Klimasysteme und Klimawandel
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Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Klimasysteme und Klimawandel Bezogen auf den IPCC-Report 2014 Kleinskript 1 Klima allgemein Humboldt (1845): Erstes nennenswerte Klimadefinition (inkl. Verschmutzung, Luftklarheit, Wärmstrahlung/Reflektionen) Klimasystem Das Klima ist die Gesamtheit der Eigenschaften des Klimasystems mit 5 Komponenten: Atmosphäre Kryosphäre Hydrosphäre Lithosphäre Biosphäre Atmosphäre und Ozeane werden als Klimafluide bezeichnet (hohe Mobilität). Beschreibung Ein Zustand wird durch die Zustandsgrößen (Temperatur, Druck, Dichte, …) definiert. Druck nimmt in Atmosphäre exponentiell ab, im Ozean linear zu. Dichte nimmt in Atmosphäre exponentiell ab, der Ozean ist aber quasi inkompressibel (wenige Prozent; aber wichtig für Zirkulation). Temperatur: In Atmosphäre nicht eindeutig (Bild!), in Ozean dünne Warmwassersphäre ±100 m tief (T vertikal konstant), eine Übergangszone ±500 m (T sinkt erst stark, dann schwächer) und eine Kaltwassersphäre darunter (T bleibt konstant). Tiefenzirkulation: Absinken von Oberflächenwasser am Rand des Polareises (Abkühlung) Strömung unten bis in die Tropen Aufstieg in den Tropen. Meereis gehört zu Kryosphäre aber auch zu Klimafluiden (Hybrid), Treibeis hat hohe Klimarelevanz auf kurzen Zeitskalen Haushaltsprinzip Klimagrößen: Temperatur Druck Dichte Salzgehalt Eisbedeckung KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 1 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Strahlung Niederschlag evtl. mehr (z.B. 41 Elemente aus Wien) Ordnung der Objekte mittels Haushalt: Nur hier vorkommende Größen sind Klimatisch relevant ( Haushaltsgrößen). Für eine Zustandsgröße ZG gilt: 𝜕𝑋ZG =⏟ 𝑍(𝐹) − 𝐴(𝐹) +𝑄 ⏟ −𝑆 𝜕𝑡 −∇𝐹: Fluss Quellgrößen Die Bestandteile werden Flussgrößen genannt. Strahlung: Wichtigster Bestandteil Latente Wärme: im Dampf gespeicherte Verdunstungswärme Globaler Wassergehalt in Luft: 0,25 %, Hälfte des Energiekreislaufs der Atmosphäre. Weiterer Spurenstoff mit Relevanz ist CO2 . Für Spurenstoffe gilt: Zustandsgröße: Konzentrationen Flussgrößen: Emissionen der Oberfläche in Atmosphäre/Ozeane Transport (vertikal/horizontal) Immissionen in Oberfläche Quellgrößen: Erzeugung/Abbau durch chem./biolog. Prozesse Klimagrößen Glatteis, Sturm, Nebel, Gewitterwahrscheinlichkeit usw. gehorchen keinem Haushaltsgesetz. Klimagrößen sind immer messbar. Mit dem Haushaltsprinzip kann man Vorhersagen treffen. Skalenproblem Kopplung von globalem zu lokalem Klima ist in Modellen durch Parametrisierung gelöst. Letztere erfasst nur den mittleren Zusammenhang (keine Einzelfälle). Mechanismen (klimabildende Prozesse) Wechselwirkung zw. Klimakomponenten (z.B. Atmosphäre zu Ozean) Wechselwirkung zw. Skalen (z.B. Tiefdruckgebiet zu Wolken) Wechselwirkung zw. Haushalten (z.B. Wasserdampf zu kondensiertem Wasser) Wechselwirkung durch Energietransporte (z.B. Strahlungsflüsse) Diese Mechanismen sind nicht vollständig unabhängig. KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 2 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Definition Exakte Definition nicht möglich (radikaler Konstruktivismus?). Vorgehensweise: Festlegen des (Sub-)Systems und der Größenskala. Innerhalb des Systems sind Vorhersagen (abhängig von Anfangsbedingungen) möglich. Mittlerer Zustand des Systems über Mittel der Vergangenheit (Statistik). Klimadefinition der WMO: Das Klima eines Ortes ist die Synthese der täglichen Mittelwerte und Fluktuationen der meteorologischen Messgrößen an diesem Ort – insbesondere Temperatur, Niederschlag, Sonnenschein, Feuchte, Wind und weitere Größen. Kleinskript 2 Klimatologie Klima ist eine Eigenschaft und kein Gegenstand. Leider entzieht es sich der klassischen Methoden der Experimentalphysik (nicht experimentierbar). Ob eine Klimakomponente als Fluid oder Solid bezeichnet wird, hängt von der Zeitskala der Bewegung ab (Eis = Solid). Die Mischung von deterministischer und stochastischer Komponente ist charakteristisch für Klimasysteme. Ein Klimaphänomen ist ein Erscheinungskomplex, der sich klimatisch auswirkt (z.B. Vulkanausbruch). Ein Klimamechanismus ist ein typischer Prozessablauf nach Naturgesetzen. Das Klimamittel kann durch folgende Prozesse bestimmt sein: Ensemblemittel: Typischer Hurrican ist Mittelung über aktuelle Hurricans KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 