Peter Lemke. Klimawandel als Herausforderung. Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven

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1 Klimawandel als Herausforderung Peter Lemke Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven Institut für Umweltphysik Universität Bremen

2 Inhalt 1.Was ist das Problem? 2.Was wird beobachtet? 3.Was bringt die Zukunft? 4.Und was tun wir?

3 Inhalt 1.Was ist das Problem? 2.Was wird beobachtet? 3.Was bringt die Zukunft? 4.Und was tun wir?

4 Das multi-disziplinäre Klimaproblem Anthropogener Einfluss Wechselwirkung zwischen Klimakomponenten: Austausch von Wärme, Impuls, Masse

5 Klimaänderungen Natürliche Ursachen: Externe: Sonne (zurzeit sehr konstant) Änderungen der Umlaufbahn (lange Zeitskalen, > Jahre) Vulkanausbrüche (kurze Zeitskala) Interne: Rückkopplungen im Klimasystem, Nichtlinearitäten Anthropogene (menschliche) Ursachen: Änderungen der Landoberfläche CO 2 -Emissionen

6 Weltbevölkerung: 6,756,528,577 The Challenge: Sustainable Management of an Ever-Changing Planet

7 Ernährung The Challenge: Food Security

8 Global Crop Cover Change 1700 to 1992 BIOME 300 Fraction of Grid Cell in Croplands

9 Beobachteter CO 2 Anstieg: Landnutzung: 22% CO 2 -Emission: 78% Was bedeutet das für die Energiebilanz der Erde?

10 Strahlungsbilanz Solarkonstante (Energieflußdichte) S = 1368 W/m 2 Energieaufnahme der Erde: Querschnitt S Absorption π 2 r S (1 α) α = Albedo = Reflektivität Wärmeabstrahlung der Erde: Oberfläche therm. Strahlung 2 4πr σt σ = Stefan-Boltzmann Konstante 4 thermisches Gleichgewicht: π r = 2 2 ( 1 α) S 4πr σt 4

11 Strahlungstemperatur 2 π r ( 1 α) S = 4πr σt 2 4 ( 1 α ) S = 4σT 4 T 4 ( 1 ) /(4σ ) = S α Sonnenenergie Reflektivität

12 Venus Erde - Mars T 4 ( 1 α) /(4σ ) = S Venus: S v = 2623 Wm -2 α v = 0.77 Also: Erde: S e = 1368 Wm -2 α e = 0.3 Also: Mars: S m = 589 Wm -2 α m = 0.24 Also: T v = 227K = -46 C T e = 255K = -18 C Erde als Schwarzkörper (α es = 0) T es = 278,7K = 5,6 C T m = 211K = -62 C

13 Der Treibhauseffekt Solare Einstrahlung Langwellige Wärmeabstrahlung H 2 O CO 2 CH 4

14 Treibhauseffekt Atmosphäre ist durchlässig für solare Einstrahlung 2 πr S α (1 ) Atmosphäre absorbiert einen Teil der thermischen Ausstrahlung β 4πr 2 σt 4 s

15 Treibhauseffekt Temperatur: T s = 4 S( 1 α) /( β 4σ ) Venus: S v =2623Wm -2 α v = 0.77 β = (99,2%) Also: T vs = 760K = 487 C Tv = 227K = -46 C Erde: S e =1368Wm -2 α e = 0.3 β = 0.62 (38%) Also: T es = 287K = 15 C Te = 255K = -18 C

16 Waterworld: S ww = 1368Wm -2 α ww = 0.1 β = 0.62 Also: T ww = 306K = 32 C

17 Eisplanet Krypton S ep =1368Wm -2 α ep = 0.8 β = 0.62 Also: T ep = 210K = -63 C

18 Klimasystem Planetare Gleichgewicht: Strahlungs- Temperatur 255 K = -18 C Natürliche Treibhausgase Oberflächentemp. 288 K = +15 C

19 Inhalt 1.Was ist das Problem? 2.Was wird beobachtet? 3.Was bringt die Zukunft? 4.Und was tun wir?

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21 Zeit (in 1000 Jahren vor heute) Atmosphärische Gaskonzentrationen aus Eiskernen 394

22 Atmosphärischer CO 2 -Gehalt: Mauna Loa ( ) Die Emissionsrate steigt weiter an.

23 Global gemittelte Temperaturen steigen deutlich an GISS Data

24 Globale Erwärmung 2013?

25 Meereis-Ausdehung NH Trend: -4% pro Dekade SH Trend: +1% pro Dekade NSIDC

26 Global warming is unequivocal Arctic Summer Sea Ice Extent -35% Upper Ocean Heat Content Surface Temperature IPCC, AR5

27 Beitrag von Gletschern zum Meeresspiegelanstieg seit Verstärkter Gletscherrückgang seit Beginn der 1990er Morteratsch Gletscher Massenverlust von Gletschern und Eiskappen: 0.37 ± 0.16 mm yr -1, ± 0.22 mm yr -1, Neu (2013): 0.8 mm yr -1 Lemke et al. (2007) IPCC AR4, Chapter 4

28 Total Greenland ice sheet melt area increased 65% since 1979 over the 30 year record; on average 2%/year Cumulative Melt Area (10 6 km 2 ) Year Konrad Steffen and Russell Huff, CIRES, University of Colorado at Boulder 1996 The increasing trend in the total area of melting bare ice is at 13% per year

29 Contributions to sea level rise AR4 Thermal expansion Glaciers and ice caps Greenland Ice Sheet Antarctic Ice Sheet Sum of contributions Observed total sea level rise ± ± ± ± ± ± 0.7 AR LWS IPCC, AR5 Ice sheet mass loss Greenland 0.6 mm/a Antarctica 0.4 mm/a

30 Observed Sea Level Change IPCC, AR5 During Sea Level Rise: 0.19 m Average rate: 1.7 mm/year Current rate: 3.2 mm/year 30

31 Meeresspiegelanstieg in der Nordsee etwa 16 cm im letzten Jahrhundert Mittlerer Meeresspiegel In den letzten Jahren ist der Meeresspiegel in der Nordsee im mittel um 1.6 mm/jahr angstiegen. Vergleichbar mit globalem Meeresspiegelanstieg In den letzten Jahrzehnten ( ) höhere Anstiegsraten in der Nordsee (etwa 3.7 mm/jahr) auch im Vergleich zum globalen Mittel (3.20 mm/jahr) Figure 1: Standard deviation from de-trended annual MSL time series from 30 tide gauge sites around the North Sea; (b) Sea level index for the Inner North Sea and results from applying SSA smoothing; (c) Sea level index for the English Channel and results from applying SSA smoothing. (Wahl et al.2013) Aktuell hohe Anstiegsraten sind jedoch vergleichbar mit hohen Anstiegsraten in der Vergangenheit 31

32 Sturmfluten hauptsächlich durch Meeresspiegelanstieg erhöht Extremwasserstände Extreme Wasserstände sind in den letzten Jahren in der Nordsee angestiegen Hauptsächlich in Folge des Meeresspiegelanstieges Meteorologische Komponenten zeigen starke Schwankungen aber keinen eindeutigen Langzeittrend. Schwankungen des Sturmflut- und Seegangsklima sind konsistent mit der Sturmakivität in der Nordsee. Figure 2: Annual mean high water and linear trend at Cuxhaven, Germany (bottom) and corresponding difference between annual 99-percentile and annual mean high water levels (top); In addition an 11-year running mean is shown in the upper panel. (Weisse 2008; Update after von Storch and Reichardt 1997; Update until 2012 in Emeis et al., submitted) 32

33 Inhalt 1.Was ist das Problem? 2.Was wird beobachtet? 3.Was bringt die Zukunft? 4.Und was tun wir?

34 Modelle für Atmosphäre und Ozean Zustandsvariablen: Temperatur T Salzgehalt, Feuchte S, q Druck p Strömung, Wind u, v, w 1. Massenerhaltung (Wasser,Luft): 1 Dρ = u ρ Dt 2. Massenerhaltung für Salz/Wasserdampf 3. Energieerhaltung Du Dt 1 = 2 p ρ 4. Impulserhaltung (3): Ω u + g + F

35 Attribution Process SPM-1 Fig SPM-3 other GHGs aerosols volcanic solar natural internal Model IPCC, AR4

36 Klimasimulationen mit anthropogenen Treibhausgas-Emissionen Erwärmung der letzten 50 Jahre ist überwiegend durch den Menschen verursacht. ohne anthropogene Treibhausgas-Emissionen IPCC, AR4

37 CO2 Emissionen (Milliarden Tonnen Kohlenstoff) A2 A1B B1 ppmv Szenarien der wirtschaftlichen und technologischen Entwicklung CO 2 Konzentrationen IPCC, AR4

38 IPCC, AR4 Projektionen der globalen Erwärmung

39 Klimaprojektionen Globale Temperatur Arktisches Meereis im Sommer IPCC, AR5

40 Szenarien für die Entwicklung des Meeresspiegels Projektionen ( ) sind höher als in AR4 ( ) RCP 2.6: 0.4m ( ) (rel. zu ) RCP 8.5: 0.6m ( ) IPCC, AR5, 2013 Geringes Vertrauen in höhere Projektionen von semi-empirischen Modellen 40

41 Projizierte Änderung der Niederschlagsverteilung nasser Winter trockener Sommer Winter Sommer IPCC, AR4

42 Heißer Sommer 2003 normal in 2050, kühl in 2070?

43 Inhalt 1.Was ist das Problem? 2.Was wird beobachtet? 3.Was bringt die Zukunft? 4.Und was tun wir?

44 CO 2 Emissionen (Milliarden Tonnen Kohlenstoff/Jahr)... liegen in der Nähe des schlimmsten Szenarios des IPCC Fossil fuel CO 2 emissions [PgC/y] Scenarios: IPCC Representative Concentration Pathways Observation uncertainty band (± 1 standard deviation) 2100: ΔT ~ 4 C Data: CDIAC (preliminary for 2009, 2010) Figure: Raupach et al (in prep, Dec 2011) Citation for data: Peters, G.P., Marland, G., Le Quéré, C., Boden, T., Canadell, J.C. and Michael R. Raupach (2011). Rapid growth in CO2 emissions after the Global Financial Crisis. Nature Climate Change 1 (doi: /nclimate1332)

45 Unsere Herausforderung: Wissenschaft: Problem erkannt, Lösungswege ermittelt. Problemlösung: erfordert politische, sozio-ökonomische, und persönliche Umsetzung. die nachhaltige Nutzung eines sich stetig wandelnden Planeten

46 Herausforderungen Anpassung: Meeresspiegelanstieg - Deiche erhöhen Schutz gegen Überschwemmungen Katastrophenschutz (Extremwetter) Hitzewellen Vermeidung Energieeinsparungen CO 2 -Vermeidung (CCS) Alternative Energietechnologien

47 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Wir sollten nicht vergessen dass die Zukunft zur Gegenwart wird und die Gegenwart zur Vergangenheit und dass sich die Vergangenheit in ewige Reue verwandelt, wenn man nicht früh genug plant. Tennessee Williams (Amanda zu Tom in: Die Glasmenagerie):