Klima-Modelle & Einfluss der Sonne

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Klima-Modelle & Einfluss der Sonne

Klima-Modelle &

Einfluss der Sonne

Max Camenzind

Senioren Uni

Würzburg @WS2013


Recap: Paläoklima Eiszeitzyklen

Daten (Climate4you) : Vostok Eisbohrkerne aus der Antarktis

Typische Dauer der Eiszeit: 100.000 Jahre

Typische Dauer der Warmzeit: 10.000 – 12.000 Jahre

Alle 4 früheren Warmzeiten waren um 1 – 3° C wärmer!


Ende der Eiszeit

T nimmt ab

CO2 steigt


CO2 hinkt Temperaturentwicklung ~ 200 Jahre nach

Pedro et al. 2012


Themen II I

Klima-Prozesse – die mittlere Temperatur und

der Treibhauseffekt – Treibhausgase CO2, CH4

• Das Lorenz-System als Modell der Konvektion

deterministisches Chaos und Lorenz-

Attraktor abrupte Übergänge + Relaxation;

• Der Sonnenfleckenzyklus und das Klima;

Klima-Modelle und räumliche Auflösung;

• Der IPCC5 Bericht von 2013, Working Group I

• Dansgaard-Oeschger Ereignisse und die bipolare

Klimaschaukel abrupte Temperaturänderung


Das Klimasystem der Erde

Hydrosphäre

http://www.sk-zag.de/


Das Klimasystem der Erde

• 1. Sonneneinstrahlung: Energiequelle des Klimas;

• 2. Atmosphäre: Strahlungsbilanz,

Treibhauseffekt, Transport von Wärme und

Stoffen;

• 3. Hydrosphäre: Transport von Wärme und

Spurenstoffen, Wärmereservoir;

• 4. Kryosphäre: jede Form von Eis, bestimmt

Albedo des Planeten;

• 5. Pedosphäre (Böden): Als Pedosphäre wird die

Bodendecke auf der Erde bezeichnet.

• 6. Biosphäre: Vegetation, marine Organismen,

Verteilung von Stickstoff, Sauerstoff, Methan, CO2


Klima-Elemente & Klima-Prozesse


Klima-Elemente & Klima-Prozesse

Nach T. Stocker, Vorlesung Uni Bern 2008


Sonneneinstrahlung & Albedo von Eis und Ozean

Sonneneinstrahlung

100 %

Reflected

85%

Sonne

100 %

Reflected

7%

Eis / Schnee

Absorbieren 15%

• Erwärmung weniger Eis mehr offenes Wasser

Erwärmung Wasser mehr Eisabbau usw.


Sonnenspektrum -

~Schwarzkörper @ 5770 K

Einfallendes Sonnenspektrum

5700 K Schwarzkörper

Strahlung auf Meereshöhe


Strahlungsgleichgewicht der Erdatmosphäre

ohne Treibhauseffekt

Sonnenstrahlung

s T S

4

Terrestrischer

Strahlungsfluss

S ~ s T E

4

Erd-

Scheibe

Sonne

Erde

E in

E out

T E

S 0

1 A

4

255K 18 C

4s

Einstrahlung der Sonne = Solarkonstante: S 0 = 1367 W m -2

Radiatives Gleichgewicht c Effektive Temperatur der Erde: +14° C !!!

A: Albedo (Reflexionsvermögen) der Erde


Der Treibhaus-Effekt

Absorption von terrestrischer Strahlung durch Atmosphäre

Absorption

Sonne

5770 K

Erde

288 K

• Treibhausgase: H 2 O, CO 2 , CH 4 , O 3 , N 2 O, CFCs,…

• Keine Treibhausgase: N 2 , O 2 , Ar, …


Transmission Erdatmosphäre

Atmospheric Window


Reflexion (vis) und Emission (IR)


Die Erde als Strahler


Infrarotbild der Erde


Temperaturbild der Erde


Temperaturbild der Meere


Gleichgewicht der Erd-Atmosphäre

Solarkonstante = 1367 W/m² 341 W/m² Mittel

Netto F In = 239 W/m²

Netto F Out = 239 W/m²


Spektrum der Strahlung vom Weltraum beobachtet:

zusammengesetztes Schwarzkörperspektrum, emittiert von Schichten auf

verschiedenen Höhen mit unterschiedlichen Temperaturen (N-Afrika)

Volumen

Atmosphäre

= 4pR²h

h ~ 8 km


Einfaches Strahlungsgleichgewicht

Ungleichgewicht Temperaturzunahme dT/dt = 0,1° C/Dekade


Lösung hängt von a und e ab

T E = 14 C

Perfekter Strahler - 18 Grad C!


