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

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

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. 43-48

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)

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

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

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

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

Is there a quick fix? March 24, 2008

Die physikalischen Grundlagen Der Strahlungshaushalt der Erde

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

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

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

„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

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: 20 Mt Transport: elektromagn. Start, Ionenantrieb, Kosten: 50 $/kg (zur Zeit 20000 $/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 100000km 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 (120 000 km^2 Fläche). Weniger, als die Agarsubventionen oder Ausbau der Hochgeschwindigkeitskommunikation.

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

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

Aerosole und Wolken im Klimasystem

Das atmosphärische Aerosol Nano- bis mikrometergroße luftgetragene Partikel aus Ammoniumsulfat, Seesalz, Mineralstaub, Ruß und größeren organischen Molekülen. Konzentration: 1000 - 100000 particles per cm³ in the low atmosphere adapted from: W. Rödel, Physik unserer Umwelt – die Atmosphäre, Springer

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

optical properties and lifetime U. Platt, Uni Heidelberg

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)

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

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)

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.

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, 12.6.1991

Effekte des Vulkanaerosols auf die Strahlungsbilanz From Robock (2000)

Stratosphärische Albedoänderung Budyko, 1982, Crutzen, 2006 Streuer in der Stratosphäre Stratosphärische Albedoänderung Budyko, 1982, Crutzen, 2006 Pinatubo: SO2, H2S bis in die Stratosphäre 20-34 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: 25-50 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, 12.6.1991

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

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

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

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

The AIDA cloud simulation chamber at FZK

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