5 . Wasser und globales Klima - ETH E

Research Collection
Report
Wasser - seine Bedeutung in der Wissenschaft, in der Natur und
Kultur, in den Weltreligionen und im Universum
Author(s):
Brüesch, Peter
Publication Date:
2011
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-006647350
Rights / License:
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5 . Wasser und globales Klima
231
5-0
5.1
Wasser , Luft und Erde
232
Alles Wasser der Erde
Alles Wasser auf der Erde besitzt
ein Volumen von ca . 1.4 Milliarden
km3 (1.4 * 109 km3) . Dies entspricht
einer Masse von ca . 1.4 * 1018
Tonnen .
Das umfasst Meerwasser , Eis ,
Seen , Flüsse , Grundwasser und
Wolken . Dieses Wasser füllt eine
Kugel mit dem Radius R von ca .
700 km .
Die totale Wassermenge auf der
Erde ist durch die blaue Kugel mit
einem Radius von ca. 700 km
illustriert .
Nur etwa 3 % der totalen Wassermenge liegt in Form von Frischwasser (Salzfreies Wasser) vor ; dies entspricht etwa 42 Millionen km3 und einer Kugel
mit einem Radius von etwa 216 km .
Von diesem Frischwasser ist weniger als 1 % als Trinkwasser für den Men –
schen verfügbar , denn ein grosser Teil dieses Frischwassers muss zuerst
gereinigt werden oder es ist in Form von Eisbergen nicht direkt verfügbar .
233
5-1
Alle Luft der Erde
Alle Luft auf der Erde :
Kugel mit einem Radius R von ca .
1000 km
Bei techn . Normalbedingungen
(20 oC , 1 atm )
entspricht dies einer Masse von ca .
5040 * 1012 Tonnen
 Luftschicht sehr dünn :
Troposphäre + Stratosphäre
zusammen nur ca. 50 km
Luftschicht = Schutzschicht :
speichert die von der Erde
abgestrahlte Wärmestrahlung im
Infrarot  Pullover - Effekt !
ohne Luftschicht wäre die globale
Temperatur ca. - 15 bis - 18 o C !
kein flüssiges Wasser auf
unserem Planeten , nur Eis !
234
Luft – Schicht der Erde :
Dicke ca. 50 km
Troposphäre : 0 bis
ca. 11 km Höhe
+
Stratosphäre : 11 bis
ca. 50 km Höhe
Schutzschicht sehr dünn !
enthält mehr als 99 % der
Masse der irdischen
Atmosphäre
Erde
R = 6357
km
Schutzschicht speichert
die von der Erde abge strahlte Wärme - Strahlung
im Infrarot  Pullover !
ohne Schutzschicht :
globale Temperatur wäre
ca. - 15 bis - 18 oC !
kein flüssiges Wasser auf der Erde !
235
5-2
Aufbau der Erdatmosphäre
Ionosphäre (Aurora)
350 km
Mesosphäre
Ozon
Schicht
50 km
50 km
Stratosphäre
Troposphäre
Tropopause
Troposphäre
10 km
14 km
Erde
236
Luftschicht der Erde vom Raum aus gesehen
Mesosphäre und
Thermosphäre
Stratosphäre
Troposphäre
237
5-3
Zusammensetzung der trockenen (wasserfreien) Atmosphäre
[in Vol. % bzw. in parts per million (ppm)]
N2 : 78.084 %
(780 840 ppm)
Argon : Ar
Kohlen - Dioxid :
CO2
O2 : 20.946 %
(209 460 ppm)
Restgase
Ar : 0.934 %
(9 340 ppm)
Sauerstoff : O2
CO2 : 0.036 %
(360 ppm)
Stickstoff : N2
Restgase : u.a.
Methan (CH4) : 1.5 ppm
Stickstoff - Oxyd (Lachgas): N2O
Edelgase , H2
238
Sonneneinstrahlung auf Erde (ohne Atmosphäre)
R
Auf die Halbkugel der Erde fällt eine
solare Energie , welche äquivalent zur
Energie ist , welche auf eine kreis förmige Scheibe mit dem Radius R
der Erde fällt . Ist S = 1368 W / m2 die
spezifische Leistung , auch
Solarkonstante genannt , dann ist die
auf die Fläche der Scheibe fallende
Leistung gleich S x p R2 Watt (W) .
(Das gleiche Resultat folgt , wenn man
über alle Normalkomponenten der
Strahlung auf die Halbkugel integriert) .
Nun ist die Erde aber nicht kreisförmig sondern
kugelförmig . Damit ist die Fläche , auf welche die
einfallende solare Energiestrahlung während 24 h
oder länger auf die rotierende Erde fällt , nicht p R2
sondern 4 p R2 , also 4 mal grösser .
Deshalb erhält man für die solare Energiedichte ,
gemittelt über die Oberfläche der ganzen Erde , den
Betrag 1368 W / m2 x p R2 / 4 p R2 = (1368 / 4) W / m2
= 342 W / m2 = S / 4 .
239
5-4
Stationäre Leistungsbilanz (in %) zwischen einfallender und
reflektierter Sonnen - Strahlung ohne Atmosphäre aber mit
Albedo (Reflexion an Eis und Schnee)
reflektierte
solare
Strahlung
31
einfallende
solare
Strahlung
69 Einheiten entsprechen
69 % von 342 W / m2 oder
Ps = 0.69 * 342 W/m2 = 236 W/m2
emittierte
Wärme Leistung
der Erde
100
Der spezifischen
Wärmeleistung von
Ps = 236 W / m2
entspricht eine
Oberflächen Temperatur der Erde
von nur - 18 o C (!)
69
Atmosphäre
69
Stefan – Boltzmann Gesetz :
absorbierte
solare
Strahlung
Ps = s T4 ; s = 5.6704 * 10-8 W / (m2*K4)
 T = (Ps / s)1/4 = 255 K
Erdoberfläche
  = - 18 oC
240
Treibhausgase - Allgemein
Treibhausgase sind Gase in der Atmosphäre , welche Strahlung im thermischen Infrarot Bereich absorbieren und emittieren . Sowohl die Absorption als auch die Emission
werden durch spezifische molekulare Schwingungen erzeugt , welche das Dipolmoment
der Moleküle ändern .
