The Physical Science behind Climate Change

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1 The Physical Science behind Climate Change William Collins, Robert Colman, James Haywood, Martin R. Manning, Philip Mote Scientific American, August 2007, p Mag. Leitner Johannes Institute for Astronomy, University of Vienna

2 Hintergrund der Studie: Paper basiert auf dem Summary for Policymakers des IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change (gleiche inhaltliche Struktur). Februar 2007 veröffentlicht. IPCC erhielt 2007 den Friedensnobelpreis für ihre Arbeit (gleichanteilig wie Al Gore). Der endgültige Report (Synthesis Report) wurde im November 2007 veröffentlicht. Online unter verfügbar.

3 Kernaussagen: I.) Die Wissenschaftler sind heute mehr als je zuvor davon überzeugt, dass die Menschen das Klima beeinflusst haben und dass ein vom Menschen verursachter Klimawandel gegenwärtig stattfindet. //.) Einige dieser Klimaveränderungen sind heute unumkehrbar und unvermeidlich, aber die weitere Zukunft liegt noch in unserer Hand. Die Größenordnung des Klimawandels hängt von unseren Maßnahmen gegen die Emission von Treibhausgasen ab.

4 4 Thematiken werden in dem Gutachten (und dem Paper) untersucht: 1) Was sind die treibenden Kräfte des Klimawandels? 2) Faktum - Beobachtete Veränderungen im Klimasystem. 3) Ursache und Wirkung gibt es eine eindeutige Zuordnung? 4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen.

5 (1) Was sind die treibenden Kräfte des Klimawandels: Konzentration von atmosphärischen Gasen (alle Treibhausgase) I: CO 2 CH 4 (Methan) N 2 O (Distickstoffmonoxid bzw. Lachgas) Halogenkohlenwasserstoffe (u.a. Treibgase oder Kältemittel, z.b.: FCKW) Von Eis-Bohrkernmessungen wurde abgeleitet, dass die atmosphärische Konzentration über fast 10,000 Jahre relativ konstant war und seit 200 Jahren rapide zunimmt. Treibhausgas CO 2 35 % CH % Halogenkohlenwasserstoffe 20 % Zunahme im Vgl. zum vorindustriellen Level Rate der CO 2 -Zunahme heute höher als in jeder anderen Dekade seit dem Beginn kontinuierlicher atmosphärischer Messungen (um 1950).

6 (1) Was sind die treibenden Kräfte des Klimawandels: Konzentration von atmosphärischen Gasen (alle Treibhausgase) II: Radiative forcing: Konzept, zur Beschreibung des Effekts der erhöhten Gaskonzentrationen auf das Klima. = Differenz im globalen Energiehaushalt, heute und in vorindustriellen Zeiten. + forcing = Erwärmung - forcing = Abkühlung

7 (1) Was sind die treibenden Kräfte des Klimawandels: Wer oder was trägt die Verantwortung für diese Zunahme I? Für Halogenkohlenwasserstoffe gibt es keine natürlichen Quellen! Grundsätzlich zeigen CO 2, CH 4, N 2 O eine markante geographische Konzentration über dem Land und hierbei insbesondere auf der Nordhalbkugel. Isotopenmessungen (erlauben eine Quellendifferenzierung) zeigen, dass der Großteil der CO 2 -Zunahme im direkten Zusammenhang mit der Verbrennung von fossilen Brennstoffen steht. CH 4, N 2 O sind ebenfalls Nebenerscheinungen von der Verwendung fossiler Brennstoffe, aber insbesondere stehen sie auch im direkten Zusammenhang mit der Landwirtschaft (Dünger).

