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Global Warming Sommerakademie Salem 17.08. - 30.08.2008 Arbeitsgruppe: Die Zukunft der Energie Referentin: Julia Hackenbruch http://www.welt.de/wissenschaft/article850514/ Sonnenschutz_fuer_die_Erde.html

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Global Warming

Sommerakademie Salem 17.08. - 30.08.2008

Arbeitsgruppe: Die Zukunft der Energie

Referentin: Julia Hackenbruch

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Salem 17.08. – 30.08.2008 Julia Hackenbruch Zukunft der Energie

EINLEITUNG

„Natürlicher Klimawandel ist untrennbar mit der Entwicklungsgeschichte der Welt verbunden. In den

vergangenen 100 Jahren hat der Mensch das Klimasystem erstmals massiv beeinflusst – ein

Experiment mit unbekanntem Ausgang.“(Münchener Rück 2004, S. 17)

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GLIEDERUNG

1. Grundlagen

2. Klimageschichte und Klimarekonstruktion

3. Klimaprognosen und Klimamodellierung

4. Mögliche Konsequenzen für Geo- und Biosphäre

5. Zusammenfassung, Ausblick

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1. GRUNDLAGEN

„Klima ist das statistische Verhalten der Atmosphäre, das für eine relativ große zeitliche Größenordnung

charakteristisch ist.“ (HANTEL et al. 1987 nach EMEIS 2000, S. 55)

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1.1 Das globale Klimasystem

Abb. 1: Schema des Klimasystems (Quelle: Schönwiese 2003, S. 39)

Klimasystem = GeobiosphäreAbb. 1: Schematisierte Darstellung des Klimasystems der Erde(Quelle: Casper 2007 nach Entwurf R. Glaser und H. Saurer, verändert nach IPCC 2001)

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1.2 Zusammensetzung der Atmosphäre

gasförmige Lufthülle der Erde, durch die Gravitation an sie gebunden Gesamtmasse der Atmosphäre: 5,14 *1018 kg

Hauptbestandteile Stickstoff: 78,08% Sauerstoff: 20,95% Argon: 0,93 %

Spurengase

variabler Teil an Wasserdampf (bis zu 4%) Aerosole, Wassertröpfchen und Eiskristalle

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1.2.1 Natürliche Spurengase

Kohlendioxid CO2 Kohlenmonoxid CO Methan CH4 Terpene und Isoprene Ammoniak NH3 Stickoxide NOx Schwefelverbindungen (SO2) Methylchlorid CH3Cl , Methylbromid CH3Br Ozon Wasserdampf

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1.2.2 Anthropogene Spurengase

messbare Veränderung der Konzentration einiger Spurengase durch Siedlungs- und Wirtschaftstätigkeit des Menschen

Emissionen aus Verbrauch fossiler Brennstoffe in Hausbrand, Verkehr, Industrie, Kraftwerken; landwirtschaftlicher Düngung; Landnutzungsänderungen

Anreicherung sog. Klima- oder Treibhausgase

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CO2

Schwankungen in den letzten 650 000 Jahren zwischen 180 und 300 ppm

Seit 200 Jahren Anstieg von 280 auf 379 ppm = 0,0379 % (Stand 2005)

Aktuell: +1,9 ppm/Jahr (Stand 1995 – 2005)

Anteil von 50 % am anthropogenen Treibhauseffekt

Abb. 2: CO2-Gehalt der Atmosphäre in den

letzten 10000 Jahren.

(Quelle: IPCC,Working Group I, 2007)

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Methan CH4

Anstieg von 715 auf 1774 ppb in den letzten 200 Jahren (Stand 2005)

Natürliche Schwankung zwischen 320 und 790 ppb in den letzten 650 000 J.

