Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Ökologie

1.1.2 Temperatur, atmosphärische Zirkulation und Niederschlag

A Worauf beruhen die klimatischen Unterschiede der Erde hauptsächlich?

Der Großteil der klimatischen Unterschiede der Erde kommt durch die ungleiche Erwärmung der Erde durch die Sonne zustande. Die Erde rotiert um die Sonne und um ihre eigene Achse, die durch den Nord- und Südpol verläuft. Dabei steht die Erdachse nicht senkrecht zu ihrer Umlaufbahn um die Sonne, sondern ist um 23,5° geneigt (Schiefe der Ekliptik). Als Folge wird die Erdoberfläche ungleich durch die Sonne erwärmt. An den polnahen Regionen wird aufgrund des flacheren Einfallswinkels der Solarstrahlung das Strahlungsbündel über eine größere Fläche verteilt. Gleichzeitig muss die Strahlung der Sonne, wenn sie in einem flachen Winkel auf der Erde auftritt, eine Luftschicht mit einer größeren Zahl molekularer Teilchen durchdringen, welche die Sonnenstrahlen stärker reflektieren bzw. absorbieren. Im Bereich des Äquators hingegen trifft die Solarstrahlung mehr oder weniger senkrecht und über eine kleinere Fläche verteilt auf die Erdoberfläche. Der Energieeintrag pro Fläche ist daher deutlich höher. Dadurch sind die jährlichen Durchschnittstemperaturen in den Tropen nahe dem Äquator am höchsten und nehmen zu den Polen hin ab (s. Abb. 1.2). Die Schiefe der Erdachse führt zu einer unterschiedlichen Einstrahlung der Sonne auf die Nord- und Südhalbkugel und ist dadurch für die jahreszeitlichen Schwankungen von Temperatur und Tageslänge verantwortlich.

Abb. 1.2: Solarstrahlung auf die Erde. Im Bereich des Äquators trifft die Strahlung senkrecht auf und die gleiche Energiemenge verteilt sich auf eine kleinere Fläche als an den polnahen Regionen. An den Polen ist der Einfallswinkel flacher und die Strahlung wird auf eine größere Fläche verteilt und ist daher weniger intensiv (verändert nach Smith und Smith 2009).

S Was ist der natürliche Treibhauseffekt und wie beeinflusst er das Energiegleichgewicht der Erde?

Die Erde nimmt die Sonnenenergie in Form kurzwelliger Strahlen auf, und die Erdoberfläche erwärmt sich. Die erwärmten Land- und Wasserflächen geben wiederum langwellige Strahlung an die Atmosphäre ab, wovon aber nur ein kleiner Teil ins Weltall entweicht. Der Großteil der Strahlung wird durch Wasserdampf, CO2 und andere Treibhausgase in der Atmosphäre gespeichert. Diese gespeicherte Energie wird teilweise wieder zur Erdoberfläche zurückgestrahlt und erzeugt dadurch den natürlichen Treibhauseffekt. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt würde die mittlere Oberflächentemperatur der Erde anstatt der lebenserhaltenden +15 °C lediglich –18 °C betragen. Aufgrund dieser Umwandlung von kurzwelliger Solarstrahlung in langwellige Rückstrahlung aus der Atmosphäre zur Erdoberfläche wird verloren gegangene Energie durch gewonnene Energie ausgeglichen (globales Energiegleichgewicht).

D Wie kommt die globale Zirkulation der Luftmassen zustande und welche Auswirkungen hat dabei der Corioliseffekt?

