Global Warming
Sommerakademie Salem 17.08. - 30.08.2008
Arbeitsgruppe: Die Zukunft der Energie
Referentin: Julia Hackenbruch
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EINLEITUNG
„Natürlicher Klimawandel ist untrennbar mit der Entwicklungsgeschichte der Welt verbunden. In den
vergangenen 100 Jahren hat der Mensch das Klimasystem erstmals massiv beeinflusst – ein
Experiment mit unbekanntem Ausgang.“(Münchener Rück 2004, S. 17)
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GLIEDERUNG
1. Grundlagen
2. Klimageschichte und Klimarekonstruktion
3. Klimaprognosen und Klimamodellierung
4. Mögliche Konsequenzen für Geo- und Biosphäre
5. Zusammenfassung, Ausblick
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1. GRUNDLAGEN
„Klima ist das statistische Verhalten der Atmosphäre, das für eine relativ große zeitliche Größenordnung
charakteristisch ist.“ (HANTEL et al. 1987 nach EMEIS 2000, S. 55)
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1.1 Das globale Klimasystem
Abb. 1: Schema des Klimasystems (Quelle: Schönwiese 2003, S. 39)
Klimasystem = GeobiosphäreAbb. 1: Schematisierte Darstellung des Klimasystems der Erde(Quelle: Casper 2007 nach Entwurf R. Glaser und H. Saurer, verändert nach IPCC 2001)
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1.2 Zusammensetzung der Atmosphäre
gasförmige Lufthülle der Erde, durch die Gravitation an sie gebunden Gesamtmasse der Atmosphäre: 5,14 *1018 kg
Hauptbestandteile Stickstoff: 78,08% Sauerstoff: 20,95% Argon: 0,93 %
Spurengase
variabler Teil an Wasserdampf (bis zu 4%) Aerosole, Wassertröpfchen und Eiskristalle
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1.2.1 Natürliche Spurengase
Kohlendioxid CO2 Kohlenmonoxid CO Methan CH4 Terpene und Isoprene Ammoniak NH3 Stickoxide NOx Schwefelverbindungen (SO2) Methylchlorid CH3Cl , Methylbromid CH3Br Ozon Wasserdampf
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1.2.2 Anthropogene Spurengase
messbare Veränderung der Konzentration einiger Spurengase durch Siedlungs- und Wirtschaftstätigkeit des Menschen
Emissionen aus Verbrauch fossiler Brennstoffe in Hausbrand, Verkehr, Industrie, Kraftwerken; landwirtschaftlicher Düngung; Landnutzungsänderungen
Anreicherung sog. Klima- oder Treibhausgase
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CO2
Schwankungen in den letzten 650 000 Jahren zwischen 180 und 300 ppm
Seit 200 Jahren Anstieg von 280 auf 379 ppm = 0,0379 % (Stand 2005)
Aktuell: +1,9 ppm/Jahr (Stand 1995 – 2005)
Anteil von 50 % am anthropogenen Treibhauseffekt
Abb. 2: CO2-Gehalt der Atmosphäre in den
letzten 10000 Jahren.
(Quelle: IPCC,Working Group I, 2007)
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Methan CH4
Anstieg von 715 auf 1774 ppb in den letzten 200 Jahren (Stand 2005)
Natürliche Schwankung zwischen 320 und 790 ppb in den letzten 650 000 J.
