Globaler Klimawandel: Ursachen und Folgen

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1 Übersicht Globaler Klimawandel: Ursachen und Folgen Datum Dr. Axel Kleidon Max-Planck-Institut für Biogeochemie Thema Einführung, Überblick über das Klimasystem Strahlung und Energiebilanz Dynamik der Atmosphäre und Ozeane fällt aus Wasser- und Kohlenstoffkreislauf Klimate der Erde Modelle, Wechselwirkungen und Feedbacks Paleoklimatologie Eiszeiten, Holozän, die letzten 1000 Jahre Global Warming: Szenarios der nächsten 100 Jahre Global Warming: Konsequenzen Andere Formen von Klimaänderung: Landnutzung, Urbanisierung Zusammenfassung, Diskussion, Feedback fällt aus 1 Global Carbon Cycle Good planets are hard to find The same physical foundation of climate system function can lead to drastically different climates on other planets. Venus Earth 2 Residence time of atmospheric CO2? Mars atmosphere: 750 GtC 60 GtC/yr 90 GtC/yr plants: 500 GtC soils: 1,500 GtC ocean: 38,000 GtC GtC = Gigatons of Carbon = 1012 kgc Photo credit: NASA, ESA 3 4

2 Carbon Dioxide Ground Level C O O C O O - O C - O O O O O C C O O 15 µm CO2!!! symmetric band stretching no band bending 15 µm asymmetric band stretching 4.3 µm from: Peixoto and Oort: Physics of Climate, Figure "E a "t = R A LP SH # $F a 7 8

3 de s dt ground heat flux = change in ground heat storage Surface Energy Balance = G = R s LE SH F net radiation = sum of solar and terrestrial radiation (absorption and emission) turbulent heat fluxes = sum of sensible and latent heat flux horizontal heat transport (ocean only) Water Balance In the climatic mean, fluxes in and out of the 3 boxes balance: Atmosphere not included: snowmelt, photosynthesis, respiration, geothermal flux, human energy use Ocean 37 Land all fluxes in m 3 / yr 9 10 Water Balance atmosphere: (P - E): removal of moisture, sink for atm. moisture divergence of moisture transport net release of latent heat ocean: (P - E): freshwater flux ( river basin discharge) affects density, stability, oceanic circulation land:! (P - E): runoff connects to surface energy balance affects humid/arid, vegetation 11 Deep Roots in Amazonia top 30 cm: 69% of biomass top 2 m: 98% of biomass deep roots SE Amazonia 18 m: rooting depth Nepstad et al. (1994) Nature 12

4 Deep Roots and Evapotranspiration Precipitation (mm) Plant Available Soil Water 400 (mm) 200 dry season 0-2m 2-8m present-day climate models deep roots 0 Leaf Area (%) 0 M J J A S O N D J F Nepstad et al. (1994) Annual Balance & Variations Budyko (1974): Ratio ET/P as a function of RAD/P Climate System Feedbacks external change in forcing surface temperature 15 greenhouse effect atmospheric water vapor positive feedback ability of air to hold moisture evaporation 16

5 Reconstructing the Past Use of Isotopes: Estimating ages Example: Radiocarbon (C-14) " - is radioactive, i.e. decays exponentially with half life of 5730 years! - normally created in upper atmosphere! - once organic material is buried, C-14 decays Dating the Past Use of Isotopes: Understanding processes Example: O-18 " - stable isotope! - leads to heavier water! - affects mass-dependent processes, e.g. evaporation! - e.g. colder climate!! -> more ice, less sea-water!! -> sea-water contains more O-18!! -> deposits contain more O Paleo CO2 Retallack Petit et al. (1999) Nature 20

6 Globaler Kohlenstoffkreislauf Szenarienentwicklung 23 24

7 4-*#&4'&<$ 1'5*$ #=4#-*$,*$ "43"$ 0,*4*2#5$ 8"#&#$ =#&*4),0$ $45$3&#,*#5*9$!"#$%&'(#)*#$%,**#&-$'.$)",-3#$45$=#&6$ 54140,&$,1'-3$ *"#$ 0,*#;)#-*2&6$ ),5#5$ 4&&#5%#)*4=#$ '.$ *"#$ 5)#-,&4'9$>'-,006$,=#&,3#$!$#05$-'&1,045#$?6$*"#$1#,-$ :432&#$!A9BCD9$EFG9HI Szenarienentwicklung PROJECTIONS OF,4*4'-,0$.&#5"8,*#&$.&'1$1#0*4-3$'.$*"#$R&##-0,-$S)#$ A"##*<$?2*$*"'5#$*",*$",=#$'$-'*$5233#5*$*",*$*"45$8400$0#,$ *'$,$)'1%0#*#$KLM$5"2*'8-9$!,T#-$*'3#*"#&<$4*$45$"#$%! &'(#&%! *",*$ *"#$ KLM$ 8400$ &#2)#<$?2*$ =#&6$ )*&'(#&%$ *",*$ *"#$KLM$8400$2-#&3'$,$0,&3#$,?&2%*$*&,-54*4'-$2&4-3$*"#$ )'2&5#$ '.$ *"#$ BF5*$ )#-*2&69$ O'-3#&;*#&1$ )",-3#5$ 4-$ *"#$ KLM$),--'*$?#$,55#55#$84*"$)'-!$#-)#9$EC9U<$FG9HI SURFACE TEMPERATURES A1 storyline: Convergence. Very rapid economic growth, low population growth, and the rapid introduction of new and more e!cient technologies. High growth A2 storyline: very heterogeneous world. High population growth, slower and more heterogeneous economic growth B1 storyline: Convergence and sustainability. Low population growth, reductions in material intensity, and shift toward a service and information economy. B2 storyline: heterogeneous world with continued environmental emphasis. Moderate population growth, intermediate levels of economic development, less rapid technological change. Dynamics as usual Figure TS.28. Projected surface temperature changes for the early and late 21st century relative to the period 1980 to The central and right panels show the AOGCM multi-model average projections ( C) for the B1 (top), A1B (middle) and A2 (bottom) SRES scenarios averaged over the decades 2020 to 2029 (centre) and 2090 to 2099 (right). The left panel shows corresponding uncertainties as the relative probabilities of estimated global average warming from several different AOGCM and EMIC studies for the same periods. Some studies present results only for a subset of the SRES scenarios, or for various model versions. Therefore the difference in the number of curves, shown in the left-hand panels, is due only to differences in the availability of results. {Adapted from Figures 10.8 and 10.28} Landnutzung und Klima Landnutzung und Klima des = G = Rs LE SH F dt reduzierte Absorption => kühler reduzierte Evapotranspiration => wärmer photo: Lyons et al. (2002) 27 28

8 29 Dr. Axel Kleidon Max-Planck-Institut für Biogeochemie

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