Klimaphysik
Dieses Bild der Erde mit Wolkenbedeckung wurde von MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) aufgenommen. MODIS ist ein wissenschaftliches Instrument zur Messung elektromagnetischer Strahlung von 0.4 μm bis 14.4 μm Wellenlänge. 1999 wurde es von der NASA auf den Satelliten Terra und Aqua in eine Umlaufbahn um
die Erde geschossen. Das Bild wurde aus Aufnahmen vom Juni bis in den September 2001 zusammengesetzt.
1. Die Strahlung der Sonne
Die Sonne (altgr. Helios, lat. Sol) ist der Stern im Zentrum des Sonnensystems. Trotz ihrer
Entfernung von durchschnittlich 150 Millionen Kilometern ist die Sonne für das Leben auf der Erde von fundamentaler Bedeutung. Viele wichtige Prozesse auf der Erdoberfläche, wie das Klima und das Leben selbst, werden durch die Strahlungsenergie der Sonne angetrieben. So stammen etwa 99.98 % des gesamten Energiebeitrags zum Erdklima von der Sonne – der winzige Rest wird aus geothermalen Wärmequellen gespeist. Auch die Gezeiten gehen zu einem Drittel auf die
Schwerkraft der Sonne zurück.
In der Sonne verschmelzen Wasserstoffkerne zu Heliumkernen, dabei entsteht aus vier Protonen ein Helium Kern. Die erzeugten Heliumkerne haben aufgrund der Bindungsenergie eine geringfügig geringere Masse als die Summe der ursprünglichen Wasserstoffkerne (Massendefekt). Der Massenunterschied wird gemäss der Formel E0 = m·c2 in Energie umgewandelt (pro Fusion von vier Protonen zu einem He-Kern ≈ 27 MeV). Im Kern der Sonne werden pro Sekunde 564.4 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 560.1 Millionen Tonnen Helium fusioniert. Dies ergibt eine Gesamtleistung von etwa 3.7·1026 W, die im Kern freigesetzt und schliesslich an der Oberfläche zum Grossteil als Licht abgestrahlt wird.
Die Sonne sendet ein Spektrum elektromag- netischer Wellen aus, beginnend bei lang- welligen Radiowellen über sichtbares Licht bis hin zur Röntgenstrahlung. In weiten Bereichen entspricht es dem eines idealen schwarzen Strahlers der Temperatur von 5'800 K mit einem Maximum bei gelbgrünem Licht, überlagert von nichtthermischen Emissionen und Absorptionen, beispielsweise den Fraunhoferlinien im sichtbaren Bereich.
Die Sonne strahlt in alle Richtung gleich aus und verteilt also ihre Strahlung in den ganzen Raum. Ein Teil davon trifft auf die Erde. Als Solarkonstante E0 wird die langjährig gemittelte Sonnenbestrahlungsstärke bezeichnet, die bei mittlerem Abstand Erde-Sonne ausserhalb der Atmosphäre senkrecht auf die Erde auftrifft. Die Strahlungsleistung der Sonne selbst ist nahezu konstant. Auch der elfjährige Sonnenflecken- zyklus verursacht nur Schwankungen von weniger als 0.1%.
Solarkonstante: E0 = 1366 W·m−2 = Sonneneinstrahlung auf der Erde bei mittlerem Abstand Erde-Sonne ohne den Einfluss der Atmosphäre senkrecht auf die Erde
Kernaufgaben
Aufgabe 1: Welche Leistung nimmt die Erde auf, wenn alles Sonnenlicht von der Erde und ihrer Atmosphäre absorbiert wird? Der Radius der Erde beträgt 6.371·106 m.
Aufgabe 2: Stelle eine Formel für die mittlere Strahlungsleistung PEIN auf, die von der Sonne kommt und auf die Erde auftrifft.
Nebenaufgaben
Aufgabe 3: Welche Strahlungsleistung gibt die Sonne ab?
a) Welche Zahl ist im Text angegeben?
b) Berechne diese Zahl aus dem Massendefekt.
c) Auch aus der Solarkonstanten kannst du die Leistung der Sonne berechnen. Die Erde ist im Mittel 149.6·109 m von der Sonne entfernt.
Aufgabe 4: Die nebenstehende Figur zeigt das Spektrum der Strahlung, die von einem idealen schwarzen Körper ausgesendet wird in Abhängigkeit der Temperatur. Mit zuneh- mender Temperatur nimmt die Strahlungs- leistung zu. Es verschiebt sich aber auch die Wellenlänge bei der am meisten Leistung abgegeben wird. Ein Körper glüht bei 700°C rot; mit zunehmender Temperatur wird die Farbe orange und dann weiss. Das Wiensche Verschiebungsgesetz gibt an, bei welcher Wellenlänge λmax ein idealer schwarzer Körper in Abhängigkeit seiner Temperatur T die grösste Strahlungsleistung abgibt.
Wien’sches Verschiebungsgesetz:
λmax · T = 2.898·10−3 K·m
Lies im Spektrum des Sonnenlichts auf der vorangehenden Seite ab, bei welcher Wellenlänge die maximale Strahlungsleistung ausgesendet wird und berechne daraus die Temperatur der Sonne.
Aufgabe 5: Kontrolliere die Angaben zum Sonnenfleckenzyklus anhand der gemessenen Daten in der Grafik auf der vorangehenden Seite (Periode und Veränderung in Prozent).
Aufgabe 6: Infolge der Bahnexzentrizität schwankt der Abstand zur Erde jahresperiodisch zwischen 147.1·106 km und 152.1·106 km. Mit ihm schwankt die Bestrahlungsstärke auf der Erde.
Berechne die Bestrahlungsstärke im Peri- und im Aphel. Um wie viel schwankt die Solarkonstante um ihren Mittelwert E0? Das Perihel ist der sonnennächste, das Aphel der sonnenfernste Punkt einer Erdbahn. Die Erde hat ihren Perihel-Durchgang um den 3. Januar und ihren Aphel-Durchgang um den 5. Juli.
