XV. Heidelberger Graduiertenkurse Physik (10-14 Oktober 2005)

Energie und Umwelt im 21. Jahrhundert

Dienstag 11.10 (Teil I)

der Klimawandel: Grundlagen und Prognosen

• Einfuhrung: Wetter, Klima und Klimawandel

• Beobachtungen des Klimas: in der Schweiz und in der Welt→ das Klima andert sich!

• zum Verstandnis der Ursachen: Energiehaushalt der Erde unddas 0-dimensionale Modell des Treibhauseffektesdie wichtigsten Treibhausgase: Wasserdampf, CO2, CH4 (Methan)

• Modelle zur Klimaentwicklung: Methodik, Simulationen undUnsicherheiten CO2 Gehalt der Atmosphare und mittlere Temperaturen

• Argumente der Skeptiker

• das IPCC (International Panel on Climate Change) und das Kyoto Protokoll

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“Wir sind nicht in der Lage, das Klima in den kommenden Jahren voraus zu sagen,wenn wir es nicht einmal schaffen, das Wetter der kommenden Tage prazise zu melden.Was fehlt sind langfristige Daten.”

Prof. H. von Storch, Professor am Institut fur Kustenforschung(Geesthacht und Uni Hamburg), Academia Engelberg 2004, ETH-life 12.10.2004

macht so eine Aussage Sinn?

Wetter, Klima und KlimawandelWetter: Zustand der Atmosphare in einem Zeitintervall und einer Region.die wichtigsten Messgrossen: Luftdruck, Temperatur, Feuchtigkeit und Wind.Klima: die Gesamtheit aller meteorologischen Erscheinungen, die den mittlerenZustand der Atmosphare an einer bestimmten Region der Erdoberflache kennzeichnen.Klimafaktoren sind: geographische Breite, Verteilung von Land und Meer,Meeresstromungen, sowie Gebirge, Walder und Wusten.

• Klimazonen: Gebiete mit ahnlicher zeitlicher Variation des Wetters bedingt durch dieSonneneinstrahlung und Geographie.

• Klimastabilitat: zeitliche Variationen der mittleren Wetterfaktoren variieren gleichmassigum das langjahrige Mittel zur gegebenen Jahreszeit.

• Klimawandel: systematische Veranderung der mittleren Wetterfaktoren in eine bestimmteRichtung.

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Wetter und Klima: eine Definition

Als Wetter bezeichnet man den Zustand der Atmosphare zu einem bestimmten Zeitpunkt aneinem bestimmten Ort, wie er durch die Grosse der meteorologischen Elemente (Luftdruck, -temperatur, -feuchte, Wind, etc.) und ihr Zusammenwirken gekennzeichnet ist. Das Wetter inunseren Breitengraden wechselt standig, ist an jedem Ort zu jeder Zeit ein klein wenig anders.Davon unterscheiden mussen wir das Klima, dass falschlicherweise mit dem Wetter oft in einenTopf geschmissen wird. Unter Klima verstehen wir per Definition die Gesamtheit allermeteorologischen Erscheinungen, die den mittleren Zustand der Atmosphare an einer bes-timmten Stelle der Erdoberflache kennzeichnen. Klima ist also eine Art langfristiges Durch-schnittswetter fur eine Region. Braumeister des Klimas sind die geographische Breite, dieVerteilung von Land und Meer, Meeresstromungen, aber auch Gebirge, Walder und Wusten -kurz: die Klimafaktoren.Klimazonen entstehen vor allem dadurch, dass die Sonne die Erdoberflache nicht uberallgleichassig mit Energie versorgt. So unterscheidet man beispielsweise maritimes Klima undKontinentalklima. Zudem wird die Erde in Klimazonen eingeteilt. In Deutschland leben wir ineinem feucht-gemassigten Klima. Hier liegt ubrigens auch der Grund fur unser vergleichsweisewechselhaftes Wetter: Regelmassig treffen sich uber uns polare Luftmassen mit warmerersubtropischer Luft. In dieser Grenzzone entstehen die Tiefdruckgebiete, die uns mit Regenversorgen.Wer das Wort Klima hort, dem fallen auch Schlagworte wie Treibhauseffekt und Ozonloch ein.Entscheidender Klimafaktor hier ist der Mensch.(Westdeutscher Rundfunk www.quarks.de/wetter/0502.htm 27.8.96)

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Beobachtungen zum Schweizer Klima

• Die 1990er waren die warmste Dekade des 20. Jahrhunderts (1998 war das weltweitwarmste Jahr). In der Schweiz war es im jahrlichen Mittel 1994 am warmsten; 2002 wardas zweitwarmste Jahr seit Beginn der Temperaturmessungen - sowohl weltweit als auchin der Schweiz.

