das klima der erde klimaänderung & klimamodelle · ist inzwischen geklärt trigger:...
TRANSCRIPT
Das Klima der Erde Klimaänderung & Klimamodelle
Max Camenzind - Bad Kissingen März 2016 www.lsw.uni-heidelberg.de
• Welches sind die wichtigsten Treibhausgase?
• Um wieviel hat der CO2-Gehalt der Atmosphäre seit 1880 zugenommen (in ppm)?
• von 300 auf 400 ppm.
• Was kann man aus Eisbohr-kernen über das Klima lernen?
Zum Nachdenken
3
Eiszeitzyklen geregeltes Chaos
Max Camenzind – Bad Kissingen - 2016
GRIP = GReenland
Ice Core Project
bis 3090 m Tiefe =
123.000 Jahre NEEM = Nord-Grönland Eem Eisbohren
14 Nationen – Leitung Dänemark
Information im Klimaarchiv Eis
Warum Eem? - die letzte Warmzeit = Riß/Würm-Interglazial
Abrupte
Erwärmung
in ~ 1000 a
3 - 4° C wärmer
Abrupte
Erwärmung
Wie ist ein Eisschild aufgebaut? Eis ist immer in Bewegung wie Gletschern
Ergebnisse des NEEM-Projektes Warmzeit
Eem-Zeit war
ca. 8 Grad C
wärmer als
heute (neu)!
Meeresniveau
war 4 - 8 m höher
Eis ist nicht
total
geschmolzen
Antarktik-Eis !
Temperatur
(Sauerstoffindex)
nimmt im Laufe
der Warmzeit zu
Gegen Ende
abrupt ab.
Methan und
N2O variieren
teilweise kräftig Nature 493, 489 (2013)
Temperaturverlauf in Eem-Zeit
Eiszeit Eiszeit
Warm-
zeit
Nature 493, 489 (2013)
Abrupte
Erwärmung
in ~ 1000 a
Langsame
Abkühlung
in ~ 15000 a
Es wurde festgestellt, dass die Eem-Warmzeit durchwegs sehr
stabil war. Die Sommer-Temperaturen auf der Nordhemisphäre
lagen um etwa zwei Grad oberhalb des vorindustriellen
Temperaturniveaus, in Grönland war es sogar um 8 °C wärmer. Der
Meeresspiegel lag 4 bis 6 Meter oberhalb des heutigen Niveaus.
Neuere Arbeiten deuten darauf hin, dass es global lediglich um
wenige zehntel Grad wärmer war als heute (2013).
Durch einen Vergleich mit anderen Eisbohrkernen im Nordwesten
(Camp Century) und Südosten (Renland) Grönlands stellte sich
heraus, dass während der gesamten Warmzeit lediglich ein Teil des
südgrönländischen Eisschildes abschmolz, der zentral- und
nordgrönländische Eisschild hingegen trotz erhöhter Temperaturen
stabil blieb. Diese Erkenntnis hat große Bedeutung für die
Extrapolation des gegenwärtigen Meeresspiegelanstieges in die
Zukunft. Auch die regionalen Unterschiede erwarten eine weitere,
eingehende Untersuchung.
Stabilität der Eem-Warmzeit
Eisbohrkerne aus der Antarktis
Vostock Eiskerne 5 Warmzyklen
Zykluszeit: 100.000 – 120.000 Jahre
Zwischeneiszeit: 10.000 – 12.000 Jahre
Eiszeitzyklen der letzten 800.000 a
Entwicklung der Meereshöhe in den letzten 32.000 Jahren
Meeresspiegel stieg langsam an – und steigt noch immer!
Die Zeitreihen zeigen einige wichtige Merkmale bei
den Treibhausgaskonzentrationen ( Antarktis):
So stieg der Gehalt von CO2 während der letzten
400.000 Jahre jeweils von 180 Volumenteilen
pro Million (ppmv) während der Kaltzeiten
auf 280 bis 300 ppmv in den Warmzeiten.
Der Methangehalt stieg jeweils von 350 auf 750 ppbv
(Volumenanteil pro Milliarde).
In früheren Warmzeiten lagen die CO2- und
CH4-Konzentrationen etwas niedriger.
Warmzeiten dauerten typisch 11.000 – 13.000 Jahre!
Welche Prozesse diese Schwankungen
verursacht haben und welchen Grund die natürliche
Spannbreite der Treibhausgaskonzentrationen hat,
ist inzwischen geklärt Trigger: Milankovic-Zyklen.
Klimazyklen in den letzten 800.000 Jahren
Eiszeitzyklen und die Erdbahn
Erklärung der Eiszeitzyklen
Störungen der Erdbahn durch Jupiter etc.
today
Exzentrizität
Schiefe Erdachse
Präzession
heute
• Kontinente verschieben sich auf einer Zykluszeit von etwa 500 Mio. Jahren langfristige Klimaschwankungen, Vulkanaktivität etc.
