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Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz CO 2 (ppm) www.staff.uni-mainz.de/curtius/Klimawandel/ Login:

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1 Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz CO 2 (ppm) Login: Klimawandel Password: CO2

2 Nachtrag: Quellen und Senken von Methan (Tg CH 4 /yr) [IPCC 2001] inkl. ~ Tg/yr aus Reisfeldern Erdgas, Öl- und Kohle- förderung Wiederkäuer gesamt: ~70% anthropogene Quellen

3 Nachtrag: Methanquellen Keppler et al., Nature, 2006 Pflanzen selbst emittieren Methan! Nicht nur Mikroben im Boden in anaeroben Prozessen (z.B. Methanemissionen aus Sümpfen und Reisfeldern), wie bisher gedacht! Völlig unerwartet! Mechanismus ungeklärt. grobe Schätzung: 10-30% (~ Mt/yr) der globalen Quellen! Methanemission der Pflanzen ist temperaturabhängig: CH 4 -Emissionen verdoppeln sich pro 10°C T-Anstieg Prozess könnte mehrere Beobachtungen erklären, z.B.: a)Methan über tropischen Regenwäldern b)Methanschwankungen Eiszeit-Warmzeit c) Methanzunahmeraten in den 90er Jahren Relevant für zukünftige Klimaprognosen: Wälder zur CO 2 -Speicherung... Es gibt immer noch große Überraschungen...

4 Methanproduktion von getrockneten Eschen und Birkenblättern Pflanzen als Methanquellen, Keppler et al., Nature, 2006:

5 Inhalt 1. Überblick 2. Grundlagen 3. Klimawandel heute: Beobachtungen 4. CO 2 5. Andere Treibhausgase 6. Aerosole und Wolken 7. Solare Variabilität 8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel 9. Klimageschichte 10. Klimaschutz

6 Strahlungsantrieb durch Aerosole Direkter Effekt Streuung (und Absorption) des einfallenden Sonnenlichtes durch Aerosolpartikel. Indirekter Effekt Änderung 1.) der Wolken-Albedo 2.) der "Lebensdauer" durch anthropogen verursachte Aerosole. Semidirekter Effekt Änderungen (z.B. Verdampfen von Wolken) durch Absorption von Rußaerosolen ("ABC", "brown cloud", "dimming")

7 Grundlagen: Lichtstreuung an Aerosolen Sulfataerosol: Streut insbes. kurzwellige solare Strahlung Ruß: Absorbiert kurzwellige (und auch langwellige) Strahlung Wolken: Streuung und Absorption von kurzwelliger und langwelliger Strahlung Netto-Effekt meist eher kühlend, Ausnahme dünne Cirren

8 Indirekte Klima-Effekte durch Aerosole outline reine Luft, wenige CCN verschmutzte Luft, viele CCN Wolken- bildung: Wasserdampf kondensiert geänderte optische Eigenschaften, Wolke wird "weißer", reflektiert mehr solare Strahlung, Namen: Twomey-Effekt (Twomey, Tellus B, 1984), Wolkenalbedo-Effekt, erster indirekter Aerosoleffekt geänderter hydrologischer Zyklus: längere Lebensdauer der Wolke, Abregnen wird unterdrückt, CDs<14µm, Namen: zweiter indirekter Aerosoleffekt, "lifetime effect" wenige große Wolken- tröpfchen viele kleine Wolkentröpfchen

9 Satellitenaufnahme (bei einer Wellenlänge von 3.7 µm) vom Pazifik an der Westk¨uste von Kalifornien. Der Satellit sieht eine fast kontinuierliche Wolkenbedeckung (grau) mit einer Anzahl von Linien (weiss/hell), die sich durch eine gröossere Reflektivitäat auszeichnen. Diese sogenannten Schiffsspuren (ship tracks) kommen durch die von den Schiffsmotoren ausgestossenen Aerosole zustande. Messungen haben gezeigt, dass die erhöhten Aerosolkonzentrationen zu einer höheren Konzentration vonWolkentröpfchen bei gleichzeitiger Reduktion der Wolkentröopfchengrösse führen, und damit zu der vom Satelliten beobachteten erhöhten Reflektivität dieser Wolken. erster indirekter Effekt

