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8.5.1.1: Globale Wetter- und Klimaeinflüsse - Biologie

8.5.1.1: Globale Wetter- und Klimaeinflüsse - Biologie


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Die Klima einer Region beschreibt die durchschnittlichen atmosphärischen Bedingungen (Temperatur und Niederschlag), die diese Region erfährt, und wie stark diese Bedingungen über die Jahreszeiten und Jahre hinweg variieren. Klima unterscheidet sich von Wetter in diesem Wetter sind die atmosphärischen Bedingungen zu einem bestimmten Zeitpunkt, während das Klima die langfristigen Durchschnitte, Muster oder Trends sind. Auf diese Unterscheidung wird im Kapitel zum Klimawandel näher eingegangen.

Das Klima wird stark von der Form der Erde, der Neigung der Erdachse und dem Muster der Erdbewegung um die Sonne beeinflusst. Erstens ist die Erde eine Kugel, was bedeutet, dass die Intensität der Sonnenenergie über die Breitengrade variiert (Abb. 2.3.2). In der Nähe des geografischen Äquators (0° Breite) treffen die Sonnenstrahlen direkt auf die Erde und liefern pro Flächeneinheit eine hohe Wärme- und Lichtmenge. In hohen Breiten (näher an den Polen) treffen die Sonnenstrahlen schräg auf die Erde und Wärme und Licht werden über einen größeren Bereich der Erdoberfläche verteilt. Somit ist die Kugelform der Erde für das Gesamtmuster der wärmeren Durchschnittstemperaturen in der Nähe des Äquators und der kühleren Durchschnittstemperaturen in Richtung der Pole verantwortlich (Abb. 2.3.3).

Abbildung (PageIndex{1}): Beziehung zwischen der Form der Erde und der Neigung zur Sonnenenergie. Figur erstellt von L Gerhart-Barley mit biorender.com

Abbildung (PageIndex{2}): Globale Muster der jährlichen Durchschnittstemperatur an Land. Bild von Wikimedia Commons1.

Der solare Energieeintrag beeinflusst auch die Niederschlagsmuster und die atmosphärische Zirkulation (Abb. 2.3.4). Am geografischen Äquator, wo die Sonnenenergie intensiv ist, dehnt sich die warme Luft aus und steigt auf. Wenn es die obere Atmosphäre erreicht, kühlt es ab. Da kühlere Luft nicht so viel Wasserdampf aufnehmen kann wie warme Luft, verlieren diese kühlenden, kondensierenden Luftmassen einen Großteil ihrer Feuchtigkeit als Niederschlag. Diese Luftmassen bewegen sich vom Äquator weg, nach Norden oder Süden. Etwa 30° nördlicher und südlicher Breite fallen diese kühlen, trockenen Luftmassen zur Erdoberfläche zurück. Wenn sie sich der Oberfläche nähern, erwärmen sie sich und nehmen Feuchtigkeit aus der unteren Atmosphäre auf, was zu trockenen Regionen um die Breiten 30° N und 30° S führt. Diese Luftmassen bewegen sich dann zurück in Richtung Äquator, wo sie sich erwärmen, mehr Feuchtigkeit aufnehmen und wieder aufsteigen, wodurch der Luftbewegungszyklus zwischen 0° (dem geografischen Äquator) und 30° N und 30° S abgeschlossen wird (Abb. 2.3.4). . Dieser Kreislauf der Luftbewegung heißt a Hadley Zelle. Ähnliche Zellen existieren von 30° bis 60° Breiten (genannt Ferrel-Zellen) und von 60° bis 90° Breiten (genannt Polarzellen), obwohl die Hadley-Zelle die stärkste ist, da sie dort zentriert ist, wo die Sonnenenergie am intensivsten ist. Die Kugelform der Erde und ihr Einfluss auf diese atmosphärischen Zellen bestimmen daher das Gesamtmuster des globalen Niederschlags, insbesondere die reichlich hohen Niederschläge in der Nähe des geografischen Äquators und die extrem niedrigen Niederschläge in den Breitengraden 30°N und 30°S (Abb. 2.3 .). .5)


Abbildung (PageIndex{3}): Zusammenhang zwischen Sonnenenergie, Luftmassenbewegung und globalen Niederschlagsmustern. Rote Pfeile weisen auf warme Luftmassen hin, blaue Pfeile auf kühle Luftmassen. Figur erstellt von L Gerhart-Barley mit biorender.com

Abbildung (PageIndex{4}): Globaler durchschnittlicher Jahresniederschlag für terrestrische Ökosysteme. Bild von Wikimedia Commons2.

Wie in Abbildung 2.3.2 erwähnt, ist die Erdachse um etwa 23,5° von der Vertikalen geneigt. Die Ausrichtung der Achse bleibt konstant, wenn sich die Erde um die Sonne dreht, was bedeutet, dass die Intensität der Sonnenstrahlung, die eine bestimmte Region empfängt, im Laufe des Jahres variiert und Jahreszeiten erzeugt (Abb. 2.3.6). Im Dezember ist die Nordhalbkugel von der Sonne weg geneigt und erhält daher weniger intensive Sonnenenergie, während die Südhalbkugel zur Sonne geneigt ist und daher intensivere Sonnenenergie erhält. Folglich ist der Dezember auf der Nordhalbkugel Winter und auf der Südhalbkugel Sommer. Im Juni ist das Gegenteil der Fall; die Südhalbkugel ist von der Sonne weg und die Nordhalbkugel ist der Sonne zugewandt. Folglich ist der Juni auf der Nordhalbkugel Sommer und auf der Südhalbkugel Winter. Zwischen diesen Extremen liegen im September und März die Jahreszeiten Herbst und Frühling.


Die Neigung der Erdachse bewirkt auch Änderungen der Tageslänge, die an die Jahreszeiten gebunden sind; der Sommer hat längere Tage als der Winter. 21. Dezember und 21. Juni sind die Extreme für die Tageslänge, genannt Sonnenwenden. Am 21. Dezember hat die Nordhalbkugel ihren kürzesten Tag (weil sie von der Sonne abgewinkelt ist) und die Südhalbkugel ihren längsten Tag (weil sie zur Sonne hin abgewinkelt ist). Ebenso hat die Südhalbkugel am 21. Juni ihren kürzesten Tag und die Nordhalbkugel ihren längsten Tag. Je näher eine Region am Pol ist, desto stärker ändert sich die Tageslänge, sodass Regionen nördlich des Polarkreises (~66,5° N) oder südlich des Polarkreises (~66,5° S) zwischen 24 Stunden Tageslicht zur Sommersonnenwende und 24 Stunden Nacht zur Wintersonnenwende. Auf halbem Weg zwischen den Sonnenwenden am 21. September und 21. März sind Tag und Nacht gleich lang, genannt An Tagundnachtgleiche. Die Tagundnachtgleiche im September ist der Herbst für die nördliche Hemisphäre und der Frühling für die südliche Hemisphäre. Die März-Tagundnachtgleiche ist der Frühling für die nördliche Hemisphäre und der Herbst für die südliche Hemisphäre.

Abbildung (PageIndex{5}): Zusammenhang zwischen der Neigung der Erdachse und ihrer Umlaufbahn um die Sonne. Figur erstellt von L Gerhart-Barley mit biorender.com

Notiz

Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass die Jahreszeiten durch die Entfernung der Erde von der Sonne bestimmt werden, wobei wärmere Jahreszeiten auftreten, wenn die Erde nahe an der Sonne ist, und kühlere Jahreszeiten auftreten, wenn die Erde weit von der Sonne entfernt ist. Der Abstand der Erde von der Sonne bestimmt nicht die Jahreszeiten. Das Jahreszeitenmuster im Laufe des Jahres wird ausschließlich durch die Neigung der Erdachse bestimmt, die die Intensität der Sonnenstrahlung das ganze Jahr über verändert. Wärmere Jahreszeiten treten auf, wenn die Sonnenenergie intensiver ist, und kühlere Jahreszeiten treten auf, wenn die Sonnenenergie weniger intensiv ist.

Abbildung (PageIndex{6}): Der Abstand der Erde von der Sonne hat keinen Einfluss auf die Jahreszeiten. Die Jahreszeiten werden ausschließlich durch die Neigung der Erdachse bestimmt, während sie um die Sonne kreist. Figur erstellt von L Gerhart-Barley mit biorender.com

Im Durchschnitt ist die Erde etwa 93 Millionen Meilen von der Sonne entfernt. Dieser Abstand variiert geringfügig, da die Umlaufbahn der Erde um die Sonne eine Ellipse und kein perfekter Kreis ist und sich die Sonne nicht im Mittelpunkt der Ellipse befindet. Folglich ist die Erde in einigen Teilen ihrer Umlaufbahn näher an der Sonne als an anderen Punkten der Umlaufbahn. Die Dezember-Sonnenwende, wie in der Abbildung oben (2.4.6) gezeigt, ist Winter auf der Nordhalbkugel, weil die Sonnenintensität geringer ist, obwohl die Erde in diesem Teil der Umlaufbahn näher an der Sonne ist. In ähnlicher Weise ist die Juni-Sonnenwende aufgrund der höheren Sonnenintensität Sommer auf der Nordhalbkugel, obwohl die Erde in diesem Teil der Umlaufbahn weiter von der Sonne entfernt ist.

