Christian-D. Schönwiese Goethe-Universität Frankfurt/Main Institut für Atmosphäre und Umwelt

Christian-D. Schönwiese Goethe-Universität Frankfurt/Main Institut für Atmosphäre und Umwelt ESA/EUMETSAT: METEOSAT 8 SG multi channel artificial composite colour image, 23-5-2003, 12:15 UTC

Vor 4,54 Milliarden Jahren entsteht aus einem Urnebel das Sonnensystem mit der Erde. Die Zeitreise beginnt Optimale Bedingungen Seitdem gibt es bzgl. Klimawandel, Sonnenabstand, in den Größe und Struktur unterschiedlichsten ermöglichen die zeitlich-räumlichen Entstehung von Strukturen Luft, Wasser und und Boden aus und den somit unterschiedlichsten auch von Leben Gründen. auf der Erde.

Klimawandel seit der Erdentstehung C Abkühlung der heißen Urerde durch Abstrahlung und Umwandlung der CO 2 -in eine N 2 /O 2 -Atmosphäre Viele Quellen, hier nach Schönwiese 2013

Klimawandel, letzte ~ 500 Mill. Jahre Temperatur (global, relativ) W W W W heutiges Niveau E 3 E 2 E 1 W: Warmklima ohne Eisvorkommen (akryogen) Tertiär Quartär E: Eiszeitalter, seit ca. 2 Mill. J.: Quartäres Eiszeitalter (E1) Primäre Ursache: Kontinentaldrift, Eis-Albedo-Rückkopplung Bubenzer u. Radtke, 2007

Paläogeographie vor 440 Mill. Jahren und Relativbewegung des geographischen Südpols Kontinentaldrift: Lage des großen Urkontinents Gondwana im Bereich des geograph. Südpols Eintritt des Silur- Ordovizischen Eiszeitalters Bildung des Atlantiks im Devon Beendigung durch die Öffnung des Atlantiks Kombiniert nach Smith et al., 1982, und Frakes, 1979, hier nach Schönwiese, 2013

Der extreme Klimazustand Schneeball Erde Hoffmann et al., 2000 1. Vor ca. 650-750 Mill. Jahren gruppierten sich viele relative kleine Kontinente in den Tropen starke (chemische) Verwitterung. 2. Dies sowie die Karbonat-Bildung am Ozeanboden entzogen der Atmosphäre viel CO 2 großräumige Vereisung der Erde). 3. Der Vulkanismus emittiert u.a. CO 2 (atm. Akkumulation wegen der fehlenden ozeanischen/biosphär. Senke) drastische Erwärmung.

Klimasimulation Schneeball-Erde Zeit: ca. 700 Mill. Jahre vor heute (Präkambrium); Kontinentgrenzen Hyde et al., 2000; verändert nach Bubenzer und Radtke, 2007

Klimawandel, letzte 650 000 Jahre Warmzeit Kaltzeit wärmer kälter Waal Cromer Holstein Eem Donau Günz Mindel Riss Würm Neo IPCC 2007 Primäre Ursache: Orbitalparameter (CO 2, CH 4 reagieren!)

Orbitalparameter der Erdumlaufbahn um die Sonne, die nach Milankovic den Eis-/Warmzeit-Zyklus steuern Exzentrizität, Periode ca. 95 000 J. Erdachse P. ~41000 J. Präzession P. ~20000 J. Die Exzentrizität der Erdumlaufbahn um die Sonne führt zu Variationen der Sonneneinstrahlung, die Neigung der Erdachse steuert die Ausprägung der Jahreszeiten und die Präzessionsbewegung ändert das Datum von Aphel bzw. Perihel (sonnennächste bzw. sonnenfernste Position der Erde). Berger, 1984

Kalt-/Warmzeiten in Rekonstruktion und Modell Holstein Riss Eem Würm Neo Mindel (Sedimentbohrung, trop. Pazifik) Nach Berger, 1981, gestrichelt, sowie Imbrie, 1984, gepunktet, u.a., hier nach Schönwiese,, 1994