• Kontinente werden sich in 100 Mio. Jahren wieder verschieben neuer Superkontinent.
• In den letzten 1 – 2 Mio. Jahren stellen wir min-destens 8 Eiszeitzyklen von etwa 120.000 Jahren fest. Wir leben gerade in einer Zwischeneiszeit.
• Die nächste Eiszeit kommt in ~ 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝐉𝐚𝐡𝐫𝐞𝐧!
• NKlima schwankte auf Zeitskalen von 1470 Jahren dauernd hin und her das Klimasystem ist ein chaotisches System „Klimaschaukel“.
• CO2 verhielt sich nachlaufend, nicht vorlaufend!
Zusammenfassung Paläoklima
Klimamodelle Zukünftiges Klima
Doku MPG
Der Strahlungsantrieb RF
Der Strahlungsantrieb RF (radiative Forcing) ist
ein Maß für die Veränderung der Energiebilanz
der Erdatmosphäre durch externe Faktoren
(Sonneneinstrahlung, CO2 etc) und wird in W/m²
gemessen. Der Begriff wurde vom IPCC3 (2001)
eingeführt, um im Rahmen der Klimastudien den
Einfluss externer Faktoren auf die
Strahlungsbilanz, bzw. das Klimasystem der
Erde zu beschreiben.
Ein positiver Strahlungsantrieb führt zu einer
Erwärmung der Erde, ein negativer
Strahlungsantrieb zu einer Abkühlung.
IPCC = Weltklimarat Politisches Gremium
WMO Genf
Mitigation = Milderung
Keine eigene Forschung!
IPCC 5th Assessment Report
Working Group I: Climate science Report Ende 2013 Working Group II: Adaptation Report Anfang 2014 Working Group III: Mitigation Report Mitte 2014 Synthesis report: Report Ende 2014.
Strahlungsantrieb seit Industriealisierung
Reaktion Klimasensitivität l
Die Klimasensitivität l ist eine Größe, die die globale
Erwärmung der Erdatmosphäre durch die Wirkung von
Treibhausgasen oder Sonneneinstrahlung ins Verhältnis
zu einer Strahlungseinheit setzt. Man kann sie in Grad
Kelvin pro Watt je Quadratmeter [K/(W/m²) = K·m²/W]
angeben. Irreführend ist jedoch die Angabe der
Klimaerwärmung bei Verdoppelung der Konzentration
von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre.
DT = l x RF Die genaue Kenntnis der Klimasensitivität ist für die künftige
Entwicklung des Klimas von elementarer Bedeutung, da mit
ihrer Hilfe die aus einer bestimmten Treibhausgaskonzen-
tration resultierende Erwärmung errechnet werden kann.
Absorption in Erdatmosphäre Lässt nur 40 W/m² durch von 398 W/m²
Abstrahlung von Erdoberfläche (15° C)
Infrarot-Fenster
der Atmosphäre Gemini Teleskop Hawaii
15 µm
Hansen et al. 2013
Klimasensitivität bis zu Dinos
l = 0,75 °K /(W/m²)
Strahlungsantrieb vor 20.000 a
Wikipedia/Eiszeitalter
Betrachtet man die Temperaturwechsel während der
vergangenen Eiszeiten, so konnte man anhand von
Eisbohrkernen einen Temperaturwechsel von 5 °C mit
einem aus den Milanković-Zyklen und den
Rückkopplungen (Albedo, Vegetation, Aerosole, CO2)
resultierenden, veränderten Strahlungsantrieb von
7,1 W/m² verknüpfen. Die daraus errechnete
Klimasensitivität beträgt 5/7,1 = 0,7° K/W/m2. Man kann
diese empirisch bestimmte Klimasensitivität für die
Berechnung des aus einem Strahlungsantrieb von
4 W/m² resultierenden Temperaturanstiegs benutzen,
was einer Verdopplung der atmosphärischen CO2-
Konzentration im Vergleich zu vorindustriellen Werten
entspricht. Im Ergebnis zeigt sich ein Anstieg um 2 °C.
Klimasensitivität vor 1 Mio. a
Strahlungsantrieb als Funktion der Zunahme in der CO2
Konzentration (C/C0) mit der Normkonzentration C0 = 100 ppm.
Strahlungsantrieb als Func(CO2)
RF = 5,35 log(C/C0) W/m²
Zukünftige CO2 Konzentration
unrealistisch
möglich ?
wahrscheinlich
heute
Die Abschätzung zukünftiger Klimaänderungen beruht auf der Anwendung von Klimamodellen auf vier Konzentrationspfade (engl. representative concentration pathways (RCPs), „repräsentative Konzentrationspfade“). Diese stellen die Ergebnisse neuer Emissions-Szenarien
dar, darunter erstmals eines Szenarios, das ambitionierte Klimaschutzmaßnahmen berücksichtigt (RCP 2.6). Die Pfade werden nach der Veränderung des Strahlungsantriebs benannt, der bis zum Jahr 2100 etwa mit ihnen einhergehen würde:
RCP 2.6 – Veränderung des Strahlungsantriebs 2,6 W/m², RCP 4.5 – 4,5 W/m², RCP 6.0 – 6 W/m² und RCP 8.5 – 8,5 W/m².
