Wie kontrolliert das atmosphärische Kohlendioxid (CO2) unser Klima?
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Wie kontrolliert das atmosphärische Kohlendioxid (CO2) unser Klima? Martin Heimann Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena, Germany [email protected] 1 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Kohlenstoffkreislauf im globalen Klimasystem Klimasystem Physikalisches Klimasystem Kohlenstoffkreislauf Atmosphärisches Kohlendioxid Anthroposphäre Emissionen aus der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas Änderungen der Landnutzung (u.a. Waldrodungen) Weitere Klimaantriebsfaktoren (z.B. Vulkanismus) Landbiosphäre (Kohlenstoff in Vegetation und Böden) Ozean (gelöster Kohlenstoff im Karbonatsystem, marine Biosphäre) 2 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Physikalisches Klimasystem Inhalt Emissionen aus der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas Atmosphärisches Kohlendioxid Änderungen der Landnutzung (u.a. Waldrodungen) Weitere Klimaantriebsfaktoren (z.B. Vulkanismus) Ozean (gelöster Kohlenstoff im Karbonatsystem, marine Biosphäre) Landbiosphäre (Kohlenstoff in Vegetation und Böden) 1. Die Erde erwärmt sich 2. Massive Zunahme der Konzentration der wichtigsten Treibhausgase 3. Ein wesentlicher Anteil der Erwärmung lässt sich auf anthropogene Faktoren zurückführen 4. Projektionen des zukünftigen Klimawandels 5. Kohlenstoffkreislauf - Prozesse und Unsicherheiten 3 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Fakt 1: Die Erde erwärmt sich seit Beginn der Industrialisierung 4 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Analysen der Aufzeichnungen von Wetterstationen: Lufttemperaturen steigen weltweit United States Russia 10.5 10−year moving average with 95% uncertainty range 12−month moving average −2.5 10−year moving average with 95% uncertainty range 12−month moving average 10 −3 8.5 8 7.5 −4 −4.5 −5 −5.5 −6 Mean Temperature ( °C ) 9 Mean Temperature ( °C ) −3.5 9.5 −6.5 7 −7 Berkeley Earth Surface Temperature Berkeley Earth Surface Temperature 6.5 1800 1850 1900 1950 2000 1750 1800 1850 Germany 7 −7.5 23 22.5 Mean Temperature ( °C ) 8 2000 10−year moving average with 95% uncertainty range 12−month moving average 11 9 1950 Australia 12 10−year moving average with 95% uncertainty range 12−month moving average 10 1900 22 21.5 Mean Temperature ( °C ) 1750 21 6 Berkeley Earth Surface Temperature Berkeley Earth Surface Temperature 5 1750 1800 1850 1900 1950 20.5 2000 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Berkeley Earth Surface Temperature project 5 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Synthese 6 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Klimaänderungen während der letzten 2000 Jahre basierend auf Proxy-Daten Thermometer-Daten Proxy Daten: Baumringe, Varven, IsotopenVerhältnisse, Bohrlochtemperaturen u.a. 7 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Ozeanische “Wetterstationen”: autonome ARGO Bojen 8 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 (a) Der Ozean erwärmt sich: 150 Globale Wärmeanomalie (obere 700m) 50 0 Levitus Ishii Domingues Palmer Smith −50 −100 1950 1960 1970 1960 1970 (b) Deep OHC (ZJ) Zunahme des Wärmeinhaltes 0−700 m OHC (ZJ) 100 1950 50 1980 Time (yr) 1980 1990 2000 2010 1990 2000 2010 Globale ozeanische Wärmeanomalie 0 700−2000 m 2000−6000 m −50 9 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Anstieg des Meeresspiegels: Gezeitenmesser, Satelliten-Altimeter TOPEX Poseidon (NASA) 200 GMSL anomaly (mm) 150 Church & White, 2011 Jevrejeva et al., 2008 Ray & Douglas, 2011 100 50 0 -50 -100 1880 (c) 1900 1920 1940 1960 Year 10 1980 2000 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Rückzug der Gletscher 1858 1975 Zumbühl, GPC, 2008, IPCC, Assessment Report 5, 2013 11 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Fakt II: Seit 1750 nehmen die Konzentrationen wichtiger Treibhausgase zu: Kohlendioxid (CO2): + 40% Methan (CH4): +150% Lachgas (N2O): +20% 12 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Zunahme des CO2 in der Atmosphäre - direkte Messungen 400 @CO2 D HppmL 380 360 Mauna Loa, Hawaii South Pole 340 320 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Keeling et al., 2005, updated 13 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 400 400 380 380 360 360 ppmL CO2 HppmL Konzentration der Treibhausgase während der letzten 2000 Jahre (Messungen an Luftbläschen in Eiskernen aus der Antarktis) 340 320 ÊÊ ÊÊ ÊÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê ÊÊÊÊÊ ÊÊÊÊ ÊÊ Ê ÊÊÊ Ê 280 Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ Ê Ê ÊÊ 500 1000 Ê Ê 1600 CH HppbL 1200 1000 1400 600 3301 ÊÊÊ ÊÊ ÊÊÊ Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊ ÊÊÊ Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊ ÊÊ ÊÊÊ ÊÊÊÊ Ê ÊÊÊÊÊÊ ÊÊÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ 500 1000 1500 Ê Ê 600 1750 ÊÊ ÊÊ ÊÊÊ Ê ÊÊ Ê ÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê Ê ÊÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê ÊÊÊÊÊ Ê ÊÊ ÊÊÊ ÊÊ ÊÊ ÊÊ ÊÊÊ ÊÊÊÊÊ ÊÊÊÊÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê ÊÊ Ê 300 Ê ÊÊ Ê 280 Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê 260 ÊÊ Ê ÊÊ Ê Ê 250 0 Ê ÊÊ ÊÊÊ 500 1000 Year 14 Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊÊÊ ÊÊ Ê Ê ÊÊ Ê 1500 1750 Ê Ê ÊÊÊ Ê Ê 2000 ÊÊ ÊÊ Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ ÊÊÊÊ Ê ÊÊ Ê ÊÊ Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ ÊÊ 290 270 Ê Ê Ê ÊÊ Ê Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê ÊÊÊ Ê 1900 N2O 310 2000 Ê ÊÊ 1800 320 N2 O HppbL 1900 1200 800 ÊÊÊ Ê Ê Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê CH4 1000 800 ca. 1 cm ÊÊÊ Ê Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊÊ Ê ÊÊÊÊ ÊÊÊ Ê ÊÊ ÊÊÊÊ Ê ÊÊÊÊÊÊ Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê ÊÊÊÊ Ê Ê ÊÊÊÊÊÊ Ê ÊÊÊ Ê 1800 1600 1400 ÊÊ Ê 260 1800 1500 ÊÊ Ê Ê Ê 300 Ê ÊÊ ÊÊ Ê Ê ÊÊÊ Ê Ê 260 1800 CH4 HppbL 340 320 300 280 CO2 ÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê Ê 1800 1900 2000 2020 Year IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 CO2 und der Treibhauseffekt Kurzwellige solare Wärmestrahlung Terrestrische Solare Strahlung Strahlung Wärmestrahlung Atmosphäre H2O, CO2, CH4,N2O,... Svante Arrhenius 1859-1927 Erde Vereinfachte Darstellung S. Arrhenius, Phil. Mag. R.S. 5, 41, 237, 1896 Arvid Gustaf Högbom 1857-1940 S. Arrhenius, Lehrbuch der kosmischen Physik. Hirzel, Leipzig. 1903. 15 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 ( ) Änderungen im globalen Strahlungsantrieb: natürliche und anthropogene Beiträge 16 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 300 Globale Energiebilanz 250 200 Upper ocean Deep ocean Ice Land Atmosphere Uncertainty Energy (ZJ) 150 100 50 × 0 −50 −100 1980 17 1990 Year 2000 2010 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Kausaler Zusammenhang zwischen Zunahme der Treibhausgase und globaler Erwärmung IPCC (AR5): It is extremely likely that more than half of the observed increase in global average surface temperature from 1951 to 2010 was caused by the anthropogenic increase in greenhouse gas concentrations and other anthropogenic forcings together. likely”: Wahrscheinlichkeit >95% “extremely 1. Elementare Physik 2. Statistische Analyse 3. Vergleich mit Klimamodell-Simulationen (Fingerabdruck-Methode) 18 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Empirischer Vergleich zwischen Temperaturzunahme und dT C = −λT + ∆F dt 10 9.5 9 8.5 8 Global Land Surface Temperature 10−Year Moving Average ( °C ) Land average temperature, with 95% confidence interval Simple fit based on CO2 concentration and volcanic activity Berkeley Earth Surface Temperature 7.5 1750 1800 1850 1900 1950 2000 Berkeley Earth Surface Temperature project 19 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Die beobachtete Erwärmung kann nur durch die Zunahme der anthropogenen Treibhausgase