Kapitel 5: Die Strahlung der Treibstoff der Atmosphäre

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1 Kapitel 5: Die Strahlung der Treibstoff der Atmosphäre

2 Was ist Strahlung Strahlung besteht aus elektromagnetischen Welle Strahlungsarten unterscheiden sich durch die Wellenlänge Die Infrarotstrahlung ist in drei Abschnitte unterteilt: nahes Infrarot: 0,78 bis 3 μm mittleres Infrarot: 3 bis 50 μm, fernes Infrarot: 50 bis 1000 μm. Für uns relevanter Bereich Kapitel 5: Strahlung Folie 2

3 Was ist Strahlung Jeder Körper mit einer Temperatur > 0 K emittiert und absorbiert elektromagnetische Strahlung auch jeder von uns, der Boden, die Luft,. Die Intensität und Wellenlänge der emittierten Strahlung hängt von der Temperatur des emittierenden Körpers ab je wärmer um so kürzer die Wellenlängen und um so höher die Intensität Für den Energiehaushalt der Erde sind zwei Wellenlängenbereiche relevant. Diese bezeichnen wir als: Solare Strahlung Terrestrische Strahlung Solare Strahlung (kurzwellige Strahlung) energetisch relevanter Bereich der Sonnenstrahlung: 250 nm 2500 nm, sichtbarer Bereich: nm, Maximum bei 500 nm (blau-grün) Terrestrische Strahlung (langwellige Strahlung) energetisch relevanter Bereich bei terrestrischen Temperaturen: 3,5-100 µm liegt im infraroten Spektralbereich, kann also als Wärmestrahlung bezeichnet werden Kapitel 5: Strahlung Folie 3

4 Die drei wichtigsten Strahlungsgesetze Planck'sches Strahlungsgesetz: beschreibt die spektrale Strahldichte I λ (Strahlungsenergie pro Raumwinkelelement, Querschnittsfläche, Zeit und Wellenlänge), die ein Körper gemäß seiner Temperatur bei einer ausgewählten Wellenlänge maximal abstrahlen kann. Stefan-Boltzmann-Gesetz: beschreibt die maximale Strahlungsflussdichte E (Strahlungsenergie pro Querschnittfläche und Zeit), die ein Körper gemäß seiner Temperatur insgesamt über alle Wellenlängen integriert in den über seiner Oberfläche liegenden Halbraum abstrahlen kann. Kirchhoff'sches Gesetz: Besagt, dass das Absorptionsvermögen α λ (Prozentsatz der absorbierten spektralen Strahldichte) eines Körpers seinem Emissionsvermögen ε λ (Prozentsatz der maximalen spektralen Strahldichte nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz, der tatsächlich emittiert wird) entspricht, also gleich ist. Kapitel 5: Strahlung Folie 4

5 Das Stefan-Boltzmann-Gesetz Die maximale Strahlungsflussdichte E, die ein Körper gemäß seiner Temperatur insgesamt über alle Wellenlängen integriert in den über seiner Oberfläche liegenden Halbraum abstrahlen kann, wächst proportional zur 4. Potenz seiner Temperatur (in Kelvin) die Proportionalitätskonstante heißt Stefan-Boltzmann Konstante Gleichung (3) E 4 = σ T ; σ = 5, m 2 J s K 4 Die Einheit der Strahlungsflussdichte E ist: m 2 = Energie Fläche Zeit Leistung Fläche J = = s W m 2 Kapitel 5: Strahlung Folie 5