Klimawandel, letzte 10 000 Jahre Nordhem. 4 3 2 1 Kaltzeit-Niveau ca. 10-11 C Rasche Erwärmung Fluktuationen zwischen relativ warmen u. kalten Epochen, zuletzt Römerzeit-Warmphase (4), Völkerwanderungszeit- Kaltphase (3), Mittelalter-Warmphase (2), Kleine Eiszeit (1) Primäre Ursachen (unsicher!): Sonnenaktivität, Vulkane; Besonderheiten ozeanischer und atmosphär. Zirkulation Viele Quellen, hier nach Schönwiese, 1994

Klimaänderungen, letzte ~2000 Jahre (relativ zu 1961-1990) Unsicherheit 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Zeit in Jahren Dazu gibt es 11 Alternativen Balkenbereich (Unsicherheit; IPCC,2007) Industriezeitalter: Der Klimafaktor Mensch tritt hinzu

Klimawandel, Industriezeitalter (Neoklima)

Temperaturanomalien in C. 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2-0,4 Klimawandel, Industriezeitalter (Neoklima) Globaltemperatur, Jahresanomalien 1850-2012 Vergleich CRU-Datensatz (relativ zu 1961-1990) 1878 mit GISS-Datensatz (relativ zu 1951-1980) polynomialer Trend (CRU) 1862 1911-0,6 1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000 1944 1956 1964 1976 1998 2005 2010 Zeit in Jahren CRU: Climatic Research Unit, Universität Norwich, UK; GISS: Goddard Institute for Space Studies, NASA, USA

Regionale Aspekte des Klimawandels Temperaturtrends 1901-2000 (Jahreswerte) C Datenquelle: Jones et al., 2005; Analyse: Schönwiese et al, 2005

Temperatur-Anomaliekarte März 2013 Quelle: GISS, NASA, USA (Internet, Abruf 16.04.2013)

Übersicht der jahreszeitlichen Klimatrends in Deutschland (Flächenmittelwerte, nach Schönwiese und Janoschitz, 2005) Klimaelement, Zeitintervall Frühling Sommer Herbst Winter Jahr Temperatur, 1901 2000 + 0,8 C + 1,0 C + 1,1 C + 0,8 C + 1,0 C 1951 2000 + 1,4 C + 0,9 C + 0,2 C + 1,6 C + 1,0 C Niederschlag, 1901 2000 + 13 % - 3 % + 9 % + 19 % + 9 % 1951 2000 + 14 % - 16 % + 18 % + 19 % + 6 % Winter Sommer Niederschlagtrends 1901-2000 in Prozent

Temperaturanomalien in C. 6 4 2 0-2 -4-6 -8 Deutschland-Temperatur, Winteranomalien 1761-2013 (relativ zu 1961-1990) 2007 1796 1834 1975 1990 1998 2010 1985 1996 1970 1929 1940 1947 1963 1830 1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Zeit in Jahren Datenquelle: Rapp, 2000; DWD; Analyse: Schönwiese Mittelwert (1961-1990): 0,2 C: 2006/07: 4,3 C

Temperaturanomalien in C. 4 3 2 1 0-1 -2-3 Deutschland-Temperatur, Sommeranomalien 1761-2012 1781 1826 1805 1821 1816 1834 (relativ zu 1961-1990) 1859 1947 2003 1992/94 1983 1993 1962 1978 1987 1916 1956 1913 1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Zeit in Jahren Datenquelle: Rapp, 2000; DWD; Analyse: Schönwiese Mittelwert (1961-1990): 16,2 C; 2003: 19,6 C

Wird das Klima extremer? Dresden, Aug. 2002 Düsseldorf, Aug. 2003 Motten (Rhön), Okt. 2005 New Orleans, Aug. 2005 Febr. 2003

NatCatSERVICE Anzahl 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 Naturkatastrophen weltweit 1980-2010 Anzahl der Ereignisse pro Naturgefahr mit Trends Erdbeben, Tsunamis, Vulkanausbrüche Stürme, Unwetter, Hagel, Hitze, Kälte; Waldbrände Überschwemmungen, Hangrutsch, Murenabgänge 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Geophysikalische Ereignisse (Erdbeben, Tsunami, Vulkanausbruch) Meteorologische Ereignisse (Sturm, Unwetter, etc.) Jahr 2011 Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, GeoRisikoForschung, NatCatSERVICE Stand Januar 2011 Hydrologische Ereignisse (Überschwemmung, Massenbewegung) Berz, 2011

Mrd. US$ Schäden durch Naturkatastrophen (1980-2012) volkswirtschaftlich versichert MüRück NatCat Service, 2013 Volkswirtschaftliche und versicherte Schäden in Mrd. US$ (Großkatastrophen) Dekade 1950/59 1960/69 1970/79 1980/89 1990/99 2000/2009 Faktor * ) Anzahl 13 16 29 44 74 28 1,8 Schäden 59,9 72,4 100,8 156,1 525,5 435,2 6,0 Versich. 1,8 8,1 15,0 29,1 125,7 193,8 23,9 *) 2000/2009 gegenüber 1960/1969; Quelle: MüRück, Wirtz, 2010

Klimatologische Extremwertanalyse: Prinzipielle Möglichkeiten (z.b. Normalverteilung) In Deutschland zeigt sich bei der Temperatur verbreitet Fall (a), beim Niederschlag teilweise Fall (c). Der Wind (Sturmtiefs, Tornados) zeigt keine signifikanten Änderungen. IPCC, 2001; Hupfer und Börngen, 2004. Weltweit nehmen Hitzewellen sowie Dürren und Starkniederschläge an Häufigkeit und Intensität vielfach zu; tropische Wirbelstürme scheinen intensiver zu werden.

Ursachen des Klimawandels (Industriezeitalter) (ENSO) Cubasch und Kasang, 2000 Interne Wechselwirkungen im Klimasystem (Zirkulation, insbes. ENSO) Externe Einflüsse auf das Klimasystem (insbes. Sonnenaktivität, Vulkanismus; Mensch (Emission von Gasen und Partikeln)

Klimafaktor Sonnenaktivität Aufnahme im UV-Bereich NASA/ESA, SOHO-Mission, UV-Bild 14.9.1999 Sonnenflecken, Aufnahme im sichtbaren Bereich

Zur Sonnenaktivität als Klimafaktor

Sonnenflecken-Relativzahlen. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Zur Sonnenaktivität als Klimafaktor Sonnenflecken-Relativzahlen 1600-2012 (SRZ) 50-jährige Glättung Maunder- Minimum 1778 Dalton- Minimum 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 Zeit in Jahren 1870 1957 SIDC, 2013; bearbeitet

Zur Sonnenaktivität als Klimafaktor Sonnenflecken-Relativzahlen. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Sonnenflecken-Relativzahlen 1600-2012 (SRZ) 50-jährige Glättung Maunder- Minimum 1778 Dalton- Minimum 1870 1957 0 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 Zeit in Jahren SIDC, 2013; bearbeitet Die SRZ gelten als Indikatoren der Sonnenaktivität (diverse Zyklen, Minimum-Phasen)

Zur Sonnenaktivität als Klimafaktor Sonnenflecken-Relativzahlen. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Sonnenflecken-Relativzahlen 1600-2012 (SRZ) 50-jährige Glättung Maunder- Minimum 1778 Dalton- Minimum 1870 1957 0 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 Zeit in Jahren SIDC, 2013; bearbeitet Die SRZ gelten als Indikatoren der Sonnenaktivität (diverse Zyklen, Minimum-Phasen) Satellitenmessungen der Sonneneinstrahlung außerhalb der Atmosphäre ( Solarkonst. ) seit 1978 zeigen parallel zu den Sonnenflecken Variationen im Promillebereich.