Die wichtigsten , in der Atmosphäre enthaltenen Moleküle , nämlich Stickstoff (N2) , Sauerstoff (O2) und Argon-Atome (Ar) (s. p. 238) sind keine Treibhausgase . Der Grund dafür
liegt darin , dass Moleküle , welche aus zwei Atomen des gleichen Elementes wie N2 und
O2 bestehen (sowie einatomige Moleküle wie Ar) , bei ihren Vibrationen keine induzierten
Dipolmomente erzeugen und deshalb keine Infrarotstrahlung absorbieren .
Die wichtigsten Treibhausgase in der Atmosphäre sind Wasserdampf (10„000 – 20„000
ppm) , Kohlendioxid (CO2 : ca . 350 ppm) , Methan (CH4 : ca . 1.7 ppm) , Stickstoff-Oxid
(N2O : 0.3 ppm) , und Ozon (O3 im ppm - Bereich) . CO2 , CH4 und N2O sind anthropo gene Treibhausgase (d.h. sie werden zu einem grossen Teil durch menschliche Aktivi täten erzeugt) .
Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas , da seine Konzentration in der Atmosphäre
im Mittel mindestens 25 mal grösser ist als jene von CO2 . Wasserdampf ist das einzige
Treibhausgas , dessen Konzentration sich zeitlich und räumlich in der Atmosphäre stark
ändert . Die grössten Konzentrationen von Wasserdampf existieren in der Nähe des
Aequators über den Ozeanen (verstärkt durch die Erwärmung des Meer-Wassers) , sowie
in tropischen Regenwäldern . Andererseits ist die Konzentration von Wasserdampf in
kalten polaren Gebieten und in subtropischen kontinentalen Wüsten oft verschwindend
klein .
Der Einfluss von Wasserdampf auf Klimaänderungen und die damit verbundene positive
Rückkopplung wird auf den Seiten 255– 258 diskutiert .
241
5-5
Der Treibhaus - Effekt
Die Sonnenstrahlung
treibt den Klimawandel an .
Ein Teil der Infrarotstrahlung tritt von der
Erde direkt in die Atmosphäre zurück .
Der grösste Teil (rechter dicker Pfeil) wird
dagegen durch Treibhausgas - Moleküle
und Wolken absorbiert und in alle
Richtungen zerstreut . Durch diesen
Effekt erwärmt sich die Erdoberfläche
und die untere Atmosphäre .
Sonne
Ein Teil der Sonnen –
strahlung wird von
der Erde und der
Atmosphäre
reflektiert .
Infrarotstrahlung
wird von der Erd –
oberfläche emittiert .
Etwa die Hälfte der
Sonnenstrahlung wird von
der Erde absorbiert
und erwärmt sie .
ERDE
242
Einige Temperaturen und Treibhausgase
Temperaturen :
Temperatur ohne
Treibhaus – Effekt
- 18 oC
Temperatur mit
Treibhaus – Effekt
+ 15 oC
33 oC
Differenz :
Treibhaus – Gase :
Wasser :
Kohlendioxid
Methan :
Stickstoff – Oxid (Lachgas)
CFC„s
H2O
CO2
CH4
N2O
CCl3F
(Chlorfluorkohlenwasserstoffe)
Ozon :
O3
243
5-6
Specktrum der Sonne bei 5‟500 oC und Spektrum der
Wärmestrahlung eines Körpers (Erde) bei 15 oC
Relative Leistung
Sonne
Erde
5‟500 oC
15 oC
VIS
0.1
0.2
0.5
IR
1
2
5
10
20
50
100
Wellenlänge in (mm) (logarithmische Skala !)
Die Sonne erwärmt die Erde  die Wärme vergrössert die Schwingungsamplituden
der Atome , wobei die Emission der Infrarot – Strahlung (IR) verstärkt wird .
 Zunahme der Wärmestrahlung !
blaue Kurve : globale Wärmestrahlung bei einer Temperatur von 15 oC
244
“Treibhausgase” sind klimawirksame Spurengase , d.h. Gase ,
welche im Infrarotbereich absorbierend sind und die
Temperatur der Erde stark erhöhen ; ohne Treibhausgase
wäre die Erdoberfläche im Mittel 33 oC kälter als jetzt .
Erde
bei
- 18 oC
Sonne
6000 K
100
Wasserdampf
100
Kohlendioxid
0
0.1
0.5
1
5
10
20
50
Wellenlänge in Mikrometer (mm)
245
5-7
100
0
Globale Temperatur
Jährliches Mittel
Mittel über 5 Jahre
14 . 0 oC
Die Erwärmung des globalen Klimasystems ist heute unmissverständlich . Dies folgt
aus Beobachtungen des globalen Anstiegs der mittleren Temperaturen der Luft und
der Ozeane , der grossflächigen Abschmelzung von Schnee und Eis , sowie des
globalen Anstiegs der Meereshöhen .
Der grösste Anteil des beobachteten Anstiegs der mittleren Temperatur seit der Mitte
des 20 . Jahrhunderts ist mit grosser Wahrscheinlichkeit durch die beobachtete
Zunahme der anthropogenen Treibhausgase - Konzentrationen erzeugt . CO2 macht ca .
60 % des vom Menschen verursachten (anthropogenen) Treibhauseffekts aus .
246
Temperaturabweichung (oC)
Globale mittlere Temperatur seit dem Jahr 1000
Nordhemisphäre
Klimarekonstruktion / Beobachtung
Global
Szenario
Unsicherheit
Rekonstruktions Unsicherheit
Jahr
Verlauf der globalen beziehungsweisen nordhemisphärischen Mitteltemperatur
seit dem Jahr 1000 . Die Figur basiert auf einer Rekonstruktion der Klimaver –
hältnisse (1000 – 1860) , auf Beobachtungen (1860 – 2000) und auf Klimaszena rien (2000 - 2100) . (Quelle : IPCC)
247
5-8
Zunahmen der CO2 - Konzentration
Kohlendioxid (CO2) ist das wichtigste
Treibhausgas . Die globale atmosphä –
rische CO2 - Konzentration nahm von
einem vor-industriellen Wert von ca .
