Messmethoden in der Mittleren Atmosphäre
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Klimawandel und Ozonloch Über die Einflüsse der Sonne und menschlicher Aktivitäten auf Veränderungen des Erdklimas Prof. Dr. Martin Dameris Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen Aufbau der Erdatmosphäre (~ 70°N) Winter Höhe [km] Sommer Mesosphäre Mittlere Atmosphäre Stratosphäre Troposphäre -120 -70 -20 Temperatur [°C] Institut für Physik der Atmosphäre +30 Polare Stratosphärenwolken im Winter (~ 20 km Höhe) Institut für Physik der Atmosphäre Polare Stratosphärenwolken im Winter (~ 20 km Höhe) Institut für Physik der Atmosphäre Aufbau der Erdatmosphäre (~ 70°N) Winter Höhe [km] Sommer Mesosphäre Mittlere Atmosphäre Stratosphäre Troposphäre -120 -70 -20 Temperatur [°C] Institut für Physik der Atmosphäre +30 Leuchtende Nachtwolken im Sommer (~ 83 km Höhe) Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik, Kühlungsborn Institut für Physik der Atmosphäre Leuchtende Nachtwolken im Sommer (~ 83 km Höhe) Institut für Physik der Atmosphäre Messmethoden in der Mittleren Atmosphäre Boden gestützt - Spektrophotometer - Lidars In-situ - Radio-, Ozonsonden - Forschungsballone Fernerkundung - Flugzeuge - Satelliten Institut für Physik der Atmosphäre Messmethoden in der Mittleren Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Was bestimmt unser Klima? Wechselwirkungen im Klimasystem - Antriebe von "außen" ¾ Einstrahlung der Sonne ¾ Konzentration von Treibhausgasen (natürliche und anthropogene) und anderer strahlungsaktiver Substanzen ¾ Orographie, Land-See-Verteilung, Bodeneigenschaften ¾ Vulkanausbrüche ¾ ... Institut für Physik der Atmosphäre Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung Variation der Erdbahnparameter Institut für Physik der Atmosphäre Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung Variation der Erdbahnparameter Institut für Physik der Atmosphäre Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung Variation der Erdbahnparameter Temperaturänderung CO2-Mischungsverhältnis [ppmv] ~ + 10°C in 10.000 Jahren = + 0.1°C in 100 Jahren Jahre v.h. Institut für Physik der Atmosphäre Solare Einstrahlung [Wm-2] Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus Jahr http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstant Institut für Physik der Atmosphäre Variabilität der solaren Einstrahlung [%] Spektrale Verteilung und Variabilität der Sonnenstrahlung Wellenlänge [nm] Institut für Physik der Atmosphäre Lean et al., 1997 Entwicklung des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre CO2-Mischungsverhältnis [ppmv] 2007: 383 ppmv Schwankungsbreite der letzten 650.000 Jahre Jahre v.h. Institut für Physik der Atmosphäre Globale Jahresmittelwerte der bodennahen Lufttemperatur und des Meeresspiegels 1906-2005: +0,74°C 1901-2000: + 17 cm seit 1993: +3 mm/Jahr IPCC, 2007 Institut für Physik der Atmosphäre Temperaturtrends Die Temperaturzunahme der letzten 50 Jahre ist doppelt so hoch wie die der letzten 100 Jahre! Institut für Physik der Atmosphäre Strahlungsantrieb: Maßstab für den Einfluss, den ein einzelner Faktor auf Strahlungsantrieb [Wm-2] Strahlungsantrieb [Wm-2] die Veränderung des Strahlungshaushalts der Atmosphäre hat Institut für Physik der Atmosphäre Wie funktioniert ein Klimamodell? Diskretes Gitter über den Globus Institut für Physik der Atmosphäre Temperaturabweichung [°C] (a) natürliche Antriebskräfte (b) anthropogene Antriebskräfte Jahr Jahr Temperaturabweichung [°C] Temperaturabweichung [°C] Simulationen mit Klimamodellen für IPCC (c) alle Antriebskräfte + 0.74°C in den letzten 100 Jahren Jahr Institut für Physik der Atmosphäre Szenarien der Zukunft (Konzentrationen und Emissionen) Institut für Physik der Atmosphäre Zukünftige Entwicklung der globalen Oberflächentemperatur +4,0°C (2,4°-6,0°) +1,8°C (1,1°-2,9°) +0,6°C +2°C (bis 2050) ⇒ −50% CO2 bzgl. 1990 −60% CO2 bzgl. heute Institut für Physik der Atmosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Höhe (in Kilometer) Ozon in der Atmosphäre Stratosphärisches Ozon (Die Ozonschicht) Troposphärisches Ozon Ozonmenge [in mPa] Institut für Physik der Atmosphäre Entwicklung des Ozonlochs über der Antarktis Institut für Physik der Atmosphäre Entwicklung des Ozonlochs über der Antarktis Ozonminimum über der Antarktis Größe des Ozonlochs Größe [Mio. km2] Ozonminimum [DU] Fläche von Nordamerika 1980 1985 1990 1995 Jahr 2000 2005 Fläche der Antarktis 1980 Institut für Physik der Atmosphäre 1985 1990 1995 Jahr 2000 2005 FCKW-Gehalt in der Troposphäre Chlorgehalt in der Stratosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Entwicklung der Ozonschicht über der Arktis Institut für Physik der Atmosphäre Jahresgang der stratosphärischen Temperatur polare Südhemisphäre –900C –800C polare Nordhemisphäre Institut für Physik der Atmosphäre Schema eines gekoppelten Klima-Chemie-Modells Institut für Physik der Atmosphäre Volumenmischungsverhältnis CO2 und N2O [ppmv] Volumenmischungsverhältnis CH4 und Cly [ppbv] Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell: Treibhausgase und stratosphärischer Chlorgehalt (Cly) Jahr Institut für Physik der Atmosphäre Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell: Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus 10.7 cm Radiofluss [10-22 Wm-2] 350 300 250 200 150 100 50 1950 2007 Jahr Agung El Chichón Pinatubo Institut für Physik der Atmosphäre Entwicklung der globalen mittleren Jahrestemperatur in der unteren Stratosphäre (20 km) Anomalie [°C] Beobachtung: −0.77 °C/Dek. CCM-Mittelwert: −0.64 °C/Dek. Jahr Institut für Physik der Atmosphäre WMO, 2007 Variabilität und Trend der Temperatur in der Stratosphäre Linearer Trend Trend + Sonnenzyklus + Vulkane Sonnenzyklus Vulkane Ö "stufenweise" Abkühlung der unteren Stratosphäre Institut für Physik der Atmosphäre Anomalie [°C] Entwicklung der globalen mittleren Jahrestemperatur in der unteren Stratosphäre (20 km) Ergebnisbereich der CCMs: −0.1 - −0.3 °C/Dek. Jahr Institut für Physik der Atmosphäre WMO, 2007 Entwicklung der Ozonschicht (1960 - 2050) Ozonanomalie [DU] 60°N - 60°S Jahr Institut für Physik der Atmosphäre Zukünftige Entwicklung der Ozonschicht Abkühlung führt zu einer Zunahme der NettoOzonproduktion Rückgang der Temperatur: Ozonabbau wird verstärkt Rückgang der Temperatur: Ozonabbau wird verstärkt Institut für Physik der Atmosphäre Was wissen wir bisher? 9 Die Veränderungen des Klimas und der Ozonschicht können mittels von Klima-Chemie-Modellen nachvollzogen werden, wenn sowohl natürliche als auch anthropogene Antriebe berücksichtigt werden. 9 Klima-Chemie-Modelle zeigen in konsistenter Weise, dass die Erholung der Ozonschicht in einigen Regionen schneller von statten geht, wenn die Stratosphärentemperatur aufgrund des Klimawandels weiter sinkt; dies gilt nicht für die Polregionen. 9 Dort führen niedrigere Temperaturen zu einer stärkeren Bildung von polaren Stratosphärenwolken (PSCs). ⇒ 9 ? Die Erholung der Ozonschicht verläuft möglicherweise regional unterschiedlich. Sie ist keine simple Umkehrung des Abbaus. Eine vollständige Erholung der Ozonschicht einschließlich der Polarregionen wird etwa zur Mitte des Jahrhunderts erwartet. Ein "super-recovery" der Ozonschicht scheint möglich. Institut für Physik der Atmosphäre