Übersicht. 1 Klimasystem und Klimawandel. 2 Emissionen von Treibhausgasen. 3 Impacts von Klimawandel. Vorlesung 2: Grundlagen 1/33

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1 Vorlesung 2: Grundlagen 1/33 Übersicht 1 Klimasystem und Klimawandel 2 Emissionen von Treibhausgasen 3 Impacts von Klimawandel

2 Vorlesung 2: Grundlagen 2/33 Strahlungshaushalt der Erde Alle Körper mit einer Temperatur > 0 K (> C) geben Energie in Form von Strahlung ab. Die Temperatur des Körpers beeinflusst dabei sowohl die abgegebene Leistung als auch die Verteilung der Wellenänge: Stefan-Boltzmannsches Gesetz für schwarzen Strahler: P = σ A T 4 (höhere Temperatur mehr Strahlungsleistung) Wiensches Verschiebungsgesetz: λ max T = const (höhere Temperatur Emission bei kleinerer Wellenlänge)

3 Spektralverteilung Vorlesung 2: Grundlagen 3/33

4 Vorlesung 2: Grundlagen 4/33 Strahlungshaushalt der Erde Die Erde empfängt Strahlungsenergie von der Sonne und strahlt selbst wieder ab. Ein Teil der einfallenden Strahlung wird von Gasen, Aerosolen oder am Boden reflektiert (Albedo, im Durchschnitt ca. 30%) Der übrige Teil der einfallenden Strahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert. Die Oberflächentemperatur stellt sich im Mittel so ein, dass die absorbierte Energie gleich der abgestrahlten Energie ist (Strahlungsgleichgewicht). Ohne Treibhauseffekt würde das Strahlungsgleichgewicht eine mittlere Temperatur von ca. 19 C implizieren.

5 Vorlesung 2: Grundlagen 5/33 Strahlungshaushalt der Erde Da die Sonne eine höhere Oberflächentemperatur besitzt als die Erde, hat die auf der Erde einfallende Strahlung eine kleinere Wellenänge als die von der Erde abgegebene Strahlung. Langwellige Strahlung wird in der Atmosphäre stärker absorbiert und dann (auch) zur Erdoberfläche zurückgestrahlt. Ein Teil der abgegebenen Strahlung wird absorbiert, so dass die Oberflächentemperatur ansteigt (Treibhauseffekt). Dadurch steigt die mittlere Oberflächentemperatur auf ca. 14 C.

6 Vorlesung 2: Grundlagen 6/33 Strahlungshaushalt der Erde Quelle: AR4, IPCC, 2007, nach Kiehl und Trenberth, 1997

7 Strahlungshaushalt der Erde Der Strahlungshaushalt hängt damit davon ab wie viel der eintreffenden Strahlung in der Atmosphäre oder von der Oberfläche reflektiert werden (Wolken, Aerosole, Bodenbedeckung), der abgestrahlten Energie in der Atmosphäre absorbiert/reflektiert wird (Wolken, Aerosole, Treibhausgase). Wolken erhöhen den Anteil reflektierter kurz- und langwelliger Strahlung (Nettoeffekt: Abkühlung). Einige Gase (z.b. SO 2 ) erhöhen den Anteil reflektierter kurzwelliger Strahlung. Einige Gase (z.b. CO 2, CH 4, N 2 O) erhöhen den Anteil absorbierter langwelliger Strahlung. Verringerte Schneebedeckung oder schwarze Ablagerungen auf Schnee und Eis reduzieren die Bodenreflexion. Vorlesung 2: Grundlagen 7/33

8 Vorlesung 2: Grundlagen 8/33 Strahlungshaushalt der Erde Eine Erhöhung der Konzentration von Treibhausgasen führt zu einer stärkeren Absorption von Strahlung in der Atmosphäre. Dadurch verschiebt sich das Strahlungsgleichgewicht zu einer höheren Oberflächentemperatur. Dies kann positive Feedback-Effekte auslösen: verringerte Schneebedeckung, Abgabe von Treibhausgasen (CH 4 ) aus auftauenden Permafrostböden. Das Gleichgewicht wird weiter zu einer höheren Temperatur verschoben.

9 Vorlesung 2: Grundlagen 9/33 Kohlenstoffkreislauf der Erde Quelle: AR4, IPCC, 2007

10 Vorlesung 2: Grundlagen 10/33 Kohlenstoffkreislauf Treibhausgase wie CO 2 und CH 4 sind Teil des Kohlenstoffkreislaufs. Kohlenstoff wird von Pflanzen und Tieren aufgenommen und durch Respiration (autotroph und heterotroph) wieder abgegeben. Netto wird dabei Kohlenstoff gebunden. Kohlenstoff wird auch zwischen Atmosphäre und den oberen Schichten der Ozeane ausgetauscht. Ein kleiner Teil wird dabei in tiefere Schichten transportiert. Der Mensch beeinflusst diesen Kreislauf direkt und indirekt: Thermische Nutzung fossiler Brennstoffe Änderung der Landbedeckung, insbesondere Entwaldung Änderung der Konzentration an Treibhausgasen in der Atmosphäre bewirkt Änderungen im Austausch mit Biosphäre und Ozeanen

11 Klimasystem Quelle: AR5, IPCC, 2013 Vorlesung 2: Grundlagen 11/33

12 Klimasystem Quelle: AR5, IPCC, 2013 Vorlesung 2: Grundlagen 12/33

13 Vorlesung 2: Grundlagen 13/33 Emissionen Quelle: AR5, IPCC, 2013

14 Vorlesung 2: Grundlagen 14/33 Emissionen Quelle: AR5, IPCC, 2013

15 Vorlesung 2: Grundlagen 15/33 Emissionen: Länder Quelle: AR4, IPCC, 2007

16 Emissionen: Länder Quelle: AR4, IPCC, 2007 Vorlesung 2: Grundlagen 16/33

17 orlesung 2: Grundlagen 17/33 Emissionen: Zerlegung E CO2 = Pop GDP Pop Energy GDP E CO2 Energy E CO2 : CO 2 -Emissionen Pop: Bevölkerung GDP Pop : GDP pro Kopf Energy GDP : Energieintensität des GDP E CO2 Energy : CO 2-Intensität der Energieversorgung Achtung: Zerlegung keine Erklärung Fokus auf fossile Brennstoffe

18 Vorlesung 2: Grundlagen 18/33 Emissionen: Änderungen Quelle: AR4, IPCC, 2007

19 Vorlesung 2: Grundlagen 19/33 Emissionen: Zusammensetzung Quelle: AR5, IPCC, 2013

20 Vorlesung 2: Grundlagen 20/33 Emissionen: Zusammensetzung Quelle: AR5, IPCC, 2013

21 Vorlesung 2: Grundlagen 21/33 Impacts Die Oberflächentemperatur beeinflusst Wind und Niederschläge. Klimawandel verursacht keinen gleichmässigen Anstieg der Temperatur auf der Erdoberfläche sondern unterschiedliche Effekte in verschiedenen Regionen. Zudem sind Änderungen in der Variabilität (zeitlich und räumlich) von Niederschlägen zu erwarten. Dies verursacht Anpassungen in Ökosystemen.

22 Vorlesung 2: Grundlagen 22/33 Impacts Zu unterscheiden: 1 Änderungen in klimatischen Bedingungen (Temperatur, Niederschläge) und deren direkte Konsequenzen (Wasserverfügbarkeit, Nutzbarkeit von Land für Landwirtschaft, etc.) 2 Änderungen in Ökosystemen (Bodenbedeckung, Artenvielfalt, Verbreitung einzelner Spezies) 3 Änderungen in menschlichen Lebensbedingungen Bei jedem dieser Schritte gibt es Unsicherheit. Aus ökonomischer Sicht, ist vor allem Punkt 3 relevant, wo die Unsicherheit am grössten ist.

23 Vorlesung 2: Grundlagen 23/33 Impacts Quelle: AR4, IPCC, 2007

24 Vorlesung 2: Grundlagen 24/33 Impacts Quelle: AR5, IPCC, 2013

25 Vorlesung 2: Grundlagen 25/33 Impacts Quelle: AR5, IPCC, 2013

26 Vorlesung 2: Grundlagen 26/33 Impacts Quelle: AR5, IPCC, 2013

27 Unsicherheit Quelle: AR5, IPCC, 2013 Vorlesung 2: Grundlagen 27/33

28 Vorlesung 2: Grundlagen 28/33 Beispiel 1: Kosten des Klimawandels D. Albouy, W.Graf, R. Kellog, H. Wolff (2014), Climate Amenities, Climate Change, and American Quality of Life Fragestellung & Idee Was sind die direkten Kosten des Klimawandels (Änderung des Wohlergehens auf Grund der Änderung klimatischer Bedingungen)? Wie bewerten Menschen die klimatischen Bedingungen an ihrem Wohnort? Untersuchung auf der Basis beobachteten Verhaltens in den USA

29 orlesung 2: Grundlagen 29/33 Bewertung von Impacts: Beispiel Ansatz Menschen sind bereit Kosten auf sich zu nehmen, um an einem Ort mit angenehmem Klima zu leben. Diese Kosten bestehen aus höheren Lebenshaltungskosten (z.b. Kosten für Wohnraum) oder niedrigeren Löhnen. In den USA bestehen sehr unterschiedliche klimatische Verhältnisse und Menschen sind relativ mobil Vergleich der Zahlungsbereitschaft für angenehmes Klima

30 Vorlesung 2: Grundlagen 30/33 Bewertung von Impacts: Beispiel Datenbasis 1: Heating Degree Days (HDD): 365 max[0, T t 65] t=1 Cooling Degree Days (CDD): 365 max[0, 65 T t ] t=1

31 Vorlesung 2: Grundlagen 31/33 Bewertung von Impacts: Beispiel Datenbasis 2: Nutzen = Quality of Life * Konsum Konsum = Einkommen / Cost of Living Abweichungen vom Mittelwert: d ln QOL = d ln COL d ln Income Annahme: Nutzen überall gleich (perfekte Mobilität)

32 Vorlesung 2: Grundlagen 32/33 Zusammenfassung Durch die Emissionen von Treibhausgasen beeinflusst der Mensch die Strahlungsbilanz der Erde. Dies verursacht Änderungen in der mittleren Oberflächentemperatur sowie in der räumlichen und zeitlichen Verteilung derselben. Diese Änderungen bewirken Veränderungen in Niederschlägen sowie Anpassungen in Ökosystemen und menschlichen Lebensbedingungen. Die Änderungen können regional sehr unterschiedlich ausfallen. Je weiter in der Argumentationskette (Klima Ökosysteme menschl. Lebensbedingungen) gegangen wird und je stärker räumlich disaggregiert wird, desto grösser werden Unsicherheiten.

33 Vorlesung 2: Grundlagen 33/33 Nächste Woche Abbildung von Klimawandel in ökonomischen Modellen Bitte ansehen: Nordhaus A Question of Balance, Ch. 2+3 sowie den Anhang mit den Modellgleichungen.