Vorlesung 2: Grundlagen

Übersicht
1
Klimasystem und Klimawandel
2
Emissionen von Treibhausgasen
3
Impacts von Klimawandel
Vorlesung 2: Grundlagen
1/33
Strahlungshaushalt der Erde
Alle Körper mit einer Temperatur > 0 K (> −273.15◦ C)
geben Energie in Form von Strahlung ab.
Die Temperatur des Körpers beeinflusst dabei sowohl die
abgegebene Leistung als auch die Verteilung der
Wellenänge:
Vorlesung 2: Grundlagen
Stefan-Boltzmannsches Gesetz für schwarzen Strahler:
P = σ A T4
(höhere Temperatur⇒ mehr Strahlungsleistung)
Wiensches Verschiebungsgesetz:
λmax T = const
(höhere Temperatur⇒ Emission bei kleinerer Wellenlänge)
2/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Spektralverteilung
3/33
Strahlungshaushalt der Erde
Die Erde empfängt Strahlungsenergie von der Sonne und
strahlt selbst wieder ab.
Ein Teil der einfallenden Strahlung wird von Gasen,
Aerosolen oder am Boden reflektiert (Albedo, im
Durchschnitt ca. 30%)
Der übrige Teil der einfallenden Strahlung wird von der
Erdoberfläche absorbiert.
Die Oberflächentemperatur stellt sich im Mittel so ein, dass
die absorbierte Energie gleich der abgestrahlten Energie
ist (Strahlungsgleichgewicht).
Ohne Treibhauseffekt würde das Strahlungsgleichgewicht
eine mittlere Temperatur von ca. −19◦ C implizieren.
Vorlesung 2: Grundlagen
4/33
Strahlungshaushalt der Erde
Da die Sonne eine höhere Oberflächentemperatur besitzt
als die Erde, hat die auf der Erde einfallende Strahlung
eine kleinere Wellenänge als die von der Erde
abgegebene Strahlung.
Langwellige Strahlung wird in der Atmosphäre stärker
absorbiert und dann (auch) zur Erdoberfläche
zurückgestrahlt.
⇒ Ein Teil der abgegebenen Strahlung wird absorbiert, so
dass die Oberflächentemperatur ansteigt (Treibhauseffekt).
Dadurch steigt die mittlere Oberflächentemperatur auf ca.
14◦ C.
Vorlesung 2: Grundlagen
5/33
Strahlungshaushalt der Erde
Quelle: AR4, IPCC, 2007, nach Kiehl und Trenberth, 1997
Vorlesung 2: Grundlagen
6/33
Strahlungshaushalt der Erde
Der Strahlungshaushalt hängt damit davon ab wie viel
der eintreffenden Strahlung in der Atmosphäre oder von der
Oberfläche reflektiert werden (Wolken, Aerosole,
Bodenbedeckung),
der abgestrahlten Energie in der Atmosphäre
absorbiert/reflektiert wird (Wolken, Aerosole,
Treibhausgase).
Wolken erhöhen den Anteil reflektierter kurz- und
langwelliger Strahlung (Nettoeffekt: Abkühlung).
Einige Gase (z.B. SO2 ) erhöhen den Anteil reflektierter
kurzwelliger Strahlung.
Einige Gase (z.B. CO2 , CH4 , N2 O) erhöhen den Anteil
absorbierter langwelliger Strahlung.
Verringerte Schneebedeckung oder schwarze
Ablagerungen auf Schnee und Eis reduzieren die
Bodenreflexion.
Vorlesung 2: Grundlagen
7/33
Strahlungshaushalt der Erde
Eine Erhöhung der Konzentration von Treibhausgasen
führt zu einer stärkeren Absorption von Strahlung in der
Atmosphäre.
Dadurch verschiebt sich das Strahlungsgleichgewicht zu
einer höheren Oberflächentemperatur.
Dies kann positive Feedback-Effekte auslösen:
verringerte Schneebedeckung,
Abgabe von Treibhausgasen (CH4 ) aus auftauenden
Permafrostböden.
⇒ Das Gleichgewicht wird weiter zu einer höheren
Temperatur verschoben.
Vorlesung 2: Grundlagen
8/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Kohlenstoffkreislauf der Erde
Quelle: AR4, IPCC, 2007
9/33
Kohlenstoffkreislauf
Treibhausgase wie CO2 und CH4 sind Teil des
Kohlenstoffkreislaufs.
Kohlenstoff wird von Pflanzen und Tieren aufgenommen
und durch Respiration (autotroph und heterotroph) wieder
abgegeben. Netto wird dabei Kohlenstoff gebunden.
Kohlenstoff wird auch zwischen Atmosphäre und den
oberen Schichten der Ozeane ausgetauscht. Ein kleiner
Teil wird dabei in tiefere Schichten transportiert.
