Biogeochemische Kreisläufe im globalen Klimasystem

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1 Biogeochemische Kreisläufe im globalen Klimasystem Martin Heimann Max-Planck-Institut für Biogeochemie Hans-Knöll Str. 10, PF , Jena Tel.: (03641) Info Vorlesungswebsite: Parallelvorlesungen: Annette Freibauer: Biogeochemische Prozesse Martin Werner: Das Klimasystem der Erde - eine Einführung in die Paleoklimatologie Literatur: L.D. Danny Harvey: "Global Warming, the Hard Science". Pearson Education Limited, Harlow, UK, 2000 (ISBN ). S.S. Butcher, R.J. Charlson, G.H. Orians, and G.V. Wolfe (Eds.): "Global Biogeochemical Cycles". Academic Press, London, Storch, H.v., S. Guess, and M. Heimann: "Modellierung des Klimasystems: Eine Einführung in Funktionsweise, Anwendungen und Grenzen von konzeptionellen und realitätsnahen Modellen". Springer, Heidelberg, (auch für nicht-naturwissenschaftler verständliche Übersicht über das globale Klimasystem) J.T. Houghton, Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, and C.A. Johnson (Eds.): "Climate Change 2001: The Scientific Basis". Cambridge University Press, Cambridge, (ISBN /6) ("Third Assessment Report" des Intergovernmental Panel on Climate Change) Summary for Policymakers and Technical Summary of WG I Report 2

2 Inhalt der Vorlesung 1. Einführung - Rolle der Biogeochemie in der jüngsten Klimageschichte 2. Komponenten des physikalischen Klimasystems: Energiehaushalt - Energiebilanzmodell des Klimasystems Wichtige Prozesse in Atmosphäre und Ozean Landoberflächen und hydrologischer Kreislauf - biophysikalische Wechselwirkungen 3. Treibhausgase - Einführung 4. Anthropogene Treibhausgase: FCKW 5. Kreislauf des Methans (CH 4) 6. Kohlenstoffkreislauf 7. Globaler Wandel: Anthropogene Antriebsfaktoren Simulationen des globalen Wandels Klimaforschung, Politik und Gesellschaft 3 Einführung - Rolle der Biogeochemie in der jüngsten Klimageschichte 4

3 Klimaarchiv: Eiskerne Photo: GISP-2 drilling site (M. Morrison) Photo: margin of Quelcaya Ice Cap (L. Thompson) 5 Tiefbohrungen in der Antarktis DML Dome F Byrd Dome C Vostok 6

4 Dome C (Concordia) Drilling Site (EPICA Project) 7 Speicherung der Klimainformation im Eis 8

5 Klimageschichte: Die letzten Jahre (Vostok Eiskern, Antarktis) CO2 CH4 Temperatur 9 Letzte Jahre (Erste Messungen vom EPICA Eiskern) Climate and Greenhouse Gases during the last 650 Kyrs 1700 ppbv 280 ppmv 260 ppmv 180 ppmv!" ( C) EPICA Dome C Indermuehle et al (submitted) EPICA project members (2004) Spahni et al (submitted) Vostok Pépin et al ( 2001) Petit et al (1999) Delmotte et al (2004) 375 ppmv CO2 (ppmv) ppbv 600 ppbv CH4 (ppbv) 350 ppbv Age (yr BP) 10

6 dielectric-profiling peak corresponding to MIS 11 ge depth interval with low dielectric-profiling values. ever, a clear dust peak, as well as a large decrease in the size, at a depth of 2,910 m, which should correspond IS 14, thus implying that there is no dielectric-profiling MIS 13. The dd record confirms that the interglacial s at a depth of 2,842 m, but is considerably colder ent interglacials. This intermediate climate is insuffidielectric-profiling peak, probably because of reduced of volatile acids20. D record, we first note a clear change in the amplitude erglacial changes before and after MIS 12, with the The good match extends through the period from 338 to 626 kyr, in which there are no imposed control windows. The difference between the ages of gas bubbles and the surrounding ice was computed with a firn model22. The first section of EDC ice that is novel, that is, older than was EPICA Eiskern Daten (Dome C) Temperatur 5.5 EDC Vostok KlimaRekonstruktion der letzten Jahre ed parameters from the EPICA Dome C ice core, on an ice depth scale. over 3.85-m sections. b, Grain radius, measured approximately every centration below 787 m, there is one sample every 5.5 m; above that, 1.5 m. d, Electrical data (as discussed in the Methods), in 1-m ation V is marked by an arrow in a. Figure 2 Comparison of EPICA Dome C data with other palaeoclimatic records. a, Insolation records4. Upper blue curve (left axis), mid-july insolation at 658 N; lower11 black curve (right axis), annual mean insolation at 758S, the latitude of Dome C. b, dd from EPICA Dome C (3,000-yr averages). Vostok dd (red) is shown for comparison1 and some MIS stage numbers are indicated; the locations of the control windows (below 800-m depth) used to make the timescale are shown as diamonds on the x axis. c, Marine oxygen isotope record. The solid blue line is the tuned low-latitude stack of site MD and ODP6773; to indicate the uncertainties in the marine records we also show (dashed red line) another record, which is a stack of seven sites for the last 400 kyr but consisting only of ODP site 677 for the earlier period2. Both records have been normalized to their long-term average. d, Dust from EPICA Dome C. Letzte Eiszeit: Jahre Vergleich Grönland - Antarktis Temperatur (18O) und CH Nature Publishing Group NATURE VOL JUNE

