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Artikel

Wissenschaft zum Klimawandel

Einführung

Der Klimawandel ist ein besonders schwieriges Problem für die Menschheit. Das Phänomen hat drei Aspekte, die es so machen.

Erstens, um die Auswirkungen des Klimawandels zu mildern, müssen wir jetzt Maßnahmen ergreifen, um potenziell katastrophale Auswirkungen zu vermeiden, die weit in der Zukunft auftreten würden - sicherlich weit genug, um über die politischen, wirtschaftlichen und Verhaltens-Zeitvorgaben hinauszugehen, auf die unsere Gesellschaft ausgerichtet ist.

Zweitens, sollten diese Auswirkungen eintreten, würde dies bedeuten, dass unsere Minderungsbemühungen fehlten, und zu diesem Zeitpunkt wäre es zu spät, um etwas dagegen zu unternehmen. Die Trägheit der ozeanischen, atmosphärischen, kryosphärischen, biologischen und chemischen Systeme der Erde führt dazu, dass der Klimawandel erst einmal in Gang kommt, wenn wir einmal einen "gefährlichen" Klimawandel vollzogen haben.

Drittens werden diese beiden Wahrheiten mit einer gewissen Unsicherheit über den Zeitpunkt und den Schweregrad der Veränderungen gespickt, denen wir möglicherweise ausgesetzt sind. Das hat alles mit der "Klimasensitivität" der Erde zu tun - wie sie als System auf die verschiedenen Kräfte reagieren wird, denen sie ausgesetzt ist.

Trotz einiger Ungewissheit bezüglich der Schwere der Temperaturreaktion auf eine bestimmte Einspritzung von Kohlendioxid und anderen Treibhausgasen in die Atmosphäre, besteht der Konsens:

  • Das Klima der Erde hat sich im Laufe der Zeit von Tausenden von Jahren bis Jahrtausenden immer verändert. das neben natürlichen forcings.
  • Treibhausgase aus menschlicher Aktivität erwärmen die Welt.
  • Es sind Anstrengungen erforderlich, um die Emissionen zu reduzieren und sich an die Änderungen anzupassen, die von den bereits in die Atmosphäre injizierten Gasen eintreten.

Klimawissenschaft

Es gibt eine Vielzahl von Kräften, entweder innerhalb oder außerhalb des Erdsystems, die das Klima beeinflussen können, d. H. Die über einen Zeitraum von etwa 30 Jahren herrschenden Wetterbedingungen in einem Gebiet.

Das Klima unterscheidet sich je nach Lage auf der Erdoberfläche deutlich und ist zum Teil auf die Umverteilung der Sonnenstrahlung vom Äquator hin zu den Polen zurückzuführen.

Klima ist keine statische Einheit. Während das Wetter von Tag zu Tag und von Jahr zu Jahr unterschiedlich sein kann, wird sich das Klima eines bestimmten Gebiets über längere Zeiträume ändern. Belege dafür finden sich an verschiedenen Stellen - beispielsweise Temperatur-, Regen- und Winddaten.

Wenn Forscher daran interessiert sind, sich weiter über das Klima zu informieren, als dies in schriftlichen Aufzeichnungen beschrieben ist, können Proxy-Methoden verwendet werden, um auf klimatische Bedingungen zu schließen.

Baumringe (Dendrochronologie) können verwendet werden, um eine jährliche Aufzeichnung (einen neuen Ring pro Jahr) des Klimas in einem bestimmten Gebiet zu liefern (breitere Ringe zeigen wärmere Jahre an).

In Bodenschichten gefundener Pollen kann Aufschluss darüber geben, um welche Art von Vegetation es sich in einer bestimmten Periode handelt, und damit auch die Bedingungen, unter denen diese Vegetation wachsen konnte.

Gaswerte in Eiskernen können einen Hinweis auf die Zusammensetzung der Atmosphäre geben, auch bezogen auf das Jahr (neue Eisschichten bilden sich Jahr für Jahr, wenn sich Schnee und Eis im Zentrum der Eisplatten ansammeln). Es gibt viele weitere Methoden.