• Messungen der letzten 30 Jahre in der Schweiz zeigen einen Anstieg der mittlerenTemperatur zwischen 1-2 0C, etwa dreimal starker als im Weltdurchschnitt.

• Die Schweizer Gletscher sind in der Messperiode 2002/2003 so stark geschmolzen wienoch nie seit Beginn der Erhebungen im Jahre 1880 (Andreas Bauder, Verantwortlicherfur das Gletschermessnetz, in der NZZ 13.1.04)

• Sommer 2003: Von Mitte April bis Ende August lagen die Lufttemperaturen fast durch-wegs deutlich uber dem langjahrigen Mittel. Die Monate Juni und August brachteneine bisher einmalige Haufung von Hitzerekorden, darunter die hochste je in der Schweizgemessene Lufttemperatur von 41,5 0C. Begleitet wurde die Hitze von einer anhaltendenTrockenheit.

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Entwicklung der Temperatur(Schweiz)

weitere detaillierte Informationen unter www.meteoschweiz.ch

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Klima Beobachtungen: Welt

• Die “globale mittlere Temperatur” ist in den letzten 100 Jahren um 0.6 ± 0.20 Celsiusgestiegen (in den letzten 30 Jahren jeweils um etwa 0.170 Celsius pro 10 Jahre). DerAnstieg in den nordlichen Polarregionen ist etwa doppelt so gross. (Details: Arctic ClimateImpact Assessment Symposium 9-12 Nov. 2004 http://www.acia.uaf.edu/)

• Der Temperaturanstieg auf der Nordhalbkugel ist grosser als auf der Sudhalbkugel. Vonden 10 warmsten Jahren in der Messgeschichte lagen 9 nach 1990 und die drei warmstenJahre waren 1998, 2002 und 2003!

• Gletscher werden kleiner (Himalya, Anden etc.), die Winter werden kurzer, warmer undes gibt weniger “Schnee”.

Details unter www.ipcc.ch (The Scientific Basis)

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Entwicklung der Temperatur (Welt)

Details unter www.ncdc.noaa.gov/oa/climate/globalwarming.html

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die mittleren Temperaturen auf der Erde steigen an!

Details unter: www.ncdc.noaa.gov/oa/climateresearch.html

1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 -.4

-.2

.0

.2

.4

.6

Annual Mean5-year Mean

Year

Tem

pera

ture

Ano

mal

y (∞

C)

Global Temperature

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Eiszeiten und Warmzeiten?

das Maximum liegt etwa 9000 Jahre zuruck!

Eiszeiten sind “periodische” Kalteperioden mit starker Vereisung und Temperaturvariationenvon bis zu 50 C in 50000 Jahren. Die gangige Erklarung hangt mit einer veranderternSonneneinstrahlung durch Variation in der Orientierung der Erdachse bezuglich der Sonne(Astronom Milankovitch)! Man unterscheidet drei Perioden von 100000-, 41000- und 26000Jahren. (1) Eccentrischer Orbit, tilt der Erdachse (zwischen 21.50 und 24.50) und (3) Preces-sion der Erdachse.Am Ende der Eiszeiten beobachtet man “schnelle” Erwarmungen von 0.15 − 0.20 C in 100Jahren. Diese Veranderungen sollte man mit der Erwarmung von 0.3 − 0.50 C in den letzten30–50 Jahren vergleichen!