Die unterschiedliche Erwärmung von Erdoberfläche und Atmosphäre bewirkt die Zirkulation der Luftmassen und beeinflusst die Verteilung des Niederschlags. Die erwärmte Luft der Äquatorregion steigt aufgrund ihrer geringen Dichte auf und kühlt dabei ab. Durch das Abkühlen kondensiert die Luftfeuchtigkeit und fällt als Niederschlag zurück auf die Erde. Anschließend fließen die nun relativ trockenen Luftmassen nach Norden und Süden ab. Auf ihrem polwärts gerichteten Weg kühlt die Luft ab, wird aufgrund ihrer höheren Dichte schwerer, sinkt zur Erdoberfläche ab und fließt zum Äquator zurück. Dort ersetzt sie die zuvor aufgestiegene Luft. Aufgrund der Erdrotation und den damit verbundenen unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Erdoberfläche je nach geographischer Breite, werden diese oberflächennahen Luftmassen jedoch abgelenkt und der direkte Luftstrom von den Polen zum Äquator wird verhindert. Dabei werden die Luftmassen auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt. Diese Ablenkung von Luftmassen wird als Corioliseffekt bzw. Coriolisbeschleunigung bezeichnet. Dadurch entstehen eine Reihe von Windgürtel, die entsprechend ihrer Himmelsrichtung benannt sind (z.B. polare Ostwinde, Westwinddrift, Nordostpassat). Diese Windgürtel unterteilen den Zustrom von Oberflächenluft zum Äquator und den Höhenstrom zu den Polen in drei Luftzirkulationszellen pro Hemisphäre (Hadley-Zelle, Ferrel-Zelle und Polarzelle, s. Abb. 1.3).

Abb. 1.3: Die Zellen der Luftzirkulation (Hadley-, Ferrel- und Polarzelle) bei einer rotierenden Erde.

F Klimaveränderungen bestimmen maßgeblich die Struktur und Artenvielfalt von Tier- und Pflanzengemeinschaften. Wie kann man historisch aufgetretene Klimaschwankungen nachweisen?

Pollenanalysen geben Aufschluss darüber, welche Pflanzengemeinschaften wann und wo vorgekommen sind. Dabei wird der in Sedimenten eingelagerte Blütenstaub von Pflanzen analysiert, wodurch auf die Zusammensetzung vorzeitlicher Pflanzengemeinschaften geschlossen werden kann. Pollen und Sporen sind aufgrund ihrer wachsartigen Außenschicht äußerst zerstörungsresistent und können mikroskopisch den jeweiligen Pflanzenarten zugeordnet werden. In Pollendiagrammen werden die prozentualen Anteile der Pollen einzelner Taxa zusammengefasst. Diese sind für jeden Zeitabschnitt in der Erdgeschichte spezifisch und erlauben somit eine Rekonstruktion der Vegetationsentwicklung. Aufgrund der ökologischen Ansprüche der Arten kann dann auf das jeweils vorherrschende Klima geschlossen werden. Mithilfe der Pollenanalyse wurde beispielsweise die nacheiszeitliche Waldentwicklung Nord- und Mitteleuropas rekonstruiert.

Ein weiteres, wichtiges Verfahren zur Altersbestimmung von biologischen und geologischen Proben, ist die Radiokarbonmethode (14C-Methode). Grundlage hierfür ist die Tatsache, dass das in der Atmosphäre natürlicherweise vorkommende radioaktive Kohlenstoffisotop 14C durch die Fotosynthese und durch die Aufnahme organischer Nahrung in Lebewesen eingebaut wird. Nach dem Tod wird kein 14C mehr zugeführt und das radioaktive Isotop zerfällt. Aufgrund der bekannten Halbwertszeit von 14C und dem Gehalt von 14C in einer Probe, lässt sich daher das Alter der Probe mithilfe von Kalibrierungskurven präzise bestimmen. Die Radiokarbonmethode eignet sich für Altersbestimmungen von 300 bis 50.000 Jahre.

G Was versteht man unter „historischen Faktoren“, welche die Zusammensetzung und Verteilungsmuster von Organismen bestimmen?