280 ppm auf 379 ppm im Jahr 2005 zu .
Die atmosphärische Konzentration von
CO2 im Jahr 2005 übertrifft bei weitem
den mittleren Bereich von 180 - 300
ppm über die letzte 650„000 Jahre .
Dies folgt aus der Analyse von Eis bohrungen von Proben zwischen 1750
und 2005 , welche eine Zunahme von
100 ppm ergeben . Der jährliche Zu wachs der CO2 – Konzentration war im
letzten 10 – Jahres - Mittel (1995 – 2005)
mit 1.9 ppm pro Jahr grösser als dies
seit dem Beginn der kontinuierlichen
direkten atmosphärischen Messungen
(1960 – 2005) von 1.4 ppm pro Jahr der
Fall war , obwohl in der jährlichen
Zuwachsrate Jahresschwankungen
beobachtet werden .
Strahlungsantrieb (W / m2)
Kohlendioxid (ppm)
400
350
300
1800
10„000
1900 2000
Jahr
5„000
0
Jahre
Die primäre Quelle des Anstiegs der atmosphärischen CO2 - Konzentration seit der
vor-industriellen Periode ist hauptsächlich auf den Anstieg der fossilen Brennstoffe
zurückzuführen ; eine weitere aber schwächere CO2 – Zunahme wird durch den sog .
„land-use change“ , z.B. der Umwandlung von Waldland in Agrikultur-Land , erzeugt .
248 a
Die industrielle Revolution
hat einen dramatischen
Anstieg von CO2 bewirkt
Zeit in Jahren AC
Eiszeit –
Zyklus
CO2 – Konzentration in ppmv
Variationen der CO2 - Konzentration
IZeit in Jahrtausenden BC
Man beachte den starken Anstieg der CO2 – Konzentrationen seit dem
Beginn der Industrialisierung nach 1800 .
Die CO2 - Konzentration ist angegeben in ppmv , d.h. In parts per million per
volume , hier in Anzahl CO2 - Teilchen pro Million Luftteilchen
249
5–9
Anstieg der Methan (CH4) - Konzentration
2000
Methan (ppb)
1500
1500
0.4
1000
500
1800
1900 2000
Jahr
0.2
1000
0
Strahlungsantrieb (W / m2)
2000
500
1 ppb = 1 part
per billion
10„000
5„000
0
years
Die globale atmosphärische Konzentration von Methan (CH4) ist anfangs 1990 von
einem vor- industriellen Wert von 715 ppb auf 1732 ppb angestiegen , und
erreichte im Jahr 2005 einen Wert von 1774 ppb . Die atmosphärische
Konzentration von CH4 im Jahr 2005 übersteigt bei weitem den mittleren
natürlichen Bereich der letzten 650„000 Jahre , (320 ppb) auf einen Wert von 790
ppb ; dieser Anstieg wurde durch Eis - Bohrungen ermittelt . Es ist sehr
wahrscheinlich , dass die Zunahme der CH4 Konzentration durch anthropogene
Aktivitäten erfolgte , hauptsächlich durch fossile Brennstoffe und durch die
Agrikultur .
250
330
330
300
270
300
0.1
240
1800
1900
Jahr
2000
0
270
10000
5000
Strahlungsantrieb (W / m2)
Stickstoffoxid Konzentration (ppb)
Anstieg der Stickstoffoxid (N2O) Konzentration
0
Zeit (vor 2005)
Die globale Konzentration der Stickstoffoxid – Konzentration nahm vom vor –
industriellen Wert von 270 ppb auf 319 ppb im Jahre 2005 zu (1 ppb = 1
part per billion) . Seit 1980 war die Zunahme der Konzentration annähernd
konstant . Mehr als ein drittel der ganzen N2O - Emissionen sind
anthropogenen Ursprungs und hauptsächlich durch landwirtschaftliche
Aktivitäten bedingt .
251
5 – 10
Korrelation der atmosphärischen CO2 – Konzentration und
der Temperatur mit der Zeit : Vostock - Eiskurve
Variation der Umgebungs –
temperatur (oC)
Atmosphärisches
CO2 in ppm
160„000
130„000 110„000 89„000
67„000
44„000
23„000
heute
Jahre vor heute
Die sogenannte „Vostock – Eiskurve zeigt eine sehr starke Korrelation zwischen
der CO2 – Konzentration und Temperatur während der letzten 160„000 Jahre .
Die Daten wurden aus chemischen Messungen von Luftblasen in fossilem Eis
der Antarktis gewonnen . In dieser Darstellung werden die Zunahmen der CO2 Konzentration und der Temperatur ab 1860 (s . Figuren 246 - 249 und 253) nicht
gezeigt . Im Jahre 2000 : [CO2]  365 ppm ; Temperatur  14.4 oC ] . s . p . 253 .
252
Klimawandel Global :
Korrelation der Temperatur mit der CO2 - Konzentration
CO2 - Konzentration in der Atmosphäre
Globale mittlere Temperatur der Erde
ppm
oC
370
14.4
360
14.3
350
14.2
340
14.1
330
14.0
320
13.9
13.8
310
13.7
300
13.6
290
13.5
1860
1880
1900 1920
1940
1960
1860
1980 2000 1
1880
1900
1920
1940
1960
1980
Die globale Temperaturerhöhung der Erde zwischen 1860 und 2000 ist
direkt mit der Erhöhung der CO2 – Konzentration korreliert !