21fache CO2-Wirksamkeit

Anthropogene Quellen (73%): Energiewirtschaft, Viehwirtschaft, Reisfelder, Mülldeponien, Verbrennung von Biomasse

Hauptbestandteil von Erdgas und Gashydrat

Abb. 3: Methan-Gehalt der Atmosphäre in den letzten 10000 Jahren.(Quelle: IPCC,Working Group I, 2007)

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Lachgas N2O

Anstieg in den letzen 200 Jahren von 270 ppb auf 319 ppb

Ein N20-Molekül ist 205mal so wirksam wie ein CO2-Molekül

1/3 aller Lachgasemissionen sind anthropogen

Bildung aus Stickstoffverbindungen bei Abbau von Dünger im Boden

Abb. 4: Lachgas-Gehalt der Atmosphäre in den letzten 10000 Jahren.(Quelle: IPCC,Working Group I, 2007)

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FCKW und SF6

Flourchlorkohlenwasserstoffe lange Zeit als Kühlmittel, Aufschäummittel, Reinigungsmittel

verwendet Absorbieren 10 000mal so viel Strahlung wie CO2

Ozonabbau in der Stratosphäre

Schwefelhexafluorid 3,5 ppb, jährliche Zuwachsrate 6 – 9 % höchste Klimawirksamkeit keine natürlichen Quellen bekannt, industrielle Produktion

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Erde als offenes physikalisches System, thermisches Gleichgewicht mit der kosmischen Umgebung

Energieaufnahme aus kurzwelliger Einstrahlung = langwellige Ausstrahlung in den Weltraum

effektive Strahlungstemperatur der Erde: – 18°C

globale mittlere Lufttemperatur: 15°C

1.3 Natürlicher Treibhauseffekt

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Durchlässigkeit für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung, aber atmosphärische Gegenstrahlung hält großen Anteil der Wärmeausstrahlung der Erde zurück

atmosphärische Gase, Wolken und Aerosolteilchen absorbieren und emittieren thermische Strahlung selektiv

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Ursachen: Vorgänge, die häufig unter dem Begriff globaler Wandel subsummiert werden

Anstieg der Weltbevölkerung Vervielfachung der Weltprimärenergienutzung 90% der Energie gehen auf fossile Energieträger zurück Waldrodungen

Emissionen

Gegeneffekt durch Aerosole

1.4 anthropogener Treibhauseffekt

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Zusammenhang Gaskonzentrationen - Temperatur

Abb. 6: Aus Eisbohrkernen der Antarktis rekonstruierte Atmosphären-zusammensetzung der letzten 420000 Jahre(Quelle: Mauser 2007 in Gebhardt et al., S. 969)

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HystereseDas Zurückbleiben einer Wirkung hinter dem

jeweiligen Stand der sie bedingenden veränderlichen Kraft

v. a. Trägheit der Ozeane

Halten der Treibhausgaskonzentrationen auf Niveau von 2000 würde noch Erwärmung von 0,2°C in den nächsten 20 Jahren nach sich ziehen

Um den globalen Temperaturanstieg auf max. 2 °C zu begrenzen, müssten die anthropogenen Treibhausemissionen bis 2050 um 50 – 85% gegenüber dem Jahr 2000 gesenkt werden

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2. KLIMAGESCHICHTE UND KLIMAREKONSTRUKTION

„Seit die Erde existiert – also seit zirka 4,6 Milliarden Jahren ändert sich das Klima, und das in

unterschiedlicher Art und aus unterschiedlichen Gründen.“

(SCHÖNWIESE in GEBHARDT et al. 2007, S. 246)

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2.1 natürliche Klimavariabilität

Extraterrestrische (Astronomische) Gründe:

Regelmäßige Änderungen der Erdbahnparameter Exzentrizität der Ellipse Schiefe der Ekliptik Präzession

Sonnenaktivität: Variationen der Strahlungsleistung der Sonne fortschreitende Fusion von Wasserstoff zu Helium Sonnenfleckenaktivität

Meteoriten-Einschläge Ende der Dinosaurier nach Meteoriteneinschlag am Ende der

Kreidezeit

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terrestrische (geophysikalische) Gründe:

Kontinentalverschiebung: Änderung der Lage der Kontinente auf der Erdkugel zueinander, zu Polen und Äquator

Vulkanismus: vulkanische Eruptionen setzen Staub und schwefelhaltige Gase bis in die Stratosphäre hinauf frei

