Umweltwissenschaften – Ökosysteme und nachhaltige Ressourcen

Umweltwissenschaften

Environmental Science
Die natürliche Welt ist in zusammenhängenden Einheiten organisiert, die man Ökosysteme nennt. Ein Ökosystem besteht aus einer physischen Umgebung, gekennzeichnet durch Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, sowie den lebenden Organismen und den Beziehungen zwischen ihnen. Seit der Entstehung des Menschen ermöglichen menschliche Aktivitäten es uns, Nahrung zu produzieren, zu wohnen und zu reisen. Dies bedeutet, dass Menschen Ressourcen nutzen und Auswirkungen auf die Ökosysteme haben, die sich in der natürlichen Umwelt zeigen. Auch Menschen unterliegen natürlichen Gefahren.

Der Einfluss des Menschen auf die Ökosysteme ist komplex und erfordert eine interdisziplinäre Wissenschaft, um Umweltprobleme zu identifizieren, zu verstehen und zu beheben. Die Umweltwissenschaften verbinden verwandte Disziplinen wie Chemie, Physik, Recht, Wirtschaft, Geologie, Biologie und Ethik.

1. Ökosysteme

Die natürliche Welt ist in zusammenhängenden Einheiten organisiert, die man Ökosysteme nennt. Ein Ökosystem besteht aus einer physischen Umgebung, gekennzeichnet durch Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, den lebenden Organismen und den Beziehungen zwischen ihnen.

2. Überfischung: Die Grenzen des Planeten

Eine natürliche Ressource ist alles, worauf die Menschheit zur Erfüllung ihrer Bedürfnisse zurückgreift. In Bezug auf die Nachhaltigkeit werden natürliche Ressourcen wie folgt klassifiziert:

• Nicht erneuerbar: nicht regenerierbar, wie z. B. Erdöl und Mineralien.
• Erneuerbar: Ressourcen, die sich regenerieren und nicht erschöpft werden, wenn sie nachhaltig genutzt werden.

Im Jahr 1600 lebten etwa 500 Millionen Menschen auf der Erde; für das Jahr 2050 werden etwa sechs Milliarden erwartet, sodass der Bedarf an natürlichen Ressourcen deutlich steigen wird. Dieses Wachstum ist nicht gleichmäßig verteilt: ein großer Teil der Zunahme wird in Ländern wie Indien und China erwartet. In vielen Regionen wächst die Bevölkerung mit Raten, die die Umweltressourcen nicht erhalten können. Der Planet steht vor Umweltproblemen wie Überfischung, Verschmutzung und Wüstenbildung.

3. Die Entwicklung: Der Weg nach vorn

Die Probleme aufgrund der Übernutzung der natürlichen Ressourcen des Planeten sind das Ergebnis eines ökonomischen Modells, das auf Verbrauch, Abfall und Umweltverschmutzung basiert. Die Lösung besteht in nachhaltiger Entwicklung, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne das Recht künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen.

Nachhaltige Entwicklung fördert ein Gleichgewicht zwischen den drei Dimensionen menschlicher Entwicklung: wirtschaftlich, sozial und ökologisch. Das Ergebnis dieser Bilanz ist die Verbesserung der Lebensqualität, eine gerechtere Verteilung zwischen Arm und Reich und der Erhalt des Planeten.

3.1 Ökologischer Fußabdruck

Der ökologische Fußabdruck ist ein Begriff, geprägt 1996 von William Rees und Mathis Wackernagel. Er ist ein Indikator, der die Fläche in Hektar angibt, die erforderlich ist, um die Ressourcen eines Bürgers, einer Stadt usw. bereitzustellen sowie die erzeugten Abfälle zu absorbieren und zu entgiften, unabhängig davon, wo diese Flächen lokalisiert sind. Das Hauptziel ist, die Auswirkungen auf den Planeten zu bewerten.

Der durchschnittliche ökologische Fußabdruck wurde durch Division der produktiven Flächen der Erde (ca. 6.000 Millionen Hektar) berechnet. Das Ergebnis war etwa 1,7 ha pro Person. Der tatsächliche Verbrauch pro Kopf und Jahr liegt jedoch bei etwa 2,8 ha. Weltweit verbrauchen wir mehr Ressourcen und produzieren mehr Abfälle, als die Erde nachhaltig liefern und verarbeiten kann; unsere Lebensweise ist daher nicht nachhaltig.

Wir ziehen daraus drei Konsequenzen:

• Es ist notwendig, das Bevölkerungswachstum zu reduzieren.
• Der Lebensstil der reichsten Länder kann nicht auf alle Menschen ausgeweitet werden.
• Es ist erforderlich, den Konsum zu senken.

