Global Warming

Global Warming

Sommerakademie Salem 17.08. - 30.08.2008

http://www.welt.de/wissenschaft/article850514/Sonnenschutz _fuer_die_Erde.html

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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)

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)

1.1 Das globale Klimasystem

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

 Klimasystem = Geobiosphäre

Abb. 1: Schematisierte Darstellung des Klimasystems der Erde

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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

1.2.1 Natürliche Spurengase

 Kohlendioxid CO₂

 Kohlenmonoxid CO

 Methan CH₄

 Terpene und Isoprene

 Ammoniak NH₃

 Stickoxide NO_x

 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

CO

 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: CO}

2-Gehalt der Atmosphäre in den

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Methan CH

 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)

Lachgas N

O

 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

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FCKW und SF

 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

 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

Abb. 5. (Quelle: Häckel 1999, S. 186 )

 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)

Hysterese

Das 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)

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

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

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)

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)

Erhöhung der Atmosphären-

temperatur

Anstieg des Meeresspiegels (20. Jhd.: 17 cm)

Verringerung der Schneedecke auf Nordhemisphäre

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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

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

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)

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

 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

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

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

4.1 Arktis

sensibelster Klimaindikator der Erde

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Klimaänderung

Anstieg 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)

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

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

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Quelle: Braun, Weber in BMU 2007, S. 53

 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

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)

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

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

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

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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)

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

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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

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.

Quelle: www.meteoradar.ch

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Vielen Dank für Eure

Aufmerksamkeit!!