Aufgabe 7: Fällt die Sonnenstrahlung schräg ein, verteilt sie sich über eine grössere Erdoberfläche, die Bestrahlungsstärke sinkt. Am 21. März steht die Sonne am Mittag senkrecht über dem Äquator (b).
Bei uns in Biel (a) (Breitengrad 47° Nord) verteilt sich die Einstrahlung auf eine grössere Fläche. Am Äquator herrscht eine Strahlungsintensität von E0 = 1'367 W·m−2 Berechne die Strahlungsintensität E47° in Biel.
Aufgabe 8: Im Laufe eines Erdenumlaufs um die Sonne (ein Jahr) wird die Erde auf Grund der Neigung der Äquatorebene zur Erd- bahnebene (etwa 23.5°) in unterschied- licher Weise beschienen. Dies betrifft sowohl die Dauer (Länge des Tages) als auch die Winkel, in denen die Erde vom Sonnenlicht bestrahlt wird. Am 21. Sept- ember beträgt die Einstrahlung in Biel (Breitengrad 47° Nord) bei klarem Wetter 480 W·m−2. Wie gross ist die Einstrahlung bei klarem Wetter am 21. Dezember und am 21. Juni?
2. Die Absorption der Erde
Die Albedo (lateinisch albedo = „Weissheit“) ist ein Mass für das Rückstrahlvermögen von diffus reflektierenden, also nicht selbst leuchtenden Oberflächen. Sie wird bestimmt durch den
Quotienten aus reflektierter zu einfallender Lichtmenge und liegt zwischen 0 und 1.
= = r eflektiert einf allend
Albedo A P
P [A] = 1
Die Oberflächenbeschaffenheit eines
Himmelskörpers bestimmt seine Albedo. Die stets geschlossene Wolkendecke der Venus strahlt viel mehr Licht zurück als die basaltartigen
Oberflächenteile des Mondes. Die Venus besitzt daher mit einer mittleren Albedo von 0.76 ein sehr hohes, der Mond mit durchschnittlich 0.12 ein sehr geringes Rückstrahlvermögen. Der höchste bisher gemessene Wert fällt mit 0.99 auf den Saturnmond Enceladus und der niedrigste Mittelwert wurde mit nur 0.03 am Kometen Borrelly festgestellt.
Die Albedo der Erde wird durch Beobachtungen der dunkeln Seite des Mondes gemessen. Die helle Seite des Mondes wird von der Sonne beschienen. Die dunkle ist auch ein wenig beleuchtet.
Dieses Licht rührt von dem an der Erde reflektierten Sonnenlicht, das auf den Mond fällt. Aus der Messung dieses Lichtes kann also auf das mittlere Reflexionsverhalten der Erde und damit auf die Albedo der Erde geschlossen werden. Eine
genaue Messung1 des Erdscheins auf dem Mond über mehrere Jahre hinweg ergab für die mittlere Albedo der Erde 0.297 ± 0.005.
Albedo der Erde: A⊕ = 0.30
Kernaufgaben
Aufgabe 9: Welche Leistung nimmt die Erde auf, wenn du nun auch die Albedo berücksichtigst.
Aufgabe 10: Stelle eine Formel für die mittlere Strahlungsleistung PEIN, die von der Erde absorbiert wird auf. Berücksichtige dabei auch die Albedo A.
1 P.R.Goode, J.Qiu, V.Yurchyshyn, J.Hickey, M.-C.Chu, E.Kolbe, C.T.Brown, S.E.Koonin: „Earthshine Observations of the Earth’s Reflectance“ in Geophysical Research Letters, 28, 9, 1671–74 (2001)
Material Albedo
Frischer Schnee 0.80 … 0.90
Wolken 0.60 … 0.90
Wüste 0.30
Savanne 0.20 - 0.25
Felder (unbestellt) 0.26
Wald 0.05 … 0.18
Asphalt 0.15
Wasserfläche (α = 45°) 0.05 Wasserfläche (α = 60°) 0.08 Wasserfläche (α = 70°) 0.12 Wasserfläche (α = 10°) 0.22
3. Die Abstrahlung der Erde
Die thermische Abstrahlung
Die Erde nimmt natürlich nicht nur Energie auf, sondern sie strahlt auch Energie in das Weltall ab.
Sonst würde die Temperatur auf der Erde immer steigen!
Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, sendet Wärmestrahlung aus.
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz gibt an, welche Strahlungsleistung P ein idealer schwarzer Körper mit der Oberfläche A [m2] und der absoluten Temperatur T [K] emittiert.
Stefan-Boltzmann-Gesetz: Pideal= σ ⋅ ⋅A T4 mit σ = ⋅ −8 2 4
W
5.670 10 m K [Pideal] = Watt Die Strahlungsleistung eines schwarzen Körpers ist also proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur: eine Verdopplung der Temperatur bewirkt, dass die abgestrahlte Leistung um den Faktor 16 ansteigt. Dass die Strahlungsleistung mit zunehmender Temperatur steigt, kann auch in den auf Seite 3 abgebildeten Strahlungsspektren gesehen werden. Die Fläche unter der Kurve nimmt mit zunehmender Temperatur zu!
Kernaufgaben
Aufgabe 11: Welche Leistung strahlt die Erde ab, wenn die mittlere Temperatur auf der Erde 20°C (293 K) beträgt?
Aufgabe 12: Stelle eine Formel für die mittlere von der Erde abgestrahlte Leistung PAUS auf.
Aufgabe 13: Die Erde kann nur über Strahlung Energie auf- oder abgeben. Dabei muss die Energie, die aufgenommen wird gleich der Energie, die abgegeben wird sein. Würde die Erde über längere Dauer mehr Energie aufnehmen, als abgeben würde sie sich aufwärmen. Im anderen Fall würde sie immer kühler. Aus der Energiebilanz folgt also: PEIN = PAUS.
Stelle nun eine allgemeine Gleichung für die Energiebilanz auf. Du hast bereits eine
allgemeine Formel für die Einstrahlung PEIN unter Berücksichtigung der Albedo gefunden. Auch für die abgestrahlte Leistung PAUS hast du eine Formel gefunden. Aus der gefundenen
Gleichung kannst du die mittlere Temperatur der Erde berechnen. Stimmt diese etwa? Ist sie zu hoch oder zu tief? Weshalb könnte dies so sein?
Nebenaufgabe
Aufgabe 14: Die Temperatur der Sonne kann aus dem Sonnenspektrum – insbesondere aus der Wellenlänge des Strahlungsmaximums – berechnet werden (vgl. oben). Du kannst aber auch ausrechnen welche Leistung von der Sonne abgegeben wird und mit dem Gesetz von Stefan- Boltzmann berechnen welche Temperatur die Sonnenoberfläche haben muss. Berechne diese Temperatur! Der Radius der Sonne beträgt 6.96·108 m.
Emissionsgrad der Erdoberfläche
Das Gesetz von Stefan-Boltzmann beschreibt, die von einem idealen schwarzen Körper ausgestrahlte Leistung. Dies ist die maximale von einem Körper einer bestimmten Temperatur abgegebene Strahlungsleistung. Genauso wie ein Körper nicht alle Strahlung absorbiert (Albedo), so strahlt er in der Regel auch nicht maximal viel aus. Der Emissionsgrad eines realen Körpers (grauer Körper) ist grösser als 0 und kleiner als 1.
Emissionsgrad emitiert
ideal
P
ε = P [ε] = 1
Einige typische Werte für die Emissionsgrad sind in der nebenstehenden Tabelle zusammengestellt.
Kernaufgabe
Aufgabe 15: 71% der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt. Von der Landfläche ist etwa 10% ver- eist, 34% ist Wüste oder Halbwüste und der Rest ist bewaldet oder mit Feldern bedeckt. Schätze mit diesen Angaben und der nebenstehenden Tabelle unten den Emissionsgrad der Erde.
Emissionsgrad der Erde: ε⊕ = ……… (ohne die Atmosphäre)
Aufgabe 16: Berücksichtige nun in der Energiebilanz der Erde auch noch den Emissionsgrad der Erde. Welche mittlere Temperatur berechnest du nun? Stimmt dieser Wert nun etwas besser?
Du hast den Emissionsgrad der Erdoberfläche abgeschätzt. Auf diesem Bild ist die Verteilung von Land und Wasser und die Wüsten deutlich sichtbar. Was ist daran unrealistisch?
Material Emissionsgrad
Aluminium poliert 0.05
Eisen 0.06 … 0.25
Kupfer 0.015 … 0.025
Kupfer oxidiert 0.73
Holz, Wald 0.90 … 0.95
Eis 0.93
Wasser 0.94
Sand 0.76
Papier 0.90
Die Erde mit Atmosphäre (Treibhauseffekt)
Die oben berechnete Temperatur ist immer noch deutlich zu tief. Die Solarkonstante ist sehr genau bekannt. Auch die Albedo der Erde kann gut gemessen werden. Wir müssen also die Emissions- grad der Erde falsch abgeschätzt haben. Wir haben die Atmosphäre nicht berücksichtigt! Sie reflektiert einen Teil der Strahlung zurück auf die Erde (Treibhauseffekt), erwärmt die Erdoberfläche und senkt den Emissionsgrad wesentlich – dies insbesondere wegen der Wolken (vgl. Bild).
Eine bessere Schätzung des Emissionsgrades, die auch die Atmosphäre berücksichtigt, erhalten wir aus der Albedo der Erde. Diese kann, wie oben erläutert, recht genau gemessen werden. Dazu brauchen wir das kirchhoffsche Strahlungsgesetz. Dieses Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Absorption und Emission eines Körpers und besagt, dass Strahlungsabsorption
und -emission einander entsprechen. Eine schwarze Fläche heizt sich im Sonnenlicht leichter auf als eine weisse, sie gibt die Wärmestrahlung aber auch leichter ab (schwarz gefärbte Kühlbleche).
Kirchhoffsches Strahlungsgesetz: Die Emissionsgrad eines Körpers ist im thermischen Gleichgewicht gleich dem Absorptionsgrad des Körpers: ε = α
Die Albedo gibt an, welcher Teil der einfallenden Strahlung reflektiert wird. Der Rest der Strahlung wird absorbiert. Ist Beispielsweise die Albedo 0.2, so wird 20% der einfallenden Strahlung
reflektiert und 80% absorbiert. Der Absorptionsgrad α eines Planeten ist also 1 – A.
Aufgabe 17: Bestimme den Absorptionsgrad α aus der Albedo und daraus den Emissionsgrad ε der Erde mit der Atmosphäre aus dem gemessen Wert der Albedo. Welche mittlere Temp- eratur berechnest du nun mit diesem Emissionsgrad? Stimmt dieser Wert nun etwas besser?
Emissionsgrad der Erde: ε = ……… (mit der Atmosphäre)
Auf der vorangehenden Seite ist die Erde ohne Atmosphäre und ohne Eisbedeckung dargestellt. Dieses Bild zeigt die Erde mit Eis und mit der Atmosphäre mit der Wolkendecke.
Der Treibhauseffekt im Detail
Bei der obigen Berechnung der Oberflächen- temperatur wurde die Atmosphäre berücksichtigt, die einen Teil der von der Erde ausgesendeten Strahlung zurück auf die Erde reflektiert, den Emissionsgrad senkt und somit die Temperatur auf der Erde erhöht (Treibhauseffekt). Dennoch ist die berechnete Temperatur immer noch zu tief.