erklärt werden 20 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Regionale Ergebnisse von Simulationen mit und ohne anthropogenes Forcing Figure SPM.6 [FIGURE SUBJECT TO FINAL COPYEDIT] 21 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Komponenten eines Erdsystemmodells 22 IPCC, Assessment Report 4, 2007 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Beispiel einer Erdsystem-Modellsimulation (Klimamodell ECHAM 5) Max-Planck-Institut für Meteorologie, Deutsches Klimarechenzentrum, Hamburg 23 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Elemente einer Klima-Projektion Keine “Prognosen” sondern “Wenn - dann - Aussagen” International Max Planck Research School for Global Biogeochemical Cycles 24 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 EmissionsSzenarien 25 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Zunehmende Emissionen führen zu einer weiteren Erwärmung. Das exakte Ausmass hängt ab von dem gewählten Szenarium der Emissionen 26 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Berechnete Änderungen der Temperatur und des Niederschlages bis zum Ende dieses Jahrhunderts 27 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Berechnete Änderungen der Bodenfeuchte 2081-2100 relativ zu 1981-2000 28 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Zunahme des Meeresspiegels 29 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Änderungen der Extrema? 30 IPCC, Assessment Report 4, 2007 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Extrema • It is virtually certain that there will be more frequent hot and fewer cold temperature extremes over most land areas on daily and seasonal timescales as global mean temperatures increase. It is very likely that heat waves will occur with a higher frequency and duration. Occasional cold winter extremes will continue to occur. • Extreme precipitation events over most of the mid-latitude land masses and over wet tropical regions will very likely become more intense and more frequent by the end of this century, as global mean surface temperature increases. • It is likely that the global frequency of occurrence of tropical cyclones will either decrease or remain essentially unchanged, concurrent with a likely increase in both global mean tropical cyclone maximum wind speed and precipitation rates. “virtually certain”: Wahrscheinlichkeit >99% “very likely”: Wahrscheinlichkeit >90% “likely”: Wahrscheinlichkeit >66% 31 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Kumulative CO2 Emissionen bestimmen die erwartete globale Erwärmung in diesem Jahrhundert 32 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Warum nehmen die Konzentrationen der Treibhausgase zu? 400 400 380 360 ppmL CO2 HppmL 360 340 320 340 300 280 ÊÊÊ ÊÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê ÊÊÊÊÊ ÊÊÊÊ ÊÊ Ê ÊÊÊ Ê 280 Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê Ê ÊÊ 260 1800 500 1000 ÊÊ Ê 260 1800 1500 1600 1400 1400 CH HppbL 1600 1200 Ê Ê 1000 ÊÊÊ Ê 600 3301 1000 Ê Ê 600 1750 1500 Ê ÊÊ Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊÊ Ê ÊÊÊ ÊÊ ÊÊ ÊÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊÊ ÊÊ ÊÊÊ ÊÊ Ê ÊÊÊÊÊ Ê ÊÊÊÊÊÊÊÊÊ Ê Ê Ê ÊÊ Ê 1800 ÊÊ Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ ÊÊÊ Ê Ê ÊÊÊ Ê 1900 320 2000 N2O 310 N2 O HppbL 2000 1200 ÊÊÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊ ÊÊÊ ÊÊ ÊÊ ÊÊ ÊÊÊ ÊÊÊÊÊÊÊ Ê ÊÊÊÊÊÊ ÊÊÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ 500 1900 CH4 800 ÊÊ Ê Ê Ê Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ ÊÊ Ê ÊÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊÊÊ ÊÊÊ Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊ ÊÊÊÊÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê ÊÊÊÊ Ê Ê ÊÊÊÊÊÊ Ê ÊÊÊ Ê 1800 1000 800 ÊÊ Ê Ê Ê 320 300 CH4 HppbL CO2 380 ÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê Ê ÊÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ ÊÊÊÊ Ê ÊÊ Ê ÊÊ Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊ ÊÊÊ Ê Ê ÊÊ ÊÊÊ ÊÊ 300 290 280 270 Ê Ê Ê Ê ÊÊ Ê 260 250 0 ÊÊ Ê ÊÊ Ê Ê Ê ÊÊ ÊÊÊ 500 1000 Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê Ê ÊÊÊÊ ÊÊ Ê Ê Ê Ê Ê 1500 1750 Year Ê Ê Ê ÊÊ Ê ÊÊÊ Ê Ê ÊÊ ÊÊ ÊÊ Ê Ê 1800 1900 2000 2020 Year 33 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Anthropogene Emissionen des CO2 in 2011: 10.4 PgC a-1 10 Cement and gas flaring PgC a-1 8 6 Gas Oil 4 2 Landuse 0 1850 1900 Coal 1950 2000 10 PgC = 10 x 1015 gC = 37 Mrd Tonnen CO2 34 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 CO2 emissions: Effects of outsourced production of industrial goods Reported emissions issions (PgC y ) for exported emissions CO2 emission Corrected 5 55% 5 5 Annex B 4 Developed Nations 45% 3 Developing Nations 2 Non-Annex B 2000 ! Cold colors ! Net importers ! of embodied carbon 4 3 3 2 2 20102010 1990 ! Developed Nations 25% of growth Developing Nations Non-Annex B 2000 2010 BEET TgC a-1 1990 4 PgC a-1 PgC a-1 Annex B 35 made in China Thailand India... Peters and Hertwich, 2008, GCP, 2009 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Abweichung vom Standard (~21%) Änderungen des CO2 und O2 in Nord- und Südhemisphäre Data: R. Keeling,36SIO, http://scrippsco2.ucsd.edu, http://scrippso2.ucsd.edu Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Globale CO2 Bilanz - 2002-2011 8.3 ± 0.7 PgC yr-1 4.3 ± 0.2 PgC yr-1 47 % 2.5 ± 1.3 PgC yr-1 27 % 0.9 ± 0.8 PgC yr-1 + 2.4 ± 0.7 PgC yr-1 26 % Fehler: 90% Konfidenzschranken 37 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Ozeanaufnahme des anthropogenen CO2 Der Hauptanteil des anthropogenen CO2 befindet sich in den oberen 500m Sabine et al., 2004 38 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Terrestrische Senkenprozesse Heutige Quellen und Senken des CO2 AMB 1400 ALT ZOT 1200 SIS 800 BIK OXK • • • • JFJ 600 CO2 Düngeeffekt 400 Erwärmung ATT gC/m2/yr 1000 200 CVR nachwachsende Wälder 0 −200 ASC Stickstoff-Düngung NAM − 39 Jena CO2 Inversion Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 2 detrended CO (ppm Zunahme des Jahresgangs des atmosphärischen CO2 nördlich von 50N um fast 50% während der letzten 50 Jahre 5 0 −5 −10 55−65°N J A J 65−75°N O J A J 75−90°N O J A J O C 20 18 CO2 amplitude (ppm) Atmen der Landbiosphäre: 10 BRW MLO 700mb 500mb 2009-11 16 14 12 10 8 1958-63 6 4 15 25 40 35 45 55 Latitude (°N) 65 75 85 Graven et al., 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Wie lange verbleibt das emittierte CO2 in der Atmosphäre? Ocean invasion Land uptake Ocean invasion Reaction with CaCO3 5000 4000 Ocean (PgC) Land 3000 2000 Reactions with igneous rocks Atmosphere 1000 0 0 50 100 150 200 500 1000 1500 2000 4000 6000 8000 10 000 Time (Years) 41 IPCC, Assessment Report 5, 2013 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Rückkopplung Klimasystem - globaler Kohlenstoffkreislauf Klimasystem Physikalisches Klimasystem Kohlenstoffkreislauf Atmosphärisches Kohlendioxid Anthroposphäre Emissionen aus der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas Änderungen der Landnutzung (u.a. Waldrodungen) Weitere Klimaantriebsfaktoren (z.B. Vulkanismus) Landbiosphäre (Kohlenstoff in Vegetation und Böden) Ozean (gelöster Kohlenstoff im Karbonatsystem, marine Biosphäre) 42 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 38% der globalen eisfreien Landoberflächen werden heute für Ackerbau und Weide genutzt Weniger als 15% sind noch “naturnah” !""#$#(*-./&0# Einfluss des Menschen auf die terrestrischen Ökosysteme "# !""#$#%&'()*+,# 43 Ramankutty et al., 2008, Foley et al., 2011 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014 Klimaschutz und Kohlenstoff-Management können nicht in Isolation gesehen werden Klimaschutz Bedürfnisse einer wachsenden globalen Bevölkerung Energie Wohlstand Gesundheit Fairness Nahrung Umwelt Wissenschaftler, “Honest Brokers”, können nur Fakten und Konsequenzen erläutern, Lösungen müssen von allen gesucht und getragen werden! 44 Talk_Heimann_v1.key - 5 November 2014