Unter „historischen Faktoren“ versteht man langfristige Umweltveränderungen, welche die Vegetationsentwicklung und das Vorkommen verschiedener Tierarten und Tiergemeinschaften beeinflussen. Langfristige Rhythmen des Klimas, wie beispielsweise Eiszeiten (Glaziale) und die damit verbundenen Bewegungsmuster großer Gletscher, bewirken einen Rückzug der verschiedenen Organismenarten, die dann später nach dem Eisrückzug in einer anderen Artenkombination wieder in die frei gewordenen Lebensräume vorrücken. So drang z.B. in Mitteleuropa die skandinavische Vereisung bis in die norddeutsche Tiefebene vor und arktische Arten wie das Rentier (Rangifer tarandus) dehnten ihren Lebensraum bis zu den Pyrenäen aus.

Durch die Kontinentaldrift haben sich Kontinente in ihrer Lage zueinander verändert. So ist sich beispielsweise die Tierwelt in Nordamerika und Europa ähnlicher als die von Südamerika und Afrika, da letztere schon seit 80 Millionen Jahren voneinander getrennt sind. Zwischen den Kontinenten Nordamerika und Europa dagegen bestand bis vor ca. 40 Millionen Jahren noch eine Landbrücke.

Eine Ausbreitung von Arten kann auch erschwert werden, wenn sich durch das Aufeinandertreffen von Kontinentalplatten Gebirge bilden, die je nach Ausrichtung und Höhe Barrieren darstellen. Ein weiterer „historischer Faktor“ ist die Verinselung und die damit einhergehende räumliche Isolation von Lebensräumen, welche die Artenvielfalt beeinflusst (s. Kap. 6.1.2, Frage 5).

H Was ist die innertropische Konvergenzzone (ITCZ) und was verursacht sie?

Angetrieben durch das Aufsteigen warmer Luft in der Nähe des Äquators, bewirken die atmosphärischen Luftzirkulationszellen die Entwicklung des Nordostpassats nördlich des Äquators und des Südostpassats südlich vom Äquator (s. Frage 3). Den Bereich des Äquators, an dem diese beiden Luftströmungen zusammentreffen, bezeichnet man als innertropische Konvergenzzone (ITCZ). Diese Region zeichnet sich durch hohe Niederschlagsmengen aus (s. Abb. 1.4). Die ITCZ wandert entsprechend der Veränderungen des Sonnenstandes und den jeweils höchsten Oberflächentemperaturen in Bereiche nördlich bzw. südlich des Äquators. Im nördlichen Sommer verschiebt sich die ITCZ nach Norden und hinterlässt dem Südwinter trockenes Wetter. Im nördlichen Winter wandert sie südwärts und bringt dem Südsommer Regen. Aufgrund dieser jahreszeitlichen Wanderung der ITCZ entstehen auch die Regen- und Trockenzeiten in den Tropen.

Abb. 1.4: Die innertropische Konvergenzzone (ITCZ).

J Was versteht man unter dem Phänomen El Niño und welche Auswirkungen hat es?

Das Phänomen El Niño ist eine im Abstand mehrerer Jahre im Winter auftretende Klimarhythmik und hängt mit dem Wechsel der innertropischen Strömungen im Pazifischen Ozean zusammen. In normalen Jahren treiben die Passatwinde das warme und nährstoffarme Oberflächenwasser der tropischen Ozeanbereiche entlang des Äquators nach Westen und bringen das kalte und nährstoffreiche Tiefenwasser an der Küste Perus zum Aufsteigen. Aufgrund des warmen Wassers des Westpazifiks steigt die feuchte Meeresluft auf und es kommt in dieser Region zu starken Regenfällen. Entlang der Küste Perus hingegen führt das kühle Wasser des Ostpazifiks zu relativ trockenen Bedingungen. Während eines El-Niño-Ereignisses schwächen sich die Passatwinde ab und es fließt weniger Oberflächenwasser nach Westen. Infolgedessen verringert sich der Auftrieb des tiefen Kaltwassers und die oberen Schichten des Ostpazifiks erwärmen sich. Die Regengebiete dehnen sich mit dem warmen Wasser in Richtung Osten aus, wodurch es zu Überschwemmungen in Peru und zu Dürren in Indonesien und Australien kommt. Aufgrund der fehlenden nährstoffreichen Kaltwasserzonen in den Küstengebieten Perus und Ecuadors fallen die dortigen, sonst großen Fischbestände aus, was drastische wirtschaftliche Einbußen zur Folge hat.

