Das Klima der Erde Klimaänderung & Klimamodelle

Max Camenzind - Bad Kissingen März 2016 www.lsw.uni-heidelberg.de

• Welches sind die wichtigsten Treibhausgase?

• Um wieviel hat der CO2-Gehalt der Atmosphäre seit 1880 zugenommen (in ppm)?

• von 300 auf 400 ppm.

• Was kann man aus Eisbohr-kernen über das Klima lernen?

Zum Nachdenken

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Eiszeitzyklen geregeltes Chaos

Max Camenzind – Bad Kissingen - 2016

GRIP = GReenland

Ice Core Project

bis 3090 m Tiefe =

123.000 Jahre NEEM = Nord-Grönland Eem Eisbohren

14 Nationen – Leitung Dänemark

Information im Klimaarchiv Eis

Warum Eem? - die letzte Warmzeit = Riß/Würm-Interglazial

Abrupte

Erwärmung

in ~ 1000 a

3 - 4° C wärmer

Abrupte

Erwärmung

Wie ist ein Eisschild aufgebaut? Eis ist immer in Bewegung wie Gletschern

Ergebnisse des NEEM-Projektes Warmzeit

Eem-Zeit war

ca. 8 Grad C

wärmer als

heute (neu)!

Meeresniveau

war 4 - 8 m höher

Eis ist nicht

total

geschmolzen

Antarktik-Eis !

Temperatur

(Sauerstoffindex)

nimmt im Laufe

der Warmzeit zu

Gegen Ende

abrupt ab.

Methan und

N2O variieren

teilweise kräftig Nature 493, 489 (2013)

Temperaturverlauf in Eem-Zeit

Eiszeit Eiszeit

Warm-

zeit

Nature 493, 489 (2013)

Abrupte

Erwärmung

in ~ 1000 a

Langsame

Abkühlung

in ~ 15000 a

Es wurde festgestellt, dass die Eem-Warmzeit durchwegs sehr

stabil war. Die Sommer-Temperaturen auf der Nordhemisphäre

lagen um etwa zwei Grad oberhalb des vorindustriellen

Temperaturniveaus, in Grönland war es sogar um 8 °C wärmer. Der

Meeresspiegel lag 4 bis 6 Meter oberhalb des heutigen Niveaus.

Neuere Arbeiten deuten darauf hin, dass es global lediglich um

wenige zehntel Grad wärmer war als heute (2013).

Durch einen Vergleich mit anderen Eisbohrkernen im Nordwesten

(Camp Century) und Südosten (Renland) Grönlands stellte sich

heraus, dass während der gesamten Warmzeit lediglich ein Teil des

südgrönländischen Eisschildes abschmolz, der zentral- und

nordgrönländische Eisschild hingegen trotz erhöhter Temperaturen

stabil blieb. Diese Erkenntnis hat große Bedeutung für die

Extrapolation des gegenwärtigen Meeresspiegelanstieges in die

Zukunft. Auch die regionalen Unterschiede erwarten eine weitere,

eingehende Untersuchung.

Stabilität der Eem-Warmzeit

Eisbohrkerne aus der Antarktis

Vostock Eiskerne 5 Warmzyklen

Zykluszeit: 100.000 – 120.000 Jahre

Zwischeneiszeit: 10.000 – 12.000 Jahre

Eiszeitzyklen der letzten 800.000 a

Entwicklung der Meereshöhe in den letzten 32.000 Jahren

Meeresspiegel stieg langsam an – und steigt noch immer!

Die Zeitreihen zeigen einige wichtige Merkmale bei

den Treibhausgaskonzentrationen ( Antarktis):

So stieg der Gehalt von CO2 während der letzten

400.000 Jahre jeweils von 180 Volumenteilen

pro Million (ppmv) während der Kaltzeiten

auf 280 bis 300 ppmv in den Warmzeiten.

Der Methangehalt stieg jeweils von 350 auf 750 ppbv

(Volumenanteil pro Milliarde).

In früheren Warmzeiten lagen die CO2- und

CH4-Konzentrationen etwas niedriger.

Warmzeiten dauerten typisch 11.000 – 13.000 Jahre!

Welche Prozesse diese Schwankungen

verursacht haben und welchen Grund die natürliche

Spannbreite der Treibhausgaskonzentrationen hat,

ist inzwischen geklärt Trigger: Milankovic-Zyklen.

Klimazyklen in den letzten 800.000 Jahren

Eiszeitzyklen und die Erdbahn

Erklärung der Eiszeitzyklen

Störungen der Erdbahn durch Jupiter etc.

today

Exzentrizität

Schiefe Erdachse

Präzession

heute

• Kontinente verschieben sich auf einer Zykluszeit von etwa 500 Mio. Jahren langfristige Klimaschwankungen, Vulkanaktivität etc.

• Kontinente werden sich in 100 Mio. Jahren wieder verschieben neuer Superkontinent.

• In den letzten 1 – 2 Mio. Jahren stellen wir min-destens 8 Eiszeitzyklen von etwa 120.000 Jahren fest. Wir leben gerade in einer Zwischeneiszeit.

• Die nächste Eiszeit kommt in ~ 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝐉𝐚𝐡𝐫𝐞𝐧!

• NKlima schwankte auf Zeitskalen von 1470 Jahren dauernd hin und her das Klimasystem ist ein chaotisches System „Klimaschaukel“.

• CO2 verhielt sich nachlaufend, nicht vorlaufend!

Zusammenfassung Paläoklima

Klimamodelle Zukünftiges Klima

Doku MPG

Der Strahlungsantrieb RF

Der Strahlungsantrieb RF (radiative Forcing) ist

ein Maß für die Veränderung der Energiebilanz

der Erdatmosphäre durch externe Faktoren

(Sonneneinstrahlung, CO2 etc) und wird in W/m²

gemessen. Der Begriff wurde vom IPCC3 (2001)

eingeführt, um im Rahmen der Klimastudien den

Einfluss externer Faktoren auf die

Strahlungsbilanz, bzw. das Klimasystem der

Erde zu beschreiben.

Ein positiver Strahlungsantrieb führt zu einer

Erwärmung der Erde, ein negativer

Strahlungsantrieb zu einer Abkühlung.

IPCC = Weltklimarat Politisches Gremium

WMO Genf

Mitigation = Milderung

Keine eigene Forschung!

IPCC 5th Assessment Report

Working Group I: Climate science Report Ende 2013 Working Group II: Adaptation Report Anfang 2014 Working Group III: Mitigation Report Mitte 2014 Synthesis report: Report Ende 2014.

Strahlungsantrieb seit Industriealisierung

Reaktion Klimasensitivität l

Die Klimasensitivität l ist eine Größe, die die globale

Erwärmung der Erdatmosphäre durch die Wirkung von

Treibhausgasen oder Sonneneinstrahlung ins Verhältnis

zu einer Strahlungseinheit setzt. Man kann sie in Grad

Kelvin pro Watt je Quadratmeter [K/(W/m²) = K·m²/W]

angeben. Irreführend ist jedoch die Angabe der

Klimaerwärmung bei Verdoppelung der Konzentration

von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre.

DT = l x RF Die genaue Kenntnis der Klimasensitivität ist für die künftige

Entwicklung des Klimas von elementarer Bedeutung, da mit

ihrer Hilfe die aus einer bestimmten Treibhausgaskonzen-

tration resultierende Erwärmung errechnet werden kann.

Absorption in Erdatmosphäre Lässt nur 40 W/m² durch von 398 W/m²

Abstrahlung von Erdoberfläche (15° C)

Infrarot-Fenster

der Atmosphäre Gemini Teleskop Hawaii

15 µm

Hansen et al. 2013

Klimasensitivität bis zu Dinos

l = 0,75 °K /(W/m²)

Strahlungsantrieb vor 20.000 a

Wikipedia/Eiszeitalter

Betrachtet man die Temperaturwechsel während der

vergangenen Eiszeiten, so konnte man anhand von

Eisbohrkernen einen Temperaturwechsel von 5 °C mit

einem aus den Milanković-Zyklen und den

Rückkopplungen (Albedo, Vegetation, Aerosole, CO2)

resultierenden, veränderten Strahlungsantrieb von

7,1 W/m² verknüpfen. Die daraus errechnete

Klimasensitivität beträgt 5/7,1 = 0,7° K/W/m2. Man kann

diese empirisch bestimmte Klimasensitivität für die

Berechnung des aus einem Strahlungsantrieb von

4 W/m² resultierenden Temperaturanstiegs benutzen,

was einer Verdopplung der atmosphärischen CO2-

Konzentration im Vergleich zu vorindustriellen Werten

entspricht. Im Ergebnis zeigt sich ein Anstieg um 2 °C.

Klimasensitivität vor 1 Mio. a

Strahlungsantrieb als Funktion der Zunahme in der CO2

Konzentration (C/C0) mit der Normkonzentration C0 = 100 ppm.

Strahlungsantrieb als Func(CO2)

RF = 5,35 log(C/C0) W/m²

Zukünftige CO2 Konzentration

unrealistisch

möglich ?

wahrscheinlich

heute

Die Abschätzung zukünftiger Klimaänderungen beruht auf der Anwendung von Klimamodellen auf vier Konzentrationspfade (engl. representative concentration pathways (RCPs), „repräsentative Konzentrationspfade“). Diese stellen die Ergebnisse neuer Emissions-Szenarien

dar, darunter erstmals eines Szenarios, das ambitionierte Klimaschutzmaßnahmen berücksichtigt (RCP 2.6). Die Pfade werden nach der Veränderung des Strahlungsantriebs benannt, der bis zum Jahr 2100 etwa mit ihnen einhergehen würde:

RCP 2.6 – Veränderung des Strahlungsantriebs 2,6 W/m², RCP 4.5 – 4,5 W/m², RCP 6.0 – 6 W/m² und RCP 8.5 – 8,5 W/m².

