Das Klima der Erde Klimaänderung & Klimamodelle

Transkript

1 Das Klima der Erde Klimaänderung & Klimamodelle Max Camenzind - Bad Kissingen März

2 Zum Nachdenken Welches sind die wichtigsten Treibhausgase? Um wieviel hat der CO 2 -Gehalt der Atmosphäre seit 1880 zugenommen (in ppm)? von 300 auf 400 ppm. Was kann man aus Eisbohrkernen über das Klima lernen?

3 Eiszeitzyklen geregeltes Chaos Max Camenzind Bad Kissingen

4 NEEM = Nord-Grönland Eem Eisbohren 14 Nationen Leitung Dänemark GRIP = GReenland Ice Core Project bis 3090 m Tiefe = Jahre

5 Information im Klimaarchiv Eis

6 Warum Eem? - die letzte Warmzeit = Riß/Würm-Interglazial 3-4 C wärmer Abrupte Erwärmung Abrupte Erwärmung in ~ 1000 a

7 Wie ist ein Eisschild aufgebaut? Eis ist immer in Bewegung wie Gletschern

8 Ergebnisse des NEEM-Projektes Warmzeit Nature 493, 489 (2013) Eem-Zeit war ca. 8 Grad C wärmer als heute (neu)! Meeresniveau war 4-8 m höher Eis ist nicht total geschmolzen Antarktik-Eis! Temperatur (Sauerstoffindex) nimmt im Laufe der Warmzeit zu Gegen Ende abrupt ab. Methan und N2O variieren teilweise kräftig

9 Temperaturverlauf in Eem-Zeit Langsame Abkühlung in ~ a Warmzeit Abrupte Erwärmung in ~ 1000 a Eiszeit Eiszeit Nature 493, 489 (2013)

10 Stabilität der Eem-Warmzeit Es wurde festgestellt, dass die Eem-Warmzeit durchwegs sehr stabil war. Die Sommer-Temperaturen auf der Nordhemisphäre lagen um etwa zwei Grad oberhalb des vorindustriellen Temperaturniveaus, in Grönland war es sogar um 8 C wärmer. Der Meeresspiegel lag 4 bis 6 Meter oberhalb des heutigen Niveaus. Neuere Arbeiten deuten darauf hin, dass es global lediglich um wenige zehntel Grad wärmer war als heute (2013). Durch einen Vergleich mit anderen Eisbohrkernen im Nordwesten (Camp Century) und Südosten (Renland) Grönlands stellte sich heraus, dass während der gesamten Warmzeit lediglich ein Teil des südgrönländischen Eisschildes abschmolz, der zentral- und nordgrönländische Eisschild hingegen trotz erhöhter Temperaturen stabil blieb. Diese Erkenntnis hat große Bedeutung für die Extrapolation des gegenwärtigen Meeresspiegelanstieges in die Zukunft. Auch die regionalen Unterschiede erwarten eine weitere, eingehende Untersuchung.

11 Eisbohrkerne aus der Antarktis

12 Vostock Eiskerne 5 Warmzyklen Zykluszeit: Jahre Zwischeneiszeit: Jahre

13 Eiszeitzyklen der letzten a

14 Entwicklung der Meereshöhe in den letzten Jahren Meeresspiegel stieg langsam an und steigt noch immer!

15 Klimazyklen in den letzten Jahren Die Zeitreihen zeigen einige wichtige Merkmale bei den Treibhausgaskonzentrationen ( Antarktis): So stieg der Gehalt von CO 2 während der letzten Jahre jeweils von 180 Volumenteilen pro Million (ppmv) während der Kaltzeiten auf 280 bis 300 ppmv in den Warmzeiten. Der Methangehalt stieg jeweils von 350 auf 750 ppbv (Volumenanteil pro Milliarde). In früheren Warmzeiten lagen die CO 2 - und CH 4 -Konzentrationen etwas niedriger. Warmzeiten dauerten typisch Jahre! Welche Prozesse diese Schwankungen verursacht haben und welchen Grund die natürliche Spannbreite der Treibhausgaskonzentrationen hat, ist inzwischen geklärt Trigger: Milankovic-Zyklen.