253
5 – 11
2000
Heute : 90 % des globalen Energiebedarfs wird durch fossile
Brennstoffe gedeckt (Erdöl , Erdgas , Braun - und Steinkohle ,
Rodung von Wäldern , etc. ) :
Anthropogene Verbrennung fossiler Brennstoffe
CO2 - Ausstoss : 30 Giga - Tonnen (GT) pro Jahr !
ca. 50 % (15 GT) entweicht
in die Atmosphäre
ca. 50 % (15 GT) wird durch
Erde resorbiert :
• Lösung von CO2 in Meeren
• Photosynthese in Wäldern
Treibhaus - Effekt
globale Erwärmung
1 GT = 1‟000‟000‟000 = 109 Tonnen
254
Wechselwirkung : globale Erwärmung
Wasserdampf
Ozeane
Seen
Wolken
globale
Erwärmung
Eis
Schnee
255
5 - 12
Wasser
Wasser und Klima : Grundtatsachen
• Wasserdampf ist das wichtigste klimaaktive Gas
• Wasser ist aber nicht anthropogen , (d.h. es ist kein
menschliches Produkt) und ist universell verteilt
• starke positive Rückkopllung : selbst – induzierte Erwärmung
• Wolken , Schnee und Eis reflektieren das Licht und ihr Netto –
Effekt produziert eine Abkühlung (Albedo – Effekt)
• Folge der globalen Erwärmung : der Schnee zieht sich auf
höhere Lagen zurück ; das Eis schmilzt  Erwärmung mit
positiver Rückkopplung
• Während des letzten Jahrhunderts beträgt die Erhöhung des
Meeresspiegels wegen der globalen Erwärmung ca . 200 mm .
• ohne Wasserdampf würde die globale Erwärmung nur
ca . 50 % der totalen Erwärmung betragen !
256
Einfluss des Wasserdampfs auf den Klimawandel
CO2 in Atmosphäre
Temperatur - Erhöhung von Ozeanen , Seen , Festland und Luft :
stärkere Ver dampfung des
Wassers
Temperatur
des Wassers
steigt weiter
an
je wärmer die Luft , umso
höher ist die Sättigungs Konzentration des
Wasserdampfs :
höhere Kon zentration des
Wasserdampfs
in der Luft
10 0C : 9.4 g/m3 , 20 oC : 17.2 g/m3
Luft erwärmt
sich weiter und
strahlt auf Erde
zurück
257
5 - 13
Wasserdampf der Luft
absorbiert mehr Infrarot Strahlung , die von der
warmen Erde ausge strahlt wird .
Veranschaulichung der positiven Rückkopplung des
Wasserdampfs auf die globale Erwärmung
Wasserdampf : wichtigstes klimawirksame Gas aber nicht anthropogen !
Bei Verdoppelung der heutigen CO2 - Konzentration
 Erwärmung DT ≈ 2 bis 4.5 oC !
Ohne Wasserdampf : Temperaturerhöhung nur ca. 50 % von DT !
258
5 – 14
5.2
Einige Auswirkungen
der Klimaerwärmung
259
Temperatur - Erhöhung  mehr Verdampfung  mehr
Wasserdampf  mehr Wolken  mehr Regen !
Hochwasser in der Schweiz (2007)
Hochwasser in Délémont
260
5 - 15
Hochwasser in der Schweiz (2007)
Hochwasser
im
Laufental
Hochwasser
in einem Weiler
im Kanton Jura
261
Hochwasser in Turgi (Kanton Aargau)
Am 7 . August 2007 erscheinen die BAG TURGI ELECTRONICS AG
(unten) und das Zeughaus Brugg (oben) wie Inseln .
Der ganze Limmatspitz ist grossflächig überflutet !
MZ Donnerstag , 23 . August 2007
262
5 - 16
Australien 2007 : Die “Jahrhundert - Dürre”
Erhöhte Boden- und Lufttemperaturen  stärkere Verdunstung  Austrocknung !
263
Eis + Schnee
Klima
• Sonnenlicht wird an Eis und Schnee reflektiert  Albedo Effekt
CO2 : Eis schmilzt  Erwärmung durch Abnahme des Albedo
CO2 : Schneedecke verkleinert sich und ist nur für kürzere Zeit
vorhanden  Erwärmung durch Abnahme des Albedo
bei Erwärmung : positive Rückkopplung !
264
5 - 17
Klima
Wolken
• ca. 60 % der Erdoberfläche ist permanent
mit Wolken bedeckt
• Wolken entstehen nur in Anwesenheit von
Aerosolen (Kondensations - Keimen) , auf welchen der Wasserdampf kondensieren kann .
• Wolken bestehen meistens aus unterkühlten
Wassertröpfchen und aus Eiskristallen
Wolken sind ein wichtiger Regulator für das Klima :
• Reflexion des Sonnenlichtes  Abkühlung
• Absorption der IR - Strahlung von der Erde
Netto - Effekt : Abkühlung  Albedo - Effekt
265
Planetarer Albedo - Effekt
An den weissen
Bereichen (Wolken ,
Schnee , Gletscher)
und an den mit Eis
bedeckten Stellen der
Antarktis (unten) wird
das Sonnenlicht reflek tiert  Abkühlung !
(Albedo - Effekt)
Planetarer Albedo :
von der von der Sonne
eingestrahlten Leistung
wird ca . 1 / 3 reflektiert
und 2 / 3 absorbiert
266
5 – 18
Direkte Beobachtung der neueren Klima - Entwicklung
Differenz (mm)
globaler mittlerer
Seespiegel (mm)
Schnee - Bedeckung
der nördlichen
Halbkugel (km2)
0.5
14.5
0.0
14.0
- 0.5
13.5
50
0
- 50
100
- 150
4
40
0
36
-4
32
1850
1900 Jahr 1950
2000
267
Globale Aenderungen im Meeresspiegel während den
letzten 250 Millionen Jahren
maximaler
Meeres spiegel (vor
460 Mio.
Jahren)
Trias
Jura
Kreidezeit
Tertiär
heutiger
Meeres spiegel
tiefster
Meeres spiegel
Kreidezeit : Zeit der globalen Erwärmung ;
Meeresspiegel ca. 170 m höher als heute !
• globaler max . Meeresspiegel : 200 - 250 m höher als heute
• mittlere globale CO2 - Konzentration : 700 - 2000 ppm (heute : 380)
• mittlere globale Temperatur : ca. 21 0C (heute : 15)
• Gründe : verstärkter Magmafluss auf Meeresböden  Abgasung von
CO2 ; Eis-Schmelze ; Verdrängung von Wasser durch Magmen , etc.
268
5 - 19
Temperatur (oC)
globale mittlere
Temperatur (oC)
Aenderungen des globalen Meeresspiegels in cm
Anstieg des Meeresspiegels : 1870 - 2009
Satellitendaten
Rekonstruktion (Church & White)
Standardabweichung
doppelte Standardabweichung
25
20
15
10
5
0
- 5
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
Jahr
Messungen des mittleren Meeresspiegels in geologisch stabilen
Umgebungen zeigen eine Erhöhung von ca . 25 cm während der Zeit
zwischen 1870 und 2009 .