6 Schwarze und graue Körper Einen Körper der Temperatur T, der diese theortisch berechnete maximale Strahlungsleistung tatsächlich abgibt, nennen wir einen schwarzen Körper er emittiert 100 % der möglichen Leistung sein Emissionsvermögen ε ist 100 % oder 1 gemäß Kirchhoff schem Gesetz ist dann auch sein Absorptionsvermögen α gleich 100 % bzw.1 er absorbiert also 100 % der auf ihn eintreffenden Strahlung Ein Körper, der weniger als diese maximale Strahlungsleistung abgibt, nennen wir einen grauen Körper Aber Achtung! Emissions- und Absorptionsvermögen können mit der betrachteten Wellenlänge variieren Kapitel 5: Strahlung Es ist also möglich, dass sich ein Körper in einem Wellenlängenbereich wie ein schwarzer Körper, in einem anderen Wellenlängenbereich aber wie ein grauer Körper verhält i.d.r. ε= ε(λ) Folglich müssen wir Emissions- und Absorptionsvermögen für solare und terrestrische Strahlung getrennt betrachten Folie 6

7 Stefan Boltzmann für graue Körper Liegt das Emissionsvermögen eines Körpers unter der eines schwarzen Körpers, so lässt sich die von ihm emittierte Strahlungsflussdichte vereinfacht darstellen als Gleichung (3a) E 4 = ε σ T ; 0 < ε 1 ε = effektives Emissionsvermögen über den relevanten Wellenlängenbereich (solar oder terrestrisch) ε = 1 Körper strahlt in einem Wellenlängenberiech wie ein schwarzer Körper Ein Beispiel: T=20 o C entspricht 293,15 Kelvin Emissionsvermögen 70 % als ε = 0,7 ergibt E 293 W/m 2 Kapitel 5: Strahlung Folie 7

8 Die Albedo Neben Emission und Absorption kann Strahlung von einem Körper auch reflektiert oder gestreut (also weitergeleitet) werden Ein Körper der nicht 100 % der einfallenden Strahlung absorbiert, muss den Rest reflektieren oder streuen Reflexion kann auch als Rückwärtsstreueng betrachtet werden Vorwiegend Gase (also Luftmolekühle) können die die Strahlung auch vorwärts streuen Festen Körpern bleibt im solaren und terrestrischen Strahlungsbereich nur die Option Reflexion oder Absorption Auch die Albedo kann wie das Emissions- und Absorptionsvermögen mit der betrachteten Wellenlänge variieren Eine schwarze (weiße) Oberfläche hat zunächst nur im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung eine Albedo von 0 (bzw. 1) Das Reflexions- bzw- Absorptionsvermögen einer sichtbar schwarzen Oberfläche im Bereich der Wärmestrahlung ist nicht sichtbar Kapitel 5: Strahlung Folie 8

9 Der extraterrestrische solare Strahlungsfluss Die von der Sonne ausgehende Strahlung erreicht den Oberrand der Atmosphäre Erde solare Strahlung: extraterrestrische Strahlungsflussdichte bei senkrechtem Einfall (Solarkonstante) I k = 1368 J/(m 2 s) = 1368 W/m 2 Relevante Fläche für Nutzbarkeit auf der Erde ist die Querschnittsfläche der Erdkugel A G,s = π R 2, R 6370 km Damit steht der Erde folgende solare Strahlungsleistung zur Verfügung: I k A G,s in W=J/s Diese verteilt sich auf die gesamte Erdoberfläche: A G,t = 4 π R 2 = 4 A G,s (extraterrestrische Kugeloberfläche) Im Mittel erhält also jeder Quadratmeter am Oberrand der Atmosphäre die Strahlungsflussdichte I k A G,s / A G,t = 1/4 I k = 342 W/m 2 = F s, Kapitel 5: Strahlung Folie 9

10 Die terrestrische Ausstrahlung Die Erde sendet entsprechend ihrer Temperatur selber Strahlung im terrestrischen Spektralbereich aus Betrachten wir die Erde in diesem Spektralbereich als schwarzen Körper und geben ihr eine fiktive mittlere Temperatur T E, so emittierte jeder Quadratmeter folglich F t, = σ T E 4 W/m 2 ; mit σ = 5, J/(m 2 s K 4 ) Damit emittiert die gesamte Erdoberfläche eine Strahlungsleistung von F t, A G,t = σ T E4 A G,t in W = J/s Soll sich die Erde sich in einem energetisch stabilen Zustand befinden muss die aufgenommenen solare Strahlungsenergie gleich der abgestrahlten terrestrischen Strahlungsenergie sein. Klar??? Kapitel 5: Strahlung Folie 10

