Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz

1. Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz www.staff.uni-mainz.de/curtius/Klimawandel/ Login: Klimawandel Password: CO2 CO2 (ppm)

2. Nachtrag: Quellen und Senken von Methan (Tg CH4/yr) inkl. ~80-100 Tg/yr aus Reisfeldern Erdgas, Öl- und Kohle- förderung Wiederkäuer gesamt: ~70% anthropogene Quellen [IPCC 2001]

3. Nachtrag: Methanquellen • Keppler et al., Nature, 2006 • Pflanzen selbst emittieren Methan! Nicht nur Mikroben im Boden in anaeroben Prozessen (z.B. Methanemissionen aus Sümpfen und Reisfeldern), wie bisher gedacht! Völlig unerwartet! Mechanismus ungeklärt. • grobe Schätzung: 10-30% (~62-236 Mt/yr) der globalen Quellen! • Methanemission der Pflanzen ist temperaturabhängig:CH4-Emissionen verdoppeln sich pro 10°C T-Anstieg • Prozess könnte mehrere Beobachtungen erklären, z.B.: a) Methan über tropischen Regenwäldern b) Methanschwankungen Eiszeit-Warmzeit c) Methanzunahmeraten in den 90er Jahren • Relevant für zukünftige Klimaprognosen: Wälder zur CO2-Speicherung...  Es gibt immer noch große Überraschungen...

4. Pflanzen als Methanquellen, Keppler et al., Nature, 2006: Methanproduktion von getrockneten Eschen und Birkenblättern

5. Inhalt Überblick Grundlagen Klimawandel heute: Beobachtungen CO2 Andere Treibhausgase Aerosole und Wolken Solare Variabilität Erwarteter zukünftiger Klimawandel Klimageschichte Klimaschutz

6. Strahlungsantrieb durch Aerosole Direkter Effekt Streuung (und Absorption) des einfallenden Sonnenlichtes durch Aerosolpartikel. Indirekter Effekt Änderung 1.) der Wolken-Albedo 2.) der "Lebensdauer" durch anthropogen verursachte Aerosole. Semidirekter Effekt Änderungen (z.B. Verdampfen von Wolken) durch Absorption von Rußaerosolen ("ABC", "brown cloud", "dimming")

7. Grundlagen: Lichtstreuung an Aerosolen Sulfataerosol: Streut insbes. kurzwellige solare Strahlung Ruß: Absorbiert kurzwellige (und auch langwellige) Strahlung Wolken: Streuung und Absorption von kurzwelliger und langwelliger Strahlung Netto-Effekt meist eher kühlend, Ausnahme dünne Cirren

8. outline Indirekte Klima-Effekte durch Aerosole reine Luft, wenige CCN • geänderteoptische Eigenschaften, Wolke wird "weißer", reflektiert mehr solare Strahlung,Namen: Twomey-Effekt (Twomey, Tellus B, 1984), Wolkenalbedo-Effekt, erster indirekter Aerosoleffekt • geänderter hydrologischer Zyklus: längere Lebensdauer der Wolke, Abregnen wird unterdrückt, CDs<14µm,Namen: zweiter indirekter Aerosoleffekt, "lifetime effect" wenige große Wolken-tröpfchen Wolken- bildung: Wasserdampf kondensiert verschmutzte Luft, viele CCN viele kleine Wolkentröpfchen

9. erster indirekter Effekt Satellitenaufnahme (bei einer Wellenlänge von 3.7 µm) vom Pazifik an der Westk¨uste von Kalifornien. Der Satellit sieht eine fast kontinuierliche Wolkenbedeckung (grau) mit einer Anzahl von Linien (weiss/hell), die sich durch eine gröossere Reflektivitäat auszeichnen. Diese sogenannten “Schiffsspuren” (ship tracks) kommen durch die von den Schiffsmotoren ausgestossenen Aerosole zustande. Messungen haben gezeigt, dass die erhöhten Aerosolkonzentrationen zu einer höheren Konzentration vonWolkentröpfchen bei gleichzeitiger Reduktion der Wolkentröopfchengrösse führen, und damit zu der vom Satelliten beobachteten erhöhten Reflektivität dieser Wolken.

10. indirekte Aerosoleffekte Lohmann und Feichter, ACP 2005: Vergleich der Effekte nach verschiedenen GCMs rot: nur Sulfate grün: Sulfate + BC blau: Sulfate + OC türkis: Sulf.+OC+BC

11. Übersicht indirekte Aerosoleffekte [Haywood and Boucher, Rev Geophys., 2000]

12. indirekte Aerosoleffekte und Eiskeime verschiedene Einflüsse auf CCN und IN (bisher in GCM nicht oder kaum berücksichtigt) Aerosol particles Human activity [Lohmann, 2005]

13. Semidirekter Aerosoleffekt • Ackerman et al., Science, 2000; • Sakteesh und Ramanathan, Nature, 2000; • Venkataraman et al., Science 2005, uvm.: • "Atmospheric Brown Cloud, ABC": Rußemissionen (Holz) über • Indien und Indischem Ozean führen zu starker Absorption, •  Erwärmung der Luftschichten, Wolken verdampfen • deutliche Abkühlung am Boden. • Starke Auswirkungen auf Strahlungshaushalt und Niederschlag. • Insgesamt Effekte von etwa dem 10-fachen des Effekts durch Treibhausgase über dem Indischem Ozean beobachtet!

14. Klimawirkungen des Flugverkehrs:

15. Klimawirkungen des Flugverkehrs: AVHRR-Satellitenbild: a) Kondensstreifen können zu Cirruswolken werden, "persistent contrails" b) Einfluß auf Cirruswolken (über IN, H2O, etc.)

16. Klimawirkungen des Flugverkehrs: • Flugverkehr in Zahlen • 13% des vom Verkehr insgesamt produzierten CO2 stammen von Flugzeugen • Flugverkehr hat zwischen 1960 und 1992 um Faktor 15 zugenommen und wird sich bis 2050 versechsfachen • Flugverkehr wächst z.Zt. mit ca. 5% pro Jahr, Kerosinverbrauch wächst mit 3% pro Jahr • Jumbo-Jet: max. 400 t Gewicht beim Start, davon 175 t Kerosin Verbrauch: 17-19 Liter/km; FFM - NY - FFM: ~ 550 kg Sprit/Passagier

17. Klimawirkungen des Flugverkehrs:

18. Klimawirkungen des Flugverkehrs: Klimaeffekt derzeit klein, aber stark steigend!

19. Zukünftige Entwicklung der Aerosolemissionen nach IPCC 2001:

20. Andreae et al., Nature, 2005

21. Andreae et al., Nature, 2005 • Aerosoleffekte ungenügend quantifiziert, • deshalb Abschätzung der Klimasensitivität, verträglich mitder Temperaturentwicklung 1940-2000 (+0.7°C): GHG-Effekte sind gut quantifiziert • und Wärmekapazität des Ozeans • auch einigermaßen. • Klimasensitivität (K) ist die Temperaturänderung im Gleichgewicht • nach einer Verdopplung der vorindustriellen • CO2-Konzentration c=

22. Andreae et al., Nature, 2005

23. Andreae et al., Nature, 2005 TWarmzeit-Eiszeit Vorhersagebereich IPCC-TAR "tolerabel"

24. Andreae et al., Nature, 2005: "... our analysis suggests that there is a possibility that climate change in the twentyfirst century will follow the upper extremes of current IPCC estimates, and may even exceed them. Such a degree of climate change is so far outside the range covered by our experience and scientific understanding that we cannot with any confidence predict the consequences for the Earth system. To reduce these uncertainties a multi-pronged approach is needed. First, there is a great need for in situ studies that investigate the response of cloud microphysics and dynamics to enhanced aerosol concentrations. ..."

25. Aerosol-Strahlungsantrieb Anderson et al., Science, 2003: Unsicherheiten der Aerosol-Strahlungsantriebe insgesamt (direkt und indirekt, etc.). "Vorwärts"-Rechnung: ~1.5 W m-2, Inverse Rechnung: ~1 W m-2, Woher kommt Differenz, was ist richtig...

26. Fazit Aerosol-Klimaeffekte: • zahlreiche Unsicherheiten • Quellstärken, insbesondere organisches Aerosol? • welche Organika? • Prozessierung und atmosphärische Aufenthaltszeiten • welche Beziehung zwischen CN und CCN? • welcher Einfluß auf Eiskeime? • geringe Auflösung der Modelle • Vertikalverteilung des Aerosols • direkter Effekt: • Sulfat: -0.4 W m-2, Effekte von fossilen und Biomassenverbrennung sehr unsicher • indirekte Effekte immer noch sehr unsicher • 1. indirekter Effekt ca. –1.0  0.4 W m-2 • 2. indirekter Effekt ca. –0.7  0.5 W m-2 • semidirekter Effekt ca. +0.1 bis -0.5 W m-2 • weitere Effekte derzeit keine Angabe möglich • Stabilisierung/Absinken der Aerosolemissionen könnte Temperaturen bis 2100 um mehr als 5°C ansteigen lassen

27. Inhalt Überblick Grundlagen Klimawandel heute: Beobachtungen CO2 Andere Treibhausgase Aerosole und Wolken Solare Variabilität Erwarteter zukünftiger Klimawandel Klimageschichte Klimaschutz

28. Solare Variabilität 0.3  0.2 W m-2

29. Solare Variabilität: Solarkonstante ist nicht konstant! 11-Jahres-Zyklus und weitere Zyklen und Trends. Messung: problematisch... TSI = Total Solar Irradiance änderte sich weniger als 0.1% in den letzten 25 Jahren [C. Fröhlich]

30. Sonnenflecken-Relativzahlen

31. Solare Variabilität Rekonstruktion der TSI nach verschiedenen Autoren [IPCC 2001] grau: Anzahl Sonnenflecken, normiert. Strahlungsantrieb durch solare Variabilität (+0.3 W m-2)geht auf Anstieg der TSI zwischen 1744 und 1996 zurück.

32. [Laut, 2003] weitere mögliche Klimaänderungen durch solare Variabilität: Svensmark-Hypothese increase in solar activity  reduction of Galactic Cosmic Rays (GCR)  ? Reduced cloud coverage  ? less cloud forcing  ? warmer climate increase in solar activity  reduction of Galactic Cosmic Rays (GCR)  ? Reduced cloud coverage  ? less cloud forcing  ? warmer climate [Svensmark, 1998] [Marsh and Svensmark, 2000]

33. Galaktische kosmische Strahlung Galactic cosmic rays Höhenabhängige Produktion von <30 Ionenpaaren cm-3 s-1 durch galaktische kosmische Strahlung (hauptsächlich schnelle Protonen und alpha-Teilchen). Strahlung wird durch den Sonnenwind (11-Jahres Zyklus) moduliert. Atmospärische Ionen-Konzentration: ~ 2000 Ionen cm-3 Rekombination: ~ 350 s

34. Ionen-induzierte Nukleation Effiziente Aerosol-Neubildung, da Energiebarriere kleiner. klassische Beschreibung durch Thomson-Gleichung: Wilsonsche Nebelkammer C.T.R. Wilson 1869-1959 particle radius

35. Ionen-induzierte Nukleation galactic cosmic rays cluster ion critical cluster H2O H2O - H2O - H2SO4 - HSO4¯ H2SO4 cloud droplet H2SO4 H2SO4 cloud condensation nucleus NO3¯ aerosol particle O2¯ neutral cluster critical cluster H3O+ H2O H2O H2O ion pairs H2SO4 SO42- N2+ H3O+ 0.3 nm 1 nm 100 nm > 1 µm

36. solare Variabilität • weitere mögliche Einflüsse: • Änderung der UV-Strahlung, dadurch Änderungen im stratosphärischen Ozon • Änderungen von Eiskeimen durch Änderungen der galaktischen kosmischen Strahlung (Tinsley)

38. Übersicht aller indirekten Effekte, Lohmann u. Feichter, ACP, 2005: