Die Asian Tropopause Aerosol Layer (ATAL), eine Schicht mit erhöhtem Aerosolgehalt, tritt jedes Jahr von Juni bis September in 14-18 km Höhe in einem Gebiet auf, das sich vom Mittelmeer bis zum westlichen Pazifik erstreckt. Hinsichtlich der Zusammensetzung der Partikel, sowie ihrer Bedeutung für die Strahlungsbilanz in dieser klimasensitiven Höhenregion bestehen große Unsicherheiten. Die bisher einzigen Flugzeugmessungen aus dem Zentrum der ATAL wurden 2017 im Rahmen der StratoClim Kampagne von Kathmandu aus gewonnen. Dabei entdeckten wir mit Hilfe des Infrarotspektrometers GLORIA auf dem Forschungsflugzeug Geophysica, dass feste Ammoniumnitrat (AN) â€Ì Partikel einen beträchtlichen Teil der Aerosolmasse ausmachen. Diese zählen zu den effizientesten Eiskeimen in der Atmosphäre. Zudem zeigte die gleichzeitige Messung von Ammoniakgas (NH3) durch GLORIA, dass dieses Vorläufergas durch starke Konvektion in die obere Troposphäre verfrachtet wird. Im Rahmen der PHILEAS-Kampagne schlagen wir eine gemeinsamen Betrachtung von atmosphärischen Modellsimulationen und Messungen vor, um die Zusammensetzung, Ursprung, Auswirkungen und Verbleib der ATAL-Partikel zu untersuchen â€Ì insbesondere im Hinblick auf ihre Prozessierung sowie ihren Einfluss auf die obere Troposphäre und die untere Stratosphäre der nördlichen Hemisphäre. Messungen von monsunbeeinflussten Luftmassen über dem östlichen Mittelmeer sowie über dem nördlichen Pazifik werden es uns erlauben, Luft mit gealtertem Aerosol- und Spurengasgehalt zu analysieren und damit die StratoClim-Beobachtungen aus dem Inneren des Monsuns zu komplementieren. Um dabei die wahrscheinlich geringeren Konzentrationen an Aerosol und Spurengasen zu quantifizieren, schlagen wir vor, die GLORIA-Datenerfassung von NH3 und AN u.a. durch die Verwendung neuartiger spektroskopischer Daten zu verbessern. Ferner werden wir die Analyse der GLORIA-Spektren auf Sulfataerosole sowie deren Vorläufergas SO2 auszudehnen. Auf der Modellseite werden wir das globale Wetter- und Klimamodellsystem ICON-ART weiterentwickeln, um die ATAL unter Einbeziehung verschiedener Aerosoltypen (Nitrat, Ammonium, Sulfat, organische Partikel, Staub) zu simulieren â€Ì unter Berücksichtigung der hohen Eiskeimfähigkeit von festem AN. Modellläufe werden durchgeführt, um einerseits einen globalen Überblick über die Entwicklung der ATAL 2023 zu gewinnen und zudem detaillierte, auf die relevanten Kampagnenperioden zugeschnittene, wolkenauflösende Informationen über die Aerosol-Wolken-Strahlungs-Wechselwirkungen zu erhalten. Über die direkte Analyse der PHILEAS-Kampagne hinausgehend wird diese Arbeit die Grundlage für eine verbesserte Analyse von Aerosolparametern aus GLORIA-Beobachtungen früherer und zukünftiger HALO-Kampagnen sowie aus Satellitenbeobachtungen legen. Darüber hinaus wird sie ICON-ART, einem der zentralen Klimamodellsysteme in Deutschland die Simulation von Aerosolprozessen sowie Aerosol/Wolken-Wechselwirkungen im Zusammenhang mit der ATAL ermöglichen.