Der in Abbildung 2.3.4 dargestellte Hadley-Zell-Prozess ist dort zentriert, wo die Sonnenenergie am intensivsten ist, die sogenannte thermischer Äquator. Der geographische Äquator (0° Breite) bewegt sich nicht; Die Neigung der Erdachse und die Erdumlaufbahn um die Sonne bedeuten jedoch, dass der thermische Äquator manchmal am geographischen Äquator und manchmal nördlich oder südlich davon liegt. Die Bewegung des thermischen Äquators folgt einem vorhersehbaren Muster, das mit den oben beschriebenen Jahreszeiten, Sonnenwenden und Tagundnachtgleichen verbunden ist. Zu jeder Sonnenwende im Dezember befindet sich der thermische Äquator am südlichen Extrem. Nach der Sonnenwende im Dezember beginnt sich der thermische Äquator nach Norden zu bewegen. Er überquert den Äquator um die Tagundnachtgleiche im September und bewegt sich weiter nach Norden, wobei er zur Juni-Sonnenwende sein nördliches Extrem erreicht. Nach der Juni-Sonnenwende beginnt sie sich nach Süden zu bewegen, überquert den Äquator während der März-Tagundnachtgleiche und erreicht ihr südliches Extrem zur Dezember-Sonnenwende erneut. Beachten Sie, dass Abbildung 2.3.6 nicht maßstabsgetreu ist und die Bewegung des thermischen Äquators nicht so extrem ist, wie die Abbildung impliziert.


Der Niederschlag, der von den Hadley-Cell-Luftmassen erzeugt wird, während sie aufsteigen, sich ausdehnen und abkühlen, erzeugt ein Band von Regenwolken, die als bezeichnet werden Intertropische Konvergenzzone (ITCZ). Die ITCZ ​​folgt dem thermischen Äquator, während er sich das ganze Jahr über nach Norden und Süden bewegt (Abb. 2.3.8); Da sich die ITCZ ​​jedoch in der oberen Atmosphäre befindet, wird sie auch von Luftströmungen beeinflusst und bildet daher nicht immer ein gerades oder festes Band, sondern kann sich in einigen Jahreszeiten oder in einigen Gebieten sogar in zwei Bänder aufspalten.

Abbildung (PageIndex{7}): Die Lage der Intertropical Convergence Zone (ITCZ) im Juli und Januar. Bild von Wikimedia Commons3.

Alle in diesem Abschnitt besprochenen Konzepte sind miteinander verknüpft. Die Kugelform der Erde erzeugt Unterschiede in der Sonnenintensität, und die maximale Sonnenintensität tritt am thermischen Äquator auf. Das Zentrum der Hadley-Zelle ist mit dem thermischen Äquator verbunden, und die aufsteigenden Luftmassen im Zentrum der Hadley-Zelle bilden die ITCZ-Wolkenbänder, die sich dann auch ungefähr über dem thermischen Äquator befinden (mit einigen Variationen aufgrund von atmosphärischen Strömungen). . Der Betrieb der Hadley-Zelle treibt Regionen mit intensivem Regen im Zentrum der Zelle über dem thermischen Äquator und Regionen mit intensiver Trockenheit auf 30°N und 30°S Breite. Die Neigung der Erdachse und die Umlaufbahn der Erde um die Sonne führen dazu, dass sich der thermische Äquator (und damit das Zentrum der Hadley-Zelle und der ITCZ) das ganze Jahr über nach Norden und Süden bewegt und während der Juni-Sonnenwende sein nördliches Extrem erreicht südliches Extrem bei der Dezember-Sonnenwende und in der Nähe des geographischen Äquators (0° Breite) zur September- und März-Tagundnachtgleiche.

Die globalen Muster von Temperatur (Abb. 2.3.3) und Niederschlag (Abb. 2.3.5) korrelieren mit globalen Mustern der Biodiversität (Abb. 2.3.9). Regionen in der Nähe des Äquators (mit hohen Temperaturen und hohem Niederschlag) weisen tendenziell eine höhere Diversität auf, während Regionen in höheren Breiten (näher an den Polen) eine insgesamt geringere Diversität aufweisen. Dieses Muster wird als bezeichnet Breitengradientengradient, und wurde in vielen Organismengruppen dokumentiert, sowohl terrestrisch als auch im Wasser. Dieser Gradient wird im Kapitel über Biome genauer besprochen.

Abbildung (PageIndex{8}): Globale Muster der terrestrischen Wirbeltiervielfalt. Bild von Wikimedia Commons4.


Faktoren, die das Klima beeinflussen

Höhen- oder Höheneffekt Klima
Normalerweise werden die klimatischen Bedingungen mit zunehmender Höhe kälter. „Lebenszonen“ auf einem hohen Berg spiegeln die Veränderungen wider, Pflanzen an der Basis sind die gleichen wie im Umland, aber über der Baumgrenze können überhaupt keine Bäume wachsen. Schnee krönt die höchsten Erhebungen.

Vorherrschende globale Windmuster
Es gibt 3 Hauptwindmuster auf der Nordhalbkugel und auch 3 auf der Südhalbkugel. Dies sind durchschnittliche Bedingungen und geben im Wesentlichen keine Bedingungen an einem bestimmten Tag wieder. Wenn sich die Jahreszeiten ändern, verschieben sich die Windmuster nach Norden oder Süden. Ebenso die intertropische Konvergenzzone, die sich über den Äquator hin und her bewegt. Segler nannten diese Zone die Flaute, weil die Winde normalerweise schwach sind.

Breitengrad und Winkel der Sonnenstrahlen. Wenn die Erde die Sonne umkreist, verursacht die Neigung ihrer Achse Änderungen des Winkels, in dem die Sonnenstrahlen die Erde berühren, und ändert somit die Tageslichtstunden in verschiedenen Breitengraden. Polarregionen weisen die größten Unterschiede auf, mit langen Perioden mit eingeschränkter oder fehlender Sonneneinstrahlung im Winter und bis zu 24 Stunden Tageslicht im Sommer.

Topographie
Die Topographie eines Gebietes kann unser Klima stark beeinflussen. Gebirgszüge sind natürliche Hindernisse für die Luftbewegung. In Kalifornien tragen Winde vom Pazifischen Ozean feuchte Luft in Richtung Küste. Die Coastal Range lässt etwas Kondensation und leichten Niederschlag zu. Im Landesinneren gibt es in der höheren Sierra Nevada mehr Niederschlag in der Luft. An den Westhängen der Sierra Nevada erwärmt sich sinkende Luft durch Kompression, Wolken verdunsten und es herrscht Trockenheit.

Auswirkungen der Geographie
Die Lage einer Stadt, einer Stadt oder eines Ortes und ihre Entfernung von Bergen und großen Wasserflächen bestimmen ihre vorherrschenden Windmuster und welche Arten von Luftmassen sie beeinflussen. Küstengebiete können im Sommer eine erfrischende Brise genießen, wenn kühlere Meeresluft an Land strömt. Orte südlich und östlich der Großen Seen können im Winter mit „Seeeffekt“-Schnee rechnen, wenn kalte Luft über relativ wärmere Gewässer strömt.

Im Frühjahr und Sommer halten die Menschen in der Tornado Alley in der Mitte der USA Ausschau nach Gewittern, diese Stürme werden dort verursacht, wo häufig drei Arten von Luftmassen zusammenlaufen: kalt und trocken aus dem Norden, warm und trocken aus dem Südwesten und warm und feucht aus Golf von Mexiko - diese kollidierenden Luftmassen erzeugen oft Tornadostürme.

Erdoberfläche
Schauen Sie sich einfach einen beliebigen Globus oder eine Weltkarte an, die die Landbedeckung zeigt, und Sie werden einen weiteren wichtigen Faktor sehen, der das Klima beeinflusst: die Erdoberfläche. Die Menge des Sonnenlichts, die von der Oberfläche absorbiert oder reflektiert wird, bestimmt, wie viel atmosphärische Erwärmung auftritt. Dunklere Bereiche, wie zum Beispiel stark bewachsene Regionen, neigen dazu, gute Absorber zu sein, hellere Bereiche, wie zum Beispiel schnee- und eisbedeckte Regionen, neigen dazu, gute Reflektoren zu sein. Der Ozean absorbiert und verliert Wärme langsamer als das Land. Sein Wasser gibt nach und nach Wärme an die Atmosphäre ab, die dann die Wärme rund um den Globus verteilt.