„Jahr ohne Sommer“ 1816 nach Ausbruch des Tambora (Indonesien)

2.1 natürliche Klimavariabilität

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Interne Rückkopplungen im Klimasystem –Wechselwirkungen zwischen den Kompartimenten:

Meeresströmungen und Atmosphäre

Biosphäre und Atmosphäre

klimatische Sondersituationen El Nino (ENSO-Phänomen) Nordatlantic Oszillation (NAO)

2.1 natürliche Klimavariabilität

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2.2 Methoden der Klimarekonstruktion

Paläoklimatologische Methoden:

Phänologische Daten

Dendrochorologie

Pflanzenpollen-Spektren

Chemisch-physikalische Methoden

Geologische Methoden

Geomorphologische Methoden

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2.3 Klimageschichte: historische Klimakurven

zwei Zustände im Erdklima: akryogenes Warmklima und Eiszeitalter

Eiszeitalter von einigen Jahrmillionen Dauer, dazwischen erheblich längere wärmere Warmklimaepochen

Eiszeitalter: Glaziale (kalte Epochen) und Interglaziale (relativ warme Zwischeneiszeiten)

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Abb. 8:Klimaschwankungen in der Erdgeschichte (Quelle: Schönwiese 2003, S. 287)

Abb. 7: Klimageschichte der Erde (Quelle: Emeis 2000, S. 65)

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Abb. 9: Anomalien der Jahresmitteltemperatur zum Referenzmittelwert 1961 – 1990 (Quelle: Schönwiese in Gebhardt et al. 2007, S. 247 nach Jones et al. 2005)

1906 – 2005: + 0,74°C

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Abb. 10: Temperaturtrends der bodennahen Lufttemperatur von 1891 – 1990 (Quelle: Schönwiese in Gebhardt et al. 2007, S. 248)

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Erhöhung der Atmosphären-

temperatur

Anstieg desMeeresspiegels

(20. Jhd.: 17 cm)

Verringerung der Schneedecke auf Nordhemisphäre

Abb. 11: Globale Veränderungen seit 1850 (Quelle: Casper 2007 nach IPCC, Working Group I 2007)

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3. KLIMAPROGNOSEN UND KLIMAMODELLIERUNG

Schäden als Folge extremer Wetterereignisse in den letzen 10 Jahren: 16,5 Mrd. Euro Klimawandel-Kosten bis 2050: 137 Mrd. Euro allein in

Deutschland (Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung)

Ziel: Risikowahrnehmung in Wirtschaft und Verwaltung,

Anpassung an den Klimawandel

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3.1 Klimamodellierung

Computermodelle als Abbilder des Erdsystems beschreiben über mathematische Gleichungen die Wechselwirkung zwischen physikalischen und biogeochemischen Prozessen in Atmosphäre, Ozean, Meereis und Landoberflächen quantitativ / numerisch

Eingabeparameter: Entwicklung der Konzentrationen atmosphärischer Treibhausgase

Rekonstruktion der Vergangenheit und Berechnungen für mögliche Klimaentwicklungen

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Unsicherheiten

Ergebnisse hängen entscheidend von jeweiligen Eingabe-Annahmen der Klimagas-Konzentrationen ab.

Nicht-Berücksichtigung möglicher anthropogener Einflussfaktoren: Aerosole, Ozonchemie

Nicht-Berücksichtigung natürlicher Einflüsse

Lediglich angenäherte Simulation des sehr komplexen realen Klimasystems

Aussagekraft der Modelle umso geringer, je kleiner das betrachtete Gebiet

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3.2 Klimaszenarien

keine Vorhersagen, sondern verschiedene Entwürfe der Zukunft, die in sich konsistent, aber nicht notwendig wahrscheinlich sind

Entwicklungskorridore

Ziel: Verantwortungsträger mit möglichen zukünftigen Situationen konfrontieren

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IPCC: Erstellung verschiedener Szenarien mit sehr detaillierten Storyboards