Einfaches Treibhaus-Modell

Sichtbar

IR

F (1 A) / 4 (1 f ) sT fsT

S

4 4

o 1

Einfallende

S-Strahlung

F S

/4

Reflexion

solar

FA/4

S

Transmitted

von Oberfläche

4

fsT 1

4

fsT 1

(1 f) sTo

4

Atmosphärische

Emission

Atmosphärische

Emission

fsT 2 f sT

T

o

4 4

o

1


FS

(1 A)


f

4(1 ) s

2

Atmosphärenschicht (T 1 )

Abs. Eff. 0 für solar (VIS)

f für terr. (near-IR)

1

4

F S

/4

FA/4

S

Oberflächen-Emission

4

sT o

Erdoberfläche(T o )

Absorptionseffizienz 1-A in VISIBLE

1 in IR


Einfaches Treibhaus-Modell / Wolken

c: mittlere Wolkenbedeckung (Cirrus)


T 1 = + 14 C

T 2 = - 38,8 C

auf 8,2 km


Warum erwärmt sich die Erde durch Treibhausgase ?

Bsp.: TGas absorbiere @ 11 mm

1.

1. Anfangszustand

2.

2. Mische ein TGas zu, das

bei @ 11 mm absorbiert;

Emission @ 11 mm

nimmt ab (wir sehen die

Oberfläche nicht mehr

@ diesem l)

3. zu einem neuen Zustand,

totale Emission integriert über

alle l’s muss erhalten bleiben

e Emission erfolgt @ anderen

l’s und muss zunehmen

e Die Erde erwärmt sich!

3.


Absorption

Effizienz des Treibhauseffektes für Globale Erwärmung

Effiziente Treibhausgase absorbieren im “atmospheric window” (8-13 mm).

Gase, die in bereits saturierten Gebieten des Spektrums absorbieren, sind

keine effizienten Treibhausgase .


Der Strahlungsantrieb für Klimaänderungen

F in

F out

Einfallende

Sonnen-

Strahlung

Reflektierte

Sonnenstrahlung

(Oberfläche, Luft,

Aerosole, Wolken)

IR terrestr. Strahlung ~ T 4 ;

absorbiert/reemittiert durch

Treibhausgase, Wolken,

absorbierende Aerosole

Erdoberfläche

• Stabiles Klima definiert sich durch Strahlungsgleichgewicht: F in = F out

• Schnelle Störung e Strahlungsantrieb DF = F in – F out

Zunahme der Treibhausgase g DF > 0 positive Kraftwirkung

• Strahlungsantrieb ändert den Wärmeinhalt H der Erdatmosphäre:

dH DT DF

o

eventuell zu Gleichgewicht DT

dt l

o

lD

T 0 ist die Oberflächentemperatur und l ist ein Klima-Feedback-Parameter

• Verschiedene Klima-Modelle l = 0,3-1,4 K m 2 W -1 , unabhängig vom S-Antrieb;

Unterschiede in den Modellen gehen auf diesen Feedback zurück!

F


IPCC4, Kap. 6.4 / Eisbohrkerne Antarktis


Strahlungsantrieb 1750 – 2005 / IPCC4


Strahlungsantrieb-Szenarien IPCC5

Strahlungsantrieb durch anthropogene Emissionen im Jahre 2100

gegenüber den vorindustriellen Werten nach den neuen ECP-Szenarien.

Die negativen Werte (blau) gehen auf anthropogene Aerosole zurück.


Das Lorenz-Saltzmann Modell

der konvektiven Strömung

Saltzmann 1962; Lorenz 1963


Konvektionszonen der Atmosphäre

Nahe Äquator Heizung maximal Auftrieb

Wenn Luft zu Boden strömt Hochdruckgebiete

Strömungen nach Norden und Süden

Climate4you


Lorenz-Modell: die Geometrie

Stromfunktion

3 Zustände:

in Ruhe oder

Urzeigersinn

oder

Gegen-

Uhrzeigersinn

Temperatur

lineare

Temperaturschichtung


Die Navier-Stokes Gleichungen

Dichteunterschied

Auftrieb

Inkompressibel


Verwirbelung und Wärmeleitung

Linearer Temperaturabfall

plus Fluktuation


Ansatz und Lorenz-System


Lorenz-System: Interpretation

3 Amplituden:

X(t): Geschwindigkeitsamplitude (+/-)