Mithilfe solcher Stellvertreter konnten die Forscher das historische Klima und die Unterschiede zwischen den verschiedenen Zeiträumen erfassen.

Ein Rhythmus des Klimawandels wird durch die Umlaufbahn der Erde um die Sonne festgelegt. Milankovitch-Zyklen, benannt nach Milutin Milankovitch, einem serbischen Astronomen und Mathematiker, dem das Phänomen quantifiziert wurde, beziehen sich auf die Bewegung der Erde um die Sonne im Weltraum. Die Neigung der Erde variiert mit der Zeit sowie das Ausmaß, in dem sie auf ihrer Achse wackelt. Grundsätzlich ändert sich die Form der Umlaufbahn (Exzentrizität) im Laufe der Zeit - von kreisförmiger zu elliptischer.

Diese Orbitalveränderungen beeinflussen die Menge der Sonnenstrahlung, die die Erde erreicht, und bestimmen das Tempo der Gletscher- und Zwischeneiszeiten in der Klimageschichte der Erde auf einen Zeitraum von 100.000 Jahren. Die Erde ist von eisfreien Zeiten (Interglazialen) zu ausgedehntem Eis (Gletscher) übergegangen, und es wird vermutet, dass diese Orbitalveränderungen die Veränderungen zwischen diesen beiden Zuständen auslösen.

Diese sehr langfristigen Impulse haben zusätzlich kurzfristige Schwankungen zur Folge, die sich auf kürzere Zeiträume auf das Klima auswirken und mit anderen Phänomenen zusammenhängen. Gegenwärtig befindet sich die Erde in einer relativ stabilen Klimazone, die als Holozän bekannt ist und vor 12.000 Jahren begann - Teil des heutigen Interglazials. Andere natürliche Faktoren haben jedoch das Klima in dieser Zeit beeinflusst.

Das Strahlungsgleichgewicht an und um die Erdoberfläche kann durch Kräfte entweder außerhalb oder innerhalb des Erdsystems beeinflusst werden.

Sonnenflecken

Äußerlich variiert beispielsweise die Sonnenleistung aufgrund von Sonnenflecken, und dies beeinflusst die Menge der kurzwelligen Strahlung, die von der Sonne zur Erde gelangt.

Vulkane

Vulkanausbrüche sind ein klassisches Beispiel, diesmal das Ergebnis des geologischen Systems, einer inneren Kraft, die die Strahlungsmenge beeinflusst, die die Erdoberfläche erreicht. Das Strahlungsgleichgewicht der Erde wird durch die Zusammensetzung der in die Atmosphäre austretenden Chemikalien und Partikel beeinflusst. Die globalen Temperaturen werden für einige Jahre nach einem großen Ausbruch um bis zu einem halben Grad fallen, da Sulfat-Aerosole einen größeren Teil der Erdstrahlung in den Weltraum reflektieren. Vulkane stoßen auch Treibhausgase aus, jedoch auf einem viel niedrigeren Niveau als der Beitrag menschlicher Aktivitäten.

Wolken

Wolken wirken sich auch auf die Strahlungsbilanz der Erde aus. Sie reflektieren nicht nur die kurzwellige Strahlung der Sonne, sondern absorbieren auch langwellige Strahlung von der Erdoberfläche. Es wird angenommen, dass Wolken insgesamt einen Nettoabkühlungseffekt haben, aber wie sich dies in der Zukunft mit Änderungen des atmosphärischen Wasserdampfgehalts und Änderungen der Wolkenmenge und -verteilung ändern wird, ist ein komplexes Problem.

Treibhausgase

Obwohl die Venus im doppelten Abstand von der Sonne umkreist als ihr Nachbar Merkur, hat Venus eine viel höhere durchschnittliche Oberflächentemperatur - weil sie eine Atmosphäre hat; eine, die weitgehend aus Kohlendioxid besteht.

Die Venus ist ein Beispiel für einen Planeten, der eine globale Erwärmung erlebt hat. Während die Temperatur auf Quecksilber 426 ° C auf der Sonnenseite erreicht, im Schatten jedoch auf -173 ° C fällt, bleibt die Venus bei 462 ° C, egal wo sie sich befindet. Das atmosphärische Kohlendioxid der Venus absorbiert die langwellige Strahlung von der Oberfläche des Planeten und gibt sie wieder ab, verhindert, dass dieser in den Weltraum entweicht und so die Atmosphäre erwärmt.

