Ist der Globale Wandel aufzuhalten

Präsentation zum Thema: "Ist der Globale Wandel aufzuhalten"—  Präsentation transkript:

1 Ist der Globale Wandel aufzuhalten
Climate Engineering: Ist der Globale Wandel aufzuhalten Thomas Leisner, Institut für Meteorologie und Klimaforschung FZ Karlsruhe und Institut für Umweltphysik, Uni Heidelberg Ulrich Platt, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg Historische Einführung Die wissenschaftlichen Grundlagen Ein Überblick über Geoengineering- Konzepte Aerosol- basierte Vorschläge Bewertungsmaßstäbe Herzlichen Dank an Dr. Michael Höpfner, IMK, FZK für zahlreiche Beiträge

2 Klimawandel – was tun? Abwendung (Mitigation)
Rasche Reduktion der Treibhausgasemission Anpassung (Adaptation) Umsiedelung, Änderung der Landwirtschaftsstruktur, höhere Deiche ... Climate Engineering Verringerung der Sonneneinstrahlung, Entfernung von Treibhausgasen aus der Atmosphäre

3 Geschichtliche Hintergründe
Wetter und Niederschlagskontrolle zu kommerziellen und militärischen Zwecken (USA, UdSSR, China, 1950 ~ 1980) As our civilization steadily becomes more mechanized and as our population density grows the impact of weather will become ever more serious. ...The solution lies in ... intelligent use of more precise weather forecasts and, ideally, by taking the offensive through control of weather... I shudder to think of the consequences of a prior Russian discovery of a feasible method for weather control. Henry Houghton, MIT, 1957 Geoforming, Geoengineering Enteisung des Nordpolarmeeres durch Beringstraßen- Damm und Umleitung der großen sibirischen Ströme zur Bewässerung Zentralasiens P.M. Borisov, Bulletin of the Atomic Scientists, March, 1969, pp

4 Vermeidung, Verminderung durch Alternative Anpassung (Adaptation)
Definition “Gezielte Klimabeeinflussung” (Geoengineering, Climate engineering) Absichtliche, großskalige Manipulation der Umwelt, um unerwünschten Effekten des anthropogenen Klimawandels entgegenzuwirken (Keith, 2000): Einfluss von Klimaänderungen auf den Menschen Fossile Energiegewinnung CO2 Emission Klimasystem Vermeidung, Verminderung durch Alternative Energien Rationelle Nutzung (Mitigation) Industrielles Kohlenstoff- management Geoengineering Anpassung (Adaptation)

5 Neues Interesse durch anthropogenen Klimawandel
P. Crutzen Climatic Change, 2006

6 CO2-Emissionen in Deutschland
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 -5 -10 -15 Reduktion in % -20 -25 -30 -35 goals -40 Datenquelle: BMU 3/2003 und Koalitionsvereinbarung Nov. 2005 6

7 Potential für Elektrizitätserzeugung aus Erneuerbaren Quellen, in Baden-Württemberg,
2030/1990 Biomass Wind Photovoltaic Water Factor: 120 3000 6800 2 Datenquelle: bis 2000: Energiebericht Baden-Württemberg 2001 ab 2010 Gutachten des IER im Auftrag der Landesregierung BW März 2001 7

8 Elektrizitätserzeugung in Baden Württemberg, optimistisches Szenario
2030/1990 Faktor: 3 120 3000 6800 2 Datenquelle: bis 2000: Energiebericht Baden-Württemberg 2001 ab 2010 Gutachten des IER im Auftrag der Landesregierung BW März 2001 8

9 Is there a quick fix? March 24, 2008

10 Die physikalischen Grundlagen Der Strahlungshaushalt der Erde

11 Die physikalischen Grundlagen Ein 0-dimensionales Klimamodell
Sichtbare (kurzwellige) Strahlung A : IR Absorptionsgrad (= Emissionsgrad), TA: Temperatur Atmosphäre Solarkonstante(1360 W/m2) Planetare Albedo (~0,3) L = S0/4 (1-A) = 238 W/m2 TB : Temperatur Boden  : Stefan-Boltzmann-Konstante

