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Historische Einführung Die wissenschaftlichen Grundlagen

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. Historische Einführung

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Historische Einführung Die wissenschaftlichen Grundlagen

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Presentation Transcript

  1. 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 • Historische Einführung • Die wissenschaftlichen Grundlagen • Ein Überblick über Geoengineering- Konzepte • Aerosol- basierte Vorschläge • Bewertungsmaßstäbe Herzlichen Dank an Dr. Michael Höpfner, IMK, FZK für zahlreiche Beiträge

  2. 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

  3. Geschichtliche Hintergründe • 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 through control of weather... I shudder to think of the consequences of a prior Russian discovery of a feasible method for weather control. Henry Houghton, MIT, 1957 • Geoforming, Geoengineering • Enteisung 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

  4. Definition “Gezielte Klimabeeinflussung”(Geoengineering, Climate engineering) Absichtliche, großskalige Manipulation der Umwelt, um unerwünschten Effekten des anthropogenen Klimawandels entgegenzuwirken (Keith, 2000): Einfluss von Klimaänderungen auf den Menschen Fossile Energiegewinnung CO2 Emission Klimasystem Industrielles Kohlenstoff- management Vermeidung, Verminderungdurch Alternative Energien Rationelle Nutzung (Mitigation) Geoengineering Anpassung(Adaptation)

  5. P. Crutzen Climatic Change, 2006 Neues Interesse durch anthropogenen Klimawandel

  6. CO2-Emissionen in Deutschland 0 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 -5 -10 -15 Reduktion in % -20 -25 -30 goals -35 -40 Datenquelle: BMU 3/2003 und Koalitionsvereinbarung Nov. 2005

  7. Potential für Elektrizitätserzeugung aus Erneuerbaren Quellen, in Baden-Württemberg, 2030/1990 Biomass Wind Photovoltaic Water Factor: 120 3000 6800 2 Datenquelle: bis 2000: Energiebericht Baden-Württemberg 2001 ab 2010 Gutachten des IER im Auftrag der Landesregierung BW März 2001

  8. Elektrizitätserzeugung in Baden Württemberg, optimistisches Szenario 3 3 120 3000 6800 2 2030/1990 Faktor: Datenquelle: bis 2000: Energiebericht Baden-Württemberg 2001 ab 2010 Gutachten des IER im Auftrag der Landesregierung BW März 2001

  9. Is there a quick fix? March 24, 2008

  10. Die physikalischen Grundlagen Der Strahlungshaushalt der Erde

  11. Die physikalischen Grundlagen Ein 0-dimensionales Klimamodell Sichtbare (kurzwellige) Strahlung A: IR Absorptionsgrad (= Emissionsgrad), TA: Temperatur Atmosphäre Planetare Albedo (~0,3) Solarkonstante(1360 W/m2) L = S0/4 (1-A) = 238 W/m2 TB : Temperatur Boden  : Stefan-Boltzmann-Konstante

  12. Einteilung (Taxonomie)

  13. Erdoberflächen-temperatur: Einteilung der „Climate Engineering“ Verfahren

  14. „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

  15. ME r rE MS, Leuchtkraft LS Änderung der Solarkonstanten: (Angel, PNAS, 2006) • Ort: L1-Punkt (instabil) • Implementation: Wolke aus vielen Scheiben, stabilisiert durch Modulation des Strahlungsdrucks, Scheibengröße: ~1 m, Gewicht: 1g, Anzahl: 1,61013 • Optisches Design: transparentes brechendes Material, niedrige Flächendichte, Gesamtmasse: 20 Mt • Transport: elektromagn. Start, Ionenantrieb, Kosten: 50 $/kg (zur Zeit 20000 $/kg) Gesamtkosten einige Billionen $(100 Mrd. $/a)

  16. Die biologische Pumpe S.W. Chisholm, Nature 407, (2000)

  17. CO2 Abscheidung durch Düngung geeigneter Meere Nebenwirkungen: erhöhte Produktion von klimawirksamen Gasen wie DMS, COS, org. Halogenverb. M. Lawrence, Science,2001 … 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 order of magnitude larger than the entire area of the Southern Ocean. K. O. Buesseler et al., Science 2002 and 2008 Boyd, 2007

  18. Aerosole und Wolken im Klimasystem

  19. 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

  20. Aerosol sources and processes Size distribution Primary aerosol: Teilchen, die von der Erdoberfläche emittiert werden: Mineralstaub, Gischt, Biomassen- Brände, Vulkanasche Secondary aerosol: Kondensation aus flüchtigen Vorläufersubstanzen Sulfatpartikeln, Organisches Aerosol Prozesse: Koagulation, Sedimentation, Wolkenprozesse

  21. optical properties and lifetime U. Platt, Uni Heidelberg

  22. 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)

  23. h h With soot T Der semidirekte Effekt durch absorbierende Partikel No soot T

  24. 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)

  25. Cloud seeding with sea-salt particles (J. Latham) Große Erhöhung der Albedo (~20%) möglich d=300nm (m=10-16kg) NaCl Teilchen sind optimal funktioniert am besten in mariner Reinstluft es 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.

  26. Streuer in der Stratosphäre Stratosphärisches Aerosol Mt.Pinatubo, 12.6.1991

  27. Effekte des Vulkanaerosols auf die Strahlungsbilanz From Robock (2000)

  28. Streuer in der Stratosphäre Stratosphärische AlbedoänderungBudyko, 1982, Crutzen, 2006 • 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 • 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) Mt.Pinatubo, 12.6.1991

  29. Nebenwirkungen hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Verteilung des Klimaantriebes Räumliche und zeitliche verteilung von: (a) x4 CO2Strahlungsantrieb (b) Strahlungsantrieb durch stratosphärisches Aerosol Govindasamy et. al. Global and Planetary Change 37 (2003) 157–168

  30. Auswirkungen auf Temperaturverteilung Govindasamy et. al. 2003, Global and Planetary Change 37, 157–168

  31. Auswirkungen auf Niederschlag change in daily precipitation column, (mm), J. Feichter et al. submitted

  32. Side effects wrt. cirrus cloud formation AIDA Lab. Experiments pure mineral dust H2SO4 coated mineral dust

  33. The AIDA cloud simulation chamber at FZK

  34. 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

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