Karst entsteht sich durch die Verwitterung von Karbonatgestein und erzeugt starke oberflächliche und unterirdische Heterogenität von hydrologischen Speicher und Fließprozessen. Ungefähr 7% bis 12% der Erdoberfläche besteht aus Karstgebieten und etwa ein Viertel der Weltbevölkerung ist ganz oder teilweise abhängig von Trinkwasser aus Karstgrundwasserleitern. Für die nächsten Jahrzehnte, Klimamodelle prognostizieren einen starken Temperaturanstieg und eine Abnahme von Niederschlagsmengen in vielen Karstregionen der Welt. Trotz dieser Vorhersagen gibt es nur wenige Studien, die die Auswirkungen des Klimawandels auf die Karstwasserressourcen abschätzen. Die ist hautsächlich auf das Fehlen von Messdaten und die inadäquate Abbildung von Karstprozessen in derzeit angewandten Ansätzen zur großskaligen Modellierung zurückzuführen. Das Ziel der beantragten Nachwuchsgruppe ist, die notwendigen Daten und Ansätze zur erstmaligen Abschätzung der gegenwärtigen und zukünftigem Verfügbarkeit von Wasserressourcen in Karstgebieten zur Verfügung zu stellen. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, sind signifikante Fortschritte (1) zum Verständnis der Heterogenität von Karstregionen und zu deren Einarbeitung in hydrologische Modelle, (2) zum Upscaling von Beobachtungen auf der Einzugsgebietsskale für Anwendungen von Simulationsmodellen im globalen Maßstab, und (3) zum Vergleich der gegenwärtigen und zukünftigen Verfügbarkeit von Wasserressourcen mit gegenwärtigen und zukünftigen Wasserbedarf von Nöten. Im vorgeschlagenen Projekt sollen neuartige Ansätze zur Messung und Analyse hydrologischer Daten an fünf experimentellen Messgebieten, die in 5 verschiedenen Klimaregionen über den Globus verteilt sind (AU, D, ES, MX, UK), eingesetzt werden, um die Einflüsse der Heterogenität von Karstgebieten auf oberflächennahe Fließprozesse zu erkunden. Mittels einer neu entwickelten Karstdatenbank, welche beobachtete Zeitreihen von Karstquellenabflüssen enthält, und Rezessionsanalyse sollen die Heterogenität von Grundwasser und Abflussprozesse in verschiedenen Regionen der Welt charakterisiert werden. Dieselbe Datenbank, erweitert durch zusätzlich Abflussdaten auf Flussgebietsskale des Global Runoff Data Center (GRDC), soll zur Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Einbindung der neu gewonnenen Erkenntnisse in ein großskaliges Simulationsmodell speziell für Karstregionen angewandt werden. Dieses Modell soll letztendlich dazu benutzt werden, um (1) gegenwärtige und, gekoppelt mit Klimaszenarien, zukünftige Verfügbarkeit von Wasserressourcen in Karstgebieten zu erkunden, um diese (2) mit gegenwärtigen und zukünftigen Wasserbedarf zu vergleichen und von Wassermangel bedrohte Regionen zu identifizieren.
Das aktuelle Klima der Erde verändert sich schneller, als von den meisten wissenschaftlichen Prognosen vorhergesagt wurde. Dabei erwärmen sich die Polargebiete schnellsten von allen Regionen der Erde. Die Polargebiete haben auch starke globale Auswirkungen auf das Erdklima und beeinflussen daher das Leben und die Lebensgrundlagen auf der ganzen Welt. Trotz der großen Fortschritte der Polarforschung der letzten Jahre gibt es nach wie vor schlecht verstandene Prozesse; einer davon ist die Aerosol-Wolke-Klima-Wechselwirkung, die daher auch nicht zufriedenstellend modelliert werden können. Wolken und deren Wechselwirkungen im Klimasystem sind eine der schwierigsten Komponenten bei der Modellierung, insbesondere in den Polarregionen, da es dort besonders schwierig ist, qualitativ hochwertige Messungen zu erhalten. Die Verfügbarkeit hochwertiger Messungen ist daher von entscheidender Bedeutung, um die zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen und in Modelle integrieren zu können. Im ersten Teil des hier vorgeschlagenen Projekts schlagen wir, d.h. TROPOS, vor, die bestehenden Aerosolmessungen an der Neumayer III-Station um in-situ Wolkenkondensationskern- (CCN) und Eiskeim- (INP) Messungen zu erweitern für einen Zeitraum von fast zwei Jahren. Die erfassten Daten wie Anzahl der Konzentrationen, Hygroskopizität, INP-Gefrierspektren usw. werden mit meteorologischen Informationen (z.B. Rückwärtstrajektorien) und Informationen über die chemische Zusammensetzung der vorherrschenden Aerosolpartikel verknüpft, um Quellen für INP und CCN über den gesamten Jahreszyklus zu identifizieren. In einem optionalen dritten Jahr wollen wir die Ergebnisse der südlichen Hemisphäre mit den TROPOS-Langzeitmessungen des CCN und INP aus der Arktis (Villum Research Station) vergleichen, welche uns im Rahmen dieses Projekts von DFG-finanzierten TR 172, AC3, Projekt B04 zur Verfügung stehen werden. Ein Ergebnis des beantragten Projekts wird ein tieferes Verständnis dafür sein, welche Prozesse die CCN- und INP-Population in hohen Breiten dominieren. Die im Rahmen des vorliegenden Projekts gesammelten quantitativen Informationen über CCN und INP in hohen Breiten werden öffentlich zugänglich veröffentlicht, z.B. für die Evaluierung globaler Modelle und Satellitenretrievals.