Klimawandel im Laufe der Zeit
Kalte und warme Perioden unterstreichen die lange Geschichte der Erde. Einige waren ziemlich kurz, andere erstreckten sich über Hunderttausende von Jahren. In einigen kalten Perioden wuchsen Gletscher und breiteten sich über große Regionen aus. In den darauffolgenden warmen Perioden zog sich das Eis zurück. Jede Periode hatte tiefgreifende Auswirkungen auf das Pflanzen- und Tierleben. Die jüngste kühle Periode, die oft als „Kleine Eiszeit“ bezeichnet wird, endete in Westeuropa um 1850.

Seit der Jahrhundertwende steigen die Temperaturen weltweit stetig an. Es ist jedoch noch nicht klar, wie viel von dieser globalen Erwärmung auf natürliche Ursachen und wie viel auf menschliche Aktivitäten wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Rodung von Wäldern zurückzuführen ist.


Auswirkungen des Klimawandels auf Meeresorganismen und Ökosysteme

Durch menschliche Aktivitäten werden jährlich Gigatonnen Kohlenstoff in die Erdatmosphäre freigesetzt. Zu den direkten Folgen kumulativer postindustrieller Emissionen gehören steigende globale Temperaturen, gestörte regionale Wettermuster, steigende Meeresspiegel, Versauerung der Ozeane, veränderte Nährstofffrachten und veränderte Ozeanzirkulation. Diese und andere physikalische Folgen wirken sich auf die biologischen Prozesse des Meeres von den Genen bis zu den Ökosystemen aus, von Gesteinsbecken bis hin zu Meeresbecken, beeinträchtigen die Ökosystemleistungen und bedrohen die menschliche Ernährungssicherheit. Die Geschwindigkeiten der physischen Veränderung sind in einigen Fällen beispiellos. Der biologische Wandel wird wahrscheinlich entsprechend schnell vonstatten gehen, obwohl die Widerstandsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit von Organismen und Ökosystemen sehr unterschiedlich sind. Biologische Veränderungen, die auf einer physiologischen Reaktion beruhen, manifestieren sich als Veränderungen des Artenspektrums, Invasionen und Aussterben sowie als Verschiebungen des Ökosystems. Angesichts der wesentlichen Rolle, die Ozeane für die planetarische Funktion und die Bereitstellung der menschlichen Nahrung spielen, besteht die große Herausforderung darin, einzugreifen, bevor mehr Kipppunkte überschritten werden und marine Ökosysteme weniger gepufferten terrestrischen Systemen weiter unten in einer Abwärtsspirale folgen. Obwohl die Biotechnologie der Ozeane Veränderungen lindern kann, ist dies nicht ohne Risiko. Die wichtigste Bremse für den Klimawandel bleiben reduzierte CO2-Emissionen, für die Meeresforscher und Hüter der Meeresumwelt Lobbyarbeit leisten und zu denen sie beitragen können. Dieser Review beschreibt den aktuellen Klimawandel, stellt ihn in einen Kontext mit historischen Veränderungen, betrachtet die Folgen des Klimawandels für marine biologische Prozesse jetzt und in der Zukunft und diskutiert Beiträge, die marine Systeme zur Abschwächung der Auswirkungen des globalen Klimawandels leisten könnten.


Einflüsse von extremem Wetter, Klima und Pestizideinsatz auf Wirbellose in Getreidefeldern über 42 Jahre

Getreidefelder sind von zentraler Bedeutung, um angesichts des Klimawandels die Nahrungsmittelproduktion und die Umweltgesundheit in Einklang zu bringen. In ihnen erbringen Wirbellose wichtige Ökosystemleistungen. Anhand von 42-jährigen Überwachungsdaten, die in Südengland gesammelt wurden, untersuchten wir die Empfindlichkeit und Widerstandsfähigkeit von Wirbellosen in Getreidefeldern gegenüber extremen Wetterereignissen und untersuchten die Auswirkungen langfristiger Änderungen der Temperatur, des Niederschlags und des Pestizideinsatzes auf die Häufigkeit von Wirbellosen. Von den 26 untersuchten Wirbellosengruppen erwiesen sich elf als empfindlich gegenüber extremen Wetterereignissen. Die durchschnittliche Häufigkeit nahm in heißen/trockenen Jahren zu und in kalten/feuchten Jahren ab für Araneae, Cicadellidae, adulte Heteroptera, Thysanoptera, Braconidae, Enicmus und Lathridiidae. Die durchschnittliche Häufigkeit von Delphacidae, Cryptophagidae und Mycetophilidae nahm sowohl in heißen/trockenen als auch in kalten/feuchten Jahren im Vergleich zu anderen Jahren zu. Die Häufigkeit aller 10 Gruppen kehrte in der Regel innerhalb eines Jahres nach dem Extremereignis zu ihrem langfristigen Trend zurück. Bei fünf von ihnen war die Empfindlichkeit gegenüber Kälte-/Nassereignissen an Standorten mit westlicher Ausrichtung am geringsten (was sich in höheren Häufigkeiten niederschlägt). Einige langfristige Trends in der Häufigkeit von Wirbellosen korrelierten mit Temperatur und Niederschlag, was darauf hindeutet, dass der Klimawandel sie beeinflussen könnte. Der Einsatz von Pestiziden war jedoch wichtiger, um die Trends zu erklären, was darauf hindeutet, dass ein reduzierter Einsatz von Pestiziden die Auswirkungen des Klimawandels abmildern würde.

Dateiname Beschreibung
gcb13026-sup-0001-FigS1.pdfPDF-Dokument, 482,9 KB Abbildung S1. (a) Spektrale Dichtekurven (Logarithmen) vs. Häufigkeit (Jahr −1 ) für Temperatur und Häufigkeit von Wirbellosen. (b) Spektraldichtekurven (Logarithmen) vs. Häufigkeit (Jahr −1 ) für Niederschlag und Häufigkeit von Wirbellosen.
gcb13026-sup-0002-FigS2.pdfPDF-Dokument, 793,4 KB Abbildung S2. (a–c) Kohärenz- und Phasenspektren für die Temperatur gepaart mit der Häufigkeit von Wirbellosen.
gcb13026-sup-0003-FigS3.pdfPDF-Dokument, 805.3 KB Abbildung S3. (a–c) Kohärenz- und Phasenspektren für Niederschlag gepaart mit der Häufigkeit von Wirbellosen.

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Besorgnis erregend: Warum globale Temperaturen wichtig sind

Wenn Sie eine Meeresschildkröte fragen könnten, warum ein kleiner Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur wichtig ist, werden Sie wahrscheinlich einen Bissen bekommen. Das heißt aus Seegras.

Natürlich können Meeresschildkröten sprechen, außer in bestimmten Animationsfilmen. Und während sie auf dem Bildschirm als fröhliche Kreaturen dargestellt werden, ist es in Wirklichkeit ziemlich schwierig, eine Meeresschildkröte, ein Typ (bedenkt die Fakten) zu sein, und in einer sich erwärmenden Welt wird es schwieriger.

Da die Temperatur des Strandsandes, in dem weibliche Meeresschildkröten nisten, das Geschlecht ihrer Nachkommen während der Inkubation beeinflusst, könnte unser sich erwärmendes Klima Meeresschildkröten zum Aussterben bringen, indem es laut mehreren Studien einen Mangel an Männchen verursacht. 1

Ein paar Grad machen einen großen Unterschied. Bei Sandtemperaturen von 31,1 Grad Celsius (88 Grad Fahrenheit) schlüpfen nur weibliche Grüne Meeresschildkröten, während bei 27,8 Grad Celsius (82 Grad Fahrenheit) und darunter nur Männchen schlüpfen.

Während die Notlage der Meeresschildkröten anschaulich ist, ist es eine Tatsache, dass alle natürlichen und menschlichen Systeme in unterschiedlichem Maße empfindlich auf die Klimaerwärmung reagieren. Um die wahrscheinlichen Auswirkungen der globalen Erwärmung auf unseren Planeten bei verschiedenen Temperaturschwellen über dem vorindustriellen Niveau (als Zeitraum zwischen 1850 und 1900) zu bewerten, veröffentlichte der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) im Oktober einen Sonderbericht über globale Erwärmung von 1,5 Grad Celsius (2,7 Grad Fahrenheit). Der IPCC ist das Gremium der Vereinten Nationen, das mit der Bewertung der Wissenschaft im Zusammenhang mit dem Klimawandel beauftragt ist.

