Peter Lemke. Klimawandel als Herausforderung. Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven

Transkript

1 Klimawandel als Herausforderung Peter Lemke Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven Institut für Umweltphysik Universität Bremen

2 Inhalt 1.Was ist das Problem? 2.Was wird beobachtet? 3.Was bringt die Zukunft? 4.Und was tun wir?

3 Inhalt 1.Was ist das Problem? 2.Was wird beobachtet? 3.Was bringt die Zukunft? 4.Und was tun wir?

4 Das multi-disziplinäre Klimaproblem Anthropogener Einfluss Wechselwirkung zwischen Klimakomponenten: Austausch von Wärme, Impuls, Masse

5 Klimaänderungen Natürliche Ursachen: Externe: Sonne (zurzeit sehr konstant) Änderungen der Umlaufbahn (lange Zeitskalen, > Jahre) Vulkanausbrüche (kurze Zeitskala) Interne: Rückkopplungen im Klimasystem, Nichtlinearitäten Anthropogene (menschliche) Ursachen: Änderungen der Landoberfläche CO 2 -Emissionen

6 Ursachen der Klimaschwankungen (1) Regional unterschiedliche Sonneneinstrahlung Tropen empfangen mehr Energie als Polargebiete Temperaturunterschiede erzeugen Bewegungen in Atmosphäre und Ozean, die Wärme polwärts transportieren Golfstrom: 1 Peta-Watt 31 Millionen Euro / Sekunde Bewegung in Atmosphäre und Ozean ist turbulent Hoch- und Tiefdruckgebiete, Golfstrommäander

7 Turbulenz in Atmosphäre und Ozean Satellitenaufnahme der Golfstrom- Temperatur

8 Ursachen der Klimaschwankungen (2) Zeitlich unterschiedliche Sonneneinstrahlung Jahreszeiten durch die Neigung der Erdachse Änderung der Erdbahnparameter Neigung der Erdachse ( Jahre) Präzession der Erdachse (19.000, Jahre) Exzentrizität ( Jahre)

9 Ursachen der Klimaschwankungen (3) Atmosphäre, Ozean, Eis und Biosphäre sind nicht unabhängig, sondern wechselwirken miteinander. Klimasystem

10 Das multi-disziplinäre Klimaproblem Anthropogener Einfluss Wechselwirkung zwischen Klimakomponenten: Austausch von Wärme, Impuls, Masse

11 Ursachen der Klimaschwankungen (3) Atmosphäre, Ozean, Eis und Biosphäre sind nicht unabhängig, sondern wechselwirken miteinander. Klimasystem Wechselwirkung ist durch positive (instabile) und negative (stabile) Rückkopplungen geprägt. Eis-Albedo / Temperatur Feedback Komponenten des Klimasystems schwanken auf unterschiedlichen Zeitskalen. schnelle Atmosphäre, langsamer Ozean

12 Klimaänderungen Natürliche Ursachen: Externe: Sonne (zurzeit sehr konstant) Änderungen der Umlaufbahn (lange Zeitskalen, > Jahre) Vulkanausbrüche (kurze Zeitskala) Interne: Rückkopplungen im Klimasystem, Nichtlinearitäten Anthropogene (menschliche) Ursachen: Änderungen der Landoberfläche CO 2 -Emissionen

13 Weltbevölkerung: 6,756,528,577 The Challenge: Sustainable Management of an Ever-Changing Planet

14 Ernährung The Challenge: Food Security

15 Global Crop Cover Change 1700 to 1992 BIOME 300 Fraction of Grid Cell in Croplands

16 Beobachteter CO 2 Anstieg: Landnutzung: 22% CO 2 -Emission: 78% Was bedeutet das für die Energiebilanz der Erde?

17 Strahlungsbilanz Solarkonstante (Energieflußdichte) S = 1368 W/m 2 Energieaufnahme der Erde: Querschnitt S Absorption π 2 r S (1 α) α = Albedo = Reflektivität Wärmeabstrahlung der Erde: Oberfläche therm. Strahlung 2 4πr σt σ = Stefan-Boltzmann Konstante 4 thermisches Gleichgewicht: π r = 2 2 ( 1 α) S 4πr σt 4

18 Strahlungstemperatur 2 π r ( 1 α) S = 4πr σt 2 4 ( 1 α ) S = 4σT 4 T 4 1 ) /(4 ) = S( α σ Sonnenenergie Reflektivität

19 Venus Erde - Mars T 4 ( 1 α) /(4σ ) = S Venus: S v = 2623 Wm -2 α v = 0.77 Also: Erde: S e = 1368 Wm -2 α e = 0.3 Also: Mars: S m = 589 Wm -2 α m = 0.24 Also: T v = 227K = -46 C T e = 255K = -18 C Erde als Schwarzkörper (α es = 0) T es = 278,7K = 5,6 C T m = 211K = -62 C

20 Der Treibhauseffekt Solare Einstrahlung Langwellige Wärmeabstrahlung H 2 O CO 2 CH 4

21 Treibhauseffekt Atmosphäre ist durchlässig für solare Einstrahlung 2 πr S α (1 ) Atmosphäre absorbiert einen Teil der thermischen Ausstrahlung β 4πr 2 σt 4 s

22 Treibhauseffekt Temperatur: T s 4 1 ) /( 4 ) = S ( α β σ Venus: S v =2623Wm -2 α v = 0.77 β = (99,2%) Also: T vs = 760K = 487 C Tv = 227K = -46 C Erde: S e =1368Wm -2 α e = 0.3 β = 0.62 (38%) Also: T es = 287K = 15 C Te = 255K = -18 C

23 Waterworld: S ww = 1368Wm -2 α ww = 0.1 β = 0.62 Also: T ww = 306K = 32 C

24 Eisplanet Krypton S ep =1368Wm -2 α ep = 0.8 β = 0.62 Also: T ep = 210K = -63 C

25 Klimasystem Planetare Gleichgewicht: Strahlungs- Temperatur 255 K = -18 C Natürliche Treibhausgase Oberflächentemp. 288 K = +15 C

26 Inhalt 1.Was ist das Problem? 2.Was wird beobachtet? 3.Was bringt die Zukunft? 4.Und was tun wir?

27

28 Zeit (in 1000 Jahren vor heute) Atmosphärische Gaskonzentrationen aus Eiskernen 402

29 Atmosphärischer CO 2 -Gehalt: Mauna Loa ( ) Die Emissionsrate steigt weiter an.

30 Global gemittelte Temperaturen steigen deutlich an GISS Data

31 Globale Erwärmung ist eindeutig Atmosphäre: 1% Arktisches Meereis im Sommer Eisschmelze: 3% -35% Oberer Ozean: Wärmeinhalt Ozean: 93% Lufttemperatur am Boden IPCC, AR5

32 Temperatur-Trend seit 1963 Trends in Annual Surface Air Temperature GISS

33 Auch Norddeutschland hat sich erwärmt Maneke, pers. Komm. 2012

34 Apfelblüte im Alten Land beginnt heute ca. 2-3 Wochen früher Tage seit Jahresbeginn Müller 2002 Müller 2002

35 Meereis-Ausdehung NH Trend:-3.8% pro Dekade;SH Trend:+1.5% pro Dekade

36 Beitrag von Gletschern zum Meeresspiegelanstieg seit Verstärkter Gletscherrückgang seit Beginn der 1990er Morteratsch Gletscher Massenverlust von Gletschern und Eiskappen: 0.37 ± 0.16 mm yr -1, ± 0.22 mm yr -1, Neu (2013): 0.8 mm yr -1 Lemke et al. (2007) IPCC AR4, Chapter 4

37 Massenbilanz der Eisschilde IPCC, AR5 Eismassenverluste Grönland 0.6 mm/a Antarktis 0.4 mm/a

38 Meeresspiegelanstieg IPCC, AR5 Zeitraum Meeresspiegelanstieg: 0.19 m Mittlerer Anstieg: 1.7 mm/year Gegenwärtiger Anstieg: 3.2 mm/year 38