3 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Zeitmittel: Klimaelement wird zeitlich gemittelt (Mitteltemperatur der letzten Jahre) Raummittel: Klimaelement räumlich gemittelt (Mitteltemperatur der Erde) Skalen von Klimaphänomenen Ozean: Übergangszone durchmischt alle 10 Tage, Tiefsee bis mehrere 1000 Jahre Zeitskala über mittlere Lebensdauer, Raumskala messbar. Erhebung und Ordnung von Klimadaten Fernerkundung (Bilder durch Satelliten) ist typisch zur Datenerhebung (spektrale Differenzierung). Ordnung wird durch Haushalt und Skalenanalyse bewirkt. Zustands- und Flussgrößen werden auch Budget-Elemente genannt, die Haushaltsgleichung auch Budgetgleichung. Größen, die nicht der Haushaltgleichung genügen heißen auch Sekundärelemente (für Felder) und komplexe Elemente (für nicht-Felder). Erhaltung von Substanzgrößen (Gesamtsubstanz) ist fundamental. Die Konzentration gehorcht einer von der Erhaltung abgeleiteten Kontinuitätsgleichung. Die Energie hat verschiedene Formen, die innere Energie ist proportional zur Temperatur. Der Wind ist keine Fluss-, sondern eine Zustandsgröße; die zugehörige Flussgröße ist der Impulsfluss! Sekundäre Klimaelemente sind Albedo, Schneetiefe, …, komplexe Klimaelemente sind Bodentypen, Lage der Polarfront, Korrelationskoeffizient, …. Kleinskript 3 (9.5, 9.6) Klimamodelle Dienen dem Verständnis und der Simulation. Je nach Ziel sind zu unterscheiden: Szenarienmodelle Stoff-Fluss-Modelle: Untersuchung, welche Konzentrationen diverser Substanzen sich im Klimasystem einstellen Transportmodelle: Verlagerung und Vermischung von Substanzen Chemische Reaktionsmodelle KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 4 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Klimamodelle im engeren Sinn: Physikalische Simulation der Gegebenheit und Variationen von Klimaelementen Wirkungsmodelle: Auswirkungen des Klimas Klimamodelle im engeren Sinn: Einfachste Art ist Energiebilanzmodell (nulldimensional mittel der Oberflächentemperatur). Eindimensional Abhängigkeit v. Breitengrad/Höhe. Strahlungskonvektionsmodelle: Zusätzlich Wärmeleitung und Konvektion. Aufwändig sind 3D-Modelle der Zirkulation (Atmosphäre + Ozeane gekoppelt; berücksichtigt werden Kryosphäre, Biosphäre, Lithosphäre). Atmosphärische Zirkulationsmodelle Ähnlich zur Wettervorhersage. Fundamental relevant sind: Zustandsgleichungen (hier Gasgleichung und statistische Grundgleichung) Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie: ⃗ ∙𝑣 Kontinuitätsgleichung: 𝑑𝜌⁄𝑑𝑡 = −𝜌∇ Strahlungs- und Strahlungsübertragungsgleichungen (einschließlich Absorption und Streuung): 𝑑𝑁⁄𝑑𝑠 = −(𝜎𝐴 + 𝜎𝑠 )𝑁 + 𝜎𝑠 𝑄𝑠 + 𝜎𝑒𝑚 𝑄𝑒𝑚 Erfassung der Aggregatszustände speziell des Wassers (Clausius-Clapeyron): 𝑑𝐸 ⁄𝐸 𝐸𝑉 = , 𝐸𝑉 : spez. Verdampfungswärme, 𝑅𝑤 : spez. Gaskonstante für Dampf 𝑑𝑇 ⁄𝑇 𝑅𝑤 𝑇 Gleichungen für Vertikalbewegung und Luftdruckänderungen Auflösungsproblematik: Regionale atmosphärische Zirkulationsmodelle (RCM) für höhere Auflösungen. Ein Verbund mit einem globalen Modell nennt man Nesting. Für globale Zirkulationsmodelle (GCM) gibt es folgende Probleme: Parametrisierung subskaliger Prozesse Berücksichtigung der Vernetzung von Prozessen (Wirkung wird Ursache) Feedbackprozesse (Wirkung wird Ursache für selben Prozess (positiv und negativ)) Berücksichtigung der chemischen Reaktionen Komplexität (Rechenaufwand) Unterschiede der Zielsetzung Wettervorhersage: Anfangswertproblem Klima: Randwertproblem, Ziel ist die Statistik der Klimaelemente (lange Zeiträume) Kontrollexperiment (Validierung): Vergleich mit aktuellen Werten, bzw. Frage, ob diese korrekt simuliert werden. Klimamodelle werden über Gleichgewichtssimulation ausgeführt (Störung Änderung betrachten Änderung sehr klein: Gleichgewicht). Bedingte Klimamodellprojektion: Keine korrekte Zukunftsvorhersage Klimasignal: Differenz gestörter zu nicht-gestörter Klimaverläufe Klimarauschen: Nach Simulation mehrerer Klimasignale nicht erklärbares Residuum Driftproblem: Klimamodell weißt nach langer Zeit kein Gleichgewicht auf Falls Modellfehler: Flusskorrektur Transiente Simulation: Heute interessant sind Übergänge zw. zwei Klimazuständen; Zeit wird relevanter (prognostische Gleichungen Systemträgheit) KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 5 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Konzeptionelles Modell: Auf Problemkreis zugeschnitten (z.B. Stabilität eines Klimazustandes); bei