Der Bericht untersuchte die Auswirkungen einer Begrenzung des Anstiegs der globalen Durchschnittstemperatur auf deutlich unter 2 Grad Celsius (3,6 Grad Fahrenheit) über dem vorindustriellen Niveau und prognostizierte die Auswirkungen, die die Erde bei einer Erwärmung um 1,5 Grad und 2 Grad Celsius über diesen Werten erwartet Ebenen. Die 1,5-Grad-Celsius-Marke ist das Ziel des Pariser Abkommens, das im Dezember 2015 von 195 Staaten beschlossen wurde, um der Bedrohung durch den Klimawandel zu begegnen.

Das folgende Interaktiv präsentiert ausgewählte Highlights aus dem Bericht:

Der von 91 Autoren und Review-Redakteuren aus 40 Ländern zusammen mit 133 beitragenden Autoren erstellte Bericht zitiert mehr als 6.000 wissenschaftliche Referenzen und enthält Beiträge von Tausenden von Expertengutachten aus der ganzen Welt, einschließlich der NASA. Die Daten der NASA waren entscheidend, um zu verstehen, wie sich jedes halbe Grad der Erwärmung auf unseren Planeten auswirken wird. NASA-Modelle trugen zu den Projektionen des Berichts bei, während NASA-Satelliten- und Luftbeobachtungen wichtige Inputs lieferten.

&bdquoLeider ist die Erwärmung so weit fortgeschritten, dass wir jetzt Beobachtungen haben, was passiert, wenn man ein halbes Grad mehr hat„, sagte Drew Shindell, Professor für Klimawissenschaften an der Nicholas School of the Environment der Duke University in Durham, North Carolina. Shindell ist koordinierender Hauptautor eines Kapitels des Sonderberichts und Autor seiner Zusammenfassung für politische Entscheidungsträger. &bdquoMit den zusätzlichen fünf bis 10 Jahren seit der letzten IPCC-Bewertung zusammen mit modernen Überwachungssystemen, von denen viele von der NASA stammen, können wir wirklich viel klarer sehen, was mit dem Planeten mit einem zusätzlichen halben Grad Erwärmung passiert, als in der Vergangenheit .&rdquo

Dem Bericht zufolge haben menschliche Aktivitäten die globale Durchschnittstemperatur der Erde seit der vorindustriellen Zeit schätzungsweise um etwa 1 Grad Celsius (1,8 Grad Fahrenheit) erhöht, eine Zahl, die derzeit jedes Jahrzehnt um 0,2 Grad Celsius (0,36 Grad Fahrenheit) ansteigt . Bei diesem Tempo wird die globale Erwärmung wahrscheinlich irgendwann zwischen 2030 und 2052 1,5 Grad Celsius über dem vorindustriellen Niveau erreichen, mit einer besten Schätzung um 2040.

Es wird nicht erwartet, dass sich die Erwärmung, die bereits seit Beginn der vorindustriellen Zeit durch vom Menschen verursachte Emissionen in das Erdsystem eingebracht wurde, über Hunderte bis Tausende von Jahren auflöst. Die bereits „eingebackene„Erwärmung wird auch weiterhin zu weiteren langfristigen Veränderungen unseres Klimas, wie dem Anstieg des Meeresspiegels und den damit verbundenen Auswirkungen, führen. Der Bericht sagt jedoch, dass diese vergangenen Emissionen allein nicht als wahrscheinlich angesehen werden, dass sich die Erde um 1,5 Grad Celsius erwärmt. Mit anderen Worten, was wir als Gesellschaft jetzt tun, ist wichtig. Die Dringlichkeit, mit der sich die Welt jetzt mit der Reduzierung der Treibhausgasemissionen befasst, wird dazu beitragen, den Grad der zukünftigen Erwärmung im Wesentlichen zu bestimmen, unabhängig davon, ob wir von einem Klimawandel-Hardball oder einem Wiffle-Ball getroffen werden.

Sie denken vielleicht: &bdquoWarum sollte es mich kümmern, wenn die Temperaturen noch ein halbes oder ein Grad steigen? Die Temperaturen steigen und fallen die ganze Zeit. Welchen Unterschied macht das?&rdquo

Die Antwort ist, viel. Höhere Temperaturschwellen werden sich nachteilig auf immer größere Anteile des Lebens auf der Erde auswirken, mit erheblichen Schwankungen je nach Region, Ökosystem und Arten. Für einige Arten bedeutet es wörtlich Leben oder Tod.

&bdquoWas wir sehen, ist nicht gut &ndash die Auswirkungen des Klimawandels sind in vielen Fällen als Reaktion auf ein halbes Grad (der Erwärmung) größer als wir erwartet haben&rdquo, sagte Shindell, der früher als Forscher am Goddard Institute for Space Studies der NASA in New York tätig war Stadt. &bdquoWir sehen eine schnellere Beschleunigung der Eisschmelze, eine stärkere Zunahme der Schäden durch tropische Stürme, stärkere Auswirkungen auf Dürren und Überschwemmungen usw. Während wir unsere Modelle kalibrieren, um die beobachteten Reaktionen zu erfassen oder sogar einfach ein weiteres halbes Grad extrapolieren, sehen wir, dass es wichtiger ist als Wir dachten bisher, die zusätzliche Erwärmung zwischen 1,5 und 2 Grad Celsius zu vermeiden

Shindell sagte, der Bericht sei in der Lage, das Wissen der Wissenschaftler aus Beobachtungen zu nutzen, um zu beurteilen, wie viele weitere Menschen durch die Auswirkungen des Klimawandels bei einer zusätzlichen Erwärmung von einem halben Grad gefährdet wären. &bdquoEs sind Hunderte von Millionen“, sagte er, &bdquowas deutlich macht, wie wichtig es ist, die Erwärmung so gering wie möglich zu halten.&rdquo

Die globale Klimawandel-Website der NASA und ihr Abschnitt über die Vitalzeichen dokumentieren, was ein Temperaturanstieg von 1 Grad Celsius bereits auf unserem Planeten angerichtet hat. Die Auswirkungen der globalen Erwärmung sind überall zu spüren, vom Anstieg des Meeresspiegels bis hin zu extremeren Wetterbedingungen, häufigeren Waldbränden und Hitzewellen und zunehmender Dürre, um nur einige zu nennen. Da unsere Gesellschaft um das Klima herum aufgebaut ist, das die Erde in den letzten etwa 10.000 Jahren hatte, werden die Menschen, wenn es sich merklich ändert, wie in den letzten Jahrzehnten, darauf aufmerksam. Heutzutage erkennen die meisten Menschen, dass sich das Klima der Erde ändert. Ein Bericht der Universitäten Yale und George Mason vom Dezember 2018 ergab, dass sieben von zehn Amerikanern der Meinung sind, dass die globale Erwärmung stattfindet, wobei etwa sechs von zehn sagen, dass sie hauptsächlich durch den Menschen verursacht wird.

Wir leben in einer Welt, die an die Gesetze der Physik gebunden ist. Bei Temperaturen über 0 Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit) beispielsweise beginnt Eis, einschließlich der polaren Eisschilde der Erde und anderer Landeis, zu schmelzen und verwandelt sich von einem festen in einen flüssigen Zustand. Wenn dieses Wasser nach unten in den Ozean fließt, hebt es den globalen Meeresspiegel an.

Ebenso spielt die Temperatur in der Biologie eine entscheidende Rolle. Wir alle wissen, dass die Durchschnittstemperatur eines gesunden erwachsenen Menschen etwa 37 Grad Celsius beträgt. Sie müssen niemanden fragen, der 38,3 Grad Fieber hat, wenn ein paar Grad wichtig sind. Unser Körper ist darauf optimiert, bei einer bestimmten Temperatur zu laufen. Laut den meisten Studien fühlen sich Menschen am wohlsten, sind am produktivsten und funktionieren am besten, wenn die Umgebungstemperatur um uns herum etwa 22 Grad Celsius beträgt. Variieren Sie diese Temperatur um mehr als ein paar Grad in beide Richtungen, und wir versuchen, uns zu erwärmen oder abzukühlen, wenn wir können. Unser Körper macht auch Anpassungen, wie zum Beispiel Schwitzen.

Wenn die Umgebungstemperaturen zu extrem werden, können die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit tiefgreifend, sogar tödlich sein.

Pflanzen und andere Tiere haben es schwerer. Während sie sich durch verschiedene Mechanismen auch an ihre externe Temperaturumgebung anpassen, können sie einfach eine Klimaanlage oder einen Ofen wie wir einschalten, und sie können möglicherweise nicht migrieren. Sie überleben in bestimmten, definierten Lebensräumen.