Die mittlere Temperatur in Bodennähe beträgt 14.0°–14.5°C (vgl. Figur) 2. Wir haben also noch nicht den ganzen Treibhauseffekt verstanden. Wir müssen also den Strahlungstransport durch die Atmosphäre im Detail studieren.
Das plancksche Strahlungsgesetz beschreibt die Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Leistung in Abhängigkeit von der Wellenlänge, die von einer idealen Strahlungsquelle (einem schwarzen Körper) bei einer bestimmten Temp- eratur abgestrahlt wird. Dieses Spektrum ist hier abgebildet. Die Sonne hat eine effektive Ober- flächentemperatur von ca. 5777 K. Die Ober- flächentemperatur der Erde ist ca. 300 K.
Kernaufgabe
Aufgabe 18: Bei welcher Wellenlänge emittiert die Sonne bzw. die Erde die maximale Leistung? Du kannst dies aus der Figur ablesen oder mit dem Wien’schen Verschiebungsgesetz berechnen.
Aufgabe 19: Der Grossteil des Sonnenlichts fällt wegen ihrer hohen Temperatur in den Bereich des für uns Menschen sichtbaren
Spektrums. Für dieses Licht ist unsere Atmosphäre weitgehend transparent. Die Abstrahlung der Erde ist jedoch deutlich langwelliger und liegt vorwiegend im tiefen Infrarot. Ist dort die Atmosphäre auch durchlässig?
Da die Erdatmosphäre in Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung (kurzwelliges, sichtbares Licht) deutlich mehr Strahlung transmittiert, als im Bereich der emittierten Strahlung (langwellige, infrarote Strahlung) bleibt ein wesentlicher Teil der Strahlungsenergie in der Atmosphäre gefangen und erhöht die Temperatur auf der Erdoberfläche.
2 P.D.Jones, M.New, D.E.Parker, S.Martin and I.G.Rigor: „Surface Air Temperature and its Changes over the past 150 Years“ in Reviews of Geophysics, 37, 173–199 (1999)
Saisonaler Zyklus der mittleren Temperatur auf der Nord- halbkugel (NH), der Südhalbkugel (SH) und im globalen Mittel (GLO) basierend auf Messungen von 1961 – 90.
Durchlässigkeit der Atmosphäre für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen.
Treibhausgase
In der Erdatmosphäre bewirken Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon seit Bestehen der Erde einen Treib- hauseffekt, der entscheidenden Einfluss auf die Klimageschichte der Vergangenheit und das heutige Klima hat. Die Treibhausgase sind durchgängig für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung, langwellige Wärmestrahlung hingegen wird je nach Gas in unterschiedlichen Wellenlängen absorbieren (vgl. Figur).
Der grösste Teil des gesamten Treibhauseffekts wird mit einem Anteil von 36 – 70 % (ohne Berücksichtigung der Effekte der Wolken) durch Wasserdampf in der Atmosphäre verursacht.
Kohlendioxid trägt 9 – 26 % zum Treibhauseffekt bei, Methan 4 – 9 %, und Ozon 3 – 7 %. Der Ozongehalt spielt insbesondere in der Stratosphäre eine sehr wichtige Rolle für das Klima. Es wird vom Menschen nicht direkt, sondern indirekt über fluorierte Treibhausgase beeinflusst.
Energiebilanz der Erde
Diese Figur3 zeigt die Energieflüsse in der Erdatmosphäre mit dem Treibhauseffekt im Detail.
3 Kevin E. Trenberth, John T. Fasullo, J. Kiehl: „Earth’s Global Energy Budget“ in Bulletin of the American Meteorological Society (2009) based on data from march 2000 to may 2004.
Nebenaufgabe
Aufgabe 20: Wir machen nun einige Überlegungen zu der Energiebilanz in der Figur oben. Die Angaben in der Figur sind Intensitäten, also Leistungen pro Quadratmeter!
a) Welche Intensität wird total aufgenommen und welche abgestrahlt? Ist das einleuchtend?
b) Welche Albedo berechnest du aus der Figur. Stimmt dieser Wert?
c) Welche Intensität wird vom Boden der Erde aufgenommen und welche ausgestrahlt? Ist die Erdoberfläche also im thermischen Gleichgewicht? Betrachte auch die Energiebilanz der Wolken. Ist auch die Atmosphäre im thermischen Gleichgewicht?
d) Welche Intensität fällt ein? Ist dies ein Widerspruch zu der oben angegeben Solarkonstanten?
Kernaufgabe
Aufgabe 21: Berechne aus der Figur den effektiven Emissionsgrad der Erde. Du musst dich fragen, welche Strahlung von der Erdoberfläche ausgestrahlt wird und welche Strahlung total ins All ausgesendet wird. Der Emissionsgrad der Oberfläche ist dabei bereits berücksichtigt4.
Effektiver Emissionsgrad der Erde: ε = ……… (mit wellenlängenabhängigem Treibhauseffekt) Aufgabe 22: Berechne nun mit diesem effektiven Emissionsgrad die Temperatur der Erdoberfläche.
Mittlere Oberflächentemperatur der Erde
Messungen der Oberflächentemperatur ergeben T = ………….. °C
Die Bilanzierung des Energieflusses ergibt unter Berücksichtigung, der Albedo, des Emissionsgrades der Atmosphäre und des Treibhauseffekts ergibt eine Oberflächentemperatur von ………….. °C Aufgabe 23: Bestimme den Einfluss der verschiedenen Effekte auf die Temperatur der Erde und
ergänze die untenstehende Tabelle. Wir haben die Beschaffenheit der Oberfläche (Wasser, Eis, Wald, Wüste) und den Treibhauseffekt (Rückstrahlung auf Grund der Atmosphäre und deren wellenlängenabhängigen Transmission) berücksichtigt. ΔT bezeichnet die
Temperaturzunahme auf Grund des Effekts.