4. Energiequellen

Bevölkerungswachstum und wirtschaftliche Entwicklung führen zu einem hohen Energieverbrauch. Fossile Brennstoffe sind die am häufigsten genutzten Energieträger und gelten als nicht erneuerbare Energiequellen. Ein weiterer Nachteil ist, dass fossile Brennstoffe schadstoffbelastende Substanzen erzeugen.

In den letzten Jahrzehnten wurde die Nutzung erneuerbarer Energiequellen gefördert.

4.1 Konventionelle Energien

Zu den konventionellen Energien zählen fossile Brennstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas), Kernenergie und Wasserkraft.

4.1.1 Fossile Brennstoffe

Fossile Brennstoffe sind aus der Anhäufung, Begrabung und Umwandlung organischer Materie entstanden und umfassen Kohle, Erdöl und Erdgas. Sie sind die wichtigsten Energiequellen mit hohem Heizwert. Diese Energieträger können direkt in Heizkesseln (Kohle und Erdgas) verwendet oder nach Verarbeitung (Erdöl) auch für die Stromerzeugung genutzt werden. Öl ist für die moderne Gesellschaft unverzichtbar, da daraus Benzin, Kunststoffe, Wachse, Reinigungsmittel und Textilien gewonnen werden. Es handelt sich um eine endliche Ressource, die eines Tages zur Neige gehen wird.

4.1.2 Kernenergie

Kernenergie entsteht, wenn Masse in Energie umgewandelt wird. Es gibt zwei Arten: Kernspaltung und Kernfusion. Bei der Spaltung zerbrechen große Atomkerne; bei der Fusion verschmelzen kleine Atomkerne. In beiden Reaktionen wird Energie freigesetzt. Derzeit wird vor allem Kernspaltungsenergie genutzt. Kernspaltung erzeugt große Energiemengen, die zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden. Ein wesentliches Problem ist die Endlagerung des radioaktiven Abfalls, da er über sehr lange Zeiträume aktiv bleibt.

4.1.3 Wasserkraft

In Wasserkraftwerken nutzt man die Energie fallenden Wassers, das eine Turbine antreibt und so Strom erzeugt. Wasserkraftanlagen sind wartungsarm und produzieren keine direkten Schadstoffe. Der Bau von Staudämmen verändert jedoch das Fluss-Ökosystem und kann wandernden Fischen unüberwindbare Hindernisse schaffen. Heute werden vermehrt kleine Wasserkraftwerke gebaut, die geringere Auswirkungen verursachen.

4.2 Erneuerbare Energien

Erneuerbare Energien haben eine geringere Umweltbelastung und sind im praktischen Sinn unerschöpflich. Die Europäische Union strebte beispielsweise an, bis 2012 zwölf Prozent der Energie aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen; zu einem früheren Zeitpunkt lag der Anteil bei etwa sechs Prozent. Zu den erneuerbaren Energien gehören:

4.2.1 Solarenergie

Die Solarenergie erreicht die Erde in Form elektromagnetischer Strahlung (Licht und Wärme) von der Sonne. Sie kann direkt genutzt oder in andere Energieformen umgewandelt werden, z. B. solarthermisch für Warmwasser und Photovoltaik zur Stromerzeugung. Ihr Hauptnachteil ist die Abhängigkeit vom Wetter.

4.2.2 Windenergie

Windenergie nutzt die kinetische Energie des Winds zur Stromerzeugung. Dazu werden Windturbinen installiert, die häufig in sogenannten Windparks zusammengefasst sind. Windenergie hat Umweltauswirkungen durch die Errichtung der Anlagen und eine schwankende Leistung.

4.2.3 Biomasse

Biomasse wird aus organischen Abfällen gewonnen, hauptsächlich pflanzlicher Herkunft. Sie kann direkt verbrannt werden, um Dampf in Industrieanlagen zu erzeugen, oder zur Herstellung von Biokraftstoffen (Ethanol, Methanol, Biodiesel) verwendet werden. Zwar dient Biomasse der Abfallentsorgung, dennoch entstehen bei der Verbrennung Emissionen wie CO₂ und die energetische Effizienz kann gering sein.

4.2.4 Geothermie

Geothermische Energie wird durch Nutzung von heißem Wasser oder Dampf aus dem Erdinneren gewonnen. Sie ist vor allem in vulkanisch aktiven Regionen nutzbar.

4.2.5 Meeresenergie

Meeresenergie stammt aus der Bewegung von Meerwasser oder aus Temperaturunterschieden zwischen verschiedenen Wasserschichten. Diese Form der Energie ist noch wenig entwickelt.