IPCC5 Konzentrationspfade
IPCC4 / IPCC5 Konzentrationspfade Anthropogener Strahlungsantrieb
Heute 400
CO2-Konzentrations-Pfade IPCC5
CO2-Konzentration im historischen Verlauf
Eiszeiten
Dinos
Die blaue Kurve ist ein logarithmischer Fit an die HadCRUT4 Daten.
Strahlungsantrieb hängt logarithmisch von der CO2-Konzentration ab –
und nicht linear! Dies folgt aus Strahlungstransportrechnungen.
Die Behauptung vom IPCC, dass die TempZunahme zwischen 1,5 und 4,5 °C bei
Verdoppelung CO2 liegt, beruht auf einem Missverständnis der Working Group
I: sie führen die gesamte Temperaturzunahme auf die Treibhausgase zurück!
Vo
rin
du
str
iell
er
Wert
Verd
op
plu
ng
des W
ert
es
Verbrennung aller
fossilen Brennstoffe
Minimale Erwärmung nach IPCC5
IPCC5 Szenarien Anthropogene Temp
IPCC5 Szenarien nach GFDL Tem
p A
no
mali
e G
rad
C
Jahr
IPCC5: Meeresniveau wird steigen
IPCC5 Szenario RCP6.0 / NASA
IPCC5: Niederschläge nehmen zu „Trockene Gebiete werden trockener“ – bis -30% „Feuchte Gebiete werden feuchter“ – bis +50%
Für die nächsten Dekaden wird eine Erwärmung von etwa 0,2°C pro Dekade vorhergesagt. Selbst wenn alle Treibhausgaskonzentrationen und Aerosole auf dem Niveau des Jahres 2000 gehalten würden, so würde sich immer noch eine Erwärmung von 0,1° C pro Dekade einstellen. Vermehrte Emission von Treibhausgasen auf dem Niveau des gegenwärtigen Wachstums bewirkt zusätzliche Erwärmung und würde unser Klima im 21. Jh. drastisch ändern – heftiger als im 20. Jh. beobachtet. Die zusätzliche Wärme als Resultat menschlicher Aktivitäten wird Gletscher und polare Eiskappen abschmelzen, die Ozeane werden sich erwärmen und expandieren, was zu extremeren Wetterlagen führen wird (Tornados, …).
IPCC5 Prognosen
Kernaussagen 1 • Klima ist ein stark nichtlineares physikalisches System bisher nur lineare Extrapolationen in Simulationen berücksichtigt! Klima ist auf allen Zeitskalen variabel!
• Auch ohne antropogene Einflüsse war das Klima in vergangenen Warmzeiten bis zu 8° C wärmer (!) und der Meeresspiegel bis zu 5m höher Schwingungen um die Gleichgewichtslage „Warmzeit“ arktisches Eis war geschmolzen! antarktisches nicht.
• Klima ist deterministisches Chaos kleine Änderungen in Anfangswerten führen zu gewaltigen Abweichungen in der Langzeitentwicklung Attraktor besteht mindestens aus Warmzeit – Kaltzeit und ist bisher nicht sichtbar in Modell-Simulationen.
• Variationen der Erdbahn + Schiefe der Ekliptik sind externe Antreiber mit Zykluszeit von 100.000 Jahren, auf die der Mensch keinen Einfluss hat.
• Die nächste Eiszeit beginnt in etwa 1000 Jahren.
Kernaussagen 2
• Treibhausgase (Wasserdampf, CO2, Methan), neben O2 sind wichtig für unser Klima Temperatur wäre sonst bei -18° C.
• CO2-Konzentration von 200 – 300 ppm 400 ppm angestieg
• Klimaveränderung wird heute durch den Strahlungsantrieb RF(t) (in W/m²) parametrisiert IPCC5 hat 4 Szenarien (sog. RCPs) zum Studium der Klimaentwicklung definiert.
• Kritik: TempEntwicklung geht nicht linear, sondern logarithm
• Die Sonneneinstrahlung ändert sich mit dem 11-Jahres Zyklus (RF ~ 0,8 W/m²), zeigt aber auch Zykluszeiten von etwa 1000 Jahren (RF ~ 2-3 W/m²), die kleine Eiszeiten und Warmperioden mit Schwankungen um +-1 °C erklären.
• Ursache des „Temperaturanstiegs“ in den letzten 50 Jahren ist nicht geklärt – CO2 oder Relaxation? Gerry Meehl