21fache CO2-Wirksamkeit
Anthropogene Quellen (73%): Energiewirtschaft, Viehwirtschaft, Reisfelder, Mülldeponien, Verbrennung von Biomasse
Hauptbestandteil von Erdgas und Gashydrat
Abb. 3: Methan-Gehalt der Atmosphäre in den letzten 10000 Jahren.(Quelle: IPCC,Working Group I, 2007)
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Lachgas N2O
Anstieg in den letzen 200 Jahren von 270 ppb auf 319 ppb
Ein N20-Molekül ist 205mal so wirksam wie ein CO2-Molekül
1/3 aller Lachgasemissionen sind anthropogen
Bildung aus Stickstoffverbindungen bei Abbau von Dünger im Boden
Abb. 4: Lachgas-Gehalt der Atmosphäre in den letzten 10000 Jahren.(Quelle: IPCC,Working Group I, 2007)
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FCKW und SF6
Flourchlorkohlenwasserstoffe lange Zeit als Kühlmittel, Aufschäummittel, Reinigungsmittel
verwendet Absorbieren 10 000mal so viel Strahlung wie CO2
Ozonabbau in der Stratosphäre
Schwefelhexafluorid 3,5 ppb, jährliche Zuwachsrate 6 – 9 % höchste Klimawirksamkeit keine natürlichen Quellen bekannt, industrielle Produktion
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Erde als offenes physikalisches System, thermisches Gleichgewicht mit der kosmischen Umgebung
Energieaufnahme aus kurzwelliger Einstrahlung = langwellige Ausstrahlung in den Weltraum
effektive Strahlungstemperatur der Erde: – 18°C
globale mittlere Lufttemperatur: 15°C
1.3 Natürlicher Treibhauseffekt
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Durchlässigkeit für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung, aber atmosphärische Gegenstrahlung hält großen Anteil der Wärmeausstrahlung der Erde zurück
atmosphärische Gase, Wolken und Aerosolteilchen absorbieren und emittieren thermische Strahlung selektiv
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Ursachen: Vorgänge, die häufig unter dem Begriff globaler Wandel subsummiert werden
Anstieg der Weltbevölkerung Vervielfachung der Weltprimärenergienutzung 90% der Energie gehen auf fossile Energieträger zurück Waldrodungen
Emissionen
Gegeneffekt durch Aerosole
1.4 anthropogener Treibhauseffekt
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Zusammenhang Gaskonzentrationen - Temperatur
Abb. 6: Aus Eisbohrkernen der Antarktis rekonstruierte Atmosphären-zusammensetzung der letzten 420000 Jahre(Quelle: Mauser 2007 in Gebhardt et al., S. 969)
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HystereseDas Zurückbleiben einer Wirkung hinter dem
jeweiligen Stand der sie bedingenden veränderlichen Kraft
v. a. Trägheit der Ozeane
Halten der Treibhausgaskonzentrationen auf Niveau von 2000 würde noch Erwärmung von 0,2°C in den nächsten 20 Jahren nach sich ziehen
Um den globalen Temperaturanstieg auf max. 2 °C zu begrenzen, müssten die anthropogenen Treibhausemissionen bis 2050 um 50 – 85% gegenüber dem Jahr 2000 gesenkt werden
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2. KLIMAGESCHICHTE UND KLIMAREKONSTRUKTION
„Seit die Erde existiert – also seit zirka 4,6 Milliarden Jahren ändert sich das Klima, und das in
unterschiedlicher Art und aus unterschiedlichen Gründen.“
(SCHÖNWIESE in GEBHARDT et al. 2007, S. 246)
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2.1 natürliche Klimavariabilität
Extraterrestrische (Astronomische) Gründe:
Regelmäßige Änderungen der Erdbahnparameter Exzentrizität der Ellipse Schiefe der Ekliptik Präzession
Sonnenaktivität: Variationen der Strahlungsleistung der Sonne fortschreitende Fusion von Wasserstoff zu Helium Sonnenfleckenaktivität
Meteoriten-Einschläge Ende der Dinosaurier nach Meteoriteneinschlag am Ende der
Kreidezeit
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terrestrische (geophysikalische) Gründe:
Kontinentalverschiebung: Änderung der Lage der Kontinente auf der Erdkugel zueinander, zu Polen und Äquator
Vulkanismus: vulkanische Eruptionen setzen Staub und schwefelhaltige Gase bis in die Stratosphäre hinauf frei
„Jahr ohne Sommer“ 1816 nach Ausbruch des Tambora (Indonesien)
2.1 natürliche Klimavariabilität
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Interne Rückkopplungen im Klimasystem –Wechselwirkungen zwischen den Kompartimenten:
Meeresströmungen und Atmosphäre
Biosphäre und Atmosphäre
klimatische Sondersituationen El Nino (ENSO-Phänomen) Nordatlantic Oszillation (NAO)