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Eiszeiten und die Milankovitch Cycles

The influence of these cycles on insolation (INcident SOLar radiATION) from Berger’s (1991)solution for 65 degrees north latitude from the present to 1 million years ago. In the NorthernHemisphere, peak summer insolation occurred about 9,000 years ago when the last of thelarge ice sheets melted. Since that time Northern Hemisphere summers have seen less solarradiation.

http://deschutes.gso.uri.edu/ rutherfo/milankovitch.html

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der Treibhauseffekt

Die Erdatmospare ist “durchsichtig” fur sichtbares Licht, aber die

so-genannten Treibhausgase (die wichtigsten sind Wasserdampf

(Wolken), CO2 und Methan) absorbieren einen Anteil der

Infrarotwarmeabstrahlung der Erde.

www.hamburger-bildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/klima/treibhaus/

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der Energiehaushalt der ErdeBei einer stationaren Situation: einfallende Energie - Black body radiation = 0!

Black body radiation (Stefan-Boltzmann) I = σT 4 (mit σ = 5.67× 10−8 W/m2 /K4)

Intensitatsverteilung als Funktion der Wellenlange (Wiens Law)λmax = a/T mit a = 2898 mit λ in microns

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Das solare Spektrum im Weltraum und an der Erdoberflache

Ohne Treibhauseffekt ware die Temperatur der Erde −180 C anstatt +150 C!

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Die Energiebilanz im 0-dimensionalen Treibhaus Modell

51 units of incoming solar radiation absorbed by the earth’s surface is lost by re-emission atIR wavelengths, and by sensible and latent heat fluxes, as on the right hand side of the figure.Globally, the atmosphere is losing more energy by IR emission than is input by incoming solarradiation, but the deficit is made up for by latent heat released during condensation of water,and by conduction of heat from the surface.

Summary of the mean global energy balance for the earth-atmosphere system. Numbers arepercentages relative to the 100 units of incoming solar irradiance (S/4 = 1380/4 = 345 W/m2)at the top left of the Figure. From Wallace and Hobbs (1977), p321.

http://ceos.cnes.fr:8100/cdrom-98/ceos1/science/dg/dg12.htm

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Die Messungen des CO2 Gehalts der Atmosphare

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ein Zusammenhang zwischen CO2 und Temperatur

Ref: http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/pubs/crowley.html undPetit J.-R. et al., (1999) Nature. Vol. 399, p. 429-436 (Climate and atmospheric history ofthe past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica).

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Modelle der Klimaentwicklung:

die Methodik und mogliche Probleme

Vom 0-dimensionalen Treibhaus Erde zu lokalen Klimavorhersagen?

• Teile die Erde in 3 (2) dimensionale Volumenelemente und

• Kalibriere die Modelle z.B. zwischen 1900-1980 und teste Vorhersagen fur die Jahre 1980-2000.

• Benutzte die Kalibrierten Modelle fur die Zukunft! mittlere Temperatur, Niederschlage,Extremwetter

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Modelle der Klimaentwicklung: Vorhersagen

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die wichtigsten Effekte bei der Klimaentwicklung?

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Treibhausgase in der Atmosphare

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Was extreme Klimaskeptiker sagen

(zum Beispiel unter www.biokurs.de/treibhaus/ und dann Ideolo-gie: Dichtung und Wahrheit) Die “grossen Irrtumer” vom IPCC und anderenWissenschaftlern:

• Die menschliche Zivilisation der letzten 150 Jahre erhoht die CO2-Konzentration derAtmosphare. Als Folge erwarmt sich die Erde.

• Die Warme im erdnahen Bereich entsteht durch Warmeemission der Treibhausgase CO2,Methan, Ozon und FCKW !

• Das durch Menschen in die Atmosphare abgegebene Verbrennungsgas CO2 sorgt fur dieErwarmung der Erde.

• Aufgrund der fortlaufenden Erhohung der Treibhausgase schmelzen die Gletscher undPolkappen der Erde ab.Die Klimaskeptiker schreiben: “Die Existenz der sog. Treibhausgase, hat nichts mit demSchmelzen von Eismassen zu tun. Die Menge des globalen Eises verandert sich zyklischim Laufe der Erdgeschichte. (Arctic ocean Model; Milankovitch-Zyklen).Es gibt derzeit KEINEN globalen Trend der Gletscherschmelze (R.J. Braithwaite 2002”Glacier mass balance: the first 50 years of international monitoring” (Progress in Phys-ical Geography 26: 76-95). Selbst wenn alle Gletscher abschmelzen, ist das wegen derminimalen Eismasse belanglos. An beiden Polen wird es kalter. Ausserdem nimmt dieEismasse der Antarktis nicht ab.”

besonders die letzte Behauptung dieser Klimaskeptiker ist offensichtlich falsch!

