Institutsbereich Geophysik, Astrophysik, und Meteorologie (IGAM)

Klima- und Umweltveränderungenim Laufe der Erdgeschichte

Vorlesung im Wintersemester 2015/16

Ulrich Foelsche

ulrich.foelsche@uni-graz.at

http://www.uni-graz.at/~foelsche/

Klima 01

Ungewöhnliche Zeiten

Während 90 % der Erdgeschichte war es wärmer als heute – Auf der gesamten Erde gab es kaum Eis und fast keinen Schnee.

Wir leben in einem ganz ungewöhnlichen Klima – in einer Warmzeit innerhalb eines Eiszeitalters. Vergleichbare Bedingungen hat es nur während etwa 1 % der Erdgeschichte gegeben.

Schlechte Zeiten für Schifahrer

Vor nur 20 000 Jahren sah es in Österreich so aus:

Klima 02

Österreich in der letzten Kaltzeit

Inngletscher

Drautal

Murtal

Graz

Rheingletscher

Innsbruck

Rosenheim Salzburg

Klima 03

nach van Husen

Klima im Wandel

Das Klima der Erde ändert sich – Schon immer!

Das Hauptproblem am menschgemachten Klimawandel ist, dass er so (zu) schnell erfolgt. An langsame Änderungen kann sich die Natur (und auch der Mensch) leicht anpassen. Abrupte Klimaänderungen können katastrophal sein.

Also gar kein Problem?

Doch!

Klima 04

Globale Klima- und Umweltveränderungen

(1) Das Klimasystem der Erde

Klima 05

Das Klimasystem der ErdeKlima 06

Kryosphäre

Hydrosphäre

Interaktionzw. Atmo- u.Hydrosphäre

Atmosphäre

Biosphäre

LithosphäreKlima = mittlerer Zustand des

Klimasystems

Das Klimasystem der Erde wird in Untersysteme bzw. Sphären unterteilt (von denen aber nicht alle sphärisch sind). Das Klimageschehen spielt sich zwar in erster Linie in der Atmosphäre ab, es wird aber von allen anderen Sphären beeinflusst.

Die Hydrosphäre beinhaltet z.B. Ozeane, Flüsse, Seen und den globale Wasserkreislauf, die Kryosphäre Landeis, Meereis und Schnee. Zusätzlich zu den Sphären auf der vorigen Folie verwendet man auch noch häufig den Begriff Pedosphäre um den Einfluß des Bodens getrennt zu beschreiben, sowie den Begriff Anthroposphäre (das sind wir).

Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Sphären, gespickt mit positiven und negativen Rückkoppelungen, machen das Klimasystem der Erde zu einem ausgesprochen komplexen System. Das El Niño Phänomen ist beispielsweise eine interne Schwingung des gekoppelten Systems Ozean-Atmosphäre.c

Man kann sich das Klimasystem als eine gigantische Wärmekraftmaschine vorstellen, die ihre Energie von der Sonne bezieht. Dabei werden unter anderem Luft- und Meersströmungen angetrieben, die versuchen, die Unterschiede der Sonneneinstrahlung zwischen Äquator und Pol auszugleichen.

Das Klimasystem der ErdeKlima 07

c

Die Oberflächentemperatur auf der Erde wird durch die (ausgeglichene) Strahlungsbilanz bestimmt. Global gilt:

Strahlungsbilanz

Einstrahlung = Ausstrahlung

Klima 08

Solare Einstrahlung

Terrestrische Ausstrahlung

Bilder: NASA

Wir werden nun ein ganz einfaches Klimamodell bauen, und zwar ein Nulldimensionales Energiebilanzmodell (Erde als Punkt). Dazu brauchen wir einige Zutaten:

(1) Das elektromagnetische Spektrum (links). (2) Das Wiensche Verschiebungsgesetz (Wilhelm Wien 1893)

max = Wellenlänge, bei der das Maximum der Energie abgestrahlt wird.