Y(t): Amplitude der Temperaturvariation

Z(t): nicht-lineare Temperaturschichtung

3 Parameter:

b = 4/(1 + a²) = 8/3: Zellengeometrie

s = n/k = 10: Prandtl-Zahl, Viskosität

zu Wärmeleitung, s = 7 Wasser; 0,7 Luft

r = gaH³DT/nk/Ra cr : Rayleigh-Zahl steuert

das Verhalten des Systems

Ra cr = p 4 (1 + a²)³/a²


Lorenz-System: Gleichgewichtslagen

2 Gleichgewichtslagen:

r = 28: X = Y = +- 8,49.

Abrupte Übergänge

+ Langsame Relaxation


= 28: Chaos

Parameter: b = 8/3; s = 10

r = 20: transientes Chaos

r = 100: oszillatorisches Verhalten


Lorenz-System: Transientes Chaos

Camenzind 2013: r = 20


Lorenz-System: Chaos Attraktor

Im Uhrzeigersinn

Im Gegenuhrzeigersinn

Camenzind 2013: r = 28


Lorenz-System: Chaos Attraktor

Camenzind 2013: r = 28


Camenzind 2013: r = 50

Lorenz-System: Oszillation


Der Lorenz Attraktor r = 28


Der Lorenz Attraktor r = 28


Der Lorenz Attraktor in der Kunst


Der Lorenz Attraktor


Lorenz-System im Lab


Lorenz-System: CFD Compu-Experiment


Einfluss der Sonneneinstrahlung ?


Sonne ist variabel


Differentielle Rotation Dynamo

Ebenfalls deterministisches Chaos


Sonnenflecken werden seit 1749

systematisch gezählt (Wolf)


Sonnenfleckenzahl seit 1954

19

20

21

22

23

24


Sonnenfleckenzahl seit 1900

Maximum von 1906 ~ wie 2013


Neues Maunder-

Minimum ?


Variation der Sonneneinstrahlung TSI

Strahlungsantrieb < 0,5 W/m²


Historische Sonneneinstrahlung

Dalton

Minimum

Kleine

Eiszeit


Globale Temperatur und Sonnenflecken


Kosmische Strahlung antizyklisch


Die solaren Schwankungen unterliegen einem

11-Jahres-Zyklus

Sonnenflecken

Total Solar

Irradiance

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Schwankungsbreite:

nur etwa 0,1%

UV

von einigen %

bis zu 70%

Kosmische

Strahlung

bis zu 10%

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

2010

Gray et al 2010


Sonneneinstrahlung & kleine Eiszeiten

Über einen Zeitraum von zweitausend Jahren lässt sich eine

natürliche Zyklik erkennen


Der solare 1000-Jahres-Zyklus und seine klimatischen Auswirkungen

Wie würde der Zyklus ohne anthropogenen

Einfluss weitergehen?

1850

1000

vor Chr.

0

1000

nach Chr.

HEUTE

Sonne

Driver

Minoische

Wärmephase

Römische

Wärmephase

Mittelalterliche

Wärmphase

Moderne

Wärmphase

Temperatur

Kältephase

Kältephase

Kältephase

der Völkerwanderungen

Kleine

Eiszeit

CO

2


Sonnenfleckenfleckenzahl aus 14 C-Daten

Solanki 2013


Globale

Klima-

Modelle

National Center for

Atmospheric Research

NCAR


Globale Klima-Modelle Diskretisierung


Klima-Modelle Computer

Fluid-Dynamik, Strahlungstransport

Erdoberfläche:

4pR² = 510 Mio. qkm

510 Mio. Zellen

pro Ebene/qkm


Physikalische Variablen & Gleichungen

Berechne in jeder Gitterzelle (Milliarden) &

diskretisiere die Zeitentwicklung Dt ~ min:

Q(t+Dt) = Q(t) + Dt*Q(t) + P(t)

P(t): Parametrisierung

von Subgrid-

Prozessen


Klima-Modelle - Gleichungen


Verbesserung der

Klima-Modelle

1990 – 2013

2013: 11,13 km Auflösung / 0,1 Grad


Fortschritt in Klima-Modellen


Fortschritt in Klima-Modellen


Meeres-Strömung Simulation


Community Earth

System Models CESM3.0


IPCC5


IPCC 5 th Assessment Report

Working Group I: Climate science

report end of 2013

Working Group II: Adaptation

report early 2014

Working Group III: Mitigation

report mid 2014

Synthesis report:

report late 2014.


