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:
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