2.1 natürliche Klimavariabilität
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2.2 Methoden der Klimarekonstruktion
Paläoklimatologische Methoden:
Phänologische Daten
Dendrochorologie
Pflanzenpollen-Spektren
Chemisch-physikalische Methoden
Geologische Methoden
Geomorphologische Methoden
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2.3 Klimageschichte: historische Klimakurven
zwei Zustände im Erdklima: akryogenes Warmklima und Eiszeitalter
Eiszeitalter von einigen Jahrmillionen Dauer, dazwischen erheblich längere wärmere Warmklimaepochen
Eiszeitalter: Glaziale (kalte Epochen) und Interglaziale (relativ warme Zwischeneiszeiten)
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Abb. 8:Klimaschwankungen in der Erdgeschichte (Quelle: Schönwiese 2003, S. 287)
Abb. 7: Klimageschichte der Erde (Quelle: Emeis 2000, S. 65)
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Abb. 9: Anomalien der Jahresmitteltemperatur zum Referenzmittelwert 1961 – 1990 (Quelle: Schönwiese in Gebhardt et al. 2007, S. 247 nach Jones et al. 2005)
1906 – 2005: + 0,74°C
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Abb. 10: Temperaturtrends der bodennahen Lufttemperatur von 1891 – 1990 (Quelle: Schönwiese in Gebhardt et al. 2007, S. 248)
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Erhöhung der Atmosphären-
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Anstieg desMeeresspiegels
(20. Jhd.: 17 cm)
Verringerung der Schneedecke auf Nordhemisphäre
Abb. 11: Globale Veränderungen seit 1850 (Quelle: Casper 2007 nach IPCC, Working Group I 2007)
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3. KLIMAPROGNOSEN UND KLIMAMODELLIERUNG
Schäden als Folge extremer Wetterereignisse in den letzen 10 Jahren: 16,5 Mrd. Euro Klimawandel-Kosten bis 2050: 137 Mrd. Euro allein in
Deutschland (Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung)
Ziel: Risikowahrnehmung in Wirtschaft und Verwaltung,
Anpassung an den Klimawandel
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3.1 Klimamodellierung
Computermodelle als Abbilder des Erdsystems beschreiben über mathematische Gleichungen die Wechselwirkung zwischen physikalischen und biogeochemischen Prozessen in Atmosphäre, Ozean, Meereis und Landoberflächen quantitativ / numerisch
Eingabeparameter: Entwicklung der Konzentrationen atmosphärischer Treibhausgase
Rekonstruktion der Vergangenheit und Berechnungen für mögliche Klimaentwicklungen
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Unsicherheiten
Ergebnisse hängen entscheidend von jeweiligen Eingabe-Annahmen der Klimagas-Konzentrationen ab.
Nicht-Berücksichtigung möglicher anthropogener Einflussfaktoren: Aerosole, Ozonchemie
Nicht-Berücksichtigung natürlicher Einflüsse
Lediglich angenäherte Simulation des sehr komplexen realen Klimasystems
Aussagekraft der Modelle umso geringer, je kleiner das betrachtete Gebiet
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3.2 Klimaszenarien
keine Vorhersagen, sondern verschiedene Entwürfe der Zukunft, die in sich konsistent, aber nicht notwendig wahrscheinlich sind
Entwicklungskorridore
Ziel: Verantwortungsträger mit möglichen zukünftigen Situationen konfrontieren
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IPCC: Erstellung verschiedener Szenarien mit sehr detaillierten Storyboards
Kriterien: Bevölkerungsentwicklung, Effizienz der Energienutzung, technologische Entwicklung
Abb. 12: Emissionsentwicklungen in den IPCC-Szenarien(Quelle: Cubasch in Münchner Rück 2005, S. 65 nach IPCC 2001)
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Abb. 13: Erwartete Änderung der mittleren Lufttemperatur von
1961-1990 bis 2070-2100
Oben: A2 „regional-ökonomisch“
Unten: B2 „regional-ökologisch“
(Quelle: Von Storch in Gebhardt et al. 2007, S. 254 nach
Danmarks Meteorologiske Institut)
IPCC-Szenarien: Prognose einer globalen Erwärmung von 1,1 – 6,4 °C relativ zur Situation 1980-1999 (IPCC 2007)
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3.3 Regionale Klimamodellierung
Einbettung hoch auflösender regionaler Klimamodelle in globale Klimamodelle
Detailuntersuchungen
Grundlagendaten für Hydrologen, Biologen, Energietechniker, Medizinmeteorologen, Bauphysiker, Katastrophenschützer, Agrarwissenschaftler….