12 Einteilung (Taxonomie)
Änderung der Solarkonstanten Vergrößerung der planetaren Albedo Reduktion des Absorptionsgrads der Atmosphäre Streuer im Weltraum Änderung der Erdumlaufbahn Streuer in der Stratosphäre Absorber in der Stratosphäre Streuer in der Troposphäre Änderung der Albedo von Land- und Meeres -Oberflächen Geochemische CO2 – Abscheidung im Meer Düngung der Meere CO2 - Abscheidung aus der Luft CO2 - Aufnahme terrestrischer Ökosysteme Oberflächen-Albedo: Erste Vorschläge (UdSSR): Eisfreies Polarmeer um besseres Klima für nördliche Nationen zu schaffen (1963) Erhöhung der Ozean-Albedo durch treibende Objekte (NAS92): Kontamination von Küsten, Fischerei beeinträchtigt, ästetische Probleme LANGWELLIG: Terrestr. Ökosysteme: Vergrößerung von Waldflächen und anderer Sequestrierung in Biomasse; (a) Biomasse belassen, (b) ‚Abholzen‘und Einlagern, (c) Biomasse verbrennen, (d) verbrennen und CO2 auffangen und Einlagern Flettner Schiff, Magnus-Effekt

13 Einteilung der „Climate Engineering“ Verfahren
Erdoberflächen-temperatur: Vergrößerung der planetaren Albedo Änderung der Solarkonstanten Reduktion des Absorptionsgrads der Atmosphäre Streuer in der Stratosphäre Absorber in der Stratosphäre Streuer in der Troposphäre Änderung der Albedo von Land- und Meeres -Oberflächen Streuer im Weltraum Änderung der Erdumlaufbahn Geochemische CO2 – Abscheidung im Meer Düngung der Meere CO2 - Abscheidung aus der Luft CO2 - Aufnahme terrestrischer Ökosysteme

14 „Climate Engineering“ Methoden - Übersicht
T.M. Lenton and N.E. Vaughan, The radiative forcing potential of different climate geoengineering options, Atmos. Chem. Phys., 9, 5539–5561, 2009

15 Änderung der Solarkonstanten: (Angel, PNAS, 2006)
rE MS, Leuchtkraft LS ME Ort: L1-Punkt (instabil) Implementation: Wolke aus vielen Scheiben, stabilisiert durch Modulation des Strahlungsdrucks, Scheibengröße: ~1 m, Gewicht: 1g, Anzahl: 1,61013 Optisches Design: transparentes brechendes Material, niedrige Flächendichte, Gesamtmasse: Mt Transport: elektromagn. Start, Ionenantrieb, Kosten: $/kg (zur Zeit $/kg) Gesamtkosten einige Billionen $(100 Mrd. $/a) Weltraum: ‚saubere‘ Änderung der Solarkonstante, steuerbare Schirme könnten Strahlung sogar auf bestimmte Gebiete konzentrieren Low-earth orbit; Sonnenlicht stört ihre Bahn, zumal die Streuer sehr leicht sein sollen; Sonnenseitig des L1-Punktes: stabil mit nur wenig aktiver Kontrolle; Licht muss nur wenig abgelenkt werden (0.01 rad im Vergleich zu 1rad bei LEO): Masse kann 100x kleiner sein (ca. 3000t) (Teller), aber Angel, 2006: 20 Mio T für 1.8% Reduktion: Angel: 1.4g/m2 x 6e6km2 = 1.4t/km2x6e6km2 ~ 8e6t; Teller: 1.2e-7g/cm2 X 1.2e16cm2 = 1.2e-3t/km2 x 1.2e6km2 ~ 1.4e3t Angel, 2006: Feasibility of cooling the Earth with a cloud of small spacecraft near the inner Lagrange point (L1) 1.8% der Sonnestrahlung soll durch ‚Sonnenschirm‘ am L1-Punkt abgehalten werden. (Early, 1989). Transparentes Material, um Sonnenlicht abzulenken und nicht zu absorbieren, um den shift-balance vom L1-Punkt weg zu minimieren. Drei Stufen: 1. optisches Design für brechenden Schirm mit niedriger Reflektivität (20Mio T, 20Mio Starts). 2. reduzierte Transportkosten ($50/kg, zur Zeit $20000/kg), 3. Implementation als Wolke vieler Raumschiffe, stabilisiert durch Modulation des Strahlungsdrucks: 1m grosse Flyer mit Gewicht von 1g, Anzahl: 16e12 (The US military gets through 1.5 billion bullets a year. If fliers could be mass-produced at a hundred times the rate that those bullets are, it would still take a century to produce enough of them. ), 50y Lebenszeit km Wolke. Vorhandene Technologien. Könnte in 25y fertig sein. Kosten:einige 10^12 (trillion) dollars. Über die Lebenszeit: 100 Mia $ pro Jahr (0.2% des Bruttojahresprodukts) 30 kg Kohle pro 1kg Nutzlast, hat aber Schirmwirkung von 30T CO2; magnetischer Start (Crutzen: Schwefel: 3-5 Mio T (Jährliche S-Verschmutzung: 55MioT)) Größte technologische Hürde ist die Stabilisierung am L1-Punkt, da es ein instabiler orbit (Sattelpunkt) ist. Eine Wolke von Material würde innerhalb weniger Monate dissipieren. Daher aktive Steuerung durch Modulation des solaren Strahlungsdrucks. Vorteil: Beschattung kann gesteuert werden und keine zusätzlichen Stoffe in die Atmosphäre. Früher dachte man, dass man vor Ort Material zusammensetzen müsste (Mond oder Asteroid). Hier alles auf der Erde produziert und gestartet. Die gleiche Summe in erneuerbare Energien gesteckt, könnte mehr bringen. Z.B ca. 500 Mia $ insgesamt über 35 Jahre nötig, um Energiebedarf der USA auf Fotovoltaik umzustellen ( km^2 Fläche). Weniger, als die Agarsubventionen oder Ausbau der Hochgeschwindigkeitskommunikation.

