Anthropogene Effekte

Vorlesung Erd- und Produktionssystseme, Herbstsemester 2007
1
Klimasystem und Wasserkreislauf
Christoph Schär
Institut für Atmosphäre und Klima
ETH Zürich
http://www.iac.ethz.ch/people/schaer
TEIL 5
Anthropogene
Effekte
Schär, ETH Zürich
2
TEIL 5: Anthropogene Effekte
Kapitel 18. Hochwasserschutz (Schweiz)
Kapitel 19. Bewässerung (Aral-See)
Kapitel 20. Klimaänderung (Global)
Schär, ETH Zürich
1
3
Flussverbauungen
Aare oberhalb Brugg
1840
1988
Schär, ETH Zürich
4
Auswirkung der
Seeregulierungen
auf Seewasserstände
Schär, ETH Zürich
(Margot et al. 1991, Hydr. Atlas der Schweiz)
2
5
Thur – 1840 versus 2000
Blau:
ursprüngliche Gewässer
Rot:
ehemalige Gewässer
Grün:
neue Gewässer
(ETH Fallstudie Thur, 2002)
Schär, ETH Zürich
Aktuelle Bauvorhaben der Schweiz
6
Linth-Kanal
• gegenwärtiger Kanal stammt aus der Zeit von K. Escher von der Linth
• erfüllt Anforderungen nicht mehr (Hochwasser Mai 1999, August 2005)
• gegenwärtig Planung für Ersatz und/oder Dammverstärkung
Rhonekorrektur
• Hochwasser Oktober 2000
• riesiges Projekt mit einem Investitionsbedarf von ~1 Mia Fr.
Renaturierungsprojekte
• umfangreiche Projekte zur Renaturierung (Bsp. Thur, Aare)
• Primäres Ziel ist die Erhaltung von Auenlandschaften und Oekosystemen
• potentieller Konflikt zwischen Sicherheit (Hochwasser) und Naturschutz
Schär, ETH Zürich
3
Thur, Mai 1999
7
Thurüberschwemmung 1999
Ellikon
am Rhein
Schär,
ETH Zürich
8
Leer
Schär, ETH Zürich
4
9
TEIL 5: Anthropogene Effekte
Kapitel 18. Hochwasserschutz (Schweiz)
Kapitel 19. Bewässerung (Aral-See)
Kapitel 20. Klimaänderung (Global)
Schär, ETH Zürich
11
Umweltkrise in instabilem politischem Umfeld
UZBEKISTAN
Schär, ETH Zürich
5
13
Source Region of Major River Basins
Chinaz
Tian Shan
Syrdarya
Dupuli
Zaravshan
Pamir
Kerki
Amudarya
Hindukush
Schär, ETH Zürich
(courtesy Ruslan Batirov)
14
Syrdarya (Chinaz)
Schär, ETH Zürich
6
15
Jahresgang
Niederschlag
Abfluss
[mm/d]
Syrdarya 166,400 km 2
Chinaz
Zeravshan 10,200 km 2
Dupuli
[mm/d]
Amudarya 320,500 km 2
Kerki
Sommerabfluss wird durch
Winterniederschläge und
Schneeschmelze bestimmt
(Schär et al. 2004, J. Hydrometeorol.)
Schär, ETH Zürich
16
Korrelation Winterniederschlag – Sommerabfluss
Statistisches Modell für Syrdarya Juni-Abfluss
verwendet vorangehender Gebiets- Niederschläge (December-May, Reanalyse ERA-15)
June Runoff [mm/d]
1.4
Correlation: R2=0.86
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
1980
1985
1990
Hohe Korrelation lässt sich für Vorhersage nutzen
Schär, ETH Zürich
(Schär et al. 2004, J. Hydrometeorol.)
