Klima- und Umweltveränderungen im Laufe der Erdgeschichte

Präsentation zum Thema: "Klima- und Umweltveränderungen im Laufe der Erdgeschichte"—  Präsentation transkript:

1 Klima- und Umweltveränderungen im Laufe der Erdgeschichte
Institutsbereich Geophysik, Astrophysik, und Meteorologie (IGAM) Klima 01 Klima- und Umweltveränderungen im Laufe der Erdgeschichte Vorlesung im Wintersemester 2015/16 Ulrich Foelsche

2 Ungewöhnliche Zeiten Schlechte Zeiten für Schifahrer
Klima 02 Ungewöhnliche Zeiten Während 90 % der Erdgeschichte war es wärmer als heute – Auf der gesamten Erde gab es kaum Eis und fast keinen Schnee. Schlechte Zeiten für Schifahrer Wir leben in einem ganz ungewöhnlichen Klima – in einer Warmzeit innerhalb eines Eiszeitalters. Vergleichbare Bedingungen hat es nur während etwa 1 % der Erdgeschichte gegeben. Vor nur Jahren sah es in Österreich so aus:

3 Österreich in der letzten Kaltzeit
Klima 03 Österreich in der letzten Kaltzeit Inngletscher Salzburg Rosenheim Rheingletscher Innsbruck Murtal Graz Drautal nach van Husen

4 Das Klima der Erde ändert sich – Schon immer!
Klima im Wandel Das Klima der Erde ändert sich – Schon immer! Also gar kein Problem? Doch! Das Hauptproblem am menschgemachten Klimawandel ist, dass er so (zu) schnell erfolgt. An langsame Änderungen kann sich die Natur (und auch der Mensch) leicht anpassen. Abrupte Klimaänderungen können katastrophal sein.

5 Globale Klima- und Umweltveränderungen (1) Das Klimasystem der Erde

6 Das Klimasystem der Erde Klima = mittlerer Zustand des Klimasystems
Hydrosphäre Kryosphäre Interaktion zw. Atmo- u. Hydrosphäre Atmosphäre Biosphäre Klima = mittlerer Zustand des Klimasystems Lithosphäre

7 Das Klimasystem der Erde
Das Klimasystem der Erde wird in Untersysteme bzw. Sphären unterteilt (von denen aber nicht alle sphärisch sind). Das Klimageschehen spielt sich zwar in erster Linie in der Atmosphäre ab, es wird aber von allen anderen Sphären beeinflusst. Die Hydrosphäre beinhaltet z.B. Ozeane, Flüsse, Seen und den globale Wasserkreislauf, die Kryosphäre Landeis, Meereis und Schnee. Zusätzlich zu den Sphären auf der vorigen Folie verwendet man auch noch häufig den Begriff Pedosphäre um den Einfluß des Bodens getrennt zu beschreiben, sowie den Begriff Anthroposphäre (das sind wir). Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Sphären, gespickt mit positiven und negativen Rückkoppelungen, machen das Klimasystem der Erde zu einem ausgesprochen komplexen System. Das El Niño Phänomen ist beispielsweise eine interne Schwingung des gekoppelten Systems Ozean-Atmosphäre. c Man kann sich das Klimasystem als eine gigantische Wärmekraftmaschine vorstellen, die ihre Energie von der Sonne bezieht. Dabei werden unter anderem Luft- und Meersströmungen angetrieben, die versuchen, die Unterschiede der Sonneneinstrahlung zwischen Äquator und Pol auszugleichen.

8 Terrestrische Ausstrahlung
Klima 08 Strahlungsbilanz Terrestrische Ausstrahlung Solare Einstrahlung Bilder: NASA c Die Oberflächentemperatur auf der Erde wird durch die (ausgeglichene) Strahlungsbilanz bestimmt. Global gilt: Einstrahlung = Ausstrahlung

9 Ein ganz einfaches Klimamodell
Wir werden nun ein ganz einfaches Klimamodell bauen, und zwar ein Nulldimensionales Energiebilanzmodell (Erde als Punkt). Dazu brauchen wir einige Zutaten: Das elektromagnetische Spektrum (links). Das Wiensche Verschiebungsgesetz (Wilhelm Wien 1893) max = Wellenlänge, bei der das Maximum der Energie abgestrahlt wird. Je höher die Temperatur, desto kleiner die Wellenlänge. Sonne: max = 0.5 m Sichtbares Licht Erde: max = 10 m Thermisches Infrarot

