Klimawandel

WS 05/06

Joachim CurtiusInstitut für Physik der Atmosphäre

Universität Mainz

CO

2

(pp

m)

www.staff.uni-mainz.de/curtius/Klimawandel/Login: KlimawandelPassword: CO2

Nachtrag: Quellen und Senken von Methan (Tg CH4/yr)

[IPCC 2001]

inkl. ~80-100 Tg/yr aus Reisfeldern

Erdgas, Öl- und Kohle-förderung

Wiederkäuer

gesamt: ~70% anthropogene Quellen

Nachtrag: MethanquellenKeppler et al., Nature, 2006

Pflanzen selbst emittieren Methan! Nicht nur Mikroben im Boden in anaeroben Prozessen (z.B. Methanemissionen aus Sümpfen und Reisfeldern), wie bisher gedacht!Völlig unerwartet! Mechanismus ungeklärt.

grobe Schätzung: 10-30% (~62-236 Mt/yr) der globalen Quellen!

Methanemission der Pflanzen ist temperaturabhängig:CH4-Emissionen verdoppeln sich pro 10°C T-Anstieg

Prozess könnte mehrere Beobachtungen erklären, z.B.: a) Methan über tropischen Regenwäldernb) Methanschwankungen Eiszeit-Warmzeitc) Methanzunahmeraten in den 90er Jahren

Relevant für zukünftige Klimaprognosen: Wälder zur CO2-Speicherung...

Es gibt immer noch große Überraschungen...

Methanproduktion von getrockneten Eschen und Birkenblättern

Pflanzen als Methanquellen, Keppler et al., Nature, 2006:

Inhalt

1. Überblick

2. Grundlagen

3. Klimawandel heute: Beobachtungen

4. CO2

5. Andere Treibhausgase

6. Aerosole und Wolken

7. Solare Variabilität

8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel

9. Klimageschichte

10. Klimaschutz

Strahlungsantrieb durch Aerosole Direkter Effekt

Streuung (und Absorption) des einfallenden Sonnenlichtes durch Aerosolpartikel.

Indirekter Effekt

Änderung 1.) der Wolken-Albedo 2.) der "Lebensdauer" durch anthropogen verursachte Aerosole.

Semidirekter Effekt

Änderungen (z.B. Verdampfen von Wolken) durch Absorption von Rußaerosolen ("ABC", "brown cloud", "dimming")

Grundlagen: Lichtstreuung an Aerosolen

Sulfataerosol: Streut insbes. kurzwellige solare Strahlung

Ruß: Absorbiert kurzwellige (und auch langwellige) Strahlung

Wolken: Streuung und Absorption vonkurzwelliger und langwelliger StrahlungNetto-Effekt meist eher kühlend, Ausnahme dünne Cirren

Indirekte Klima-Effekte durch Aerosoleoutline

reineLuft,wenige CCN

verschmutzteLuft,viele CCN

Wolken-bildung: Wasserdampf kondensiert

geänderte optische Eigenschaften, Wolke wird "weißer", reflektiert mehr solare Strahlung,Namen: Twomey-Effekt (Twomey, Tellus B, 1984), Wolkenalbedo-Effekt, erster indirekter Aerosoleffekt

geänderter hydrologischer Zyklus: längere Lebensdauer der Wolke, Abregnen wird unterdrückt, CDs<14µm,Namen: zweiter indirekter Aerosoleffekt, "lifetime effect"

wenige großeWolken-tröpfchen

viele kleine Wolkentröpfchen

Satellitenaufnahme (bei einer Wellenlänge von 3.7 µm) vom Pazifik an der Westk¨uste von Kalifornien. Der Satellit sieht eine fast kontinuierliche Wolkenbedeckung (grau) mit einer Anzahl von Linien (weiss/hell), die sich durch eine gröossere Reflektivitäat auszeichnen. Diese sogenannten “Schiffsspuren” (ship tracks) kommen durch die von den Schiffsmotoren ausgestossenen Aerosole zustande. Messungen haben gezeigt, dass die erhöhten Aerosolkonzentrationen zu einer höheren Konzentration vonWolkentröpfchen bei gleichzeitiger Reduktion der Wolkentröopfchengrösse führen, und damit zu der vom Satelliten beobachteten erhöhten Reflektivität dieser Wolken.

erster indirekter Effekt

indirekteAerosoleffekte

Lohmann und Feichter, ACP 2005:

Vergleich der Effekte nachverschiedenen GCMs

rot: nur Sulfategrün: Sulfate + BCblau: Sulfate + OCtürkis: Sulf.+OC+BC

Übersicht indirekte Aerosoleffekte

[Haywood and Boucher, Rev Geophys., 2000]

indirekte Aerosoleffekteund Eiskeime

verschiedene Einflüsse auf CCNund IN(bisher in GCM nicht oder kaum berücksichtigt)

Human activity

Aerosol particles

[Lohmann, 2005]

Semidirekter Aerosoleffekt

Ackerman et al., Science, 2000; Sakteesh und Ramanathan, Nature, 2000;Venkataraman et al., Science 2005, uvm.:

"Atmospheric Brown Cloud, ABC": Rußemissionen (Holz) überIndien und Indischem Ozean führen zu starker Absorption, Erwärmung der Luftschichten, Wolken verdampfen deutliche Abkühlung am Boden. Starke Auswirkungen auf Strahlungshaushalt und Niederschlag.

Insgesamt Effekte von etwa dem 10-fachen des Effekts

durch Treibhausgase über dem Indischem Ozean beobachtet!

Klimawirkungen des Flugverkehrs:

Klimawirkungen des Flugverkehrs:

AVHRR-Satellitenbild:

a) Kondensstreifenkönnen zu Cirruswolken werden, "persistent contrails"

b) Einfluß auf Cirruswolken (über IN, H2O, etc.)

Klimawirkungen des Flugverkehrs:

Flugverkehr in Zahlen

13% des vom Verkehr insgesamt produzierten CO2

stammen von Flugzeugen

Flugverkehr hat zwischen 1960 und 1992 um Faktor 15

zugenommen und wird sich bis 2050 versechsfachen

Flugverkehr wächst z.Zt. mit ca. 5% pro Jahr,

Kerosinverbrauch wächst mit 3% pro Jahr

Jumbo-Jet: max. 400 t Gewicht beim Start, davon 175 t Kerosin

Verbrauch: 17-19 Liter/km;

FFM - NY - FFM: ~ 550 kg Sprit/Passagier

Klimawirkungen des Flugverkehrs:

Klimawirkungen des Flugverkehrs:

Klimaeffekt derzeit klein, aber stark steigend!

Zukünftige Entwicklung der Aerosolemissionen nach IPCC 2001:

Andreae et al., Nature, 2005

Andreae et al., Nature, 2005

c=

Aerosoleffekte ungenügend quantifiziert, deshalb Abschätzung der Klimasensitivität, verträglich mitder Temperaturentwicklung 1940-2000 (+0.7°C): GHG-Effekte sind gut quantifiziertund Wärmekapazität des Ozeansauch einigermaßen.

Klimasensitivität (K) ist die Temperaturänderung im Gleichgewichtnach einer Verdopplung der vorindustriellen CO2-Konzentration

Andreae et al., Nature, 2005

Andreae et al., Nature, 2005

"tolerabel"

TWarmzeit-Eiszeit

Vorhersagebereich IPCC-TAR

Andreae et al., Nature, 2005:

"... our analysis suggests that there is a possibility that climate

change in the twentyfirst century will follow the upper extremes of

current IPCC estimates, and may even exceed them. Such a degree

of climate change is so far outside the range covered by our

experience and scientific understanding that we cannot with any

confidence predict the consequences for the Earth system.

To reduce these uncertainties a multi-pronged approach is

needed. First, there is a great need for in situ studies that

investigate the response of cloud microphysics and dynamics to

enhanced aerosol concentrations. ..."

Aerosol-StrahlungsantriebAnderson et al., Science, 2003:

Unsicherheiten der Aerosol-Strahlungsantriebe insgesamt (direkt und indirekt, etc.). "Vorwärts"-Rechnung: ~1.5 W m-2, Inverse Rechnung: ~1 W m-2, Woher kommt Differenz, was ist richtig...