Umfassen aller Komponenten des Klimasystems (einschl. Vegetation): Erdsystemmodelle mittlerer Komplexität Vor und Nachteile von AOGCM (Atmosphäre-Ozean-GCM): + Physikalisches Verständnis soweit simuliert + 3D-Betrachtungsweise + Erfassung diverser Größen neben Temperatur (Niederschlag, Wind, …) + Berücksichtigung von Nichtlinearitäten und Vernetzung (einschl. Feedback) - Hydrologisch wird nicht genügend erfasst (Skala) - Meereissimulation (Drift, offene Stellen im Packeis) - Biosphäre kaum berücksichtigt (Feedback) - Grobe Auflösungen - Rechenzeit Hinzu kommt Unsicherheit der Daten. „Derzeitiges Klima“ nicht vorhanden. Aktuelle Klimamodelle: Temp relativ gut getroffen, Niederschlag und Druck riesen Unsicherheit Monte-Carlo-Simulationen helfen um quantitative Unsicherheiten zu ermitteln. Statistische Klimamodelle (induktiv) Alternative zu deterministischen Methoden; nur auf Beobachtungsdaten beruhend (kurze Rechenzeit mehrere Variationen möglich), aber keine physikalischen/chemischen Grundlagen. Auch hier vor allem Temp gut. Einfachstes Modell: Multiple lineare Regression 𝐾 = 𝐴 + 𝐵𝑥 + 𝐶𝑦 + 𝐷𝑧 + ⋯ 𝐾: Wirkungsgröße (Klimaelement), 𝐴, 𝐵, 𝐶, … : Koeffizienten, 𝑥, 𝑦, 𝑧, … : Einflussgrößen Falls 𝐾 mit Verzögerung selbst wieder Einflussgröße wird, spricht man von autoregressiv. Noch eleganter ist die Anwendung neuronaler Netze: Nicht-lineare Beziehungen zwischen Einfluss- und Wirkungsgrößen. Die Beziehungen werden nach der Black-Box-Struktur nicht verraten. Konkrete Berechnung Vor Regressionsberechnung stets Kreuzkorrelation prüfen. Getestet wird, ob Korrelation und Regression signifikant mehr als Autokorrelation erklären und ob die erklärte Varianz signifikant größer als bei einem System von Zufallsvariablen ist. Für nur eine Zeitreihe spricht man von univariater Analyse. Führ mehrere Elemente handelt es sich um eine multivariate Analyse. Hauptgebiet dieser Modell ist die Vergangenheit. Downscaling Regionale Auflösung sollte sich an Dichte der Stationen orientieren. Systematische Modellvergleiche geben Hinweis auf Unschärfe. Chaostheoretische Überlegungen Unterscheidung zw. stochastischem (Zufallsprozesse mit Eigenschaften: möglichst Minimiert) und deterministischem Chaos. Für ein Modell, das statistische Verteilungen determiniert, ist KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 6 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG keine Ergebnisvielfalt, sondern ein bestimmtes Ergebnis zu erwarten. Auch für deterministische Strukturen allerdings können Nicht-Linearitäten entstehen; selbige führen zum deterministischen Chaos. Kleinskript 4 Klimageschichte Ausgeprägte Variabilität in Zeit und Raum. Schwankungsspektrum: Mehrjährige Variationen Derzeitiges Klima: Fiktiv Klimanormalperioden (Klino): Vorgegeben von Meteorologischen Organisation Klimazustand: Statistik der Klimaelemente für eine Klino-Periode Variation: Änderung/Wandel eines Elements in einem Zeitraum Variabilität: Aus Variation errechnete statistische Kenngröße Trend: Monoton pos./neg. Änderung: Linear oder nicht-linear Sprung: Abrupte Änderung (hochauflösend meist rascher Trend) Wende: Trendumkehr Schwankung: Mehrere relative Maxima/Minima (kann Oszillation sein; bei Oszillation über mehrere Mittelwerte: „Vakillation“); echt periodische Schwankungen gibt es nicht, nur zyklische; Niederfrequente zyklische Schwankungen können episodisch genannt werden Anomalie: Abweichung vom Mittelwert Struktur von Klimadaten: Erste Dimension (Zeit): Historische Informationen und neoklimatologische Epoche (Datenerfassung mit Messgeräten) sind wichtige Begriffe. Die Paläoklimatologie ist mit der zeitlichen Reichweite der Klimadaten korreliert (Rekonstruktion). Zweite Dimension (Raum): Auflösung Dritte Dimension (Ziel): Erscheinungsbild des Klimas, Ursächliche Aspekte und Auswirkungen (Impact). Informationsquellen Zu Beachten bei Messdaten sind begrenzte Genauigkeit und die Forderung der möglichst breiten Abdeckung. Heute verwendet man gitterbezogene Daten (global). Vertikale Erfassung durch Radiosonde. Auch die Satellitenmeteorologie kommt zum Einsatz. Die historische Klimatologie ist die Brücke zwischen Neo- und Paläoklimatologie (Witterungstagebücher, Analen, Chroniken, …). Transferfunktionen sind für indirekte Informationen notwendig in der Paläoklimatologie (Umrechnung auf Klimagrößen: Sedimente, Baumdaten, …). Methoden: Temperaturabhängigkeit von