16 Eiszeitzyklen und die Erdbahn

17 Erklärung der Eiszeitzyklen

18 Störungen der Erdbahn durch Jupiter etc.

19 heute today Exzentrizität Schiefe Erdachse Präzession

20 Zusammenfassung Paläoklima Kontinente verschieben sich auf einer Zykluszeit von etwa 500 Mio. Jahren langfristige Klimaschwankungen, Vulkanaktivität etc. Kontinente werden sich in 100 Mio. Jahren wieder verschieben neuer Superkontinent. In den letzten 1 2 Mio. Jahren stellen wir mindestens 8 Eiszeitzyklen von etwa Jahren fest. Wir leben gerade in einer Zwischeneiszeit. Die nächste Eiszeit kommt in ~ 1000 Jahren! NKlima schwankte auf Zeitskalen von 1470 Jahren dauernd hin und her das Klimasystem ist ein chaotisches System Klimaschaukel. CO 2 verhielt sich nachlaufend, nicht vorlaufend!

21 Klimamodelle Zukünftiges Klima Doku MPG

22 Der Strahlungsantrieb RF Der Strahlungsantrieb RF (radiative Forcing) ist ein Maß für die Veränderung der Energiebilanz der Erdatmosphäre durch externe Faktoren (Sonneneinstrahlung, CO 2 etc) und wird in W/m² gemessen. Der Begriff wurde vom IPCC3 (2001) eingeführt, um im Rahmen der Klimastudien den Einfluss externer Faktoren auf die Strahlungsbilanz, bzw. das Klimasystem der Erde zu beschreiben. Ein positiver Strahlungsantrieb führt zu einer Erwärmung der Erde, ein negativer Strahlungsantrieb zu einer Abkühlung.

23 IPCC = Weltklimarat Politisches Gremium WMO Genf

24 Keine eigene Forschung! Mitigation = Milderung

25 IPCC 5 th Assessment Report Working Group I: Climate science Report Ende 2013 Working Group II: Adaptation Report Anfang 2014 Working Group III: Mitigation Report Mitte 2014 Synthesis report: Report Ende 2014.

26 Strahlungsantrieb seit Industriealisierung

27 Reaktion Klimasensitivität l Die Klimasensitivität l ist eine Größe, die die globale Erwärmung der Erdatmosphäre durch die Wirkung von Treibhausgasen oder Sonneneinstrahlung ins Verhältnis zu einer Strahlungseinheit setzt. Man kann sie in Grad Kelvin pro Watt je Quadratmeter [K/(W/m²) = K m²/w] angeben. Irreführend ist jedoch die Angabe der Klimaerwärmung bei Verdoppelung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre. DT = l x RF 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.

28 Absorption in Erdatmosphäre Lässt nur 40 W/m² durch von 398 W/m² Abstrahlung von Erdoberfläche (15 C) 15 µm Infrarot-Fenster der Atmosphäre Gemini Teleskop Hawaii

29 Klimasensitivität bis zu Dinos l = 0,75 K /(W/m²) Hansen et al. 2013

30 Strahlungsantrieb vor a Wikipedia/Eiszeitalter

31 Klimasensitivität vor 1 Mio. a Betrachtet man die Temperaturwechsel während der vergangenen Eiszeiten, so konnte man anhand von Eisbohrkernen einen Temperaturwechsel von 5 C mit einem aus den Milanković-Zyklen und den Rückkopplungen (Albedo, Vegetation, Aerosole, CO 2 ) resultierenden, veränderten Strahlungsantrieb von 7,1 W/m² verknüpfen. Die daraus errechnete Klimasensitivität beträgt 5/7,1 = 0,7 K/W/m 2. Man kann diese empirisch bestimmte Klimasensitivität für die Berechnung des aus einem Strahlungsantrieb von 4 W/m² resultierenden Temperaturanstiegs benutzen, was einer Verdopplung der atmosphärischen CO 2 - Konzentration im Vergleich zu vorindustriellen Werten entspricht. Im Ergebnis zeigt sich ein Anstieg um 2 C.

32 Strahlungsantrieb als Func(CO 2 ) RF = 5,35 log(c/c 0 ) W/m² Strahlungsantrieb als Funktion der Zunahme in der CO 2 Konzentration (C/C 0 ) mit der Normkonzentration C 0 = 100 ppm.

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34 Zukünftige CO 2 Konzentration wahrscheinlich möglich? unrealistisch heute

35 IPCC5 Konzentrationspfade Die Abschätzung zukünftiger Klimaänderungen beruht auf der Anwendung von Klimamodellen auf vier Konzentrationspfade (engl. representative concentration pathways (RCPs), repräsentative Konzentrationspfade ). Diese stellen die Ergebnisse neuer Emissions-Szenarien dar, darunter erstmals eines Szenarios, das ambitionierte Klimaschutzmaßnahmen berücksichtigt (RCP 2.6). Die Pfade werden nach der Veränderung des Strahlungsantriebs benannt, der bis zum Jahr 2100 etwa mit ihnen einhergehen würde: RCP 2.6 Veränderung des Strahlungsantriebs 2,6 W/m², RCP 4.5 4,5 W/m², RCP W/m² und RCP 8.5 8,5 W/m².

