Energie und Klimawandel WS 2007/08 Dr. rer. nat. Gerhard Luther Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE ) c/o Technische Physik, Universität des Saarlandes

Energie und Klimawandel WS 2007/08

Dr. rer. nat. Gerhard Luther

Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE ) c/o Technische Physik,

Universität des Saarlandes Bau E26 , Zimmer 2.03

Telephon: 0049- 0681 - 302-2737;

e-mail: [email protected]

[email protected] (auch größere Dateien)

homepage mit Link zur Vorlesung: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/

Vorlesung: Mittwoch, 15 -17 Uhr, Bau E26, 2.OG., Seminarraum 2.09

Internetseite vorführen !

http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/



1. Voll im Trend : Energie – Bevölkerung – Wohlstand

2. Weltweite Beobachtungen: CO2, Temperatur, Zuordnung

3. KlimaModelle und Prognosen

4. Was bedeutet das für den Menschen

5. Was tun

1. Voll im Trend

Energie – Bevölkerung - Wohlstand

__500 [EJ/a]

__400 [EJ/a]

Evolution from 1971 to 2004 of

World Total Primary Energy Supply by Fuel (Mtoe)

*Excludes electricity trade.**Other includes geothermal, solar, wind, heat, etc.

Quelle: IEA 2006, http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2006/key2006.pdf IEA2006_Key-World-EnergyStatistics_82p.pdf

a

Ungebrochenes Wachstum

__500 [EJ/a]

__750 [EJ/a]( BAU)

Quelle: IEA 2006 http://www.iea.org/Textbase/speech/2006/mandil/Monterrey.pdf Vortrag Mandil, Folie 2

BQuelle: Bundesinstitut für Bevölkerungsforschung (BiB) : Bevölkerung -FAKTEN – TRENDS – URSACHEN – ERWARTUNGEN (2004), Abb.33, p.74

UN 2002:

Weltbevölkerung wächst noch auf ca. 11 G Menschen

2050: 9 Milliarden

2000: 6 Milliarden

BQuelle:M. Rothenberg:“Traditionsbranche glänzend im Geschäft“, VDI-N Nr.42 /2005: 21.10.2005, p.21

Stahlerzeugung:

Die Welt - Industrialisierung hat gerade erst begonnen

2. Weltweite Beobachtungen

CO2, Temperatur, Zuordnung

http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/sio-mlo.htm

http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/graphics/mlo145e_thrudc04.pdf

Berichtsstand:Mitte 2005update vom 2006_0130

1.32

Aktualisierte (2007-06) Links:hp of Mauna loa Observatory: http://www.mlo.noaa.gov/home.html

Aktuelle CO2 Daten: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

Jahre vor heute Jahre vor heute

CO

CO

22-K

onz

ent

ratio

n (

pp

m)

-Ko

nze

ntra

tion

(p

pm

)

17501750

200200

240240

280280

320320

360360

160160

380380

00100'000100'000200'000200'000300'000300'000400'000400'000500'000500'000600'000600'000

Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al.et al. (2005) Science 310:1313 (2005) Science 310:1313Vostoc ice core data: Petit JR Vostoc ice core data: Petit JR et al.et al. (1999) Nature 399:429 (1999) Nature 399:429

20062006

Heute Heute 380 ppm380 ppm

Ph

oto

syn

the

sera

teP

hot

osy

nth

ese

rate

COCO22-Konzentration (ppm)-Konzentration (ppm)00 400400 800800

COCO22--

SättigungSättigung

BQuelle: C.Körner :“Wälder als Kohlenstoffspeicher..“ http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2006F/Links_AKE2006F.htm#AKE2006F_05

Quelle: IPCC_2001_TAR_TSFig.10a-d, p.40

Atmospheric CO2 on different time-scales

Recent atmospheric masurements(Mauna Loa) are shown forcomparison.. (a) Direct measurements

of atmospheric CO2.

(b) CO2 concentration in Antarctic ice cores for the past millenium.

..Variations in atmospheric CO2 concentration on different time-scales..

(c) CO2 concentration in the Taylor Dome Antarctic ice core.

(e) Geochemically inferred CO2 concentrations.

(d) CO2 concentration in the Vostok Antarctic ice core.

