Kapitel 5: Die Strahlung – der Treibstoff der Atmosphäre

Kapitel 5: Die Strahlung – der Treibstoff der Atmosphäre
Was ist Strahlung
•
•
Strahlung besteht aus elektromagnetischen Welle
Strahlungsarten unterscheiden sich durch die Wellenlänge
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetisches_Spektrum
Die Infrarotstrahlung ist in drei Abschnitte unterteilt:
nahes Infrarot: 0,78 bis 3 μm
mittleres Infrarot: 3 bis 50 μm,
fernes Infrarot: 50 bis 1000 μm.
Kapitel 5: Strahlung
Für uns relevanter Bereich
Folie 2
Was ist Strahlung
•
Jeder Körper mit einer Temperatur > 0 K emittiert und absorbiert
elektromagnetische Strahlung
– auch jeder von uns, der Boden, die Luft, ….
•
Die Intensität und Wellenlänge der emittierten Strahlung hängt von der
Temperatur des emittierenden Körpers ab
– je wärmer um so kürzer die Wellenlängen und um so höher die Intensität
•
Für den Energiehaushalt der Erde sind zwei Wellenlängenbereiche
relevant. Diese bezeichnen wir als:
– Solare Strahlung
– Terrestrische Strahlung
•
Solare Strahlung (kurzwellige Strahlung)
– energetisch relevanter Bereich der Sonnenstrahlung: 250 nm – 2500 nm,
– sichtbarer Bereich: 400 – 700 nm, Maximum bei 500 nm (blau-grün)
•
Terrestrische Strahlung (langwellige Strahlung)
– energetisch relevanter Bereich bei terrestrischen Temperaturen: 3,5 -100 µm
– liegt im infraroten Spektralbereich, kann also als Wärmestrahlung bezeichnet werden
Kapitel 5: Strahlung
Folie 3
Die drei wichtigsten Strahlungsgesetze
Planck'sches Strahlungsgesetz:
beschreibt die spektrale Strahldichte Iλ (Strahlungsenergie pro Raumwinkelelement, Querschnittsfläche, Zeit und Wellenlänge), die ein Körper
gemäß seiner Temperatur bei einer ausgewählten Wellenlänge maximal
abstrahlen kann.
Stefan-Boltzmann-Gesetz:
beschreibt die maximale Strahlungsflussdichte E (Strahlungsenergie pro
Querschnittfläche und Zeit), die ein Körper gemäß seiner Temperatur
insgesamt über alle Wellenlängen integriert in den über seiner Oberfläche
liegenden Halbraum abstrahlen kann.
Kirchhoff'sches Gesetz:
Besagt, dass das Absorptionsvermögen αλ (Prozentsatz der absorbierten
spektralen Strahldichte) eines Körpers seinem Emissionsvermögen ελ
(Prozentsatz der maximalen spektralen Strahldichte nach dem
Planck'schen Strahlungsgesetz, der tatsächlich emittiert wird)
entspricht, also gleich ist.
Kapitel 5: Strahlung
Folie 4
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz
•
Die maximale Strahlungsflussdichte E, die ein Körper gemäß
seiner Temperatur insgesamt über alle Wellenlängen integriert in
den über seiner Oberfläche liegenden Halbraum abstrahlen kann,
wächst proportional zur 4. Potenz seiner Temperatur (in Kelvin)
– die Proportionalitätskonstante heißt Stefan-Boltzmann Konstante
Gleichung (3)
•
E = σ ⋅ T 4 ; σ = 5,67⋅10−8 m2 sJ K 4
Die Einheit der Strahlungsflussdichte E ist:
J
m2s
Kapitel 5: Strahlung
=
Energie
Fläche ⋅Zeit
=
Leistung
Fläche
=
W
m2
Folie 5
Schwarze und graue Körper
•
Einen Körper der Temperatur T, der diese theortisch berechnete
maximale Strahlungsleistung tatsächlich abgibt, nennen wir einen
schwarzen Körper
– er emittiert 100 % der möglichen Leistung
– sein Emissionsvermögen ε ist 100 % oder 1
– gemäß Kirchhoff‘schem Gesetz ist dann auch sein Absorptionsvermögen α
gleich 100 % bzw.1
• er absorbiert also 100 % der auf ihn eintreffenden Strahlung
•
Ein Körper, der weniger als diese maximale Strahlungsleistung
abgibt, nennen wir einen grauen Körper
•
Aber Achtung! Emissions- und Absorptionsvermögen können mit
der betrachteten Wellenlänge variieren