Mein Ratschlag.. Man muss sich die Zeit zum Studium des IPCC Reports nehmenund/oder versuchen die Risiken des Ignorierens abzuwagen!Mehr und mehr neue Ergebnisse bestatigen die Klimamodelle!

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Gibt es einen Zusammenhang zwischen Energieerzeugung und CO2?

Die Lebensdauer von CO2 in der Atmosphare liegt zwischen 100-200 Jahren!

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Was wir in den letzten 30 Jahren gelernt haben

Global 2000: der Bericht an den Prasidenten J. Carter (1978-1980)drei Szenarien: Keine Klimaveranderung, Erwarmung oder Abkuhlung!

das Szenario II: Erwarmung

• Anstieg der globalen Temperaturen um 10C. Die Polarregionen und die oberen nordlichenBreiten werden sich am starksten erwarmen.

• Die Zahl der extrem kalten Winter durfte abnehmen.

• Auch wenn bis zum Jahre 2000 keine einschneidenden weltweiten Klimaveranderungenzu gewartigen sind, werden die anthropogenen Krafte in beschleunigtem Tempo aufdas Welt-Klima einwirken. Werden diese Krafte und ihre Auswirkungen nicht bald mitSorgfalt untersucht, uberpruft und analysiert, werden die menschlichen Institutionen aufdie schwierigen Entscheidungen, die in den achtziger oder spatestens in den neunzigerJahren auf sie zukommen, nicht ausreichend vorbereitet sein!

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das Kyoto Protokol

zu wenig, zu spat oder besser als gar nichts?

• From December 1 through 11, 1997, more than 160 nations met in Kyoto, Japan, tonegotiate binding limitations on greenhouse gases for the developed nations, pursuant tothe objectives of the Framework Convention on Climate Change of 1992. The outcomeof the meeting was the Kyoto Protocol, in which the developed nations agreed to limittheir greenhouse gas emissions, relative to the levels emitted in 1990. The United Statesagreed to reduce emissions from 1990 levels by 7 percent during the period 2008 to 2012.

• Oktober 2004: Russland hat das Protokol unterschrieben. Ab 2005 wird es gultig!This Protocol shall enter into force on the ninetieth day after the date on which notless than 55 Parties to the Convention, incorporating Parties included in Annex I whichaccounted in total for at least 55 per cent of the total carbon dioxide emissions for 1990.

• Damit muss die Schweiz (und die EU!) den CO2 Ausstoss um 5% gegenuber 1990 senken!(2003 war der Verbrauch bei Treibstoffen 8.1% hoher als 1990! Flugbenzin wird nichtgezahlt!)

• Wie kann das Kyoto Protokol in die Praxis umgesetzt werden?

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Energienutzung und Klimaveranderung: die nachsten 100(?) Jahre

Was wurde passieren wenn wir jedes Jahr (relativ) 10% weniger Ol, Gas und Kohleverbrennen?

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Ein Horrorszenario: der Anstieg des Meerwassers

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Ausblick und Zusammenfassung

• Die mittlere Temperatur der Atmosphare ist in den letzten 30 Jahren umetwa 0.50 C gestiegen (so schnell wie noch nie!).

• die Korrelation von CO2 mit dem Treibhauseffekt ist bekannt!

• das Verbrennen der fossilen Energiequellen ist die einzige Erklarung fur denAnstieg der CO2 Konzentration in der Atmosphare!

• Praktisch alle Naturwissenschaftler, die sich mit der Frage beschaftigthaben, akzeptieren den Treibhauseffekt und den CO2 Anstieg als Erklarung.

• Selbst bei Erfullung des Kyoto Protokols erwartet man einen weiterenAnstieg des CO2 Anteils von heute 370 ppm auf 450 ppm.

• Das Kyoto Protokol ist ab Februar 2005 gultig (ohne die USA). Wie konnenDeutschland, die EU und die Schweiz das Gesetz erfullen?

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CO2 Anstieg und der Hubbert Ol Peak (von K.Aleklett ASPO)?

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