Vom System Erde zum System Erde-Mensch

GeowissenschaftenReinhard F. HüttlUnser Planet bietet uns Lebensraum, die zum Leben notwendigen Rohstoffe, er ermöglicht uns Landbau, er schützt uns vor gefährlicher kosmischer Strahlung, kurzum: das Human Habitat auf dem Planeten Erde ist ein komplexer Mechanismus, der uns seit Millionen von Jahren Existenzbedingungen liefert, die der Mensch – evolutionstheoretisch gesehen – sehr erfolgreich nutzt. Reinhard Hüttl, Vorstandsvorsitzender des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ1 in Potsdam und Präsident der acatech2 zeigt die Bedeutung der Geowissenschaften für das zukünftige Überleben der Menschheit3.

Die Geowissenschaften betrachten die Erde als ein System, mit allen physikalischen, chemischen und auch biologischen Vorgängen, die in ihrem Innern und an der Oberfläche ablaufen. Sie untersuchen die zahllosen Wechselwirkungen zwischen den Teilen des Ganzen: zwischen

  • der festen Erde (Geosphäre) und den Bereichen
  • des Wassers (Hydrosphäre),
  • des Eises (Kryosphäre),
  • der Luft (Atmosphäre) und
  • des Lebens (Biosphäre).

Das „System Erde“ ist dabei ein hochdynamisches Gebilde,

das seit jeher Änderungen unterliegt. Dazu gehören vergleichsweise langsame Prozesse wie die Bewegung der tektonischen Platten oder der Auf- und Abbau polarer Eismassen, aber auch sehr schnelle, schlagartige Umlagerungen von Masse und Energie. Erdbeben, Vulkanausbrüche und Stürme lassen uns die hohe Dynamik unseres Planeten in ganz drastischer Art und Weise erfahren. Abbildung 1.

Dynamik des Systems ErdeAbbildung 1. Dynamik des Systems Erde. Langsame Prozesse wie die Plattentektonik (oben), rasche Prozesse wie Erdbeben (unten).

Für das System Erde sind diese Ereignisse Teil der normalen natürlichen Abläufe. Wir Menschen erleben diese Prozesse häufig als Naturkatastrophen, die meist viele Menschenleben fordern und enorme Schäden mit sich bringen.

Abschätzung des Risikos durch Naturgefahren – neue Möglichkeiten in den Geowissenschaften

Die Menschen sind der Natur aber nicht hilflos ausgeliefert. Die Geowissenschaften spielen eine entscheidende Rolle in der Abschätzung des Risikos durch Naturgefahren. Dazu gehören auf qualitativer Ebene die Bestimmung möglicher Ursachen und die Abschätzung der Folgewirkungen, aber auch die Entwicklung geeigneter Werkzeuge zur Quantifizierung der relevanten Prozesse. Sie spielen zudem beim Aufbau von Vorsorge- und Schutzmaßnahmen eine wichtige Rolle.

Satellitengeodäsie und Modellierungen

Für das Verständnis der komplexen, teilweise rückgekoppelten Dynamik des Systems Erde sind Raum-Zeit-Relationen sowie die integrative Betrachtung und Modellierung geologischer, physikalischer, hydrologischer und biologischer Prozesse notwendig. Vor allem die moderne Satellitengeodäsie und innovative Fernerkundungsmethoden haben unser heutiges Verständnis vom Planeten Erde besonders geprägt. Diese Ansätze haben in den letzten Jahren eine atemberaubende Entwicklung erfahren. Sie nehmen daher aktuell eine Sonderstellung in der geowissenschaftlichen Forschung und beim Monitoring des Systems Erde ein.