10 Solare Einstrahlung Einstrahlung (3) Die Solarkonstante (S)
Klima 10 Solare Einstrahlung Einstrahlung (3) Die Solarkonstante (S) Damit ist die Energie gemeint, die pro Sekunde außerhalb der Erdatmosphäre senkrecht auf eine Fläche von 1 m2 trifft (und das noch in der mittleren Entfernung der Erde von der Sonne). Im Mittel trifft auf jeden m2 der Erdoberfläche aber nur 1/4 davon (entsprechend dem Verhältnis Querschnittsfläche der Erde – Erdoberfläche). Die „Solarkonstante“ ist außerdem nicht konstant! Die beobachtete Schwankung während des ~11-jährigen Sonnenzyklus beträgt allerdings nur etwa ± 0.1 %. Über Jahrhunderte sind die Schwankungen etwas größer (~ 0.3 %). Im Laufe der Erdgeschichte hat die Solarkonstante sogar kräftig zugenommen, Vor 4.5 Milliarden Jahren hatte sie nur etwa 70 % des heutigen Wertes. Dieser Anstieg ist aber sehr, sehr langsam.

11 Reflexion Mehr zur Einstrahlung (4) Die Albedo (A)
Klima 11 Reflexion Mehr zur Einstrahlung (4) Die Albedo (A) Nur ein Teil der Sonnenstrahlung wird aber auch tatsächlich von der Erdoberfläche aufgenommen (absorbiert). Die Albedo bezeichnet den Anteil der Strahlung, der reflektiert wird. Die Albedo hängt von den Oberflächeneigenschaften des Materials ab. Besonders viel Strahlung reflektieren (dichte) Wolken und (frischer) Schnee. Die gesamte Erde reflektiert 31 % der Sonnenstrahlung, also A = 0.31. Oberfläche Albedo Wolken % Neuschnee (3) % Gletscher % Meereis % Gestein (2) % Wälder (1) % Wasser % Planetare Albedo %

12 Globale Albedo (Kontinente)
Klima 12 Globale Albedo (Kontinente) MODIS: Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Albedo der Kontinente. Rote Gebiete repräsentieren helle, stark reflektierende Oberflächen. Daten vom 7. – 22. April 2002, Sensor MODIS an Bord des NASA-Satelliten Terra (Quelle: C. Schaaf, Boston University).

13 Terrestrische Ausstrahlung
Klima 13 Terrestrische Ausstrahlung Ausstrahlung (5) Das Stefan Boltzmann Gesetz (Joseph Stefan, 1878 und Ludwig Boltzmann, 1884)  = · 10-8 Wm-2K-4 Stefan Boltzmann Konstante (die  = Emissionsvermögen ist wirklich konstant). Schwarzer Körper:  = 1 Erde:  = 0.95 Die Strahlungsleistung Q steigt mit der vierten Potenz der Temperatur T. Also für Sonne und Erde: ~20fache Temperatur – ~ fache Strahlungsleistung (Fläche unter den beiden Kurven im Diagramm, man beachte die logarithmische Darstellung).

14 Ein Problem Kurzwellige Einstrahlung = Langwellige Ausstrahlung
Klima 14 Ein Problem Kurzwellige Einstrahlung = Langwellige Ausstrahlung Damit liefert unser Energiebilanzmodell eine mittlere Oberflächentemperatur von –16 °C (statt +15 °C). Das ist (auch für ein einfaches Modell) falsch.

15 Klima 15 Treibhauseffekt (1) Die infrarotaktiven Treibhausgase ver- hindern, dass die vom Boden ausgehende IR Strahlung das System komplett verlässt. Was haben wir nicht beachtet? – Die Atmosphäre! Sie ist zwar für sichtbares Licht (fast) durchsichtig, aber nicht für Infrarot. In unserem Modell wird der Einfluss der Treibhausgase durch die Transmissivität IR „parametrisiert“.

16 Der Treibhauseffekt (2)
Klima 16 Der Treibhauseffekt (2) Die Erde gewinnt also Energie durch den Anteil der Sonnen-strahlung, der nicht reflektiert wird (z.B. von Wolken, Schnee). Weil die Erde wesentlich kälter als die Sonne ist, strahlt sie nicht sichtbares Licht, sondern Infrarotstrahlung ab (Wärmestrahlung). Auf einer Erde ohne Atmosphäre würde sich damit eine mittlere Temperatur von etwa –2°C einstellen. Bei klarem Himmel dringt der Großteil der kurzwelligen Sonnen-strahlung ungehindert bis zur Erdoberfläche. Die langwellige Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche wird nun aber teilweise von Treibhausgasen absorbiert. Diese geben auch Infrarotstrahlung ab, einen Teil nach oben, einen Teil nach unten. Der Teil, der nach unten abgestrahlt wird, erwärmt die Erdoberfläche.

17 Der Treibhauseffekt (3)
Klima 17 Der Treibhauseffekt (3) Mit zunehmender Temperatur der Erdoberfläche wird immer mehr Infrarotstrahlung abgegeben. Auf der Erdoberfläche stellt sich schließlich eine Temperatur ein, bei der der Teil der Infrarotstrahlung, der die Atmosphäre durchdringen kann, die Sonnenstrahlung genau ausgleicht. Durch den natürlichen Treibhauseffekt (für den wir sehr dankbar sind) wird die Erde auf +14 °C erwärmt. Bei ihm leistet Wasserdampf den wichtigsten Beitrag. Durch menschliche Aktivitäten gelangen nun aber zusätzliche Treibhausgase (vor allem Kohlendioxid) in die Atmosphäre. Dieser anthropogene Treibhauseffekt bereitet uns Sorgen. H2O 62 % CO2 22 % O % N2O 4 % CH % Rest 2 % CO2 52 % CH4 17 % O % FCKW 12 % N2O 5 % Rest 1 %

18 Temperatur der Erdoberfläche
Klima 18 Temperatur der Erdoberfläche Die beobachtete mittlere Oberflächentemperatur beträgt T = + 15 °C Wenn wir für unseren Parameter IR den „richtigen“ Wert wählen, erhalten wir eine Temperatur von °C. Ohne Atmosphäre oder nur mit N2 und O2 (IR = 1) folgt T = – 16.0 °C Auf einer Erde ohne Treibhausgase gäbe es allerdings auch weder Wolken noch Schnee, dadurch wäre die Albedo viel geringer. Ohne Atmosphäre mit realistischer Albedo (A = 0.15) T = – 2.0 °C Ohne Atmosphäre mit der Albedo des Mondes (A = 0.11) T = °C „Schwache junge Sonne“ (IR = 1, S = 0.7·S0, A = 0.15) T = – 25.3 °C Der natürliche Treibhauseffekt führt also zu einer Erwärmung um etwa 17 °C. Alle Treibhausgase haben übrigens drei oder mehr Atome (Rotations-Schwingungsbanden). Um einen Temperaturanstieg von 0.6 °C (wie im 20. Jhdt.) ohne Treibhausgase zu erklären, müsste man die Solarkonstante (in unserem Modell) um 12 W/m2 erhöhen.

19 Ungleiche Geschwister
Klima 19 Ungleiche Geschwister Umfangreiche Daten zu den einzelnen Planeten unter Die mittlere Oberflächentemperatur der Venus beträgt etwa 460°C, die des Mars etwa -60°C, der Bodendruck variiert am Mars im Jahreslauf um etwa 30% (!) da der Hauptbestandteil (CO2) auf der Winterhemisphäre an den Polen aus-frieren kann (im Bild rechts unten). Venus Mittlerer Radius 6051 km Entweichgeschw km/s CO2 Atmosphäre 90 bar Bodendruck Treibhauseffekt ~über 400 °C !! Erde Mittlerer Radius 6371 km Entweichgeschw km/s N2 - O2 Atmosphäre 1 bar Bodendruck Treibhauseffekt 31 °C (bzw. 17 °C) Mars Mittlerer Radius 3390 km Entweichgeschw. 5.0 km/s CO2 Atmosphäre 0.006 bar Bodendruck Treibhauseffekt ~ 4 °C

20 Klima 20 Etwas realistischer Die wirkliche Welt ist natürlich etwas komplizierter als unser nulldimensionales Modell (Quelle: Kiehl and Trenberth, 1997), aber im Prinzip stimmt es gar nicht schlecht (Für Details haben wir ohnehin zu wenig Zeit).

21 Strahlungsbilanz – Jahresgang
Klima 21 Strahlungsbilanz – Jahresgang Netto-Kurzwellenstrahlung Netto-Strahlung Netto-Langwellenstrahlung Animationen: „Global climate animations“ des department of Geography der University of Oregon. Daten: NCEP (National Centers for Environmental Prediction) Reanalysen für die Periode Bei der Reanalyse werden Beobachtungsdaten aus der Vergangenheit mit modernen Analyseprogrammen aufbereitet und auf ein Gitter interpoliert. Netto-Kurzwellenstrahlung = KWabwärts – KWaufwärts Netto-Langwellenstrahlung = LWabwärts – LWaufwärts Netto-Strahlung = Netto-KW – Netto-LW

22 Klima 22 Klimaänderungen In unserem einfachen Modell gibt es immerhin drei Möglichkeiten das Klima, und damit die Oberflächentemperatur der Erde zu ändern, für alle drei gibt es auch Beispiele in der Erdgeschichte. Änderung der Solarkonstante „Kleine Eiszeit“. Anstieg der Temperatur zu Beginn des 20. Jhdts (zumindest teilweise). Änderung der Albedo Abkühlung nach explosiven Vulkanausbrüchen durch Schwefelsäure-Aerosole in der Stratosphäre. „Impaktwinter“ nach Asteroideneinschlag an der Kreide/Tertiär Grenze. Änderung der Treibhausgaskonzentration Anthropogener Treibhauseffekt, Supertreibhaus an der Paläozän/Eozän Grenze. Außerdem können wir, wenigstens qualitativ einige Rückkoppelungen im Klimasystem verstehen. Positive Rückkoppelungen verstärken die ursprüngliche Störung. Negative Rückkoppelungen stabilisieren das Klima.

23 = Systemkomponente = Positive Koppelung = Negative Koppelung
Klima 23 Koppelungen (1) Darstellung nach J. Kasting: = Systemkomponente = Positive Koppelung = Negative Koppelung

24 Positive Koppelung Koppelungen (2) CO2 in der Atmosphäre
Klima 24 Koppelungen (2) Positive Koppelung CO2 in der Atmosphäre Treibhauseffekt Eine Zunahme des CO2–Gehaltes führt zu einer Zunahme des Treibhauseffektes. Eine Abnahme des CO2–Gehaltes führt zu einer Abnahme des Treibhauseffektes.

25 Oberflächentemperatur
Klima 25 Koppelungen (3) Negative Koppelung Albedo der Erde Oberflächentemperatur Eine Zunahme der Albedo führt zu einer Abnahme der Oberflächentemperatur. Eine Abnahme der Albedo führt zu einer Zunahme der Oberflächentemperatur.

26 (+) Rückkoppelungen (1) Oberflächen- temperatur H2O in der Atmosphäre
Klima 26 Rückkoppelungen (1) Hier ist Wasser besonders wichtig, da es auf der Erde als Gas, als Flüssigkeit und in fester Form (mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften) vorkommen kann. Wasserdampf–Rückkoppelung (positiv) Oberflächen- temperatur H2O in der Atmosphäre Treibhaus- effekt (+)

27 (+) Rückkoppelungen (2) Oberflächen- temperatur Schnee- und
Klima 27 Rückkoppelungen (2) Schnee/Eis–Albedo–Rückkoppelung (positiv) Oberflächen- temperatur Schnee- und Eisbedeckung Planetare Albedo (+) z.B. : Temperatur nimmt ab  Schnee/Eisbedeckung nimmt zu  Albedo nimmt zu  Temperatur nimmt weiter ab.

28 (–) Rückkoppelungen (3) Oberflächen- temperatur H2O in der Atmosphäre
Klima 28 Rückkoppelungen (3) Wolken–Rückkoppelung für tiefe Wolken (negativ) Oberflächen- temperatur H2O in der Atmosphäre (–) Planetare Albedo Tiefe Bewölkung z.B.: Temperatur nimmt zu  Wasserdampfgehalt der Atmosphäre nimmt zu  Bewölkung nimmt zu  Albedo nimmt zu  Temperatur nimmt ab.