Je höher die Temperatur, desto kleiner die Wellenlänge.

Sonne: max = 0.5 m Sichtbares LichtErde: max = 10 m Thermisches Infrarot

Ein ganz einfaches Klimamodell

TKμm2898λmax

Klima 09

Einstrahlung

(3) Die Solarkonstante (S)

Damit ist die Energie gemeint, die pro Sekunde außerhalb der Erdatmosphäre senkrecht auf eine Fläche von 1 m2 trifft (und das noch in der mittleren Entfernung der Erde von der Sonne).

Im Mittel trifft auf jeden m2 der Erdoberfläche aber nur 1/4 davon (entsprechend dem Verhältnis Querschnittsfläche der Erde – Erdoberfläche).

Die „Solarkonstante“ ist außerdem nicht konstant! Die beobachtete Schwankung während des ~11-jährigen Sonnenzyklus beträgt allerdings nur etwa ± 0.1 %. Über Jahrhunderte sind die Schwankungen etwas größer (~ 0.3 %). Im Laufe der Erdgeschichte hat die Solarkonstante sogar kräftig zugenommen, Vor 4.5 Milliarden Jahren hatte sie nur etwa 70 % des heutigen Wertes. Dieser Anstieg ist aber sehr, sehr langsam.

Solare Einstrahlung

2W/m1366S

Klima 10

Mehr zur Einstrahlung

(4) Die Albedo (A)

Nur ein Teil der Sonnenstrahlung wird aber auch tatsächlich von der Erdoberfläche aufgenommen (absorbiert). Die Albedo bezeichnet den Anteil der Strahlung, der reflektiert wird. Die Albedo hängt von den Oberflächeneigenschaften des Materials ab. Besonders viel Strahlung reflektieren (dichte) Wolken und (frischer) Schnee. Die gesamte Erde reflektiert 31 % der Sonnenstrahlung, also A = 0.31.

Reflexion

Oberfläche Albedo

Wolken 45-90 %Neuschnee (3) 75-95 %Gletscher 20-45 %Meereis 30-40 %Gestein (2) 10-40 %Wälder (1) 5-20 %Wasser 5-10 %Planetare Albedo 31 %

Klima 11

Globale Albedo (Kontinente)

Albedo der Kontinente. Rote Gebiete repräsentieren helle, stark reflektierende Oberflächen. Daten vom 7. – 22. April 2002, Sensor MODIS an Bord des NASA-Satelliten Terra (Quelle: C. Schaaf, Boston University).

Klima 12

Ausstrahlung

(5) Das Stefan Boltzmann Gesetz (Joseph Stefan, 1878 und Ludwig Boltzmann, 1884)

= 5.6704 · 10-8 Wm-2K-4 Stefan Boltzmann Konstante (die = Emissionsvermögen ist wirklich konstant).Schwarzer Körper: = 1Erde: = 0.95

Die Strahlungsleistung Q steigt mit der viertenPotenz der Temperatur T. Also für Sonne undErde: ~20fache Temperatur – ~160 000fache Strahlungsleistung (Fläche unter den beidenKurven im Diagramm, man beachte die logarithmische Darstellung).

Terrestrische Ausstrahlung

4TσεQ

Klima 13

Ein Problem

Damit liefert unser Energiebilanzmodell eine mittlere Oberflächentemperatur von –16 °C(statt +15 °C). Das ist (auch für ein einfaches Modell) falsch.

4TσεA14S

Kurzwellige Einstrahlung = Langwellige Ausstrahlung

Klima 14

Treibhauseffekt (1)

Was haben wir nicht beachtet? – Die Atmosphäre! Sie ist zwar für sichtbares Licht (fast) durchsichtig, abernicht für Infrarot. In unserem Modell wird der Einfluss derTreibhausgase durch die Transmissivität IR „parametrisiert“.