Für alle lebenden Organismen gilt: Je schneller sich das Klima ändert, desto schwieriger ist es, sich daran anzupassen. Ein zu schneller Klimawandel kann zum Artensterben führen. Da die Treibhausgaskonzentrationen weiter ansteigen, wird die kumulative Auswirkung eine Beschleunigung des Temperaturwechsels sein. Die Begrenzung der Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius verringert die Risiken von lang anhaltenden oder irreversiblen Veränderungen wie dem Verlust bestimmter Ökosysteme und ermöglicht Menschen und Ökosystemen eine bessere Anpassung.

Wie kann sich eine weitere Erwärmung um ein halbes oder volles Grad Celsius auf unseren Planeten auswirken? Im zweiten Teil unseres Beitrags betrachten wir einige der spezifischen Projektionen des IPCC-Sonderberichts.


Auswirkungen der globalen Erwärmung auf Klima und Lebewesen

Einige der wichtigsten Auswirkungen der globalen Erwärmung auf das Klima und lebende Organismen sind wie folgt:

(A) Klimawandel (B) Klimawandel und Pflanzengemeinschaften (C) Auswirkung auf den Meeresspiegel (D) Verringerung der Biodiversität (E) Auswirkung auf die Landwirtschaft (F) Auswirkung auf arktische Ökosysteme (G) Gesamtwirkung.

(A) Klimawandel:

Es wird angenommen, dass erhöhte Treibhausgase, die die globale Erwärmung verursachen, das globale Klima bereits beeinflusst haben und diese Auswirkungen in Zukunft zunehmen werden. Laut IPCC (1996) hat sich das Weltklima im letzten Jahrhundert von 0,3 auf 0,6°C erwärmt. Komplexe Computermodelle des globalen Klimas sagen voraus, dass die Temperaturen im nächsten Jahrhundert aufgrund der erhöhten Konzentrationen von Kohlendioxid und anderen Treibhausgasen um 1 °C bis 3,5 °C weiter ansteigen werden.

Der Temperaturanstieg wird in hohen Breiten und über großen Kontinenten am stärksten sein (Myneni et al., 1997). Einige Wissenschaftler sagen jedoch auch eine Zunahme extremer Wetterereignisse wie Überschwemmungen, regionale Dürren und Wirbelstürme im Zusammenhang mit dieser Erwärmung voraus (Karl et al. 1997). Es ist wahrscheinlich, dass sich viele Arten nicht schnell an die globale Erwärmung und den damit verbundenen Klimawandel anpassen können.

Als Ergebnis können biologische Gemeinschaften tiefgreifend leiden. Mehr als 10 % der Pflanzenarten in vielen gemäßigten Wandbereichen können die neuen klimatischen Bedingungen nicht überleben, sie müssen nach Norden wandern oder sterben. Diese Veränderung wurde bereits bei alpinen Pflanzen beobachtet, die höher auf den Bergen wachsen, und Zugvögeln, die sich länger auf ihren Sommerbrutplätzen aufhalten.

Die Auswirkungen des globalen Klimawandels auf Niederschlag und Temperatur dürften jedoch in den Tropen weniger drastisch sein als in den gemäßigten Zonen. Aber selbst kleine Änderungen in der Menge und dem Zeitpunkt der Niederschläge wirken sich auf die Artenzusammensetzung und die Pflanzenreproduktionszyklen aus. Es ist zu erwarten, dass Veränderungen der Temperatur und des globalen Klimas die biogeochemischen Kreisläufe beeinflussen, die bereits durch anthropogene Störungen gestört wurden.

(B) Klimawandel und Pflanzengemeinschaften:

Klimaveränderungen als Folge der globalen Erwärmung werden sich natürlich auf die Lebensgemeinschaften auf dieser Erde auswirken. Einige Pflanzenarten können das erhöhte CO . nutzen2 Konzentrationen und hohe Temperaturen, um ihre Wachstumsraten zu erhöhen, aber weniger anpassungsfähige Arten werden im Überfluss abnehmen. Solche unvorhersehbaren Schwankungen in Pflanzengemeinschaften und assoziierten pflanzenfressenden Insektenarten könnten zum Aussterben vieler seltener Arten und zu einem starken Bevölkerungsanstieg bei einigen anderen Arten führen.

Als Folge kann der globale Klimawandel biologische Gemeinschaften umstrukturieren und die Verbreitungsgebiete vieler Tier- und Pflanzenarten verändern. Einige Arten könnten in freier Wildbahn vom Aussterben bedroht sein und daher müssen neue Erhaltungsstrategien einschließlich der Zucht in Gefangenschaft übernommen werden.

(C) Auswirkung auf den Meeresspiegel:

Steigende Temperaturen lassen Gletscher schmelzen und die Polkappen schrumpfen. Dadurch kann der Meeresspiegel um 0,2 bis 1,5 m ansteigen und tiefliegende Küstengebiete und deren Lebensgemeinschaften überfluten. Es gibt Hinweise darauf, dass dieser Prozess bereits begonnen hat. Der Meeresspiegel ist in den letzten 100 Jahren bereits um 10 bis 25 cm gestiegen, möglicherweise aufgrund steigender globaler Temperaturen (IPCC, 1996). Wenn der Trend anhält, könnten in naher Zukunft viele tief liegende Gebiete überflutet werden.

Es ist möglich, dass der Anstieg des Meeresspiegels 20 bis 80 % der Küstenfeuchtgebiete erheblich verändert oder zerstört. In tropischen Gebieten werden Mangroven beeinträchtigt, da das Meerwasser in bestehenden Mangrovengebieten zu tief ist, um die Entwicklung der Setzlinge zu ermöglichen. Der steigende Meeresspiegel schadet Korallenriffarten, die bei optimaler Temperatur und Wasserbewegung in einer genauen Tiefe wachsen.

Es ist möglich, dass langsam wachsende Korallenriffe mit dem Anstieg des Meeresspiegels nicht Schritt halten können und nach und nach überflutet werden und absterben und nur schnell wachsende Korallenriffarten überleben können. Diese Bedrohung der Korallenriffe kann durch steigende Meerwassertemperaturen noch verstärkt werden. Ungewöhnlich hohe Wassertemperaturen im Pazifischen Ozean in den Jahren 1982 und 1983 führten zum Tod von symbiotischen Algen, die in den Korallen leben. Anschließend erlitt die “gebleichte” Koralle ein massives Absterben von 70-95 % Korallenbedeckung der Fläche bis in Tiefen von 18 m (Brown und Ogden, 1993).

(D) Reduzierung der Biodiversität:

As mentioned above increased temperatures, inundation of some coastal biological communities and changes in the pattern of distribution of many species over a long period of time are likely to cause reduction in biodiversity in aquatic and terrestrial ecosystems.

(E) Effect on Agriculture:

The global climate change may have important effects on agriculture (Rosenweig and Parry, 1994). However, the effects of this change will vary for C3 (e.g., wheat, rice, beans) and C2 (e.g., maize, millet, sugarcane) plants. As temperatures increase with rising levels of CO2, some crop plants may no longer be grown in certain regions. According to Ricklefs and Miller (2000), under the most common models of global climate change, global temperature increases will have negative effects on both C2 und C4 plants unless the higher levels of CO2 in the atmosphere increase plant growth.

(F) Effect on Arctic Ecosystems:

Global climate change will have profound effects on arctic ecosystems. Studies on the response of arctic Tundra to elevated CO2 indicated that the Tundra is more sensitive to global climate change than most other ecosystems on earth. According to Shaver et. al (1992), warmer temperatures may increase primary production, thereby increasing carbon input and soil respiration, thereby increasing carbon output. The extent to which production may be increased is constrained by the availability of nitrogen.

(G) Overall Effect:

The overall effect of global warming on world climate has many dimensions, some of which are discussed above. The natural greenhouse maintains the earth’s temperatures within the limits for physiological functions. But studies suggest that even a moderate increase in the average global temperature could result in significant changes in biotic communities including reduction in biodiversity both in terrestrial and aquatic ecosystems.


Tropical Storms

Overall, occurrences of Atlantic hurricanes do not show a significant long-term trend over the 20th century, although the number of intense hurricanes, those that cause the most damage, has declined from 1944 to the mid-1990s (33, 34). Furthermore, large variations of hurricane activity on interdecadal time scales have been observed during the 20th century (35). Because most coastal settlement occurred in a period of relatively low hurricane landfall frequency, the potential societal impacts of hurricane landfall in more active decades have yet to be fully realized (36).

Recent work documenting the contribution of hurricanes to extreme rainfall events shows that each individual event doubles the monthly rainfall being measured in that month in the mid-Atlantic and New England regions of the United States (37). For the 67-year period studied, eastern Massachusetts and much of the Appalachians experience such extreme rainfall events on average every 5 to 6 years, and the return period drops to 2 to 4 years when hurricane rainfall contributions result in monthly rainfall anomalies of 150% above average.