11 Das Strahlungsgleichgewicht der Erde In diesem Strahlungsgleichgewicht muss also gelten: aufgenommene Strahlungsenergie = abgegebene Strahlungsenergie I k A G,s = σ T E4 A G,t ¼ I k = σ T E 4 F s, = σt E 4 F s, = 342 W/m 2 = σt E 4 Mitteltemperatur der Erde T E = K Nun nimmt die Erde aber nicht das volle Strahlungsangebot der Sonne auf, sondern reflektiert einen Teil davon wieder in den Weltraum. das solare Reflexionsvermögen bzw. die Albedo der Erde für solare Strahlung beträgt im Mittel 30 % solare Albedo α s = 0,3 Also nimmt die Erde nur (1- α s ) I k A G,s Strahlungsleisung auf Für das Strahlungsgleichgewicht gilt dann (1- α s ) I k A G,s = σ T E4 A G,t T = K (= -18,2 o C) Das ist verdammt kalt!!!!! Kapitel 5: Strahlung Folie 11

12 Die Atmosphäre Was haben wir übersehen? Einerseits absorbiert und reflektiert sie einen Teil der solaren Strahlung sie reduziert also die Strahlungsleistung, die den Erdboden erreicht Andererseits verhindert sie, dass Wärmstrahlung ungehindert in den Weltraum entweichen kann sie absorbiert (teilweise) die vom Erdboden ausgehende Wärmestrahlung sie emittiert selbst Wärmestrahlung in Richtung Erdboden Wie funktioniert das? Kapitel 5: Strahlung Folie 12

13 solare Strahlung?? terrestrische Strahlung?? Die Atmosphäre wirkt wie ein Treibhaus! Kapitel 5: Strahlung Folie 13

14 Treibhausgase: Molekülstrukturen Wasser-Molekül Kohlendioxid-Molekül Wasserstoff- (H-)Atom Sauerstoff- (O-)Atom Wasserstoff- (H-)Atom Sauerstoff- (O-)Atom Kohlenstoff- (C-)Atom Sauerstoff- (O-)Atom Molekül weist verschiedene Rotations- und Schwingungszustände auf. Molekül weist verschiedene Rotationsund Schwingungszustände auf. Kapitel 5: Strahlung Folie 14

15 Treibhausgase, Forts.: Ungeradzahlige Moleküle haben unterschiedliche Rotations- und Schwingungszustände. Der Wechsel des Schwingungs- und/oder Rotationszustandes ist bei jedem Molekül mit Absorption bzw. Emission von Strahlungsenergie verbunden. Kapitel 5: Strahlung Folie 15

16 Für die Änderung des Schwingungs- und/oder Rotationszustandes eines Moleküls ist eine ganz bestimmte Energiemenge nötig, d.h. sie kann nur dann erfolgen, wenn Strahlung in ganz bestimmten Frequenz- bzw. Wellenlängenbereichen des Spektrums zur Verfügung steht: E λ = h ν ~ 1 / λ ν Frequenz der Strahlung solar λ h Wellenlänge der Strahlung Planck sches Wirkungsquantum terrestrisch sichtbar Absorptionsvermögen der Atmosphäre in % Rotation - Schwingung Rotation Kapitel 5: Strahlung Wellenlänge µm aus: Peixoto and Oort: Physics of Climate, Figure 6.2 Folie 16

17 Bilanz und Haushalt: z nach unten gerichtete Flussdichte (<0) nach oben gerichtete Flussdichte (>0) Bilanz = 0 nach unten gerichtete Flussdichte (<0) nach oben gerichtete Flussdichte (>0) Bilanz >0 Strahlungsbilanz: Summe der nach unten und nach oben gerichteten Strahlungsflussdichten an einer Bezugsfläche bzw. Referenzniveau. Energiehaushalt: Der in einem Volumen gespeicherte Energieinhalt. Dieser ändert sich, wenn die Strahlungsbilanzen an den Grenzflächen des Volumens verschieden sind; dann fließt in das Volumen an einer Grenzfläche z.b. mehr Energie hinein als an der anderen Grenzfläche herausfließt. Eine räumliche Änderung der Strahlungsbilanz führt also immer zu einer zeitlichen Änderung des Energiehaushaltes. Kapitel 5: Strahlung Folie 17

18 Strahlungsflüsse je Quadratmeter Erdoberfläche F s, α s F s, (1-ε) σt B 4 ε σt A 4 I Ausgeglichene Strahlungsbilanzen (im langzeitigen Mittel) (1 α ) F (1 ε ) σ T 4 4 S S B ε σ TA = 0 Atmosphäre Emissionsvermögen ε = 0,78 Absorption Temperatur T A F s, Boden α s F s, α s =0,3 Emissionsvermögen ε = 1 σt B 4 Absorption solarer Strahlung in Atmosphäre wird vernachlässigt ε σt A 4 Temperatur T B II I+II 4 4 (1 αs ) F σ T + B ε σ TA S 2 (1 αs ) F + ( ε 2) σ T B W 8 W F = Ik 4 = 320 ; αs = 0,3 ; ε = 0,78; σ = 5,67 10 TB 284K = + 11 S m m K TA 239K = 34 Kapitel 5: Strahlung S T (2 ε ) σ = 0 4 = 2 (1 α ) F 4 S S B = O O C C 0 Folie 18

19 Übung: z T = 11 o C = K, α = 0.70 T = 10 o C = K, ε = 1.00 Erdoberfläche In dieser Nacht hat die Erdoberfläche eine Temperatur von 10 o C und ein Emissionsvermögen von 100 %. Die Atmosphärenschicht direkt über der Oberfläche hat eine Temperatur von 11 o C, aber ein Emissionsvermögen von nur 70 %. A. Berechnen Sie die nach oben gerichtete Strahlungsflussdichte am oberen Rand dieser Atmosphärenschicht. B. Berechnen Sie die nach unten gerichtete Strahlungsflussdichte an der Erdoberfläche, wenn in die Atmosphärenschicht am Oberrand eine Strahlungsflussdichte von 320 W/m 2 eingestrahlt wird. C. Berechnen Sie die Strahlungsbilanzen an der Erdoberfläche und am Oberrand der Atmosphärenschicht. D. Ändert sich der Energiehaushalt und damit die Temperatur in der bodennächsten Atmosphäre mit der Zeit? Falls ja, steigt oder fällt die Temperatur? E. Ändert sich die Temperatur des Erdbodens mit der Zeit? Falls ja, steigt oder fällt die Temperatur des Erdbodens? Kapitel 5: Strahlung Folie 19

20 Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre (global und über einen längeren Zeitraum (wenigstens ein Jahr) gemittelt) aus: IPCC (2001), 3. Sachstandsbericht Kapitel 5: Strahlung Folie 20

21 Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre (global und über einen längeren Zeitraum (wenigstens ein Jahr) gemittelt) aus: IPCC (2001), 3. Sachstandsbericht Kapitel 5: Strahlung Folie 21

22 Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre (global und über einen längeren Zeitraum (wenigstens ein Jahr) gemittelt) aus: IPCC (2001), 3. Sachstandsbericht Atmosphäre gewinnt: solar +67 thermisch +350 Atmosphäre verliert: thermisch Kapitel 5: Strahlung Nettoverlust Atmosphäre: = -102 W/m 2 Folie 22