4IR TσετA1

4S

Die infrarotaktiven Treibhausgase ver-hindern, dass die vom Boden ausgehende IR Strahlung das System komplett verlässt.

Klima 15

Der Treibhauseffekt (2)

Die Erde gewinnt also Energie durch den Anteil der Sonnen-strahlung, der nicht reflektiert wird (z.B. von Wolken, Schnee).

Weil die Erde wesentlich kälter als die Sonne ist, strahlt sie nicht sichtbares Licht, sondern Infrarotstrahlung ab (Wärmestrahlung).

Auf einer Erde ohne Atmosphäre würde sich damit eine mittlere Temperatur von etwa –2°C einstellen.

Bei klarem Himmel dringt der Großteil der kurzwelligen Sonnen-strahlung ungehindert bis zur Erdoberfläche. Die langwellige Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche wird nun aber teilweise von Treibhausgasen absorbiert. Diese geben auch Infrarotstrahlung ab, einen Teil nach oben, einen Teil nach unten. Der Teil, der nach unten abgestrahlt wird, erwärmt die Erdoberfläche.

Klima 16

Der Treibhauseffekt (3)

Mit zunehmender Temperatur der Erdoberfläche wird immer mehr Infrarotstrahlung abgegeben. Auf der Erdoberfläche stellt sich schließlich eine Temperatur ein, bei der der Teil der Infrarotstrahlung, der die Atmosphäre durchdringen kann, die Sonnenstrahlung genau ausgleicht.

Durch den natürlichen Treibhauseffekt (für den wir sehr dankbar sind) wird die Erde auf +14 °C erwärmt. Bei ihm leistet Wasserdampf den wichtigsten Beitrag.

Durch menschliche Aktivitäten gelangen nun aber zusätzliche Treibhausgase (vor allem Kohlendioxid) in die Atmosphäre. Dieser anthropogene Treibhauseffekt bereitet uns Sorgen.

H2O 62 %CO2 22 % O3 7 %N2O 4 %CH4 3 %Rest 2 %CO2 52 %CH4 17 % O3 13 %

FCKW 12 % N2O 5 % Rest 1 %

Klima 17

Temperatur der Erdoberfläche

• Die beobachtete mittlere Oberflächentemperatur beträgt T = + 15 °C

Wenn wir für unseren Parameter IR den „richtigen“ Wert 0.634 wählen, erhalten wir eine Temperatur von +15.1 °C.

• Ohne Atmosphäre oder nur mit N2 und O2 (IR = 1) folgt T = – 16.0 °C

Auf einer Erde ohne Treibhausgase gäbe es allerdings auch weder Wolken nochSchnee, dadurch wäre die Albedo viel geringer.

• Ohne Atmosphäre mit realistischer Albedo (A = 0.15) T = – 2.0 °C

• Ohne Atmosphäre mit der Albedo des Mondes (A = 0.11) T = + 0.9 °C

• „Schwache junge Sonne“ (IR = 1, S = 0.7·S0, A = 0.15) T = – 25.3 °C

Der natürliche Treibhauseffekt führt also zu einer Erwärmung um etwa 17 °C.Alle Treibhausgase haben übrigens drei oder mehr Atome (Rotations-Schwingungsbanden). Um einen Temperaturanstieg von 0.6 °C (wie im 20. Jhdt.) ohne Treibhausgase zu erklären, müsste man die Solarkonstante (in unserem Modell) um 12 W/m2 erhöhen.

Klima 18

Ungleiche Geschwister

Venus Mittlerer Radius 6051 kmEntweichgeschw. 10.4 km/sCO2 Atmosphäre90 bar BodendruckTreibhauseffekt ~über 400 °C !!