In the North Pacific basin a positive trend has been observed both in tropical storm activity and typhoons since the mid-1970s (38). Before the mid-1970s, tropical storm activity in the western North Pacific region had been dropping, demonstrating a nonlinear longer term variation in tropical storm frequency in this most active region of the globe. Since 1969 a strong downward trend in tropical storm frequency has been observed in the Australian region, south of the equator (105°E to 160°E), which has been attributed largely to variations in the El Niño–Southern Oscillation (39).


CLIMATE CHANGE AND INFECTIOUS DISEASE: IMPACT ON HUMAN POPULATIONS IN THE ARCTIC 12

Centers for Disease Control and Prevention

Introduction: The Arctic Environment

The circumpolar region is defined as the region that extends above 60°N latitude, borders the Arctic Ocean, and includes all of or the northern parts of eight nations: the United States (Alaska), Canada, Greenland, Iceland, Norway, Finland, Sweden, and the Russian Federation (see Figure 2-20). The climate in the Arctic varies geographically from severe cold in arid uninhabited regions to temperate forests bordering coastal agrarian regions. Approximately 4 million people live in the Arctic and almost half reside in northern regions of the Russian Federation. Peoples of the Arctic and sub-Arctic regions live in social and physical environments that differ substantially from those of their more southern dwelling counterparts. These populations are comprised of varying proportions of indigenous and nonindigenous peoples (Stephansson Arctic Institute, 2004 see Figure 2-21).

FIGURE 2-20

The circumpolar region showing administrative jurisdictions. SOURCE: Map by W. K. Dallmann. Reprinted from Young (2008) with permission from W. K. Dallmann and the International Journal of Circumpolar (mehr. )

FIGURE 2-21

The circumpolar region showing indigenous and nonindigenous population distributions. SOURCE: Reprinted from Stefansson Arctic Institute (2004) with permission from W. K. Dallmann, (more. )

The indigenous populations of northern Canada (Northwest Territories, Yukon, Nunavut, northern Quebec, and Labrador), Alaska, and Greenland generally reside in small communities in remote regions. They have little economic infrastructure and depend on subsistence hunting, fishing, and gathering of food for a significant proportion of their diet. In these remote areas, access to public health and acute care systems is often marginal and poorly supported. Life expectancy of the indigenous peoples of Alaska, northern Canada, and Greenland is lower than that of the general populations of the United States, Canada, and Nordic countries (Young, 2008). Similarly the infant morality rate for the indigenous segments of these populations is higher than that of the comparable national populations. Mortality rates for heart disease and cancer, once much lower among the indigenous populations of the United States, Canada, and northern European countries, are now similar to their respective national rates. The indigenous populations of Alaska, Canada, and Greenland have higher mortality rates for unintentional injury and suicide. Other health concerns of the indigenous peoples of the Arctic include the high prevalence of certain infectious diseases, such as hepatitis B, Helicobacter pylori, respiratory syncytial virus (RSV) infections in infants, and sexually transmitted diseases, as well as heath impacts associated with exposures to environmental pollutants, rapid economic change and modernization, and climate change (Bjerregaard et al., 2004).

Climate Change and the Arctic Environment

The Arctic, like most other parts of the world, warmed substantially over the twentieth century, principally in recent decades. Arctic climate models project continued warming with a 3𠄵ଌ mean increase by 2100. The winters will warm more than summers, the mean annual precipitation is projected to increase, and continued melting of land and sea ice is expected to increase river discharge and contribute to rising sea levels. These changes will be accompanied by greater overall climate variability and an increase in extreme weather events (Arctic Council, 2005).

The rapid warming in the Arctic is already bringing about substantial ecological and socioeconomic impacts, many of which result from the thawing of permafrost, flooding, and shoreline erosion resulting from storm surges and loss of protective sea ice. In many communities, the built infrastructure is supported by permafrost. Loss of this permafrost foundation will result in damage to water intake systems and pipes, and may result in contamination of the community water supply. In addition, loss of foundation support for access roads, boardwalks, water storage tanks, and wastewater treatment facilities will render water distribution and wastewater treatment systems inoperable. Several villages already face relocation because village housing, water system, and infrastructure are being undermined (Warren et al., 2005).

Rapid warming has resulted in the loss of annual Arctic sea ice. On September 11, 2007, the Arctic sea ice cover reached the lowest extent recorded since observations began in the 1970s, exceeding the most pessimistic model predictions of an ice-free Arctic by 2050 (Richter-Menge et al., 2008 Figure 2-22). This dramatic reduction in sea ice will have widespread effects on marine ecosystems, coastal climate, human settlements, and subsistence activities. For the first time the reduction in annual sea ice has created ice-free shipping lanes to the northwest, from northern Labrador through the Arctic archipelago in northern Canada, to the Bering Strait, and has almost completely cleared a passage to the northeast, from the Bering Strait along the northern coast of the Russian Federation to Norway (see Figure 2-23). Both routes represent time- and fuel-saving shortcuts between the Pacific and Atlantic Oceans and will bring an increase in marine transport and access to vast oil, gas, and mineral reserves once inaccessible to exploration and exploitation.

FIGURE 2-22

The Arctic ice cap, September 2001 (Top) and September 2007 (Bottom). SOURCE: NASA, as printed in Borgerson (2008).

FIGURE 2-23

Proposed northwest and northeast shipping lanes through the Arctic Ocean joining the Atlantic and Pacific Oceans. SOURCE: Map by C. Grabhorn Reprinted from ACIA (2004) with permission from Cambridge (more. )

Such access will bring many benefits as well as risks to once isolated Arctic communities. Construction of new coast guard or military bases and other industrial ventures will bring employment opportunities to local populations, but will also affect population distribution, dynamics, culture, and local environments. Tourism will most likely increase. Public sector and government services will then increase to support the new emerging economies. These events will greatly challenge the traditional subsistence way of life for many communities and lead to rapid and long-term cultural change, which will create additional stress on an already vulnerable population (Curtis et al., 2005).

Climate Change and Human Health

The direct health effects of climate change will result from changes in ambient temperature, altered patterns of risk from outdoor activities, and changes in the incidence of infectious diseases. As ambient temperature increases, the incidence of hypothermia and associated morbidity and mortality may decrease. Conversely hyperthermia may increase, particularly among the very young and the elderly (Nayha, 2005). However, because of the low mean temperature in many Arctic regions, the likelihood of such events having large impacts on public health for the general population is low. More significantly, unintentional injury, mostly related to subsistence hunting and fishing𠅊lready a significant cause of mortality among Arctic residents—may increase (Arctic Council, 2005). The reduction in river and sea ice thickness, curtailed ice season, reduced snow cover, and permafrost thawing will make hunting and gathering more difficult, dangerous, and less successful, thereby increasing the risk of injuries and death by drowning.

Permafrost thawing erosion or flooding can force relocation. Communities and families undergoing relocation will have to adapt to new ways of living, may face unemployment, and will have to integrate and create new social bonds. Relocation may also lead to rapid and long-term cultural change and loss of traditional culture, which will increase individual and community stress, leading to mental and behavioral health challenges (Hess et al., in press).

Climate change already poses a serious threat to the food security of many Arctic communities because of their reliance on traditional subsistence hunting and fishing for survival. Populations of marine and land mammals, fish, and waterfowl may be reduced or displaced by changing habitats and migration patterns, further reducing the traditional food supply. Release of environmental contaminants from the atmosphere and melting glaciers and sea ice may increase the levels of these pollutants entering the food chain, making traditional foods less desirable (AMAP, 2003). Reduction in traditional food supply will force indigenous communities to depend increasingly on nontraditional and often less healthy Western foods. This will most likely result in increasing rates of modern diseases associated with processed foods, such as obesity, diabetes, cardiovascular diseases, and outbreaks of food-borne infectious diseases associated with imported fresh and processed foods (Bjerregaard et al., 2004 Orr et al., 1994).

Many host-parasite systems are particularly sensitive to climate change. Specific stages of the life cycles of many helminths may be greatly affected by temperature. For example, small increases in temperature can substantially increase the transmission of lung worms and muscle worms pathogenic to wildlife that are important as a food source for many northern communities (Hoberg et al., 2008).