5. Natürliche Ressource: Wasser

Über 70 % der Erdoberfläche ist von Wasser bedeckt, und Wasser ist Grundvoraussetzung für Leben auf unserem Planeten. Der Großteil des Wassers ist salzig und für die direkte Nutzung durch Menschen ungeeignet. Nur ein kleiner Teil ist Süßwasser, das zur Nutzung zur Verfügung steht. Trinkwasser ist Wasser, das für den menschlichen Verzehr geeignet ist.

Der Wasserverbrauch pro Person hat im 20. Jahrhundert deutlich zugenommen. Ursachen dieser Zunahme sind unter anderem:

• Änderungen in der Ernährung mit erhöhtem Fleischkonsum, dessen Produktion mehr Wasser erfordert als eine vegetarische Ernährung.
• Ausbau der Infrastruktur, z. B. Gesundheitswesen, das Wasser für Abwasser und Reinigung benötigt.
• Migration in städtische Gebiete, in denen der Pro-Kopf-Verbrauch oft höher ist.

Der Zugang zu Wasser ist nicht weltweit gleich verteilt. Nach Angaben der Vereinten Nationen haben mehr als eine Milliarde Menschen keinen Zugang zu Trinkwassersystemen, und fast die Hälfte der Weltbevölkerung fehlt eine grundlegende sanitäre Versorgung.

5.1 Wasser: eine lebenswichtige Ressource

Die Geschichte der Menschheit wurde wesentlich durch die Verfügbarkeit von Wasser geprägt, die das Entstehen und Gedeihen von Kulturen begünstigte. Viele Städte sind an Flüssen entstanden. Obwohl Wasser zwei Drittel unseres Planeten bedeckt, kann eine kleine Änderung des Volumens oder der Zusammensetzung erhebliche Auswirkungen auf Lebewesen haben. Wasser ist für alle biochemischen Reaktionen und Prozesse lebender Organismen erforderlich.

Wasser wird in der Erdkruste zwischen Ozeanen, Atmosphäre und Kontinenten verteilt und durch einen kontinuierlichen Austausch im Wasserkreislauf gehalten.

5.2 Nutzungen des Wassers

Wird Wasser in einer Aktivität genutzt und kann danach nicht wiederverwendet werden, so handelt es sich um eine konsumtive Nutzung, z. B. in der Landwirtschaft, Industrie und in städtischen Anwendungen. Kann Wasser nach der Nutzung wiederverwendet werden, so spricht man von einer nicht-konsumtiven Nutzung, z. B. in der Energieerzeugung oder für die Schifffahrt.

Der größte Anteil des Wassersverbrauchs entfällt auf Landwirtschaft und Viehzucht, mit mehr als 70 %. Der höchste Bedarf entsteht durch Bewässerung. Industrielle Aktivitäten nutzen Wasser als Ausgangsstoff für chemische Prozesse, als Kühlmittel, zur Reinigung etc. und machen etwa 22 % des Verbrauchs aus. Der städtische Verbrauch beträgt etwa 8 % und hängt vom Lebensstandard, der Bevölkerungszahl und der wirtschaftlichen Entwicklung ab.

5.3 Übermäßige Nutzung von Wasser

Wasser wird aus Flüssen, Bächen, Seen und Grundwasser gewonnen. Solange Wasser in einem Tempo genutzt wird, das kleiner oder gleich dem Erneuerungstempo ist, bleiben die Vorräte erhalten. In vielen Regionen sind die Reserven jedoch alarmierend gesunken, besonders beim Grundwasser.

Übernutzung des Grundwassers bedeutet, dass aus Aquiferen schneller entnommen wird, als sie wieder aufgefüllt werden. In einigen Küstengebieten kann dies zu Versalzung des Grundwassers führen. Landwirtschaftliche Abwässer, industrielle und städtische Abwässer sind die wichtigsten Schadstoffquellen für Süßwasser. In landwirtschaftlichen Regionen können sich durch Gülleeinträge Nitrate und Ammoniak ansammeln. Industrieabwässer können Schwermetalle und Pestizide enthalten.

5.4 Wasser-Management-Plan in Aktion

Wasserwirtschaftliche Planung zielt darauf ab, die Wassernutzung zu regulieren, Lösungen für sinkende Wasservorkommen zu finden und die Ansprüche der Bevölkerung im Rahmen nachhaltiger Entwicklung zu erfüllen. Maßnahmen zur optimalen Wassernutzung umfassen Einsparungen sowie technische und politische Maßnahmen:

• Einsparmaßnahmen: Verringerung des Verbrauchs in verschiedenen Aktivitäten:
  • Reduzierung des landwirtschaftlichen Verbrauchs durch Verbesserung der Bewässerungssysteme und Anpassung der Kulturpflanzen an die jeweilige Zone.
  • Reduzierung des industriellen Verbrauchs durch Einsatz wasserarmer Technologien.
  • Reduzierung des städtischen Verbrauchs durch sparsame Geräte.
• Technische Maßnahmen: Schaffung von Infrastruktur zur Erhöhung der Wasserverfügbarkeit, z. B. Staubecken, Talsperren, Wasserleitungen und Entsalzungsanlagen.
• Politische Maßnahmen: Entwicklung von Gesetzen und Vereinbarungen, um die Wasserknappheit in betroffenen Gebieten zu überwinden.