Mit ihnen ist es möglich geworden, in kurzer Zeitabfolge Messreihen von globalen bis zu regionalen Skalen zu erhalten. Die so gewonnenen Daten werden mit den Werkzeugen moderner Prozessierung und Modellierung bearbeitet und erhalten damit eine globale Konsistenz und Homogenität. Mit GPS-Methoden lassen sich beispielsweise kleinste Verschiebungen in der Erdkruste nachweisen. Zudem ist es möglich, den Zustand von Ionosphäre und Troposphäre zu überwachen – Daten, die für Wettervorhersagen und Klimaaussagen immer bedeutender werden. Aus Fernerkundungsdaten lassen sich zahlreiche charakteristische Eigenschaften der Böden und der Vegetation ableiten. Mit den Ergebnissen der Satellitenmissionen – mit GFZ Beteiligung - CHAMP, GRACE, GOCE und SWARM wird neben dem Magnetfeld insbesondere das Schwerefeld der Erde mit bisher nicht gekannter Detailgenauigkeit erfasst. Abbildung 2.

MOUSEHINTAbbildung 2. Die Potsdamer Schwerekartoffel. Schwerefeld der Erde bestimmt aus der präzisen Vermessung der Flugbahn der Geoforschungssatelliten LAGEOS, GRACE und GOCE sowie Oberflächendaten. Infolge der Massenunterschiede im Erdinnern ist das Schwerefeld nicht überall gleich. Diese Unregelmäßigkeiten sind in 13.000facher Überhöhung dargestellt. Südlich von Indien ist der Meeresspiegel um 110 m abgesenkt. (GFZ-Helmholtz-Zentrum Potsdam)

Mit Hilfe dieser Entwicklungen werden erstmals das Zirkulationsverhalten der Ozeane, Massenanomalien, Massentransport und Massenaustauschprozesse im Erdsystem sichtbar.

Die Forschungsergebnisse der letzten Jahre zeigen, dass sich Teilsysteme des Systems Erde ohne Berücksichtigung der Wechselwirkungen mit anderen Teilsystemen nicht vollständig untersuchen lassen. Dies läßt sich am Beispiel der Klimaveränderungen verdeutlichen.

Klimaänderungen

Es ist bekannt, dass sich das Klima in der Erdgeschichte immer wieder geändert hat. Weniger bekannt ist jedoch, dass sich das Klima gerade in den vergangenen 10.000 Jahren im Vergleich zur restlichen Erdgeschichte sehr stabil und damit außergewöhnlich verhalten hat. Das gegenwärtige Klima der Erde ist nicht repräsentativ für die längerfristigen Klimabedingungen, die auf der Erde seit etwa 600 Millionen Jahren und damit seit Beginn der intensiven Entwicklung des Lebens (Pflanzen, Tiere) geherrscht haben. Paläoklimatische bzw. geologische Studien zeigen, dass seit dieser Zeit ein viermaliger Wechsel von „Eishaus“ (mit großflächigen Vereisungen an den Polen) und „Treibhaus“ (keine Vereisung auf der Erde) stattgefunden hat. Der Normalzustand des Klimas ist aber nicht nur in langen Zeiträumen einem ständigen Wandel unterworfen. Ein bewegtes Auf und Ab, wie beispielsweise Temperaturänderungen von acht Grad innerhalb weniger Jahre im Spätglazial vor etwa 13.000 Jahren, wohingegen sich die heutigen Klimaschwankungen sehr gering abheben, ist Teil der Klimageschichte. Diese Variabilitäten auf verschiedenen Zeitskalen tragen wesentlich zum Verständnis der Klimadynamik bei und sind eine Basis für das Erkennen eines anthropogenen Einflusses, der heute aufgrund von Szenariensimulationen im Vordergrund der Diskussion steht.

Unwidersprochen findet, und zwar beginnend mit der Industrialisierung, ein Erderwärmungsprozess statt, wobei die globale Durchschnittstemperatur seit dem Jahr 2000 mehr oder weniger konstant geblieben ist. Ganz offensichtlich ist der Mensch durch ständig wachsende Treibhausgasemissionen an dieser rezenten Klimaerwärmung beteiligt. Abbildung 3.