16 Die biologische Pumpe S.W. Chisholm, Nature 407, (2000)

17 CO2 Abscheidung durch Düngung geeigneter Meere
Nebenwirkungen: erhöhte Produktion von klimawirksamen Gasen wie DMS, COS, org. Halogenverb. M. Lawrence, Science,2001 … it is difficult to see how ocean iron fertilization with such a low Csequestered: Feadded export efficiency would easily scale up to solve our larger global C imbalance problems… It would scale up to a region of 109 km²—more than an order of magnitude larger than the entire area of the Southern Ocean. K. O. Buesseler et al., Science 2002 and 2008 Boyd, 2007

18 Aerosole und Wolken im Klimasystem

19 Das atmosphärische Aerosol
Nano- bis mikrometergroße luftgetragene Partikel aus Ammoniumsulfat, Seesalz, Mineralstaub, Ruß und größeren organischen Molekülen. Konzentration: particles per cm³ in the low atmosphere adapted from: W. Rödel, Physik unserer Umwelt – die Atmosphäre, Springer

20 Aerosol sources and processes
Size distribution Primary aerosol: Teilchen, die von der Erdoberfläche emittiert werden: Mineralstaub, Gischt, Biomassen- Brände, Vulkanasche Secondary aerosol: Kondensation aus flüchtigen Vorläufersubstanzen Sulfatpartikeln, Organisches Aerosol Prozesse: Koagulation, Sedimentation, Wolkenprozesse

21 optical properties and lifetime
U. Platt, Uni Heidelberg

22 Indirekter (Wolken-) Einfluss der Aerosole auf das Klima
Mehr Kondensationskeime erzeugen Wolken, mit mehr, aber kleineren Tröpfchen. Diese streuen das Licht effizienter. (Erster indirekter Effekt) Solche Wolken regnen seltener und haben daher eine längere Lebensdauer (Zweiter indirekter Effekt)

23 Der semidirekte Effekt durch absorbierende Partikel
No soot T h With soot T

24 Erhöhte Wolkenreflektivität durch Schiffsverkehr
Niedrigliegende Stratocumulus- Wolken bedecken etwa 30% der Meeresfläche Eine 2% Erhöhung ihrer Albedo würde einem Klimaantrieb von 4W/m² entsprechen. (Latham 2002)

25 Cloud seeding with sea-salt particles (J. Latham)
Große Erhöhung der Albedo (~20%) möglich d=300nm (m=10-16kg) NaCl Teilchen sind optimal funktioniert am besten in mariner Reinstluft es ist leichter, große Flächen schwach zu beeinflussen als kleine Flächen stark. Vorschlag: Windgetriebene unbemannte Schiffe, die per Satellitennavigation an die besten Orte gelotst werden. Versprühen Meerwassertröpfchen d~ 0.8 µm in aufsteigende Luftmassen. Einige tausend Einheiten müssten pro Jahr vom Stapel laufen.