10 indirekte Aerosoleffekte Lohmann und Feichter, ACP 2005: Vergleich der Effekte nach verschiedenen GCMs rot: nur Sulfate grün: Sulfate + BC blau: Sulfate + OC türkis: Sulf.+OC+BC

11 Übersicht indirekte Aerosoleffekte [Haywood and Boucher, Rev Geophys., 2000]

12 indirekte Aerosoleffekte und Eiskeime verschiedene Einflüsse auf CCN und IN (bisher in GCM nicht oder kaum berücksichtigt) Human activity Aerosol particles [Lohmann, 2005]

13 Semidirekter Aerosoleffekt Ackerman et al., Science, 2000; Sakteesh und Ramanathan, Nature, 2000; Venkataraman et al., Science 2005, uvm.: "Atmospheric Brown Cloud, ABC": Rußemissionen (Holz) über Indien und Indischem Ozean führen zu starker Absorption, Erwärmung der Luftschichten, Wolken verdampfen deutliche Abkühlung am Boden. Starke Auswirkungen auf Strahlungshaushalt und Niederschlag. Insgesamt Effekte von etwa dem 10-fachen des Effekts durch Treibhausgase über dem Indischem Ozean beobachtet !

14 Klimawirkungen des Flugverkehrs:

15 AVHRR-Satellitenbild: a) Kondensstreifen können zu Cirruswolken werden, "persistent contrails" b) Einfluß auf Cirruswolken (über IN, H 2 O, etc.)

16 Klimawirkungen des Flugverkehrs: Flugverkehr in Zahlen 13% des vom Verkehr insgesamt produzierten CO 2 stammen von Flugzeugen Flugverkehr hat zwischen 1960 und 1992 um Faktor 15 zugenommen und wird sich bis 2050 versechsfachen Flugverkehr wächst z.Zt. mit ca. 5% pro Jahr, Kerosinverbrauch wächst mit 3% pro Jahr Jumbo-Jet: max. 400 t Gewicht beim Start, davon 175 t Kerosin Verbrauch: Liter/km; FFM - NY - FFM: ~ 550 kg Sprit/Passagier

17 Klimawirkungen des Flugverkehrs:

18 Klimaeffekt derzeit klein, aber stark steigend!

19 Zukünftige Entwicklung der Aerosolemissionen nach IPCC 2001:

20 Andreae et al., Nature, 2005

21 c= Aerosoleffekte ungenügend quantifiziert, deshalb Abschätzung der Klimasensitivität, verträglich mit der Temperaturentwicklung (+0.7°C): GHG-Effekte sind gut quantifiziert und Wärmekapazität des Ozeans auch einigermaßen. Klimasensitivität (K) ist die Temperaturänderung im Gleichgewicht nach einer Verdopplung der vorindustriellen CO 2 -Konzentration

22 Andreae et al., Nature, 2005

23 "tolerabel" T Warmzeit-Eiszeit Vorhersagebereich IPCC-TAR

24 Andreae et al., Nature, 2005: "... our analysis suggests that there is a possibility that climate change in the twentyfirst century will follow the upper extremes of current IPCC estimates, and may even exceed them. Such a degree of climate change is so far outside the range covered by our experience and scientific understanding that we cannot with any confidence predict the consequences for the Earth system. To reduce these uncertainties a multi-pronged approach is needed. First, there is a great need for in situ studies that investigate the response of cloud microphysics and dynamics to enhanced aerosol concentrations...."

25 Aerosol-Strahlungsantrieb Anderson et al., Science, 2003: Unsicherheiten der Aerosol-Strahlungsantriebe insgesamt (direkt und indirekt, etc.). "Vorwärts"-Rechnung: ~1.5 W m -2, Inverse Rechnung: ~1 W m -2, Woher kommt Differenz, was ist richtig...