7
17
Bewässerung in Zentralasien
• Sommerabflüsse von Amudarya, Syrdarya und Zeravshan wurden seit
Jahrtausenden zur Bewässerung und Wasserversorgung verwendet (Kultur der
Seidenstrasse)
• Seit 1960 massiver Ausbau der Baumwollproduktion, um das “Textilproblem” der
Sowjetunion zu mindern. Anbau auch in ungeeigneten Regionen.
• Aufbau eines gigantischen Netzwerkes von Kanälen und Bewässerungssystemen
(Grösster Kanal: Karakum-Kanal vom Amudarya nach Turkmenistan, mit einer Kapazität
von 600m3/s)
• Wassserentnahme hat sich bis 1980 von 45 auf 90 km3/Jahr verdoppelt
• Seit dem Zerfall der Sowjetunion (1991) sind Zentralasiatische Republiken
unabhängig, zentrale Wasserkoordination wurde geschwächt.
• Politische Probleme:
Flüsse haben zahlreiche Grenzquerungen (Stalins Grenzziehung)
Gebirgige Regionen (z.B. Tajikistan) wollen Wasser im Winter nutzen (Wasserkraft),
semi-aride Regionen (z.B. Uzbekistan) im Sommer (Bewässerung)
Umweltrelevanz wird angesichts anderer Probleme ignoriert (pro Kopf
Bruttosozialprodukt ~20$, Zerfall des Bildungs- und Gesundheitswesens)
Schär, ETH Zürich
18
Wüste in der Nähe von Bukhara
Schär, ETH Zürich
8
19
Bewässertes Feld
Schär, ETH Zürich
20
Bewässerungsanlagen
Schär, ETH Zürich
9
21
Michael Baumgartner, www.mfb-geo.ch (Spot-Vegetation, 2000)
Falschfarbenbild Spot:
Vegetation ist rot dargestellt
Schär, ETH Zürich
22
Austrocknung des Aral Sees
1964
Pegel:
Fläche:
Salzgehalt:
Zufluss:
2001
~1960
2002
+53.4 m
66’900 km2
~10 g/l
~45 km3/y
+31.2
20’800 km2
68 g/l
~1–4 km3/y
Schär, ETH Zürich
10
26
TEIL 5: Anthropogene Effekte
Kapitel 18. Hochwasserschutz (Schweiz)
Kapitel 19. Bewässerung (Aral-See)
Kapitel 20. Klimaänderung (Global)
Schär, ETH Zürich
27
Erwärmung von 1860 bis 2004
Jahresmitteltemperatur [ºC]
Schweizerisches Mittelland
Globales Mittel
(Durchschnitt der Stationen Zürich, Basel, Bern, Genève)
(Abweichung vom Mittel der Periode 1961-1990)
jährliche Daten
gleitendes Mittel
Jahr
Schär, ETH Zürich
Jahr
(Daten: MeteoSchweiz, Zürich; Climate Research Unit, Norwich)
11
28
Rhonegletscher
1990
1940
1856
1601
Schär, ETH Zürich
29
Globale Temperaturkurve des letzten Jahrtausends
2004
Temperatur [ºC]
Abweichung vom
Mittel 1900-2000
Mittelalterliches
Klimaoptimum
Kleine Eiszeit
Klimarekonstruktion (Nordhemisphäre)
mit natürlichen Klimaarchiven
Schär, ETH Zürich
Jones et al. (1998)
Mann et al. (1999)
Crowley and Lovery (2000)
Briffa et al. (2001)
Esper et al. (2002)
Mann et al. (2003)
Jones and Mann (2004)
Huang (2004)
Moberg et al. (2005)
instrumentelle
Beobachtungen
(Baumringe, Eisbohrkerne, Sedimente, etc)
12
30
Erwärmung erfasst
zunehmend ganzes
Klimasystem
Mittlerer Meeresspiegel