Erde ohne Atmosphäre
idealer schwarzer Körper T = …….°C
realer Körper T = …….°C ΔT = …….°C
Erde (realer Körper) mit einem natürlichen Treibhauseffekt der Atmosphäre, der unabhängig von der Wellenlänge ist T = …….°C ΔT = …….°C lange Wellenlängen isoliert T = …….°C ΔT = …….°C
4 Eigentlich werden bei einem Emissionsgrad der Erde von 0.92 nur 364 W·m–2 und nicht 396 W·m–2 ausgestrahlt – es fehlen gegenüber dem idealen schwarzen Körper also 32 W·m–2. Von der Gegenstrahlung werden jedoch nur 301 W·m–2absorbiert und die restlichen 32 W·m–2reflektiert. Diese 32 W·m–2 kompensieren gerade die gegenüber dem idealen Strahler fehlenden 32 W·m–2. Die Ausstrahlung und die Oberflächenabsorption entsprechen also gerade einem idealen schwarzen Körper, auch wenn die Oberfläche einen Emissionsgrad kleiner als 1 hat.
4. Veränderung des Klimas
Der Begriff Klimaveränderung bezeichnet eine Veränderung des Klimas auf der Erde über einen längeren Zeitraum. Seit der Entstehung der Erde verändert sich das Klima ständig. Eine Klima- veränderung kann beispielsweise eine tendenzielle Abkühlung oder Erwärmung der Oberflächen- temperatur über Jahrtausende bezeichnen. Ursachen für eine Veränderung des Klimas sind Veränderungen in der Erdbahn um die Sonne und der Neigung der Erdachse, Veränderungen in der Ausstrahlung der Sonne, Veränderung der Oberfläche der Erde – insbesondere der Konti- nentaldrift, also die Bewegung der Landmassen auf der Erde und die Veränderung von Meeres- strömen (El Niño) und Veränderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre (insbesondere durch Vulkanismus). In den letzten zwei hundert Jahren spielen auch Veränderungen durch menschliche Einflüsse eine wichtige Rolle.
Zum Beispiel durch die Analyse von Eisbohrkernen5 ist es möglich, Informationen über das Klima der Vergangenheit zu erhalten. Diese Art der Klimadatenerfassung ist eine sehr junge aber zugleich eine der wichtigsten und genauesten Methoden, die heute bekannt ist. Bei dieser Methode wer- den Bohrungen in die riesigen Landeisschilde (Grönland und Antarktis) der Erde, in die Kryosphäre (das Eis der Erde), unternommen. Von Jahr zu Jahr setzt sich eine neue Schicht Eis ab, eine so genannte Jahresschicht. Somit besteht ein solcher Landeisschild aus vielen übereinander liegenden Schichten Eis. Untersucht man diese einzelnen Schichten, kann man sehr genaue Informationen zu ganz bestimmten Jahren herausfinden, indem man die Schichten
von oben abzählt. Die Dicke der einzelnen Jahresschichten gibt dabei Hinweise auf die jeweilige Niederschlagsmenge. In kleinen Luftbläschen findet man auch heute noch Luft, die vor Jahr- tausenden eingeschlossen wurde. Die Figur6 stellt die Temperaturabweichung ΔT von der jetzigen mittleren Temperatur, die CO2-Konzentration und die Staub-Konzentration (ppm = parts per million = Millionstel, ppmv = Millionstel des Volumens) gemessen dar.
Kernaufgabe
Aufgabe 24: Um wie viel Grad schwankt die globale Temperatur um den mittleren heutigen Wert? Welche Werte nimmt die CO2-Konzentration an? Kannst du zwischen Eis- und Warmzeiten unter- scheiden? Leben wir in einer Warm- oder eine Eiszeit? Korrelieren CO2- Konzentration und Temperatur?
5 Bild: „Ice Core“, Climate and Environmental Physics, Physics Institute, University of Bern
6 Petit J.R. et al.: „Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica“ in Nature, 399, 429–436 (1999)
Anthropogene Klimaänderung
Als globale Erwärmung bezeichnet man den in den vergangenen Jahrzehnten beobachteten Anstieg der Durchschnittstemperatur der erdnahen Atmosphäre und der Meere sowie deren künftig erwartete Erwärm- ung. Zwischen 1906 und 2005 hat sich die durch- schnittliche Lufttemperatur in Bodennähe um 0.74°C erhöht (vgl. Figur7). Das Jahrzehnt von 2000 bis 09 war mit Abstand das wärmste je gemessene, gefolgt von den 1990er Jahren, die wiederum wärmer waren als die 1980er Jahre8. Dies zeigt sich auch deutlich im Abschmelzen der Gletscher9. In der Klimatologie ist es heute Konsens, dass die gestiegene Konzentration der vom Menschen in die Erdatmosphäre freigesetzten Treibhausgase die wichtigste Ursache der Erwärmung ist. Die gemessenen Temperaturveränderungen sind ohne menschliche Eingriffe nicht zu erklären.
Zunahme der Treibhausgase
Seit 450'000 Jahren schwankt der CO2-Gehalt der Erd- atmosphäre zwischen 200 ppm (Eiszeit) und 280 ppm (Warmzeit). Seit dem Beginn der Industrialisierung um 1750 steigt die CO2-Konzentration dramatisch an. Die Messungen von Mauna Loa zeigen dies deutlich.
CO2 hat einen Anteil von ca. 20 % am natürlichen Treibhauseffekt. Es entsteht u.a. bei der Verbrennung fossiler Energieträger (Verkehr, Heizen, Stromerzeug- ung, Industrie, Landwirtschaft, Tierzucht) und wird im Schnitt erst nach 120 Jahren in der Atmosphäre abge- baut. Die mit Abstand meisten Treibhausgase pro Ein- wohner werden in den Industrienationen ausgestossen.