Berücksichtigung globaler Informationen und lokaler Gegebenheiten bei der Berechnung regionaler Klimaänderungen
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3.3.1 Ergebnisse für Europa regionale und saisonale Unterschiede (A1B)
Mittelmeerraum: Anstieg der Sommertemperaturen um mehr als 2,5 °C
Mitteleuropa: Erwärmung weniger als 1,5 °C Osteuropa: Erwärmung weniger als 1 °C Wintermonate: Temperaturanstieg um etwa 1,5 – 2 °C von
Skandinavien bis zum Mittelmeer Trend zur N-abnahme von bis zu 50 % im Mittelmeerraum in
allen Jahreszeiten Abnahme der N in den Sommermonaten höhere N in Winter und Herbst in weiten Teilen Europas
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Abb. 14: Relative Termperaturänderung im Sommer (links) und Winter (rechts) für die Jahre 2071 – 2100 gegenüber 1961 – 1990 (Quelle: Hagemann, Jakob o.J., S. 7)
3.3.2 Ergebnisse für Deutschland: REMO
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Abb. 15: Relative Niederschlagsänderung in Sommer (links) und Winter (rechts) für 2071 – 2100 gegenüber 1961 – 1990 (Quelle: Hagemann, Jakob o.J., S. 8)
Auswirkungen auf Waldbrandgefahr, Landwirtschaft, Binnenschifffahrt Auswirkungen auf Tourismus an Küsten und in den Alpen
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4. MÖGLICHE KONSEQUENZEN FÜR GEO-
UND BIOSSPHÄRE
Global Change: mit der Klimaänderung zusammenhängende Veränderungen im sozialen, ökonomischen und ökologischen Gefüge der Welt (vgl. EMEIS 2000, S. 155)
Weil die Menschheit und die gesamte Biosphäre abhängig von günstigen Klimabedingungen sind, haben Klimaänderungen z. T gravierende ökologische und sozioökonomische Folgen
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4.1 Arktis
Abb. 16: Arktische Eislandschaft (Quelle: www.awi.de)
sensibelster Klimaindikator der Erde
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KlimaänderungAnstieg der Oberflächentemperatur in der Arktis in den vergangenen 56 Jahren 1,6°C (global: 0,4°C)
Abb. 17: Jährlich gemittelte Lufttemperaturen nördlich von 70°N für den Zeitraum 1948 bis 2003 (Quelle: www.awi.de)
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Abb. 18: Meereiskonzentration am 15. August 2004 und Meereiskanten am selben Tag 1998, 2002, 2003 (Quelle:www.awi.de).
