Chemie-Klima-Wechselwirkungen Geplanter Beitrag des ICG zum IPCC Report AR5 Martin Schultz, ICG-2 Kolloquium Energie & Umwelt, 22. September 2008

Inhalt Vorbemerkungen: Klimawandel und das IPCC Chemie-Klima-Wechselwirkungen Chemie-Klima-Modellierung am ICG-2

Earth‘s Global and Annual Mean Energy Balance (after Kiehl and Trenberth, 1997)

Incoming Solar Radiation: 342 Wm-2

Reflection at Gases, Aerosol, Clouds: 77 Wm-2 342

342 77 Reflection at Earth Surface: 30 Wm-2

342 77 30 Absorption by Atmosphere: 67 Wm-2

342 77 30 67 Absorption by Surface: 168 Wm-2

342 77 30 67 168 Thermals: 24 Wm-2

342 77 30 67 168 Evapotranspiration, Latent Heat: 78 Wm-2 24

342 77 30 67 Longwave Surface Radiation: 390 Wm-2 78 168 24

Atmospheric Window: 40 Wm-2 342 77 30 67 390 78 168 24

40 342 Back Radiation: 324 Wm-2 350 77 30 67 390 78 168 24 Greenhouse Gases 390 78 168 24

Emission from Clouds: 30 Wm-2 40 342 350 77 30 67 390 78 168 324 24 Greenhouse Gases 390 78 168 324 24

30 Emission from Atmosphere: 165 Wm-2 40 342 350 77 30 67 390 78 168 Greenhouse Gases 390 78 168 324 24

165 30 40 342 350 77 30 67 Greenhouse Gases 390 78 168 324 24

235 Wm-2 total solar absorption 165 30 40 342 350 77 30 67 390 78 168 Greenhouse Gases 390 78 168 324 235 Wm-2 24 total solar absorption

~65 Wm-2 natural greenhouse effect 165 30 40 342 350 77 30 67 390 78 Gases 390 78 168 324 ~65 Wm-2 24 natural greenhouse effect

anthropogenic radiative 165 30 40 342 350 77 30 67 Greenhouse Gases 390 78 168 324 2-8 Wm-2 anthropogenic radiative forcing 24

Historisch einmaliger Anstieg von Treibhausgas-Konzentrationen IPCC, AR4

In den letzten 600000 Jahren ist CO2 nie über 300 ppm hinausgekommen (kyears) IPCC, AR4

Anthropogener Einfluss CO2 CFCs N2O CH4 O3

Klimawandel ist beobachtbar IPCC, AR4

Polargebiete reagieren am stärksten sea ice extent 09/12/2008 http://www.nsidc.org/arcticseaicenews/index.html Overview of conditions On September 12, 2008 sea ice extent dropped to 4.52 million square kilometers (1.74 million square miles). This appears to have been the lowest point of the year, as sea has now begun its annual cycle of growth in response to autumn cooling.  The 2008 minimum is the second-lowest recorded since 1979, and is 2.24 million square kilometers (0.86 million square miles) below the 1979 to 2000 average minimum. IPCC, AR4

Können Modelle das Klima simulieren? 58 simulations by 14 models IPCC, AR4

IPCC, AR4

Was passiert mit Treibhausgas-Emissionen? CO2 „N2O“ „CH4“  ≈ 100-10000 a  ≈ 120 a  ≈ 12 a IPCC, AR4

Das Intergovernmental Panel on Climate Change Wissenschaftliches Gremium („intergovernmental“) Geführt durch WMO und UNEP seit 1988 Drei Arbeitsgruppen Physical basis Impacts-adaptation-vulnerability Mitigation of climate change Bislang vier umfassende Sachstandsberichte: Scientific Assessment of Climate change, 1990 Climate Change 1995:The Science of Climate Change Climate Change 2001: The Scientific Basis Climate Change 2007: The Physical Science Basis http://www.ipcc.ch

Der IPCC Prozess

Chemie-Klima-Wechselwirkungen Teil 2 Chemie-Klima-Wechselwirkungen

Was treibt den Klimawandel?

Treibhausgase sind Spurengase 78% 20% 1,8 ppm = 0,0002% 0,01-2% 0,038% 365 ppb ~60 ppb N2 O2 H2O CO2 CH4 N2O O3

Aerosol-Effekte Moleküldichte in 4 km Höhe: ~ 1.8 · 1019 molec. cm-3 Aerosoldichte: max. 104 cm-3

Einfluss von Sulfat-Aerosolen auf das Klima Abschaltung aller SO2 Emissionen im Jahr 2000 führt zu deutlicher Erhöhung der bodennahen Temperatur Brasseur&Röckner, 2005 In der Realität noch komplizierter aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Sulfat-Aerosolen mit elementarem/organischem Kohlenstoff, Nitrat, Ammonium, …

Beispiel: Bedeutung der Atmosphärenchemie für Aerosoleigenschaften Einfluss der Schwefelchemie (SO2 Oxidation) auf die Aerosol Optische Dichte + Bildung von Sulfat-Aerosol - Ummantelung von Staubteilchen und organischen Aerosolen wasserunlöslich  wasserlöslich (Umsatz: ca. 300 Tg/yr) Pozzoli et al., 2008

Weitere Beispiele von Chemie-Klima-Wechselwirkungen Einfluss von H2O auf OH Einfluss von Treibhausgasen auf Ozon und Dynamik in der Stratosphäre Einfluss von H2O und Dynamik der UTLS auf troposphärisches Ozon und Aerosole Auswirkungen von Temperatur- und Niederschlagsänderungen auf natürliche (und anthropogene) Emissionen (z.B. Feuer) Auswirkungen von Temperatur- und Niederschlagsänderungen auf Spurengasbudgets (Reaktionsraten, Deposition, Auswaschen) Änderungen im Wasserkreislauf und Einfluss auf Gewitter (NOx  N-Kreislauf) Änderungen des regionalen Klimas (Wetterlagen) und Einfluss auf Luftverschmutzung (z.B. trockene, heisse Sommer)

Chemie-Klima-Modellierung am ICG-2 Teil 3 Chemie-Klima-Modellierung am ICG-2

Wo gibt es Klimamodelle? MPI-M: ECHAM5-OM IPSL: CM4 UKMO: HadCM3 GFDL: CM2 INM: CM3 BCCR: BCM2 NASA: GISS CCCMA: CGCM3 CNRM: CM3 CSIRO: Mark 3.0 NCAR: CCSM3 BCC: CM1 LASG: FGOALS MRI: CGCM 2.3.2 NIES/FRSCG: MIROC 3.2 AR4 models (http://www.ipcc-data.org)

Vom Klimamodell zum Erdsystemmodell

Das Erdsystemmodell ECHAM5-MPIOM-HAMMOZ3

Geplante IPCC AR5 Simulationen Fokus auf dekadischen Szenarien (1970-2050) Erstmalig quasi-vollständige Einbeziehung von Atmosphärenchemie Zusammenarbeit mit dem MPI-M, Hamburg, ETH-Zürich und EPF Lausanne

Neue Strategie für den 5. Assessment-Report – „Representative Concentration Pathways“ (RCPs) Je niedriger das angestrebte Konzentrationsniveau, desto eher müssen die Emissionen ihr Maximum erreichen! Parallele Bearbeitung von Klimasimulationen, Emissionsszenarien, Handlungsoptionen

Strahlungsantrieb und CO2 Emissionen

Definition der „Representative Concentration Pathways“

Auswahl geeigneter RCPs und der dazugehörigen Emissionsszenarien Szenarien müssen publiziert sein und genügend Details aufweisen (auch Luftschadstoffe)

Kontrollmechanismen: Klimawandel - Luftverschmutzung CO2 Emissionen Schwefel-Emissionen

Emissionsszenarien: CH4

Emissionsszenarien: Verkehr CO NOx

IPCC Simulationen - Gesamtüberblick „Spin-up“: ~1000 years MPI Hamburg carbon cycle, ocean, prescribed chemistry „Centennial“: 1850-2300 MPI Hamburg „Decadal“: 1970-2050 FZ Jülich carbon cycle, ocean, fully coupled chemistry Sensitivity studies: to be determined

Szenarien und geplante Läufe carbon cycle and ocean spin-up (MPI Hamburg) 1000 yrs. chemistry spin-up 100 yrs. chemistry control run 100 yrs. chemistry transient preindustrial-present (1850-2000) 150 yrs. recent past (1970-2005) 5  35 yrs. baseline („business as usual“, RPC8.5) (2000-2050) 5  50 yrs. maximum feasible reduction (RPC2.9) (2000-2050) 5  50 yrs. current legislation (RPC4.5 or RPC6) (2000-2050) 5  50 yrs. total 1275 yrs. Ensemble Rechnungen sind essentiell, um aussagekräftige Statistik zu erhalten.

Verfeinerte Modellauflösung 1990 1995 2001 2009 2017(?) Ozon-Simulation NRW, 8. August 2003 15:00 Uhr EURAD-RM (5 km) MOZART (110 km)

Infos zum Resourcenbedarf (JUMP Nachfolge) Zeitschritt ca. 10 Minuten (gesamt: ~ 67 Mio. Zeitschritte) 1,5 Mio. Gitterzellen ca. 1000 Gleichungen pro Zeitschritt und Gitterzelle  ca. 30 Mio CPU-h auf JUMP Nachfolgerechner

Zusammenfassung Klimawandel ist Realität Modelle geben konsistente Prognosen ab, aber noch große Unsicherheiten Die größten Unsicherheiten (und spannendsten Fragen) liegen im Bereich Chemie-Klima-Wechselwirkungen Jülich kann mit den IPCC Chemie-Klima-Simulationen einen wichtigen Beitrag leisten – weltweit einmalig Chemie-Klima-Simulationen Teil des POF2 Programms (sehr positiv begutachtet) Modellrechnungen dieser Komplexität praktisch nur in Jülich durchführbar (auf JUMP Nachfolgesystem)