Sauerstoffisotopen O18 in Eisablagerungen (polar) O16 Bodensedimente: Auffinden von Pflanzenpollen Gletschermoränen Minerale (Bohrungen, vertikal) Korallenriffe, Bäume (kürzere Skalen) KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 7 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Paläo- und historisches Klima Zur Entstehungszeit nur geophysikalische Modellvorstellungen möglich. Wohl sehr heiße Urerde. Vor ~2 My auf heutiges Temperaturniveau eingependelt. Große Unsicherheiten. Die Zukunft des Klimas ist grob solarphysikalisch abschätzbar ( roter Riese weißer Zwerg). Einteilung der letzten 2 bis 3 Milliarden Jahre: Akryogenes Warmklima: Epoche ohne Eis Episodisch auftretende Eiszeiten (teils nur ein Pol vereist; Auftreten durch Kontinentaldrift, Schnee braucht Kontinent Eis-Albedo-Rückkopplung) Explosion des Klimas durch negative Rückkopplungen verhindert (z.B. Eisbildung Wasserdampfanteil sinkt weniger Niederschlag höhere Temperatur). Tertiär: Mehrere Abkühlungen (Dinosaurier?) Meteore: Staub in Luft Artensterben Quartäres Eiszeitalter: Viel Wechselspiel kalt/warm (relativ); wir leben gerade in „Warmzeit des Eiszeitalters (Pole gefroren) Milankovic-Zyklen: Änderung der Neigung der Erde, Änderung von Perihel und Aphel und Änderung der Exzentrizität der Bahnellipse Dansgaard-Oeschger-Ereignisse: Etwa 23 würm-eiszeitliche schnelle Erwärmung und langsame Abkühlung Würm-Eiszeit: Golfstrom instabil (Änderung: heutiger Zustand zu Kaltzeit-Zustand) Änderungen der atmosphärischen Zusammensetzungen bei Eiszeit-Warmzeit-Zyklen KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 8 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Heinrich-Ereignisse: Nordamerikanisch-Grönländisches Eisschild bricht ab und bringt Gesteinsmehl in Nordatlantik Zusätzlich gibt es Schwankungen in Niederschlags-amplituden (vor allem regional) Neo-Warmzeit (Holozän): Temperaturschwankungen nicht mehr so groß; früher pluviales regionales Klima (zwei Möglichkeiten: Grüne Sahara, Wüstensahara), heute definitiv Wüste Letzte 2000 Jahre: Klimaänderungen durch Vulkanismus und Sonnenaktivität (+Mensch) Kleine Eiszeit: Um 1300 erster Tiefpunkt, 1700 Trend-Tiefpunkt (Verringerte Sonneneinstrahlung, Gesteigerte vulkanische Aktivität, Wiederbewaldung infolge von Bevölkerungsrückgang (nicht vollständig geklärt), Schwächerer Golfstrom, Änderungen im Umlauf der Erde um die Sonne); in geologischen Zeitaltern nicht auffällig (an Polen größte Änderung im Vergleich zu heute) Bei globaler Abkühlung Hadley-Zelle kleiner Neoklima Globale Erwärmung schließt an kleine Eiszeit an: Beispiellos bzgl. der letzten 2 Jahrtausende Rückgang der Gletscher und Schneebedeckung Meereis schmilzt massiv Natürliche Ursachen der Klimaänderung Unterscheidung zwischen extraterrestrischen und terrestrischen Einflüssen und externen und internen Wechselwirkungen (z.B. Vulkan terrestrisch/extern) Atmosphärische/Ozeanische Zirkulation: Interne Wechselwirkung ruft hier Phänomene und entsprechende Variationen; reagiert aber auf externe Einflüsse bzw. modifiziert diese Nordatlantik-Oszillation ungeklärt: Autarker Vorgang der atmosphärischen Zirkulation oder Atmosphärisch-Ozeanisches-Wechselwirkungsphänomen Atlantische-Multidekadische-Oszillation auch ungeklärt Teilphänomene: Bewölkung, Salzgehalt, Schneebedeckung ENSO-Mechanismus: Starke El-NinoEreignisse, globale Wirkung Vernetzt mit vielen Phänomenen (Waldbrände etc.) Externe Einflüsse: Kontinentaldrift: Große Zeitspanne, deshalb Randbedingung Orogenese (Gebirgsbildung) Ultra-Langfristige Ausstrahlungstrends der Sonne Mikovanovic-Zyklen Vulkanismus Meteoriten Explosiver Vulkanismus bringt Gase bis in Mesosphäre und erzeugt Aerosolschichten (Streuung der Einstrahlung, Absorption der Erdstrahlung im ersten Moment Erwärmung). Aktuelle Variation der Solarkonstante innerhalb von 0,1 %. Aktivitätszyklus ist 11-jährig. Sonnenaktivität hat in den letzten Jahrzehnten maximal 0,2 °C zu verantworten. KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 9 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Kleinskript 5 Unser veränderliches Klima Entscheidender Antrieb für Klima ist Sonne. Ungleichmäßige Verteilungen von Quellen/Senken sind Grund für Zirkulation. Ohne Treibhauseffekt wäre Oberflächentemperatur um ~33 °C niedriger. Regional unterschiedliche Treibhausgase regional spezifischer Klimawandel. Meer: Wärmekapazität und Durchmischung (Dämpfung