• Historische Einführung

• Die wissenschaftlichen Grundlagen

• Ein Überblick über Geoengineering- Konzepte

• Aerosol- basierte Vorschläge

• Bewertungsmaßstäbe

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

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

-Geoforming, GeoengineeringEnteisung des Nordpolarmeeres durch Beringstraßen- Damm und Umleitung der großen sibirischen Ströme zur Bewässerung ZentralasiensP.M. Borisov, Bulletin of the Atomic Scientists, March, 1969, pp. 43-48

-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 throughcontrol of weather... I shudder to think of the consequences of a priorRussian discovery of a feasible method for weather control.Henry Houghton, MIT, 1957

Definition “Gezielte Klimabeeinflussung”(Geoengineering, Climate engineering)

Absichtliche, großskalige Manipulation der Umwelt, um unerwünschten Effekten des anthropogenen Klimawandels entgegenzuwirken (Keith, 2000):

FossileEnergiegewinnung

CO2

EmissionKlimasystem

Einfluss von Klimaänderungen auf den Menschen

Vermeidung, Verminderung

durch Alternative Energien

Rationelle Nutzung(Mitigation)

IndustriellesKohlenstoff-management

Geoengineering Anpassung(Adaptation)

Neues Interesse durch anthropogenen Klimawandel

P. CrutzenClimatic Change, 2006

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

01990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

Red

uktio

n in

%

goals

Datenquelle: BMU 3/2003 und Koalitionsvereinbarung Nov. 2005

CO2-Emissionen in Deutschland

Datenquelle: bis 2000: Energiebericht Baden-Württemberg 2001ab 2010 Gutachten des IER im Auftrag der Landesregierung BW März 2001

Stromerzeugung aus erneuerbaren Energieträgern in Baden-Württemberg (technisches Potential ohne

Berücksichtigung der Kosten)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

1990 1995 2000 2010 2020 2030

[GW

h/a]

BiomasseWindkraftPhotovoltaikWasserkraft

Factor:

120

3000

6800

2

2030/1990BiomassWindPhotovoltaicWater

Potential für Elektrizitätserzeugung aus Erneuerbaren Quellen, in Baden-Württemberg,

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

Erze

ugte

r Stro

m in

BW

[GW

h/a]

Wasserkraft PhotovoltaikWindkraft BiomasseHeizöl ErdgasSteinkohle Kernenergie

Datenquelle: bis 2000: Energiebericht Baden-Württemberg 2001ab 2010 Gutachten des IER im Auftrag der Landesregierung BW März 2001

2030/1990

Faktor:

Elektrizitätserzeugung in Baden Württemberg, optimistisches Szenario

3

3

12030006800

2

Is there a quick fix?March 24, 2008

Die physikalischen GrundlagenDer Strahlungshaushalt der Erde

AA

ABASLTT

2

122

22 044

L = S0/4 (1-A) = 238 W/m2 TB : Temperatur Boden

SolarkonstanteSolarkonstante(1360 W/m(1360 W/m22))

Planetare Albedo Planetare Albedo (~0,3)(~0,3) 4

BT4

AA T

4AA T 41 BA T

A : IR Absorptionsgrad (= Emissionsgrad), TA: Temperatur Atmosphäre

: Stefan-Boltzmann-Konstante

Die physikalischen GrundlagenEin 0-dimensionales Klimamodell

441 AABA TTL

44AAB TTL

Sichtbare (kurzwellige)Strahlung

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

220

240

260

280

300

320

Atm.

T /K

Tb

Ta

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

Einteilung (Taxonomie)

Einteilung der „Climate Engineering“ Verfahren

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

Erdoberflächen-temperatur:

14

0G

G A

S 1 AT

2 2

„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

r

rE

MS, Leuchtkraft LS

ME

1. Ort: L1-Punkt (instabil)2. Implementation: Wolke aus vielen Scheiben, stabilisiert

durch Modulation des Strahlungsdrucks, Scheibengröße: ~1 m, Gewicht: 1g, Anzahl: 1,61013

3. Optisches Design: transparentes brechendes Material, niedrige Flächendichte, Gesamtmasse: 20 Mt

4. Transport: elektromagn. Start, Ionenantrieb, Kosten: 50 $/kg (zur Zeit 20000 $/kg)

Änderung der Solarkonstanten: (Angel, PNAS, 2006)

Gesamtkosten einige Billionen $(100 Mrd. $/a)

Die biologische Pumpe

S.W. Chisholm, Nature 407, (2000)

Boyd, 2007

CO2 Abscheidung durch Düngung geeigneter Meere

… 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 orderof magnitude larger than the entire area of the Southern Ocean.

K. O. Buesseler et al., Science 2002 and 2008

Nebenwirkungen:

erhöhte Produktion von klimawirksamen Gasen wie DMS, COS, org. Halogenverb.

M. Lawrence, Science,2001

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

0.01 0.1 1 10

10-410-310-210-1100101102103104105106

dispersionmode

accumulationmodenucleation

mode

dM/d

log(

d)

diameter / µm

dN/dlog(d) ~ d-3

dN /d

log(

d)

Secondary aerosol:Kondensation aus flüchtigen VorläufersubstanzenSulfatpartikeln, Organisches Aerosol

Primary aerosol: Teilchen, die von der Erdoberfläche emittiert werden: Mineralstaub, Gischt, Biomassen- Brände, Vulkanasche

Prozesse:Koagulation, Sedimentation, Wolkenprozesse

Aerosol sources and processes

Size distribution

optical properties and lifetime

0.01 0.1 1 10 1000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

mas

s sp

ecifi

c ex

tinct

ion

(m²/k

g)

particle diameter (µm)

n=1.33 n= 1.55

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

hNo soot

T

hWith 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%) möglichd=300nm (m=10-16kg) NaCl Teilchen sind optimalfunktioniert am besten in mariner Reinstluftes ist leichter, große Flächen schwach zu beeinflussen als kleine Flächen stark.

Vorschlag: Windgetriebene unbemannte Schiffe, dieper Satellitennavigation an die besten Orte gelotst werden.Versprühen Meerwassertröpfchen d~ 0.8 µm inaufsteigende Luftmassen. Einige tausend Einheiten müssten pro Jahr vomStapel laufen.

Stratosphärisches Aerosol

Mt.Pinatubo, 12.6.1991

Streuer in der Stratosphäre

From Robock (2000)

Effekte des Vulkanaerosols auf die Strahlungsbilanz

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

Stratosphärische AlbedoänderungBudyko, 1982, Crutzen, 2006

Mt.Pinatubo, 12.6.1991

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)

Streuer in der Stratosphäre

Räumliche und zeitliche verteilung von:(a) x4 CO2Strahlungsantrieb

(b) Strahlungsantrieb durch stratosphärisches Aerosol

Govindasamy et. al.Global and Planetary Change 37 (2003) 157–168

Nebenwirkungen hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Verteilung des Klimaantriebes

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

Auswirkungen auf Temperaturverteilung

Auswirkungen auf Niederschlag

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

Side effects wrt. cirrus cloud formation

pure mineral dust

H2SO4 coated mineral dust

AIDA Lab. Experiments

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