Different colours represent results from different studies.

beobachtete Klimafolgen

Zusammenfassung der wichtigsten Erfahrungen (2007)

Global average Air temperature• Updated 100-year linear trend of 0.74 [0.56 to 0.92] oC for 1906-2005

• Larger than corresponding trend of 0.6 [0.4 to 0.8] oC for 1901-2000 ( TAR)

Average Ocean temperature• increased to depths of at least 3000 m – ocean has absorbed 80% of heat added

> seawater expansion and SLR

At continental, regional, and ocean basin scales,• numerous long-term changes in climate have been observed:

– Changes in Arctic temperatures and ice,

– Widespread changes in precipitation amounts, ocean salinity, wind patterns

– and aspects of extreme weather including droughts, heavy precipitation, heat waves and the intensity of tropical cyclones

Quelle: IPCC- AR4-wg1, Vortrag Pachauri in Nairobi, 2007-0206SLR= sea level rise

Global mean temperatures are rising faster with time

100 0.0740.018

50 0.1280.026

Warmest 12 years:1998,2005,2003,2002,2004,200

6, 2001,1997,1995,1999,1990,200

0

Period Rate

Years /decade

Quelle: IPCC-AR4-wg1 , Vortrag Pachauri in Nairobi, 2007-0206

.311

Klimaänderungen: Langfristperspektive

Jahr

(rel. zu 1961-1990)

Unsicherheit

BQuelle: C.D.Schönwiese (2207):“Der neue wissenschaftliche Sachstandsbereicht des IPCC“; AKE2007F-Vortrag , Folie 15

Ein Blick in die Stratosphäre

Datenquelle: Angell, 2004

Globaltemperatur Stratosphäre (16 - 24 km), Anomalien 1960 - 2002 (relativ zu 1958 - 1977)

und einige explosive Vulkanausbrüche

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Zeit in Jahren

Te

mp

era

tura

no

ma

lie

n i

n °

C

K Trend: - 1.89 °CAgung(1963+1)

Fernandia (1968+2) St. Augustine (1976)

El Chichón (1982)

Pinatubo (1991+1)

Global gemittelte Temperatur der Stratosphäre (16 - 24 km)

Anomalien 1960-2002 (relativ zu 1958-1977)

und einige explosive Vulkanausbrüche Trend: - 1,9 °C

BQuelle:DPG2005_SyKE1.4Schoenwiese_CC-imIndustriezeitalter.ppt

Besonders beeindruckend:

Rückgang der Gletscher

und der

arktischen Eisbedeckung

1.35

1900 und 2000.

Aufnahme der Pasterzenzunge mit Großglockner (3798 m)Gesellschaft für ökologische Forschung, Wolfgang Zängl,

http://www.gletscherarchiv.de

Gletscher-Schwund in den Alpen

BQuelle:DLR_Schumann200_Klimawandel.ppt

Quelle: The Big Thaw“, National Geographic (2004), Heft 9, p.21;

1979:An image based on satellite data shows perennial ice cover in 1979,when the ice extended over the Arctic Ocean from edge to edge.

Since then the area of coverage has decreased by 9% per decade

2003:A similiar image from 2003 shows dramatically reduced perennial ice cover.Large areas of open ocean have appeared near Russia, Alaska and Canada.Some climate models project, that the

ice will be gone in summer by the end of the century.

Eindeutiger Trend: Seit Beginn der Satellitenbeobachtung hat die Ausdehnung des Meereises drastisch abgenommen.

©National Snow and Ice Data Center

BQuelle: SpectrumDirekt SD790789 vom 1.10.2005, Bild 2 ; UrQuelle: National Snow and Ice Data Center

Abschmelzen des arktischen Meereises zwischen 1979 und 2005

.315 Arktisches Eis

Vom Abschmelzen erfasstes Gebiet in Grönland, Vergleich 1992 (rosa) und 2005 (rot)

Steffen und Huff, 2005

Der Grönland-Eisschild könnte statt in Jahrtausenden bereits in Jahrhunder-ten abschmelzen. Die Folge wäre ein Meeresspiegelanstieg um 4 - 7 m.

BQuelle: IPCC_AR4wg1_TechnicalSummary: Fig. TS.18, p.49, [Fig 5.13 ]

Annual averages of the global mean sea level since 1870

reconstructed sea level fields since 1870 (red), tide gauge measurements since 1950 (blue) and satellite altimetry since 1992 (black).

a

mmrelative to the average for1961 to 1990

Error bars are 90% confidence intervals.

.313 Meereshöhe

Ursache und Zuordnung

Radiative forcing [ W/m2 ] is

the change in the balance between radiation coming into the atmosphere and radiation going out.

Der Strahlungsantrieb : „radiative forcing“

A positive radiative forcing tends on average to warm the surface of the Earth, and negative forcing tends on average to cool the surface.

A process that alters the energy balance of the Earth - atmosphere system is known as a radiative forcing mechanism (1. IPCC-Report (1990), p. 41-68).

2.333

Aktueller Stand AR4, (2007):

BQuelle: VGB-Beising (2006): Klimawandel und Energiewirtschaft-Literaturrecherche, p.115, Abb. 8.15 A

Die Klimaantriebe in ihrer zeitlichen Entwicklung

__solar

all GHG__

_Aerosol

Aerosol in Stratosphere)__

Aufgrund der vorliegenden

(physikalischen) Klimamodell-

rechnungen ist die globale Erwärmung sehr

wahrscheinlich* anthropogen. Für die

letzten ca. 50 Jahre ist es sogar extrem

unwahrscheinlich**, dass sie natürlich

zustande gekommen ist.