Anstieg:
ca 15 cm seit 1900
(March / April)
Reduktion
Schneebedeckung:
ca 7% seit 1920-1980
(IPCC AR4)
Schär, ETH Zürich
Globale Niederschlagstrends (1901-1999)
31
Winter (DJF 1900-1999)
[% pro 100 Jahre]
Schär, ETH Zürich
(IPCC TAR 2001, Chapter 2)
13
32
Alpine Niederschlagstrends (1901-1990)
Frühjahr
Sommer
Herbst
% / 100 Jahre
% / 100 Jahre
Winter
(Schmidli, Schmutz et al. 2001)
Schär, ETH Zürich
33
Trend intensiver Winterniederschläge in der Schweiz
Winterliche Starkniederschlagsereignisse
Schweiz, Alpennordseite (35 Stationen)
Anzahl Ereignisse
pro Jahr
Zunahme: 75% in
100 Jahren
Jahr
Schär, ETH Zürich
(Schmidli und Frei, 2005)
14
35
Treibhausgas Kohlendioxyd (CO2)
2100: Szenarien bis 900 ppm
Atmosphärischer CO2-Gehalt (ppm)
400
2006: Heute, 380 ppm
360
320
1800: Präindustriell, 280 ppm
280
240
200
400’000
300’000
200’000
100’000
heute
Anthropogene Treibhausgase
Jahre vor heute
Bereits heute ist die Konzentration von CO2 höher
als je zuvor in den vergangenen 400’000 Jahren
CO2
CH4
N2O
CF4, C2F6,SF6
HFCs
CFCs
others
(Petit et al. 1999, Siegenthaler et al. 2005)
Schär, ETH Zürich
36
Fossile CO2-Emissionen
8000
Millionen
C pro Jahr
MillionTonnen
t C / Year
7000
Trend 1981-2000
[% / y]
Fossil
CO2Ausstoss
Emissions
Jährlicher
von CO2 durch
Verbrennung der fossilen
Energieträger (Öl, Kohle, Gas)
6000
Rest
Oceania
5000
South America
+4.5
4000
+3.0
3000
-2.2
Africa
Middle East
Far East
Centrally Planned Asia
Eastern Europe
Western Europe
2000
+0.1
North America
1000
+1.6
0
1750
1775
1800
1825
1850
1875
Year
Jahr
Schär, ETH Zürich
1900
1925
1950
1975
2000
(CDIAC, Oak Ridge National Laboratory )
15
37
Globaler Kohlenstoff-Kreislauf (1980-1990)
natürlich
anthropogen
Speicher in Pg
Flüsse in Pg/Jahr
1 Pg (Petagramm)
= 10 15 g
= 109 t
Der globale C-Kreislauf bestimmt, wie sich die anthropogenen Emissionen im
Klimasystem verteilen. Direkt klimaaktiv ist nur atmosphärisches CO 2.
Schär, ETH Zürich
(Sarmiento und Gruber, 2002)
38
Modelle mit und ohne anthropogene Effekte
Schär, ETH Zürich
(IPCC AR4)
16
Konsens in den Wissenschaften
39
Zitate aus den UNO-Klimaberichten (IPCC, UNEP)
1990
Die beobachtete Erwärmung ist konsistent mit den
Vorhersagen von Klimamodellen, aber es könnte
sich auch um eine natürliche Schwankung handeln.
1995
Nach Abwägung aller Faktoren kommen wir zum Schluss,
dass ein merkbarer menschlicher Einfluss vorliegt.
2001
Es gibt neue und stärkere Hinweise darauf, dass
die Erwärmung der letzten 50 Jahren durch
menschliche Aktivitäten verursacht wurde.
2007
Die Erwärmung seit der Mitte des letzten Jahrhunderts ist
sehr wahrscheinlich auf menschgemachte Treibhausgase
zurückzuführen.