Die Theorie rund um den atmosphärischen Treibhauseffekt gibt es seit den 1800er Jahren. Die Arbeit von Joseph Fourier im Jahr 1824 und dann von John Tyndall im Jahr 1864 half zuerst zu zeigen, dass die Erdatmosphäre langwellige Strahlung einfängt und so den Planeten erwärmt, und dass es einige Gase gibt, die dies effektiver machen als andere.

Der schwedische Physiker Svante Arrhenius nutzte später Beobachtungen der Infrarotabsorption, um die Auswirkungen einer Verringerung des Kohlendioxidgehalts in der Erdatmosphäre abzuschätzen. Er schätzte, dass die Halbierung der atmosphärischen Zusammensetzung von Kohlendioxid nicht den Beginn einer Eiszeit auslösen würde. Wichtig ist jedoch, dass eine Verdoppelung des Kohlendioxidgehalts der Atmosphäre den Planeten um insgesamt 5-6 ° C erwärmen würde. Diese Schätzung liegt im Bereich der Erwärmung, die von modernen Klimamodellen vorhergesagt wird.

Die Menschheit stellt diese Theorien derzeit auf die Probe, indem sie ein planetarisches Experiment durchführt, bei dem Treibhausgas in immer größeren Mengen in die Atmosphäre injiziert wird.

Heute gelangen alle 24 Stunden durch menschliche Aktivitäten 110 Millionen Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre. Die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre hat Anfang dieses Jahres 400 Teile pro Million (ppm) erreicht und setzt ihren Aufwärtstrend fort. Diese Konzentration hat vor der industriellen Revolution von etwa 280 ppm zugenommen. Einige haben argumentiert, dass wir diesen Wert tatsächlich auf unter 350 ppm senken mussten, um irreversible und katastrophale Klimaveränderungen zu vermeiden.

Obwohl es das am häufigsten vorkommende Treibhausgas im Zusammenhang mit menschlichen Aktivitäten ist, ist Kohlendioxid nicht das einzige. Methan ist weitaus wirksamer als Lachgas, FCKW und sogar Wasserdampf.

Diese Gase werden aufgrund ihres globalen Erwärmungspotentials (GWP) mit Kohlendioxid verglichen, wobei Kohlendioxid ein GWP von 1 hat. Methan hat über 20 Jahre in der Atmosphäre ein GWP von 86 und über 100 Jahre 34 (der Zeithorizont wirkt) über die Wirksamkeit des Gases in Bezug auf Kohlendioxid). FCKW sind ebenfalls sehr potente Treibhausgase, werden jedoch im Vergleich zu Kohlendioxid und Methan in relativ geringen Mengen in die Atmosphäre freigesetzt.

Mit dem Fokus auf Kohlenstoff bewegt sich der natürliche Kohlenstoffkreislauf aufgrund der natürlichen Prozesse in verschiedenen Zuständen um die Erde. Der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre variiert im Laufe des Jahres, wenn die Pflanzenwelt der Erde über Wachstums- und Zerfallszyklen ein- und ausgeht. Der Mensch nimmt jedoch Kohlenstoff, der seit langem weggesperrt ist, aus dem System heraus und wandelt ihn mit einer Geschwindigkeit um, die die Erde noch nie zuvor gesehen hat - auf ein Niveau, das in den letzten Millionen Jahren nicht zu sehen war.

Beobachtete Temperaturänderungen über die gesamte Erdoberfläche von 1901 bis 2012. (Quelle: IPCC)

Wir haben ein Klimasystem, das auf eine Vielzahl natürlicher und jetzt auch anthropogener Kräfte reagiert. Beide Seiten werden das zukünftige Klima beeinflussen.