Es gibt konzeptionelle Gründe, Interesse an effizienten Atmosphärenmodellen zu haben, weil diese tiefere Einblicke in der Atmosphärendynamik erlauben, z.B. in Hinsicht auf Klimavariabilität. Solche Modelle sind aber auch ein nützliches Werkzeug bei Untersuchungen der Klimasensitivität oder des Paläoklimas, wo sehr viele oder sehr lange Integrationen benötigt werden und somit die Recheneffizienz eine wichtige Rolle spielt. Besonders bei diesen Anwendungen muss darauf Wert gelegt werden, dass die unvermeidlichen Subgitterskalenparametrisierungen möglichst viel auf ersten Prinzipien basieren. Die stochastische Modenreduktion (SMR) bietet hier eine Strategie, bei der ein großer Teil der Parametrisierung auf Papier hergeleitet wird, wenn bestimmte Terme, die Wechselwirkungen zwischen nichtaufgelösten Moden beschreiben, durch einen einfachen stochastischen Prozess modelliert werden können. In früheren Anwendungen der SMR wurden die reduzierten Atmosphärenmodelle immer im Spektralraum formuliert. Somit koppelt die dazugehörige globale subgitterskalige Parametrisierung alle aufgelösten Moden miteinander. Letztes begrenzt die Anwendbarkeit der Methode auf niedrigdimensionale Systeme. Um dieses Problem zu umgehen, ist unlängst eine Implementierung der SMR für gitterbasierte Raumdiskretisierungen entwickelt worden, die in einer lokalen Parametrisierung resultiert. Diese Strategie wurde bis jetzt nur im Rahmen der Burgersgleichung getestet. Das vorgeschlagene Projekt soll signifikant dazu beitragen, die lokale SMR auf realistische Modelle der Atmosphärendynamik anzuwenden. Dabei sollen subgitterskalige Parametrisierungen für die barotrope Vorticitygleichung und für die Flachwassergleichungen auf der f-Ebene konstruiert werden. Beide Modelle beinhalten wesentliche Eigenschaften, die berücksichtigt werden müssen, wenn man die lokale SMR auf die allgemeinen Gleichungen für die Beschreibung der Atmosphärendynamik anwenden will. Die neuen subgitterskaligen Parametrisierungen sollen folgende Kriterien erfüllen: i) sie sollen systematisch aus den Modellgleichungen unter einer relativ kleinen Anzahl von Grundannahmen hergeleitet werden ii) sie sollen so konsistent wie möglich mit den Erhaltungseigenschaften der Gleichungen sein und iii) sie sollen eine minimale (falls möglich gar keine) Anpassung an Daten der aufgelösten Skalen verwenden. In der Klimamodellierung existiert ein großer Bedarf an physikalisch basierten und auflösungsunabhängig formulierten stochastischen Parametrisierungen. Die Entwicklung von subgitterskaligen Parametrisierungen mittels der SMR, wie in diesem Projekt vorgeschlagen, wird zu solchen Verfahren beitragen. Die Turbulenzparametrisierung in grob auflösenden Simulationen ist ein anderes Feld, das von einer solchen Entwicklung profitieren kann.