36 IPCC4 / IPCC5 Konzentrationspfade Anthropogener Strahlungsantrieb

37 CO 2 -Konzentrations-Pfade IPCC5 Heute 400

38 CO 2 -Konzentration im historischen Verlauf Dinos Eiszeiten

39 Die blaue Kurve ist ein logarithmischer Fit an die HadCRUT4 Daten. Strahlungsantrieb hängt logarithmisch von der CO2-Konzentration ab und nicht linear! Dies folgt aus Strahlungstransportrechnungen.

40 Verdopplung des Wertes Vorindustrieller Wert Minimale Erwärmung nach IPCC5 Verbrennung aller fossilen Brennstoffe Die Behauptung vom IPCC, dass die TempZunahme zwischen 1,5 und 4,5 C bei Verdoppelung CO2 liegt, beruht auf einem Missverständnis der Working Group I: sie führen die gesamte Temperaturzunahme auf die Treibhausgase zurück!

41 IPCC5 Szenarien Anthropogene Temp

42 Temp Anomalie Grad C IPCC5 Szenarien nach GFDL Jahr

43 IPCC5: Meeresniveau wird steigen

44 IPCC5 Szenario RCP6.0 / NASA

45 IPCC5: Niederschläge nehmen zu Trockene Gebiete werden trockener bis -30% Feuchte Gebiete werden feuchter bis +50%

46 IPCC5 Prognosen Für die nächsten Dekaden wird eine Erwärmung von etwa 0,2 C pro Dekade vorhergesagt. Selbst wenn alle Treibhausgaskonzentrationen und Aerosole auf dem Niveau des Jahres 2000 gehalten würden, so würde sich immer noch eine Erwärmung von 0,1 C pro Dekade einstellen. Vermehrte Emission von Treibhausgasen auf dem Niveau des gegenwärtigen Wachstums bewirkt zusätzliche Erwärmung und würde unser Klima im 21. Jh. drastisch ändern heftiger als im 20. Jh. beobachtet. Die zusätzliche Wärme als Resultat menschlicher Aktivitäten wird Gletscher und polare Eiskappen abschmelzen, die Ozeane werden sich erwärmen und expandieren, was zu extremeren Wetterlagen führen wird (Tornados, ).

47 Kernaussagen 1 Klima ist ein stark nichtlineares physikalisches System bisher nur lineare Extrapolationen in Simulationen berücksichtigt! Klima ist auf allen Zeitskalen variabel! Auch ohne antropogene Einflüsse war das Klima in vergangenen Warmzeiten bis zu 8 C wärmer (!) und der Meeresspiegel bis zu 5m höher Schwingungen um die Gleichgewichtslage Warmzeit arktisches Eis war geschmolzen! antarktisches nicht. Klima ist deterministisches Chaos kleine Änderungen in Anfangswerten führen zu gewaltigen Abweichungen in der Langzeitentwicklung Attraktor besteht mindestens aus Warmzeit Kaltzeit und ist bisher nicht sichtbar in Modell-Simulationen. Variationen der Erdbahn + Schiefe der Ekliptik sind externe Antreiber mit Zykluszeit von Jahren, auf die der Mensch keinen Einfluss hat. Die nächste Eiszeit beginnt in etwa 1000 Jahren.

48 Kernaussagen 2 Treibhausgase (Wasserdampf, CO 2, Methan), neben O 2 sind wichtig für unser Klima Temperatur wäre sonst bei -18 C. CO 2 -Konzentration von ppm 400 ppm angestieg Klimaveränderung wird heute durch den Strahlungsantrieb RF(t) (in W/m²) parametrisiert IPCC5 hat 4 Szenarien (sog. RCPs) zum Studium der Klimaentwicklung definiert. Kritik: TempEntwicklung geht nicht linear, sondern logarithm Die Sonneneinstrahlung ändert sich mit dem 11-Jahres Zyklus (RF ~ 0,8 W/m²), zeigt aber auch Zykluszeiten von etwa 1000 Jahren (RF ~ 2-3 W/m²), die kleine Eiszeiten und Warmperioden mit Schwankungen um +-1 C erklären. Ursache des Temperaturanstiegs in den letzten 50 Jahren ist nicht geklärt CO 2 oder Relaxation? Gerry Meehl

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