K Erläutern Sie den globalen Wasserkreislauf. Was ist die treibende Kraft?

Beim globalen Wasserkreislauf gelangt Wasser von der Atmosphäre zur Erdoberfläche und dann wieder zurück in die Atmosphäre (s. Abb. 1.5). Treibende Kraft hierfür ist die Solarstrahlung, welche die Erdatmosphäre erwärmt und die erforderliche Energie für die Verdunstung des Wassers liefert. Der in der Atmosphäre zirkulierende Wasserdampf gelangt in Form von Niederschlag (Regen, Schnee, Hagel) zur Erdoberfläche zurück. Dabei fällt ein Teil des Wassers direkt auf Wasserflächen, ein Teil fällt auf die Erde und versickert und ein weiterer Teil wird von der Vegetation zurückgehalten. Die Benetzung der Pflanzen durch das Niederschlagswasser wird als Interzeption bezeichnet. Das versickernde Wasser sammelt sich zum Teil als Grundwasser, welches sich unterirdisch einen Weg zu Quellen und Bachläufen sucht und schließlich ins Meer gelangt. Durch Verdunstung des Wassers aus den oberen Erdschichten und von Wasserflächen (Evaporation) und der Verdunstung durch die Pflanzen (Transpiration) kehrt das Wasser wieder in die Atmosphäre zurück.

Abb. 1.5: Schema der wesentlichen Vorgänge des globalen Wasserkreislaufs.

1.1.3 Vegetationsstruktur und Boden

A Welche Faktoren beeinflussen Absorption und Reflexion der Solarstrahlung durch die Vegetation?

Die Menge der Solarenergie, die durch das Kronendach eines Waldes dringt, schwankt mit der Größe der Blattfläche der dort vorkommenden Bäume. Neben der Blattgröße und -dichte beeinflussen aber auch die Stellung und die Wuchsrichtung der Blätter die Menge der absorbierten bzw. reflektierten Solarstrahlung. Je senkrechter Sonnenstrahlen auf die Blattoberfläche auftreffen, desto mehr Strahlungsenergie kann das Blatt aufnehmen. Mit Ausnahme der Tropen verändert sich jedoch der Sonnenstand sowohl im Tagesverlauf als auch mit den Jahreszeiten stark und beeinflusst somit auch die Menge der auftreffenden Solarstrahlung.

S Wie unterscheiden sich spezialisierte Sonnen- und

Schattenblätter eines Baumes voneinander?

Viele Bäume bilden, je nachdem, ob sie in lichtexponierten oder beschatteten Bereichen angelegt werden, unterschiedliche Blatttypen aus. Dabei sind Sonnenblätter aus dem oberen Kronenbereich dicker und haben mehrere Zellschichten mit vielen Chloroplasten, welche die einfallende Solarstrahlung in chemische Energie umsetzen. Im Gegensatz dazu sind Schattenblätter der unteren Regionen dünner und enthalten weniger Chloroplasten. Obwohl sie lediglich diffuse und gefilterte Strahlung absorbieren, ergänzen sie die Fotosyntheseleistung der Sonnenblätter aus dem Kronenbereich.

D Was verstehen Sie unter Thermotropismus?