23 Atmosphäre Zusammenfassung Strahlungshaushalt Gewinn durch solarer Strahlung: 67 W/m 2 Gewinn durch thermischer Strahlung: 350 W/m 2 Verlust durch thermische Strahlung: -519 W/m 2 Nettohaushalt: -102 W/m 2 Boden Gewinn durch solare Strahlung: 168 W/m 2 Gewinn durch thermische Strahlung: 324 W/m 2 Verlust durch thermische Strahlung: -390 W/m 2 Nettohaushalt: 102 W/m 2 Die Konsequenz wäre: Atmosphäre verliert ständig Energie kühlt sich permanent ab Boden gewinnt ständig Energie heizt sich permanent auf Was gleicht dieses Ungleichgewicht aus? Kapitel 5: Strahlung Folie 23

24 Der Strahlungshaushalt der Atmosphäre (global und über einen längeren Zeitraum (wenigstens ein Jahr) gemittelt) aus: IPCC (2001), 3. Sachstandsbericht Der thermische Wärmetransport: 24 W/m 2 und der latente Wärmetransport: 78 W/m 2 Kapitel 5: Strahlung Folie 24

25 Übung: Wir benutzen die Abbildung auf der vorherigen Seite, die den global und über eine längere Zeit gemittelten Strahlungshaushalt der Atmosphäre zeigt. A. Bestimmen Sie die solare Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre sowie an der Erdoberfläche. B. Bestimmen Sie die terrestrische Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre sowie an der Erdoberfläche. C. Bestimmen Sie die gesamte Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre sowie an der Erdoberfläche. D. Berechnen Sie die Erwärmungsrate (zeitliche Änderung der Temperatur) als Folge der Absorption solarer Strahlung in der Atmosphäre. E. Berechnen Sie die Abkühlungs-/Erwärmungsrate (zeitliche Änderung der Temperatur) als Folge der Absorption und Emission terrestrischer Strahlung in der Atmosphäre. F. Berechnen Sie den Netto-Effekt aus D. und E., d.h. die Temperaturänderung durch Strahlungsprozesse. Vergleichen Sie diesen Wert mit den tatsächlich beobachteten Temperaturänderungen in der Atmosphäre. Kapitel 5: Strahlung Folie 25

26 Zusammenfassung: Das Erdsystem empfängt ständig Strahlungsenergie von der Sonne, d.h. es stellt ein offenes physikalisches System dar. Andererseits emittiert und absorbiert es ständig Wärmestrahlung. Die ungeradzahligen Moleküle der Luft wechselwirken durch Änderung ihrer Rotations- und Schwingungszustände mit der Strahlung. Sie absorbieren von unten kommende Wärmestrahlung und re-emittieren sie teilweise zurück zum Boden. Dies ist die wesentliche Ursache für den Treibhauseffekt der Atmosphäre, durch den die Mitteltemperatur des Erdsystems um ca. 33 K erhöht wird. Die Atmosphäre befindet sich im Strahlungsgleichgewicht mit dem Weltraum, d.h. die Strahlungsbilanz (solar UND terrestrisch) am Oberrand der Atmosphäre ist in guter Näherung gleich Null. Betrachtet man lediglich Strahlungsprozesse, so würde sich die Atmosphäre kontinuierlich abkühlen, die Erdoberfläche sich jedoch ständig erwärmen. Stichworte zu Kapitel 5: Treibhauseffekt, solare Strahlung, terrestrische Strahlung, Strahldichte, Planck'sches Strahlungsgesetz, Strahlungsflussdichte, Stefan-Boltzmann Gesetz, Absorptionsvermögen, Emissionsvermögen, Kirchhoff'sches Gesetz, Bilanz und Haushalt, Strahlungsbilanz Kapitel 5: Strahlung Folie 26

27 Kapitel 6: Anthropogene Klimaänderung Beeinflussung des Treibhauseffekts durch den Menschen

28 CO 2 Konzentration und Temperaturanomalie (aus Messungen in Eisbohrkernen, Dome C in Antarktis, bis ca Jahre BP) Altersangaben Kapitel 6: Klimaänderung Folie 28