Anthropogene Wirkungen

Erste Anzeichen anthropogener Wirkungen wurden bereits gesehen. 14 der letzten fünfzehn Jahre brachen die Temperaturrekorde der Welt. Nach dem, was einige als "Pause" bei der Erwärmung der Oberflächentemperatur bezeichneten (Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ozeane der Welt während des Zeitraums mehr Wärme absorbierten), wurde das Jahr 2014 zum wärmsten Jahr der US National Oceanic gekrönt Atmosphärische Verwaltung. Der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderung (IPCC) schätzt die Erwärmung um 0, 85 ° C von 1880 bis 2012.

Einige argumentieren auch, dass aktuelle extreme Wetterereignisse ein Ergebnis des Klimawandels sind. Im August 2015 wurden erstmals drei Hurrikane der Kategorie 4 gleichzeitig über dem Pazifischen Ozean aufgezeichnet. Große Hitzewellen sind in diesem Jahr in Indien und Pakistan aufgetreten. Kalifornien erlebt eine lang anhaltende Dürre. Wüstenbildung ist ein wachsendes Problem. Der ehemalige US-Vizepräsident Al Gore sagte im September 2015 in London: „Jeden Tag ist die Nachricht wie eine Naturwanderung durch das Buch der Offenbarung.“

Computer-Klimamodelle werden verwendet, um den zukünftigen Klimawandel vorherzusagen (obwohl einige von ihnen kritisiert werden, vielleicht zu genau). Durch Metaanalysen wird eine Reihe von Modellvorhersagen für Forscher ermittelt, um ein Durchschnittsbild darüber zu erhalten, wie sich das Klima in der Zukunft verändern kann.

Klimamodelle können auch verwendet werden, um vergangene Klimaveränderungen zu verhindern. Wie das IPCC in der Vergangenheit und in seinem jüngsten Bewertungsbericht (AR5) festgestellt hat, können Modelle die beobachteten Temperaturänderungen, die seit 1951 beobachtet wurden, wenn die Modelle allein mit Naturkräften und internen Variationen hochgefahren sind, nicht replizieren. Nur wenn Modelle anthropogenes Treiben berücksichtigen, stimmen sie mit dem beobachteten Rekord überein (obwohl es in den letzten Jahren zu Abweichungen gekommen ist, weil die Modelle Probleme mit der Vorhersage chaotischer Ereignisse haben).

Es herrscht Einigkeit darüber, dass sich das Klima ändert, dass der Mensch nun der dominierende Faktor bei dieser Veränderung ist und dass wir uns aufgrund der bereits ausgestoßenen Treibhausgase in einer gewissen Erwärmung befinden. Aufgrund der Komplexität der chaotischen Systeme der Erde ist es jedoch ungewiss, wie sie auf diesen Zwang reagieren wird.

Klimaempfindlichkeit

Eine Reihe von umfassenden Klimamodellen für die Zirkulation des Ozeans und der Atmosphäre werden von verschiedenen Organisationen verwendet, um zukünftige globale Klimaverlaufbahnen zu modellieren. Diese können Ergebnisse wie Temperatur, Niederschlag oder Meereisausdehnung in bestimmten Gebieten betrachten und globale Durchschnittstemperaturpfade erzeugen.

Unterschiedliche Modelle weisen unterschiedliche Parameter auf. Daher kann es zu einer Reihe von Ergebnissen kommen, die beispielsweise vom zugrunde liegenden Szenario der Emissionen und dem Zeitpunkt des Zeitpunkts, zu dem die Emissionssenkungen stattfinden, auftreten können.

Für die Auswirkungen des Klimawandels ist es entscheidend, wie die Erde auf Treibhausgase reagiert - oder auf das Niveau der "Klimasensitivität" der Erde. Dies kann ausgedrückt werden als das Niveau einer eventuellen globalen durchschnittlichen Temperaturerhöhung, die bei einem bestimmten Anstieg des Kohlendioxids in die Atmosphäre auftritt. Eine Verdoppelung von Kohlendioxid gegenüber vorindustriellen Werten (280 ppm) wird zum Vergleich der Modellantworten verwendet.

Die Klimasensitivität ist unsicher. Es ist fast sicher nicht unter 1 ° C für eine Verdoppelung von Kohlendioxid und es ist unwahrscheinlich, dass es über 6 ° C liegt. Das IPCC hat in seinen jüngsten Berichten seinen Wortlaut zur Klimasensitivität leicht geändert, und in AR5 sagt man mit mittlerer Zuversicht, dass es wahrscheinlich zwischen 1, 5 ° C und 4, 5 ° C liegen wird. Ziemlich große Temperaturunterschiede und damit verbundene Auswirkungen.

Änderung der globalen mittleren Oberflächentemperatur im Vergleich zu 1986–2100 für zwei IPCC-Szenarien - Rot steht im Wesentlichen für das übliche Geschäft, während das blaue Szenario Emissionsmaßnahmen darstellt. Die schattierten Bereiche repräsentieren die Unsicherheit rund um die Projektionen der zahlreichen Klimamodelle, die die Kurven erzeugt haben. (Quelle: IPCC)

Rückmeldungen und das 2 ° C-Ziel

Das Phänomen der Rückkopplungen im Klimasystem ist enorm wichtig, wenn es um Klima- und Umweltveränderungen geht.

Negative Rückkopplungen dämpfen im Allgemeinen die Wirkung eines Anfangsstimulus und können einen bestimmten Trend umkehren. Das Problem bei vielen klimabezogenen Rückkopplungen ist, dass sie weitgehend positiv sind. Sie wirken, um den Effekt, der bereits im Gange war, zu verstärken und zu verstärken, wodurch die anfängliche Richtung des Wandels beeinflusst und verstärkt wird. Die Unsicherheit darüber, welche Rolle Rückkopplungen beim Klimawandel spielen werden, ist ein Grund für die Bandbreite der Schätzungen der Klimasensitivität.

Einige gute Beispiele für Rückkopplungen des Klimas finden sich in der oberen nördlichen Hemisphäre, in der Arktis.

Schmelzendes Eis

Der Albedo-Effekt ist eins. Sie bezieht sich auf die Menge der kurzwelligen Strahlung, die von einer bestimmten Erdoberfläche reflektiert wird. Leichtere Oberflächen wie Schnee und Eis reflektieren die Strahlung zurück in die Atmosphäre und wirken so, dass die Umgebung kühler wird. Dunklere Oberflächen absorbieren Wärme und erwärmen die Umgebung.

Da das arktische Meereis und das Eis an Land, beispielsweise am Rande Grönlands, aufgrund der steigenden Temperaturen in der Arktis schmilzt, wird das dunkle darunterliegende Meer oder das dunkle Land freigelegt. Dies führt zu einer weiteren lokalen Erwärmung, die den ursprünglichen Reiz verstärkt.

Die rapide Abnahme der arktischen Meereisausdehnung in den letzten 30 Jahren hat viele überrascht und ist zum Teil ein Ergebnis dieser Rückmeldung. Schätzungen, wann die Arktis frei von Meereis sein wird, wurden erheblich nach vorne gebracht (was sich dann wiederum auf das Klimasystem auswirkt).

Frisches Wasser

Weitere Rückmeldungen gibt es zuhauf. Die Injektion von mehr Süßwasser in das arktische Meer als Folge dieser Schmelze könnte die thermohaline Zirkulation des Ozeans stören, die Wärme auf der ganzen Welt verteilt und somit klimatische Auswirkungen hat.

Beim Schmelzen von Permafrost könnten riesige Mengen an Methan in die Atmosphäre freigesetzt werden - eindeutig keine gute Sache. Das grönländische Eisschild könnte einen Schmelzpunkt erreichen, an dem interne Kryosphärenmechanismen ausgelöst werden, die zu einem vollständigen, unaufhaltsamen Zusammenbruch führen und zu einem Anstieg des globalen Meeresspiegels um 7 m führen.

Dies sind die Dinge, die angesprochen werden, wenn Menschen über irreversiblen, gefährlichen und unkontrollierbaren Klimawandel sprechen. Und wie bereits erwähnt, heißt es in der Theorie, dass das Klimasystem der Erde, sobald bestimmte „Wendepunkte“ überschritten sind, in einen alternativen permanenten Zustand übergehen könnte, der dem gegenwärtigen Leben auf der Erde abträglich sein könnte.

