Vortrag und Diskussion
35. Hochschultage Physik: Wetter, Klima und Klimawandel in Marburg
Klimawandel: Gestern, heute, morgen
Prof. Dr. Gerrit Lohmann
Alfred-Wegener-Institut Bremerhaven, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung
& Institut für Umweltphysik, Universität Bremen
Die Erforschung der natürlichen und menschgemachten Klimaänderungen ist ein Schwerpunkt der Klimaforschung. Das Klima hat sich immer verändert, aber eben meist ohne menschlichen Einfluss und auf sehr viel längeren Zeitskalen. Die Zunahme an Kohlendioxid in der Atmosphäre in den letzten 100 Jahren entspricht der Änderung zwischen Eis- und Warmzeiten. In dem Vortrag werde ich ein „Klimadilemma“ ansprechen: Die Aufzeichnungen direkter Temperaturmessungen sind kurz und fallen bereits in der Phase starken Einflusses des Menschen. Um den Ursachen des Klimawandels auf die Spur zu kommen, werden Klimaarchive in Eiskernen, Sedimentbohrkernen, und Korallen analysiert. Es zeigt sich, dass eine integrierte Herangehensweise mit statistischen Datenanalysen, Modellen und theoretischen Konzepten sehr vielversprechend ist. Neben den naturwissenschaftlichen Aspekten des Klimawandels gibt es eine ethische Dimensionen, auf die kurz eingegangen wird.
Ausführlicher Text:
Extremereignisse bringen die Klimaproblematik immer wieder in den Blickpunkt der Öffentlichkeit. Aber was ist dran an Prognosen und Szenarien des Klimawandels ? Der Mensch greift über seine vielfältigen Aktivitäten in die Atmosphäre ein und beeinflusst damit die Strahlungsbilanz. Das hat langfristig Folgen für das Klima, da sich die unteren Luftschichten und die Erdoberfläche erwärmen – was zum „anthropogenen“, vom Menschen angestoßenen Treibhaus-Effekt führt. Wie Messungen belegen, ist die CO2-Konzentration der Atmosphäre seit Beginn der industriellen Revolution rasant gestiegen. Lag er um 1800 noch bei etwa 280 ppm – also bei 280 CO2-Molekülen unter einer Million Luftteilchen -, so misst man heute bereits 405 ppm.
Hätte die Erde keine Atmosphäre, würde ihre Oberflächentemperatur allein von der Bilanz zwischen eingestrahlter Sonnenenergie und der vom Boden abgestrahlten infraroten Wärmestrahlung bestimmt und im globalen Mittel etwa minus 100 Grad Celsius betragen. Selbst eine Lufthülle aus reinem Sauerstoff und Stickstoff – den beiden Hauptbestandteilen der Atmosphäre – würde nur etwa minus 18 Grad Celsius auf der Erde geben. Doch bestimmte Spurengase, und so auch Kohlendioxid, absorbieren die von der Erdoberfläche ausgehende Wärmestrahlung und emittieren langwellige Strahlung zurück in Richtung Erdboden. Das führt zu einer zusätzlichen Erwärmung; deshalb beträgt die Temperatur der Erdoberfläche im globalen Mittel rund plus 15 Grad Celsius: Diesem natürlichen Treibhauseffekt ist es zu verdanken, dass es auf unserem Planeten überhaupt Leben gibt. In meinem Vortrag werde ich versuchen, die Klimadynamik aus physikalischer Sicht zu beleuchten. Dazu wird die zugrundeliegende Dynamik auf verschiedenen räumlich-zeitlichen Skalen analysiert. Da wir mit unserem Planeten nicht experimentieren können und wollen, lohnt sich der Blick auf die Erdvergangenheit und auf die Möglichkeiten, die sich uns durch Klimamodelle eröffnen.