Klimafaktor Vulkanismus Explosive Vulkanausbrüche schleudern Gase u. Partikel bis in die Stratosphäre (ca. 10-50 km Höhe). Klimawirksam sind dabei vor allem die aus schwefelhaltigen Gasen entstehenden Sulfatpartikelschichten. Sie erhöhen die Streuung der Sonneneinstrahlung, was zu geringerer Transmission und somit Abkühlung der unteren Atmosphäre führt. Außerdem absorbieren sie einen Teil der terrestrischen Ausstrahlung und erwärmen so die Stratosphäre. Pinatubo, 12.6. 2001

Temperaturanomalien in C 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5 Agung(1963+1) Globaltemperatur, Anomalien 1960-2011(2010) Vergleich bodennah und Stratosphäre (sowie einige explosive Vulkanausbrüche) Fernandia (1968+2) El Chichón (1982) St. Augustine(1976) Pinatubo (1991+1) bodennah Trend: + 0,6 C Kasatochi (2008/+1) Stratosphäre Trend: - 2,2 C -2,0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Zeit in Jahren CRU 2012; Angell 2011; erg. Beachte: Vulkanismus kühlt die Troposphäre und wärmt die Stratosphäre (vgl. oben); Sonnenaktivität wärmt die Troposphäre und Stratosphäre; Treibhausgase wärmen die Troposphäre und kühlen die Stratosphäre; interne Wechselwirkungen (z.b. ENSO) beeinflussen nur die Troposphäre (bodennahe Atmosphäre).

Weltbevölkerung und Weltenergie Klimafaktor Mensch Energie 2011: ca. 17,5 Gt SKE, davon ca. 87 % fossil Viele Quellen (u.a. Diekmann u. Heinloth, 1997; BP 2012); hier nach Sw, 2008, erg.

Klimafaktor Mensch: Kohlendioxid (CO 2 ) Anthropogener CO 2 -Ausstoß: ca. 39 Gt/Jahr (10,6 GtC/J.)*, davon durch fossile Energie: 35,6 Gt/Jahr (9,7 GtC/J.)*, rasant steigend (1900: insgesamt ca. 2 Gt CO 2 /Jahr). * Bezugsjahr 2012 Global Carbon Project 2012

Folge: Anstieg der atm. CO 2 -Konzentration (Darstellung: Holozän, d.h. letzte ca. 10 000 Jahre) CO 2 in ppm RF in W m 2 2012: 394 ppm 2000: 369 ppm Rasanter Anstieg im Industriezeitalter (seit ~ 1800); davor (seit ca. 6000 J.v.h.) Waldrodungseffekt? 1750: ~ 280 ppm 7500 Jahre v.h.: ca. 260 ppm 10 000 7500 5000 2500 0 J.v.h.*) IPCC 2007, ergänzt 2013

Globale Strahlungsantriebe 1750-2005 nach IPCC (2007) Explosiver Vulkanismus im Industriezeitalter episodisch bis ~3 Wm -2 (z.b. Pinatubo, 1991)

Klimamodellrechnungen... zeigen, dass natürliche Ursachen für die globale Erwärmung der letzten Jahrzehnte extrem unwahrscheinlich* ) sind. (IPCC, 2007) ----------------------------- * ) p < 5 % (Somit p > 95 % für anthropog. Ursachen)

Temperaturanomalien in C. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4 Zur statistischen Ursachenanalyse (neuronales Netz) Beobachtung Beob. Globaltemperatur 1860-2008 -0,6 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Zeit in Jahren Schönwiese et al. 2010

Temperaturanomalien in C. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4 Zur statistischen Ursachenanalyse (neuronales Netz) Sim. Beob. Globaltemperatur 1860-2008 Beobachtung und statistische Simulation (neuronales Netz) -0,6 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Zeit in Jahren Schönwiese et al. 2010

Temperaturanomalien in C. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4 Zur statistischen Ursachenanalyse (neuronales Netz) SU Sim. Beob. Globaltemperatur 1860-2008 Beobachtung und statistische Simulation (neuronales Netz) TR = Treibhausgassignal SU = Sulfatpartikelsignal TR+SU kombiniert TR TR + SU -0,6 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Zeit in Jahren Schönwiese et al. 2010

