RealClimate: Das CO2-Problem in sechs einfachen Schritten (Update 2022)

10. Juli 2022 von Gavin

Einer unserer meistgelesenen alten Beiträge ist die Schritt-für-Schritt-Erklärung, warum der steigende CO2-Ausstoß ein erhebliches Problem darstellt (Das CO2-Problem in 6 einfachen Schritten). Allerdings wurde das 2007 geschrieben – also vor 15 Jahren! Während sich die grundlegenden Schritte und Konzepte nicht geändert haben, gibt es 15 Jahre mehr Daten, Aktualisierungen einiger Details und Konzepte und (wie sich herausstellt) bessere Grafiken, die den Text begleiten. Hier ist also eine leicht aktualisierte und referenzierte Version, die etwas nützlicher sein dürfte.

Schritt 1:Es gibt einen natürlichen Treibhauseffekt.

Die Tatsache, dass es einen natürlichen Treibhauseffekt gibt (dass die Atmosphäre den Durchgang von Infrarotstrahlung (IR) von der Erdoberfläche in den Weltraum einschränkt), lässt sich leicht ableiten aus: i) die mittlere Temperatur der Oberfläche (ca. 15 °C) und ii) das Wissen, dass sich der Planet normalerweise nahe am Strahlungsgleichgewicht befindet. Dies bedeutet, dass es einen nach oben gerichteten IR-Fluss an der Oberfläche gibt (~398 W/m2), während der nach außen gerichtete Fluss an der Oberseite der Atmosphäre (TOA) in etwa der absorbierten Nettosonnenstrahlung (~240 W/m2) entspricht. Daher muss eine große Menge IR von der Atmosphäre absorbiert werden (ca. 158 W/m2) – eine Zahl, die ohne Treibhausstoffe Null wäre. Beachten Sie, dass diese IR-Strahlung manchmal als Langwellenstrahlung (LW) bezeichnet wird, um sie von der Kurzwellenstrahlung (SW) der Sonne zu unterscheiden.

Schritt 2:Spurengase tragen zum natürlichen Treibhauseffekt bei.

Die Tatsache, dass verschiedene Absorber zur atmosphärischen Infrarotabsorption beitragen, wird aus den aus dem Weltraum beobachteten Spektren (rechts) deutlich, die charakteristische Lücken zeigen, die mit Wasserdampf, CO2, O3, Wolken, Methan, FCKW usw. verbunden sind. Die Frage ist nur, wie viel Gesamtenergie ist von jedem blockiert. Dies kann nicht von Hand berechnet werden (die Anzahl der Absorptionslinien und die Auswirkungen der Druckverbreiterung schließen dies aus), aber es kann mithilfe von Strahlungsübertragungscodes berechnet werden. Für einige Teile des Spektrums kann die IR entweder von CO2 oder von Wasserdampf oder von Wolken absorbiert werden, aber unter Berücksichtigung dieser Überlappungen stellen wir fest, dass 50 % des Treibhauseffekts von Wasserdampf, 25 % von Wolken und etwa 25 % von Wolken verursacht werden 20 % stammen aus CO2 und der Rest wird durch Ozon, Aerosole und andere Spurengase absorbiert (Schmidt et al, 2010). Beachten Sie, dass die Hauptbestandteile der Atmosphäre (N2, O2 und Argon) im IR-Wellenlängenbereich keine nennenswerte Absorption aufweisen und daher nicht zum Treibhauseffekt beitragen.

Schritt 3:Spuren von Treibhausgasen haben aufgrund menschlicher Emissionen deutlich zugenommen

Die CO2-Konzentrationen sind seit der vorindustriellen Zeit um mehr als 50 % gestiegen, Methan (CH4) hat sich mehr als verdoppelt und beschleunigt sich noch einmal, N2O ist um 15 % gestiegen und auch das troposphärische O3 hat zugenommen. Neue Treibhausgasverbindungen wie Halogenkohlenwasserstoffe (FCKW, H-FKW) existierten in der vorindustriellen Atmosphäre nicht. All diese Steigerungen tragen zu einem verstärkten Treibhauseffekt bei.

Die Ursachen für diesen Anstieg sind vor allem die Verbrennung fossiler Brennstoffe, Deponien, Bergbau, Öl- und Gasbetriebe, die Landwirtschaft (insbesondere die Viehzucht zur Methangewinnung) und die Industrie.