Dass der Mensch für den CO2 Anstieg verantwortlich zeichnet, ist unstrittig. Eisbohrkerne aus der Antarktis (im Eis eingeschlossene Luftbläschen) zeigen, daß die CO2-Konzentration stets zwischen 180 und 300 ppm blieb. Während der letzten Eiszeit vor etwa 21,000 Jahren lag sie bei etwa 190 ppm, während der letzten Warmzeit vor 125.000 Jahren hingegen bei 290 ppm. Ein grundlegender Treiber für die Wechsel zwischen Eis- und Warmzeiten sind Änderungen in der Erdbahn um die Sonne und Rückkopplungen im System. Für das jetzige Klimasystem drängt sich die Frage auf, was man schon heute den starke Zuwachs der Treibhausgasen an Klimaänderungen beobachten kann. Da verschiedene Klimakomponenten sehr unterschiedliche Reaktionszeiten besitzen, spricht das Klima auf äußere Anstöße mit einer Verzögerung von einigen Jahrzehnten bis Jahrhunderten oder sogar Jahrtausenden an. Man darf also nicht davon ausgehen, dass wir heute schon die ganze zu erwartende Erwärmung beobachten können.
Am Ende des Vortrages gehe ich auf die Frage nach der Klimavariabilität und der Klimasensitivität ein. Wenn wir die Betrachtung der Brownschen Molekularbewegung aus der Thermodynamik auf das Klima übertragen, sehen wir, dass ein System, welches stark gedämpft ist und wenig Fluktuationen zeigt, auch weniger empfindlich auf Störungen reagiert (Fluktuation-Dissipationstheorem). Wir müssen ausserdem verstehen, wie sich die Klima- und Wetterextreme unter heutigen, zukünftigen und vergangenen Klima ändern. Dazu brauchen wir geeignete Daten und Modelle, und eine neue Sichtweise auf das Klimageschehen als Ganzes. Gibt es Instabilitäten und Extremereignisse im System? Mit unseren Klimamodellen haben wir das Klima für verschiedene Erwärmungsphasen durchgespielt. Sollte sich der Südliche Ozean weiter erwärmen, könnte dies die Stabilität des Westantarktischen Eisschildes empfindlich stören. Ein Anstieg des globalen Meeresspiegels um mehrere Meter wäre die Folge. Ein Kollaps der Westantarktis könnte sich auch in der letzten Warmzeit vollzogen haben, einer Zeit, in der die polare Oberflächentemperatur um etwa zwei Grad Celsius höher war als heute.
35. Hochschultage Physik: Wetter, Klima und Klimawandel in Marburg
Klimawandel: Gestern, heute, morgen
Prof. Dr. Gerrit Lohmann
Alfred-Wegener-Institut Bremerhaven, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung
& Institut für Umweltphysik, Universität Bremen
Die Erforschung der natürlichen und menschgemachten Klimaänderungen ist ein Schwerpunkt der Klimaforschung. Das Klima hat sich immer verändert, aber eben meist ohne menschlichen Einfluss und auf sehr viel längeren Zeitskalen. Die Zunahme an Kohlendioxid in der Atmosphäre in den letzten 100 Jahren entspricht der Änderung zwischen Eis- und Warmzeiten. In dem Vortrag werde ich ein „Klimadilemma“ ansprechen: Die Aufzeichnungen direkter Temperaturmessungen sind kurz und fallen bereits in der Phase starken Einflusses des Menschen. Um den Ursachen des Klimawandels auf die Spur zu kommen, werden Klimaarchive in Eiskernen, Sedimentbohrkernen, und Korallen analysiert. Es zeigt sich, dass eine integrierte Herangehensweise mit statistischen Datenanalysen, Modellen und theoretischen Konzepten sehr vielversprechend ist. Neben den naturwissenschaftlichen Aspekten des Klimawandels gibt es eine ethische Dimensionen, auf die kurz eingegangen wird.
Ausführlicher Text:
Extremereignisse bringen die Klimaproblematik immer wieder in den Blickpunkt der Öffentlichkeit. Aber was ist dran an Prognosen und Szenarien des Klimawandels ? Der Mensch greift über seine vielfältigen Aktivitäten in die Atmosphäre ein und beeinflusst damit die Strahlungsbilanz. Das hat langfristig Folgen für das Klima, da sich die unteren Luftschichten und die Erdoberfläche erwärmen – was zum „anthropogenen“, vom Menschen angestoßenen Treibhaus-Effekt führt. Wie Messungen belegen, ist die CO2-Konzentration der Atmosphäre seit Beginn der industriellen Revolution rasant gestiegen. Lag er um 1800 noch bei etwa 280 ppm – also bei 280 CO2-Molekülen unter einer Million Luftteilchen -, so misst man heute bereits 405 ppm.
Hätte die Erde keine Atmosphäre, würde ihre Oberflächentemperatur allein von der Bilanz zwischen eingestrahlter Sonnenenergie und der vom Boden abgestrahlten infraroten Wärmestrahlung bestimmt und im globalen Mittel etwa minus 100 Grad Celsius betragen. Selbst eine Lufthülle aus reinem Sauerstoff und Stickstoff – den beiden Hauptbestandteilen der Atmosphäre – würde nur etwa minus 18 Grad Celsius auf der Erde geben. Doch bestimmte Spurengase, und so auch Kohlendioxid, absorbieren die von der Erdoberfläche ausgehende Wärmestrahlung und emittieren langwellige Strahlung zurück in Richtung Erdboden. Das führt zu einer zusätzlichen Erwärmung; deshalb beträgt die Temperatur der Erdoberfläche im globalen Mittel rund plus 15 Grad Celsius: Diesem natürlichen Treibhauseffekt ist es zu verdanken, dass es auf unserem Planeten überhaupt Leben gibt. In meinem Vortrag werde ich versuchen, die Klimadynamik aus physikalischer Sicht zu beleuchten. Dazu wird die zugrundeliegende Dynamik auf verschiedenen räumlich-zeitlichen Skalen analysiert. Da wir mit unserem Planeten nicht experimentieren können und wollen, lohnt sich der Blick auf die Erdvergangenheit und auf die Möglichkeiten, die sich uns durch Klimamodelle eröffnen.
Dass der Mensch für den CO2 Anstieg verantwortlich zeichnet, ist unstrittig. Eisbohrkerne aus der Antarktis (im Eis eingeschlossene Luftbläschen) zeigen, daß die CO2-Konzentration stets zwischen 180 und 300 ppm blieb. Während der letzten Eiszeit vor etwa 21,000 Jahren lag sie bei etwa 190 ppm, während der letzten Warmzeit vor 125.000 Jahren hingegen bei 290 ppm. Ein grundlegender Treiber für die Wechsel zwischen Eis- und Warmzeiten sind Änderungen in der Erdbahn um die Sonne und Rückkopplungen im System. Für das jetzige Klimasystem drängt sich die Frage auf, was man schon heute den starke Zuwachs der Treibhausgasen an Klimaänderungen beobachten kann. Da verschiedene Klimakomponenten sehr unterschiedliche Reaktionszeiten besitzen, spricht das Klima auf äußere Anstöße mit einer Verzögerung von einigen Jahrzehnten bis Jahrhunderten oder sogar Jahrtausenden an. Man darf also nicht davon ausgehen, dass wir heute schon die ganze zu erwartende Erwärmung beobachten können.
Am Ende des Vortrages gehe ich auf die Frage nach der Klimavariabilität und der Klimasensitivität ein. Wenn wir die Betrachtung der Brownschen Molekularbewegung aus der Thermodynamik auf das Klima übertragen, sehen wir, dass ein System, welches stark gedämpft ist und wenig Fluktuationen zeigt, auch weniger empfindlich auf Störungen reagiert (Fluktuation-Dissipationstheorem). Wir müssen ausserdem verstehen, wie sich die Klima- und Wetterextreme unter heutigen, zukünftigen und vergangenen Klima ändern. Dazu brauchen wir geeignete Daten und Modelle, und eine neue Sichtweise auf das Klimageschehen als Ganzes. Gibt es Instabilitäten und Extremereignisse im System? Mit unseren Klimamodellen haben wir das Klima für verschiedene Erwärmungsphasen durchgespielt. Sollte sich der Südliche Ozean weiter erwärmen, könnte dies die Stabilität des Westantarktischen Eisschildes empfindlich stören. Ein Anstieg des globalen Meeresspiegels um mehrere Meter wäre die Folge. Ein Kollaps der Westantarktis könnte sich auch in der letzten Warmzeit vollzogen haben, einer Zeit, in der die polare Oberflächentemperatur um etwa zwei Grad Celsius höher war als heute.