39 Inhalt 1.Was ist das Problem? 2.Was wird beobachtet? 3.Was bringt die Zukunft? 4.Und was tun wir?

40 Modelle für Atmosphäre und Ozean Zustandsvariablen: Temperatur T Salzgehalt, Feuchte S, q Druck p Strömung, Wind u, v, w 1. Massenerhaltung (Wasser,Luft): 1 Dρ = u ρ Dt 2. Massenerhaltung für Salz/Wasserdampf 3. Energieerhaltung Du Dt 4. Impulserhaltung (3): = Ω u p + g + F 2 1 ρ

41 Klimaprojektionen Globale Temperatur Arktisches Meereis im Sommer IPCC, AR5

42 Szenarien für die Entwicklung des Meeresspiegels IPCC, AR5, 2013 Projektionen ( ) sind höher als in AR4 ( ) RCP 2.6: 0.4m ( ) (rel. zu ) RCP 8.5: 0.6m ( ) 42

43 Projizierte Änderung der Niederschlagsverteilung nasser Winter trockener Sommer Winter Sommer IPCC, AR4

44 Alle Szenarien zeigen in Norddeutschland Erwärmung Bis Ende des Jahrhunderts kann es 2,0-4,7 C wärmer werden.

45 Alle Szenarien zeigen längere Vegetationsperioden Vegetationsperioden können sich bis 2100 um 7-12 Wochen verlängern Chmielewsky et al. 2002

46 Winter weniger Frosttage Mögliche kleinste Abnahme -8 Tage Im Winter kann es Ende des Jahrhunderts 8-27 Frosttage weniger geben Mögliche größte Abnahme -27 Tage

47 Winter mehr Niederschlag Mögliche kleinste Zunahme +15% Mögliche größte Zunahme Im Winter kann es Ende des Jahrhunderts 15-50% mehr regnen +45% +50%

48 Sommer weniger Niederschlag Mögliche kleinste Abnahme -10% Mögliche größte Abnahme Im Sommer kann es Ende des Jahrhunderts 10-40% weniger regnen. -40% -40%

49 Sommer mehr Sommertage Mögliche kleinste Zunahme +5 Tage Mögliche Mögliche größte größte Zunahme Zunahme Im Sommer kann es bis zum Ende des Jahrhunderts 5-23 Sommertage (T>25 C) mehr geben +23 Tage

50 Heißer Sommer 2003 normal in 2050, kühl in 2070?

51 Inhalt 1.Was ist das Problem? 2.Was wird beobachtet? 3.Was bringt die Zukunft? 4.Und was tun wir?

52 CO 2 Emissionen (Milliarden Tonnen Kohlenstoff/Jahr)... liegen in der Nähe des schlimmsten Szenarios des IPCC Fossil fuel CO 2 emissions [PgC/y] Scenarios: IPCC Representative Concentration Pathways Observation uncertainty band (± 1 standard deviation) 2100: ΔT ~ 4 C Data: CDIAC (preliminary for 2009, 2010) Figure: Raupach et al (in prep, Dec 2011) Citation for data: Peters, G.P., Marland, G., Le Quéré, C., Boden, T., Canadell, J.C. and Michael R. Raupach (2011). Rapid growth in CO2 emissions after the Global Financial Crisis. Nature Climate Change 1 (doi: /nclimate1332)

53 Unsere Herausforderung: Wissenschaft: Problem erkannt, Lösungswege ermittelt. Problemlösung: erfordert politische, sozio-ökonomische, und persönliche Umsetzung. die nachhaltige Nutzung eines sich stetig wandelnden Planeten

54 Herausforderungen Anpassung: Meeresspiegelanstieg - Deiche erhöhen Schutz gegen Überschwemmungen Katastrophenschutz (Extremwetter) Hitzewellen Vermeidung Energieeinsparungen CO 2 -Vermeidung (CCS) Alternative Energietechnologien

55 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

56 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

57 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

58 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Wir sollten nicht vergessen dass die Zukunft zur Gegenwart wird und die Gegenwart zur Vergangenheit und dass sich die Vergangenheit in ewige Reue verwandelt, wenn man nicht früh genug plant. Tennessee Williams (Amanda zu Tom in: Die Glasmenagerie):