Die Klimasensitivität ist daher von grundlegender Bedeutung dafür, ob wir uns möglicherweise an die Folgen der von uns emittierten Treibhausgase anpassen können und ob sie uns ausgesetzt sind, ob wir möglicherweise Umweltkatastrophen ausgesetzt sind.

Dies hat zu dem bekannten Ziel geführt, die Erwärmung gegenüber vorindustriellen Temperaturen auf einen Anstieg um 2 ° C zu begrenzen, um einen „gefährlichen“ Klimawandel zu vermeiden. Dies wurde in den 1990er Jahren als angemessenes Ziel festgelegt, aber viele haben später argumentiert, dass dies noch erhebliche Auswirkungen haben wird.

Viele in der Klimagemeinschaft halten es jetzt für unrealistisch, unter 2 ° C zu bleiben, da die CO2-Emissionen, unter denen wir uns wie üblich befinden, "eingesperrt" sind. Das IPCC sagt, es sei wahrscheinlich, dass 450 ppm Kohlendioxid 2 ° C entsprechen würden, aber andere meinen, dass wir 400 ppm nicht überschreiten sollten (was früher in diesem Jahr erreicht wurde) oder sogar 350 ppm.

Wie viel mehr Kohlenstoff können wir emittieren?

In AR5 legte das IPCC zum ersten Mal ein "Kohlenstoff-Budget" vor - die Menge an Kohlenstoff, die wir noch abgeben können, und hält eine angemessene Chance (66%), unter 2 ° C zu bleiben. Unter Berücksichtigung anderer Erwärmungsfaktoren wurden insgesamt 800 Milliarden Tonnen Kohlenstoff zusätzlich zum vorindustriellen Niveau eingesetzt. Wir haben bereits rund 530 Milliarden Tonnen emittiert, was bedeutet, dass rund zwei Drittel des Budgets aufgebraucht sind. Bei den aktuellen Emissionsraten werden wir das Budget in 25 Jahren sprengen.

In AR5 wird auch auf die Bedeutung kumulierter Emissionen hingewiesen - dh aus Gesamtgesichtspunkten ist es besser, einer Emissionsreduktion zu folgen, bei der in früheren Jahren steilere Einschnitte vorgenommen wurden als in der letzten Minute, da die Nettoverringerung viel größer wäre .

Das Überschießen von Kohlendioxidzielen und die anschließende Entfernung von Kohlenstoff aus der Atmosphäre ist eine Option, aber Geoengineering-Techniken werden mit Argwohn betrachtet und werden von vielen als schlechte Idee verhöhnt. Das IPCC prüft jedoch die "Plan B" -Option, Biomasse in Kraftwerken zu verbrennen und dann den Kohlenstoff zu sammeln und zu speichern, um negative Emissionen zu erzeugen.

Unter 2 ° C zu bleiben, wird als große Herausforderung angesehen. Das IPCC sagt, dass wir dafür rasch eine erhebliche zusätzliche Menge an CO2-armer Energieerzeugung einsetzen und die CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) schnell nachweisen müssen. Bioenergie und CCS (BECCS) können dann eine Rolle spielen. Die meisten IPCC-2 ° C-Szenarien verfügen über eine Art BECCS-Element.

Der anthropogene Klimawandel ist in der Tat ein detailliertes und schwieriges Problem, aber was liegt dem zugrunde? Ist es Ausdruck eines tiefen Teils des menschlichen Verhaltens, in dem der individuelle Kurzfristismus immer über kollektives Handeln triumphiert? Das ist sicherlich ein Grund, warum wir uns in dieser Situation befinden.

Aber gemeinsam ergreifen wir Maßnahmen, indem wir kohlenstoffarme Energielösungen und Maßnahmen zur Entwaldung vorantreiben. Wir haben einen angeborenen Wunsch, empfindliche Ökosysteme und gefährdete Arten zu schützen.

Der Tatbestand ist klar. Die Herausforderung ist groß, aber ein positives Ergebnis ist möglich. Unsere Lebensweise hängt davon ab.


Dieser Artikel wurde geschrieben von - Marc Höhe 11:12, 04 Dez 2015 (BST)

Erstmals in der November-Ausgabe von Energy World veröffentlicht.

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