Energie und Klimawandel Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE ) WS 2007/08 Dr. rer. nat. Gerhard Luther Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE ) c/o Technische Physik, Universität des Saarlandes Bau E26 , Zimmer 2.03 Telephon: 0049- 0681 - 302-2737; e-mail: luther.gerhard@vdi.de luther.gerhard@mx.uni-saarland.de (auch größere Dateien) homepage mit Link zur Vorlesung: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/ Vorlesung: Mittwoch, 15 -17 Uhr, Bau E26, 2.OG., Seminarraum 2.09 Internetseite vorführen !

1. Voll im Trend : Energie – Bevölkerung – Wohlstand 2. Weltweite Beobachtungen: CO2, Temperatur, Zuordnung 3. KlimaModelle und Prognosen 4. Was bedeutet das für den Menschen 5. Was tun

1. Voll im Trend Energie – Bevölkerung - Wohlstand

World Total Primary Energy Supply by Fuel (Mtoe) Evolution from 1971 to 2004 of World Total Primary Energy Supply by Fuel (Mtoe) __500 [EJ/a] __400 [EJ/a] Ungebrochenes Wachstum a *Excludes electricity trade. **Other includes geothermal, solar, wind, heat, etc. Quelle: IEA 2006, http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2006/key2006.pdf IEA2006_Key-World-EnergyStatistics_82p.pdf

( BAU) __750 [EJ/a] __500 [EJ/a] Quelle: IEA 2006 http://www.iea.org/Textbase/speech/2006/mandil/Monterrey.pdf Vortrag Mandil, Folie 2

UN 2002: Weltbevölkerung wächst noch auf ca. 11 G Menschen 2050: 9 Milliarden 2000: 6 Milliarden BQuelle: Bundesinstitut für Bevölkerungsforschung (BiB) : Bevölkerung -FAKTEN – TRENDS – URSACHEN – ERWARTUNGEN (2004), Abb.33, p.74

Die Welt - Industrialisierung hat gerade erst begonnen Stahlerzeugung: Die Welt - Industrialisierung hat gerade erst begonnen BQuelle:M. Rothenberg:“Traditionsbranche glänzend im Geschäft“, VDI-N Nr.42 /2005: 21.10.2005, p.21

2. Weltweite Beobachtungen CO2, Temperatur, Zuordnung

Berichtsstand:Mitte 2005 update vom 2006_0130 1.32 http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/graphics/mlo145e_thrudc04.pdf Berichtsstand:Mitte 2005 update vom 2006_0130 http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/sio-mlo.htm

Aktualisierte (2007-06) Links: http://www.mlo.noaa.gov/home.html hp of Mauna loa Observatory: http://www.mlo.noaa.gov/home.html Aktuelle CO2 Daten: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

CO2-Konzentration (ppm) 400 800 CO2- Sättigung Heute 380 ppm 200 240 280 320 360 160 380 Photosyntheserate 2006 CO2-Konzentration (ppm) 1750 100'000 200'000 300'000 400'000 500'000 600'000 Jahre vor heute Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al. (2005) Science 310:1313 Vostoc ice core data: Petit JR et al. (1999) Nature 399:429 BQuelle: C.Körner :“Wälder als Kohlenstoffspeicher..“ http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2006F/Links_AKE2006F.htm#AKE2006F_05

Atmospheric CO2 on different time-scales (a) Direct measurements of atmospheric CO2. (b) CO2 concentration in Antarctic ice cores for the past millenium. Recent atmospheric masurements (Mauna Loa) are shown forcomparison.. ..Variations in atmospheric CO2 concentration on different time-scales.. (e) Geochemically inferred CO2 concentrations. (d) CO2 concentration in the Vostok Antarctic ice core. (c) CO2 concentration in the Taylor Dome Antarctic ice core. Different colours represent results from different studies. Quelle: IPCC_2001_TAR_TSFig.10a-d, p.40

beobachtete Klimafolgen

Global average Air temperature Zusammenfassung der wichtigsten Erfahrungen (2007) Global average Air temperature Updated 100-year linear trend of 0.74 [0.56 to 0.92] oC for 1906-2005 Larger than corresponding trend of 0.6 [0.4 to 0.8] oC for 1901-2000 ( TAR) Average Ocean temperature increased to depths of at least 3000 m – ocean has absorbed 80% of heat added > seawater expansion and SLR At continental, regional, and ocean basin scales, numerous long-term changes in climate have been observed: Changes in Arctic temperatures and ice, Widespread changes in precipitation amounts, ocean salinity, wind patterns and aspects of extreme weather including droughts, heavy precipitation, heat waves and the intensity of tropical cyclones SLR= sea level rise Quelle: IPCC- AR4-wg1, Vortrag Pachauri in Nairobi, 2007-0206

Global mean temperatures are rising faster with time .311 Global mean temperatures are rising faster with time Warmest 12 years: 1998,2005,2003,2002,2004,2006, 2001,1997,1995,1999,1990,2000 50 0.1280.026 100 0.0740.018 Period Rate Years /decade Quelle: IPCC-AR4-wg1 , Vortrag Pachauri in Nairobi, 2007-0206

Klimaänderungen: Langfristperspektive (rel. zu 1961-1990) Unsicherheit Jahr BQuelle: C.D.Schönwiese (2207):“Der neue wissenschaftliche Sachstandsbereicht des IPCC“; AKE2007F-Vortrag , Folie 15

Ein Blick in die Stratosphäre Global gemittelte Temperatur der Stratosphäre (16 - 24 km) Anomalien 1960-2002 (relativ zu 1958-1977) und einige explosive Vulkanausbrüche Trend: - 1,9 °C BQuelle: DPG2005_SyKE1.4Schoenwiese_CC-imIndustriezeitalter.ppt Datenquelle: Angell, 2004

Besonders beeindruckend: Rückgang der Gletscher und der 1.35 Besonders beeindruckend: Rückgang der Gletscher und der arktischen Eisbedeckung

Gletscher-Schwund in den Alpen Aufnahme der Pasterzenzunge mit Großglockner (3798 m) Gesellschaft für ökologische Forschung, Wolfgang Zängl, http://www.gletscherarchiv.de BQuelle:DLR_Schumann200_Klimawandel.ppt

when the ice extended over the Arctic Ocean from edge to edge. 1979: An image based on satellite data shows perennial ice cover in 1979, when the ice extended over the Arctic Ocean from edge to edge. Since then the area of coverage has decreased by 9% per decade 2003: A similiar image from 2003 shows dramatically reduced perennial ice cover. Large areas of open ocean have appeared near Russia, Alaska and Canada. Some climate models project, that the ice will be gone in summer by the end of the century. Quelle: The Big Thaw“, National Geographic (2004), Heft 9, p.21;

Abschmelzen des arktischen Meereises zwischen 1979 und 2005 .315 Arktisches Eis Abschmelzen des arktischen Meereises zwischen 1979 und 2005 ©National Snow and Ice Data Center Eindeutiger Trend: Seit Beginn der Satellitenbeobachtung hat die Ausdehnung des Meereises drastisch abgenommen. BQuelle: SpectrumDirekt SD790789 vom 1.10.2005, Bild 2 ; UrQuelle: National Snow and Ice Data Center

Vom Abschmelzen erfasstes Gebiet in Grönland, Vergleich 1992 (rosa) und 2005 (rot) Steffen und Huff, 2005 Der Grönland-Eisschild könnte statt in Jahrtausenden bereits in Jahrhunder-ten abschmelzen. Die Folge wäre ein Meeresspiegelanstieg um 4 - 7 m.

Annual averages of the global mean sea level since 1870 .313 Meereshöhe Annual averages of the global mean sea level since 1870 mm relative to the average for 1961 to 1990 Error bars are 90% confidence intervals. a reconstructed sea level fields since 1870 (red), tide gauge measurements since 1950 (blue) and satellite altimetry since 1992 (black). BQuelle: IPCC_AR4wg1_TechnicalSummary: Fig. TS.18, p.49, [Fig 5.13 ]

Ursache und Zuordnung

Der Strahlungsantrieb : „radiative forcing“ 2.333 Der Strahlungsantrieb : „radiative forcing“ A process that alters the energy balance of the Earth - atmosphere system is known as a radiative forcing mechanism (1. IPCC-Report (1990), p. 41-68). Radiative forcing [ W/m2 ] is the change in the balance between radiation coming into the atmosphere and radiation going out. A positive radiative forcing tends on average to warm the surface of the Earth, and negative forcing tends on average to cool the surface.

Aktueller Stand AR4, (2007):

Die Klimaantriebe in ihrer zeitlichen Entwicklung all GHG__ __solar _Aerosol Aerosol in Stratosphere)__ BQuelle: VGB-Beising (2006): Klimawandel und Energiewirtschaft-Literaturrecherche, p.115, Abb. 8.15 A

Ursachenzuordnung Alle Antriebe Aufgrund der vorliegenden (physikalischen) Klimamodell-rechnungen ist die globale Erwärmung sehr wahrscheinlich* anthropogen. Für die letzten ca. 50 Jahre ist es sogar extrem unwahrscheinlich**, dass sie natürlich zustande gekommen ist. (IPCC, 2007) ------------------------ * p > 90% **p < 5 % Jahr Global gemittelte Temperaturanomalien Vulkanismus und Sonnenaktivität IPCC, 2007; Graphiken nach Pachauri, WGI-Präs. 6.2.2007

Understanding and Attributing Climate Change Continental warming likely shows a significant anthropogenic contribution over the past 50 years Quelle: IPCC-AR4-wg1 , Vortrag Pachauri in Nairobi, 2007-0206

Fazit: 1. Der Temperaturanstieg der letzten 50 Jahre kann global und regional auf den anthropogenen Einfluss zurückgeführt werden. (heute viel deutlicher als noch beim TAR (2001)) 2. Menschlicher Einfluss wird heute (AR4) auch erkennbar in anderen Klimabereichen, u.a.: Erwärmung des Ozeans Temperatur - Extrema Windsystemen Quelle: IPCC-AR4-wg1 , Vortrag Pachauri in Nairobi, 2007-0206

3. KlimaModelle und Prognosen

McGuffie and Hendersson-Sellers, 1997 BezugsQuelle: Claussen: „Earth System Models of Intermediate Complexity“,IMPRS, 4.6.2003; www.pik-potsdam.de/~claussen/lectures/

Geographic resolution characteristic of climate Models 2.34 Modelle Geographic resolution characteristic of climate Models Quelle: IPCC-AR4-wg1 (2007), Figure 1.4

Governing Equations for AGCMs 2.343 Governing Equations for AGCMs momentum eq. thermodynamic eq. conservation of water vapor conservation of mass hydrostatic eq. Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage: http://www.envsci.rutgers.edu/~broccoli/index.html

Governing Equations for AGCMs These terms involve processes that occur on scales unresolved by the model. Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage: http://www.envsci.rutgers.edu/~broccoli/index.html

Parameterization Parameterization: The representation of subgrid-scale phenomena as functions of the variables that are represented on the model grid. Goal is to make parameterizations physical, scale-independent, and nonempirical, but this goal is difficult to achieve. Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage: http://www.envsci.rutgers.edu/~broccoli/index.html

What Processes Are Parameterized? Atmospheric radiative transfer (solar and longwave radiation) Moist convective processes. Stable precipitation. Planetary boundary layer. Cloud formation and radiative interactions. Mechanical dissipation of kinetic energy. Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage: http://www.envsci.rutgers.edu/~broccoli/index.html

2.344 IPCC2001_TAR1_TS-Box3

Understanding Near Term CC 2.3531 Higher Temperatures Understanding Near Term CC Quelle:IPCC-AR4-wg1_TS, p.69, Fig.TS.26.

Corresponding uncertainties to the Projected Temperature Changes Uncertainties as the relative probabilities of estimated global average warming from several different AOGCM and EMIC studies for the same periods. Quelle:IPCC-AR4-wg1_TS, p.72, Fig. TS28 (nun vollständig)

4. Was bedeutet das für den Menschen

Aus dem „Stern Report“ der UK-Regierung: Quelle: „Stern Report“, UK-Government: http://www.hm-treasury.gov.uk/media/987/6B/Slides_for_Launch.pdf

5. Was tun

Ansatzpunkte zur Wende 1. CO2-freie Energiequellen Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (themisch, Strom) Kernenergie , Generation IV ; Kernfusion Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie) 2. CO2 Sequester und GeoEngineering CCS, Storage: in geologischen Schichten, im Meer Eisendüngung zum Algenwachstum, Aufforsten Sulfat in die Stratoposhäre 3. Rationelle Energieverwendung Gleiche Energiedienstleistung mit geringerem Energieeinsatz Höhere Wirkungsgrade bei Kraftwerken, Motoren etc. 4. Verhaltensänderung Leben mit weniger Energiedienstleistungen, aus Knappheit oder Bescheidenheit Ernährung: „Weniger Fleisch“

Pflicht für jeden Immer strebe zum Ganzen, und kannst Du selber kein Ganzes Werden, als dienendes Glied schließ an ein Ganzes Dich an Spruch von JWG vom bescheidenen aber endlichen Beitrag eines Wasserträgers Quelle: J.W. Goethe: Gedichte, Herausgeber ErichTrunz, Verlag C.H. Beck. p.226 ; Urquelle:JWG: Distichon im Zusammenhang der Xenien entstanden, aber außerhalb des Xenien Zyklus veröffentlicht