des Jahresgangs der Temp.) sind fundamental – auch Wärmeausgleich der Breitengrade (Tiefseezirkulation). Störungen der Tiefseezirkulation im Nordatlantik führen zu nachhaltigen Klimaschwankungen. Warm-/Kaltzeitenwechsel wegen Bahnparameteränderungen der Erde um die Sonne (Kleine Eiszeit, wenig Sonnenflecken). Vulkane für einige Jahre relevant. Früher mehr Eis Meeresspiegel weniger hoch Bevölkerungswanderungen (120 m, 12000 Jahre, Beginn d. Menschheit); war wohl wärmer, Sahara wohl Savanne Holozän durch Kalt/Warmzeiten gezeichnet. Wärmephase im Mittelalter mehr Landwirtschaft größere Bevölkerung. Kleine Eiszeit Wirtschaftl. Niedergang. El Nino Auftretende großflächige Erwärmung des äquatorialen Ostpazifiks (~1 Jahr Dauer). Danach Abkühlung der Westküste Südamerikas (La Nina). Zyklus in Atm. und Ozean (vor allem tropisch). ENSO Südliche Oszillation: Die auffälligste Korrespondenz in Atmosphäre: Subtropisches Hochgebiet (Südostpazifik) und indonesischem äquatorialem Tiefdruckgebiet (Transport). Vermischung zwischen El Nino und südlicher Oszillation. Ja nach ENSO-Phase verändert sich die Wärmeenergieübergabe von Ozean zu Atmosphäre Windsystem-Änderung Wetteränderungen. Schwer vorherzusagen (1 Jahr ist gelungen, keine Ahnung wie Klimawandel wirkt; wahrscheinlich wird El Nino häufiger). Der Mensch beeinflusst das Klima Seit den 1970ern starker Temperaturanstieg. Im 20. Jhd Δ𝑇 = +0,6 °C (Jahresmittel UND einzelne Monate). Temperaturänderung ist nicht räumlich homogen. Größte Erwärmung 40°-70° 𝑁, Tendenz Erwärmung im Winter höher als im Sommer. Abkühlung über Ozeanen. Untere Stratosphäre kühlt sich ab (wird erwartet bei Treibhauseffekt). Globale Klimaänderung auch auf sich ändernde Zusammensetzung der Atmosphäre zurückführbar. Große Anzeichen für relevanten menschl. Einfluss. Der Wärmestrahlungsfluss hin zur Oberfläche hat Haupteinfluss aufs Klima. Brennstoffe Mehr CO2 . Ursachen zur Änderung des Strahlungshaushalts: 50%: Nutzung fossiler Brennstoffe 15%: Landwirtschaft (CO2 , N2 O, CH4 ) 15%: Vernichtung der Wälder 20%: Chemieproduktion (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) Weiterer Anstieg erwartet (Bevölkerungszunahme). Viehzucht (CO2 , N2 O, CH4 ), Lagerung von Exkrementen (Methan), Reisanbau (N2 O), Brandrodung (N2 O). Chemie bring neue Substanzen: Viele Treibhausgase und gleichzeitig Zerstörer der Ozonschicht (Verweildauer von bis zu mehreren 1000 Jahren). Einflüsse schwer zu bestimmen. KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 10 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG IPCC 2014 Beobachtete Änderungen und ihre Ursachen (SPM1) Der menschliche Einfluss auf das Klimasystem ist eindeutig. Anthropogene Emissionen von Treibhausgasen ist die höchste jemals in der Geschichte. Die aktuellen Änderungen haben weitreichenden Einfluss auf den Menschen und die Natur. Beobachtete Änderungen Zunehmende Wärme, Schnee und Eis schmelzen, der Meeresspiegel steigt. Jedes der letzten 3 Jahrzehnte war wärmer als davor jemals gemessene Jahrzehnte (+) Linearer Trend mit Erwärmung von 0,85 °C Mittelwert (1880-2012) Kurze Zeitskalen nicht repräsentativ Ozeane beinhalten 90% + der Energie des Klimasystems (++) Mittlere Breiten: Niederschlagszuwachs (++) Salzgehalt der Ozeane hat sich verändert (+) globaler Wasserzyklus ändert sich); Regionen mit viel Niederschlag werden süßer, die mit wenig Niederschlag noch salziger. (++) Ozeane haben mehr CO2 saurer (++) Polare Eisdecken verlieren massiv an Masse (speziell seit 2002) (++) Gletscher gehen zurück (++) Weniger Schnee im Frühling (Nordhalbkugel) (++) Temperaturen des Permafrosts sind gestiegen (++) Meereisbedeckung in der Arktis nimmt ab (3,5-4,1% pro Decade) (++); Antarktische Seeeisbedeckung nimmt zu (++) Meereshöhe nimmt stark zu (höchster Zuwachs seit 2000 Jahren) (++) Ursachen Treibhausgase sind der Hauptgrund für die Erwärmung (+++) 40% aller Emissionen verbleiben in Atmosphäre, Rest nehmen Erde und Ozeane auf 78% aller Emissionen der Erhöhung stammen von Industrie und Verbrennung (++) Mehr als die Hälfte der Erwärmung ist menschengemacht (+++) Auswirkungen des Klimawandels Der Klimawandel hat in den letzten Jahrzehnten Auswirkungen auf Mensch und Natur auf allen Kontinenten gehabt. Hydrologische Systeme durch Niederschlag und Eisschmelze beeinflusst (Wasserressourcen: Qualität und Quantität) (+) KFU Graz Seite 11 Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Lebewesen auf dem Land und im Meer werden bzgl. des Lebensraums und Verhaltens beeinflusst (++) Negative Auswirkungen auf Ernteerträge überwiegen (++) Die beeinträchtigende Versauerung des Ozeans konnte teils auf den Mensch zurückgeführt werden (+) Extreme Klimaerscheinungen Kalte Tage/Nächte seltener, warme Tage/Nächte sind häufiger (++) Häufigkeit von Hitzewellen hat zugenommen (Europa, Asien, Australien) (+) Es gibt menschl. Einfluss auf tägliche Temperaturextrema (Häufigkeit + Intensität) (++) Es gibt mehr Regionen mit einem Zuwachs an Starkniederschlägen, als Regionen mit einer Verringerung (+) Ökosysteme und der Mensch sind sehr empfindlich gegenüber Klimaextrema (+++) Zukünftige Klimaveränderungen – Risiken und Auswirkungen (SPM2) Weitere Emissionen von Treibhausgasen werden zu weiterer Erwärmung und langanhaltenden Veränderungen des Klimas (mit erhöhter Wahrscheinlichkeit unwiderruflicher Auswirkungen auf Mensch und Natur) führen. Eine Limitierung erfordert eine starke und anhaltende Reduktion der Treibhausgasemissionen. Treibende Kräfte des zukünftigen Klimas Gründe für Emissionen: Population Ökonomische Aktivität Lebensstil Landnutzung Energienutzung Technologie Klimagesetzgebungen Vollkommene Einstellung der Emission Gleichgewichtszustand wird sich wieder einstellen es wäre nicht mehr als 2 °C wärmer als vor dem industriellen Zeitalter Vorhergesagte Veränderungen des Klimas Alle hiesigen Vorhersagen betreffen den Zeitraum 2081-2100: Globale Mitteltemperatur steigt um 0,3 bis 0,7 °C bis 2035 (+) Ab 2050 ist die Wahl des Emissionsszenarios stark relevant Es wird weniger kalte und mehr warme tägliche Extrema und Jahreszeiten geben (+++) Hitzewellen werden häufiger und länger (++); Kaltextreme im Winter weiter möglich Niederschlagsänderungen sind nicht einheitlich verteilt (hohe Breiten und äquatorialer Pazifik werden bei worst case szenario mehr Niederschlag haben; trockene/nasse Regionen der mittleren Breiten und Subtropen werden noch trockener/nasser) (+) Ozeane werden wärmer, vor allem oberflächlich in (Sub-)Tropen Ozeane werden saurer KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 12 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Arktisches Meereis verringert sich (eisfreies Polarmeer im Sommer bei worst case szenario bis 2050 (+)) Permafrost taut auf (+++) Gletscher werden wenig (+) Anstieg der Meeresspiegel wird stärker (nicht einheitlich) (++) Risikobewertung Genaue Variablen für große, abrupte und unwiderrufliche Auswirkungen sind nicht fix; Risiko ist aber von Temperatur abhängig (+) Eine erhöhte Anzahl an Arten sind vom Aussterben bedroht (langsamere Änderungen haben in der Geschichte schon Artensterben zur Folge gehabt; polare Ökosysteme und Korallenriffe sind stark gefährdet) (++) Beeinträchtigung von Lebensmittelversorgung (++) (Fischerei! (++), auch Reis/Mais/Getreide (+)) Süßwasserquellen werden in trockenen Gebieten weniger (+++) In urbanen Gebieten erhöhtes Risiko für Menschen, Ökonomie und Ökosysteme durch Hitzestress, Stürme, Fluten, Luftverschmutzung, … (+++) Auf dem Land: Wasserknappheit und Verarmung der Bevölkerung (++) Voraussagen nach 2100 Viele Aspekte des Wandels werden auch weiter andauern, selbst wenn die Emissionen gestoppt würden. Das Risiko für abrupte und nicht revertierbaren Änderungen steigt mit der Temperatur. KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 13 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Wege für zukünftige Anpassungen und nachhaltige Entwicklung (SPM3) Anpassung und Milderung sind sich ergänzende Strategien zur Risikobewältigung. Hierbei geht es um eine Reduktion von Emissionen, Chancenerhöhung der Anpassung und Kostensenkung für Milderungsprozesse um eine nachhaltige Entwicklung zu erreichen. Grundlagen der Entscheidungsfindung Entscheidungsfindung zur Bekämpfung des Klimawandels kann durch vielseitige analytische Methoden zur Risikobewertung geschehen. Dem Wandel entgegen gerichtete Richtlinien sind notwendig (für Nachhaltigkeit, Gleichheit und Armutsbekämpfung). Klimaveränderungen sind oft nicht dort zu spüren, wo sie verursacht werden Globaler Charakter Interesse sollte nicht unabhängig sein Kooperation Risikoreduzierung Ohne zusätzliche Anstrengungen zur Milderung gibt es ein sehr hohes Risiko an weitreichenden irreversiblen Folgen (++). Anpassungsbemühungen und Milderungsprozesse (kurze Skalen) ergänzen