Schritt 4:Strahlungsantrieb ist eine nützliche Diagnose und kann leicht berechnet werden

Lehren aus einfachen Spielzeugmodellen und Erfahrungen mit anspruchsvolleren GCMs legen nahe, dass jede Störung des TOA-Strahlungshaushalts aus welcher Quelle auch immer ein ziemlich guter Prädiktor für eine mögliche Änderung der Oberflächentemperatur ist. Wenn also die Sonne um etwa 2 % stärker werden würde, würde sich die TOA-Strahlungsbilanz um 0,02*1361*0,7/4 = 4,8 W/m2 ändern (unter Berücksichtigung von Albedo und Geometrie) (es würde mehr Energie einfallen als austreten). . Dies würde den Strahlungsantrieb (RF) definieren. Eine Erhöhung der Treibhausabsorber oder eine Änderung der Albedo haben analoge Auswirkungen auf die TOA-Bilanz (es würde mehr Energie eingehen als austreten). Allerdings ist die Berechnung des Strahlungsantriebs wiederum eine Aufgabe der Strahlungsübertragungscodes, die atmosphärische Profile von Temperatur, Wasserdampf und Aerosolen berücksichtigen. Der IPCC AR6-Bericht verwendete die aktuellsten Schätzungen von Etminan et al. (2016), die ähnlich, aber etwas komplizierter sind als die vereinfachte, häufig verwendete Formel für CO2: RF = 5,35 ln(CO2/CO2_orig) (siehe in Tabelle 6.2 im IPCC TAR).

Beachten Sie, dass die logarithmische Form für die CO2-RF von der Tatsache herrührt, dass einige bestimmte Wellenlängen bereits gesättigt sind und dass die Zunahme des Antriebs von den „Flügeln“ abhängt (weitere Einzelheiten finden Sie in diesem Beitrag). Antriebe für Gase mit niedrigerer Konzentration (z. B. FCKW) sind in ihrer Konzentration linear. Die unterschiedlichen Annahmen über Wolken, ihre Eigenschaften und die räumliche Heterogenität führen dazu, dass der globale mittlere Antrieb mit etwa 10 % unsicher ist. Somit liegt der RF für eine Verdoppelung des CO2-Ausstoßes wahrscheinlich bei 3,9 ± 0,5 W/m2 – in der gleichen Größenordnung wie bei einem Anstieg des solaren Antriebs um 2 %.

Es gibt ein paar kleine Änderungen am Konzept des Strahlungsantriebs. Es gibt eine Reihe von Prozessen, die sehr schnell auf eine Änderung der Treibhausgas- oder Aerosolkonzentration reagieren, die nicht mit Änderungen der Oberflächentemperaturen zusammenhängt. Es stellt sich heraus, dass die Berechnung dieses „effektiven“ Antriebs nach erfolgten Anpassungen dazu führt, dass der ERF den letztendlichen Temperaturanstieg besser vorhersagen kann. Ein solcher Prozess ist die stratosphärische Anpassung, die mit CO2 stattfindet, da es eine wichtige Rolle in der stratosphärischen Strahlungsbilanz spielt, während ein anderer ein sehr schneller Wolkenwechsel nach einem Aerosolwechsel ist. Der andere Nachteil besteht darin, dass es leicht von der räumlichen Verteilung der Antriebsfaktoren abhängt. Es können unterschiedliche Rückkopplungen und Prozesse ins Spiel kommen, sodass ein gleichwertiger Antrieb aus zwei unterschiedlichen Quellen möglicherweise nicht die gleiche Reaktion hervorruft. Der Faktor, der diesen Effekt quantifiziert, wird als „Wirksamkeit“ des Antriebs bezeichnet, die größtenteils einigermaßen nahe bei eins liegt und daher das Bild nullter Ordnung nicht ändert (Hansen et al., 2005). Das bedeutet, dass Klimaantriebe einfach addiert werden können, um den Nettoeffekt anzunähern.

Der Gesamtantrieb durch die in Schritt 3 erwähnten Spurentreibhausgase beträgt derzeit (bis 2019) etwa 3,3 W/m2, und der Nettoantrieb (einschließlich der kühlenden Auswirkungen von Aerosolen und natürlichen Veränderungen) beträgt 2,7 ± 0,8 W/m2 seit dem Jahr 2019. Industrie (IPCC AR6 Kapitel 7). Der größte Teil der Unsicherheit hängt immer noch mit Aerosoleffekten zusammen. Das derzeitige Wachstum der Antriebe wird durch den Anstieg von CO2 dominiert, wobei eine zunehmende Rolle der Abnahme reflektierender Aerosole (Sulfate, insbesondere in den USA und der EU) und der Zunahme absorbierender Aerosole (wie Ruß, insbesondere aus Indien und China und aus der Verbrennung von Biomasse) zukommt.