29 CO 2 Konzentration und Temperaturanomalie (aus Messungen in Eisbohrkernen, Dome C in Antarktis, bis ca Jahre BP) today pre-industrial Attraktor Klimaoptimum Attraktor Eiszeit Kapitel 6: Klimaänderung Folie 29

30 Anthropogene globale CO 2 -Emissionen: Wieviel CO 2 befindet sich in der Atmosphäre? Masse der Erdatmosphäre: p S = 1000 hpa mittlerer Luftdruck an der Erdoberfläche R G = 6370 km Erdradius Erdoberfläche A G = 4 π (R G ) 2 = 5, m 2 Gesamtgewicht der Atmosphäre: Kraft/Fläche * Gesamtfläche P S A G Gesamtgewicht = Gesamtmasse * Erdbeschleunigung m E g g = m/s 2 Kapitel 6: Klimaänderung Erdbeschleunigung m E = p S A G / g = 5, kg Folie 30

31 Anthropogene globale CO 2 -Emissionen, Forts.: Kohlendioxidanteil: V CO2 = 400 ppm(v) (für 2015) = 400 Volumenanteile CO 2 auf 1 Millionen Volumenanteile Luft = 0,4 Promille (bezogen auf das Volumen) Massenanteil (siehe Übungsaufgabe Folie 41) Massenanteil = Volumenanteil * M CO2 /M Luft (M=Molmasse) Massenanteil = 400 *44/29 ppm(m) = Promille (bez. auf Masse) CO 2 Masse = Promille von 5, kg Luft m CO2 = kg CO 2 m c = m CO2 * M C /M CO2 = m CO2 *12/44 m c = kg = Gt (Milliarden Tonnen) C Kapitel 6: Klimaänderung Folie 31

32 Anthropogene globale CO 2 -Emissionen, Forts.: Kohlendioxid-Masse in der Erdatmosphäre: m C = 8,607 * kg C Anthropogene globale CO 2 -Emissionen aus Verbrauch fossiler Brennstoffe, 2013: γ CO2 = 36,1 ± 1,8 Gt CO 2 / a = 36, kg CO 2 /a (Gt: Milliarden Tonnen) entspricht γ C = 9,85 ± 0,5 Gt C / a Daraus lässt sich eine Wachstumsrate ableiten von: γ C / m C = 0,01144 a -1 = 1,14 % pro Jahr D.h. aktuell werden der Atmosphäre pro Jahr über 1 % Prozent ihrer Kohlenstoffmasse durch Nutzung fossiler Brennstoffe hinzugefügt. Hinzu kommen noch geschätzte 3 Gt CO 2 /a durch die Abholzung und Verrottung bzw. Verbrennung von Wäldern Kapitel 6: Klimaänderung Folie 32

33 Globale CO 2 Emissionen Ranking der weltweit größten CO2-Emittenten aus Verbrennung fossiler Brennstoffen + Zement Produktion + Abfackelung von Erdgas für das Jahr 2014 in Mt CO2/Jahr (Quelle: GLOBAL Carbon Project, a scientific project supported by Fondation BNP Paribas RANG NATION CO2_TOT 1 China USA Indien Russische Föderation Japan Deutschland Indonesien Iran Saudi Arabien Südkorea Kanada Brasilien Südafrika Mexiko Großbritannien 428 Kapitel 6: Klimaänderung Folie 33

34 Historische CO 2 Emissionen Kapitel 6: Klimaänderung Folie 34

35 Entwicklung der globalen CO 2 Konzentration aus Messungen am Mauna Loa Observatorium Kapitel 6: Klimaänderung Folie 35