– Es ist also möglich, dass sich ein Körper in einem Wellenlängenbereich wie
ein schwarzer Körper, in einem anderen Wellenlängenbereich aber wie ein
grauer Körper verhält  i.d.R. ε= ε(λ)
– Folglich müssen wir Emissions- und Absorptionsvermögen für solare und
terrestrische Strahlung getrennt betrachten
Kapitel 5: Strahlung
Folie 6
Stefan Boltzmann für graue Körper
•
Liegt das Emissionsvermögen eines Körpers unter der eines
schwarzen Körpers, so lässt sich die von ihm emittierte
Strahlungsflussdichte vereinfacht darstellen als
Gleichung (3a)
E = ε ⋅σ ⋅ T 4 ; 0 < ε ≤ 1
ε = effektives Emissionsvermögen
über den relevanten Wellenlängenbereich (solar oder terrestrisch)
ε = 1 ↔ Körper strahlt in einem Wellenlängenberiech wie ein schwarzer Körper
•
Ein Beispiel:
•
T=20 oC
•
Emissionsvermögen 70 % als ε = 0,7
•
ergibt
Kapitel 5: Strahlung
entspricht 293,15 Kelvin
E ≈ 293 W/m2
Folie 7
Die Albedo
•
Neben Emission und Absorption kann Strahlung von einem
Körper auch reflektiert oder gestreut (also weitergeleitet) werden
•
Ein Körper der nicht 100 % der einfallenden Strahlung absorbiert,
muss den Rest reflektieren oder streuen
– Reflexion kann auch als Rückwärtsstreueng betrachtet werden
– Vorwiegend Gase (also Luftmolekühle) können die die Strahlung auch
vorwärts streuen
– Festen Körpern bleibt im solaren und terrestrischen Strahlungsbereich nur
die Option Reflexion oder Absorption
•
Auch die Albedo kann wie das Emissions- und Absorptionsvermögen mit der betrachteten Wellenlänge variieren
– Eine schwarze (weiße) Oberfläche hat zunächst nur im sichtbaren Bereich
der elektromagnetischen Strahlung eine Albedo von ≈ 0 (bzw. ≈1)
– Das Reflexions- bzw- Absorptionsvermögen einer sichtbar schwarzen
Oberfläche im Bereich der Wärmestrahlung ist nicht sichtbar
Kapitel 5: Strahlung
Folie 8
Der extraterrestrische solare Strahlungsfluss
•
Die von der Sonne ausgehende Strahlung erreicht den Oberrand
der Atmosphäre
solare Strahlung:
extraterrestrische Strahlungsflussdichte bei
senkrechtem Einfall (Solarkonstante)
Erde
Ik = 1368 J/(m2·s) = 1368 W/m2
Relevante Fläche für Nutzbarkeit auf der Erde
ist die Querschnittsfläche der Erdkugel
AG,s = π R2, R ≈ 6370 km
Damit steht der Erde folgende solare Strahlungsleistung zur Verfügung:
Ik ·AG,s in W=J/s
Diese verteilt sich auf die gesamte Erdoberfläche:
AG,t = 4 π R2 = 4 AG,s (extraterrestrische Kugeloberfläche)
Im Mittel erhält also jeder Quadratmeter am Oberrand der Atmosphäre
die Strahlungsflussdichte Ik ·AG,s / AG,t = 1/4 Ik = 342 W/m2 = Fs,
Kapitel 5: Strahlung
Folie 9
Die terrestrische Ausstrahlung
•
Die Erde sendet entsprechend ihrer Temperatur selber Strahlung im
terrestrischen Spektralbereich aus
•
Betrachten wir die Erde in diesem Spektralbereich als schwarzen
Körper und geben ihr eine fiktive mittlere Temperatur TE, so emittierte
jeder Quadratmeter folglich
Ft, = σ TE4 W/m2 ;
•
mit σ = 5,67 10-8 J/(m2 s K4)
Damit emittiert die gesamte Erdoberfläche eine Strahlungsleistung von
Ft,·AG,t = σ TE4·AG,t in W = J/s
•
•
Soll sich die Erde sich in einem energetisch stabilen Zustand befinden
muss die aufgenommenen solare Strahlungsenergie gleich der
abgestrahlten terrestrischen Strahlungsenergie sein.
Klar ???
Kapitel 5: Strahlung
Folie 10
Das Strahlungsgleichgewicht der Erde
•
In diesem Strahlungsgleichgewicht muss also gelten:
aufgenommene Strahlungsenergie = abgegebene Strahlungsenergie
Ik·AG,s = σ TE4 ·AG,t
¼ Ik = σ TE4
• Fs, = 342 W/m2 = σTE4
•
 Fs, = σTE4
Mitteltemperatur der Erde TE = 278.7 K
Nun nimmt die Erde aber nicht das volle Strahlungsangebot der Sonne
auf, sondern reflektiert einen Teil davon wieder in den Weltraum.
– das solare Reflexionsvermögen bzw. die Albedo der Erde für solare Strahlung
beträgt im Mittel 30 % solare Albedo αs = 0,3
•
•
Also nimmt die Erde nur (1- αs) Ik·AG,s Strahlungsleisung auf
Für das Strahlungsgleichgewicht gilt dann
(1- αs) Ik·AG,s = σ TE4 ·AG,t
 T = 254.9 K (= -18,2 oC)
• Das ist verdammt kalt !!!!!
Kapitel 5: Strahlung
Folie 11
Was haben wir übersehen?
•
Die Atmosphäre
•
Einerseits absorbiert und reflektiert sie einen Teil der solaren
Strahlung
– sie reduziert also die Strahlungsleistung, die den Erdboden erreicht
•
Andererseits verhindert sie, dass Wärmstrahlung ungehindert in
den Weltraum entweichen kann
– sie absorbiert (teilweise) die vom Erdboden ausgehende Wärmestrahlung
– sie emittiert selbst Wärmestrahlung in Richtung Erdboden
•
Wie funktioniert das?
Kapitel 5: Strahlung
Folie 12
solare
Strahlung
??
terrestrische
Strahlung
??
Die Atmosphäre wirkt wie ein Treibhaus!
Kapitel 5: Strahlung
Folie 13
Treibhausgase: Molekülstrukturen
Wasser-Molekül
Wasserstoff(H-)Atom
Sauerstoff(O-)Atom
Kohlendioxid-Molekül
Wasserstoff(H-)Atom
Molekül weist verschiedene
Rotations- und Schwingungszustände auf.
Kapitel 5: Strahlung
Sauerstoff(O-)Atom
Kohlenstoff(C-)Atom
Sauerstoff(O-)Atom
Molekül weist verschiedene Rotationsund Schwingungszustände auf.
Folie 14
Treibhausgase, Forts.:
Ungeradzahlige Moleküle haben unterschiedliche Rotations- und Schwingungszustände. Der Wechsel des Schwingungs- und/oder Rotationszustandes ist bei
jedem Molekül mit Absorption bzw. Emission von Strahlungsenergie verbunden.
Kapitel 5: Strahlung
Folie 15
Für die Änderung des Schwingungs- und/oder Rotationszustandes eines Moleküls ist eine
ganz bestimmte Energiemenge nötig, d.h. sie kann nur dann erfolgen, wenn Strahlung in
ganz bestimmten Frequenz- bzw. Wellenlängenbereichen des Spektrums zur Verfügung
Eλ = h·ν ~ 1 / λ
steht:
ν
λ
h
solar
Frequenz der Strahlung
Wellenlänge der Strahlung
Planck‘sches Wirkungsquantum
terrestrisch
Absorptionsvermögen
der Atmosphäre in %
sichtbar
Rotation - Schwingung
Rotation
Wellenlänge µm
aus: Peixoto and Oort: Physics of Climate, Figure 6.2
Kapitel 5: Strahlung
Folie 16
Bilanz und Haushalt:
z
nach unten gerichtete
Flussdichte (<0)
nach oben gerichtete
Flussdichte (>0)
Bilanz = 0
nach unten gerichtete
Flussdichte (<0)
nach oben gerichtete
Flussdichte (>0)
Bilanz >0
Strahlungsbilanz: Summe der nach unten und nach oben gerichteten Strahlungsflussdichten an einer Bezugsfläche bzw. Referenzniveau.
Energiehaushalt: Der in einem Volumen gespeicherte Energieinhalt. Dieser ändert
sich, wenn die Strahlungsbilanzen an den Grenzflächen des Volumens verschieden
sind; dann fließt in das Volumen an einer Grenzfläche z.B. mehr Energie hinein als an
der anderen Grenzfläche herausfließt.
Eine räumliche Änderung der Strahlungsbilanz führt also immer zu einer zeitlichen
Änderung des Energiehaushaltes.
Kapitel 5: Strahlung
Folie 17
Strahlungsflüsse je Quadratmeter Erdoberfläche
Fs,
Ausgeglichene Strahlungsbilanzen
(im langzeitigen Mittel)
αs Fs,
(1-ε) σTB4
ε σTA4
4
4
I (1 − α S ) FS ⇓ − (1 − ε ) σ TB − ε σ TA = 0
Absorption
Atmosphäre
Fs,
Emissionsvermögen ε = 0,78
αs Fs,
Boden αs =0,3
σTB4
Emissionsvermögen ε = 1
Temperatur TA
ε σTA4
W
; α S = 0,3 ;
m2
(1 − α S ) FS ⇓ − σ TB4 + ε σ TA4 = 0
I+II
2 ⋅ (1 − α S ) FS ⇓ + (ε − 2)σ TB4 = 0
Temperatur TB
Absorption solarer Strahlung in
Atmosphäre wird vernachlässigt
FS ⇓ = I k 4 = 320
II
ε = 0,78 ; σ = 5,67 ⋅ 10−8

W
m2 K 4
2 ⋅ (1 − α S ) FS ⇓
T =
( 2 − ε )σ
4
B
⇒ TB ≈ 284 K = +11 OC
⇒ TA ≈ 239 K = −34 OC
Kapitel 5: Strahlung
Folie 18
Übung:
z
T = 11 oC = 284.15 K, α = 0.70
T = 10 oC = 283.15 K, ε = 1.00
Erdoberfläche
In dieser Nacht hat die Erdoberfläche eine Temperatur von 10 oC und ein Emissionsvermögen von 100 %. Die Atmosphärenschicht direkt über der Oberfläche hat eine
Temperatur von 11 oC, aber ein Emissionsvermögen von nur 70 %.
A. Berechnen Sie die nach oben gerichtete Strahlungsflussdichte am oberen Rand
dieser Atmosphärenschicht.
B. Berechnen Sie die nach unten gerichtete Strahlungsflussdichte an der Erdoberfläche , wenn in die Atmosphärenschicht am Oberrand eine Strahlungsflussdichte
von 320 W/m2 eingestrahlt wird.
C. Berechnen Sie die Strahlungsbilanzen an der Erdoberfläche und am Oberrand der
Atmosphärenschicht.
D. Ändert sich der Energiehaushalt und damit die Temperatur in der bodennächsten
Atmosphäre mit der Zeit? Falls ja, steigt oder fällt die Temperatur?
E. Ändert sich die Temperatur des Erdbodens mit der Zeit? Falls ja, steigt oder fällt
die Temperatur des Erdbodens?
Kapitel 5: Strahlung
Folie 19
Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre
(global und über einen längeren Zeitraum (wenigstens ein Jahr) gemittelt)
aus: IPCC (2001), 3. Sachstandsbericht
Kapitel 5: Strahlung
Folie 20
Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre
(global und über einen längeren Zeitraum (wenigstens ein Jahr) gemittelt)
aus: IPCC (2001), 3. Sachstandsbericht
Kapitel 5: Strahlung
Folie 21
Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre
(global und über einen längeren Zeitraum (wenigstens ein Jahr) gemittelt)
aus: IPCC (2001), 3. Sachstandsbericht
Atmosphäre gewinnt: solar +67 thermisch +350
Kapitel 5: Strahlung
Atmosphäre verliert: thermisch -195 -324
Nettoverlust Atmosphäre:+67 +350 -195 -324 = -102 W/m2
Folie 22
Zusammenfassung Strahlungshaushalt
•
Atmosphäre
–
–
–
–
•
67 W/m2
350 W/m2
-519 W/m2
-102 W/m2
Boden
–
–
–
–
•
Gewinn durch solarer Strahlung:
Gewinn durch thermischer Strahlung:
Verlust durch thermische Strahlung:
Nettohaushalt:
Gewinn durch solare Strahlung:
Gewinn durch thermische Strahlung:
Verlust durch thermische Strahlung:
Nettohaushalt:
168 W/m2
324 W/m2
-390 W/m2
102 W/m2
Die Konsequenz wäre:
– Atmosphäre verliert ständig Energie  kühlt sich permanent ab
– Boden gewinnt ständig Energie  heizt sich permanent auf
•
Was gleicht dieses Ungleichgewicht aus ?
Kapitel 5: Strahlung
Folie 23
Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre
(global und über einen längeren Zeitraum (wenigstens ein Jahr) gemittelt)
aus: IPCC (2001), 3. Sachstandsbericht
Der thermische Wärmetransport: 24 W/m2
Kapitel 5: Strahlung
und der latente Wärmetransport: 78 W/m2
Folie 24
Übung:
Wir benutzen die Abbildung auf der vorherigen Seite, die den global und über eine
längere Zeit gemittelten Strahlungshaushalt der Atmosphäre zeigt.
A. Bestimmen Sie die solare Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre sowie an
der Erdoberfläche.
B. Bestimmen Sie die terrestrische Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre
sowie an der Erdoberfläche.
C. Bestimmen Sie die gesamte Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre sowie
an der Erdoberfläche.
D. Berechnen Sie die Erwärmungsrate (zeitliche Änderung der Temperatur) als Folge
