungen oder einfache Modellrechnungen, deren Grundannahmen durch geeignete Messungen in jedem Spezialfall erst einmal überprüft werden müßten. Im folgenden soll ein allgemeiner überblick über die Problematik gegeben werden. Die Ausprägung des Temperatur- und Feuchte-Milieus des Erdbodens und der bodennahen Luftschicht, deren Kenntnis Ausgangsbasis aller klimarelevanten Planung ist, kann auf zwei Grundvorgänge zurückgeführt werden: a) Zunächst ist die Advektion zu nennen :, die durch die großräumige Luftzirkulation bestimmt wird. Durch die Advektion werden Luftmassen sehr unterschiedlicher Eigenschaft und Herkunft in unser Gebiet geführt. Auf diese Vorgänge hat der Mensch bisher keinen direkten Einfluß. Wir müssen sie als gegeben hinnehmen. b) Der zweite Grundvorgang besteht im Energie- und Wasseraustausch zwischen Erdoberfläche und bodennaher Luftschicht im betreffenden Gebiet selbst. Da bei der Verdunstung von Wasser viel Energie verbraucht wird, sind Energie- und Wasserhaushalt an der Erdoberfläche eng miteinander verknüpft. Sie sind für die verschiedenen Oberflächentypen unterschiedlich. Die Umgestaltung der Erdoberfläche führt daher letzten Endes zu Veränderungen des Temperatur- und Feuchteklimas der bodennahen Luft. Welche Energieumsätze finden an der Erdoberfläche statt und wie können sie beeinflußt werden? Die vier wichtigsten Energieströme sind die Strahlungsbilanz (0), der Bodenwärmestrom (B), der Wärmestrom durch die Luftbewegung (L)

3 30 und der Wärmeverbrauch durch Verdunstung (V). 1) Die Strahlungsbilanz (Q) Die Strahlungsbilanz kann man wiederum in einzelne Teilströme aufteilen, die sowohl Energie zur Erdoberfläche bringen als auch von ihr abführen. Die direkte Sonnenstrahlung (S) wirkt umso stärker auf die Erdoberfläche, je steiler der Strahleneinfall und je kürzer der Weg der Strahlung durch die Strahlungsenergj.e absorbierende Atmosphäre ist. In der Mittagszeit erreicht sie daher ihr Maximum. Beschattungseffekte durch hoch aufragende Gebäude können eine erhebliche Verminderung der Einstrahlung bewirken. Die Beeinträchtigung der direkten Sonnenstrahlung durch künstlich erzeugte Kühlturmfahnen kann im Winter und bei ungünstigen Wetterlagen beträchtlich sein. Selbst bei verdeckter Sonne gelangt aber während des Tages trotzdem Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche. Es ist die an den Luftpartikeln und den Wolken gestreute Sonnenstrahlung (H), deren Charakter z.b. durch die Luftverschmutzung verändert werden kann. Außer durch Sonnenstrahlung gelangt Energie durch die langwellige Eigenstrahlung der Atmosphäre (A) zur Erdoberfläche. Sie ist umso größer, je wärmer die Atmosphäre ist und je höher die Konzentrationen der drei Gase Wasserdampf, Kohlendioxyd und Ozon sind. Außerdem wird die Eigenstrahlung der Atmosphäre durch Zunahme der Bewölkung erhöht. Ebenso wie die Atmosphäre besitzt die Erdoberfläche eine langweilige Eigenstrahlung (E), die mit zunehmender Temperatur ansteigt und die Energie von der Erdoberfläche wegführt. Natürliche und künstliche Oberflächen können sehr unterschiedliche Temperaturen annehmen und daher ist auch der Verlust an langwelliger Strahlungsenergie sehr verschieden. Bei einer stadtklimatologischen Untersuchung (KESSLER 1971) in der Innenstadt von Bonn konnten folgende Oberflächentemperaturen während der Mittagszeit an einem Junitag registriert werden: Asphaltstraße 460 C Rasen 31 C beschattete Hauswand auf 220 C der Nordseite beschattetes Ahornblatt 