269
Tropenfische im Mittelmeer
Die Wassertemperaturen der Meere waren noch nie so hoch wie
im Sommer 2009
Verdrängungskampf : Das warme Wasser des Mittelmeeres hat Kugelfische angelockt - die heimischen Arten
haben das Nachsehen . (Nathalie Schoch : MZ : Dienstag , 25 . August 2009 , p . 26)
270
5 - 20
Computer - basierte Klima - Prognosen mit Hilfe
des Super Computers ESS : Earth Simulator System
Dr. Mitsuo Yokokava :
Chef - Konstrukteur des ESS
Speed : 40 TFlops = 40 x 1012 floating point operations per second;
Memory : 10 TB = 10 x1012 Bites
271
ESS - basierte Klima - Prognosen für verschiedene
Szenarien , sog. Special Report Emission Scenaries (SRES)
ESS : Earth Simulator System
Ergebnisse einiger SRES
Modelle (1990 - 2100)
IPCC : Intergovernmental Panel
on Climate Change (2007)
5
4
3
Temperatur Aenderung
verschiedene
Szenarien
2
1
0
2000 2020 2040 2060 2080 2100
Jahr
IPCC Graphik der Temperatur – Anstiegs –
Modelle als Funktion der Zeit
Temperatur - Aenderung (oC)
6
Wie in der Graphik ersichtlich ist ,
zeigen die verschiedenen Modelle
eine recht starke Streuung der
Resultate als Funktion der Zeit .
Für jede Kurve ist auf der rechten
Seite ein Fehlerbalken angegeben ,
der die Unsicherheit in der Temperatur für die verschiedenen Modelle
im Jahr 2100 angibt .
Wie erwartet sind die Unsicherheiten umso grösser , je weiter man
in die Zukunft extrapoliert .
Etwa die Hälfte der Variationen
hängt vom zukünftigen Klimaszena –
rium ab , die restliche Unsicherheit
dagegen vom verwendeten Modell .
272
5 - 21
Anstieg des Meeresspiegels – extrapoliert bis 2100
Die Graphik zeigt Abschätzungen der Entwicklung des Meeresspiegels in der Ver –
gangenheit (grau) , die Beobachtungen der letzten Jahrzehnte durch Tide-Messgeräte
und Satelliten (rot) , sowie Prognosen für die Zukunft gemäss dem IPCC A18
Szenario (blau) .
273
Globaler Gletscherschwund
cm / Jahr
Meter
Mittlere Aenderung der Gletscherdicke (cm/Jahr)
Kumulative mittlere Dicken – Aenderung (Meter)
274
5 - 22
Bemerkungen zur Figur auf p . 274
Die Figur zeigt die mittleren Raten der Dickenänderungen des Eises
der Gletscher der Erde .
Diese Information wird auch als Glaziologische Massenbilanz (GM)
bezeichnet . Die GM findet man durch Differenz zweier Messungen :
a) Messung der jährlichen Zunahme des Schnees (ZS) einerseits und
b) Messung des Verlustes des Schnees (VS) via Schmelz - und
Sublimationsprozesse andererseits ; dann ist GM = ZS – VS .
Die obere Graphik der Figur 274 zeigt die jährlichen mittleren Dickenänderungen der Gletscher (in cm / Jahr) . Die untere Kurve zeigt die
kumulierte Aenderung der Dickenabnahme während der letzten 50
Jahre . In dieser Zeit wurde nur in 3 Jahren eine Zunahme der Dicke
beobachtet (zwischen 1965 und 1970 , s. p . 274) . Man beachte auch
die auf Seite 270 dargestellte Dickenabnahme .
Die Figur zeigt , dass in dieser Messperiode die mittlere Dicke des
Eises der Gletscher (gemessen in m) im wesentlichen kontinuierlich
abnimmt und zwar zwischen 1957 und 2004 um etwa 14 m !
275
Gletscherschwund : Die Gletscher schmelzen schneller !
PERITO – MORENO GLETSCHER (ARGENTINIEN)
In Südamerika haben 2007 alle Gletscher Eis verloren
276
5 - 23
Mittlere komulative jährliche Massenbilanz [mm]
Beschleunigtes Schmelzen von Gletschern
0
- 2000
- 4000
- 6000
- 8000
- 10000
30 „Referenz“ - Gletscher
subset von Referenz - Gletscher
alle Gletscher
- 12000
1980
- 12000
1980
1985
1985
1990
1990
1995
1995
2000
2000
2005
2005
2010
Zeit (Jahre)
Man vergleiche auch die auf p . 274 dargestellte Dickenabnahme .
277
Zum globalen Gletscherschwund
„Der globale Gletscherschwund hat sich in den letzten Jahren beschleunigt . Zu diesem
Schluss kommt der „World Glacier Monitoring Service“ (WGMS) , der am 29 . 1 . 2009 die
neusten Zahlen veröffentlicht hat . Im Durchschnitt haben die Gletscher im Jahr 2007 ganze
75 cm Dicke eingebüsst . Besonders dramatisch war die Situation in den Alpen : Einzelne
Gletscher haben dort bis zu 3 m Eis verloren !“ ……
„Die Daten von WGMS stammen von mehr als 80 Gletschern aus allen Erdteilen . Jeweils
Ende Sommer vermessen Forscher die Veränderungen der Eisdicke an verschiedenen
Punkten auf den Gletschern .“ ……
Aneinander gereiht über mehrere Jahre , zeigen Dickenmessungen die gegenwärtige Klima veränderung (s. pp 274 , 277) . „So wuchsen die Gletscher seit Beginn der Messungen
(1980) einzig in den Jahren 1983 , 1987 und 1989“ . Hinzukommt : „Der Verlust beschleunigt
sich , die Werte wurden immer negativer“ sagt Michael Zemp , WGMS Mitglied und
Glaziologe am Geographischen Institut der Universität Zürich .
„Die schmelzenden Gletscher tragen zurzeit jährlich einen mm zum Anstieg des Meeres –
spiegels bei . Das ist rund ein Drittel des gesamten Anstieges“ schätzt Zemp . „Ein weiteres
Drittel dürfte auf die abschmelzenden Eisschilder auf Grönland und in der Antarktis zurück –
zuführen sein . Der Rest kommt durch die Wärmeausdehnung des Meerwassers zustande“ ,
so Zemp .
„Die untersuchten rund 100 Gletscher sind ein ganz kleiner Ausschnitt“ , sagt Zemp .“ ….
„Total gibt es weltweit 160 000 bis 200 000 Gletscher“ . … „Korrekt ist aber (trotzdem) , dass
der Gletscherschwund sich beschleunigt“ , so Zemp . Das exakte Ausmass ist jedoch noch
unklar . „In der Schweiz war der Gletscherschwund 2008 ähnlich wie 2007“.
Bei komplettem Schmelzen des globalen Eises wird mit einem Anstieg des Meeresspiegels
von 5 – 7 Metern geschätzt (s . Ref . R.5.2.20) .
278
5 - 24
Anhang : Kapitel 5
5-A-0
380
Parts per billion (ppb)
390
Kohlenstoff
CO2
370
360
350
340
330
1978
390
1850
1800
1986
1994
2002
Methan
NH4
1750
1700
1650
1600
1550
1978
325
325
320
320
Stickstoffoxid
N2O
315
315
310
310
305
305
300
295
390 1978
2010
Parts per trillion (ppt)
Parts per billion (ppb)
Parts per million (ppm)
Treibhausgase : 1978 - 2010
1986
1994
2002
2010
600
500
CFC - 12
CFC - 11
400
300
200
100
0
1986
1994
2002
2010
390
1978
1986
1994
2002
2010
Wachstumstrend der wichtigsten anthropogenen Treibhausgase zwischen 1978 und 2010 . CO2 und
N2O (Lachgas) steigen unvermindert weiter an , während NH4 seit 1999 zunächst einige Jahre
konstant blieb und erst jüngst wieder zunahm . FCKWs (Fluorkohlenwasserstoffe) und FKWs
Chlorfluorkohlenwasserstoffe (rechts unten)
haben wegen ihrer Reaktionsträgheit eine hohe
Verweildauer in der Atmosphäre . Sie steigen deshalb bis in die Stratosphäre auf und werden dort
von der UV-Strahlung zerlegt . Dabei werden Chlor- und Fluor-Radikale freigesetzt , welche mit dem
Ozon der Ozonschicht reagieren und dieses schädigen können . Die FCKWs und FKWs bleiben
dank des Montrealer Protokolls zum Schutz der Ozonschicht ab 1996 stabil bzw . nehmen
teilweise sogar leicht ab .
5-A-1-1
5 – 25
Die CO2 – Daten (rote Kurve) zeigt die monatlich gemessene CO2 – Konzentration in
trockener Luft , gemessen im Mauna Loa Observatorium in Hawaii . Es handelt sich
um die längste Messdauer für die CO2 – Konzentration : von 1958 bis 2010 .
Die Daten stellen den Molenbruch von CO2 in trockener Luft in Einheiten von ppm
dar . Die schwarze Kurve zeigt den mittleren Verlauf .
5-A-1-2
Abnahme von O2 in der Atmosphäre als Funktion der Zeit
(O2 / N2)
G
Year
Die Figur zeigt die Abnahme der auf N2 normierten O2 - Konzentration , (O2/N2) im
Mouna Loa Vulkan in Hawaii als Funktion der Zeit zwischen den Jahren 1990 und 2006 .
Die Grösse (O2/N2) ist folgendermassen definiert :
(O2/N2) = (O2/N2)Probe / [O2/N2)Referenz – 1 * 106 in Einheiten von „per meg“.
[ 1 per meg = 0.001 o/oo ]
Man beobachtet einen gleichmässigen jährlichen Zyklus . Der mittlere Langzeit-Trend wird
durch die blaue gestrichelte Gerade G dargestellt (von P . Brüesch hinzugefügt , ebenso
das blaue gestrichelte Raster) .
5-A-1-3
5 – 26
Bemerkungen zu den (O2/N2) - Daten von p . 5-A-1-3
a) Das O2/N2 – Verhältnis kann sowohl durch Variationen der O2 - oder N2 – Konzentra tionen geändert werden . Die Luft enthält ca . 20.9 % O2 und 78.1 % N2 . Da die Luft
mehrere Male mehr N2 als O2 enthält , und da die natürlichen Quellen und Senken
von N2 viel kleiner sind als jene von O2 , reflektiert das O2/N2 – Verhältnis im Wesen tlichen die Aenderungen der O2 – Konzentration .
b)
Die Grösse  ist Null , wenn die Probe das gleiche O2/N2 – Verhältnis besitzt wie die
die Referenz , und  ist negativ , wenn die Probe ein kleineres Verhältnis besitzt als
die Referenz . Die beobachteten  – Werte von heute sind negativ , weil die O2 – Kon zentration seit ca . 1985 abgenommen hat .
c)
Die Aenderungen von (O2/N2)Probe in (O2/N2) (p . 5-A-1-3) sind sehr klein : Für typische
Luft im Jahr 2000 ist   - 0.000270 = - 0.0270 % = - 0.270 o/oo = - 270 per meg
= 270 / 106 (s . Figur p . 5-A-1-3) . 1 per meg = 0.001 o/oo = 0.0001 % .
d)
Der zeitliche Verlauf der mittleren gestrichelten blauen Gerade G in der Figur auf
p . 5-A-1-3 kann nach P . Brüesch wie folgt dargestellt werden :
(t) = 3.274 * 104  16.5 * t
t (Jahr)
(t) (per meg)






1985
1990
1995
2000
2005
2010
5-A-1-4
5 – 27
-
0
85
190
270
370
450
Referenzen : Kapitel 5
R-5-0
5 . Wasser und globales Klima
5 . 1 Wasser , Luft und Erde
R.5.1.1
Herrn Professor Dr . Th . Stocker von der Universität Bern möchte ich an dieser Stelle für
wichtige Informationen und interessante Diskussionen über dieses Kapitel danken , haupt –
sächlich über den Einfluss des Wassers auf die Klimaänderung .
Prof. Dr . Th . Stocker
Climate and Environmental Physics „Physics Institute , University of Bern ,
Siedlerstrasse 5 , 3012 Bern , Switzerland
R.5.1.2
WELTATLAS DES KLIMAWANDELS
Karten und Fakten zur globalen Erwärmung
Kirsten Dow und Thomas E . Downing ; Europäische Verlagsanstalt
Dr . Götze Land & Karte ; Hamburg (2007)
R.5.1.3
DER LANGE ZYKLUS
Die Erde in 10‘000 Jahren
Salomon Kroonenberg
PRIMUS – VERLAG - 2006
In diesem Buch wird die heutige (anthropogene) Klimaerwärmung vehement angegriffen .
Im Klappentext heisst es über den Autor : „Dazu versucht er natürliche Prozesse wie Erdbeben ,
Vulkanismus , Meeresspiegelschwankungen oder Klimawandel aus der geologischen Tiefe der Zeit
heraus zu verstehen und wagt auf dieser Basis eine Prognose für die Zukunft der Erde „.
R.5.1.4
Zusätzliche wichtige Informationen findet man auch in :
Google unter : „Water and Global Climate Change“
R.5.1.5
p . 233 : Alles Wasser der Erde
p . 234 : Alle Luft der Erde
„http://www.adamniemann.co.uk/vos/index.html“
R.5.1.6
p . 235 : Die Luftschicht der Erde
Aufarbeitung von P . Brüesch aus verschiedenen Literurquellen
R-5-1
5 - 28
R.5.1.7
p . 236 : Aufbau der Erdatmosphäre:
Aus : Paul Scherer Institut (PSI) , 5232 Villigen , Schweiz
„Aerosolforschung auf dem Jungfraujoch“
s . Glossar : Sphere representing the atmosphere :
http://aerosolforschung.web.psi.ch/Glossar/Glossar Page html
(Figur von P . Brüesch retouchiert)
R.5.1.8
p . 237 : Atmosphäre vom Raum aus gesehen :
Image from „The Greenhouse Effect and Climate Change“ (p . 3 of 77)
A slice through the earth‘s atmosphere viewed from space
http://www.bom.gov.au/info/climate/change/gallery/3.shtml
R.5.1.9
p . 238 : Zusammensetzung der trockenen Erdatmosphäre
aus : http://www.ux1.eiu/  cfjps/1400/atmos _origin.html
Figuren - Text von P . Brüesch
R.5.1.10
Die unten angegebenen Figuren auf den Seiten 239 , 240 und 244 stammen aus :
„Climate Change“ : What determines the Earth‘s GMST ?
GMST : Global Mean Surface Temperature
http://openlearn.ac.uk/mod/resource/view.php?id=172073
Figuren angepasst und kommentiert von P . Brüesch
p . 239 : Sonneneinstrahlung auf die Erde (p . 3)
p . 240 : Leistungsbilanz ohne Atmosphäre (p . 5)
R.5.1.11
p . 241 : Treibhausgase - Allgemein
Text zusammengestellt von P . Brüesch aus verschidenen Literaturdaten
R.5.1.12
p . 242 : Der Treibhaus – Effekt - 1 : Einfallende und reflektierte Sonnenstrahlung
http://andrian09.wordpress.com/2008/12/27/greenhouse-effect-2/
R.5.1.13
p . 243 : Der Treibhauseffekt 2 : Eine gigantische natürliche Klimaanlage
aus : PDF Aerosole : Die Wirkung auf unser Klima und unsere Gesundheit :
Urs Baltensperger : Paul Scherer Institut – PSI
www.kkl.ch/upload/cms/user/Vortrag_Baltensperger_Aerosole1.pdf
R.5.1.14
p . 244 : Solares Spektrum und Wärmestrahlung der Erde bei 15 oC (Ref . R.5.1.9 , p . 7)
R-5-2
R.5.1.15
p . 245 : Strahlung von Sonne und Erde - IR Absorptionen von Wasserdampf und CO 2
http://www.bom.gov.au/info/climate/change/gallery/4.shtml
Figure angepasst von P . Brüesch
R.5.1.16
p . 246 : Globale Temperaturzunahme (1860 – 2005)
http://en.wikipedia.org/wiki/File:instrumental_Temperature_Record.png
http://wikipedia.org/wiki/Gobal.warming
R.5.1.17
p . 247 : Globale Temperatur zwischen den Jahren 1000 und 2100
From : BUELLTIN : Magazin der Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich : CO 2
Number 293 , May 2004 ; Figure from p . 23 of this Bulletin (Source IPCC)
R.5.1.18
IPCC , 2007 : Summary for Policeymakers . In : Climate Change 2007 : The Physical
Science
Basis . Cambridge University Press , Cambridge , United Kingdom and New York ,
N.Y. USA .
