Klimawandel CO2 (ppm) WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz CO2 (ppm)

Inhalt Überblick Grundlagen Klimawandel heute: Beobachtungen CO2 Andere Treibhausgase Aerosole und Wolken Solare Variabilität Erwarteter zukünftiger Klimawandel Klimageschichte Klimaschutz

2. Grundlagen Klima Abstrahlung von Energie durch Sonne und Erde: Plancksches Strahlungsgesetz Absorption durch atmosphärische Gase Strahlungshaushalt Treibhauseffekt: natürlich und anthropogen; CO2 Strahlungsantrieb

2. Grundlagen Klima: Mittelwerte, Jahresgänge und Schwankungs- breite von Temperatur, Niederschlag, und weiteren meteorologischen Größen Häufigkeit von Extremwerten 30-jährige Mittelung Klima vs. Wetter... Klimawandel: Zeitskalen... Klima von =klino="ich neige" (Permeides ~500 v. Chr.), Klimazonen in Abhängigkeit vom Neigungswinkel der Sonne

Klimazonen

Strahlungshaushalt Wie kommt es zum Treibhauseffekt? Wie erklären sich die hier angedeuteten Strahlungsflüsse?

Spektrum elektromagnetischer Strahlung [Schönwiese] c = 

Plancksches Strahlungsgesetz (1900): Wirkungsquantum: h = 6,626 10-34 Js Planck-Gesetz beschreibt die spektrale Energiedichte B der Abstrahlung eines schwarzen Strahlers mit der Temperatur T. [Kraus]

Plancksches Strahlungsgesetz (1900): Stefan- Boltzmann- Gesetz: Stefan- Boltzmann- Konstante: Gesamte abgestrahlte Energie des schwarzen Strahlers hängt nur von der Temperatur des Strahlers ab und zwar zur 4. Potenz [Kraus]

Plancksches Strahlungsgesetz (1900): Wiensches Ver- schiebungsgesetz: Sonne: max  0.5 µm TSonne 5776 K Erde: max10 µm TErde 288 K [Kraus]

Planck-Kurven für Erde und Sonne (normiert): Erde: 99% der Strahlung zwischen 4 und 100 µm  terrestrischer = langwelliger Strahlungsbereich Sonne: 99% der Strahlung zwischen 0.23 und 5 µm  solarer = kurzwelliger Strahlungsbereich

Spektrale Verteilung der Abstrahlung von Sonne und Erde im Vergleich mit Planck-Strahler Sonne: Oberfläche ~5776°C Strahlung maximal im sichtbaren Bereich (0.4 – 0.8 µm) terrestrisches Strahlungs- fenster 8-12 µm

Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für em-Strahlung

IR-Aufnahme der Erdoberfläche DJF JJA

Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre: Rotations-Vibrationsspektren von CO2 Moleküle wie CO2 und H2O absorbieren langwellige Photonen. Die zugeführte Energie wird zunächst in Rotations-Vibrations- Energie umgesetzt. Insgesamt führt die zugeführte Energie zur Erwärmung der atmosphärischen Luftschicht (Energieübertrag auch durch Stöße mit anderen Luft-Molekülen) und die Energie wird wieder durch langwellige Photonen in alle Richtungen abgestrahlt.

Absorption langwelliger Strahlung in der Atmosphäre: Rotations-Vibrationsspektren von CO2 Rotations- Vibrations- Spektren des CO2 in der Atmosphäre noch Druck- und Doppler- verbreiterung der Linien: deshalb Absorptionsbanden

Absorptions- spektren verschiedener atmosphärischer Gase [Kraus]

Solarkonstante IK: aus IK kann sofort die Oberflächentemperatur Strahlungsflussdichte der von der Sonne kommenden und über alle Wellenlängen integrierten Strahlung, die extraterrestrisch (also außerhalb der Erdatmosphäre), von einer senkrecht zur Strahlrichtung orientierten Fläche beim mittleren Abstand Erde-Sonne (1496108m = 1 AE) empfangen wird. Aus Satellitenmessungen: aus IK kann sofort die Oberflächentemperatur der Sonne bestimmt werden:

Reflexionsvermögen verschiedener Oberflächen Albedo: Reflexionsvermögen verschiedener Oberflächen im kurzwelligen (und langwelligen) Bereich Oberfläche kurzwellige Albedo (0.3-4 µm) in Prozent langwellige Albedo (4-100 µm) System Erde/Atmosphäre 30 Neuschnee 75-95 0,5 Altschnee 40-70 Sand 20-40 10 Gras 15-30 1-2 Wasser bei hochstehender Sonne 5-10 4 Wasser bei niedrigstehender Sonne 50-80 Wolken 23-90 0-10

Strahlungshaushalt kurzwellig langwellig

Einfaches Glashausmodell: Fläche A: Fläche B: Bilanz: Modell: Atmosphäre = eine Fläche Erdoberfläche habe Albedo von 30% keine anderen Energietransporte  natürlicher Treibhauseffekt qualitativ Ergebnis: TA= -18°C, TB= 30°C TA entspricht Teff,Erde

Erweiterung des einfachen Glashausmodells: Fläche A: Fläche B: Ergebnis: für TB= 288 K, folgt TA= 242 K und A=0,78 für TB= 289 K, folgt TA= 243 K und A=0,79 Modell: Atmosphäre = eine Fläche Erdoberfläche habe Albedo ag keine anderen Energietransporte langwelliges "Fenster" mit Hilfe von A  Wirkung von zusätzlichen Treibhausgasen

Strahlungsantrieb F: "Änderung der Strahlungsbilanz an der Tropopause durch Störung der Energieflüsse im Subsystem Erdoberfläche- Atmosphäre" (nach Schönwiese, IPCC-Def. komplizierter). negativer Strahlungsantrieb: Abkühlung positiver Strahlungsantrieb: Erwärmung semi-empirische Verknüpfung mit Temperatur der Erdoberfläche: Probleme: e.g. Sulfataerosol Regional wirksam... Zeitverzögerung Klimaantwort Änderung der Oberflächentemperatur Strahlungs- antrieb Parameter: Sensitivität (Rückkopplungen etc.) Im langfristigen Gleichgewicht:

anthropogener Klimawandel: zwei Teile: Detektion Ursachen zuordnen

Natürlicher Treibhauseffekt: ~33 K, davon: 62 % H2O (20,6 K) 22 % CO2 ( 7,2 K) 7 % O3 (2,4 K) 4 % N2O (1,4 K) 2,5 % CH4 (0,8 K)