sich bzgl. verschiedener Zeitskalen (++) Anpassungsgrenzen („Five Reasons For Concern” (RFCs)): Einzigartige gefährdete Ökosysteme Extreme Wettererscheinungen Verteilung der Einflüsse Globale Gesamtheit der Einflüsse Großskalige Einzelevents Ohne weitere Anstrengungen wird die Erwärmung zu weitreichenden Folgen führen (Jahr 2100: > 1000 ppm CO2 und Δ𝑇 > 4°C Artensterben, Hungersnöte, …) Risikoverminderung bzgl. der RFCs impliziert Begrenzungen zum CO2 -Ausstoß Einige Risiken sind nicht zu umgehen Weiteres Warten erhöht den Aufwand/die Kosten zur Reduzierung der Auswirkungen Charakteristiken der Anpassung Anpassungen können die Auswirkungen abfedern; es sind aber Grenzen speziell bei starken Klimaänderungen vorhanden. Aktuelle Anstrengungen können Wege für die Zukunft ebnen. Anpassung muss regional mit Berücksichtigung der Voraussetzungen geschehen (++) Wichtigster Punkt: Verwundbarkeit der Ökosysteme minimieren (++) Anpassungsfähige Kapazitäten sind fundamental (+++) Regierungen und Privatsektor: Richtlinien, Information, finanzielle Unterstützung (+++) Risikoaufdeckung von öffentlicher Seite wichtig (++) Beschränkungen können hinderlich sein: Finanzierungsschwächen, keine Arbeiter Schlechte Koordination Unsicherheiten der Projektauswirkungen Unklare oder verschiedene Auffassung des Risikos Fehlende Führungskräfte Fehlende Effizienzüberwachung Ein größerer Klimawandel erhöht die Einflüsse der limitierenden Faktoren (++) Unterschätzen der Komplexität (auch sozial) von Anpassungen Realismus schwindet „Co-Benefits“ für Anpassung und Milderung: Energieeffizienz steigern KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 14 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Energieverbrauch senken / Wasserverbrauch senken Nachhaltige Landwirtschaft/Forstwirtschaft Charakteristien der Milderung Es gibt diverse Wege zur Limitierung der Erwärmung. All diese fußen auf der Reduzierung von Emissionen von CO2 . Ohne Milderung 2100: Δ𝑇 zwischen 3,7 und 4,8 °C (Mit Unsicherheiten 2,5 und 7,8 °C) (++) Milderungsszenarios für 450 ppm in 2100 beinhalten typischerweise auch ein Overshooting während des Jahrhunderts und man erwartet Technologien zur Reduzierung von CO2 in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts (CDR technologies). Warten bis 2030 erhöht Aufwand massiv; die meisten Modelle schaffen kein Δ𝑇 = 2 °C mehr Erwärmung wird in meisten Fällen nicht gebremst ohne Umstieg auf Emissionsarme Energieproduktion (Bioenergie, Carbon Capture and Storage, Kernenergie, Wind/Solar) Milderungsszenarien lindern Kosten für Luftqualität, Energie und haben weitere positive Einflüsse auf Gesundheit und Ökosysteme Schlechte Entwicklungen für Exporteure fossiler Brennstoffe (++) (Kohle, Öl, …) Anpassung und Abmilderungen (SPM4) Viele Anpassungs- und Milderungsprozesse sind Optionen, sie wirken aber nur im Verbund. Sie brauchen gesetzliche Rahmenbedingungen und Kooperationen und sollten in soziale Strukturen eingebunden werden. Ermöglichung und Beschränkung Um diese Prozesse zu ermöglichen benötigt es Effektivität von Regierungen und Institutionen, Innovation und Investments in umweltfreundliche Technologien bzw. Infrastruktur, außerdem Nachhaltigkeit in Lebensgrundlagen, Lebensstil und Verhalten. Optionen für Anpassungen Anpassung ist in allen Sektoren möglich, aber die Effizienz variiert mit Sektor und Region. Manche Optionen beinhalten hohe Synergieanteile („Co-Benefits“). Notwendigkeit der Anpassungen und Aufwand erhöht sich mit der Erwärmung (+++) Effektive Strategien können „Co-Benefits“ eröffnen Beispiele (Kategorie: Inhalt): Menschliche Entwicklung: Verbesserter Zugang zu Bildung, Energie; Förderung der Wohnungssicherheit, Geschlechtergleichheit KFU Graz Seite 15 Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Armutsbekämpfung: Verbesserung lokaler Ressourcen, Risikosenkungen, Versicherungen Risikomanagement: Frühwarnsysteme, Aufdecken von Gefahrenbereichen, Drainagen, Bauten gegen Überschwemmungen, gute Straßen Ökosystem: Erhalt von Feuchtgebieten und Grünflächen, Erhalt der Artenvielfalt Raumnutzung: Anpassung des Wohnens und der Infrastruktur, Schutzgebiete Strukturell: Technisch: Bauten gegen Überschwemmungen, Verbesserung des Transports, Verbesserungen der Energieversorgung, Senkung des Wasserverbrauchs Ökosysteme: Bodenerhaltung, grüne Infrastruktur (grüne Dächer), Überfischung verhindern Service: Soziale