p . 248 : Carbon Dioxide Concentration Increase (- 10‘000 to present time) ; p . 3 of IPCC
p . 250 : Methane Concentration Increase ; p . 3 of IPPC
p . 251 : Nitrous Oxide (N2O) - Concentration Increase ; p . 3 of IPPC
(Beschriftung von Englisch auf Deutsch übertragen (P . Brüesch))
R.5.1.19
p . 249 : Variationen der CO2 – Konzentration : (Zeitspanne : - 400‘000 bis heute)
http://www.te-software.co.nz./blog/augie_auer.htm
R.5.1.20
p . 252 : Carbon Dioxide Concentrations (-160‘0000 years to present time) :
http://www.klimaktiv.de/article104_3072.html
R.5.1.21
p . 253 : Globale Klimaänderung : Anstieg der CO 2- Konzentration und der Temperatur
http://www.klimawandel-global.de/klimawandel/ursachen/co2-emission/neue-klimawandel , p . 2 von 3
http://www.klimawandel-global.de/bilder/co2-vs-temperature.jpg
R.5.1.22
pp 254 - 257 : Zusammengestellt von P . Brüesch , basierend auf verschiedenen Literurquellen
für p . 256 : „Wasser und Klima : Grundlegende Effekte“ ; die folgenden Referenzen wurden
verwendet:
Referenz R.1.3.1 : p . 67 ;
http://www.espere.net/Grmany/water/detroposde.html
http://www.schulphysik.de/aktkli2104.html
http://www.te-software.co.nz/blog/augie auer.htm
R-5-3
5 - 29
R.5.1.23
p . 258 : Positive Rückkopplung des Klimawandels ;
in : „Klimawandel“ , p . 20 ; Joachim Curtius ; Institut für Physik der Atmosphäre
Login . Klimawandel , Password : CO2 ; Universität Mainz , WS 05 7 06
www.staff.uni-mainz.de/curtius/Klimawandel/
R.5.1.24
Anhang 5-A-1-1 : Wachstumstrend der wichtigsten Treibhausgase ; 1978 - 2010
http://de.wikipedia.org/wiki/Globale_Erwärmung
R.5.1.25
Anhang 5-A-1-2 : Atmosphärisches CO2 beobachtet vom Mauna Loa Observatorium
Recent Mauna Loa CO2 ;
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends
R.5.1.26
Anhang 5 –A-1-3 : Abnahme von O2 in der Atmosphäre als Funktion der Zeit
http://www.esrl.noaa.gov//gmd/obop/mlo/programs/coop/scripps/o2/o2.html
R.5.1.27
Anhang 5-A-1-4 : Bemerkungen zum (O2/N2) – Verhältnis
http://scrippso2.ucsd.edu/units-and-terms
5 . 2 Einige Folgen des Klimawandels
R.5.2.1
p . 260 : Ueberschwemmung in Délémont , Switzerland (2007)
http://www.baz.ch/_images/imagegallery/Delemont.jpg
R.5.2.2
p . 261 : Ueberschwemmung in Laufental , Switzerland (2007)
Laufental : www.polizeibericht.ch/ger_details_3154/Kanton_Basel_Land_Hochwasserlage_...
R-5-4
R.5.2.3
p . 262 : Lit . zu : Ueberschwemmung in Turgi , Schweiz ; „Flood in Turgi“ , Switzerland ,
Weiler Riedes : http://sc.tagesanzeiger.ch/dyn/news/schweiz/7796865.htm
MZ (Mittelland – Zeitung der Schweiz) : Donnerstag , 23 . August 200
R.5.2.4
p . 263 : Die Dürre des Jahrhunderts
MZ Mittwoch , 26 . September 2007 (p . 2)
R.5.2.5
pp 264 : Der Albedo- Effekt des Eises (links) und Schnee (rechts)
links : „Eisberg“ : Tagesanzeiger (TA) of Switzerland ; WISSEN - 27 . 1.2005
rechts : „Staublavine“ aus : http://wikipedia.org/wiki/Lawine
R.5.2.6
p . 265 : Wolken als Klimaregulator
Foto einer Kumulus – Wolke : p . 164
R.5.2.7
p . 266 : Planetarer Albedo - Effekt
in Referenz R.5.1.9 : p . 4
R.5.2.8
p . 267 : Neuere Klimaänderungen :
Die schwarzen Kurven zeigen Mittelwerte über 10 Jahre , während die Kreise jährliche
Mittelwerte darstellen . Die schattierten Bereiche stellen die Intervalle der Unsicherheit dar ,
welche aufgrund einer umfassenden Analyse bekannter Daten (Kurven a) und b)) und aus
einer zeitlichen Folge (Kurve c) abgeschätzt wurden ; aus IPCC 2007
R.5.2.9
p . 268 : Globale Aenderung des Meeresspiegels während der letzten 250 Millionen Jahre
http://www.bbm.me.uk/portsdown/images/CretEnv/Seal.vl02.
R.5.2.10
p . 269 : Mittlerer Anstieg des Meeresspiegels 1800 - 2007
de.wikipedia_org/iki/Meeresspiegelanstieg
R.5.2.11
p . 270 : Tropische_Fische_im_Mittelmeer
Nathalie Schoch : MZ (Mittellandzeitung) Dienstag , 25 . August 2009 , p . 26
R.5.2.12
p . 271 : Computer-basierte Klimaprogramme mit Hilfe des „Earth Simulator Computer“
NEC Global – Press Release
http://www.nec.co.jpg/press/en/0203/0801.html
http://www.thocp.net/hardware/nec
R-5-5
5 – 30
R.5.2.13
p . 272 : ESS – basierte Klimaprognosen zwischen 1980 und 2100
http://en.wikipedia.org/wiki/IClimateprediction.net
R.5.2.14
p . 273 : Anstieg des Meeresspiegels _extrapoliert bis 2100 (Extrapolation von 2007)
http://www.atmosphere.mpg.de/enid/__Ozeane_und_Klima/-_Anstieg_des_Meeresspiegels...
R.5.2.15
p . 274 : Globaler Gletscherschwund : Graphik - 1
http://wikipedia.org/wiki/Global_warming
R.5.2.16
p . 275 : Text zu Figur 274 erstellt von P . Brüesch
R.5.2.17
p . 276 : Zum globalen Gletscherschwund : Die Gletscher schmelzen schneller !
aus MZ (Mittellandzeitung) : Freitag , 30 Januar , 2009 , p . 22
R.5.2 18
p . 277 : Globaler Gletscherschwund : Graphik 2
www.durangobill.com/Swindle_Swindle_html
Figur gefunden unter : „Graphs of receding glaciers“
(Figur vom Autor leicht modifiziert )
s. auch : MZ (Mittellandzeitung) : Freitag , 30 Januar , 2009 , p . 22
R.5 2.19
p . 278 : Bemerkungen zum Gletscherschwund
von : MZ (Mittellandzeitung) : Freitag , 30 Januar , 2009 , p . 22
Michael Zemp , WGMS - Mitglied und Glaziologe am Geographischen Institut
der Universität Zürich
R.5.2.20
Sea Level Rise , After the Ice Melted and Today
Vivian Gomitz – January 2007
NASA GISS : Science Briefs : Sea Level Rise , After the ice Melted and Today
http://www..giss.gov/research/briefs/gornitz_09/
R.5.2.21
World‘s glaciers continue to melt at historical rates (25 Jan . 2010)
www.guardian.co.ukl/.../wourld-glacier-monitoring-service
R-5-6
5 - 31