6. Sonstige natürliche Ressourcen

6.1 Boden: Lebensgrundlage

Der Boden ist eine dünne Schicht auf der Erdoberfläche, bestehend aus einer Mischung von Mineralien, organischer Substanz, Lebewesen, Luft und Wasser, die das Wachstum von Pflanzen unterstützt. Die Bodenbildung beginnt mit der Besiedlung von Gesteinsflächen durch Pionierlebewesen wie Flechten, die mit der Zeit das Gestein verwittern. Die Reste der Flechten und anderer Organismen zersetzen sich und vermischen sich mit dem verwitterten Material. Zersetzer wandeln organische Reste in Nährstoffe um, die für Pflanzen verfügbar werden.

Mit fortschreitender Bodenentwicklung können größere Pflanzen wie Moose und Farne Fuß fassen; deren Wurzeln und Pflanzenreste tragen zur Bildung einer dickeren, reiferen Bodenschicht bei. Der Boden dient als Substrat für Pflanzen und stellt Nährstoffe sowie Wasser bereit.

Die Anteile der Bodenkategorien variieren, ein typischer, ausgewogener Boden enthält etwa 45 % Mineralien, 25 % Luft, 25 % Wasser und 5 % organische Substanz. Bei der Bodenbildung entstehen in der Tiefe verschiedene Schichten, die als Horizonte bezeichnet werden.

Der Boden ist eine nicht erneuerbare Ressource, die für das Überleben von Ökosystemen essentiell ist. Zu den wichtigsten Bedrohungen für den Boden zählen Erosion, Verlust organischer Substanz, Verschmutzung, Versalzung, Verdichtung, Verlust der biologischen Vielfalt, Erdrutsche und Überschwemmungen.

6.2 Nutzungen des Bodens

Die bedeutendste Nutzung des Bodens erfolgt durch Landwirtschaft und Viehzucht. Auch die Ausdehnung urbaner Gebiete verändert die Böden. Folgen sind Lebensraumverlust, Landschaftsfragmentierung und Verringerung des für Arten verfügbaren Raums. In ölproduzierenden Ländern kann wirtschaftliches Wachstum oft auf Kosten der Bodengesundheit erfolgen.

Acker- und Weideflächen nehmen weltweit einen erheblichen Teil der Erdoberfläche ein; in einigen Ländern, beispielsweise in Spanien, beträgt der Anteil landwirtschaftlich genutzter Fläche bis zu 50 %, wobei ein großer Anteil für regenfeldabhängige Kulturen verwendet wird.

7. Internationale Verpflichtungen

Seit Jahrzehnten steht die Menschheit vor einer ökologischen Krise und versucht, Probleme durch Gipfeltreffen und internationale Verträge anzugehen. Einige historische Meilensteine in der internationalen Auseinandersetzung mit Umweltproblemen sind:

• Konferenz von Stockholm 1972: Die Teilnehmer einigten sich auf eine gemeinsame ökologische Vision der Welt und des Einflusses des Menschen auf die Umwelt.
• Konferenz über Umwelterziehung in Tiflis 1980: Es wurde erkannt, dass Umweltbildung ein wirksamer Mechanismus ist, um Umweltzerstörung zu bekämpfen.
• Brundtland-Bericht 1987: Das Dokument übt Kritik am Entwicklungsmodell der Industrieländer und definiert die Idee der nachhaltigen Entwicklung.
• Konferenz über Umwelt und Entwicklung (Erdgipfel) in Rio de Janeiro 1992: Es wurden spezifische Verpflichtungen in Bezug auf Klimawandel und Biodiversität getroffen und Dokumente wie die Agenda 21 zu Strategien für nachhaltige Entwicklung erarbeitet.
• UN-Rahmenübereinkommen über Klimaänderungen und folgende Ereignisse: New York 1992, Kyoto-Protokoll 1997, Konferenz in Buenos Aires 1998, Den Haag 2000, Weltgipfel zur nachhaltigen Entwicklung in Johannesburg 2002 und der Klimagipfel in Bali 2007.

Die Verantwortung der Bürger besteht darin, global zu denken und lokal zu handeln, durch Maßnahmen, die zur nachhaltigen Entwicklung beitragen, wie Wassersparen, Energieeinsparung und Recycling.