Schritt 5:Bei einer Verdoppelung des CO2-Ausstoßes liegt die Klimasensitivität bei etwa 3 °C

Die klassisch definierte Klimasensitivität ist die Reaktion der globalen Durchschnittstemperatur auf einen Antrieb, sobald alle „schnellen Rückkopplungen“ aufgetreten sind (atmosphärische Temperaturen, Wolken, Wasserdampf, Winde, Schnee, Meereis usw.), aber vor den „langsamen“. ' Rückmeldungen haben eingesetzt (Eisschilde, Vegetation, Kohlenstoffkreislauf usw.). Da es keine große Rolle spielt, welcher Antrieb sich ändert, kann die Empfindlichkeit aus jedem bestimmten Zeitraum in der Vergangenheit beurteilt werden, in dem die Änderungen des Antriebs bekannt sind und die entsprechende Änderung der Gleichgewichtstemperatur geschätzt werden kann. Wie wir zuvor besprochen haben, ist die letzte Eiszeit ein gutes Beispiel für einen großen Antrieb (~8 W/m2 durch Eisschilde, Treibhausgase, Staub und Vegetation), der zu einer großen Temperaturreaktion (~5 bis 6 °C) führt und eine Empfindlichkeit impliziert von etwa 3 °C (mit erheblichen Fehlerbalken). Formaler kann man diese Schätzung mit anderen aus dem 20. Jahrhundert, der Reaktion auf Vulkane, dem letzten Jahrtausend, der Fernerkundung usw. kombinieren, um ziemlich gute Einschränkungen für die Zahl zu erhalten. Dies wurde kürzlich von Sherwood et al. (2020) durchgeführt, und sie kamen auf, Sie haben es erraten, 3 °C (und auch eine engere Unsicherheitsgrenze von 2,3 bis 4,5 °C).

Die Umrechnung der Schätzung für verdoppeltes CO2 in einen nützlicheren Faktor ergibt ~0,75 ºC/(W/m2).

Schritt 6:Strahlungsantrieb x Klimasensitivität ist eine signifikante Zahl

Aktuelle Antriebe deuten darauf hin, dass sich der Planet bis zum Erreichen des Klimagleichgewichts um 2 °C (=2,7 W/m2 x 0,75 °C/(W/m2)) erwärmen würde. Da die Ozeane Zeit brauchen, um sich zu erwärmen, haben wir das Ziel noch nicht erreicht (bisher haben wir 1,2 °C erlebt), und so sind die restlichen ~0,8 °C „in der Pipeline“, wenn wir die Konzentrationen konstant halten (entspricht einem sofortigen Anstieg von ~70 %). Reduzierung der Emissionen). Zusätzliche Antriebe könnten in plausiblen Zukunftsszenarien 5 W/m2 erreichen und daher könnte die zusätzliche Erwärmung (im Gleichgewicht) mehr als 3 °C betragen. Interessanterweise würden sich die Nettowärmeaufnahme und die Verringerung des Strahlungsantriebs ungefähr ausgleichen, wenn die CO2-Emissionen vollständig eingestellt würden, und wir würden nicht mit einem weiteren Temperaturanstieg rechnen. Unsere gesellschaftliche Flexibilität wird es uns also ermöglichen, irgendwo zwischen diesen beiden Extremen zu landen.

Diese Temperaturänderungen mögen wie kleine Zahlen erscheinen, aber im Maßstab eines Planeten sind sie eine große Sache. Wir sehen bereits die Auswirkungen der bisherigen Erwärmung in sich ändernden Statistiken zu Hitzewellen, extremen Niederschlägen und Küstenüberschwemmungen. Denken Sie daran, dass die letzte Eiszeit nur 5 bis 6 °C kühler war als die vorindustrielle Zeit – und das war eine gewaltige Veränderung. Wir haben uns bereits zwischen einem Fünftel und einem Viertel einer „Eiszeiteinheit“ erwärmt, und im schlimmsten Fall geht man von einer vollständigen Eiszeiteinheit der Erwärmung in ein paar Jahrhunderten aus, verglichen mit den 10.000 Jahren, die die Erwärmung zuvor dauerte.

Das ist bereits erheblich und wird noch größer werden, bis die Emissionen aufhören.

QED?

[Übersetzung auf Niederländisch verfügbar]

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