IPCC5 Konzentrationspfade

IPCC4 / IPCC5 Konzentrationspfade Anthropogener Strahlungsantrieb

Heute 400

CO2-Konzentrations-Pfade IPCC5

CO2-Konzentration im historischen Verlauf

Eiszeiten

Dinos

Die blaue Kurve ist ein logarithmischer Fit an die HadCRUT4 Daten.

Strahlungsantrieb hängt logarithmisch von der CO2-Konzentration ab –

und nicht linear! Dies folgt aus Strahlungstransportrechnungen.

Die Behauptung vom IPCC, dass die TempZunahme zwischen 1,5 und 4,5 °C bei

Verdoppelung CO2 liegt, beruht auf einem Missverständnis der Working Group

I: sie führen die gesamte Temperaturzunahme auf die Treibhausgase zurück!

Vo

rin

du

str

iell

er

Wert

Verd

op

plu

ng

des W

ert

es

Verbrennung aller

fossilen Brennstoffe

Minimale Erwärmung nach IPCC5

IPCC5 Szenarien Anthropogene Temp

IPCC5 Szenarien nach GFDL Tem

p A

no

mali

e G

rad

C

Jahr

IPCC5: Meeresniveau wird steigen

IPCC5 Szenario RCP6.0 / NASA

IPCC5: Niederschläge nehmen zu „Trockene Gebiete werden trockener“ – bis -30% „Feuchte Gebiete werden feuchter“ – bis +50%

Für die nächsten Dekaden wird eine Erwärmung von etwa 0,2°C pro Dekade vorhergesagt. Selbst wenn alle Treibhausgaskonzentrationen und Aerosole auf dem Niveau des Jahres 2000 gehalten würden, so würde sich immer noch eine Erwärmung von 0,1° C pro Dekade einstellen. Vermehrte Emission von Treibhausgasen auf dem Niveau des gegenwärtigen Wachstums bewirkt zusätzliche Erwärmung und würde unser Klima im 21. Jh. drastisch ändern – heftiger als im 20. Jh. beobachtet. Die zusätzliche Wärme als Resultat menschlicher Aktivitäten wird Gletscher und polare Eiskappen abschmelzen, die Ozeane werden sich erwärmen und expandieren, was zu extremeren Wetterlagen führen wird (Tornados, …).

IPCC5 Prognosen

Kernaussagen 1 • Klima ist ein stark nichtlineares physikalisches System bisher nur lineare Extrapolationen in Simulationen berücksichtigt! Klima ist auf allen Zeitskalen variabel!

• Auch ohne antropogene Einflüsse war das Klima in vergangenen Warmzeiten bis zu 8° C wärmer (!) und der Meeresspiegel bis zu 5m höher Schwingungen um die Gleichgewichtslage „Warmzeit“ arktisches Eis war geschmolzen! antarktisches nicht.

• Klima ist deterministisches Chaos kleine Änderungen in Anfangswerten führen zu gewaltigen Abweichungen in der Langzeitentwicklung Attraktor besteht mindestens aus Warmzeit – Kaltzeit und ist bisher nicht sichtbar in Modell-Simulationen.

• Variationen der Erdbahn + Schiefe der Ekliptik sind externe Antreiber mit Zykluszeit von 100.000 Jahren, auf die der Mensch keinen Einfluss hat.

• Die nächste Eiszeit beginnt in etwa 1000 Jahren.

Kernaussagen 2

• Treibhausgase (Wasserdampf, CO2, Methan), neben O2 sind wichtig für unser Klima Temperatur wäre sonst bei -18° C.

• CO2-Konzentration von 200 – 300 ppm 400 ppm angestieg

• Klimaveränderung wird heute durch den Strahlungsantrieb RF(t) (in W/m²) parametrisiert IPCC5 hat 4 Szenarien (sog. RCPs) zum Studium der Klimaentwicklung definiert.

• Kritik: TempEntwicklung geht nicht linear, sondern logarithm

• Die Sonneneinstrahlung ändert sich mit dem 11-Jahres Zyklus (RF ~ 0,8 W/m²), zeigt aber auch Zykluszeiten von etwa 1000 Jahren (RF ~ 2-3 W/m²), die kleine Eiszeiten und Warmperioden mit Schwankungen um +-1 °C erklären.

• Ursache des „Temperaturanstiegs“ in den letzten 50 Jahren ist nicht geklärt – CO2 oder Relaxation? Gerry Meehl