8 (1) Was sind die treibenden Kräfte des Klimawandels: Wer oder was trägt die Verantwortung für diese Zunahme II? Natürliche Ursachen: Veränderungen in der Sonnenaktivität. Vulkanische Eruptionen. Eine Anmerkung bzgl. Sonnenaktivität: Seit Mitte des 20. Jh. befindet sich die Sonne in einer äußerst aktiven Phase (doppelt so hohe Aktivität wie im langfristigen Mittel) und höher als jemals zuvor in den letzten 1000 Jahren. Seit dem Ende der letzten Eiszeit war die Sonne selten so aktiv wie von den 1940er Jahren an bis heute. Erst 8000 Jahre in der Vergangenheit findet man eine vergleichbare Periode wie in den letzten 60 Jahren.

9 (1) Was sind die treibenden Kräfte des Klimawandels: Wer oder was trägt die Verantwortung für diese Zunahme III? Weitere vom Menschen verursachte forcing-mechanismen/einflüsse: Aerosole. Strato- und troposphärisches Ozon. Albedo der Oberfläche. Kondensstreifen von Flugzeugen. Etc. Jedoch: Der Einfluss von vielen dieser Mechanismen ist bis heute noch relativ unverstanden! Bsp. Aerosole: Aerosole interagieren mit Wolken und machen diese heller reflektieren mehr Sonnenlicht zurück. Wie stark absorbieren und reflektieren Aerosole jedoch das Sonnenlicht? tragen sie zur Kühlung bei und in welchem Ausmaß? Stärker als die Erwärmung?

10 (1) Was sind die treibenden Kräfte des Klimawandels: Wer oder was trägt die Verantwortung für diese Zunahme IV?

11 (1) Was sind die treibenden Kräfte des Klimawandels: Wer oder was trägt die Verantwortung für diese Zunahme V? Basierend auf zahlreichen Messungen und Simulationen: Einfluss des vom Menschen verursachten forcing etwa 10 x so groß, wie natürliche Ursachen. Die Erde wird sich umso mehr und umso schneller erwärmen, je mehr die Emission von Treibhausgasen zunimmt.

12 (2) Faktum - Beobachtete Veränderungen im Klimasystem: 11 der letzten 12 Jahre waren die Wärmsten seit Beginn der Aufzeichnungen (1850). Veränderungen der globalen Temperatur, des Meeresspiegels und der Schneebedeckung (insbesondere in der N-Hemisphäre) zeigen einen eindeutigen Trend: Aktueller Wert des IPCC für die globale Erwärmung: 0.74 ± 0.18 C (zw und 2005), wobei allein: 0.65 ± 0.15 C. Es gibt zahlreiche Rückkopplungsmechanismen und Interaktionen zwischen globaler Temperatur, Niederschlag, Meeresspiegel, Eisdecke, Gletscher, Albedo, Permafrostboden, etc., und nur ein geringer Teil ist bis heute vollständig verstanden.

13 (2) Faktum - Beobachtete Veränderungen im Klimasystem: Die Frühlings-Schneedecke, welche mit steigenden Frühlingstemperaturen in der N-Hemisphäre immer geringer wird, erfuhr 1988 einen abrupten Rückgang und hält sich seitdem auf einem niedrigen Niveau (zeigt Auswirkungen auf Bodenfeuchte, Grundwasserhaushalt, etc.). Erhöhte Niederschlagsmengen wurde seit den 1980er Jahren in N- und S-Amerika, N-Europa, N- und Zentralasien beobachtet. Austrocknung tritt seitdem verstärkt in der Sahelzone, S-Afrika, Mittelmeerraum und S-Asien auf. Erwärmungstrends in Ozeanen nehmen mit der Tiefe ab (erwartet). Man vermutet, dass die Ozeane gegenwärtig 80 % der zusätzlichen Wärme aufgenommen haben führt zum Ansteigen des Meeresspiegels (Polschmelze, thermische Expansion, etc.). Ansteigen des Meeresspiegels (zw und 2003): 3.1 ± 0.8 mm Rückgang arktisches Meereseis (seit 1973): 2.7 ± 0.6 % pro Dekade.