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Erde Mittlerer Radius 6371 kmEntweichgeschw. 11.2 km/sN2 - O2 Atmosphäre1 bar BodendruckTreibhauseffekt 31 °C (bzw. 17 °C)

Mars Mittlerer Radius 3390 kmEntweichgeschw. 5.0 km/sCO2 Atmosphäre0.006 bar BodendruckTreibhauseffekt ~ 4 °C

Klima 19

Etwas realistischer

Die wirkliche Welt ist natürlich etwas komplizierter als unser nulldimensionales Modell (Quelle: Kiehl and Trenberth, 1997), aber im Prinzip stimmt es gar nicht schlecht (Für Details haben wir ohnehin zu wenig Zeit).

Klima 20

Strahlungsbilanz – Jahresgang

Netto-Kurzwellenstrahlung

Netto-Strahlung

Netto-Langwellenstrahlung

Netto-Kurzwellenstrahlung = KWabwärts – KWaufwärts

Netto-Langwellenstrahlung = LWabwärts – LWaufwärts

Netto-Strahlung = Netto-KW – Netto-LW

Klima 21

Klimaänderungen

In unserem einfachen Modell gibt es immerhin drei Möglichkeiten das Klima, und damit die Oberflächentemperatur der Erde zu ändern, für alle drei gibt es auch Beispiele in der Erdgeschichte.

• Änderung der Solarkonstante „Kleine Eiszeit“. Anstieg der Temperatur zu Beginn des 20. Jhdts (zumindest teilweise).

• Änderung der Albedo Abkühlung nach explosiven Vulkanausbrüchen durch Schwefelsäure-Aerosole in der Stratosphäre. „Impaktwinter“ nach Asteroideneinschlag an der Kreide/Tertiär Grenze.

• Änderung der Treibhausgaskonzentration Anthropogener Treibhauseffekt, Supertreibhaus an der Paläozän/Eozän Grenze.

Außerdem können wir, wenigstens qualitativ einige Rückkoppelungen im Klimasystem verstehen.

Positive Rückkoppelungen verstärken die ursprüngliche Störung. Negative Rückkoppelungen stabilisieren das Klima.

Klima 22

Koppelungen (1)

Klima 23

Darstellung nach J. Kasting:

= Systemkomponente

= Positive Koppelung

= Negative Koppelung

Koppelungen (2)Klima 24

Positive Koppelung

CO2 in der Atmosphäre Treibhauseffekt

Eine Zunahme des CO2–Gehaltes führt zu einer Zunahme des Treibhauseffektes.Eine Abnahme des CO2–Gehaltes führt zu einer Abnahme des Treibhauseffektes.

Koppelungen (3)Klima 25

Eine Zunahme der Albedo führt zu einer Abnahme der Oberflächentemperatur.Eine Abnahme der Albedo führt zu einer Zunahme der Oberflächentemperatur.

Negative Koppelung

Albedo der Erde Oberflächentemperatur

Rückkoppelungen (1)

Hier ist Wasser besonders wichtig, da es auf der Erde als Gas, als Flüssigkeit und in fester Form (mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften) vorkommen kann.

• Wasserdampf–Rückkoppelung (positiv)

Klima 26

Oberflächen-temperatur

H2O in der Atmosphäre

Treibhaus-effekt

(+)

Rückkoppelungen (2)

• Schnee/Eis–Albedo–Rückkoppelung (positiv)

Klima 27

Oberflächen-temperatur

Schnee- undEisbedeckung

PlanetareAlbedo

(+)

z.B.: Temperatur nimmt ab Schnee/Eisbedeckung nimmt zu Albedo nimmt zu Temperatur nimmt weiter ab.

Rückkoppelungen (3)

• Wolken–Rückkoppelung für tiefe Wolken (negativ)

Klima 28

z.B.: Temperatur nimmt zu Wasserdampfgehalt der Atmosphäre nimmt zu Bewölkung nimmt zu Albedo nimmt zu Temperatur nimmt ab.

Oberflächen-temperatur

H2O in der Atmosphäre

PlanetareAlbedo

(–)

TiefeBewölkung