26 Fazit Aerosol-Klimaeffekte: zahlreiche Unsicherheiten - Quellstärken, insbesondere organisches Aerosol? - welche Organika? - Prozessierung und atmosphärische Aufenthaltszeiten - welche Beziehung zwischen CN und CCN? - welcher Einfluß auf Eiskeime? - geringe Auflösung der Modelle - Vertikalverteilung des Aerosols direkter Effekt: Sulfat: -0.4 W m -2, Effekte von fossilen und Biomassenverbrennung sehr unsicher indirekte Effekte immer noch sehr unsicher 1. indirekter Effekt ca. – W m indirekter Effekt ca. – W m -2 semidirekter Effekt ca bis -0.5 W m -2 weitere Effekte derzeit keine Angabe möglich Stabilisierung/Absinken der Aerosolemissionen könnte Temperaturen bis 2100 um mehr als 5°C ansteigen lassen

27 Inhalt 1. Überblick 2. Grundlagen 3. Klimawandel heute: Beobachtungen 4. CO 2 5. Andere Treibhausgase 6. Aerosole und Wolken 7. Solare Variabilität 8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel 9. Klimageschichte 10. Klimaschutz

28 Solare Variabilität W m -2

29 Solare Variabilität: Solarkonstante ist nicht konstant! 11-Jahres-Zyklus und weitere Zyklen und Trends. Messung: problematisch... TSI = Total Solar Irradiance änderte sich weniger als 0.1% in den letzten 25 Jahren [C. Fröhlich]

30 Sonnenflecken-Relativzahlen

31 Solare Variabilität Rekonstruktion der TSI nach verschiedenen Autoren [IPCC 2001] grau: Anzahl Sonnenflecken, normiert. Strahlungsantrieb durch solare Variabilität (+0.3 W m -2 )geht auf Anstieg der TSI zwischen 1744 und 1996 zurück.

32 increase in solar activity reduction of Galactic Cosmic Rays (GCR) ? Reduced cloud coverage ? less cloud forcing ? warmer climate [Svensmark, 1998] weitere mögliche Klimaänderungen durch solare Variabilität: Svensmark-Hypothese increase in solar activity reduction of Galactic Cosmic Rays (GCR) ? Reduced cloud coverage ? less cloud forcing ? warmer climate [Laut, 2003] [Marsh and Svensmark, 2000]

33 Höhenabhängige Produktion von <30 Ionenpaaren cm -3 s -1 durch galaktische kosmische Strahlung (hauptsächlich schnelle Protonen und alpha-Teilchen). Strahlung wird durch den Sonnenwind (11-Jahres Zyklus) moduliert. Atmospärische Ionen-Konzentration: ~ 2000 Ionen cm -3 Rekombination: ~ 350 s Galactic cosmic rays Galaktische kosmische Strahlung

34 Ionen-induzierte Nukleation Effiziente Aerosol-Neubildung, da Energiebarriere kleiner. klassische Beschreibung durch Thomson-Gleichung: particle radius Wilsonsche Nebelkammer C.T.R. Wilson

35 aerosol particle cloud condensation nucleus cloud droplet H2OH2O H 2 SO 4 H2OH2O N2+N2+ galactic cosmic rays cluster ion critical cluster HSO 4 ¯ ion pairs O2¯O2¯ NO 3 ¯ - - neutral cluster critical cluster - H2OH2O H 2 SO 4 H2OH2OH2OH2O Ionen-induzierte Nukleation SO 4 2- H3O+H3O+ H2OH2O H 2 SO 4 H3O+H3O+ 0.3 nm1 nm100 nm> 1 µm

36 solare Variabilität weitere mögliche Einflüsse: Änderung der UV-Strahlung, dadurch Änderungen im stratosphärischen Ozon Änderungen von Eiskeimen durch Änderungen der galaktischen kosmischen Strahlung (Tinsley)

37

38 Übersicht aller indirekten Effekte, Lohmann u. Feichter, ACP, 2005:


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