200 C Als letztes Glied der Strahlungsbilanz ist noch die Rückstrahlung (R) der kurzwelligen Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche zu erwähnen. Das Verhältnis von reflektierter Strahlung (R) zur Einstrahlung (S+H) nennt man Albedo. Durch künstliche Umgestaltung der Erdoberfläche wird dieser Wert ebenfalls verändert. Aus langjährigen Messungen (JAEGER, KESSLER 198o) konnte abgeleitet werden, daß eine Rasenoberfläche einen mittleren Albedowert von 21,6 % und ein Kiefernwald von lo,1 % besitzt. Entsprechend geringer muß die Absorption von Strahlungsenergie durch die Rasenoberfläche sein. Die Albedowerte von natürlichen und künstlichen Oberflächen variieren zwischen Werten kleiner lo % (Wasser) und 90 % (Schnee). Aus langjährigen Messungen der Strahlungsbilanz (Q) einer Rasenoberfläche bei Hamburg und eines Kiefernwaldes bei Hartheim in der Rheinebene geht hervor, daß der Wert für Rasen um ein Drittel kleiner ist als bei Kiefernwald. Die Ursache liegt u.a. darin, daß beim Rasen die Rückstrahlung (R) doppelt so hoch ist wie beim Kiefernwald und daß die Rasenoberfläche einen höheren Energieverlust durch langwellige Strahlung (E) hat. Das Beispiel

4 zeigt drastisch, wie der Strahlungshaushalt der Erdoberfläche durch landeskulturelle Maßnahmen verändert werden kann. Langjährige Strahlungsmittelwerte einer Rasenund einer Kiefernwaldoberfläche in Joule cm 2 Ta ) Strahlungsbilanz Q Sonnenstrahlung S+H Reflektierte Sonnenstrahlung R Eigenstrahlung der Atmosphäre A Eigenstrahlung E der beiden Oberflächentypen 2) Der Bodenwärmestrom (B) Kiefer Rasen o82 1o o97 Erwärmung der oberen Bodenschichten bedeutet, daß von der Erdoberfläche aus ein Wärmestrom in den Boden eingedrungen ist. Bei Abkühlung passiert das Umgekehrte. Die Größe dieser Ströme hängt von den physikalischen Eigenschaften - der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmekapazität - der oberen Bodenschichten ab. Wird beispielsweise künstlich deren Wassergehalt durch Bewässerung oder durch Drainage verändert, oder werden sie überhaupt durch eine andere künstliche Oberfläche (Beton, Asphalt, Steinplatten etc.) ersetzt, muß notwendigerweise eine Veränderung des Bodenwärmestroms einsetzen. Das wiederum führt unter anderem zu einer unterschiedlichen Erwärmung der Erdoberfläche. 3) Der Wärmestrom durch die turbulente Luftbewegung (L) Besteht ein Temperaturgefälle zwischen der Erdoberfläche und der auf ihr lagernden Atmosphäre, so wird durch die im allgemeinen turbulente Luftbewegung jeweils von der Stelle höherer Temperatur Wärmeenergie abgeführt in Richtung Stellen mit niedrigerer Temperatur. Die Stärke des Transportes hängt vom Temperaturunterschied zwischen beiden Medien und von der Intensität der turbulenten Bewegung ab. Letztere ist eine Funktion der Windbewegung und der Rauhigkeit der Erdoberflche. Durch künstliche Veränderungen der Erdobeieläche wird im allgemeinen die Rauhigkeit beeinträchtigt. So wird die Rauhigkeit und damit der turbulente Transport erhöht, wenn eine Wiese oder Akker durch Wald ersetzt, niedrige und lockere Bebauung mit Hochhäusern durchsetzt wird. 4) Der Wärmeverbrauch durch Verdunstung (V) o Zum Verdunsten von Wasser wird verhältnismäßig viel Energie benötigt, nämlich pro Gramm Wasser 2 5oo Joule. Daher sind alle Eingriffe in den Wasserhaushalt der Erdoberfläche Eingriffe in ihren Wärmehaushalt. Die Versiegelung und Drainage der Städte führt dazu, daß das Niederschlagswasser sehr schnell abgeführt wird. Es steht später für die Verdunstung nicht mehr zur Verfügung. Die bereitstehende Energie muß in andere Energieformen umgewandelt werden. Daher erwärmen sich Stadtkörper und Stadtatmosphäre sehr viel stärker als das Umland, das das in den oberen Bodenschichten gespeicherte Niederschlagswasser durch Verdunstung allmählich abgeben kann. Andererseits führt die oft in großem Stile durchgeführte Bewässerung und Bereg- 31