Material
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Hintergrundinformation aus den letzten beiden IPCC Berichten:
Deutsche Zusammenfassung, Kernaussagen 2013
Deutsche Zusammenfassung 2007; Deutsche Version 2007
Annex II: Climate System Scenario Tables
Annex III: Glossary
Annex IV: Acronyms
- Warum gibt es Eiszeiten? Woher weiß man, wie die Temperatur auf der Erde vor vielen tausend Jahren war?
- Klimamodelle: Wie funktionieren die? (IPCC2013) (Presse zu Kopenhagen) (Folien)
- Abrupte Klimaänderungen (link) (paper) (siehe auch IPCC Report; Von Heinrich Ereignissen bis El Nino Oszillationen)
- Folgen des Klimawandels
- Klimaprojektionen (siehe im IPCC Bericht Kapitel 10,11,12), woher kommen die Annahmen über die zukünftige Entwicklung? (link)
- Klimawandel und Extremereignisse (link1) (link2)
- Eine “grüne” Sahara vor 6000 Jahren, gab es die? (link1, link2)
- Klimaveränderungen und Meeresspiegelanstieg - Eine Analyse vorliegender Beobachtungen und Modellergebnisse, (link1)
- Auftauen im Permafrost
- Klimawandel und Landwirtschaft
- Tourismus und Klimawandel
- Wasser und Klimawandel
- Planktonforaminiferen, was ist das, und helfen die uns das Klima besser zu verstehen? (Siehe auch Kapitel 5 im IPCC report)
- Klimakurven der letzten 300.000 Jahre: Messungen von stabilen Isotopen planktischer Foraminiferen als Schlüssel zum Verständnis des Klimas
- Coccolithophoriden als Umweltarchive: Helfen die uns das Klima besser zu verstehen?
- Meteorologische Interpretation geologischer Daten - neue Wege in der Paläoklimaforschung. weiteres Material: Daten-Modellvergleich
- Ozeanversauerung, wie ist der PH-Wert des heutigen Ozeans? , Karbonatlösung im Ozean
- Klimageschichte Mitteleuropas, von Rekordweinernten bis zu katastrophalen Hochwasserereignissen
- Wie ist die Temperaturgeschichte der letzten 2000 Jahre und welchen Einfluß hatte sie auf den Menschen?
- Metapherbildung in der Wissenschaft, Beispiel Förderband (link) (paper)
- Streit um die mittelalterliche Warmzeit, „Hockeyschläger“-Kurve, “Natürliche” und “Mensch gemachte” Klimaveränderungen
- Ethische Aspekte vom Klimawandel
- Kommunikation von Klimaänderungen (sind Klimamodelle verlässlich?, Gibt es Klimafakten?, sogenannte Klimaskeptiker und -alarmisten),
- Klimaskeptiker und EXXON, Smoke, Mirrors & Hot Air
- Blogs als Kommunikationsmittel (realclimate, KlimaLounge, Klimazwiebel, Zukunftsblog), (top ten)
- Global climate engineering, ist das die Lösung? (link)
- oder CO2 Speicherung?
- "Statistische Sprache" im IPCC Bericht (Material unten)
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Hintergrundinformation aus den letzten beiden IPCC Berichten:
Deutsche Zusammenfassung, Kernaussagen 2013
Deutsche Zusammenfassung 2007; Deutsche Version 2007
- Introduction
- Observations: Atmosphere and Surface
- Observations: Ocean
- Observations: Cryosphere
- Information from Paleoclimate Archives
- Carbon and Other Biogeochemical Cycles
- Clouds and Aerosols
- Anthropogenic and Natural Radiative Forcing
- Evaluation of Climate Models
- Detection and Attribution of Climate Change: from Global to Regional
- Near-term Climate Change: Projections and Predictability
- Long-term Climate Change: Projections, Commitments and Irreversibility
- Sea Level Change
- Climate Phenomena and their Relevance for Future Regional Climate Change
Annex II: Climate System Scenario Tables
Annex III: Glossary
Annex IV: Acronyms