36 Zukünftige CO 2 Emissionen Sind nicht bekannt und nicht vorhersagbar! Daher werden verschiedene Szenarien über mögliche Verläufe der zukünftigen Emissionsentwicklung erstellt (z.b. bis 2100) IS92-Szenarien: IPCC Sznearien von 1992 SRES-Szenarien: Special Report on Emissions Scenrios (IPCC, 2000) B1, B2, A1B, A1, A2 RCP-Szenarien: Representative Concentration Pathways (IPCC, 2011) RCP2.6, RCP4.5, RCP6, RCP8.5 Aus Emissionsprognosen lässt sich die weitere Entwicklung der atmosphärischen CO 2 Konzentration berechnen Mit verschiedenen globalen Klimamodellen werden dann die Klimaänderungen entsprechend dem Verlauf der CO 2 Konzentration (und anderer Treibhausgase) berechnet. Die globale Politik und Gesellschaft muss dann entscheiden, welcher der möglichen Pfade sie weiter folgen will Kapitel 6: Klimaänderung Folie 36

37 CO 2 Szenarien Kapitel 6: Klimaänderung Folie 37

38 Entwicklung der CO 2 Konzentration SRES Szenarien: Prognose ab Jahr 2000 Inzwischen erreicht 400 ppm (in 2015) Kapitel 6: Klimaänderung Folie 38

39 Entwicklung der CO 2 Konzentration RCP Szenarien: Prognose ab Jahr 2005 Für 2014 prognostiziert 399 ppm Kapitel 6: Klimaänderung Folie 39

40 Auswirkungen auf den Treibhauseffekt 'direkter Effekt': Absorption terrestrischer Strahlung nimmt zu rotational - vibrational rotational from: Peixoto and Oort: Physics of Climate, Figure 6.2 Konsequenzen aus der Anwendung des Kirchhoff`schen Gesetzes und des Stefan-Boltzmann Gesetzes? Antwort: Verstärkung des Treibhauseffekts Kapitel 6: Klimaänderung Folie 40

41 'indirekte Effekte': Der direkte Treibhauseffekt wird modifiziert wegen... Eis-Albedo-Rückkopplung Temperatur steigt Schnee- und Eisbedeckung an Polen und Gletschern nimmt ab und Meeresspiegel steigt globale Albedo nimmt ab erhöhte Strahlungsabsorption Temperatur steigt weiter Eis-Akkumulation-Rückkopplung Temperatur steigt Wasserdampfgehalt steigt Niederschlag nimmt zu Schnee- und Eisbedeckung an Polen und Gletschern wächst globale Albedo nimmt zu geringere Strahlungsabsorption Temperatur nimmt ab Kapitel 6: Klimaänderung Folie 41

42 'indirekte Effekte': Der direkte Treibhauseffekt wird modifiziert wegen... Wasserdampf-Rückkopplung Strahlung-Wolken-Rückkopplung Temperatur steigt Verdunstung nimmt zu Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre steigt Treibhauseffekt verstärkt sich Temperatur steigt weiter Temperatur steigt Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre steigt Wolkenbedeckung nimmt zu globale Albedo nimmt zu geringere Absorption solarer Strahlung Temperatur nimmt ab Kapitel 6: Klimaänderung Folie 42

43 Alle diese (und viele weitere) Rückkopplungsmechanismen laufen gleichzeitig in der Atmosphäre ab. Was ist der Nettoeffekt bezüglich Temperatur und Niederschlag? Zur Beantwortung dieser Frage im Hinblick auf Vergangenheit und Gegenwart kann man Beobachtungsreihen heranziehen. Cottbus B = 0.21 K/Dekade R 2 = Kapitel 6: Klimaänderung Folie 43

44 Temperaturänderungen in Brandenburg Potsdam B = 0.19 K/Dekade R 2 = Jahresmittel linearer Trend Lindenberg B = 0.20 K/Dekade R 2 = Kapitel 6: Klimaänderung Folie 44

45 Temperaturtrends in Brandenburg Kapitel 6: Klimaänderung Folie 45

46 11 Potsdam Annual mean temperature oc trend : 0.06 K/decade Year Kapitel 6: Klimaänderung Folie 46

47 11 Potsdam Annual mean temperature oc trend : 0.25 K/decade Year Kapitel 6: Klimaänderung Folie 47

48 11 Potsdam Annual mean temperature oc trend : 0.50 K/decade Year Kapitel 6: Klimaänderung Folie 48