Für die meisten Regionen außerhalb der Tropen verändert sich die Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf wie auch mit den Jahreszeiten. Einige Pflanzenarten zeigen Anpassungen an diese Veränderungen und können ihre Blätter bewegen und somit den Umfang der auftreffenden Solarstrahlung regulieren. In heißen und trockenen Regionen beispielsweise verringert eine schräge Blattstellung die hohe Strahlungsintensität während der Mittagsstunden, wenn die Umgebungstemperatur und der Wasserverlust am höchsten sind. Eine solche Veränderung der Blattstellung von ortsgebundenen Pflanzen aufgrund von Sonneneinstrahlung und Umgebungstemperatur bezeichnet man als Thermotropismus. Auch beim Kompass-Lattich (Lactuca serriola) kann man solch eine Anpassung beobachten. Der Name dieser Pflanze rührt daher, dass sie ihre Blätter aufrecht entlang der Nord-Süd-Achse ausrichtet, wodurch die Blattoberflächen nach Osten und Westen zeigen. Diese besondere Blattstellung schützt die Blattspreiten vor der kräftigen Sonneneinstrahlung am Mittag und verringert dadurch deren Erwärmung und die Verdunstung. Während des weniger intensiven Sonnenlichts des Vor- und Nachmittags sind die Blattoberflächen dem Sonnenlicht jedoch voll ausgesetzt.

F Was ist Boden?

Unter Boden versteht man die oberste, belebte Verwitterungsschicht der Erdkruste, die unter dem Einfluss von Klima und Lebewesen entstanden ist. Boden stellt einen wichtigen Faktor im Wasserkreislauf dar und dient Pflanzen zur Verankerung und als Nährstoffreservoir. Gleichzeitig ist Boden Lebensraum vieler Pflanzen, Tiere, Pilze und Bakterien.

G Wie bildet sich Boden und welche Faktoren beeinflussen die Bildung von Boden?

Im Laufe der Erdgeschichte verwitterten die Oberflächen von Gesteinen und Mineralien und bildeten eine Vielfalt von Bodentypen. Dabei unterscheidet man die mechanische Verwitterung (physikalische Verwitterung), bei der Gesteine und Mineralien durch die Einwirkung von Wasser, Wind und Temperatur in Bruchstücke zerkleinert werden. Bei der chemischen Verwitterung werden diese Bruchstücke durch chemische Reaktionen mit Wasser, Sauerstoff und Säuren weiter zersetzt.

Die Bodenbildung wird durch die physikalische und chemische Beschaffenheit des Ausgangsgesteines bestimmt. Die klimatischen Verhältnisse beeinflussen die Bodenbildung durch Temperatur und Niederschläge. Außerdem spielen biotische Faktoren wie Pflanzen, Tiere und Bakterien bei der Entwicklung der Böden eine entscheidende Rolle. So können beispielsweise Pflanzen durch ihre Wurzeln am Aufbruch des Gesteines beteiligt sein, gleichzeitig aber auch den Boden gegen Erosion stabilisieren. Ein weiteres Beispiel sind Bodenorganismen, die totes organisches Material ab- und umbauen und mit den mineralischen Bestandteilen des Verwitterungsprozesses den Humus bilden. Das Relief einer Landschaft beeinflusst das Ausmaß der Erosion und den Wassergehalt des Bodens. Letztlich ist die Zeit ein für die Bodenbildung ganz entscheidender Faktor.

H Warum wäre ohne Boden die Ausbildung der heutigen Landvegetation unmöglich?

Die verschiedenen Bodentypen stellen eine für das Pflanzenwachstum notwendige Quelle von gespeichertem Wasser und einen Vorrat an mineralischen Nährstoffen dar. Gleichzeitig ist es eine Trägersubstanz, die es den Pflanzen ermöglicht ihre Wurzeln zu verankern, aufrecht zu wachsen und ihre Blätter dem Sonnenlicht auszusetzen. Der Boden ist außerdem ein Medium für die Bindung von atmosphärischem Stickstoff durch frei lebende, stickstofffixierende Bodenbakterien wie Azotobacter und Azospirillum, sodass die Pflanzen diesen nutzen können. Durch die Anreicherung von organischem und mineralischem Material im Boden tragen die unterschiedlichen Bodentypen zur Komplexität der Umwelt bei und ermöglichen somit einer Vielzahl von Pflanzen und Tieren zu leben.