14 (2) Faktum - Beobachtete Veränderungen im Klimasystem:

15 (2) Faktum - Beobachtete Veränderungen im Klimasystem: Oberflächennahes Wasser der Ozeane wird in mittleren und hohen Breitengraden erneuert während es in den tiefen Breitengraden immer salziger wird. (konsistent mit Veränderungen in den globalen Niederschlagsverteilungen). Noch viele weitere Hinweise beobachtbar.

16 (3) Ursache und Wirkung gibt es eine eindeutige Zuordnung? Ein positives forcing kann also unbestritten festgestellt werden, doch welche Beweise gibt es, dass der Mensch wirklich der Verursacher ist? IPCC Report, 2001: Menschen als Ursache wahrscheinlich, zu mehr als 66 %. IPCC Report, 2007: Menschen als Ursache sehr wahrscheinlich, zu mehr als 90 %. Dieser Zugewinn an Sicherheit resultiert aus: 5 weiteren Jahren Beobachtungsmaterial, welches im Wesentlichen alte IPCC Prognosen stützt (bzgl. globaler Temperaturerhöhung, die alte Prognosen sind hauptsächlich auf Treibhausgas-Simulationen basierend). Wesentliche Verbesserungen bei den Klimamodellen: -) Inkludierung von Effekten wie Aerosolen, Wolken, atmosphärischen Zirkulationszellen, Transpiration der Vegetation, etc. -) Zahlreiche Modelle, welche das historische und zukünftige Klima simulieren und welche einander bestätigen. Klärung von Diskrepanzen zwischen Boden- und Ballonmessungen (Effekt der Wärmeinseln).

17 (3) Ursache und Wirkung gibt es eine eindeutige Zuordnung? Der menschliche Fingerabdruck kann durch 2 Sachverhalte gezeigt werden: 1) Eine stärkere Erwärmung über dem Land im Vergleich zu den Ozeanen ist nachgewiesen und ebenfalls eine stärkere Erwärmung des oberflächennahen Wassers im Vergleich zum tiefen Ozean. Ein Großteil der Erwärmung wird durch die Ozeane aufgenommen (welcher sich aber langsamer erwärmt). 2) Die Troposphäre (niedriger) erwärmt sich, die Stratosphäre jedoch kühlt ab. Wenn die erhöhte Sonnenaktivität die Ursache wäre, dann würde dies in einer Erwärmung der gesamten Atmosphäre resultieren. Rückkopplung: Zunahme von Treibhausgasen Verringerung des stratosphärischen Ozons. Anmerkung: Einfluss der kosmischen Strahlung bis dato nicht ausreichend verstanden. Ebenfalls nicht die gegenwärtig stattfindende Umpolung des Erdmagnetfeldes.

18 (3) Ursache und Wirkung gibt es eine eindeutige Zuordnung? Der menschliche Einfluss ist grundsätzlich auch in einzelnen, extremen Ereignissen erkennbar (ausgesprochen kalte oder heiße Nächte, Hitzewellen, etc.). Allerdings darf man dafür nicht ausschließlich den Klimawandel verantwortlich machen, da es solche Events auch schon früher gab, und insbesondere, lokale und kurzfristige Ereignisse äußerst komplex sind. Der menschliche Einfluss auf das Klima wird jedoch dazu führen, dass solche extremen Events immer häufiger auftreten.

19 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Auch wenn die Emissionen ausreichend reduziert werden um eine Stabilisierung des Klimas zu erreichen, werden die Nachwirkungen uns noch Jahrhunderte begleiten. Bei einem plausiblen zukünftigen Emissionsgrad wird während der nächsten 20 Jahre die globale Temperatur um etwa 0.2 C pro Dekade steigen (vgl. zu den letzten 30 Jahren). Für das 21. Jh. hängt die weitere Erwärmungsrate direkt von den Emissionen ab und je nachdem ergeben sich eine Reihe von verschiedenen Szenarien. Eine Erhöhung zwischen 1.8 und 4.0 C für das 21. Jh. lässt sich aus den Modellrechnungen ableiten. Problem: Je wärmer der Planet wird, desto ineffektiver wird die Bindung von CO 2 durch natürliche Prozesse im Boden und in den Ozeanen. Ein höherer Emissionsgrad würde den Klimawandel noch zusätzlich beschleunigen.