Nebenaufgabe
Aufgabe 25: Woher rührt die periodische Jahres- schwankung der CO2-Konzentration?
7 J.Hansen, M.Sato, R.Ruedy, K.Lo, D.W.Lea, M.Medina-Elizade: „Global temperature change“ in Proceedings of the National Academy of Sciences, 103, 14288-14293 (2006)
8 Intergovernmental Panel on Climate Change (2007): IPCC Fourth Assessment Report - Working Group I Report on
“The Physical Science Basis” mit Zusammenfassung für Entscheidungsträger (2007)
9 Dyurgerov, M.: Glacier mass balance and regime measurements and analysis, 1945-2003, ed. M.Meier and R.Armstrong. Boulder: Institute of Arctic and Alpine Research, University of Colorado. Distributed by National Snow and Ice Data Center, Boulder, CO (2002, updated 2005)
Risiken und Folgen der globalen Erwärmung
Experten prognostizieren verschiedene direkte und indirekte Auswirkungen auf Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre.
Weltweit verändert sich Verteilung und Ausmass der Niederschläge. Die durchschnittliche Niederschlagsmenge steigt, in einzelnen Regionen könnte jedoch die Trockenheit zunehmen.
Die zunehmende Verdunstung führt zu einem höheren Risiko für Starkregen, Über-
schwemmungen und Hochwasser.
Es kommt weltweit zu einer verstärkten Gletscherschmelze.
Im Zuge der globalen Erwärmung kommt es zu einem Anstieg des Meeresspiegels. Dieser erhöht sich aktuell um 3 cm pro Jahrzehnt10. Bis zum Jahr 2100 geht das IPCC von einem Meeresanstieg zwischen 0.19 m und 0.58 m, neuere Quellen sogar von bis zu 2m aus.
Die Häufigkeit tropischer Stürme wird wahrscheinlich abnehmen, ihre Intensität aber zunehmen.
Die Risiken für Ökosysteme auf einer sich erwärmenden Erde wachsen mit jedem Grad des Temperaturanstiegs. Die Risiken unterhalb einer Erwärmung von 1 °C gegenüber dem vorindu- striellen Wert sind vergleichsweise gering. Zwischen 1°C und 2°C Erwärmung liegen auf regio- naler Ebene mitunter grosse Risiken vor. Eine Erwärmung oberhalb von 2 °C birgt erhöhte Risiken für das Aussterben zahlreicher Tier- und Pflanzenarten, deren Lebensräume nicht länger ihren Anforderungen entsprechen. Bei über 3°C droht der völlige Kollaps von Ökosystemen.
Durch gestiegene Niederschlagsmengen, Temperatur und CO2-Gehalt der Atmosphäre hat das Pflanzenwachstum in den letzten Jahrzehnten zugenommen. Es stieg zwischen 1982 und 1999 um sechs Prozent im weltweiten Durchschnitt.
Ozeane versauern durch Aufnahme des Kohlendioxids aus der Atmosphäre zunehmend.
Korallen und andere Meeresbewohner können dadurch ihr Kalkskelett nicht mehr bilden.
Risiken für die menschliche Gesundheit sind teils unmittelbare Folge steigender Lufttempera- turen. Hitzewellen werden häufiger, während extreme Kälteereignisse wahrscheinlich seltener werden. Während die Zahl der Hitzetoten steigen wird, wird die Zahl der Kältetoten abnehmen.
Die landwirtschaftliche Produktivität wird sowohl von einer Temperaturerhöhung als auch von einer Veränderung der Niederschläge betroffen sein. Global ist, grob gesehen, mit einer deutlichen Verschlechterung des Produktionspotenzials zu rechnen.
Es wird zu Änderungen von Gesundheitsrisiken für Menschen und Tiere in Folge von Veränderungen des Verbreitungsgebiets, der Population und des Infektionspotentials von Krankheitsüberträgern kommen.
Die wirtschaftlichen Folgen sind nach gegenwärtigen Schätzungen beträchtlich. Das Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung schätzt, dass ein ungebremster Klimawandel bis zum Jahr 2050 bis zu 200 Billionen US-Dollar volkswirtschaftliche Kosten verursachen könnte.
10 Grafik des Meersspiegels von 1992 bis 2010 aufbereitet von Neil White von der Australian Commonwealth Scientific and Research Organization (CSIRO) aus Daten des Hochpräzisions-Altimeters auf dem Satelliten TOPEX/Poseidon.
Modellierung der globalen Erwärmung
Eine externe Störung der Strahlungsbilanz des Klimasystems der Erde hat das Potential, Veränderungen von Klimaparametern und damit einen neuen Gleichgewichtszustand des Klimasystems und damit der Oberflächentemperatur herbeizuführen. Zum Beispiel nimmt mit zunehmendem CO2-Gehalt die Rückkopplung durch die Atmosphäre zu und die es wird weniger Strahlung abgegeben – die Erde erwärmt sich. Die Strahlungsbilanz kann eine Konzentrations- änderung einer für die Strahlungsbilanz relevanten Substanz sein (z. B. Treibhausgase, Aerosole), eine Änderung der Bestrahlungsstärke der Sonne oder andere Veränderungen, die zu einer Änder- ung der Leistung führen, die von der Erdoberfläche absorbiert wird (z.B. Änderungen der Albedo).
Um den Einfluss des Menschen auf das Klima zu modellieren brauchen wir einen Zusammenhang zwischen den menschlichen Eingriffen und der damit verbundene Änderung in der Strahlungsbilanz (Strahlungsantrieb11).