1.1.4 Geographische Verbreitung terrestrischer Biome und Klima

A Was ist ein Biom?

Terrestrische Biome (engl. biome) sind großräumige Lebensgemeinschaften mit den in ihnen lebenden Organismen, die durch ihre Pflanzenwelt abgegrenzt und mit bestimmten Makroklimaten verbunden sind. Entsprechend ihrer jeweiligen dominanten Pflanzenformationen unterscheiden sich die verschiedenen Biome in ihrem Spektrum an Lebensformen voneinander. Zu den großen terrestrischen Biomen gehören beispielsweise tropische Regenwälder der äquatorialen und subäquatorialen Regionen, Steppenlandschaften der gemäßigten Breiten oder die sich rund um die nördliche Polarregion befindliche baumlose Tundra.

S Was verstehen Sie unter Makro- und Mikroklima?

Klimatische Eigenschaften (wie z.B. Niederschlag, Temperatur) werden auf verschiedene räumliche Maßstabsebenen herunter gebrochen. Als Makroklima oder Großklima bezeichnet man globale und regionale Klimamuster wie z.B. das Klima eines Kontinents. Ebenso zu den Makroklimaten zählen auch sehr große Regionalklimate, wie beispielsweise das tropische Regenwaldklima des Brasilianischen Regenwaldes. Als Mikroklima bezeichnet man lokale Klimamuster der bodennahen Luftschichten oder in bestimmten Bodenschichten, die entsprechend der Solarstrahlung, Feuchtigkeit, Luftbewegungen oder Strukturdiversität sehr spezifisch sind. So leben die meisten Organismen unter lokalen mikroklimatischen Bedingungen, die unter Umständen stark vom Makroklima der Region abweichen. Ein klassisches Beispiel ist das Mikroklima in Wüstenregionen, in denen Pflanzen als Schattenspender im Abstand von weniger als nur zwei Metern Temperaturunterschiede von bis zu 25 °C ausbilden können. Tiere, die mobil sind, können diese unterschiedlichen Mikroklimate je nach Bedürfnis nutzen.

D Wie unterscheiden sich tropische Savannen von Wüsten?

Tropische Savannen liegen angrenzend an die inneren (immerfeuchten) Tropen nördlich und südlich des Äquators in den äußeren sommer-feuchten Tropengebieten Südamerikas, Afrikas, Südostasiens und Australiens. Sie haben ein warmes Klima mit einem ausgeprägten jahreszeitlichen Wechsel von kurzen Regen- und langen, bis zu zehn Monate dauernden, Trockenzeiten. Die Trockensavannen zeichnen sich durch großflächigen Grasbewuchs und geringe Niederschlagsmengen aus. Dagegen sind die Dornstrauchsavannen durch offenes Grasland und zerstreutem Strauch- und Baumwuchs charakterisiert. In den ebenfalls vorwiegend von Gräsern bewachsenen Feuchtsavannen, wachsen aufgrund der höheren Jahresniederschlagsmengen auch laubwerfende Bäume mit tiefreichenden Wurzeln. Neben dem Klima hat die Einwirkung von Feuer und der dort vorkommenden Großherbivoren einen erheblichen Einfluss auf die Vegetation.

Trockengebiete (Wüsten) bedecken etwa 30 % der Landflächen der Erde. Dabei liegen die heißen tropisch/subtropischen Wüsten zwischen dem 15. und 30. Breitengrad. Die Wüsten der gemäßigten Breiten befinden sich dagegen im Regenschatten großer Gebirge oder im Landesinneren in kontinentalen Regionen. Die Wüsten zeichnen sich durch den Mangel an Niederschlag und dem Wechsel von extrem hohen und niedrigen Umgebungstemperaturen aus. Die Diversität von Tieren in Wüsten ist im Vergleich zu den tropischen Savannen gering.