49 Globale Temperaturänderungen der vergangenen 160 Jahre Abweichung der jährlichen globalen Mitteltemperatur vom Klimamittel Vergleich von 3 kombinierten Datensätzen aus Messungen der Lufttemperatur über Landoberflächen und der Meeresoberflächen-temperatur (HadCRUT4, GISS, NCDC MLOST). Quelle: Climate Change The Physical Science Basis, IPCC 5th Assessment Report, WG I Kapitel 6: Klimaänderung Folie 49

50 Globale Temperaturänderungen der vergangenen 1000 Jahre Quelle: IPCC, 2001 Eine statistische Extrapolation der Gegenwart ist allenfalls näherungsweise für wenige Jahre möglich Zur Vorhersage der zukünftigen Entwicklung der Erdatmosphäre benötigt man zwingend eine Suite von Simulationsmodellen (Kohlenstoffkreislaufmodell, Klimamodell) Kapitel 6: Klimaänderung Folie 50

51 CO 2 Szenarien und globale Erwärmung Hier liegt das derzeit diskutierte 2 Grad Ziel +9 o C seit 1850 also noch 1,1 o C Reserve Emissionen müssten bis 2050 um mehr als die Hälfte reduziert werden Kapitel 6: Klimaänderung Folie 51

52 CO 2 Szenarien und regionale Erwärmung Konsequenzen für Brandenburg (Jahresmitteltemperatur, rel. zum Mittel ) 2 K K ,4 K ,2 K Unsicherheit: ca. 0,6 K Kapitel 6: Klimaänderung Folie 52

53 Kohlenstoffmasse im Erdsystem (Kohlenstoffkreislauf): Gt C / a Atmosphäre: ca. 860 Gt C Photosynthese CO? 2 ist? wasserlöslich? Biosphäre Pedosphäre Hydrosphäre (Ozeane, Binnengewässer) Kryosphäre Lithosphäre Zur Bestimmung des CO 2 -Gehalts der Atmosphäre ist die Wechselwirkung der Atmosphäre mit der Hydrosphäre und der Biosphäre zu berücksichtigen. Kapitel 6: Klimaänderung Folie 53

54 Zusammenfassung: Durch menschliche Aktivitäten (Energieerzeugung, Industrie, Verkehr, private Aktivitäten) wird der Atmosphäre gegenwärtig pro Jahr rund 1% der vorhandenen Kohlenstoffmasse zusätzlich hinzugefügt. Dies führt zu einer verstärkten Absorption terrestrischer Strahlung ('direkter Effekt'), was im Erdsystem über Rückkopplungsmechanismen (sog. 'indirekte Effekte' ) eine Reihe von Konsequenzen hat. Einige 'indirekte Effekte' sind qualitativ besprochen worden: Eis-Albedo-Rückkopplung, Eis-Akkumulation-Rückkopplung, Wasserdampf-Rückkopplung, Strahlung-Wolken-Rückkopplung. Aus direktem und indirekten Effekten resultiert eine Temperaturerhöhung in der Atmosphäre (Beispiel: Zeitreihe der Temperatur an der DWD-Station Cottbus ). Mögliche Entwicklungen der Treibhausgas-Konzentrationen werden über verschiedene Emissionsszenarien vorgegeben. Ihre Auswirkung auf die globale und regionale Klimaentwicklung wird mit Klimamodellen berechnet. Stichworte zu Kapitel 5: Klimabegriff, anthropogene Modifikation des Treibhauseffekts, 'direkter' Effekt, 'indirekte' Effekte, z.b. Eis-Albedo-Rückkopplung, Eis-Akkumulation- Rückkopplung, Wasserdampf-Rückkopplung, Strahlung-Wolken-Rückkopplung, Analyse von Zeitreihen atmosphärischer Parameter, Treibhausgasszenarien Klimaprojektionen, Kohlenstoffkreislauf Kapitel 6: Klimaänderung Folie 54