Kohlenstoffdioxid macht etwa 63% des vom Menschen verursachten zusätzlichen Treibhaus- effekts aus. Wir nehmen an, dass sich die die Konzentrationen der anderen Treibhausgase (Methan CH4 18%, FCKWs 13%, Stickoxid N2O 6%)12 gleich entwickeln wie die CO2-Kon- zentration. Dies ist eine akzeptable Näherung für die Periode von der Industrialisierung bis heute. Etwa ab 1990 gelang es dank polit- ischer Anstrengungen glücklicherweise das Wachstum des Methans und der FCKW- Konzentration zu verlangsamen, so das heute diese Konzentrationen fast nicht mehr wachsen oder sogar rückläufig sind.
Die durch die CO2-Konzentration c verursachte Veränderung der Strahlungsbilanz ΔF (Strahlungs- antrieb) gegenüber dem vorindustriellen Wert (Jahr 1750) der CO2-Konzentration c0 = 280 ppm, errechnet sich in erster Näherung wie folgt13:
( )
2 W 2
CO m
0
c
F 5.4 ln c
Δ = ⋅ (Strahlungsantrieb von Kohlendioxid in W⋅m–2)
Kohledioxid macht 63% vom anthropogenen Treibhauseffekt aus. Nehmen wir die CO2-Konzen- tration als Indikator für alle Treibhausgase, so ergibt sich für die Veränderung der Strahlungsbilanz
( )
W 2
m 0
c
F 8.6 ln c
Δ = ⋅ (Strahlungsantrieb von allen Treibhausgasen in W⋅m–2)
11 IPCC Third Assessment Report, chapter 6: “Radiative Forcing of Climate Change” (2001)
12 Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): “Climate Change 2007: The Physical Science Basis” Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA (2007)
13 Myhre et al. “New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases” in Geophysical Research Letters, 25, 14, 2715–2718 (1998)
Kernaufgaben
Aufgabe 26: Kannst du die Formel für den Strahlungsantrieb ΔF aller Treibhausgase aus der Formel für den Strahlungsantrieb ΔFCO2 von CO2 herleiten, wenn du weisst, dass CO2 63%
am anthropogenen Treibhauseffekt ausmacht?
Aufgabe 27: Wie gross ist der Strahlungsantrieb ΔF heute, d.h. wie stark hat der Mensch die Strahlungsbilanz verändert? Berechne dazu den Strahlungsantrieb im Jahr 2005 (380 ppm).
Wie gross war der Strahlungsantrieb ΔF um 1750 (vorindustriell)?
Aufgabe 28: Im Jahr 2005 wurde von der Erde 341 W⋅m–2 aufgenommen und 239 W⋅m–2 abgegeben14. An der Sonneneinstrahlung hat sich nichts verändert. Welche Intensität wurde von der Erde im Jahr 1750 abgegeben?
Aufgabe 29: Berechne den effektiven Emissionsgrad ε der Erde im Jahr 2005. Stelle eine Formel für den effektiven Emissionsgrad ε in Abhängigkeit der CO2-Konzentration auf. Zur
Erinnerung: Die von der Erde abgestrahlte Intensität beträgt 396 W⋅m–2.
Effektiver Emissionsgrad in Abhängigkeit der CO2-Konzentration: ε =0.610 0.0217 ln− ⋅
( )
cc0mit dem vorindustriellen Wert der CO2-Konzentration c0 = 280 ppm Klimamodell auf Grund der Energiebilanz der Erde: 4⋅ ε ⋅ σ ⋅T4= −(1 A E)⋅ 0 Kernaufgaben
Aufgabe 30: Berechne die mittlere Temperatur der Erdoberfläche mit der CO2-Konzentration von 2005. Welche Temperatur hatte die Erdoberfläche in vorindustrieller Zeit? Laut dem IPCC15 hat sich die Temperatur der Erde bis 2000 um 0.74°C erhöht. Bestätigt deine Rechnung dies?
Aufgabe 31:Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre entwickelt sich exponentiell. Bis in das Jahr 2030 muss mit einer CO2-Konzentration in von c = 450 ppm gerechnet werden. Entwickelt sich der CO2-Ausstoss weiter wie jetzt, wird bis 2060 mit einer Konzentration von 610 ppm gerechnet. Welche Temperatur hat die Erde 2030? Welche Temperatur erwartest du 2060?
Aufgabe 32: Stelle die Ergebnisse in der Tabelle zusammen. ΔT gibt den Temperaturunterschied gegenüber dem vorindustriellen Wert für unser Entwicklungsszenario an.
Mittlere Temperatur der Erdoberfläche:
vorindustrielle Werte (1750) T = …….°C
heutiger Wert (2005) T = …….°C ΔT = …….°C
Prognose 2030 T = …….°C ΔT = …….°C
Prognose 2060 T = …….°C ΔT = …….°C
14 Kevin E. Trenberth, John T. Fasullo, J. Kiehl: „Earth’s Global Energy Budget“ in Bulletin of the American Meteorological Society (2009) based on data from march 2000 to may 2004.
15 IPCC „Summary for Policymakers: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change“ (2009)
Entwicklungsszenarien
Um die zukünftige Entwicklung des globalen Klimas abschätzen zu können, müssen wir Annahmen über die Entwicklung der CO2-Konzentration in der Atmo- sphäre machen. Der Ausstoss von CO2 nimmt unge- bremst zu (vgl. Figur rechts). Als erste Abschätzung der CO2-Konzentration dient eine Extrapolation der Daten aus der Vergangenheit in die Zukunft. Die nächste Figur stellt die gemessen CO2-Konzentration (Punkte) und eine Extrapolation (Linie) dar.