7 Letzte 1000 Jahre: Rekonstruktion der atmosphärischen CO 2 Konzentration 13 Letzte 1000 Jahre: Rekonstruktion der atmosphärischen CH 4 Konzentration 14

8 Änderungen der Oberflächentemperatur während der letzten 2000 Jahre (Nordhemisphäre) Abweichung vom Durchschnitt Quelle: IPCC AR4 in Vorbereitung Zunahme der atmosphärischen CO2 Konzentration Vergangene 1000 Jahre und Szenarien für die nächsten 100 Jahre ppm 1, Ice core data Direct measurements Projections ppm 1, Scenarios A1B A1T A1FI A2 B1 B2 IS92a Quelle: IPCC TAR

9 Global gemittelte Temperatur in Oberflächennähe Variations of the Earth s surface temperature: years 1000 to 2100 Departures in temperature in C (from the 1990 value) Observations, Northern Hemisphere, proxy data Global instrumental observations Projections Several models all SRES envelope Abweichung vom Wert 1990 Quelle: IPCC TAR Bars show the range in year 2100 produced by several models Scenarios A1B A1T A1FI A2 B1 B2 IS92a Figure 9-1b: Variations of the Earth s surface temperature: years 1000 to Over the period 1000 to 1860, observations are shown of variations in average surface temperature of the Northern Hemisphere (corresponding WGI TAR SPM Figures 1b & 5d data from the Southern Hemisphere not available) constructed from proxy data (tree rings, corals, ice cores, and historical records). The line shows the 50-year average, and the grey region the 95% confidence limit in the annual data. From the years 1860 to 2000, observations are shown of variations of global and annual averaged surface temperature from the instrumental record. The line shows the decadal average. Over 17 Zentrale Fragen Wie hängen die globalen Kreisläufe des CO2, des CH4 und des N2O (=Biogeochemische Kreisläufe) mit dem Klimasystem zusammen? Wer bestimmt wen? Eiszeiten: Klima -> BGC? Heute: BGC -> Klima? Wie kann dieser Zusammenhang quantitativ bestimmt werden? -> Darstellung mit Hilfe von mathematischen Modellen (analytisch und/oder numerisch) Wie wirkt sich der Einfluss des Menschen auf das Erdsystem aus? 18

10 Atmosphären Atmosphären der Atmosphären erdnaher Erdeerdnaher und Planeten Nachbarplaneten Planeten Venus Venus Erde Erde MarsMars Atmosphärendruck 90 bar Atmosphärendruck 90 bar 11 bar bar Zusammensetzung CO2 (96%) Zusammensetzung CO2 (96%) der Atmosphäre N2 (3.5%) der Atmosphäre N2 (3.5%) N2 (77%) CO2 (95%) N CO2 (95%) 2 (77%) O2 (21%) N2 (2.7 %) O (21%) N (2.7 %) Ar2 (1%) Ar (1.62 %) Ar Ar (1.6 %) H2O(1%) (variabel) COO (0.038%) H 2 2 (variabel) 15 C (0.038%)-50 C CO 2 Oberflächentemperatur 470 C Oberflächen470 C Natürlicher +513 C temperatur Treibhauseffekt 15 C +32 C Natürlicher Treibhauseffekt +32 C +513 C bar bar -50 C +5 C +5 C 19 Cartoon System Das of System ErdeEarth 20

11 Nomenclature Physical climate system: Atmosphere, oceans, cryosphere, land surface + exchange processes of energy, water, momentum (World Climate Research Program) Climate system: Physical climate system + aerosols + biogeochemical cycles + terrestrial and marine biology + atmospheric chemistry (International Geosphere-Biosphere Program) Earth system: Climate system + anthroposphere (International Human Dimensions Program) 21 Globale biogeochemische Kreisläufe Element Atmospheric climate agent (greenhouse gas, aerosol) Anthropogenic impact Carbon, C CO2 ++ CH4 ++ Oxygen, O - - Nitrogen, N N2O, (NOx,...) + Phosphorus, P - - (reg.) Sulfur, S (DMS), SO4 + (reg.) Micronutrients (Fe, Mn,...)

12 Komponenten des physikalischen Klimasystems 23 Prozesse im globalen Klimasystem 24

13 Energiehaushalt 25 Grössenordnung exemplarischer Energieflüsse im globalen Klimasystem Solarkonstante 1370 Wm-2 Solare Einstrahlung (globales Jahresmittel) ~ 342 Wm-2 Wind und Meeresströmungen Geothermischer Wärmefluß aus dem Erdinneren Gezeiten Photosynthese Ein Mensch Energieverbrauch in der BRD ~ 4 Wm-2 ~ 0.07 Wm-2 ~ Wm-2 ~ 0.1 Wm W ~ 1.6 Wm-2 26

14 Strahlungsspektren von Sonne und Erde (vereinfacht) 27 Schema der globalen Energieflüsse in der Atmosphäre (Wm-2) 28