MOUSEHINTAbbildung 3. Der Mensch als Klimafaktor. Schwankungen des CO2-Gehalts in der Atmosphäre.

Im Sinne einer vorsorgenden Umweltpolitik ist es deshalb richtig, eine Reduktion der Treibhausgasemissionen zu bewirken (Mitigation). Aufgrund der Trägheit des Klimasystems und der nach wie vor gegebenen Beteiligung natürlicher Faktoren an der Klimadynamik ist es ebenfalls ein Gebot der Stunde, Anpassungsstrategien mit Bezug auf Auswirkungen des Klimawandels zu entwickeln. Mit Bezug auf diese Anpassungsmaßnahmen, die immer auf bestimmte Regionen zugeschnitten werden müssen, sind regionalspezifische Veränderungen der Klimadynamik zu erforschen. Hier spielt auch die Paläoklimaforschung eine zentrale Rolle, weil der Blick in die erdgeschichtliche Vergangenheit mögliche Zukunftsszenarien eröffnet.

Bedarf an Nahrungsmitteln und erneuerbaren Rohstoffen

Hinzu kommt, dass die Menschheit mit einem steigenden Bedarf an Nahrungsmitteln und erneuerbaren Rohstoffen konfrontiert ist, der seine Ursache in einer wachsenden Weltbevölkerung und sich verändernden Konsumgewohnheiten hat. Dieser Trend und die zunehmende Exposition landwirtschaftlicher Systeme gegenüber klimatischen Veränderungen vor allem auf regionaler Skala erfordern eine Anpassung bestehender Landnutzungsformen und entsprechende technologische Weiterentwicklungen.

Moderne biologische und technologische Erkenntnisse und Verfahren für die intensive und gleichzeitig nachhaltige Produktion, Bereitstellung und Verarbeitung von Biomasse sind also notwendig, um einen Wandel in der industriellen Rohstoffbasis herbeizuführen und zur Minderung der Belastung der Umwelt sowie Schonung der endlichen Ressourcen der Erde beizutragen. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Ressource Boden. Abbildung 4.

MOUSEHINTAbbildung 4. Innovative Landnutzungsansätze, wie z. B. die Agroforstwirtschaft, ermöglichen hohe Erträge für Nahrungsmittel und Gehölze

Der landwirtschaftlich genutzte Boden ist ein bioökonomischer Produktionsfaktor, dessen langfristige ökonomische Leistungsfähigkeit sichergestellt werden muss. Innovative Landnutzungsansätze, wie z. B. die Agroforstwirtschaft, ermöglichen hohe Erträge für Nahrungsmittel und Gehölze bei gleichzeitigem Schutz der Ressource Boden und langfristiger Förderung der Kohlenstoffbindung.

Der Mensch als Geofaktor

Für unseren Planeten Erde gilt: Wandel ist die Konstante. Durch das rasche Wachstum der menschlichen Bevölkerung und den damit verbundenen Eingriffen in das System Erde hat sich der Mensch zum Geofaktor entwickelt. Somit steuern nicht nur – wie bislang in der erdgeschichtlichen Entwicklung – natürliche Faktoren und Prozesse die Dynamik unseres Planeten, sondern eben auch der wirtschaftende Mensch. Die dadurch induzierten Wirkungen werden häufig als globaler Wandel beschrieben, wobei der vom Menschen mitverursachte Klimawandel dieses neue Ursache-Wirkung-Gefüge in besonderer Weise belegt. Abbildung 5.

