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Energie und Klimawandel

WS 2007/08

Dr. rer. nat. Gerhard Luther Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE ) c/o Technische Physik, Universität des Saarlandes Bau E26

,

Zimmer 2.03

Telephon: 0049- 0681 - 302-2737;

Internetseite vorführen !

e-mail: [email protected]

[email protected]

(auch größere Dateien)

homepage mit Link zur Vorlesung

:

http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/ Vorlesung: Mittwoch, 15 -17 Uhr, Bau E26, 2.OG., Seminarraum 2.09

1. Voll im Trend : Energie – Bevölkerung – Wohlstand 2. Weltweite Beobachtungen: CO2, Temperatur, Zuordnung 3. KlimaModelle und Prognosen 4. Was bedeutet das für den Menschen 5. Was tun

1. Voll im Trend

Energie – Bevölkerung - Wohlstand

Evolution from 1971 to 2004 of World Total Primary Energy Supply by Fuel (Mtoe) __500

[

EJ/a

]

Ungebrochenes Wachstum __400

[

EJ/a

] a *Excludes electricity trade.

**Other includes geothermal, solar, wind, heat, etc.

Quelle: IEA 2006, http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2006/key2006.pdf

IEA2006_Key-World-EnergyStatistics_82p.pdf

__750

[

EJ/a

]

( BAU) __500

[

EJ/a

]

Quelle: IEA 2006 http://www.iea.org/Textbase/speech/2006/mandil/Monterrey.pdf

Vortrag Mandil, Folie 2

UN 2002: Weltbevölkerung wächst noch auf ca. 11 G Menschen 2050: 9 Milliarden 2000: 6 Milliarden

BQuelle: Bundesinstitut für Bevölkerungsforschung (BiB) :

Bevölkerung -

FAKTEN – TRENDS – URSACHEN – ERWARTUNGEN (2004), Abb.33, p.74

Stahlerzeugung: Die Welt - Industrialisierung hat gerade erst begonnen

BQuelle:M. Rothenberg:“Traditionsbranche glänzend im Geschäft“, VDI-N Nr.42 /2005: 21.10.2005, p.21

2. Weltweite Beobachtungen CO2, Temperatur, Zuordnung

1.32

http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/graphics/mlo145e_thrudc04.pdf

Berichtsstand:Mitte 2005 update vom 2006_0130 http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/ sio-mlo.htm

Aktualisierte (2007-06) Links: hp of Mauna loa Observatory: http://www.mlo.noaa.gov/home.html

Aktuelle CO2 Daten: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

380 CO 2 Sättigung Heute 380 ppm 2006 360 320 280 240 200 0 400 800 CO 2 -Konzentration (ppm) 1750 160 600'000 500'000 400'000 300'000 Jahre vor heute 200'000 100'000 Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U

et al.

(2005) Science 310:1313 Vostoc ice core data: Petit JR

et al.

(1999) Nature 399:429 BQuelle: C.Körner :“Wälder als Kohlenstoffspeicher..“ http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2006F/Links_AKE2006F.htm#AKE2006F_05 0

Atmospheric CO2 on different time-scales

(b) CO2 concentration in

Antarctic ice cores

for the past millenium.

Recent atmospheric masurements (Mauna Loa) are shown forcomparison..

(a) Direct measurements of atmospheric CO2.

..Variations in atmospheric CO2 concentration on different time-scales..

(e)

Geochemically

inferred CO2 concentrations.

(d) CO2 concentration in the

Vostok

Antarctic ice core.

(c) CO2 concentration in the

Taylor Dome

Antarctic ice core.

Different colours represent results from different studies.

Quelle: IPCC_2001_TAR_TSFig.10a-d, p.40

beobachtete Klimafolgen

Zusammenfassung der wichtigsten Erfahrungen (2007) • • Global average

Air temperature

Updated 100-year linear trend of

0.74

[0.56 to 0.92]

o C

for 1906-2005 Larger than corresponding trend of

0.6

[0.4 to 0.8] o C for 1901-2000 ( TAR) • Average

Ocean temperature

increased to depths of at least 3000 m – ocean has absorbed 80% of heat added > seawater expansion and SLR • At

continental, regional, and ocean basin scales, numerous long-term changes in climate have been observed:

Changes in Arctic temperatures and ice ,

Widespread changes in precipitation amounts, ocean salinity , wind patterns

and aspects of extreme weather including droughts, heavy precipitation, heat waves and the intensity of tropical cyclones

SLR= sea level rise Quelle: IPCC- AR4-wg1, Vortrag Pachauri in Nairobi, 2007-0206

.311

Global mean temperatures are rising faster with time Warmest 12 years: 1998,2005,2003,2002,2004,2006, 2001,1997,1995,1999, 1990 ,2000