Abb. 19: Änderungen des Eisvolumens in den vergangenen 50 Jahren (Rekonstruktion) (www.awi.de)
In den vergangenen 30 Jahren hat das Packeis im Sommer 1/5 seiner Fläche verloren, die Dicke des Meereises ist um 10 – 15 % geschrumpft, in stark betroffenen Gebieten um bis zu 40%
Nordpolarmeer könnte bis Mitte des Jahrhunderts, spätestens bis 2080 im Spätsommer eisfrei sein
Antarktische Meereisbedeckung hat leicht zugenommen
Ausgeprägte Variabilität, der Trend ist sehr abhängig von den betrachteten Zeitskalen
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Folgen der Erwärmung
Häufigere Niederschläge zerstören Flechten Eisbär auf Roter Liste bedrohter Tierarten „neue“ Vogelarten und Insekten
Permafrostdegradation gefährdet Verkehrswege, Gebäude, Pipelines
Freisetzung großer Mengen CH4 und CO2
Positive Effekte: verlängerte Schiffsaison, mehr Baumbewuchs, ergiebigere Fischgründe
erleichterter Zugang zu arktischen Rohstoffen (Gefahr: neue Umweltprobleme)
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4.2 Alpengletscher
Temperaturanstieg in den Alpen in doppelter Geschwindigkeit Verschwinden vieler kleiner Gebirgsgletscher möglich Viele Gletscher zerfallen vor Ort
Geo- und Ökosysteme nicht mehr im Gleichgewicht
steigendes Risiko an Naturgefahren: Steinschlag, Fels- und Bergstürze, Murgänge, Lawinen
kurzfristig steigende Hochwassergefahr
langfristig sinkende See- und Grundwasserspiegel, Engpässe bei Trink- und Brauchwasserversorgung
Abb. 20: Gletscher in den Alpen (Quelle: BMU 2007, S. 1)
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maximale Ausdehnung der Gletscher nach der „kleinen Eiszeit“ 1850 50% Verlust bis 1975 durchschnittlich 1% pro Jahr zwischen 1975 und 2000 2003: Verlust von 8% des verbliebenen Eises
Abb. 21: Vernagtferner-Gletscher
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4.3 Meere und Küsten
Thermische Trägheit der Ozeane trägt zur Persistenz des Klimasystems bei
Transport großer Mengen Wärme und Bewegungsenergie Stoffspeicher, v. a. für Kohlenstoff Wirtschaftliche Aktivitäten des Menschen an den Küsten
Steigende Gefahr von Sturmfluten an der Nordsee
Mensch muss Besiedlung an der Küste anpassen
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Wattenmeer Rückzug des Schlickwatts Planktonproduktion
Das flache Wattenmeer reagiert äußerst sensibel auf den Klimawandel und die dadurch höheren Wasserstände
Abb. 23: Das Sylter Wattenmeer (Quelle: www.awi.de)Abb. 22: Die Pazifische Auster überwächst die Miesmuschelbänke (Quelle: www.awi.de)
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Anstieg des Meeresspiegels Schmelzen aller kontinentalen Gletscher:
Meeresspiegelerhöhung um einen halben Meter
Schmelzen des grönländischen Eisschildes: Meeresspiegelanstieg von sieben Metern
völliges Abschmelzen des grönländischen Inlandeises und der Eiskappe der Antarktis: Meeresspiegelanstieg um 70 Meter
Schneefall in der Antarktis würde bei globalem Temperaturanstieg von 3°C nach dem 21. Jahrhundert nicht mehr ausreichen, den Anstieg des Meeresspiegels zu kompensieren
Klimaprojektionen: Meeresspiegelanstieg von 10 - 90 cm
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4.4 Flora und Fauna Klimawandel als eine Hauptbedrohung für die globale biologische
Vielfalt Korallensterben Mangrovenwälder und Salzmarschen durch Meeresspiegelanstieg
bedroht Tundren- und Gebirgsökosysteme stark gefährdet Ausbreitung von Krankheitserregern
Verschiebung der Verbreitungsgebiete von Arten polwärts und in höhere Lagen, Einengung des Areals von Hochlagenspezialisten
Veränderungen im Jahresrhythmus von Tieren und Pflanzen
Verlängerung der Vegetationsperiode (seit 1950 um zehn Tage)
früherer und längerer Pollenflug
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Naturschutz als Klimaschutz