Kriterien: Bevölkerungsentwicklung, Effizienz der Energienutzung, technologische Entwicklung

Abb. 12: Emissionsentwicklungen in den IPCC-Szenarien(Quelle: Cubasch in Münchner Rück 2005, S. 65 nach IPCC 2001)

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Abb. 13: Erwartete Änderung der mittleren Lufttemperatur von

1961-1990 bis 2070-2100

Oben: A2 „regional-ökonomisch“

Unten: B2 „regional-ökologisch“

(Quelle: Von Storch in Gebhardt et al. 2007, S. 254 nach

Danmarks Meteorologiske Institut)

IPCC-Szenarien: Prognose einer globalen Erwärmung von 1,1 – 6,4 °C relativ zur Situation 1980-1999 (IPCC 2007)

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3.3 Regionale Klimamodellierung

Einbettung hoch auflösender regionaler Klimamodelle in globale Klimamodelle

Detailuntersuchungen

Grundlagendaten für Hydrologen, Biologen, Energietechniker, Medizinmeteorologen, Bauphysiker, Katastrophenschützer, Agrarwissenschaftler….

Berücksichtigung globaler Informationen und lokaler Gegebenheiten bei der Berechnung regionaler Klimaänderungen

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3.3.1 Ergebnisse für Europa regionale und saisonale Unterschiede (A1B)

Mittelmeerraum: Anstieg der Sommertemperaturen um mehr als 2,5 °C

Mitteleuropa: Erwärmung weniger als 1,5 °C Osteuropa: Erwärmung weniger als 1 °C Wintermonate: Temperaturanstieg um etwa 1,5 – 2 °C von

Skandinavien bis zum Mittelmeer Trend zur N-abnahme von bis zu 50 % im Mittelmeerraum in

allen Jahreszeiten Abnahme der N in den Sommermonaten höhere N in Winter und Herbst in weiten Teilen Europas

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Abb. 14: Relative Termperaturänderung im Sommer (links) und Winter (rechts) für die Jahre 2071 – 2100 gegenüber 1961 – 1990 (Quelle: Hagemann, Jakob o.J., S. 7)

3.3.2 Ergebnisse für Deutschland: REMO

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Abb. 15: Relative Niederschlagsänderung in Sommer (links) und Winter (rechts) für 2071 – 2100 gegenüber 1961 – 1990 (Quelle: Hagemann, Jakob o.J., S. 8)

Auswirkungen auf Waldbrandgefahr, Landwirtschaft, Binnenschifffahrt Auswirkungen auf Tourismus an Küsten und in den Alpen

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4. MÖGLICHE KONSEQUENZEN FÜR GEO-

UND BIOSSPHÄRE

Global Change: mit der Klimaänderung zusammenhängende Veränderungen im sozialen, ökonomischen und ökologischen Gefüge der Welt (vgl. EMEIS 2000, S. 155)

Weil die Menschheit und die gesamte Biosphäre abhängig von günstigen Klimabedingungen sind, haben Klimaänderungen z. T gravierende ökologische und sozioökonomische Folgen

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4.1 Arktis

Abb. 16: Arktische Eislandschaft (Quelle: www.awi.de)

sensibelster Klimaindikator der Erde

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KlimaänderungAnstieg der Oberflächentemperatur in der Arktis in den vergangenen 56 Jahren 1,6°C (global: 0,4°C)

Abb. 17: Jährlich gemittelte Lufttemperaturen nördlich von 70°N für den Zeitraum 1948 bis 2003 (Quelle: www.awi.de)

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Abb. 18: Meereiskonzentration am 15. August 2004 und Meereiskanten am selben Tag 1998, 2002, 2003 (Quelle:www.awi.de).

Abb. 19: Änderungen des Eisvolumens in den vergangenen 50 Jahren (Rekonstruktion) (www.awi.de)

In den vergangenen 30 Jahren hat das Packeis im Sommer 1/5 seiner Fläche verloren, die Dicke des Meereises ist um 10 – 15 % geschrumpft, in stark betroffenen Gebieten um bis zu 40%

Nordpolarmeer könnte bis Mitte des Jahrhunderts, spätestens bis 2080 im Spätsommer eisfrei sein

Antarktische Meereisbedeckung hat leicht zugenommen

Ausgeprägte Variabilität, der Trend ist sehr abhängig von den betrachteten Zeitskalen

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Folgen der Erwärmung

Häufigere Niederschläge zerstören Flechten Eisbär auf Roter Liste bedrohter Tierarten „neue“ Vogelarten und Insekten

Permafrostdegradation gefährdet Verkehrswege, Gebäude, Pipelines

Freisetzung großer Mengen CH4 und CO2

Positive Effekte: verlängerte Schiffsaison, mehr Baumbewuchs, ergiebigere Fischgründe

erleichterter Zugang zu arktischen Rohstoffen (Gefahr: neue Umweltprobleme)

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4.2 Alpengletscher

Temperaturanstieg in den Alpen in doppelter Geschwindigkeit Verschwinden vieler kleiner Gebirgsgletscher möglich Viele Gletscher zerfallen vor Ort

Geo- und Ökosysteme nicht mehr im Gleichgewicht

steigendes Risiko an Naturgefahren: Steinschlag, Fels- und Bergstürze, Murgänge, Lawinen

kurzfristig steigende Hochwassergefahr

langfristig sinkende See- und Grundwasserspiegel, Engpässe bei Trink- und Brauchwasserversorgung

Abb. 20: Gletscher in den Alpen (Quelle: BMU 2007, S. 1)

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maximale Ausdehnung der Gletscher nach der „kleinen Eiszeit“ 1850 50% Verlust bis 1975 durchschnittlich 1% pro Jahr zwischen 1975 und 2000 2003: Verlust von 8% des verbliebenen Eises

Abb. 21: Vernagtferner-Gletscher

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4.3 Meere und Küsten

Thermische Trägheit der Ozeane trägt zur Persistenz des Klimasystems bei

Transport großer Mengen Wärme und Bewegungsenergie Stoffspeicher, v. a. für Kohlenstoff Wirtschaftliche Aktivitäten des Menschen an den Küsten

Steigende Gefahr von Sturmfluten an der Nordsee

Mensch muss Besiedlung an der Küste anpassen

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Wattenmeer Rückzug des Schlickwatts Planktonproduktion

Das flache Wattenmeer reagiert äußerst sensibel auf den Klimawandel und die dadurch höheren Wasserstände

Abb. 23: Das Sylter Wattenmeer (Quelle: www.awi.de)Abb. 22: Die Pazifische Auster überwächst die Miesmuschelbänke (Quelle: www.awi.de)

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Anstieg des Meeresspiegels Schmelzen aller kontinentalen Gletscher:

Meeresspiegelerhöhung um einen halben Meter

Schmelzen des grönländischen Eisschildes: Meeresspiegelanstieg von sieben Metern

völliges Abschmelzen des grönländischen Inlandeises und der Eiskappe der Antarktis: Meeresspiegelanstieg um 70 Meter

Schneefall in der Antarktis würde bei globalem Temperaturanstieg von 3°C nach dem 21. Jahrhundert nicht mehr ausreichen, den Anstieg des Meeresspiegels zu kompensieren

Klimaprojektionen: Meeresspiegelanstieg von 10 - 90 cm

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4.4 Flora und Fauna Klimawandel als eine Hauptbedrohung für die globale biologische

Vielfalt Korallensterben Mangrovenwälder und Salzmarschen durch Meeresspiegelanstieg

bedroht Tundren- und Gebirgsökosysteme stark gefährdet Ausbreitung von Krankheitserregern

Verschiebung der Verbreitungsgebiete von Arten polwärts und in höhere Lagen, Einengung des Areals von Hochlagenspezialisten

Veränderungen im Jahresrhythmus von Tieren und Pflanzen

Verlängerung der Vegetationsperiode (seit 1950 um zehn Tage)

früherer und längerer Pollenflug

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Naturschutz als Klimaschutz

effektiver Naturschutz als Beitrag zur Abschwächung der Klimaänderung Hochwasser- und Küstenschutz Sicherung der Wasserversorgung Schutz des Menschen vor den Auswirkungen von

Extremereignissen und Naturkatastrophen

negative Effekte von Klimaschutzmaßnahmen Wald- und Moorzerstörung für Anbau von Biofuels Holzplantagen

CO2-Senken: Moore, Böden, Ozean, Wälder, Vegetation

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4.5 Folgen für den Menschen

weltweit : Zunahme der Naturkatastrophenschäden für die Versicherungswirtschaft

Häufung von Wetterkatastrophen wie Stürmen, Überschwemmungen, Unwettern, Hitzewellen, Waldbränden

enorme wirtschaftliche Konsequenzen

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Extremereignisse

kleine Verschiebung der klimatischen Mittelwerte hat große Wirkung für die Überschreitungswahrscheinlichkeit kritischer Schwellenwerte

größere Variabilität => höhere Wahrscheinlichkeit für Extremwerte

Abb. 24: Zunahme von Mittelwert und Streuung (Quelle: Berz in Münchner Rück 2005, S. 102)

„Was heute als Extremereignis gilt, wird schon bald zur Normalität“ (MÜNCHENER RÜCK 2004, S. 97)

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Beispiel Hitzesommer 2003 3,4 °C höhere Mitteltemperaturen (verglichen mit 1961-1990) Waldbrände, Dürreschäden in der LW, Ausfälle in der

Flussschifffahrt, Engpässe bei der Stormversorgung 35 000 zusätzliche Todesfälle

Abb. 25: Hitzebelastungen 2003 (Quelle: Höppe in Münchner Rück 2005, S. 158f)

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Nahrungsmittel und Trinkwasser

Lebensmittelsicherheit Haltbarkeit von Lebensmitteln sinkt steigende Gefahr von Missernten, Dürren Reduktion der Pflanzenproduktivität und Erntemenge in heißen

Regionen der Erde, Hungersnöte Verlust von Agrarland durch Bodenerosion und Desertifikation

Trinkwasserqualität chemische und biologische Eigenschaften abhängig von der

Wassertemperatur Steigende Konzentrationen eingeleiteter Chemikalien bei

niedrigen Wasserständen

Trinkwasserverknappung in trockenen Regionen für Bevölkerung und Landwirtschaft

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Weitere Folgen der Klimaerwärmung

milde Winter: mehr Sturmtiefs stoßen aufs Festland vor

Hitzefolgen: Gewitter, Hagel, Sturzfluten, Starkwinde

Hohe Temperaturen begünstigen die Übertragung von Krankheiten

Thermische Umweltbedingungen

Luftschadstoffe, Luftqualität, Luftreinhaltung

Ozonabbau in der Stratosphäre: Zunahme der UV-Strahlung Hohe Ozonwerte in heißen Sommern, Belastungen der

Gesundheit der Bevölkerung, der Land- und Forstwirtschaft

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5. ZUSAMMENFASSENDE BETRACHTUNG

Eine Zunahme der globalen Mitteltemperaturen in der unteren Atmosphäre und in den oberen Ozeanschichten durch den Einfluss des Menschen über die Zunahme der Konzentrationen bestimmter Spurengase ist nicht zu leugnen

Schwierigkeit, natürliche und anthropogen verursachte Klimavariabilität zu trennen

Vielfältige Wechselwirkungen im Klimasystem erschweren Erklärungen und Prognosen

Forschungsfeld Klimafolgenforschung: Folgen der Klimaänderungen für das Leben von Mensch, Tier, Pflanze und die Lebensbedingungen in den verschiedenen Lebensräumen der Erde

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Ausblick

Der Klimawandel ist eines der drängendsten Umweltprobleme unserer Zeit.

Es bedarf einer sachlichen wissenschaftlichen Diskussion und einer integrativen und nachhaltigen nationalen und

internationalen Energie- und Klimaschutz-Politik, um das eingesetzte Global Warming zu bremsen und

seinen Auswirkungen auf das System Erde gegenzusteuern.

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Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!!