Schär, ETH Zürich
41
Globale Erwärmung – Zeitraum 1000-2200
“Business as usual” Szenario
Anstieg der CO2 Konzentration von 380 ppm (heute) auf 830 ppm (im Jahr 2100)
Temperatur
(Abweichung vom
Mittel 1900-2000)
4
3
Zusätzliche
erwartete globale
Erwärmung bis ins
Jahr 2100: ca 3.4ºC
2
0
-1
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Jahr
Schär, ETH Zürich
Rekonstruktion
(Nordhemisphäre)
Szenario
(Global)
(IPCC SRES A2, IPCC AR4)
1
17
42
Globale Erwärmung – Zeitraum 1000-2200
Stabilisierung des CO2-Gehalts auf 450 ppm
(Verlangt eine Reduktion der globalen Emissionen um ca 50% bis 2050)
Temperatur
(Abweichung vom
Mittel 1900-2000)
4
3
2
Zusätzliche
erwartete globale
Erwärmung bis ins
Jahr 2100: ca 1.5ºC
1
Unsicherheit
Rekonstruktion
(Vergangenheit)
Unsicherheit
Szenario
(Zukunft)
0
-1
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Jahr
Rekonstruktion
(Nordhemisphäre)
Schär, ETH Zürich
Szenario
(Global)
Selbst bei einer
Stabilisierung
auf 450 ppm
ist eine deutliche
Erwärmung
vorgezeichnet
43
Temperatur-Szenarien
2020-2029
2090-2099
SRES
B1
SRES
A2
Schär, ETH Zürich
(IPCC, AR4)
18
46
Arktisches Polareis
Minimale Ausdehnung Arktisches Meereis (September)
Beobachtung 1980-2006
2000
Simulation 1900-2100
2040
(Holland et al. 2006, GRL)
Schär, ETH Zürich
47
Szenarien des globalen Wasserkreislaufs
Erwartete Änderungen bis zum Ende des Jahrhunderts
Niederschlagsintensität
Trockenperioden
[normalisiert mit Standardabweichung]
[normalisiert mit Standardabweichung]
Zunahme kräftiger Niederschläge,
selbst in Regionen mit
Niederschlagsreduktion
Zunahme von Trockenphasen,
selbst in vielen Regionen mit
Niederschlagszunahme
Zunahme von (trockenen und feuchten) Extremen
Schär, ETH Zürich
(IPCC AR4, Chapter 10, SRES A1B)
19
51
Swiss Temperature Series 1864-2003: Return Periods
10 y
10 y
100 y
1000 y
100 y
mean
1000 y
(Schär et al. 2004, Nature, 427, 332-336)
Schär, ETH Zürich
57
Klimaszenarien
Treibhausgas-Szenario
(IPCC SRES A2)
Gekoppeltes GCM
(HadCM3, ~300 km)
Atmosphärisches GCM
(HadAM3, ~120 km)
Regionales Klimamodell (RCM)
(CHRM / ETH, 56 km)
Zeitscheiben
CTRL (1961-1990)
SCEN (2071-2100)
Schär, ETH Zürich
(EU-Project PRUDENCE, NCCR Climate)
20
58
Summer Temperatures: Presence versus Future
Gridpoint near Zurich
Simulated:
T = 16.1 ºC
σ = 0.97 ºC
CTRL
1961-1990
Observed:
Τ = 16.9 ºC
σ = 0.94 ºC
SCEN
2071-2100
ΔT=4.6 ºC
warming
increase in
variability
Δσ/σ=100%
(Schär et al. 2004, Nature, 427, 332-336)
Schär, ETH Zürich
59
Szenarien für den Europäischen Sommer (2070-2100)
Erwärmung
[ºC]
Schär, ETH Zürich
Zunahme der Jahr-zu-Jahr
Variabilität
Temperatur Zürich
1961-1990
2071-2100
Jahr
Jahr
[%]
(Schär et al. 2004, Nature, 427, 332-336)
21
60
Globale CO2 Emissionen
Kanada
Australien