MOUSEHINTAbbildung 5. Vom System Erde zum System Erde-Mensch. Nicht nur natürliche Faktoren und Prozesse steuern die Dynamik unseres Planeten, sondern auch der wirtschaftende Mensch

Vor diesem Hintergrund stellt sich im Kontext Diversität und Wandel die Frage neu, inwieweit die Technik diese Effekte beherrschen kann. Bislang ist es dem vernunftbegabten Menschen in seiner soziokulturellen Entwicklung gelungen, die jeweils vorherrschenden Herausforderungen cum grano salis adäquat zu lösen. Beispiele hierfür sind, wie oben exemplarisch erläutert, Land- und Forstwirtschaft, Wasserbewirtschaftung, Ressourcennutzung oder der Schutz vor Naturgefahren, wie z.B. Tsunami-Frühwarnungssysteme. Gleichwohl stellt sich die Frage nach der Beherrschbarkeit der regional sehr verschiedenen Auswirkungen des globalen Wandels im sogenannten Anthropozän in einer qualitativ und quantitativ neuen Dimension.

Wir sind noch weit davon entfernt, die Erde und ihre Prozesse zu verstehen. Bei der unüberschaubaren Anzahl an nichtlinearen Wechselwirkungen, Umwandlungsprozessen und nicht berechenbaren Singularitäten ist es auch die Frage, ob unsere derzeitige Physik diesen komplexen Apparat „Planet Erde“ überhaupt beschreiben kann. Andererseits ist die Anthroposphäre, sind wir Menschen aktives Teilsystem in unserem eigenen Human Habitat, wie uns die Debatte um Rohstoffe, das Klima, Eingriffe in die Ökosysteme zeigen. Wir müssen also das System Erde möglichst gut verstehen, um in ihm bestehen zu können.

Menschen können als einzige Spezies des Planeten Erde vernunftgesteuert agieren. Sie haben daher auch das Potenzial, nicht nur die Erde zu nutzen, sondern die unvermeidlichen, teils negativen Folgewirkungen dieser Nutzung zu minimieren – im eigenen Interesse. Krieg, Terrorismus und Gewalt bedrohen Millionen von Menschen seit langem, aber auch in diesem Augenblick. Die Beseitigung dieser Menschheitsgefahren hat höchste Priorität. Es darf aber auch nicht übersehen werden, dass die ungebremste und unkontrollierte Nutzung der Schätze unseres Planeten gerade die Gefahr neuer Gewalt in sich birgt, man denke nur daran, welches Konfliktpotential der Rohstoff Wasser in weiten Regionen der Welt hat.

Fazit

Es ist es keine Überschätzung, wenn man formuliert, dass die Geoforschung und ihre Anwendung eine Schlüsselwissenschaft für das zukünftige Überleben der Menschheit darstellt. Das Wachstum der Weltbevölkerung stellt uns vor die Aufgabe, die Nutzung unseres Heimatplaneten so zu gestalten, dass eine nachhaltige Existenzsicherung auch für die nachfolgenden Generationen möglich ist. Die Geowissenschaften, das Verständnis des Systems Erde-Mensch, sind daher Leitdisziplinen für die Zukunft. Wir haben keinen Reserveplaneten zum Auswandern. Der Umgang mit unserer Erde muss sorgfältig erfolgen. Und dazu muss man sie möglichst gut kennen und verstehen.


1 Deutsches GeoForschungsZentrum Helmholtz-Zentrum Potsdam GFZ http://www.gfz-potsdam.de/zentrum/ueber-uns/

2 Deutsche Akademie für Technikwissenschaften (acatech) http://www.acatech.de/index.php?id=1

3 Einen gleichnamigen Vortrag hat Reinhard Hüttl anlässlich der Tagung „Diversität und Wandel Leben auf dem Planeten Erde“ gehalten, die im Rahmen der Kerner von Marilaun-Vorträge am 13. Juni 2014 im Festsaal der ÖAW in Wien stattfand. Ein Audio-Mitschnitt ist unter http://www.oeaw.ac.at/kioes/confdocs/audio%20wandel/07_Reinhard%20Huettl... abrufbar, eine Auswahl der von ihm gezeigten Bilder unter: http://www.oeaw.ac.at/kioes/confdocs/DUW2014/07-Huettl-System%20Erde_Aus...


Weiterführende Links

GFZ-Journal System Erde: http://www.gfz-potsdam.de/medien-kommunikation/infomaterial/system-erde-...
Reinhard Hüttl: Was wissen wir vom blauen Planeten? ZEIT ONLINE 04/2008 S. 33 http://www.zeit.de/2008/04/Huettl−Nachwort



Kommentare

Ganz guter Artikel, auch wenn

Ganz guter Artikel, auch wenn ich an einigen Stellen anderer Meinung bin.

Am besten gefällt mit die Feststellung: "Wir sind noch weit davon entfernt, die Erde und ihre Prozesse zu verstehen. Bei der unüberschaubaren Anzahl an nichtlinearen Wechselwirkungen, Umwandlungsprozessen und nicht berechenbaren Singularitäten ist es auch die Frage, ob unsere derzeitige Physik diesen komplexen Apparat „Planet Erde“ überhaupt beschreiben kann."

Ich finde offen gesagt,

Ich finde offen gesagt, dieser Artikel ist einer der besonders lesenswerten. Auch, wie es gleich nach Deinem Zitat weitergeht, wäre für so manchen Politiker, WIrtschaftstreibenden und Konsumenten mit qualitativem Erkenntnisgewinn verbunden:

»Andererseits ist die Anthroposphäre, sind wir Menschen aktives Teilsystem in unserem eigenen Human Habitat, wie uns die Debatte um Rohstoffe, das Klima, Eingriffe in die Ökosysteme zeigen. Wir müssen also das System Erde möglichst gut verstehen, um in ihm bestehen zu können.

Menschen können als einzige Spezies des Planeten Erde vernunftgesteuert agieren. Sie haben daher auch das Potenzial, nicht nur die Erde zu nutzen, sondern die unvermeidlichen, teils negativen Folgewirkungen dieser Nutzung zu minimieren – im eigenen Interesse.«

Oder das Fazit:

»Es ist es keine Überschätzung, wenn man formuliert, dass die Geoforschung und ihre Anwendung eine Schlüsselwissenschaft für das zukünftige Überleben der Menschheit darstellt. Das Wachstum der Weltbevölkerung stellt uns vor die Aufgabe, die Nutzung unseres Heimatplaneten so zu gestalten, dass eine nachhaltige Existenzsicherung auch für die nachfolgenden Generationen möglich ist. Die Geowissenschaften, das Verständnis des Systems Erde-Mensch, sind daher Leitdisziplinen für die Zukunft. Wir haben keinen Reserveplaneten zum Auswandern. Der Umgang mit unserer Erde muss sorgfältig erfolgen. Und dazu muss man sie möglichst gut kennen und verstehen.«

System Erde

Ein überaus zukunftsweisender Ansatz die Erde samt Bewohnern als System zu betrachten! (Ist der Begriff Systemgeologie passend oder vielleicht doch zu kurz gefasst? Vielleicht Systemplanetologie?)

Wie auch in der neuen Disziplin Systembiologie, ist das Hereinnehmen der Dynamik des Systems und der Rückkopplungen aller seiner Komponenten essentiell, damit man ein Modellieren ins Auge fassen kann. Die Dynamik ist allerdings schon die Achillesferse in der Biologie, die Datenlage ziemlich mager - der zeitliche Ablauf von Prozessen hat keinen grossen Kreis begeisterter Fans.

Noch schwieriger stelle ich mir eine Darstellung von langsamen/raschen Prozessen im System Erde vor. Quantitative Aussagen sind ja nur über eine sehr kurze Zeitspanne verfügbar, die Wechselwirkungen essentieller Komponenten, wie z.B. der Meere, noch wenig bekannt.

Allen Schwierigkeiten zum Trotz muss aber eine möglichst gute Kenntnis des Systems Erde angestrebt werden und eine daraus resultierende Vermeidung von Risiken/Gefahren und nachhaltige Nutzung von Möglichkeiten und Ressourcen, um die Existenz des Geofaktors Mensch zu sichern.

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