Die Klimawirkung des Luftverkehrs - der Stand der Wissenschaft

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1 Die Klimawirkung des Luftverkehrs - der Stand der Wissenschaft Dr. Carl A.M. Brenninkmeijer Gruppenleiter Global Observations und Koordinator des CARIBIC-Projektes Max-Planck-Institut für Chemie Mainz carl.brenninkmeijer@mpic.de Aufklärung Die Ergebnisse der Studie deuten daraufhin, dass die widersprüchliche Meinung der Öffentlichkeit über den Klimawandel nicht durch fehlendes wissenschaftliches Verständnis entsteht, sondern durch einen ausgeprägten Interessenkonflikt zwischen dem persönlichen Bestreben sich eine Meinung zu bilden, die in Übereinstimmung ist mit dem persönlichen Umfeld, und dem gemeinschaftlichen Interesse aller, die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse einzusetzen zur Verbesserung des Gemeinwohls. Nach eine Studie publiziert in Nature

2 Nicht so lange her.. Heinrich Heine in Holland Eine schöne Welt ist da versunken, Ihre Trümmer blieben unten stehn, Lassen sich als goldne Himmelsfunken Oft im Spiegel meiner Träume sehn Heinrich Heine 13. Dezember 1797 in Düsseldorf 17. Februar 1856 in Paris Dr. Carl A.M. Brenninkmeijer Is this far fetched?

3 Überblick 1. Das System: Die Atmosphäre 2. Einführung: Der Treibhaus-Effekt und Energie 3. Die 4 Flugverkehrs-Emissionen: H 2 O, CO 2, Stickoxide, Partikel 4. Die Einwirkungen: letzte Forschungsergebnisse 5. Wie die Luftfahrt Atmosphärenforscher zu frequent flyer gemacht hat Carl.Brenninkmeijer@mpic.de

4 Motivation Allgemein Klimaänderung, sprich der Treibhauseffekt, gehört in die Kategorie Fundamentelle Herausforderungen für die Menschheit. D.h. Flugverkehr, Straßenverkehr, Bahn, Schiffahrt, Industrielle Produktion und wir zu Hause (Heizung, Warmwasser, Airconditioning) sind herausgefordert. Spezifisch 1. Das Wachstum des Flugvekehrs ist kräftig. 2. Flugverkehr ist High Tech. 3. Effiziente Energieträger sind notwendig. 4. Der größte Teil der Flugbewegungen findet in der Tropopause-Region, einer klimaempfindlichen Region, statt. 5. Hier (auf einer Flughöhe von 9-12 km) gibt es verhältnismäßig wenig Messdaten. Energie oder Klima? Klima Für die zukünftigen Generationen kann das Klima auf der Erde durchaus ein Hauptproblem werden. Änderungen in der Temperatur sind jetzt bereits messbar. Das gewaltige Klima-System wandelt sich nachweisbar. Wie lange ist der Bremsweg? --retard --retard Energie Für die jetzigen Generationen ist Energie ein Hauptproblem. Nachdem Holz, Torff, Braunkohlen, Gas und Öl gegangen sind, scheinen ausgerechnet Steinkohlen ein - fast dubiöses - Geschenk Gottes. Wollen wir uns weiterhin die Finger verbrennen?

5 Energie als Verstärker Energie, ist sie teuer? Autofahren bietet ein Beispiel. Sagen wir, dass wir einen 150 kw Motor haben und diesen auf einer Fahrt von München nach Berlin für 50 kw auslasten (wir fahren nicht mit Höchstgeschwindigkeit). Wir brauchen für die Fahrt von etwa 600 km 6 Stunden. Spritkosten 100 Euro. Nun ist 1 Pferdekraft 0.75 kw. Weil es kaum Pferde gibt, die von München nach Berlin wollen, denken wir an Menschen. Ein Radprofi könnte, hoffen wir doch, über diese ganze Zeitspanne von 6 Stunden 100 Watt leisten, also 0.1 kw. Wir nehmen also für die 50 kw schlichtweg 500 Radprofis. Über die 6 Stunden, während die Radprofis uns geholfen haben, präsentieren sie uns, in Berlin, eine Rechnung von Euro. Hier entspricht 60 Liter Sprit etwa 150 Kg CO 2. Flug Zürich-Berlin rechnet zb. etwa 100 kg CO 2. Übrigens, diese einfache Betrachtung verdeutlicht auch, warum es mehr Elektrofahrräder gibt als Elektroautos. Die Zukunft Wetten dass? Wenn wir doch über Pferde und Wetten reden, könnte man sich überlegen, was die meist wahrscheinliche Entwicklung sein wird... Viele Forscher in hunderten von Laboren beschäftigen sich mit der Frage, wie man aus Sonnenlicht effizient Strom (oder z.b. Wasserstoff) erzeugen kann (Photovoltaic). Wer gewinnt hier? Korea, Japan, China, USA, Deutschland? Es ist etwas mehr im Spiel als Fußball. Es gibt neben Silizium-Solarzellen hunderte von alternativen, sehr unterschiedlichen Systeme in der Entwicklung. Es gibt keine fundamentalen Probleme, wie z.b. bei der Kernfusion. Photovoltaic wird sicher erheblich billiger und enorm vielseitig werden. Jedoch sollten die Anstrengungen zur Entlastung der Atmosphäre nicht nachlassen.

6 Emissionen Emissionen Zirren Contrails oder Kondenzstreifen Russ Partikel H 2 O NOx SO 2 (Schwefeldioxid) (Stickoxide) Coverplate Geophysical Research Letters, CO 2 Artikel von Christiane Voigt, DLR

7 Flugverkehr Die Emissionen von Flugzeugen sind bekanntlich typisch für die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Global betrachtet sind sie gering. Jedoch konzentriert sich der Flugverkehr in 9-12 km Höhe, und zwar über Europa, dem Nordatlantik, den Vereinigten Staaten und Ostasien. Diese Höhe (Tropopausebereich) ist, wie gesagt ein kritischer Faktor. 1. CO 2, lang lebe das Kohlendioxid. Deshalb ist es für CO 2 irrelevant, wo wir es produzieren. Es verteilt sich doch weltweit... Was Sie selbst soeben an CO 2 ausgeatmet haben, ist in einem Jahr zu 50% in der Südhemisphäre. 2. NO, NO 2 ; die Stickoxiden. Nur Bakterien, Blitz und Verbrennung schaffen es Stickstoff (N) mit Sauerstoff (O) zu verbinden... NO ist chemisch sehr aktiv, lokale Einwirkung mit globalen Folgen... u.a. Ozon-Erzeugung. 3. H 2 O, Wasser. Wasserdampf ist Treibhausgas # 1, von dem bereits enorme Mengen vorhanden sind. Aber es bilden sich Kondenzstreifen in kalten, feuchten Luftmassen. Zirrenwolken entstehen und deren Verteilung ändert sich. Alles zusammen ein komplexes interessantes Thema. 4. Ruß- und Schwefelsäure-Partikel/Tröpfchen. 5. Eine vernachlässigbare kleine Menge an Kohlenwasserstoffen (0.05 bis 0.1 % der gesammt antropogene Menge) Emissionen CO 2 Coverplate Geophysical Research Letters, Artikel von Christiane Voigt, DLR

8 50 Jahre Kohlendioxid Bilanz 3 Milliarden Menschen 7 Milliarden Menschen In 2011 waren es 31.1 Milliarden Tonnen CO 2. Zunahme in der Erdatmosphäre. Genau bekannt Der Flugverkehr produziert etwa 2%. Dieser Vergleich ist jedoch nicht so nützlich. Aufgenommen von Wäldern, Böden und Ozeanen Kohlendioxid über Afrika Mathematisches Modell: Ergebnisse für CO 2 über Afrika. CARIBIC- CARIBIC- Lufthansa LUFTHANSA Messflug Messflug Farbkodierung blau bedeutet etwas weniger CO 2 durch Aufnahme durch die Vegetation. Es ist ja Sommer im Süden. Konzentration von CO 2 In parts per million z.b., gäbe es nur einen Berliner in München, entspräche das 1 ppm. Wussten Sie dass 360 ppm CO 2 in Masse equivalent ist mit 3 mm Plexiglas?

9 Emissionen NO & NO 2 (die Stickoxide) Coverplate Geophysical Research Letters, Artikel von Christiane Voigt, DLR Stickoxid Quellen

10 Emissionen Contrail oder Kondenzstreifen Zirren H 2 O Coverplate Geophysical Research Letters, Artikel von Christiane Voigt, DLR Linear Contrails Bild erstellt vom Modis-Satelliten aus

11 Beispiel Kondenzstreifen 3-6 Uhr, 6. Juni 2006 Blau: Flugbewegungen, die Kondenzstreifen verursachen. Schwarz: genau wo sie enstanden sind. Rot: Kondenzstreifen um 6 Uhr. U. Schumann Geosci. Model Dev. Vol 5, pp , 2012 A contrail cirrus prediction modell Verteilung der Flugbewegungen Alle Flüge Gelb = ungefähr 1 km pro Quadrat-Kilometer pro Tag Newinger and Burkhardt, JGR, May 2012, Sensitivity of contrail cirrus radiative forcing to air traffic scheduling

12 Kondenzstreifen-Zirren: Effekt auf das Klima Kondenzstreifen-Zirren Tagsüber: Kühlung (etwas Sonnenstrahlung wird ins All zurückgestreut d.h.reflektiert) und Erwärmung (Wärmestrahlung der Erdoberfläche nach oben wird teilweise zurückgestreut nach unten) Nachts: Nur Erwärmung (verringerte Abkühlung) Also, soll man besser nachts nicht fliegen? Anteil der Flüge bei Nacht Nachtflüge (%) Newinger and Burkhardt, JGR, May 2012, Sensitivity of contrail cirrus radiative forcing to air traffic scheduling

13 Klima-Nachtflugverbot? Ein Gedankenexperiment: Wenn Nachtflüge welweit eingestellt würden, um wieviel würde sich die Erwärmung durch Kondenzstreifen- Zirren ändern? Antwort: Keine signifikante Änderung. Regionale Unterschiede. Erklärung: Viel Variabilität und Zeitverzögerungen zwischen Zirren maxima und deren Erzeugung Es wird wohl ein Gedankenexperiment bleiben Kondenzstreifenzirren Strahlungseffekt 2002 Burkhardt und Kärcher haben für 2002 als Referenzjahr berechnet in welche Masse Contrails und Contrail-Zirren die Wärmestrahlungsbilanz beeinflussen

14 Transport impacts on atmosphere and climate D.S. Lee et al. Atmospheric Environment, volume 44, 2010 Das Forschungsprojekt CARIBIC

15 CARIBIC measurement container installed monthly in the forward cargo bay for 4 flights Mass 1.6 ton Fully automated systems Lufthansa Airbus A Air inlet system Permanent aircraft part CARIBIC Flugrouten

16 CARIBIC Ergebnisse Bis jetzt 80 Publikationen. Themen: 1. Aschewolken der Kasatochi, Eyjafjallajökull, Redoubt und Sarychev Vulkane ( ) 2. Aufnahme von CO 2 durch die Vegetation 3. Schwefeldioxid Ausstoß Norilsk 4. Atmosphärischer Wasserstoff 5. Methan aus Indien 6. Globaler Transport von Luftverschmutzung 7. Unterstützung von Satellitmessungen 8. Stickoxide des Flugverkehrs CARIBIC Messungen von Stickoxiden Aus der Dr. Arbeit (in Vorbereitung) von Greta Stratmann, DLR NOx des Flugverkehrs

17 IAGOS IAGOS (In service Aircraft for a Global Observing System) ist ein Europäisches Infrastructure Projekt unter Federführung des Forschungszentrum Jülich mit Beteiligung von deutschen und europäischen Partnern aus Forschung, Wettervorhersage und Industrie. Neben CARIBIC Lufthansa sollen in Flugzeuge unterschiedlicher Fluggesellschaften (momentan Lufthansa, China Airlines (Taiwan), Air France, Iberia und Cathay Pacific) Geräte eingebaut werden, die kontinuierlich Messungen einer Vielzahl von Spurengasen und Partikel Eigenschaften durchführen. IAGOS wird eines der wichtigsten Beobachtungssysteme werden weil es langfristig ausgelegt ist und globale Informationen liefert. Es schließt eine wichtige Lücke zwischen Satelliten und Bodenstationen. In service Aircraft for a Global Observing System European Research Infrastructure H 2 O, O 3 H 2 O, O 3, CO, NO y Scientific publications H 2 O, O 3, CO, CO 2 CH 4, NO y, NO x, aerosol, cloud particles MOZAIC CARIBIC 0 IAGOS

18 Klimawirkung des Luftverkehrs: Schlussfolgerungen 1. Da es sicher ist, dass in der Luftfahrt Kerosin-ähnliche Brennstoffe noch über Jahrzehnte benutzt werden, lohnt es sich die jetzige Luftverkehr-Klimaforschung intensiv weiter zu führen. 2. Für CO 2 gilt wie immer, weniger ist besser; also ist Effizienzsteigerung gefragt, besonders weil CO 2 so lange in der Atmosphäre verweilt. 3. Die Stickoxide (NOx) müssen wir im Auge behalten. Es wird Ozon produziert, das ein erhebliches Erwärmungspotential hat. Eine zufällige Kompensation von 50% entsteht, weil die Oxidationsprozesse intensiviert werden und das Treibhausgas Methan daher etwas schneller abgebaut wird. Weniger NOx gegenüber etwas mehr CO 2 bleibt eine komplexe Frage. 4. Gute Fortschritte sind gemacht worden, um das Entstehen von Kondenzstreifenzirren und deren Eigenschaften genauer zu verstehen. In 15% aller Flugkilometern werden Kondenzstreifen gebildet. Daraus können lokal Zirren entstehen, die die gesamte Erwärmung bis um das Zehnfache verstärken. Unsicherheiten hier sind groß. Das Problem muss jedoch angegangen werden, weil sich die Gesamtwirkung der Kondenzstreifenzirren auf das Klima als erheblich herausgestellt hat (möglicherweise 30 Milliwatt/m 2, vgl. IPCC, 2005, total von CO 2, NOx, und Kondenzstreifen (ohne Zirren) etwa 50. Das Problem ist komplex aber lösbar. Kann Flugverkehr eine kühlende Wirkung haben??? 5. Es ist empfehlenswert, den Atmosphärenforschern die Möglichkeit zu bieten ihre Messgeräte in Linienflugzeugen mitfliegen zu lassen. Messungen helfen Unsicherheiten zu beseitigen. I thank you for your attention and wish you efficient flying!

19 Projekte und Literatur IPCC Berichte WMO Beriche QUANTIFY CARIBIC wwww.caribic.de IAGOS D.S. Lee et al. Transport impacts on atmosphere and climate: Aviation Atmospheric Environment, volume 44, , 2010.