IPCC5: CO2 in Atmosphäre steigt an

Ergebnisse der Beratungen vom Sept. 2013


IPCC5: zwischen 1880 und 2012

ist Temperatur um 0,85 C gestiegen


IPCC5 Szenarien & Wachstum

7,5 7,5


IPCC4 / IPCC5 Szenarien


IPCC5: Temperatur wird steigen

Konst. Konzentration

Konzentration bleibt konstant


IPCC5 Szenarien in GFDL


100 Jahre Temperaturentwicklung

Schwingungen um Gleichgewicht?


30 Jahre Temperaturentwicklung

T ~ const über die letzten 15 Jahre?


Nordpol vs. Südpol


From the Summary For Policymakers of the WG1 Report for the

IPCC 5 th Assessment Report


IPCC5: Arktisches Eis schmilzt


Antarktisches Eis schmilzt nicht!


IPCC5: Meeresniveau wird steigen


IPCC5: Niederschläge nehmen zu

„Trockene Gebiete werden trockener“ – bis -30%

„Feuchte Gebiete werden feuchter“ – bis +50%


IPCC5 Prognosen

Für die nächsten Dekaden wird eine Erwärmung von

etwa 0,2°C pro Dekade vorhergesagt.

Selbst wenn alle Treibhausgaskonzentrationen und Aerosole

auf dem Niveau des Jahres 2000 gehalten würden, so würde sich

immer noch eine Erwärmung von 0,1° C pro Dekade einstellen.

Vermehrte Emission von Treibhausgasen auf dem Niveau des

gegenwärtigen Wachstums bewirkt zusätzliche Erwärmung

und würde unser Klima im 21. Jh. drastisch ändern –

heftiger als im 20. Jh. beobachtet.

Die zusätzliche Wärme als Resultat menschlicher Aktivitäten

wird Gletscher und polare Eiskappen abschmelzen,

die Ozeane werden sich erwärmen und expandieren,

was zu extremeren Wetterlagen führen wird (Tornados, …).


Die Bipolare Klimaschaukel


Dansgaard-Oeschger Ereignisse

Erwärmungen in 10-20 Jahren


CO2 folgt der Temperaturentwicklung ~ 200 Jahre

Pedro et al. 2012


Abrupte Klima-Änderungen

Weder die Dansgaard-Oeschger- noch die Heinrich-Ereignisse

lassen sich durch die Veränderungen der Erdbahnparameter erklären,

die für den Wechsel von Warm- und Kaltzeiten verantwortlich sind.

Stattdessen gehen Klimaforscher davon aus, dass diese abrupten

Klimaveränderungen durch nichtlineare Wirkungsketten im

Klimasystem hervorgerufen werden. Diese Erkenntnis der

Paläoklimaforschung hat zu einem wichtigen Paradigmenwechsel in

der Klimaforschung geführt.

Heute ist unbestritten, dass abrupte Klimaänderungen auftreten

könnten – ein Umstand, der lange als physikalisch unplausibel galt.

Bisher sind die Ursachen und der Verlauf abrupter Klimaänderungen

nur sehr unzureichend verstanden. Änderungen der großskaligen

Ozeanzirkulation, insbesondere der Tiefenwasserbildung im

Nordatlantik, sowie die Dynamik der Eisschilde auf Grönland und der

Antarktis werden als Schlüsselelemente für abrupte Klimaänderungen

in Vergangenheit und Zukunft angesehen.


Zusammenfassung

• Temperatur der Erde kann ohne Treibhausgase

nicht verstanden werden – wäre sonst bei -18° C.

• Einfaches 2-Temperatur-Modell ergibt schon gute

Schätzung für die mittlere Temperatur von +14° C.

Klimaveränderung wird heute durch den

Strahlungsantrieb DF(t) parametrisiert IPCC5

hat 4 Szenarien definiert (sog. RCPs).

• Das Lorenz-Modell beschreibt Chaos (Attraktor) in

Meeresströmungen und atmosphär. Konvektion.

• Die Sonneneinstrahlung ändert sich mit dem 11-

Jahres Zyklus (DF < 0,5 W/m²), zeigt aber auch

Zykluszeiten von etwa 1000 Jahren, die kleine

Eiszeiten und Warmperioden erklären.

• Ursache des „Temperaturanstiegs“ in den letzten

30 Jahren ist nicht geklärt – CO2 oder Relaxation?

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