26 Stratosphärisches Aerosol
Streuer in der Stratosphäre Stratosphärisches Aerosol Stratosphärische Aerosole: H2SO4: Budyko, 1982,…NAS 1992, Crutzen, 2006, Teller, 1997 (1e7t); Rasch/Crutzen(1-2e6t) Metallisch: Aluminium Teller, 1997, mesh wires Wichtiger Unterschied: albedo –Vergrößerung betrifft nur die Auswirkungen; CO2 wird nicht entfernt. (The thickness of the mesh wires is determined by the skin-depth of optical radiation in the metal (about 20 nm). The spacing of wires (300 nm) must be 1=2 the wavelength of scattered light): 1e5t for -1% Albedo, balloons H2-gefüllt 4mm Durchmesser (1e6t) Mt.Pinatubo,

27 Effekte des Vulkanaerosols auf die Strahlungsbilanz
From Robock (2000)

28 Stratosphärische Albedoänderung Budyko, 1982, Crutzen, 2006
Streuer in der Stratosphäre Stratosphärische Albedoänderung Budyko, 1982, Crutzen, 2006 Pinatubo: SO2, H2S bis in die Stratosphäre km 10-20 Mt S Oxidation zu Schwefelsäure: SO2 + OH  HSO3 HSO3 + O2  HO2 + SO3 SO3 + H2O  H2SO4 Nukleation + Koagulation + Kondensation  H2SO4/ H2O –Teilchen (r  0.4 µm) Aufenthaltszeit in der Stratosphäre: 1-2 Jahre Minderung der globalen Mitteltemperatur um 0,5 K Geoengineering: Benötigter Massenfluss: 1,5-2 Mt S/a (Industrie: 55 Mt S/a) Ort: Tropen Transport: Geschütze, Raketen, hochfliegende Flugzeuge, Ballons,… Kosten: Mia $/a Alternativen: Metallische Streuer, kleine Ballons (4 mm) (Teller et al., 1997) Stratosphärische Aerosole: H2SO4: Budyko, 1982,…NAS 1992, Crutzen, 2006, Teller, 1997 (1e7t); Rasch/Crutzen(1-2e6t) Metallisch: Aluminium Teller, 1997, mesh wires Wichtiger Unterschied: albedo –Vergrößerung betrifft nur die Auswirkungen; CO2 wird nicht entfernt. (The thickness of the mesh wires is determined by the skin-depth of optical radiation in the metal (about 20 nm). The spacing of wires (300 nm) must be 1=2 the wavelength of scattered light): 1e5t for -1% Albedo, balloons H2-gefüllt 4mm Durchmesser (1e6t) Mt.Pinatubo,

29 Räumliche und zeitliche verteilung von:
Nebenwirkungen hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Verteilung des Klimaantriebes Räumliche und zeitliche verteilung von: (a) x4 CO2 Strahlungsantrieb (b) Strahlungsantrieb durch stratosphärisches Aerosol Govindasamy et. al. Global and Planetary Change 37 (2003) 157–168

30 Auswirkungen auf Temperaturverteilung
Govindasamy et. al. 2003, Global and Planetary Change 37, 157–168

31 Auswirkungen auf Niederschlag
change in daily precipitation column, (mm), J. Feichter et al. submitted

32 Side effects wrt. cirrus cloud formation
AIDA Lab. Experiments pure mineral dust H2SO4 coated mineral dust

33 The AIDA cloud simulation chamber at FZK

34 Fragen über technische Machbarkeit und Kosten hinaus
Was sind die meteorologischen Konsequenzen bzw. Nebenwirkungen? Welchen Effekt hat die zunehmende CO2 Konzentration auf das (marine) Leben? Wer entscheided über Abbruch oder Fortsetzung der Klimabeeinflussung falls es zu Problemen kommt? Wer kann die Durchführung der Maßnahme über Jahrhunderte (bis Jahrtausende) garantieren? Was passiert, wenn die Maßnahme abgebrochen werden muss?  Marsilius Projekt, Universität Heidelberg