Der Mensch beeinflusst diesen Kreislauf direkt und
indirekt:
Thermische Nutzung fossiler Brennstoffe
Änderung der Landbedeckung, insbesondere Entwaldung
Änderung der Konzentration an Treibhausgasen in der
Atmosphäre bewirkt Änderungen im Austausch mit
Biosphäre und Ozeanen
Vorlesung 2: Grundlagen
10/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Klimasystem
Quelle: AR5, IPCC, 2013
11/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Klimasystem
Quelle: AR5, IPCC, 2013
12/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Emissionen
Quelle: AR5, IPCC, 2013
13/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Emissionen
Quelle: AR5, IPCC, 2013
14/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Emissionen: Länder
Quelle: AR4, IPCC, 2007
15/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Emissionen: Länder
Quelle: AR4, IPCC, 2007
16/33
Emissionen: Zerlegung
ECO2 = Pop ·
GDP Energy ECO2
·
·
Pop
GDP Energy
ECO2 : CO2 -Emissionen
Pop: Bevölkerung
GDP
Pop : GDP pro Kopf
Energy
GDP : Energieintensität des GDP
ECO2
Energy : CO2 -Intensität der Energieversorgung
Achtung: Zerlegung keine Erklärung
Fokus auf fossile Brennstoffe
Vorlesung 2: Grundlagen
17/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Emissionen: Änderungen
Quelle: AR4, IPCC, 2007
18/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Emissionen: Zusammensetzung
Quelle: AR5, IPCC, 2013
19/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Emissionen: Zusammensetzung
Quelle: AR5, IPCC, 2013
20/33
Impacts
Die Oberflächentemperatur beeinflusst Wind und
Niederschläge.
Klimawandel verursacht keinen gleichmässigen Anstieg
der Temperatur auf der Erdoberfläche sondern
unterschiedliche Effekte in verschiedenen Regionen.
Zudem sind Änderungen in der Variabilität (zeitlich und
räumlich) von Niederschlägen zu erwarten.
Dies verursacht Anpassungen in Ökosystemen.
Vorlesung 2: Grundlagen
21/33
Impacts
Zu unterscheiden:
1
2
3
Änderungen in klimatischen Bedingungen (Temperatur,
Niederschläge) und deren direkte Konsequenzen
(Wasserverfügbarkeit, Nutzbarkeit von Land für
Landwirtschaft, etc.)
Änderungen in Ökosystemen (Bodenbedeckung,
Artenvielfalt, Verbreitung einzelner Spezies)
Änderungen in menschlichen Lebensbedingungen
Bei jedem dieser Schritte gibt es Unsicherheit.
Aus ökonomischer Sicht, ist vor allem Punkt 3 relevant, wo
die Unsicherheit am grössten ist.
Vorlesung 2: Grundlagen
22/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Impacts
Quelle: AR4, IPCC, 2007
23/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Impacts
Quelle: AR5, IPCC, 2013
24/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Impacts
Quelle: AR5, IPCC, 2013
25/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Impacts
Quelle: AR5, IPCC, 2013
26/33
Vorlesung 2: Grundlagen
Unsicherheit
Quelle: AR5, IPCC, 2013
27/33
Beispiel 1: Kosten des Klimawandels
D. Albouy, W.Graf, R. Kellog, H. Wolff (2014), “Climate
Amenities, Climate Change, and American Quality of Life”
Fragestellung & Idee
Was sind die direkten Kosten des Klimawandels
(Änderung des Wohlergehens auf Grund der Änderung
klimatischer Bedingungen)?
⇒ Wie bewerten Menschen die klimatischen Bedingungen an
ihrem Wohnort?
Untersuchung auf der Basis beobachteten Verhaltens in
den USA
Vorlesung 2: Grundlagen
28/33
Bewertung von Impacts: Beispiel
Ansatz
Menschen sind bereit Kosten auf sich zu nehmen, um an
einem Ort mit angenehmem Klima zu leben.
Diese Kosten bestehen aus höheren
Lebenshaltungskosten (z.B. Kosten für Wohnraum) oder
niedrigeren Löhnen.
In den USA bestehen sehr unterschiedliche klimatische
Verhältnisse und Menschen sind relativ mobil
⇒ Vergleich der Zahlungsbereitschaft für angenehmes Klima
Vorlesung 2: Grundlagen
29/33
Bewertung von Impacts: Beispiel
Datenbasis 1:
Heating Degree Days (HDD):
365
X
max[0, Tt − 65]
t=1
Cooling Degree Days (CDD):
Vorlesung 2: Grundlagen
365
X
max[0, 65 − Tt ]
t=1
30/33
Bewertung von Impacts: Beispiel
Datenbasis 2:
Nutzen = Quality of Life * Konsum
Konsum = Einkommen / Cost of Living
Abweichungen vom Mittelwert:
d ln QOL = d ln COL − d ln Income
Annahme: Nutzen überall gleich (perfekte Mobilität)
Vorlesung 2: Grundlagen
31/33
Zusammenfassung
Durch die Emissionen von Treibhausgasen beeinflusst der
Mensch die Strahlungsbilanz der Erde.
Dies verursacht Änderungen in der mittleren
Oberflächentemperatur sowie in der räumlichen und
zeitlichen Verteilung derselben.
Diese Änderungen bewirken Veränderungen in
Niederschlägen sowie Anpassungen in Ökosystemen und
menschlichen Lebensbedingungen.
Die Änderungen können regional sehr unterschiedlich
ausfallen.
Je weiter in der Argumentationskette
(Klima→Ökosysteme→menschl. Lebensbedingungen)
gegangen wird und je stärker räumlich disaggregiert wird,
desto grösser werden Unsicherheiten.
Vorlesung 2: Grundlagen
32/33
Nächste Woche
Abbildung von Klimawandel in ökonomischen Modellen
Bitte ansehen: Nordhaus “A Question of Balance”,
Ch. 2+3 sowie den Anhang mit den Modellgleichungen.
Vorlesung 2: Grundlagen
33/33