Fazit Aerosol-Klimaeffekte:

zahlreiche Unsicherheiten- Quellstärken, insbesondere organisches Aerosol?- welche Organika?- Prozessierung und atmosphärische Aufenthaltszeiten- welche Beziehung zwischen CN und CCN?- welcher Einfluß auf Eiskeime?- geringe Auflösung der Modelle- Vertikalverteilung des Aerosols

direkter Effekt: Sulfat: -0.4 W m-2, Effekte von fossilen und Biomassenverbrennung sehr

unsicher

indirekte Effekte immer noch sehr unsicher1. indirekter Effekt ca. –1.0 0.4 W m-2

2. indirekter Effekt ca. –0.7 0.5 W m-2

semidirekter Effekt ca. +0.1 bis -0.5 W m-2

weitere Effekte derzeit keine Angabe möglich

Stabilisierung/Absinken der Aerosolemissionen könnte Temperaturen bis 2100 um mehr als 5°C ansteigen lassen

Inhalt

1. Überblick

2. Grundlagen

3. Klimawandel heute: Beobachtungen

4. CO2

5. Andere Treibhausgase

6. Aerosole und Wolken

7. Solare Variabilität

8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel

9. Klimageschichte

10. Klimaschutz

Solare Variabilität

0.3 0.2 W m-2

Solare Variabilität:

Solarkonstante istnicht konstant!

11-Jahres-Zyklusund weitere Zyklen und Trends.

Messung: problematisch...

TSI = Total Solar Irradianceänderte sich weniger als 0.1% in den letzten 25 Jahren

[C. Fröhlich]

Sonnenflecken-Relativzahlen

Solare Variabilität

Rekonstruktion der TSI nach verschiedenen Autoren [IPCC 2001]grau: Anzahl Sonnenflecken, normiert. Strahlungsantrieb durch solare Variabilität (+0.3 W m-2)geht auf Anstieg der TSI zwischen 1744 und 1996 zurück.

increase in solar activity

reduction of Galactic Cosmic Rays (GCR)

?Reduced cloud coverage

?less cloud forcing

?warmer climate

[Svensmark, 1998]

weitere mögliche Klimaänderungen durch solare Variabilität:Svensmark-Hypothese

increase in solar activity

reduction of Galactic Cosmic Rays (GCR)

?Reduced cloud coverage

?less cloud forcing

?warmer climate

[Laut, 2003]

[Marsh and Svensmark, 2000]

Höhenabhängige Produktion von <30 Ionenpaaren cm-3 s-1

durch galaktische kosmische Strahlung (hauptsächlich schnelle Protonen und alpha-Teilchen). Strahlung wird durch den Sonnenwind (11-Jahres Zyklus) moduliert.Atmospärische Ionen-Konzentration: ~ 2000 Ionen cm-3

Rekombination: ~ 350 s

Galacticcosmic rays

Galaktische kosmische Strahlung

requilib

ion-inducednucleation

r*ion

rp

0

G

neutral nucleation

r*neutr.

G*neutr.

G*ion

2

0

1 1 11

2 p

q

r r

Ionen-induzierte NukleationEffiziente Aerosol-Neubildung, da Energiebarriere kleiner. klassische Beschreibung durch Thomson-Gleichung:

3 2( ) ln( ) 4p pG n r kT S r

particle radius

WilsonscheNebelkammerC.T.R. Wilson

1869-1959

aerosolparticle

cloud condensation nucleus

cloud droplet

H2OH2SO4

H2O

N2+

galacticcosmic rays cluster

ioncriticalcluster

HSO4¯

ion pairs

O2¯

NO3¯ - -

neutralcluster

critical cluster

-H2O

H2SO4 H2SO4

H2O H2O H2SO4

Ionen-induzierte Nukleation

SO42-

H3O+

H2O

H2SO4

H3O+

0.3 nm 1 nm 100 nm > 1 µm

solare Variabilität

weitere mögliche Einflüsse:

Änderung der UV-Strahlung, dadurch Änderungenim stratosphärischen Ozon

Änderungen von Eiskeimen durch Änderungen dergalaktischen kosmischen Strahlung (Tinsley)

Übersicht aller indirekten Effekte, Lohmann u. Feichter, ACP, 2005: