Radiation and Climate Change

IAC ETHZ
Radiation and Climate Change
Zusammenfassung
Alexander Umbricht
3. Juni 2010
Erlinsbacherstrasse 62
5000 Aarau
Switzerland
Tel: +4162 823 61 66
[email protected]
http://alexander.umbricht.li/
Inhaltsverzeichnis
1 Eiszeiten
1.1
1
Milanković-Zyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1.1
Präzession . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1.2
Exzentrizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1.3
Obliquity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Eisfördernde Umstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.3
Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.4
Beginn der letzten Eiszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 Momentaner Zustand der irdischen Strahlungsbilanz
2
2.1
Top of Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.2
Strahlungsbilanz an der Erdoberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3 Modellierung der irdischen Strahlungsbilanz
3
3.1
Verschiedene Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3.2
0-D EBM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3.3
Zonal Energy Balance Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3.4
Radiative-Convective Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3.5
GCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4 Variationen der irdischen Strahlungsbilanz
5
4.1
Modellberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
4.2
Klimasensitivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
4.3
Beobachtete Veränderung im Strahlungsfluss at TOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
4.4
Veränderung der LW↓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
4.5
Veränderung der SW↓ an der Erdoberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
I
1 Eiszeiten
Beweise
• Landschaftsformen
• Terassentäler
• Erratische Steine
Zeitskalen
• Holozän: die letzen 12 000 Jahre
• Eiszeit-Zyklen: 106 Jahre
• Eiszeitära: 5 · 106 Jahre
• Snowball Earth1 : 7 · 108 Jahre
1.1 Milanković-Zyklen
• langperiodische Variationen der sogenannten Solarkonstante.
• Erde: Abweichungen der Solarkonstante in der Grössenordnung von ca. 5 bis 10 %
• 3 verschiedene Effekte
Äquatorwulst des rotierenden Erdellipsoids. Das führt
dazu, dass die Jahreszeiten nicht immer im gleichen
Bahnpunkt der Erdbahnellipse auftreten. Zurzeit durchläuft die Erde ihren sonnennächsten Punkt, das Perihel,
am 9. Januar, also mitten im Nordwinter, das Aphel am
9. Juli. In 11 000 Jahren wird das Perihel im Nordsommer
durchlaufen, so dass die Jahreszeiten auf der Nordhalbkugel dann strenger ausfallen und die Nordwinter länger
dauern werden.
1.1.2 Exzentrizität
Die Präzession der Erdrotationsachse («trudelnder Kreisel») mit Zyklen von ca. 20 000 Jahren.
Die Form der Umlaufbahn der Erde variiert von nahezu
kreisförmig (geringe Exzentrizität von 0.005) bis leicht elliptisch (hohe Exzentrizität von 0.058). Im Mittel beträgt
die Exzentrizität 0,028. Die Hauptkomponente dieser
Abweichung tritt in einer Periode von 413 000 Jahren
(Variation der Exzentrizität um ± 0.012) auf. Zurzeit
variiert die Sonnenentfernung im Jahresverlauf um 3.4 %,
dies entspricht einer Variation der Einstrahlung um 6.9 %.
Bei minimal exzentrischer Erdbahn beträgt die Strahlungsänderung nur etwa 2 %, im Maximum dagegen
über 23 %. Die gegenwärtige Exzentrizität beträgt 0.017.
Ursache dieser Variationen sind Störungen der Erdbahn
durch die anderen Planeten des Sonnensystems, in erster
Linie jedoch durch Jupiter und Saturn.
Hinzu kommt, dass ein Umlauf durch die «entferntere»
Hälfte der Erdbahn um die Sonne länger dauert als durch
den näher gelegenen Teil. Dieser Unterschied ist umso
größer, je ausgeprägter die Exzentrizität der Erdbahn
ist. Zurzeit ist deshalb das Herbst-Winter-Halbjahr et-
Abb. 1.1: Diagramm der Milanković-Zyklen mit Übersicht
der Schwankungen der Solareinstrahlung auf die
Erde sowie den Eis- und Warmzeiten.
(Nordhalbkugel).
1.1.1 Präzession
1.1.3 Obliquity
Variation des Radius der Erdumlaufbahn um die Sonne
Veränderung des Neigungswinkels der Erdachse mit
mit einem Zyklus von 100 000 Jahren.
einem Zyklus von 41 000 Jahren
Die Erdachse kreist ähnlich der taumelnden Achse eines
Die Schiefe der Erdachse gegen die Senkrechtrichtung
Kinderkreisels (Präzession) um die Senkrechtstellung.
der Erdbahn ändert sich periodisch zwischen 22.1 ° und
Ursache sind die Kräfte von Sonne und Mond auf den
24.5 °, mit einer Periode von ca. 41 000 Jahren. Die-
wa 7 Tage kürzer als das Frühlings-Sommer-Halbjahr
1 Runaway
Kühlhauseffekt aufgrund des Albedo-Feedbacks. Da alles mit Eisüberzogen oder Sandwüste, konnte das sich durch Vulkanausbrüche
akkumulierende CO2 nicht abgebaut werden → langsame Erwärmung
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Eisfördernde Umstände
ser Effekt führt zu einer Zunahme der jahreszeitlichen
Unterschiede, sodass bei grösserer Neigung die Winter
kälter und die Sommer wärmer sind als bei geringerer
Achsneigung. Zurzeit beträgt die Achsneigung 23.44 °
und liegt etwa im Mittel zwischen den Extremwerten,
das Minimum wird in etwa 8 000 Jahren erwartet.
1.2 Eisfördernde Umstände
• Viel Schnee im Winter (z. B. kleine Obliquity)
• Geringe Schmelze im Sommer
– kleine Obliquity
– Passage des Perihelion im nördlichen Winter
– Grosse Exzentrizität
Abb. 2.1: Komponenten des Strahlungsantriebs der globalen
Erwärmung seit 1750 und ihr Nettoeffekt auf den
Wärmehaushalt der Erde.
1.3 Probleme
• Grosse Eisschilde brauchen mehrere 105 Jahre, um zu
wachsen
• Zerfall kann viel schneller gehen
• Bevorzugte Umstände sind kürzer als 105 Jahre (Präzession) → Wachstum eines Eisschildes benötigt mehrere Präzessions-Zyklen
1.4 Beginn der letzten Eiszeit
• CO2 -Konzentration rückläufig
• Antarktis kam in ihre polare Position (Drake-Passage)
• Kontinuierliche Abkühlung
2 Momentaner Zustand der
irdischen Strahlungsbilanz
• Strahlungsbilanz definiert die für Klima- bzw. Wetterprozesse zur Verfügung stehende Energie
• Zeitliche und räumliche Variationen der Strahlungsbilanz sind die treibenden Faktoren der atmosphärischen
und der ozeanischen Zirkulation
• Menschliche Klimaveränderung geschieht in erster Linie durch Störung der «natürlichen» Strahlungsbilanz
2
• Ein «radiative forcing» enstpricht der Differenz zwischen dem gestörten und dem natürlichen Zustand.
Abb. 2.2: Zonaler
Durchschnitt
Strahlungsantriebes
des
TOA-
Die zur Erde kommende Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden (hier besonders von Schnee) zu 30 %
wieder in den Weltraum reflektiert (Albedo3 der gesamten Erde: 0.30 (0.16 6 α 6 0.68)). Die restlichen 70 %
werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre, 50 %
vom Erdboden. Letztere werden durch Wärmestrahlung
und Konvektion wieder an die Lufthülle abgegeben. Würde nur diese Energie wieder vollständig in den Weltraum
2 In
schönem guten Deutsch: Strahlungsantrieb (evtl. Erfunden von Daniel Düsentrieb)
3 Zu Ehren von Albus Dumbeldore: ein Mass für das Rückstrahlvermögen von diffus reflektierenden, also nicht selbst leuchtenden Oberflächen.
Sie wird bestimmt durch den Quotienten aus reflektierter zu einfallender Lichtmenge und liegt zwischen 0 und 1.
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Top of Atmosphere
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abgestrahlt werden, läge die mittlere Lufttemperatur bei
-18 °C, während sie tatsächlich +15 °C beträgt.
2.1 Top of Atmosphere
• Einstrahlung: 342 mW2
• Refkeltion: 102 mW2
• Absorption (SW): 240 mW2
• Abstrahlung (LW): 240 mW2
• Durchschnittliche Absorption:
1
4
·S0 (1−α) ≈ 240 mW2 4
• Bewölkung varriert von Region zu Region zwischen
19 % und 68 %; der Durchschnitt liebt bei etwa zwei
Dritteln.
Abb. 2.3: Atmosphärisches Strahlungsbudget = TOA - Erdoberfläche
Energiedeffizit der Atmosphäre: 113 mW2
Energieüberschuss der Erdoberfläche: 113 mW2
Quellen der gegen den Boden gerichteten LW-Strahlung
bzw. der beigesteuerte Anteil diverser atmosphärischer
• Die Wolkenalbedo varriert abhängig von
Schichten:
– Tröpfchengrösse
– Wasser bzw. Eisgehalt
Schicht
– Mächtigkeit der Wolke
– Zenithwinkel der Sonne
2.2 Strahlungsbilanz an der Erdoberfläche
• Rnet = SW ↓ (1 − α) + LW ↓ −LW ↑
Anteil
Erdoberfläche - 10 m Höhe
38 %
Erdoberfläche - 30 m Höhe
50 %
Erdoberfläche - 100 m Höhe
62 %
Erdoberfläche - 300 m Höhe
80 %
Erdoberfläche - 1000 m Höhe
90 %
• Global gehen rund 80 % von Rnet in den turbulenten latenten Wärmefluss(!)5 und nur 20 % in den spürbaren
Wärmefluss
Strahlungsbilanz
• Messung
– Boden: Nur lokal, dafür lange Serien und sehr
präzise, global sehr unterschiedlich verteilt.
– All: Globale Abdeckung, Satellitenkallibrationsproblmeme, kurze und teilweise lückenhafte
Zeitserien.
– Optische Tiefe: τ =
tinction coefficient».
3 Modellierung der irdischen
3.1 Verschiedene Modelle
• 0-D Energieballanz Model (EBM)
• 1-D EBM, zonal
• 1-D EBM, vertikal
• 2-D Radiative-Convective Model, zonal und meridional
z=z
R
ρ · k dz mit k 6 als «ex-
z=0
• 2-D Statistical Dynamical Model, zonal und vertikal
• 3-D General Circulation Model (GCM)
– LW ↑= εσT 4
Die benötigte CPU-Zeit für komplexe Modelle ist imens,
– GCMs sind schlecht beid er Simulation des TOA-
(z. B. die ganze Eiszeit) einfache Modelle zu nehmen.
Energiebudgets und besonders schlecht, wenn es
um die Erdoberfläche geht (Range 24 mW2 , Standardabweichung 5.5 mW2 ).
4 Eine
deshalb lohnt es sich speziell für lange integrationen
Auch in einem einfachen Modell kann ein Spezialbereich
z. B. mit einem chemischen Modell ergänzt und genauer
betrachtet werden.
W
,
m2
Veränderung von α um 0.01 ändert den Wert um 3.4
während der gesamte Effekt der Treibhausgase der letzen 150 Jahre 2.4
ist. Eine Veränderung von α um 0.02 könnte bereits zu einer neuen Eiszeit führen.
5 und somit wichtigster Faktor für den globalen Wasserkreislauf
6k = k
Gas absorption + kmolecular scattering + kscattering from aerosols
A. Umbricht
W
m2
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0-D EBM
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3.2 0-D EBM
3.3 Zonal Energy Balance Model
Das ist das einfachst mögliche Modell. Folgend ist cm die
Diese brauchen häufig zusätzlich einen meridionalen Ener-
Wärmekapazität des Klimasystems und Teff die effektive
gietransport.
Strahlungstemperatur
Abb. 3.1: Global gemittelt
∂Teff
= SW ↓ −LW ↑
∂t
SW ↓ = S0 · r2 π · (1 − α)
cm
4
LW ↑ = 4πr2 · εσTeff
!
eff
Im Gleichgewicht gilt cm ∂T
∂t = 0
⇒ Teff = -18 °C
Man kann nun z. B. die Albedo in Abhängigkeit von der
Oberflächentemperatur Ts parametrisieren:



0.3
Ts > 270 K


α = 0.7
Ts < 230 K



0.3 + 0.01(270 − T ) sonst
s
Abb. 3.3: Effekt einer sich ändernden Solarkonstante
3.4 Radiative-Convective Model
• Strahlungserwärmung führt zu einem unstabilen troposphärischen Temperaturprofil ⇒ Augleich durch
Konvektion
• Parameterisierung in den Modellen durch das vorschreiben einer des Temperaturgradienten mit der
Höhe
• Konvektive Modelle führen zu weniger steilen (realistischeren) Lapsrates gegenüber reinen Strahlungsmodellen.
• Fügt man Feuchtigkeit hinzu:
– alte Modelle: fixes Profil absoluter Feuchtigkeit
→ dT2x CO2 = 1.75 K
– neue Modelle: fixes Profil relativer Feuchtigkeit
→
dT2x CO2 = 2.78 K
3.5 GCM
• Volle 3D-Auflösung
• Die Berechnung der Strahlungsbilanz ist extrem Rechenintensiv (braucht alleine über einem Drittel der
Abb. 3.2: 3 Lösungen!
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CPU-Zeit)
Radiation and Climate Change: Zusammenfassung
Va r i at i o n e n d e r i r d i s c h e n S t r a h l u n g s b i l a n z
4 Variationen der irdischen
Strahlungsbilanz
∆Rnet = ∆RSW, absorbed − ∆RLW↑
Hier ist ∆Rnet der Strahlungsantrieb
4.1 Modellberechnungen
• Ein Ungleichgewicht von bloss 1 mW2 über die letzten
10 000 Jahre würde genügen um einen Eiskörper zu
schmelzen der 1 km Meerestiefe entspricht.
• Das selbe Ungleichgewicht reicht auch um die obere
Schicht der Ozeane um mehr als 100 °C zu erhöhen.
→ Das durch die Menschheit verursachte Ungleichgewicht ist gross im erdgeschlichtlichen Vergleich
→ Auf lange Zeitskalen gesehen muss sich die Energiebilanz der Erde in einem Bruchteil von 1 mW2 bewegt
haben.
∆T = λ∆Rnet ,
λ = Klimasensitivität
• Falls kein Feedback vorhanden ist stellt sich das Gleichgewicht wegen dem verstärkten LW-Fluss (Boltzmann)
wieder ein und kompensiert für den Strahlungsantrieb.
• Ohne Feedbacks: Klimasensitivität bei 2xCO2 ist 1.2 K
• In Wahrheit haben wir wohl Feedbacks, welche die
menschlich verursachte Störung mindestens verdoppeln.
4.2 Klimasensitivität
4.3 Beobachtete Veränderung im
Strahlungsfluss at TOA
Die Klimasensitivität ist eine Größe, die die globale
• Vulkanausbrüche führen zu einer Abkühlung (negative
Erwärmung der Erdatmosphäre durch die Wirkung von
LW-Anomalie)
Treibhausgasen ins Verhältnis zu einer Strahlungseinheit
°C
setzt. Oft wird sie in Wm
-2 angegeben.
• La Niña führen zu einer Abkühlung (negative LW-
Geläufiger ist jedoch die Angabe der Klimaerwärmung
• El Niño führt zu einer Erwärmung (positive LW-
bei Verdoppelung der CO2 -Konzentration. Das heisst,
dass die Durchschnittstemperatur der Erde um diesen Betrag ansteigt, wenn sich die CO2 -Konzentration von den
vorindustriellen 280 ppm auf dann 560 ppm erhöht. Die
genaue Kenntnis der Klimasensitivität ist für die künftige
Entwicklung des Klimas von elementarer Bedeutung, da
mit ihrer Hilfe die aus einer bestimmten Treibhausgaskonzentration resultierende Erwärmung errechnet werden
kann.
Anomalie)
Anomalie)
• Satelliten:
– Beobachtete Veränderungen sind klein im Verhältnis zu den Messungsunsicherheiten (≈ 5 mW2 )
der Satelliten
– Keine zusammenhängenden Messserien
– Warungsarbeiten an Instrumenten schwierig, z. B.
ist es schwierig eine Drift festzustellen.
Ein Beispiel – TOA Energiebilanz
• Bodenmessungen:
Rnet = RSW, absorbed − RLW↑
– Keine globale Abdeckung
– Keine zusammenhängenden Messserien
Im Gleichgewicht
4.4 Veränderung der LW↓
!
Rnet = RSW, absorbed − RLW↑ = 0
Bei der Klimaerwärmung wird das System aus dem
Energiebilanz-Gleichgewicht gebracht bei einer Störung
von entweder RSW, absorbed und/oder RLW↑ .
A. Umbricht
• Starke Veränderung erwartet (≈ 30 mW2 ) im 21. Jahrhundert
• Dies deckt sich mit Beobachtungen (≈ 2.4 mW2 ) pro
Dekade.
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Va r i at i o n e n d e r i r d i s c h e n S t r a h l u n g s b i l a n z
Veränderung der SW↓ an der Erdoberfläche
4.5 Veränderung der SW↓ an der
Erdoberfläche
• Global Dimming vs. Global Brightening
• Beobachtet z. B. durch schwächere Verdunstung
• Stichworte: Direkter und indirekter Aerosoleffekt
• Stichworte: Verbrennung fossiler Brennstoffe
Abb. 4.1: Oberflächensonneneinstrahlung in Potsdam
• Stichworte: Schwefelemissionen
• Global Dimming maskierte die Klimaerwärmung bis
ca. 1980
• Dimming und Brightening ist in GCMs schlecht repräsentiert
• Dimming und Brightening ist in GCMs schlecht repräsentiert
• Dimming und Brightening zeigt sich auch klar im
Gletschrrückgang
• Dimming: Photosyntheseaktivität nimmt zu
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Abb. 4.2: Dimming → Dämpfung des Wasserkreislauf
Brightening → Beschleunigung des Wasserkreislauf
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