Die Tiefsee ist das größte Ökosystem auf der Erde, das uns aufgrund der Unerreichbarkeit und immensen Ausdehnung in weiten Teilen noch fremd ist. Wegen der geringen Verbreitung von Tiefsee-Sedimenten auf dem Festland und dem Mangel einer kontinuierlichen Fossil-Überlieferung ist unsere Kenntnis über Tiefseepaläobiogeographie und Tiefsee-Evolution ebenfalls recht limitiert. Eine Sichtung unterkretazischer bis obermiozäner Sedimente in ODP/DSDP/IODP-Bohrkernen (Paläoablagerungstiefe: tiefes Bathyal über 2000 m) erbrachte überraschende Ergebnisse: Sklerite von Echinodermata (Holothurien, Ophiuren, Asteroideen, Crinoiden), die heute einen wichtigen Anteil der Tiefseefaunafauna stellen, fehlen nahezu völlig. Dafür sind Stacheln von irregulären Echiniden (Holasteroida, Spatangoida: Atelostomata) häufig. Da die Stacheln morphologisch sehr variabel sind, bergen Klassifizierung der morphologischen Bandbreite ('Morphospace'), der Morphospace-Veränderung in der Zeit und die berechnete Stachel-Akkumulationsrate das Potential, Diversitäts- und Abundanz-Veränderungen in Bezug zu globalem Klimawandel zu kartieren. Da die derzeitige globale Erwärmung besonders in offenen Ozeanen zu geringerer Produktivität und verringertem Export von Organik in die Tiefsee führt, eignet sich der östliche tropische Pazifik als Modell-Region um zwei Arbeitshypothesen zu testen. i) Die Stachel-Diversität der Atelostomata korreliert invers mit känozoischen Warmzeiten, was die 'Productivity-Diversity Relation' stützt; und ii) Die Abundanz von Atelostomata-Stacheln als Ausdruck von Biomasse und Export-Productivity ist geringer in warmen Perioden als in kühlen. Für das Projekt wurde exemplarisch känozoisches Material aus einer sich rapide ändernden Welt berücksichtigt (Abkühlung Mittel-Miozän, mittelmiozänes Klimaoptimum, Abkühlung oberstes Oligozän, Warmphase Ober-Oligozän, oligozäne Oi-2 Eiszeiten & Nachspiel). Klassifizierbare Merkmale der Stacheln (z.B. Morphologie des Schaftes, Anwesenheit, Verteilung, Häufigkeit von Stacheln und Dornen, Form/Anzahl von Poren, Form der Stachelspitze u.a.) werden in eine Datenmatrix eingepflegt und statistisch ausgewertet. Variationen der Stachel-Diversität (Shannon-Wiener-Index) sind Ausdruck sich verändernder Biodiversität, und eine Abnahme der Diversität sowie der Stachel-Akkumulationsrate werden in Kontext mit Warmphasen vermutet. Eine 'Principal Component Analysis' von Stachel-Vergesellschaftungen einzelner Zeitintervalle ermöglicht es, die Disparität des Morphospace der berücksichtigten Intervalle zu erarbeiten. Hieraus lassen sich darüber hinaus Aussagen über graduelle (Evolution?) oder abrupte (Aussterben und Speziation/Immigration) Faunenveränderungen in der Tiefsee treffen, die in Beziehung zu schwankender Primärproduktivität durch globale Temperaturschwankungen gesetzt werden können (Hypothese 2).