5 3 2 nung landwirtschaftlicher Kulturen zu einer deutlichen Temperaturreduzierung der bodennahen Luft. Da jede Pflanze individuelle Ansprüche an den Wasserhaushalt stellt und daher von sich aus die Verdunstung der bewachsenen Erdoberfläche steuert, kann man daraus folgern, daß durch den Jahr für Jahr veränderten Anbau landwirtschaftlicher Kulturen der Energiehaushalt der Erdoberfläche im regionalen Maßstab ständig verändert wird. Um eine Vorstellung von der Größenordnung der Wärmeströme zu geben, werden Zahlen über den Wärmehaushalt eines Kiefernwaldes in der Oberrheinebene mitgeteilt (nach SCHOTT 198o). Positive Werte bedeuten, es fließt Wärmeenergie zur Waldoberfläche als Zählfläche; negative Werte bedeuten einen Wärmeenergieabfluß von der Zähifläche weg. Mittlere Wärmeströme eines Kiefernwaldes in Joule cm 2 Stunde Strahlungsbilanz Q Bodenwärmestrom B Wärmestrom durch turbulente Luftbewegung L Wärmeverbrauch durch Verdunstung V Januar Juli - 3,5 62,o 1,3-1,8 4,7-13,8-2,5-46,4 Für Januar besagen die Zahlen, daß der Wald Wärmeenergie durch Strahlungsvorgänge und durch Verdunstung verliert. Die Energie wird ersetzt dadurch, daß sich Boden und bodennahe Luft abkühlen. Im Juli wird ein bedeutender Überschuss an Strahlungsenergie hauptsächlich in die Verdunstung unvestiert. Der Rest wird zur Aufwärmung des Bodens und der bodennahen Atmosphäre benutzt. Schließen wir an diese Zahlen noch ein weiteres Gedankenexperiment an. Was würde geschehen, wenn man eine weit ausgedehnte Rasenfläche durch einen Kiefernwald ersetzt? Die Strahlungsbilanz würde sich erhöhen. Wenn man nun davon ausgeht, daß das für die Verdunstung zur Verfügung stehende Wasserangebot sich nicht veränderte, würde die überschüssige Strahlungsenergie in erster Linie dafür verwendet werden, um die bodennahe Luft zu erwärmen. Immerhin würde es dazu führen, daß sich die untere 5oo m mächtige Luftschicht im Jahresdurchschnitt um ca. 2 0 C erwärmte. Welche Folgerungen sind aus den angeführten Tatsachen für die Planung zu ziehen? Es sollten genaue Unterlagen über die jeweils geplante Veränderung der Erdoberflächenstruktur zusammengestellt werden. Dabei wäre besonderes Gewicht auf die Veränderung des künftigen Gebietswasserhaushalts zu legen. Aus diesen Daten wäre über ein regionales Klimamodell abzuschätzen, welche Veränderungen für das Temperatur- und Feuchte-Milieu der bodennahen Atmosphäre zu erwarten sind.

6 LITERATUR 33 Jaeger, L und Kessler, A.: Langzeitmessungen der Strahlungsbilanz und ihrer Komponenten über einem Kiefernbestand der südlichen Oberrheinebene. - In: Allgem. Forst- und Jagdzeitung, 151, 198o, Seite Kessler, A.: über den Tagesgang von Oberflächentemperaturen in der Bonner Innenstadt an einem sommerlichen Strahlungstag. - In: Erdkunde, Archiv für wissenschaftliche Geographie, 25, 1971, Seite 13-2o Schott, R.: Untersuchungen über die Energiehaushaltskomponenten in der atmosphärischen Grenzschicht am Beispiel eines Kiefernbestandes in der Oberrheinebene - In: Berichte des Deutschen Wetterdienstes, 153, 198o