CO 2 im Klimasystem. F. Joos & Urs Lauterburg (Experimente) Klima- und Umweltphysik Oeschger Zentrum für Klimaforschung Universität Bern

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1 CO 2 im Klimasystem F. Joos & Urs Lauterburg (Experimente) Klima- und Umweltphysik Oeschger Zentrum für Klimaforschung Universität Bern

2 CO 2 Konzentration (ppm) Beispiellos: CO 2 der letzen Jahre % < Zeit (1000 Jahre vor heute) (Lüthi et al.,2008, NOAA)

3 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr Beispiellos: Globale CO 2 Emissionen % < (CDIAC)

4 Die Erwärmung geht weiter

5 DT( o C) Temperaturänderung auf der Nord- und Südhalbkugel Norden Süden 2016 Jahr

6 Entwicklung der Jahrestemperatur: Abweichung von Mittel ( o C)

7 Irreversible Wirkung der CO 2 Emissionen Wie verändern die Emissionen der letzten ~10 Jahre - CO 2 in der Atmosphäre? - die globale mittlere Oberflächentemperatur?

8 DCO 2 (ppm/100 GtC) Die Auswirkungen der CO 2 Emissionen sind irreversibel auf menschlichen Zeitskalen 50 CO 2 Änderung Jahre nach heute Ein grosser Teil der Emissionen bleibt Jahrtausende in der Atmosphäre

9 DCO2 (ppm/100 GtC) DSAT ( o C/100 GtC) Die Auswirkungen der CO 2 Emissionen sind irreversibel auf menschlichen Zeitskalen 50 CO 2 Änderung 0.4 Temperaturänderung Jahre nach heute Jahre nach heute Temperaturänderung - innerhalb Jahren realisiert - permanent über Jahrhunderte

10 Jede hundert Milliarden Tonnen-C an CO 2 Emissionen führen zu einer «permanenten» Erwärmung von rund 0.17 o C (beste Schätzung) Stabilisierung der CO 2 Emissionen genügt nicht um Temperatur und Klima zu stabilisieren; > Emissionen müssen gegen Null sinken

11 Wieso wirkt die erhöhte CO 2 Konzentration auf das Klima?

12 Wieso wirkt die erhöhte CO 2 Konzentration auf das Klima? Elektromagnetische Strahlung Wellenlänge, l

13 Wellenlänge der Abstrahlung eines Körpers hängt von Temperatur ab l max 1 ~ T «Heisser» Körper: «Kalter» Körper: kurzwellige Abstrahlung (sichtbares Licht) langwellige Abstrahlung (infrarotes Licht) Beide Abstrahlungen sind von der selben Art: elektromagnetische Strahlung

14 Infrarot und sichtbare Strahlung Beide sind von der selben Art: elektromagnetische Strahlung Warme Körper: höhere Energieabstrahlung pro Fläche Messung: - sichtbar: detektiert durch Auge - infrarot: Infrarotkamera - sichtbar & infrarot: Bolometer

15 Experiment: Spektrum einer Lampe (3000 Kelvin) Lampe Prisma Spektrum

16 Energiefluss Experiment: Spektrum einer Lampe (3000 Kelvin) Projektion Resultate Bolometer: Blau Infrarot Infrarot Bolometer; detektiert Energiefluss Laufschiene für Bolometer

17 Energiefluss (Watt/(m 2 dl ) Die Sonne strahlt im sichtbaren, die Erde im infraroten Bereich l max 1 ~ T sichtbares Licht infrarotes Licht Wellenlänge, l (mikrometer) Sonne 6000 K Erde C =255 K

18 Einfachstes Model des Treibhauseffektes Sonne (6000 K) s (T A ) 4 Atmosphäre (T A =-255 K) Absorption H 2 O, CO 2 Atm. Strahlung zur Erde&Weltraum S(1-a) s (T O ) 4 s (T A ) 4 Erdoberfläche (T O =290 K) Zusätzlicher Energiefluss aus Atmosphäre -> wärmer an Erdoberfläche

19 Quantenmechanik: CO 2 absorbiert Infrarot, nicht sichtbares Licht

20 Absorption Strahlung CO 2 absorbiert Strahlung der Erde, aber lässt Sonnenlicht passieren 100% 0% Absorption durch CO2 Wellenlänge (micrometer)

21 1896 Arrhenius: Verdoppelung von CO 2 -> 6 Grad Erwärmung heute: Verdoppelung von CO 2 -> Grad Erwärmung

22 Wie verteilt sich CO 2 im Klimasystem?

23 Der globale Kohlenstoffkreislauf: Reservoire Atm: 600 GtC Ozean: ~ GtC Biomasse+Boden: ~ 4000 GtC Ciais et al., 2013

24 Der globale Kohlenstoffkreislauf: Atmosphärische Zunahme 4 GtC/yr Emissionen (fossil+land Nutzung): 8.9 GtC/yr Ozean Senke 2.3 GtC/yr Land Senke 2.6 GtC/yr Ciais et al., 2013

25 Zunahme von Kohlenstoff im Ozean aus Beobachtungen mol m -2 Sabine et al., 2003

26 14C (Radiokarbon): Wie rasch wird CO 2 in die Tiefe des Ozeans transportiert?

27 Verteilung von D14C auf 2000 m Permil / «Wasser-Alter» Jahre Jahre Jahre Beobachtet Jahre Model Müller, et al., J. Climate, 2005

28 Modelle des Erdsystems Uni Bern: Modellentwicklung Linux Cluster/ Supercomputer Biogeochemical Processes

29 Klimaziele: Was können wir erreichen?

30 International efforts to address climate change "Climate change is one of the greatest challenges of our time" Copenhagen Accord (2009) 1992 Rio Stabilisierung der Treibhausgase 1998 Kyoto Reduktion der CO 2 Emissions um 5% 2010 Cancún Begrenzung der Erwärmung auf 2 C 2015 Paris Efforts für 1.5 C

31 Internationale Vereinbarungen zur Klimafrage UN Framework Convention on Climate Change (Art. 2):... stabilization of greenhouse gas concentrations in the atmosphere at a level that would prevent dangerous anthropogenic interference with the climate system.... should be achieved within a time frame sufficient to allow ecosystems to adapt naturally to climate change, to ensure that food production is not threatened and to enable economic development to proceed in a sustainable manner. UNFCCC: Eine Vielzahl von Zielen Wieviel CO 2 dürfen wir noch emittieren um die Ziele zu erreichen?

32 Art. 2 verlangt mehr als ein Klimaziel (Steinacher et al., Nature 2013)

33 Bayesischer Ansatz zur Modelkalibrierung Wahrscheinliche Antwort des Klimasystems Definition von Klimazielen vergleichbarer Strenge -> zulässige Emissionen (Steinacher et al., 2013, 2016)

34 Das Budget an zulässigen CO 2 Emissionen (66% Wahrscheinlichkeit das Ziele erreicht werden) 472 GtC um das 1.5 o C Ziel mit 68% Wahrscheinlichkeit zu erreichen (Steinacher et al., Nature, 2013)

35 Multiple Klimaziele verlangen noch tiefere Einschnitte in den Emissionen Hinausschieben von Massnahmen erfordert später verstärkte Anstrengungen um Ziele zu erreichen Klimaziele bekommen unerreichbar wenn die Emissionsreduktionen verzögert werden oder ungenügend bleiben.

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37 Ein Physikstudium an der Uni Bern ist die ideale Grundlage für die Klimaforschung und für vieles mehr Informationsbroschüren beim Ausgang