Klimawandel CO2 (ppm) WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz www.staff.uni-mainz.de/curtius/Klimawandel/ Login: Klimawandel Password: CO2 CO2 (ppm)

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

[IPCC 2001]

6. Aerosole und Wolken Aerosole: direkte Aerosoleffekte Grundlagen, Lichtstreuung natürliche und anthropogene Quellen direkte Aerosoleffekte erster indirekter Effekt zweiter indirekter Effekt semidirekter Effekt

Aerosolpartikel Ruß, Seesalzkerne, Mineralstaub, Pollen, Sulfatpartikel, ... wissenschaftliche Hintergründe Strahlungshaushalt Treibhauseffekt: natürlich – anthropogen CO2 und andere Treibhausgase Aerosolpartikel

Strahlungsantrieb durch Aerosole Direkter Effekt Streuung (und Absorption) des einfallenden Sonnenlichtes durch Aerosolpartikel. Indirekter Effekt Änderung 1.) der Wolken-Albedo 2.) der "Lebensdauer" durch anthropogen verursachte Aerosole. Semidirekter Effekt Änderungen (z.B. Verdampfen von Wolken) durch Absorption von Rußaerosolen ("ABC", "brown cloud", "dimming")

Grundlagen: Lichtabsorption und Lichtstreuung an Aerosolen Extinktion = Absorption + Streuung (Q=Extinktions-, Streu-, Absorptions-Effizienz) Mie-Streutheorie da   dp, komplex..., Streuung am stärksten in Vorwärtsrichtung Optische Dicke  (aus Lambert-Beer-Gesetz): (F=Intensität, bext=Extinktionskoeff.,z=Weglänge) Einzel-Streu-Albedo:

Streuung und Absorption von Strahlung durch Partikel [Seinfeld & Pandis, 1998]

Mie-Streuung und "Upscatter fraction" [Seinfeld & Pandis, 1998]

Grundlagen: Lichtstreuung an Aerosolen Sulfataerosol: Streut insbes. kurzwellige solare Strahlung Ruß: Absorbiert kurzwellige (und auch langwellige) Strahlung Wolken: Streuung und Absorption von kurzwelliger und langwelliger Strahlung Netto-Effekt meist eher kühlend, Ausnahme dünne Cirren

Atmosphärische Aerosolpartikel atmosphärisches Aerosol ist äußerst komplex: variable Anzahl, Größenverteilung, verschiedene Typen, chemische Zusammensetzung, interne/externe Mischung Verweilzeit, optische Eigenschaften, Hygroskopizität, Eignung als Wolkenkondensationskeime und Eiskeime Optische Dicke: anthropogener Anteil ~50%, besonders das Aerosol der Akkumulationsmode ist wichtig (0.1-1.0 µm) kurze Aufenthaltszeiten in der Atmosphäre: 1-2 Wochen Strahlungsantrieb nicht aufrechnen... "warm days, hot nights...", beeinflußt vor allem solare Strahlung

anthropogene SO2-Emissionen anthropogene SO2-Emissionen heute 2 bis 4 mal größer als natürliche Emissionen

50 Tg/a

Atmosphärisches Aerosol

Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) anthropogenes Sulfat-Aerosol hauptsächlich aus fossiler Verbrennung

Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) natürliches Sulfat-Aerosol hauptsächlich aus DMS-Oxidation

Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) anthropogenes organisches Aerosol hauptsächlich aus fossiler und Biomasse-Verbrennung [IPCC 2001]

Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) natürliches organisches Aerosol hauptsächlich aus Terpenoxidation, Pollen u. ä. biolog. Aerosol, Huminstoffe (HULIS),...

Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) anthropogenes BC hauptsächlich aus fossiler Verbrennung: Ruß und Teere

Rußaerosole aus fossiler und Biomassen-Verbrennung: "Ruß ist nicht gleich Ruß!", für Strahlungseffekte spielen Alterungsprozesse, Mischungszustand, Partikelgröße etc. eine wichtige Rolle

Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) Mineralstaubpartikel: Änderung der Landnutzung...

Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) Seesalzaerosol [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km-2 hr-1) Seesalzaerosol

[IPCC 2001] Optische Dicke

Bellouin et al., Nature, 2005: Aerosol direct radiative forcing based on satellite measurements, not on model calculations. "[We find] for the direct radiative forcing at the top of the atmosphere [...] a clear-sky, global, annual average of -1.9 Wm-2 with standard deviation, 0.3 Wm-2. These results suggest that present-day direct radiative forcing is stronger than present model estimates, implying future atmospheric warming greater than is presently predicted, as aerosol emissions continue to decline."

Indirekte Klima-Effekte durch Aerosole outline Indirekte Klima-Effekte durch Aerosole reine Luft, wenige CCN geänderte optische Eigenschaften, Wolke wird "weißer", reflektiert mehr solare Strahlung, Namen: Twomey-Effekt (Twomey, Tellus B, 1984), Wolkenalbedo-Effekt, erster indirekter Aerosoleffekt geänderter hydrologischer Zyklus: längere Lebensdauer der Wolke, Abregnen wird unterdrückt, CDs<14µm, Namen: zweiter indirekter Aerosoleffekt, "lifetime effect" Wolken- bildung: Wasserdampf kondensiert wenige große Wolken- tröpfchen verschmutzte Luft, viele CCN viele kleine Wolkentröpfchen

erster indirekter Effekt Satellitenaufnahme (bei einer Wellenlänge von 3.7 µm) vom Pazifik an der Westk¨uste von Kalifornien. Der Satellit sieht eine fast kontinuierliche Wolkenbedeckung (grau) mit einer Anzahl von Linien (weiss/hell), die sich durch eine gröossere Reflektivitäat auszeichnen. Diese sogenannten “Schiffsspuren” (ship tracks) kommen durch die von den Schiffsmotoren ausgestossenen Aerosole zustande. Messungen haben gezeigt, dass die erhöhten Aerosolkonzentrationen zu einer höheren Konzentration vonWolkentröpfchen bei gleichzeitiger Reduktion der Wolkentröopfchengrösse führen, und damit zu der vom Satelliten beobachteten erhöhten Reflektivität dieser Wolken.

indirekte Aerosoleffekte Rosenfeld, Science, 2000: NOAA AVHRR-Satelliten-Bilder: rot: Wolken m. großen Tröpfchen gelb: Wolken m. kleinen Tröpfchen blau: Bodenoberfläche A) 1) Istanbul, 2) Izmit 3) Bursa B) 4) Erzverhüttung Flin-Flon, Manitoba, Canada C) 5) Port Augusta, Kraftwerke 6) Port Pirie, Bleiwerke 7) Adelaide Hafen 8) Ölraffinerien  kleinere Tröpfchen  weniger/späteres Abregnen  weniger Eisbildung

Korrelation der Aerosolkonzentration mit der Konzentration der Wolkenkondensationskeime [Ramanathan et al., Science, 2001]

indirekte Aerosoleffekte Lohmann und Feichter, ACP 2005: Vergleich der Effekte nach verschiedenen GCMs rot: nur Sulfate grün: Sulfate + BC blau: Sulfate + OC türkis: Sulf.+OC+BC