Durchschnitt
1.1 t C / Kopf
USA
China
Süd Asien
Latein-Amerika
Japan
Indonesien
Südost-Asien
Rest Europas
Afrika
EU
Russische Föderation
Zentral und West-Asien
Pro Kopf Emissionen [t Kohlenstoff]
Jahr 2000
Bevölkerung [Millionen]
(Schär, ETH Zürich, based on CDIAC data for 2000)
Schär, ETH Zürich
Die 3 Säulen der internationalen Klimapolitik
Wissenschaft
Wirtschaft / Gesetz
Politik
IPCC
Rio Protokoll
Intergov. Panel on
Climate Change
Klimakonvention
der UNO
Kyoto Protokoll
Rechtlich verbindliches
Vertragswerk
Gegründet 1988 durch
UNO / UNEP / WMO
Konferenz von Rio de
Janeiro, Juni 1992
Klimaverhandlungen von
Kyoto, Berlin, Marakesch
Konsensfindung in
den Wissenschaften
Zielformulierung:
Protokoll zur Reduktion
der Treibhausgase:
Wissenschaftliche
Grundlage der
internationalen
Klimaverhandlungen
“Stabilisierung der Treibhausgaskonzentration der
Atmosphäre auf einem
Niveau, welches eine
gefährliche menschgemachte Störung des
Klimasystem verhindert”
62
•
Reduktion um 8%
bis 2010
•
Protokoll tritt im
Februar 2005 in Kraft
•
USA stehen abseits
Schär, ETH Zürich
22
63
Treibhausgas-Emissionen der Schweiz, 1990-2005
2005
Ziel 2010
Mio. t CO2
Total
Brennstoffe
(Haushalt, Industrie)
Treibstoffe
(Verkehr)
Kyoto-Zielpfad
Jahr
Schär, ETH Zürich
(BAFU)
Wirtschafts-Wachstum in Westeuropa
[%]
EU inklusive Schweiz
64
Pro Kopf
Bruttosozialprodukt
(inflationsbereinigt)
Pro Kopf
CO 2-Emissionen
1961=100%
Wirtschaftswachstum und
CO2-Emissionen sind seit 1974 entkoppelt!
Schär, ETH Zürich
(Schär, based on IPCC TAR III Data)
23
66
2000-Watt Gesellschaft (Projekt ETH-Rat)
Energiebedarf / Kopf
Watt pro Person
Weltdurchschnitt:
USA:
Europa:
Dritte Welt:
Schweiz:
Schweiz 1950:
Schweiz 1910:
2000 W
12000 W
6000 W
500-1000 W
5000 W
1280 W
900 W
Vision der 2000-Watt Gesellschaft (“zurück” zu 2000 Watt / Kopf)
•
Vision ist machbar
•
Nutzung von unausgeschöpften Potentialen des Infrastrukturparks
•
Natürliche Erneuerungsrhythmen nutzen => Zeithorizont von 50-100 Jahren
(Novatlantis)
Schär, ETH Zürich
68
Fazit
Weitere Erwärmung kann nicht mehr vollständig verhindert werden:
•
Globale Erwärmung bis heute: cirka 0.7ºC
•
sofortige Reduktion aller Emissionen auf Null => weitere Erwärmung ca 0.5ºC
•
ohne Reduktion der Emissionen => Erwärmung um cirka 3ºC bis 2100
Ziel: Beschränkung der globalen Erwärmung auf <2ºC. Dies verlangt:
=> Stabilisierung der atmosphärischen CO2-Konzentration auf <450 ppm.
=> Reduktion der globalen Emissionen um ca. 50% bis 2050.
=> Die Industrienationen müssen einen ersten Schritt zur Reduktion der
Emissionen leisten (Kyoto-Protokoll, Emissions-Handel der EU, CO2-Gesetz der
Schweiz).
Schär, ETH Zürich
24
70
Besten Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit!
Schär, ETH Zürich
25