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Institutsbereich Geophysik, Astrophysik, und Meteorologie (IGAM) Klima- und Umweltveränderungen im Laufe der Erdgeschichte Vorlesung im Wintersemester.

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Präsentation zum Thema: "Institutsbereich Geophysik, Astrophysik, und Meteorologie (IGAM) Klima- und Umweltveränderungen im Laufe der Erdgeschichte Vorlesung im Wintersemester."—  Präsentation transkript:

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

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

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

4 Klima im Wandel Das Klima der Erde ändert sich – Schon immer! 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. Also gar kein Problem? Doch! Klima 04

5 Globale Klima- und Umweltveränderungen (1) Das Klimasystem der Erde Klima 05

6 Das Klimasystem der Erde Klima 06 Kryosphäre Hydrosphäre Interaktion zw. Atmo- u. Hydrosphäre Atmosphäre Biosphäre Lithosphäre Klima = mittlerer Zustand des Klimasystems

7 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. Das Klimasystem der Erde Klima 07

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

9 Wir werden nun ein ganz einfaches Klimamodell bauen, und zwar ein Nulldimensionales Energiebilanzmodell (Erde als Punkt). Dazu brauchen wir einige Zutaten: (1) Das elektromagnetische Spektrum (links). (2) 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 Ein ganz einfaches Klimamodell Klima 09

10 Einstrahlung (3) Die Solarkonstante (S) Damit ist die Energie gemeint, die pro Sekunde außerhalb der Erdatmosphäre senkrecht auf eine Fläche von 1 m 2 trifft (und das noch in der mittleren Entfernung der Erde von der Sonne). Im Mittel trifft auf jeden m 2 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. Solare Einstrahlung Klima 10

11 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 = Reflexion Oberfläche Albedo Wolken % Neuschnee (3)75-95 % Gletscher20-45 % Meereis30-40 % Gestein (2)10-40 % Wälder (1) 5-20 % Wasser 5-10 % Planetare Albedo 31 % Klima 11

12 Globale Albedo (Kontinente) 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). Klima 12

13 Ausstrahlung (5) Das Stefan Boltzmann Gesetz (Joseph Stefan, 1878 und Ludwig Boltzmann, 1884)  = · Wm -2 K -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). Terrestrische Ausstrahlung Klima 13

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

15 Treibhauseffekt (1) 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“. Die infrarotaktiven Treibhausgase ver- hindern, dass die vom Boden ausgehende IR Strahlung das System komplett verlässt. Klima 15

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. Klima 16

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. H 2 O62 % CO 2 22 % O 3 7 % N 2 O 4 % CH 4 3 % Rest 2 % CO 2 52 % CH 4 17 % O 3 13 % FCKW12 % N 2 O 5 % Rest 1 % Klima 17

18 Temperatur der Erdoberfläche Die beobachtete mittlere Oberflächentemperatur beträgtT = + 15 °C Wenn wir für unseren Parameter  IR den „richtigen“ Wert wählen, erhalten wir eine Temperatur von °C. Ohne Atmosphäre oder nur mit N 2 und O 2 (  IR = 1) folgtT = – 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·S 0, 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/m 2 erhöhen. Klima 18

19 Ungleiche Geschwister Venus Mittlerer Radius 6051 km Entweichgeschw km/s CO 2 Atmosphäre 90 bar Bodendruck Treibhauseffekt ~über 400 °C !! Erde Mittlerer Radius 6371 km Entweichgeschw km/s N 2 - O 2 Atmosphäre 1 bar Bodendruck Treibhauseffekt 31 °C (bzw. 17 °C) Mars Mittlerer Radius 3390 km Entweichgeschw. 5.0 km/s CO 2 Atmosphäre bar Bodendruck Treibhauseffekt ~ 4 °C Klima 19

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). Klima 20

21 Strahlungsbilanz – Jahresgang Netto-Kurzwellenstrahlung Netto-Strahlung Netto-Langwellenstrahlung Netto-Kurzwellenstrahlung = KW abwärts – KW aufwärts Netto-Langwellenstrahlung = LW abwärts – LW aufwärts Netto-Strahlung = Netto-KW – Netto-LW Klima 21

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. Klima 22

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

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

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

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) Klima 26 Oberflächen- temperatur H 2 O in der Atmosphäre Treibhaus- effekt (+)

27 Rückkoppelungen (2) Schnee/Eis–Albedo–Rückkoppelung (positiv) Klima 27 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) Wolken–Rückkoppelung für tiefe Wolken (negativ) Klima 28 z.B.:Temperatur nimmt zu  Wasserdampfgehalt der Atmosphäre nimmt zu  Bewölkung nimmt zu  Albedo nimmt zu  Temperatur nimmt ab. Oberflächen- temperatur H 2 O in der Atmosphäre Planetare Albedo (–)(–) Tiefe Bewölkung


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