20 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Das zu erwartende Ansteigen des Meeresspiegels im 21. Jh. wird etwa cm betragen (wobei dies zu 60 % aufgrund von thermischer Expansion passiert). Eine Beschleunigung der Eisschmelze ist in diesen Modellen nicht inkludiert (speziell nicht Grönland und Arktis, würde etwa weitere cm beitragen). Die gravierendsten Auswirkungen werden in den Polregionen spürbar sein. In hohen Breitengraden wird die Temperatur am stärksten zunehmen. Niedrigere Breitengrade werden mehr Hitzewellen und stärkere Hurrikans und Typhons erfahren.

21 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen:

22 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Zentral- und Südamerika: -) Trop. Regenwald Savannen -) Artensterben in Regenwäldern -) Verlust von fruchtbaren Land -) Gefahr von Überflutungen in tiefgelegenen Gebieten -) Absterben der Korallenriffe -) Verminderte Fischfangausbeute -) Trinkwassermangel

23 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Nordamerika: -) im W: reduzierte Schneedecken, Überflutungen -) Längere Phase erhöhter Brandgefahr (Wälder) -) Ernteausfälle durch Wasserknappheit möglich -) erhöhte Anzahl und Intensität von Hitzewellen -) in Küstengebieten erhöhtes Risiko verschiedener Umweltkatastrophen

24 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Polarregionen: -) Ausdünnung de Eises und Abschmelzen -) Veränderungen im arktischen Seeeis-Level und der Tiefe der Permafrostböden (Auftauen in größere Tiefen) -) Ökosystem wird sich gravierend verändern! +) Verringerung der Heizkosten und neue Schifffahrtsrouten

25 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Australien/Neuseeland: -) Wasserknappheit -) weiterer Verlust von Biodiversität -) erhöhte Sturmgefahr und Überflutungen (durch Steigen des Meeresspiegels) +) Neuseeland: erhöhte landwirtschaftl. Produktion, weniger Frost (anfänglich, bis etwa 2030) -) erhöhte Brandgefahr

26 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Asien: -) Überflutungen, Gletscherschmelzen, Muren, etc. -) Wasserknappheit -) Ernteausfälle und hohes Bevölkerungswachstum Hungersnöte

27 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Europa: -) Überflutungen -) im S: mehr Hitzewellen, Wasserknappheit, Energieknappheit (wegen Wassermangel), Ernteausfälle -) Zentralregionen: Hitzewellen, Niederschlagsknappheit, erhöhte Brandgefahr +) N: geringere Heizkosten, bessere Ernten, Waldwachstum

28 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Afrika: -) Wassermangel (ab 2020 statt 75 Mio. unterversorgt, dann 250 Mio. Menschen) -) Ernteausfälle, Verlust von fruchtbaren Land -) geringere Fischfangausbeute in großen Seen

29 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Kleine Inseln: -) Steigen des Meeresspiegels Überflutungen -) ab 2050 Wasserknappheit -) Zerstörung der Küsteninfrastruktur ( Auswirkungen auf Tourismus)

30 (4) Projektionen zukünftiger Auswirkungen: Bis heute ist unser Wissen um die Komplexität und um mögliche Rückkopplungsmech. nicht ausreichend und es verbleiben große Unsicherheiten bezüglich zukünftiger Szenarien. Dennoch, Pflanzen, Tiere und wir Menschen müssen mit den Auswirkungen des eingesetzten Klimawandels für die nächsten 1000 Jahre leben.

31 Danke für die Aufmerksamkeit