(IPCC, 2007)

------------------------* p > 90%

**p < 5 %

Alle Antriebe

Vulkanismus und Sonnenaktivität

Jahr

Global gemittelte Temperaturanomalien

Ursachenzuordnung

IPCC, 2007; Graphiken nach Pachauri, WGI-Präs. 6.2.2007

Understanding and Attributing Climate Change

Continental warming

likely shows a significant anthropogenic contribution over the past 50 years


Fazit:

1. Der Temperaturanstieg der letzten 50 Jahre kann global und regional auf den anthropogenen Einfluss zurückgeführt werden. (heute viel deutlicher als noch beim TAR (2001))

2. Menschlicher Einfluss wird heute (AR4) auch erkennbar in anderen Klimabereichen, u.a.: Erwärmung des Ozeans Temperatur - Extrema Windsystemen


3. KlimaModelle und Prognosen

McGuffie and Hendersson-Sellers, 1997McGuffie and Hendersson-Sellers, 1997

BezugsQuelle: Claussen: „Earth System Models of Intermediate Complexity“,IMPRS, 4.6.2003; www.pik-potsdam.de/~claussen/lectures/

Geographic resolution characteristic of climate Models

Quelle: IPCC-AR4-wg1 (2007), Figure 1.4

2.34 Modelle

Governing Equations for AGCMs

p

RT

p

p

DCEp

qq

t

q

Dc

Q

c

Q

p

T

p

TT

t

T

fpt

q

Hp

con

p

rad

M

V

V

V

DVkV

VVV

momentum eq.

thermodynamic eq.

conservation of water vapor

conservation of mass

hydrostatic eq.

Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA:Homepage: http://www.envsci.rutgers.edu/~broccoli/index.html

2.343

Governing Equations for AGCMs

p

RT

p

p

DCEp

qq

t

q

Dc

Q

c

Q

p

T

p

TT

t

T

fpt

q

Hp

con

p

rad

M

V

V

V

DVkV

VVV

These terms involveprocesses that occuron scales unresolvedby the model.


Parameterization

• Parameterization: The representation of subgrid-scale phenomena as functions of the variables that are represented on the model grid.

• Goal is to make parameterizations physical, scale-independent, and nonempirical, but this goal is difficult to achieve.


What Processes Are Parameterized?

• Atmospheric radiative transfer (solar and longwave radiation)

• Moist convective processes.

• Stable precipitation.

• Planetary boundary layer.

• Cloud formation and radiative interactions.

• Mechanical dissipation of kinetic energy.


IPCC2001_TAR1_TS-Box3

2.344

Quelle:IPCC-AR4-wg1_TS, p.69, Fig.TS.26.

2.3531 Higher Temperatures

Understanding Near Term CC

Uncertainties as the relative probabilities of estimated global average warming from several different AOGCM and EMIC studies for the same periods.

Corresponding uncertainties to the Projected Temperature Changes

Quelle:IPCC-AR4-wg1_TS, p.72, Fig. TS28 (nun vollständig)

4. Was bedeutet das für den Menschen

Quelle: „Stern Report“, UK-Government: http://www.hm-treasury.gov.uk/media/987/6B/Slides_for_Launch.pdf

Aus dem „Stern Report“ der UK-Regierung:

5. Was tun

Ansatzpunkte zur Wende1. CO2-freie Energiequellen • Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (themisch, Strom)• Kernenergie , Generation IV ; Kernfusion• Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie)

2. CO2 Sequester und GeoEngineering • CCS, Storage: in geologischen Schichten, im Meer• Eisendüngung zum Algenwachstum, Aufforsten • Sulfat in die Stratoposhäre

3. Rationelle Energieverwendung • Gleiche Energiedienstleistung mit geringerem Energieeinsatz• Höhere Wirkungsgrade bei Kraftwerken, Motoren etc.

4. Verhaltensänderung • Leben mit weniger Energiedienstleistungen, aus Knappheit oder Bescheidenheit• Ernährung: „Weniger Fleisch“

Spruch von JWG vom bescheidenen aber endlichen Beitrag eines Wasserträgers

Pflicht für jeden

Immer strebe zum Ganzen, und kannst Du selber kein Ganzes Werden, als dienendes Glied schließ an ein Ganzes Dich an

Quelle: J.W. Goethe: Gedichte, Herausgeber ErichTrunz, Verlag C.H. Beck. p.226 ; Urquelle:JWG: Distichon im Zusammenhang der Xenien entstanden, aber außerhalb des Xenien Zyklus veröffentlicht

Documents

Energie und Klimawandel WS 2007/08 Dr. rer. nat. Gerhard Luther Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE ) c/o Technische Physik, Universität des Saarlandes