Zielsetzung: Das gleichzeitige Streben nach mehr Holzernte gemäß den bioökonomischen Zielen und der Erhöhung des Waldschutzes gemäß der EU-Biodiversitätsstrategie ist in Regionen und Ländern mit derzeit intensiver Holzproduktion möglicherweise nicht gleichermaßen erreichbar. Die daraus resultierende Inkohärenz der Politik aufgrund von Zielkonflikten und inkongruenter Umsetzung wird wahrscheinlich verwirrend sein und möglicherweise die Multifunktionalität der Wälder beeinträchtigen. Die Förderung der Erhaltung der Waldökosysteme im Hinblick auf die zahlreichen Erwartungen der Gesellschaft ist ein entscheidendes Ziel der Forstwirtschaft und der Forschung. Frühere Forschung hat sich mit der Frage sich widersprechender Wald- und Umweltpolitik hauptsächlich aus der Sicht der Governance befasst, wobei der Schwerpunkt nicht auf den Auswirkungen der Inkohärenz oder auf den Auswirkungen und der Wirksamkeit von Policy-Mixen lag. Um neue Politiken und Forstwirtschaftspraktiken zu entwickeln, die die potenziellen Kompromisse zwischen verschiedenen sozialen, wirtschaftlichen und ökologischen Beiträgen identifizieren und in Einklang bringen können, ist eine systematische Analyse der Politik, ihrer Umsetzung und ihrer langfristigen Auswirkungen erforderlich. Unser Projekt plant, eine solche Analyse durchzuführen, um eine solide Grundlage für die Lösung der sozial-ökologischen Landnutzungskonflikte zu schaffen, die durch politische Inkohärenz verursacht werden. Dieses Projekt beabsichtigt, neue Erkenntnisse für die Forstpolitik, die Forstwirtschaft und die Raumplanung zu gewinnen, indem es die Auswirkungen von Politiken und Managementpraktiken quantitativ analysiert und groß angelegte Waldprogramme entwickelt, die gleichzeitig die Holzproduktion erhalten oder steigern und die Nachhaltigkeit und Widerstandsfähigkeit der Multifunktionalität in Wäldern gewährleisten können. Wir verwenden ein globales Modell, um nationale und regionale Schätzungen des Holzbedarfs in verschiedenen sozioökonomischen Entwicklungspfaden und Szenarien zur Klimaverminderung abzuleiten, und kombinieren Simulations- und Optimierungswerkzeuge mit einer umfassenden Reihe von Biodiversitätsindikatoren sowie monetären und nicht-monetären Wertindikatoren für Ökosystemdienstleistungen. Wir analysieren europäische und nationale Politiken, die auf mehrere Waldfunktionen ausgerichtet sind, entwickeln geeignete Multifunktionalitätsmetriken und kombinieren beteiligte Interessengruppen, um praktikable Politik- und Managementmaßnahmen zu identifizieren. Mit diesen Instrumenten bewerten wir empirisch und qualitativ die Nachhaltigkeitslücke, die sich aus der Inkohärenz der Politik ergibt. Aufgrund der Unterschiede zwischen den EU-Ländern und -Regionen in Bezug auf deren sozioökonomischen Rolle der Wälder oder in ihrer Verwaltung ist es sehr wahrscheinlich, dass die aus der Inkohärenz der Politik resultierende Nachhaltigkeitslücke geografisch sehr unterschiedlich ist. (Text gekürzt)
Der vom Menschen ausgelöste globale Klimawandel ist eine in der Fachwelt anerkannte Tatsache. Die ersten Folgen des Klimawandels sind in Sachsen-Anhalt bereits spürbar. Die Auswirkungen des Klimawandels wird man in Sachsen-Anhalt in den kommenden Jahrzehnten vermehrt zu spüren bekommen. Der Themenkomplex Klimawandel lässt sich generell in zwei Bereiche aufteilen: Die Klimaanalyse umfasst alle Auswertungen von Klimadaten in der Vergangenheit. Im Themenbereich Klimaprojektion werden mögliche Klimaentwicklungen in der Zukunft auf der Grundlage von Klimamodellrechnungen betrachtet. Bei der Klimaanalyse ist es wichtig, von heute beginnend in der Geschichte zurückzuschauen, um die Klimageschichte des Planeten bewerten zu können. Nur so können aktuelle und künftige Entwicklungen in die Klimageschichte eingeordnet und Extremereignisse bewertet