effektiver Naturschutz als Beitrag zur Abschwächung der Klimaänderung Hochwasser- und Küstenschutz Sicherung der Wasserversorgung Schutz des Menschen vor den Auswirkungen von
Extremereignissen und Naturkatastrophen
negative Effekte von Klimaschutzmaßnahmen Wald- und Moorzerstörung für Anbau von Biofuels Holzplantagen
CO2-Senken: Moore, Böden, Ozean, Wälder, Vegetation
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4.5 Folgen für den Menschen
weltweit : Zunahme der Naturkatastrophenschäden für die Versicherungswirtschaft
Häufung von Wetterkatastrophen wie Stürmen, Überschwemmungen, Unwettern, Hitzewellen, Waldbränden
enorme wirtschaftliche Konsequenzen
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Extremereignisse
kleine Verschiebung der klimatischen Mittelwerte hat große Wirkung für die Überschreitungswahrscheinlichkeit kritischer Schwellenwerte
größere Variabilität => höhere Wahrscheinlichkeit für Extremwerte
Abb. 24: Zunahme von Mittelwert und Streuung (Quelle: Berz in Münchner Rück 2005, S. 102)
„Was heute als Extremereignis gilt, wird schon bald zur Normalität“ (MÜNCHENER RÜCK 2004, S. 97)
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Beispiel Hitzesommer 2003 3,4 °C höhere Mitteltemperaturen (verglichen mit 1961-1990) Waldbrände, Dürreschäden in der LW, Ausfälle in der
Flussschifffahrt, Engpässe bei der Stormversorgung 35 000 zusätzliche Todesfälle
Abb. 25: Hitzebelastungen 2003 (Quelle: Höppe in Münchner Rück 2005, S. 158f)
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Nahrungsmittel und Trinkwasser
Lebensmittelsicherheit Haltbarkeit von Lebensmitteln sinkt steigende Gefahr von Missernten, Dürren Reduktion der Pflanzenproduktivität und Erntemenge in heißen
Regionen der Erde, Hungersnöte Verlust von Agrarland durch Bodenerosion und Desertifikation
Trinkwasserqualität chemische und biologische Eigenschaften abhängig von der
Wassertemperatur Steigende Konzentrationen eingeleiteter Chemikalien bei
niedrigen Wasserständen
Trinkwasserverknappung in trockenen Regionen für Bevölkerung und Landwirtschaft
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Weitere Folgen der Klimaerwärmung
milde Winter: mehr Sturmtiefs stoßen aufs Festland vor
Hitzefolgen: Gewitter, Hagel, Sturzfluten, Starkwinde
Hohe Temperaturen begünstigen die Übertragung von Krankheiten
Thermische Umweltbedingungen
Luftschadstoffe, Luftqualität, Luftreinhaltung
Ozonabbau in der Stratosphäre: Zunahme der UV-Strahlung Hohe Ozonwerte in heißen Sommern, Belastungen der
Gesundheit der Bevölkerung, der Land- und Forstwirtschaft
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5. ZUSAMMENFASSENDE BETRACHTUNG
Eine Zunahme der globalen Mitteltemperaturen in der unteren Atmosphäre und in den oberen Ozeanschichten durch den Einfluss des Menschen über die Zunahme der Konzentrationen bestimmter Spurengase ist nicht zu leugnen
Schwierigkeit, natürliche und anthropogen verursachte Klimavariabilität zu trennen
Vielfältige Wechselwirkungen im Klimasystem erschweren Erklärungen und Prognosen
Forschungsfeld Klimafolgenforschung: Folgen der Klimaänderungen für das Leben von Mensch, Tier, Pflanze und die Lebensbedingungen in den verschiedenen Lebensräumen der Erde
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Ausblick
Der Klimawandel ist eines der drängendsten Umweltprobleme unserer Zeit.
Es bedarf einer sachlichen wissenschaftlichen Diskussion und einer integrativen und nachhaltigen nationalen und
internationalen Energie- und Klimaschutz-Politik, um das eingesetzte Global Warming zu bremsen und
seinen Auswirkungen auf das System Erde gegenzusteuern.
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Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!!
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