Klimawandel_08

Klimawandel
CO2 (ppm)
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WS 05/06
Joachim Curtius
Institut für Physik der Atmosphäre
Universität Mainz
Nachtrag: Quellen und Senken von Methan (Tg CH4/yr)
inkl. ~80-100 Tg/yr aus
Reisfeldern
Erdgas, Öl- und Kohleförderung
Wiederkäuer
gesamt: ~70%
anthropogene Quellen
[IPCC 2001]
Nachtrag: Methanquellen
Keppler 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 Regenwäldern
b) Methanschwankungen Eiszeit-Warmzeit
c) Methanzunahmeraten in den 90er Jahren

Relevant für zukünftige Klimaprognosen:
Wälder zur CO2-Speicherung...
 Es gibt immer noch große Überraschungen...
Pflanzen als Methanquellen, Keppler et al., Nature, 2006:
Methanproduktion von getrockneten Eschen und Birkenblättern
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 von
kurzwelliger und langwelliger Strahlung
Netto-Effekt meist eher kühlend,
Ausnahme dünne Cirren
Indirekte Klima-Effekte durch Aerosole
reine
Luft,
wenige
CCN
Wolkenbildung:
Wasserdampf
kondensiert
verschmutzte
Luft,
viele CCN

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
große
Wolkentröpfchen
viele kleine
Wolkentröpfchen
erster indirekter Effekt
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.
indirekte
Aerosoleffekte
Lohmann und Feichter,
ACP 2005:
Vergleich der Effekte nach
verschiedenen GCMs
rot: nur Sulfate
grün: Sulfate + BC
blau: Sulfate + OC
türkis: Sulf.+OC+BC
Übersicht indirekte Aerosoleffekte
[Haywood and Boucher, Rev Geophys., 2000]
indirekte
Aerosoleffekte
und Eiskeime
verschiedene
Einflüsse auf CCN
und IN
(bisher in GCM
nicht oder kaum
berücksichtigt)
Aerosol particles
Human activity
[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) über
Indien 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) Kondensstreifen
können 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
Aerosoleffekte ungenügend
quantifiziert,
deshalb Abschätzung der
Klimasensitivität, verträglich mit
der Temperaturentwicklung
1940-2000 (+0.7°C):
GHG-Effekte sind gut quantifiziert
und Wärmekapazität des Ozeans
auch einigermaßen.
Klimasensitivität (K) ist die
Temperaturänderung im
Gleichgewicht
nach einer Verdopplung der
vorindustriellen
CO2-Konzentration
c=
Andreae et al., Nature, 2005
Andreae et al., Nature, 2005
TWarmzeit-Eiszeit
Vorhersagebereich
IPCC-TAR
"tolerabel"
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-Strahlungsantrieb
Anderson 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 unsicher
1. 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 ist
nicht konstant!
11-Jahres-Zyklus
und weitere Zyklen
und Trends.
Messung: problematisch...
TSI = Total Solar Irradiance
änderte 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.
weitere mögliche Klimaänderungen durch solare Variabilität:
Svensmark-Hypothese
[Svensmark, 1998]
increase in solar activity
increase in solar activity

reduction of
reduction of Galactic
Galactic
Cosmic
(GCR)
Cosmic
RaysRays
(GCR)
 ??
Reduced
cloud
Reduced
cloud coverage
coverage
 ??
less
cloudforcing
forcing
less
cloud
 ??
warmerclimate
climate
warmer
[Marsh and Svensmark, 2000]
[Laut, 2003]
Galaktische kosmische Strahlung
Galactic
cosmic
rays
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
Ionen-induzierte Nukleation
Effiziente Aerosol-Neubildung, da Energiebarriere kleiner.
klassische Beschreibung durch Thomson-Gleichung:
q2  1   1 1 
G   n (r )kT ln(S)  4 r    1     
2     rp r0 
3
p
2
p
neutral
nucleation
G
G*neutr.
G*ion
ion-induced
nucleation
0
requilib
r*ion r*neutr.
rparticle
radius
p
Wilsonsche
Nebelkammer
C.T.R. Wilson
1869-1959
Ionen-induzierte Nukleation
galactic
cosmic rays
H2SO4
NO3¯
cluster
ion
H2O
H2O
HSO4¯
H2SO4
O2¯
H2O
ion pairs
-
critical
cluster
-
H2SO4
neutral
cluster
H2O
H2SO4
critical
cluster
aerosol
particle
cloud
condensation
nucleus
cloud
droplet
H3O+
H2O
H2O
H2SO4
SO42-
N2+
H3O+
0.3 nm
1 nm
100 nm
> 1 µm
solare Variabilität
weitere mögliche Einflüsse:

Änderung der UV-Strahlung, dadurch Änderungen
im stratosphärischen Ozon

Änderungen von Eiskeimen durch Änderungen der
galaktischen kosmischen Strahlung (Tinsley)
Übersicht aller indirekten Effekte, Lohmann u. Feichter, ACP, 2005: