Institutsbereich Geophysik, Astrophysik, und Meteorologie (IGAM)

1. Institutsbereich Geophysik, Astrophysik, und Meteorologie (IGAM) Klima 01 Klima- und Umweltveränderungenim Laufe der Erdgeschichte Vorlesung im Wintersemester 2013/14 Ulrich Foelsche ulrich.foelsche@uni-graz.at http://www.uni-graz.at/~foelsche/

2. Klima 02 Ungewöhnliche Zeiten Während 90% der Erdgeschichte war es wärmer als heute – Auf der gesamten Erde gab es kaum Eis und fast keinen Schnee. Schlechte Zeiten für Schifahrer Wir leben in einem ganz ungewöhnlichen Klima – in einer Warmzeit innerhalb eines Eiszeitalters. Vergleichbare Bedingungen hat es nur während etwa 1% der Erdgeschichte gegeben. Vor nur 20 000 Jahren sah es in Österreich so aus:

3. Klima 03 Österreich in der letzten Kaltzeit Inngletscher Salzburg Rosenheim Rheinletscher Innsbruck Murtal Graz Drautal nach van Husen

4. Klima 04 Klima im Wandel Das Klima der Erde ändert sich – Schon immer! Also gar kein Problem? Doch! Das Hauptproblem am menschgemachten Klimawandel ist, dass er so (zu) schnell erfolgt. An langsame Änderungen kann sich die Natur (und auch der Mensch) leicht anpassen. Abrupte Klimaänderungen können katastrophal sein.

5. Klima 05 Globale Klima- und Umweltveränderungen (1) Das Klimasystem der Erde

6. Klima 06 Das Klimasystem der Erde Hydrosphäre Kryosphäre Interaktionzw. Atmo- u. Hydrosphäre Atmosphäre Biosphäre Klima = mittlerer Zustand des Klimasystems Lithosphäre

7. Klima 07 Das Klimasystem der Erde Das Klimasystem der Erde wird in Untersysteme bzw. Sphären unterteilt (von denen aber nicht alle sphärisch sind). Das Klimageschehen spielt sich zwar in erster Linie in der Atmosphäre ab, es wird aber von allen anderen Sphären beeinflusst. Die Hydrosphäre beinhaltet z.B. Ozeane, Flüsse, Seen und den globale Wasserkreislauf, die Kryosphäre Landeis, Meereis und Schnee. Zusätzlich zu den Sphären auf der vorigen Folie verwendet man auch noch häufig den Begriff Pedosphäre um den Einfluß des Bodens getrennt zu beschreiben, sowie den Begriff Anthroposphäre (das sind wir). Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Sphären, gespickt mit positiven und negativenRückkoppelungen, machen das Klimasystem der Erde zu einem ausgesprochen komplexen System. Das El Niño Phänomen ist beispielsweise eine interne Schwingung des gekoppelten Systems Ozean-Atmosphäre. c Man kann sich das Klimasystem als eine gigantische Wärmekraftmaschine vorstellen, die ihre Energie von derSonne bezieht. Dabei werden unter anderem Luft- und Meersströmungen angetrieben, die versuchen, die Unterschiede der Sonneneinstrahlung zwischen Äquator und Pol auszugleichen.

8. Terrestrische Ausstrahlung Solare Einstrahlung Klima 08 Strahlungsbilanz Bilder: NASA c Die Oberflächentemperatur auf der Erde wird durch die (ausgeglichene) Strahlungsbilanz bestimmt. Global gilt: Einstrahlung = Ausstrahlung

9. Klima 09 Ein ganz einfaches Klimamodell • Wir werden nun ein ganz einfaches Klimamodell bauen, und zwar ein Nulldimensionales Energiebilanzmodell(Erde als Punkt). Dazu brauchen wir einige Zutaten: • Das elektromagnetische Spektrum (links). • Das Wiensche Verschiebungsgesetz(Wilhelm Wien 1893) • max = Wellenlänge, bei der das Maximum der Energie abgestrahlt wird. • Je höher die Temperatur, desto kleiner die Wellenlänge. • Sonne: max = 0.5 mSichtbares Licht • Erde: max = 10 m Thermisches Infrarot

10. Klima 10 Solare Einstrahlung Einstrahlung (3) Die Solarkonstante (S) Damit ist die Energie gemeint, die pro Sekunde außerhalb der Erdatmosphäresenkrecht auf eine Fläche von 1 m2 trifft (und das noch in der mittleren Entfernung der Erde von der Sonne). Im Mittel trifft auf jeden m2 der Erdoberfläche aber nur 1/4 davon (entsprechend dem Verhältnis Querschnittsfläche der Erde – Erdoberfläche). Die „Solarkonstante“ ist außerdem nichtkonstant! Die beobachtete Schwankung während des ~11-jährigen Sonnzyklus beträgt allerdings nur etwa ± 0.1%. Über Jahrhunderte sind die Schwankungen etwas größer (~ 0.3%). Im Laufe der Erdgeschichte hat die Solarkonstante sogar kräftig zugenommen, Vor 4.5 Milliarden Jahren hatte sie nur etwa 70% des heutigen Wertes. Dieser Anstieg ist aber sehr, sehr langsam.

11. Klima 11 Reflexion Mehr zur Einstrahlung (4) Die Albedo (A) Nur ein Teil der Sonnenstrahlung wird aber auch tatsächlich von der Erdoberfläche aufgenommen (absorbiert). Die Albedo bezeichnet den Anteil der Strahlung, der reflektiert wird. Die Albedo hängt von den Oberflächeneigenschaften des Materials ab. Besonders viel Strahlung reflektieren (dichte) Wolken und (frischer) Schnee. Die gesamte Erde reflektiert 31% der Sonnenstrahlung, also A = 0.31. Oberfläche Albedo Wolken 45-90% Neuschnee (3) 75-95% Gletscher 20-45% Meereis 30-40% Gestein (2) 10-40% Wälder (1) 5-20% Wasser 5-10% Planetare Albedo 31%

12. Klima 11a Globale Albedo (Kontinente) Albedo der Kontinente. Rote Gebiete repräsentieren helle, stark reflektierende Oberflächen. Daten vom 7. – 22. April 2002, Sensor MODIS an Bord des NASA-Satelliten Terra (Quelle: C. Schaaf, Boston University).

13. Klima 12 Terrestrische Ausstrahlung Ausstrahlung (5) Das Stefan Boltzmann Gesetz (Joseph Stefan, 1878 und Ludwig Boltzmann, 1884)  = 5.6704·10-8 Wm-2K-4 Stefan Boltzmann Konstante (die  = Emissionsvermögen ist wirklich konstant). Schwarzer Körper:  = 1 Erde:  = 0.95 Die Strahlungsleistung Q steigt mit der viertenPotenzder Temperatur T. Also für Sonne und Erde: ~20fache Temperatur – ~160000fache Strahlungsleistung (Fläche unter den beiden Kurven im Diagramm, man beachte die logarithmische Darstellung).

14. Klima 13 Ein Problem Kurzwellige Einstrahlung = Langwellige Ausstrahlung Damit liefert unser Energiebilanzmodell eine mittlere Oberflächentemperatur von –16°C (statt +15°C). Das ist (auch für ein einfaches Modell) falsch.

15. Klima 14 Treibhauseffekt (1) Die infrarotaktivenTreibhausgase ver-hindern, dass die vom Boden ausgehende IR Strahlung das System komplett verlässt. Was haben wir nicht beachtet? – Die Atmosphäre! Sie ist zwar für sichtbares Licht (fast) durchsichtig, aber nichtfür Infrarot. In unserem Modell wird der Einfluss der Treibhausgase durch die Transmissivität IR „parametrisiert“.

16. Klima 15 Der Treibhauseffekt (2) Die Erde gewinnt also Energie durch den Anteil der Sonnen-strahlung, der nicht reflektiert wird (z.B. von Wolken, Schnee). Weil die Erde wesentlich kälter als die Sonne ist, strahlt sie nicht sichtbares Licht, sondern Infrarotstrahlung ab (Wärmestrahlung). Auf einer Erde ohne Atmosphäre würde sich damit eine mittlere Temperatur von etwa –2°C einstellen. Bei klarem Himmel dringt der Großteil der kurzwelligen Sonnen-strahlungungehindert bis zur Erdoberfläche. Die langwelligeInfrarotstrahlung von der Erdoberfläche wird nun aber teilweise von Treibhausgasen absorbiert. Diese geben auch Infrarotstrahlung ab, einen Teil nach oben, einen Teil nach unten. Der Teil, der nach unten abgestrahlt wird, erwärmt die Erdoberfläche.

17. Klima 16 Der Treibhauseffekt (3) Mit zunehmender Temperatur der Erdoberfläche wird immer mehrInfrarotstrahlung abgegeben. Auf der Erdoberfläche stellt sich schließlich eine Temperatur ein, bei der der Teil der Infrarotstrahlung, der die Atmosphäre durchdringen kann, die Sonnenstrahlung genau ausgleicht. Durch den natürlichen Treibhauseffekt (für den wir sehr dankbar sind) wird die Erde auf +14°C erwärmt. Bei ihm leistet Wasserdampfden wichtigsten Beitrag. Durch menschliche Aktivitäten gelangen nun aber zusätzliche Treibhausgase (vor allem Kohlendioxid) in die Atmosphäre. Dieser anthropogene Treibhauseffekt bereitet uns Sorgen. H2O 62 % CO2 22 % O3 7 % N2O 4 % CH4 3 % Rest 2 % CO2 52 % CH4 17 % O3 13 % FCKW 12 % N2O 5 % Rest 1 %

18. Klima 17 Temperatur der Erdoberfläche • Die beobachtetemittlere Oberflächentemperatur beträgt T = + 15°C • Wenn wir für unseren ParameterIR den „richtigen“ Wert 0.634 wählen, erhalten wir eine Temperatur von +15.1°C. • Ohne Atmosphäre oder nur mit N2 und O2 (IR = 1) folgt T = – 16.0°C • Auf einer Erde ohne Treibhausgase gäbe es allerdings auch weder Wolken noch Schnee, dadurch wäre die Albedo viel geringer. • Ohne Atmosphäre mit realistischer Albedo (A = 0.15) T = – 2.0°C • Ohne Atmosphäre mit der Albedo des Mondes (A = 0.11) T = + 0.9°C • „Schwache junge Sonne“ (IR = 1, S = 0.7·S0, A = 0.15) T = – 25.3°C • Der natürliche Treibhauseffekt führt also zu einerErwärmung um etwa 17°C. • Alle Treibhausgase haben übrigens drei oder mehr Atome (Rotations-Schwingungsbanden). • Um einen Temperaturanstieg von 0.6°C (wie im 20. Jhdt.) ohne Treibhausgase zu erklären, müsste man die Solarkonstante (in unserem Modell) um 12 W/m2 erhöhen.

19. Klima 18 Ungleiche Geschwister ....................................... .................... ....................................... .................... ....................................... .................... ........................................................... Venus Mittlerer Radius 6051 km Entweichgeschw. 10.4 km/s CO2 Atmosphäre 90 bar Bodendruck Treibhauseffekt ~über 400°C !! Erde Mittlerer Radius 6371 km Entweichgeschw. 11.2 km/s N2 - O2 Atmosphäre 1 bar Bodendruck Treibhauseffekt 31 °C (bzw. 17°C) Mars Mittlerer Radius 3390 km Entweichgeschw. 5.0 km/s CO2 Atmosphäre 0.006 bar Bodendruck Treibhauseffekt ~ 4°C