Quelle: IPCC-AR4-wg1 , Vortrag Pachauri in Nairobi, 2007-0206

Period Rate 50 0.128

0.026

100 0.074

0.018

Years

/decade

Klimaänderungen: Langfristperspektive

(rel. zu 1961-1990) Unsicherheit Jahr

BQuelle: C.D.Schönwiese (2207):“Der neue wissenschaftliche Sachstandsbereicht des IPCC“;

AKE2007F-Vortrag

, Folie 15

Ein Blick in die Stratosphäre

Global gemittelte Temperatur der Stratosphäre (16 - 24 km)

1 0,5

Anomalien 1960 - 2002 (relativ zu 1958 - 1977) und einige explosive Vulkanausbrüche

Agung(1963+1) Fernandia (1968+2) St. Augustine (1976)

Trend: - 1,9 °C

El Chichón (1982) 0 Pinatubo (1991+1) -0,5 -1 -1,5 -2 1960 1965 1970

BQuelle:

DPG2005_SyKE1.4Schoenwiese_CC-imIndustriezeitalter.ppt

1975 1980 1985

Zeit in Jahren Datenquelle: Angell, 2004

1990 1995 2000

1.35

Besonders beeindruckend: Rückgang der Gletscher

und der

arktischen Eisbedeckung

Gletscher-Schwund in den Alpen 1900 und 2000.

Aufnahme der Pasterzenzunge mit Großglockner (3798 m )

Gesellschaft für ökologische Forschung, Wolfgang Zängl, http://www.gletscherarchiv.de

BQuelle:DLR_Schumann200_Klimawandel.ppt

1979:

An image based on satellite data shows perennial ice cover in

1979

, when the

ice extended over the Arctic Ocean from edge to edge.

Since then the area of coverage has

decreased by 9% per decade 2003: A similiar image from 2003 dramatically shows reduced perennial ice cover.

Large areas of open ocean have appeared near Russia, Alaska and Canada.

Some climate models project, that the ice will be gone in summer by the end of the century.

Quelle: The Big Thaw“, National Geographic (2004), Heft 9, p.21;

.315 Arktisches Eis

Abschmelzen des arktischen Meereises zwischen 1979 und 2005

©National Snow and Ice Data Center Eindeutiger Trend: Seit Beginn der Satellitenbeobachtung hat die

Ausdehnung des Meereises drastisch abgenommen.

BQuelle: SpectrumDirekt SD790789 vom 1.10.2005, Bild 2 ; UrQuelle: National Snow and Ice Data Center

Vom Abschmelzen erfasstes Gebiet in Grönland, Vergleich 1992 (rosa) und 2005 (rot) Steffen und Huff, 2005

Der Grönland-Eisschild könnte statt in Jahrtausenden bereits in Jahrhunder ten abschmelzen. Die Folge wäre ein Meeresspiegelanstieg um 4 - 7 m.

.313 Meereshöhe Annual averages of the

global mean sea level

since 1870

mm

relative to the average for 1961 to 1990 Error bars are 90% confidence intervals.

a r econstructed sea level fields since 1870 (red) , tide gauge measurements since 1950 (blue) and

satellite altimetry since 1992 (black).

BQuelle: IPCC_AR4wg1_TechnicalSummary: Fig. TS.18, p.49, [Fig 5.13 ]

Ursache und Zuordnung

2.333

Der Strahlungsantrieb : „radiative forcing“

A process that alters the energy balance of the Earth - atmosphere system is known as a radiative forcing mechanism (1. IPCC-Report (1990), p. 41-68).

Radiative forcing

[ W/m 2 ] is

the change in the balance between radiation coming into

the atmosphere and radiation going out .

A

positive

radiative forcing tends on average to

negative warm

the surface of the Earth, and forcing tends on average to

cool

the surface.

Aktueller Stand AR4, (2007):

Die Klimaantriebe in ihrer zeitlichen Entwicklung

all GHG

__ Aerosol in Stratosphere)__ __solar _Aerosol

BQuelle: VGB-Beising (2006): Klimawandel und Energiewirtschaft-Literaturrecherche, p.115, Abb. 8.15 A

Ursachenzuordnung Aufgrund der vorliegenden (physikalischen) Klimamodell rechnungen ist die globale Erwärmung sehr wahrscheinlich* anthropogen. Für die letzten ca. 50 Jahre ist es sogar extrem unwahrscheinlich**, dass sie natürlich zustande gekommen ist.

(IPCC, 2007) ----------------------- * p > 90% **p < 5 % IPCC, 2007; Graphiken nach Pachauri, WGI Präs. 6.2.2007

Alle Antriebe Jahr Global gemittelte Temperaturanomalien Vulkanismus und Sonnenaktivität

Understanding and Attributing Climate Change

Continental warming

likely

shows a significant anthropogenic contribution over the past 50 years Quelle: IPCC-AR4-wg1 , Vortrag Pachauri in Nairobi, 2007-0206

Fazit:

1. Der

Temperaturanstieg

der letzten 50 Jahre kann global und regional auf den anthropogenen Einfluss zurückgeführt werden.

(heute viel deutlicher als noch beim TAR (2001)) 2. Menschlicher Einfluss wird heute (AR4) auch erkennbar

in anderen Klimabereichen

, u.a.: Erwärmung des Ozeans Temperatur - Extrema Windsystemen Quelle: IPCC-AR4-wg1 , Vortrag Pachauri in Nairobi, 2007-0206

3. KlimaModelle und Prognosen

McGuffie and Hendersson-Sellers, 1997 BezugsQuelle: Claussen: „Earth System Models of Intermediate Complexity“,IMPRS, 4.6.2003; www.pik-potsdam.de/~claussen/lectures/

2.34 Modelle Geographic resolution characteristic of climate Models

Quelle: IPCC-AR4-wg1 (2007), Figure 1.4

2.343

Governing Equations for AGCMs

V

t

 

V

 

V

  

V

p

f

k

V

   

D

M

momentum eq.

T

t

 

V

 

T

q

t

  

p

  

V

 

q

   

V

  

p

 

RT p

    

T p

 

T

p

  

Q rad c p

q

p

E

C

D q

Q con c p

D H

thermodynamic eq.

conservation of water vapor conservation of mass hydrostatic eq.

Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage: http://www.envsci.rutgers.edu/~broccoli/index.html

Governing Equations for AGCMs

V

t

 

V

 

V

  

V

p

f

k

V

   

D

M

T

t

 

V

 

T

q

t

  

p

  

V

 

q

   

V

  

p

 

RT p

    

T p

 

T

p

  

Q rad c p

q

p

E

C

D q

Q con c p

D H

These terms involve processes that occur on scales unresolved by the model.

Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage: http://www.envsci.rutgers.edu/~broccoli/index.html

Parameterization

• Parameterization: The representation of subgrid-scale phenomena as functions of the variables that are represented on the model grid.

• Goal is to make parameterizations physical, scale-independent, and nonempirical, but this goal is difficult to achieve.

Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage: http://www.envsci.rutgers.edu/~broccoli/index.html

What Processes Are Parameterized?

• Atmospheric radiative transfer (solar and longwave radiation) • Moist convective processes.

• Stable precipitation.

• Planetary boundary layer.

• Cloud formation and radiative interactions.

• Mechanical dissipation of kinetic energy.

Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage: http://www.envsci.rutgers.edu/~broccoli/index.html

2.344

IPCC2001_TAR1_TS-Box3

2.3531 Higher Temperatures

Understanding Near Term CC

Quelle:IPCC-AR4-wg1_TS, p.69, Fig.TS.26.

Corresponding uncertainties to the Projected Temperature Changes Uncertainties

as the relative probabilities of estimated global average warming

from several different AOGCM and EMIC studies

for the same periods.

Quelle:IPCC-AR4 wg1_TS, p.72, Fig. TS28 (nun vollständig)

4. Was bedeutet das für den Menschen

Aus dem „Stern Report“ der UK-Regierung:

Quelle: „Stern Report“, UK-Government:

http://www.hm-treasury.gov.uk/media/987/6B/Slides_for_Launch.pdf

5. Was tun

Ansatzpunkte zur Wende

• • •

1. CO2-freie Energiequellen Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (themisch, Strom) Kernenergie Geothermie , Generation IV ; Kernfusion (Oberflächennah, Tiefe Geothermie)

• • •

2. CO2 Sequester und GeoEngineering CCS, Storage: in geologischen Schichten, im Meer Eisendüngung zum Algenwachstum, Aufforsten Sulfat in die Stratoposhäre

• •

3. Rationelle Energieverwendung Gleiche Energiedienstleistung mit geringerem Energieeinsatz Höhere Wirkungsgrade bei Kraftwerken, Motoren etc.

• •

4. Verhaltensänderung Leben mit weniger Energiedienstleistungen, aus Knappheit oder Bescheidenheit Ernährung: „Weniger Fleisch“

Pflicht für jeden

Immer strebe zum Ganzen , und kannst Du selber kein Ganzes Werden, als dienendes Glied schließ an ein Ganzes Dich an

Spruch von JWG vom bescheidenen aber endlichen Beitrag eines Wasserträgers Quelle: J.W. Goethe: Gedichte, Herausgeber ErichTrunz, Verlag C.H. Beck. p.226 ; Urquelle:JWG: Distichon im Zusammenhang der Xenien entstanden, aber außerhalb des Xenien Zyklus veröffentlicht