Netzwerke, Kanal- und Sanitäreinrichtungen, Gesundheitssysteme Institutionell: Ökonomie: Versicherungen, Katastrophenfonds Gesetze, Richtlinien: Schutzgebiete, Wasserverbrauch-Regulation, Fischfangquoten Sozial: Ausbildung: Geschlechtergleichheit, besserer Zugang zu Bildung, Lernplatformen Information: Vorhersage, Risikobewertung mit Karten Verhalten: Evakuierungspläne, Boden- & Wassererhaltung Optionen der Milderung Auch hier ist jeder Sektor möglich. Die höchste Effizienz liegt in der Kombination der Senkungen der Emissionen und des Energieverbrauchs. Aufwand in einem Sektor kann Anstrengungen in einem anderen notwendig machen Effizient alle Sektoren zu involvieren (+) Für hohe Milderungsziele benötigt man eine CO2 -arme Energieerzeugung (++) und eine gesteigerte Effizienz (+++) CO2 -Reduktion: Aufforstung sehr effizient und kostengünstig, Bodenerhaltung Wichtig, Leute zu weniger Verbrauch zu erziehen Richtlinien Gesetzliche Rahmenbedingungen für Technologien und deren Finanzierung sind fundamental. UN-Framwork Convention on Climate Change (UNFCCC): Wichtige Austauschplattform Kyoto-Protokoll: Festlegungen nach der UNFCCC Internationale Zusammenarbeit: Für Milderung schon im Gang, Anpassung beginnend KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 16 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Beteiligung der nationalen Regierungen ist sehr wichtig, speziell für die Finanzierungen. Nachhaltigkeit Es gibt viele Möglichkeiten, Anpassungs- und Milderungsprozesse mit sozialen Aspekten zu verknüpfen (++). Der Erfolg hängt von den Möglichkeiten, der Regierungsstruktur und den Kapazitäten ab. IPCC 2013 Beobachtete Änderungen im Klimasystem Erwärmung der Ozeane und der Atmosphäre ist eindeutig Weniger Eis und Schnee Meeresspiegel ist gestiegen Treibhausgaskonzentrationen sind gestiegen Atmosphäre Jedes der letzten 3 Jahrzehnte war das wärmste seit Beginn der Aufzeichnungen Es waren die wärmsten 30 Jahre der letzten 1400 Jahre (Nordhalbkugel) (+) Ozean Mehr als 90% der Energie ist in den Ozeanen gespeichert (++) Die Oberfläche (bis 700m) hat sich erwärmt (+++) Kryosphäre Grönländisches und Antarktisches Eisschild haben an Masse verloren (++) Gletscher gehen zurück (fast weltweit) (++) Schneebedeckung und Meereis schwinden (++) Meeresspiegel Anstieg stärker als Mittelwert der letzten 2000 Jahre (++) (etwa 19cm) Biochemie Konzentrationen von CO2 , CH4 , N2 O sind gestiegen CO2 ist um 40% gestiegen (seit industriellem Zeitalter) Der Ozean hat etwa 30% der Emissionen absorbiert (Versauerung) KFU Graz Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Seite 17 Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20 Version 2.0 Klimasysteme und Klimawandel FORMELSAMMLUNG Triebkräfte Strahlungsbilanz ist positiv hauptsächlich durch CO2 -Anstieg seit 1750 Verständnis der aktuellen Änderungen Der menschliche Einfluss ist fix; durch die Emissionen gibt es eine Einwirkung auf das Strahlungsgleichgewicht Klimamodelle Modelle zeigen Oberflächentemperaturen und Trends über viele Jahre Sie beinhalten die starke Erwärmung in letzter Zeit Sie simulieren auch kalte Jahre nach schweren Vulkanausbrüchen Quantifizierung Beobachtungen und Modelle bzgl. Erwärmung, Feedbackprozesse und Energiehaushalt zeigen Magnituden der Erwärmung. Erkennung und Eigenschaften des Klimawandels Menschlicher Einfluss: Erwärmung von Ozean und Atmosphäre, Änderungen des Wasserkreislaufs (global) Weniger Schnee und Eis Meeresspiegelanstieg Teilweise für Klimaextreme Der Einfluss ist sehr sicher (+++) Zukunft des globalen und regionalen Wandels Weitere Emissionen bewirken weitere Erwärmung und Änderungen aller Aspekte des Klimasystems Bekämpfung des Wandels ist durch Senkung der Emissionen möglich Atmosphäre (Temperatur, Water Cycle) Gleich zu IPCC 2014: Anstieg um ~2 °C, Niederschläge unterschiedlich Luftqualität Ozon wird in unterer Atmosphäre sinken (++) Ozean und Kryosphäre Zirkulation im Ozean kann beeinträchtigt werden durch Erwärmung Arktisches Packeis wird schmelzen, Gletscher ebenfalls Ozean wird weiter versauern Meeresspiegel Wird durch Eisschmelze und Gletscherrückgang höher werden (++) Stabilisation Die meisten Aspekte sind global und werden lange Einfluss haben, selbst wenn Emissionen gestoppt würden große globale Anstrengungen KFU Graz Seite 18 Laurenz Sproß 1 Seiten [email protected] Private Mitschrift Masterstudium Physik 06.02.2017 13:20