Temperaturanomalien in C. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 Zur statistischen Ursachenanalyse (neuronales Netz) Explosive Vulkanausbrüche: Kr = Krakatau (1883) SM = Santa Maria (1902) Ag = Agung (1963) SA = St. Augustine (1976) EC = El Chichon (1982) Pi = Pinatubo (1991) Ka = Kasatochi (2008) sehr starkes El Niño mittleres bis starkes El Niño SU Sim. Beob. Kr SM Globaltemperatur 1860-2008 Beobachtung und statistische Simulation (neuronales Netz) TR = Treibhausgassignal SU = Sulfatpartikelsignal TR+SU kombiniert 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Zeit in Jahren Ag SA TR TR + SU EC Pi Ka Schönwiese et al. 2010

Temperaturanomalien in C. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 Zur statistischen Ursachenanalyse (neuronales Netz) Explosive Vulkanausbrüche: Kr = Krakatau (1883) SM = Santa Maria (1902) Ag = Agung (1963) SA = St. Augustine (1976) EC = El Chichon (1982) Pi = Pinatubo (1991) Ka = Kasatochi (2008) sehr starkes El Niño mittleres bis starkes El Niño SU Sim. Beob. Kr SM Globaltemperatur 1860-2008 Beobachtung und statistische Simulation (neuronales Netz) TR = Treibhausgassignal SU = Sulfatpartikelsignal TR+SU kombiniert 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Zeit in Jahren Ag SA TR TR + SU EC Pi Ka Schönwiese et al., 2010 Erklärte Varianzen: anthropogen 61 %, natürlich 27 % (unerklärt 12 %) Schönwiese et al. 2010

Mittlere globale troposphärische Strahlungsantriebe (ca. 1750-2000; IPCC, 2007) und empirisch-statistisch geschätzte bodennahetemperatursignale 1860-2008 (nach Schönwiese, Walter und Brinckmann, 2010) Klimafaktor Art Strahlungsantrieb in Wm -2 Signal in C Signalstruktur (zeitlich) Treibhausgase anthr. + 3,0 (2,7-3,6) 0,9 1,5 progressiver Trend Troposphär. Sulfat anthr. - 1,2 (0,4-2,7) - 0,2 0,5 uneinheitlicher Trend Kombiniert anthr. - 0,7 1,0 uneinheitlicher Trend Vulkaneruptionen natürl. ca. - (1-7) * ) - 0,2 0,3 episodisch (1-3 Jahre) Sonnenaktivität natürl. + 0,1 (0,06-0,3) 0,1 0,2 fluktuativ El Niño (ENSO) natürl. (intern) ** ) 0,1 0,2 episodisch (Monate) * ) Pinatubo: 1991 2.4 Wm -2, 1992 3.2 Wm -2, 1993 0.9 Wm -2, nach McCormick et al. (1995); Reichweite nach Grieser und Schönwiese (1999); ** ) atmosphärisch-ozeanische Wechselwirkung

Zusammenfassung Seit die Erde existiert gibt es Klimawandel. Je nach zeitlich-räumlicher Größenordnung sind die Ursachen dafür sehr unterschiedlich. Spätestens ab dem Industriezeitalter tritt der Mensch als zusätzlicher Klimafaktor hinzu. Der globale Erwärmungstrend der letzten Jahrzehnte ist höchstwahrscheinlich anthropogen, die überlagerte Variabilität weitgehend natürlich verursacht. Allerdings sind die regional-jahreszeitlichen Strukturen der Temperaturvariabilität sehr unterschiedlich. Das gilt in noch stärkerer Ausprägung für den Niederschlag. Insgesamt ist der globale Klimawandel regional z.t. mit häufigeren/intensiveren Extremereignissen verbunden. Aus den Erkenntnisse der Vergangenheit ergeben sich die Herausforderungen für die Zukunft.

Vielen Dank für Ihr Interesse Homepage des Autors: http://www2.uni-frankfurt.de/ 43267598/Ehemalige-AG-Klimaforschung