der Absorption solarer Strahlung in der Atmosphäre.
E. Berechnen Sie die Abkühlungs-/Erwärmungsrate (zeitliche Änderung der
Temperatur) als Folge der Absorption und Emission terrestrischer Strahlung in
der Atmosphäre.
F. Berechnen Sie den Netto-Effekt aus D. und E., d.h. die Temperaturänderung durch
Strahlungsprozesse. Vergleichen Sie diesen Wert mit den tatsächlich
beobachteten Temperaturänderungen in der Atmosphäre.
Kapitel 5: Strahlung
Folie 25
Zusammenfassung:
Das Erdsystem empfängt ständig Strahlungsenergie von der Sonne, d.h. es
stellt ein offenes physikalisches System dar. Andererseits emittiert und
absorbiert es ständig Wärmestrahlung. Die ungeradzahligen Moleküle der
Luft wechselwirken durch Änderung ihrer Rotations- und Schwingungszustände mit der Strahlung. Sie absorbieren von unten kommende
Wärmestrahlung und re-emittieren sie teilweise zurück zum Boden. Dies ist
die wesentliche Ursache für den Treibhauseffekt der Atmosphäre, durch
den die Mitteltemperatur des Erdsystems um ca. 33 K erhöht wird.
Die Atmosphäre befindet sich im Strahlungsgleichgewicht mit dem Weltraum, d.h. die Strahlungsbilanz (solar UND terrestrisch) am Oberrand der
Atmosphäre ist in guter Näherung gleich Null. Betrachtet man lediglich
Strahlungsprozesse, so würde sich die Atmosphäre kontinuierlich abkühlen,
die Erdoberfläche sich jedoch ständig erwärmen.
Stichworte zu Kapitel 5:
Treibhauseffekt, solare Strahlung, terrestrische Strahlung, Strahldichte,
Planck'sches Strahlungsgesetz, Strahlungsflussdichte, Stefan-Boltzmann
Gesetz, Absorptionsvermögen, Emissionsvermögen, Kirchhoff'sches
Gesetz, Bilanz und Haushalt, Strahlungsbilanz
Kapitel 5: Strahlung
Folie 26
Kapitel 6: Anthropogene Klimaänderung
Beeinflussung des Treibhauseffekts durch den Menschen
CO2 Konzentration und Temperaturanomalie
(aus Messungen in Eisbohrkernen, Dome C in Antarktis, bis ca. 156.000 Jahre BP)
Altersangaben
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 28
CO2 Konzentration und Temperaturanomalie
(aus Messungen in Eisbohrkernen, Dome C in Antarktis, bis ca. 156.000 Jahre BP)
today
Attraktor
„Klimaoptimum“
pre-industrial
Attraktor
„Eiszeit“
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 29
Anthropogene globale CO2-Emissionen:
Wieviel CO2 befindet sich in der Atmosphäre?
Masse der Erdatmosphäre:
pS = 1000 hPa
mittlerer Luftdruck an der Erdoberfläche
RG = 6370 km
Erdradius
Erdoberfläche
 AG = 4 π (RG)2 = 5,1 · 1014 m2
Gesamtgewicht der Atmosphäre: Kraft/Fläche * Gesamtfläche
 PS · AG
Gesamtgewicht = Gesamtmasse * Erdbeschleunigung
 mE · g
g = 9.806 m/s2
Kapitel 6: Klimaänderung
Erdbeschleunigung
 mE = pS AG / g = 5,2 · 1018 kg
Folie 30
Anthropogene globale CO2-Emissionen, Forts.:
Kohlendioxidanteil:
VCO2
= 400 ppm(v)
(für 2015)
= 400 Volumenanteile CO2 auf 1 Millionen Volumenanteile Luft
= 0,4 Promille (bezogen auf das Volumen)
Massenanteil (siehe Übungsaufgabe Folie 41)
Massenanteil = Volumenanteil * MCO2/MLuft
(M=Molmasse)
Massenanteil = 400 *44/29 ppm(m) = 0.607 Promille (bez. auf Masse)
 CO2 Masse = 0.607 Promille von 5,2 · 1018 kg Luft
 mCO2 = 3.156 · 1015 kg CO2
 mc = mCO2 * MC/MCO2 = mCO2 *12/44
 mc = 8.607 · 1014 kg = 860.7 Gt (Milliarden Tonnen) C
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 31
Anthropogene globale CO2-Emissionen, Forts.:
Kohlendioxid-Masse in der Erdatmosphäre:
mC = 8,607 * 1014 kg C
Anthropogene globale CO2-Emissionen aus Verbrauch fossiler
Brennstoffe, 2013:
γCO2 = 36,1 ± 1,8 Gt CO2 / a = 36,1·1012 kg CO2 /a (Gt: Milliarden Tonnen)
entspricht γC = 9,85 ± 0,5 Gt C / a
Daraus lässt sich eine Wachstumsrate ableiten von:
γC / mC = 0,01144 a-1 = 1,14 % pro Jahr
D.h. aktuell werden der Atmosphäre pro Jahr über 1 % Prozent ihrer
Kohlenstoffmasse durch Nutzung fossiler Brennstoffe hinzugefügt.
Hinzu kommen noch geschätzte 3 Gt CO2/a durch die Abholzung und
Verrottung bzw. Verbrennung von Wäldern
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 32
Globale CO2 Emissionen
•
Ranking der weltweit größten CO2-Emittenten aus Verbrennung
fossiler Brennstoffen + Zement Produktion + Abfackelung von Erdgas
für das Jahr 2014 in Mt CO2/Jahr
(Quelle: GLOBAL Carbon Project, a scientific project supported by Fondation BNP
Paribas http://www.globalcarbonatlas.org)
RANG
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
NATION
China
USA
Indien
Russische Föderation
Japan
Deutschland
Indonesien
Iran
Saudi Arabien
Südkorea
Kanada
Brasilien
Südafrika
Mexiko
Großbritannien
Kapitel 6: Klimaänderung
CO2_TOT
9.680
5.561
2.597
1.595
1.232
789
641
616
602
599
558
507
476
457
428
Folie 33
Historische CO2 Emissionen
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 34
Entwicklung der globalen CO2 Konzentration
aus Messungen am Mauna Loa Observatorium
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 35
Zukünftige CO2 Emissionen
•
•
Sind nicht bekannt und nicht vorhersagbar !
Daher werden verschiedene Szenarien über mögliche Verläufe
der zukünftigen Emissionsentwicklung erstellt (z.B. bis 2100)
– IS92-Szenarien: IPCC Sznearien von 1992
– SRES-Szenarien: Special Report on Emissions Scenrios (IPCC, 2000)
• B1, B2, A1B, A1, A2
– RCP-Szenarien: Representative Concentration Pathways (IPCC, 2011)
• RCP2.6, RCP4.5, RCP6, RCP8.5
•
•
•
Aus Emissionsprognosen lässt sich die weitere Entwicklung der
atmosphärischen CO2 Konzentration berechnen
Mit verschiedenen globalen Klimamodellen werden dann die
Klimaänderungen entsprechend dem Verlauf der CO2
Konzentration (und anderer Treibhausgase) berechnet.
Die globale Politik und Gesellschaft muss dann entscheiden,
welcher der möglichen Pfade sie weiter folgen will
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 36
CO2 Szenarien
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 37
Entwicklung der CO2 Konzentration
•
SRES Szenarien: Prognose ab Jahr 2000
– Inzwischen erreicht 400 ppm (in 2015)
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 38
Entwicklung der CO2 Konzentration
•
RCP Szenarien: Prognose ab Jahr 2005
– Für 2014 prognostiziert 399 ppm
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 39
Auswirkungen auf den Treibhauseffekt
 'direkter Effekt': Absorption terrestrischer Strahlung nimmt zu
rotational - vibrational
rotational
from: Peixoto and Oort: Physics of Climate, Figure 6.2
 Konsequenzen aus der Anwendung des Kirchhoff`schen Gesetzes und des
Stefan-Boltzmann Gesetzes?
Antwort: Verstärkung des Treibhauseffekts
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 40
'indirekte Effekte': Der direkte Treibhauseffekt wird modifiziert wegen ...
Eis-Albedo-Rückkopplung
Temperatur steigt
Eis-Akkumulation-Rückkopplung
Temperatur steigt

Wasserdampfgehalt steigt


Schnee- und Eisbedeckung an
Polen und Gletschern nimmt ab
und Meeresspiegel steigt

globale Albedo nimmt ab

erhöhte Strahlungsabsorption

Temperatur steigt weiter
Kapitel 6: Klimaänderung
Niederschlag nimmt zu

Schnee- und Eisbedeckung an
Polen und Gletschern wächst

globale Albedo nimmt zu

geringere Strahlungsabsorption

Temperatur nimmt ab
Folie 41
'indirekte Effekte': Der direkte Treibhauseffekt wird modifiziert wegen ...
Wasserdampf-Rückkopplung
Temperatur steigt
Strahlung-Wolken-Rückkopplung
Temperatur steigt

Verdunstung nimmt zu

Wasserdampfgehalt in der
Atmosphäre steigt

Wasserdampfgehalt in der
Atmosphäre steigt

Wolkenbedeckung nimmt zu

globale Albedo nimmt zu

Treibhauseffekt verstärkt sich

Temperatur steigt weiter
Kapitel 6: Klimaänderung

geringere Absorption solarer
Strahlung

Temperatur nimmt ab
Folie 42
Alle diese (und viele weitere) Rückkopplungsmechanismen laufen gleichzeitig in der
Atmosphäre ab. Was ist der Nettoeffekt bezüglich Temperatur und Niederschlag?
Zur Beantwortung dieser Frage im Hinblick auf Vergangenheit und Gegenwart kann
man Beobachtungsreihen heranziehen.
Cottbus
B = 0.21 K/Dekade
R2 = 0.144
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 43
Temperaturänderungen in Brandenburg
Potsdam
B = 0.19 K/Dekade
R2 = 0.121
Jahresmittel
linearer Trend
Lindenberg
B = 0.20 K/Dekade
R2 = 0.125
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 44
Temperaturtrends in Brandenburg
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 45
Annual mean temperature
oC
11
Potsdam
10
9
8
7
trend 1876-2005: 0.06 K/decade
6
1875 1885 1895 1905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015 2025 2035 2045
Year
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 46
Annual mean temperature
oC
11
Potsdam
10
9
8
7
trend 1951-2005: 0.25 K/decade
6
1875 1885 1895 1905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015 2025 2035 2045
Year
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 47
Annual mean temperature
oC
11
Potsdam
10
9
8
7
trend 1976-2000: 0.50 K/decade
6
1875 1885 1895 1905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015 2025 2035 2045
Year
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 48
Globale Temperaturänderungen
der vergangenen 160 Jahre
•
Abweichung der jährlichen globalen Mitteltemperatur vom Klimamittel
1961-1990
– Vergleich von 3 kombinierten Datensätzen aus Messungen der Lufttemperatur
über Landoberflächen und der Meeresoberflächen-temperatur (HadCRUT4,
GISS, NCDC MLOST). Quelle: „Climate Change 2013. The Physical Science
Basis“, IPCC 5th Assessment Report, WG I
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 49
Globale Temperaturänderungen
der vergangenen 1000 Jahre
Quelle: IPCC, 2001
•
•
Eine statistische Extrapolation der Gegenwart ist allenfalls näherungsweise für wenige Jahre möglich
Zur Vorhersage der zukünftigen Entwicklung der Erdatmosphäre
benötigt man zwingend eine Suite von Simulationsmodellen
(Kohlenstoffkreislaufmodell, Klimamodell)
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 50
CO2 Szenarien und globale Erwärmung
Hier liegt das derzeit
diskutierte 2 Grad Ziel
+9 oC seit 1850 also
noch 1,1 oC „Reserve“
Emissionen müssten
bis 2050 um mehr als
die Hälfte reduziert
werden
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 51
CO2 Szenarien und regionale Erwärmung
Konsequenzen für
Brandenburg
(Jahresmitteltemperatur,
rel. zum Mittel 1961-90)
2K
3K
2041-2070
2071-2100
1,4 K 2041-2070
2,2 K 2071-2100
Unsicherheit:
ca. 0,6 K
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 52
Kohlenstoffmasse im Erdsystem (Kohlenstoffkreislauf):
Atmosphäre:
ca. 860 Gt C
?
Photosynthese
?
CO2 ist
wasserlöslich
Biosphäre
Pedosphäre
Hydrosphäre
(Ozeane, Binnengewässer)
?
Kryosphäre
… Gt C / a
Lithosphäre
Zur Bestimmung des CO2-Gehalts der Atmosphäre ist die Wechselwirkung der
Atmosphäre mit der Hydrosphäre und der Biosphäre zu berücksichtigen.
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 53
Zusammenfassung:
Durch menschliche Aktivitäten (Energieerzeugung, Industrie, Verkehr, private
Aktivitäten) wird der Atmosphäre gegenwärtig pro Jahr rund 1% der vorhandenen Kohlenstoffmasse zusätzlich hinzugefügt. Dies führt zu einer verstärkten Absorption terrestrischer Strahlung ('direkter Effekt'), was im Erdsystem über Rückkopplungsmechanismen (sog. 'indirekte Effekte' ) eine Reihe
von Konsequenzen hat. Einige 'indirekte Effekte' sind qualitativ besprochen
worden: Eis-Albedo-Rückkopplung, Eis-Akkumulation-Rückkopplung, Wasserdampf-Rückkopplung, Strahlung-Wolken-Rückkopplung. Aus direktem und
indirekten Effekten resultiert eine Temperaturerhöhung in der Atmosphäre
(Beispiel: Zeitreihe der Temperatur an der DWD-Station Cottbus 1951-2001).
Mögliche Entwicklungen der Treibhausgas-Konzentrationen werden über
verschiedene Emissionsszenarien vorgegeben. Ihre Auswirkung auf die globale
und regionale Klimaentwicklung wird mit Klimamodellen berechnet.
Stichworte zu Kapitel 5:
Klimabegriff, anthropogene Modifikation des Treibhauseffekts, 'direkter'
Effekt, 'indirekte' Effekte, z.B. Eis-Albedo-Rückkopplung, Eis-AkkumulationRückkopplung, Wasserdampf-Rückkopplung, Strahlung-Wolken-Rückkopplung,
Analyse von Zeitreihen atmosphärischer Parameter, Treibhausgasszenarien
Klimaprojektionen, Kohlenstoffkreislauf
Kapitel 6: Klimaänderung
Folie 54