Nebenaufgabe
Aufgabe 33: Stelle aufgrund der gemessenen Daten der CO2-Konzentration eine Funktion auf, die Konzentration in Abhängigkeit des Jahres beschreibt und berechne daraus die zu erwartende Temperaturen – entwickele also ein Klimaszenario! Hinweis: Der vorin- dustrielle Wert betrug 280 ppm. Die
Konzentration entwickelt auf Grund menschlicher Eingriffe exponentiell. Die notwenigen Zahlen kannst du dem Diagramm „Atmospheric Carbon Dioxide measured at Mauna Loa, Hawaii“ entnehmen.
Für die Zukunft wird eine weiter ansteigende Erderwärmung erwartet, für deren Bandbreite verschiedene Szenarien aufgestellt werden, die mit unterschiedlichen Annahmen wie Bevölk- erungsentwicklung oder Wirtschaftswachstum operieren. Das IPCC hat vier charakteristische Szenarien aufgestellt16.
A1-Szenarien: Rapides Wirtschaftswachstum führt zu schnell steigenden Treibhausgas-
emissionen (A1FI viel fossile Energie, A1B Verwendung alternativer Energieformen)
A2-Szenarien: Kaum Fortschritt bei den Alternativenergien; Kohle und Öl werden Hauptener- gielieferanten der Zukunft. Das Grundthema ist Autarkie und Bewahrung lokaler Identitäten.
B1-Szenarien: Raschen Änderungen der wirtschaftlichen Strukturen in Richtung einer Dienst- leistungswirtschaft, bei gleichzeitigem Rückgang des Materialverbrauchs und Einführung von sauberen und ressourcen-effizienten Technologien. Das Schwergewicht liegt auf globalen Lösungen für eine wirtschaftliche, soziale und umweltgerechte Nachhaltigkeit.
B2-Szenarien: Obwohl das Szenario wie B1 auch auf Umweltschutz und soziale Gerechtigkeit ausgerichtet ist, liegt der Schwerpunkt auf der lokalen und regionalen Ebene. Die Verwendung alternativer Energien steigt nur langsam.
16 IPCC Fourth Assessment Report: Special Report on Emissions Scenarios (2000)
300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040
Jahr
CO2-Konzentration [ppm]
Kernaufgabe
Aufgabe 34: Berechne die mittlere Temperatur der Erdoberfläche im Jahr 2100 für das A1FI-, A2-, B1- und das B2-Szenario. Welche Folgen haben diese Temperaturerhöhungen (vgl. Kapitel
„Risiken und Folgen der globalen Erwärmung“)? Stelle die Ergebnisse in der Tabelle zusammen. Unser einfaches Klimamodel unterschätzt die Temperaturentwicklung eher!
Prognose der mittleren Temperatur der Erdoberfläche für das Jahr 2100. ΔT bezeichnet die Temperaturveränderung gegenüber dem vorindustriellen Wert:
A1FI (weitgehend fossile Energie, schnelles Wirtschaftswachstum)
T = …….°C ΔT = …….°C → ………
A2 (keine internationale Zusammenarbeit, keine Veränderung der Wirtschaftsstruktur)
T = …….°C ΔT = …….°C → ………
B1 (Alternativenergien, angepasste Lebensformen, internationale Zusammenarbeit)
T = …….°C ΔT = …….°C → ………
B2 (ähnlich zu B1, Lösungen werden nur regional angestrebt, Umstellung langsamer)
T = …….°C ΔT = …….°C → ………
Vermeidungsstrategien (Klimaschutz)
Das Ausmass der möglichen Konsequenzen der globalen Erwärmung führt zur Frage, wie diese politisch verhindert oder ihre Folgen zumindest gemildert werden können. Leider wurden in der letzten Zeit, trotz einiger poli- tischer Anstrengungen, keine wesentlichen Schritte unternommen. Wir befinden uns im A1FI oder dem A2 Szenario! Die Figur zeigt die Voraussagen der globalen Klimaerwärm- ung, wie es von den unterschiedlichen Instituten berechnet wurde. Wenn wir uns
weiterhin so verhalten wie jetzt, muss bis 2100 mit dem Kollaps von ganzen Ökosystemen gerechnet werden. Dies würde zu einer Verarmung ganzer Regionen, Hunger und wohl auch Kriegen führen!
Individuelle Möglichkeiten für Beiträge zum Klimaschutz bestehen in Verhaltensumstellungen und verändertem Konsum mit Energieeinsparungen. Hierzu gehören unter anderem der Einsatz energieeffizienterer Geräte, der Umstieg auf umweltfreundlichere Verkehrsmittel, der Kauf von saisonalen Produkten der eigenen Region, was emissionsintensive weite Transportwege vermeidet, die Verkürzung der Nahrungskette durch Umstieg von tierischen auf pflanzliche Nahrungsmittel, sowie die Investition in erneuerbare Energieträger im privaten Bereich.
5. Klimamodelle in der Forschung
Unser einfaches Modell erlaubt bereits recht gute Abschätzungen und Prognosen zu machen. In den letzten Jahren wurde viel Forschung in die Entwicklung von Klimamodellen investiert. Ein Klimamodel basiert in der Regel auf einem Meteorologiemodell, wie es auch zur Wettervorhersage verwendet wird. Dieses Modell wird jedoch für die Klimamodellierung erweitert. In der Regel wird dabei ein Ozeanmodell, ein Schnee- und Eismodell für die Kryosphäre und ein Vegetationsmodell für die Biosphäre angekoppelt. Klimamodelle stellen die komplexesten und rechenaufwendigsten Computermodelle dar, welche bisher entwickelt wurden. Seit den 70er Jahren wurden immer mehr Faktoren in die Rechnungen einbezogen (vgl. Figur unten). Zudem ist die Detailliertheit der
Modelle massive gestiegen (vgl. Abbildung rechts). All diese Modelle prognostizieren eine Temperaturzunahme von 2.3°C bis 4.7° bis ins Jahr 2100! Die Figur zeigt die Temperatur- erhöhung auf der Erde unter der Annahme, dass sie sich im Mittel um 3°C erwärmt.