Climate Change and Infectious Diseases in the Arctic

It is well known that climate and weather affect the distribution and risk of many vector-borne diseases, such as malaria, RVF, plague, and dengue fever in tropical regions of the globe. Weather also affects the distribution of food- and water-borne diseases and emerging infectious diseases, such as West Nile virus, hantavirus, and Ebola hemorrhagic fever (Haines et al., 2006). Less is known about the impact of climate change and the risk and distribution of infectious diseases in Arctic regions. It is known that Arctic populations have a long history of both endemic and epidemic infectious diseases (Parkinson et al., 2008). However, with the introduction of antimicrobial drugs, vaccines, and public health systems, morbidity and mortality due to infectious diseases have been greatly reduced. Despite these advances, high rates of invasive diseases caused by Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, und Mycobacterium tuberculosis persist (Bruce et al., 2008a,b Christensen et al., 2004 Dawar et al., 2002 Degani et al., 2008 Gessner et al., 1998 Meyer et al., 2008 Netesov and Conrad, 2001 Nguyen et al., 2003 Singleton et al., 2006 Sྋorg et al., 2001). Sharp seasonal epidemics of viral respiratory infections also commonly occur (Bulkow et al., 2002 Karron et al., 1999 Van Caeseele et al., 2001). The overuse of antimicrobial drugs in some regions has led to the emergence of multidrug-resistant S. pneumoniae, Helicobacter pylori, and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (Baggett et al., 2003, 2004 McMahon et al., 2007 Rudolph et al., 1999, 2000).

The impact of climate on the incidence of these existing infectious disease challenges is unknown. In many Arctic regions, however, inadequate housing and sanitation are already important determinants of infectious disease transmission. The cold northern climate keeps people indoors amplifying the effects of household crowding, smoking, and inadequate ventilation. Crowded living conditions increase person-to-person spread of infectious diseases and favor the transmission of respiratory and gastrointestinal diseases and skin infections. Many homes in communities across the Arctic lack basic sanitation services (e.g., flush toilet, shower or bath, kitchen sink). Providing these services is difficult in remote villages where small isolated populations live in a harsh cold climate. A recent study in western Alaska demonstrated two to four times higher hospitalization rates among children less than 3 years of age for pneumonia, influenza, and childhood RSV infections in villages where the majority of homes had no in-house piped water, compared with villages where the majority of homes had in-house piped water service. Likewise, outpatient Staphylococcus aureus infections and hospitalization for skin infections among persons of all ages were higher in villages with no in-house piped water service compared to villages without water service (Hennessy et al., 2008). Damage to the sanitation infrastructure by melting permafrost or flooding may therefore result in increased rates of hospitalization among children for respiratory infections, as well as an increased rate of skin infections and diarrheal diseases caused by bacterial, viral, and parasitic pathogens.

Some infectious diseases are unique to the Arctic and lifestyles of the indigenous populations and may increase in a warming Arctic. For example, many Arctic residents depend on subsistence hunting, fishing, and gathering for food, and on a predictable climate for food storage. Food storage methods often include above ground air-drying of fish and meat at ambient temperature, below ground cold storage on or near the permafrost, and fermentation. Changes in climate may prevent the drying of fish or meat, resulting in spoilage. Similarly, loss of the permafrost may result in spoilage of food stored below ground. Outbreaks of food-borne botulism occur sporadically in communities in the United States, Canadian Arctic, and Greenland and are caused by ingestion of improperly prepared fermented traditional foods (CDC, 2001 Proulx et al., 1997 Sobel et al., 2004 Sørensen et al., 1993 Wainwright et al., 1988). Because germination of Clostridium botulinum spores and toxin production will occur at temperatures greater than 4ଌ, it is possible that warmer ambient temperatures associated with climate change may result in an increased rate of food-borne botulism in these regions. Preliminary studies have shown that fermentation of aged seal meat challenged with C. botulinum at temperatures above 4ଌ results in toxin production (Leclair et al., 2004).

Outbreaks of gastroenteritis caused by Vibrio parahaemolyticus have been related to the consumption of raw or inadequately cooked shellfish collected from seawater at temperatures of higher than 15ଌ. Prior to 2004, the most northerly outbreak occurred in northern British Columbia in 1997. However, in July 2004, an outbreak of gastroenteritis caused by V. parahaemolyticus was documented among cruise ship passengers consuming raw oysters while visiting an oyster farm in Prince William Sound, Alaska (McLaughlin et al., 2005). The outbreak investigation documented an increase of 0.21ଌ per year in the July𠄺ugust water temperature since 1997, and reported that 2004 was the first year that the oyster farm water temperature exceeded 15ଌ in July. This event provides direct evidence of an association between rising seawater temperature and the onset of illness.

Warmer temperatures may allow infected host animal species to survive winters in larger numbers, increase in population, and expand their range of habitation, thus increasing the opportunity to pass infections to humans. For example, milder weather and less snow cover may have contributed to a large outbreak of Puumala virus infection in northern Sweden in 2007. Puumala virus is endemic in bank voles, and in humans causes hemorrhagic fever with renal syndrome (Pettersson et al., 2008). Similar outbreaks have been noted in the Russian Federation (Revich, 2008). The climate-related northern expansion of the boreal forest in Alaska and northern Canada has favored the steady northward advance of the beaver, extending the range of Giardia lamblia, a parasitic infection of beaver that can infect other mammals, including humans who use untreated surface water (Arctic Council, 2005). Similarly, warmer temperatures in the Arctic and sub-Arctic regions could support the expansion of the geographical range and populations of foxes and voles, common carriers of Echinococcus multilocularis, the cause of alveolar echinococcus in humans (Holts et al., 2005). The prevalence of alveolar echinococcus has risen in Switzerland as fox populations have increased in size and expanded their geographic ranges into urban areas (Schweiger et al., 2007). Alveolar echinococcus was common in two regions of northwestern Alaska prior to 1997. Disease in humans was associated with contact with dogs however, improvements in housing and dog lot management have largely eliminated dog-to-human transmission in Alaska. This may not be the case, however, in other parts of the Arctic where human infections with Echinococcus granulosis, und E. multilocularis are still reported, particularly in association with communities dependent on reindeer herding and dog use (Castrodale et al., 2002 Rausch, 2003).

Climate change may also influence the density and distribution of animal hosts and mosquito vectors, which could result in an increase in human illness or a shift in the geographical range of disease caused by these agents. The impact of these changes on human disease incidence has not been fully evaluated, but there is clearly potential for climate change to shift the geographical distribution of certain vector-borne and other zoonotic diseases. For example, West Nile virus entered the United States in 1999 and in subsequent years infected human, horse, mosquito, and bird populations across the United States and as far north as northern Manitoba, Canada (Parkinson and Butler, 2005). In the Russian Federation infected birds and humans have been detected as far north as the region of Novosibirsk (Revich, 2008). Although there is, at present, insufficient information about the relationship between climate and the spread of West Nile virus, a number of factors may contribute to its further northward migration. Milder winters could favor winter survival of infected Culex spp. mosquitoes, the predominant vector of West Nile virus, which since the 1970s have migrated as far north as Prince Albert, Saskatchewan in Canada. Longer, hotter summers increase the transmission season leading to higher numbers of infected mosquitoes and greater opportunities for human exposure. Climate change may alter the disease ecology and migration patterns of other reservoirs such as birds. These factors may affect disease incidence and result in expansion of the range of other arthropod vector-borne diseases.

A number of mosquito-borne viruses that cause illness in humans circulate in the U.S. Arctic and northern regions of the Russian Federation (Walters et al., 1999). Jamestown Canyon and Snowshoe Hare viruses are considered emerging threats to the public health in the United States, Canada, and the Russian Federation, causing flu-like symptoms and central nervous system diseases, such as aseptic meningitis and encephalitis (Walters et al., 1999). Sindbis virus also circulates in northern Europe. The virus is carried northward and amplified by migratory birds. In the late summer, ornithophilic mosquitoes pass the virus onto humans causing epidemics of Pogosta disease in northern Finland, an illness characterized by a rash and arthritis (Kurkela et al., 2008). In Sweden, the incidence of tick-borne encephalitis (TBE) has substantially increased since the mid-1980s (Lindgren and Gustafson, 2001). This increase corresponds to a trend of milder winters and an earlier onset of spring, resulting in an increase in the tick population (Ixodes ricinus) that carries the virus responsible for TBE and other potential pathogens (Skarphຝinsson et al., 2005). Similarly in northeastern Canada, climate change is projected to result in a northward shift in the range of Ixodes scapularis, a tick that carries Borrelien burgdorferi, the etiologic agent of Lyme disease. The current northern limit of Ix. scapularis is southern Ontario including the shoreline of Lake Erie and southern coast of Nova Scotia. Some temperature-based models show the potential for a northward expansion of Ix. scapularis above 60°N latitude and into the Northwest Territories by 2080 (Ogden et al., 2005). However, it should be noted that tick distribution is influenced by additional factors such as habitat suitability and dispersal patterns which can affect the accuracy of these predictions. Whether or not disease in humans is a result of these climate change-induced alterations in vector range depends on many other factors, such as land-use practices, human behavior (suburban development in wooded areas, outdoor recreational activities, use of insect repellents, etc.), human population density, and adequacy of the public health infrastructure.

Response to Climate Change in the Arctic

In 1992, the IOM published a report titled Neu auftretende Infektionen: Mikrobielle Gesundheitsbedrohungen in den USA. This report uncovered major challenges for public health in the medical community primarily related to detecting and managing infectious disease outbreaks and monitoring the prevalence of endemic infectious diseases. It stimulated a national movement to reinvigorate the U.S. public health system to address the HIV/AIDS epidemic, the emergence of new diseases, the resurgence of old diseases, and the persistent evolution of antimicrobial resistance. In a subsequent report, the IOM provided an assessment of the capacity of the public health system to respond to emerging threats and made recommendations for addressing infectious disease threats to human health (IOM, 2003).

Because climate change is expected to exacerbate many of the factors contributing to infectious disease emergence and reemergence, the recommendations of the 2003 IOM report can be applied to the prevention and control of emerging infectious disease threats resulting from climate change. A framework for public health response to climate change in the United States has recently been proposed (Frumkin et al., 2008 Hess et al., in press). The framework emphasizes the need to capitalize on and enhance existing essential public health services and to improve coordination efforts between government agencies (federal, state, and local), academia, the private sector, and nongovernmental organizations.

Applying this framework to Arctic regions requires enhancing the public health capacity to monitor diseases with potentially large public health impacts, including respiratory diseases in children, skin infections, and diarrheal diseases, particularly in communities with failing sanitation systems. Monitoring certain vector-borne diseases, such as West Nile virus, Lyme disease, and TBE, should be priorities in areas at the margins of focal regions known to support both animal and insect vectors, and where climate change may promote the geographic expansion of vectors. Because Arctic populations are relatively small and widely dispersed over a large area, region-specific detection of significant trends in emerging climate-related infectious diseases may be delayed. This difficulty may be overcome by linking regional monitoring systems together for the purposes of sharing standardized information on climate-sensitive infectious diseases of mutual concern. Efforts should be made to harmonize notifiable disease registries, laboratory methods, and clinical surveillance definitions across administrative jurisdictions to allow comparable disease reporting and analysis. An example of such a network is the International Circumpolar Surveillance system for emerging infectious diseases. This network links hospital and public health laboratories together for the purposes of monitoring invasive bacterial diseases and tuberculosis in Arctic populations (Parkinson et al., 2008).

Public health capacity should be enhanced to respond to infectious disease food-borne outbreaks (e.g., botulism, gastroenteritis caused by Giardia lamblia oder Vibro parahaemolyticus). Public health research is needed to determine the baseline prevalence of potential climate-sensitive infectious diseases (e.g., West Nile virus, Borrelien burgdorferi, Brucella spp., Echinococcus spp., Toxoplasma spp.) in both human and animal hosts in regions where emergence may be expected. Such studies can be used to accumulate additional evidence of the effect of climate change or weather on infectious disease emergence, to guide early detection and public health intervention strategies, and to provide science-based support for public health actions on climate change. The circumpolar coordination of research efforts will be important not only to harmonize research protocols, laboratory methods, data collection instruments, and data analysis, but also to maximize the impact of scarce resources and to minimize the impact of research on affected communities. Coordination can be facilitated through existing international cooperatives, such as the Arctic Council, 14 the International Union for Circumpolar Health, 15 and the newly formed International Network of Circumpolar Health Researchers. 16

The challenge in the Arctic, however, will be to ensure sufficient public health capacity to allow the detection of disease outbreaks and monitor infectious disease trends most likely to be influenced by climate. The remoteness of many communities from clinical or public health facilities, and the harsh weather conditions of Arctic regions, often preclude appropriate specimen and epidemiologic data collection during an outbreak investigation, research, or ongoing surveillance activities. Staffing shortages are frequent in many in local clinics and regional hospitals that are already overwhelmed by routine and urgent care priorities, leaving little capacity for existing staff to assist public health personnel in outbreak investigations, research, or maintenance of routine surveillance activities. Additional resources and training may be needed to ensure adequate staffing at these facilities, to address existing gaps between regional clinics and hospitals and public health departments, and to ensure a sufficiently trained staff to address the emerging public health impacts posed by climate change.

A key aspect of the public health response to climate change in Arctic regions will be the formation of community-based partnerships with tribal governments to identify potential threats to the community and develop strategies to address those threats. Communities at greatest risk should be targeted for education, outreach, and assessment of existing or potential health risks, vulnerabilities, and engagement in the design of community-based monitoring and the formulation of intervention strategies. The identification, selection, and monitoring of basic indicators for climate change and community health will be important for any response to climate change at the community level (Furgal, 2005). The selection of site- or village-specific indicators should be guided by local concerns and may include activities such as the surveillance of a key wildlife or insect species in a region where climate changes may contribute to the emergence of new zoonotic diseases or the measurement of weather (i.e., precipitation and temperature), water quality (i.e., turbidity, pathogens), and gastrointestinal illness (i.e., clinic visits) in a community. Linking communities across regions and internationally should facilitate the sharing of standard protocols, data collection instruments, and data for analysis. These linkages will be important for the detection of trends over larger geographic regions, should enhance a community’s ability to detect changes that impact health, and will allow the development of strategies to minimize the negative health impacts of climate change on Arctic residents in the future.

Abschluss

Resident indigenous populations of the Arctic are uniquely vulnerable to climate change because of their close relationship with, and dependence on, the land, sea, and natural resources for their cultural, social, economic, and physical well-being. The increasing mean ambient temperature may lead to an increase in food-borne diseases, such as botulism and gastrointestinal illnesses. An increase in mean temperature may also influence the incidence of zoonotic and arboviral infectious diseases by changing the population density and range of animal hosts and insect vectors. The public health response to these emerging microbial threats should include enhancing the public health capacity to monitor climate-sensitive infectious diseases with potentially large public health impacts the prompt investigation of infectious disease outbreaks that may be related to climate change and research on the relationship between climate and infectious disease emergence to guide early detection and public health interventions. The development of community-based monitoring networks with links to regional and national public health agencies as well as circumpolar health organizations will facilitate method standardization, data-sharing, and the detection of infectious disease trends over a larger geographic area. This capacity is essential for the development of strategies to minimize the negative effects of climate change on the health of Arctic residents in the future.


The fingerprints of global climate change on insect populations

Population dynamics change with climate means, variances, or the interaction.

Discrete generations plus climate change can lead to developmental traps.

Land use change may outweigh effects of climate change on population dynamics.

Models predict population response based on physiological mechanism.

The array of insects studied for effects of climate change must be expanded.

Synthesizing papers from the last two years, I examined generalizations about the fingerprints of climate change on insects’ population dynamics and phenology. Recent work shows that populations can differ in response to changes in climate means and variances. The part of the thermal niche occupied by an insect population, voltinism, plasticity and adaptation to weather perturbations, and interactions with other species can all exacerbate or mitigate responses to climate change. Likewise, land use change or agricultural practices can affect responses to climate change. Nonetheless, our knowledge of effects of climate change is still biased by organism and geographic region, and to some extent by scale of climate parameter.


Activity Details

  • Themen:MATHEMATICS, SCIENCE
  • Typen:CLASSROOM ACTIVITY
  • Grade Levels:5 - 12
  • Primary Topic:EARTH AND SPACE SCIENCE
  • Additional Topics:
    DATA COLLECTION, ANALYSIS AND PROBABILITY
    EARTH
  • Time Required: 1hr - 2hrs
  • Next Generation Science Standards (Website)

Develop a model using an example to describe ways the geosphere, biosphere, hydrosphere, and/or atmosphere interact

Analyze geoscience data to make the claim that one change to Earth's surface can create feedbacks that cause changes to other Earth systems

Use a model to describe how variations in the flow of energy into and out of Earth’s systems result in changes in climate

Analyze geoscience data and the results from global climate models to make an evidence-based forecast of the current rate of global or regional climate change and associated future impacts to Earth systems

Ask questions to clarify evidence of the factors that have caused the rise in global temperatures over the past century

Represent real world and mathematical problems by graphing points in the first quadrant of the coordinate plane, and interpret coordinate values of points in the context of the situation.

Make a line plot to display a data set of measurements in fractions of a unit (1/2, 1/4, 1/8). Use operations on fractions for this grade to solve problems involving information presented in line plots. For example, given different measurements of liquid in identical beakers, find the amount of liquid each beaker would contain if the total amount in all the beakers were redistributed equally.

Construct and interpret scatter plots for bivariate measurement data to investigate patterns of association between two quantities. Describe patterns such as clustering, outliers, positive or negative association, linear association, and nonlinear association.

Know that straight lines are widely used to model relationships between two quantitative variables. For scatter plots that suggest a linear association, informally fit a straight line, and informally assess the model fit by judging the closeness of the data points to the line.

Fit a function to the data use functions fitted to data to solve problems in the context of the data. Use given functions or choose a function suggested by the context. Emphasize linear, quadratic, and exponential models.


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