werden. Unterschied zwischen Wetter, Witterung und Klima Wetter: Als Wetter wird der physikalische Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem auch kürzeren Zeitraum an einem bestimmten Ort oder in einem Gebiet bezeichnet, wie er durch die meteorologischen Elemente und ihr Zusammenwirken gekennzeichnet ist. Witterung: Als Witterung wird der allgemeine, durchschnittliche oder auch vorherrschende Charakter des Wetterablaufs eines bestimmten Zeitraums (von einigen Tagen bis zu ganzen Jahreszeiten) bezeichnet. Klima: Das Klima ist definiert als die Zusammenfassung der Wettererscheinungen, die den mittleren Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort oder in einem mehr oder weniger großen Gebiet charakterisieren. Hierbei wird ein Zeitraum von mindestens 30 Jahren zugrunde gelegt. Die Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organisation - WMO) empfiehlt den Zeitraum 1961 bis 1990 als Klimareferenzperiode zur langfristigen Betrachtung der Entwicklungen des Klimawandels. Klimawandel: Als Klimawandel werden die langfristigen Veränderungen dieses mittleren Zustandes der Atmosphäre (Klima) bezeichnet. Dabei ist es unerheblich, ob die Veränderungen natürlichen Ursprungs sind oder nicht. Das Klima unterliegt verschiedenen Einflüssen wie bspw. der Sonnenaktivität und den Erdbahnparametern, sowie Vulkanausbrüchen oder der Plattentektonik aber auch dem Einfluss des Menschen. Dabei kann festgehalten werden: Die durch den Menschen hervorgerufene Klimaerwärmung seit Beginn der Industrialisierung ist wissenschaftlicher Konsens. Der Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt ist ein auch ohne den Menschen vorkommendes Phänomen: Die Erdoberfläche strahlt langwellige Wärmestrahlung ab. Diese langwellige, nach oben gerichtete Strahlung wird durch Bestandteile der Atmosphäre, die Treibhausgase, absorbiert (aufgenommen) und wieder emittiert (abgegeben). Diese Strahlungsemission geschieht dabei in alle Richtungen, sodass die eigentlich nach oben gerichtete langwellige (also Wärme-)Strahlung zum Teil in der Atmosphäre gehalten wird. Diese erwärmt sich somit. Treibhausgase kommen natürlicher Weise in der Atmosphäre vor. Natürlich in der Atmosphäre vorkommende Treibhausgase sind bspw. Kohlenstoffdioxid (CO 2 ), Methan (CH 4 ), Lachgas (N 2 O) und Wasserdampf (H 2 O). Im Fall des Wasserdampfes verdeutlicht ein einfaches Beispiel den Effekt: In einer sternenklaren Nacht kühlt die Atmosphäre wesentlich schneller aus als bei bedeckten Verhältnissen. Die Erdatmosphäre schützt die Erde somit vor dem Auskühlen: im Gleichgewicht des Strahlungshaushalts ohne Atmosphäre läge die mittlere Erdoberflächentemperatur bei -18 °C. Ausgehend von einer globalen Mitteltemperatur von rund 15 °C wäre es ohne den Treibhauseffekt auf der Erde somit um ca. 33 Kelvin kälter. Die Konzentrationen der Treibhause CO 2 , CH 4 und N 2 O steigen seit Jahrzehnten durch den menschlichen Ausstoß an. In den letzten 60 Jahren hat die CO 2 -Konzentration um 25% zugenommen. Die Konzentration von Methan hat sich mehr als verdoppelt. Dabei gilt zu beachten, dass Methan eine deutlich stärkere Treibhauswirkung hat als CO 2 . Die Atmosphäre ist ein komplexes System. So hängen die verschiedenen physikalischen Größen und Vorgänge wie bspw. Temperatur, Verdunstung sowie Niederschlag/Wasserkreislauf miteinander zusammen. Verändert sich eine Variable (im Falle des Klimawandels die Temperatur), verändern sich auch die anderen Prozesse und Zustände der Atmosphäre. Weiterhin hängen die verschiedenen Komponenten des Klimasystems (Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre, Biosphäre, Lithosphäre/ Pedosphäre) miteinander zusammen. Um nur einige der prominentesten Beispiele zu nennen: Die Temperaturerhöhung der Atmosphäre hat bspw. Auswirkungen auf den Meeresspiegel der Ozeane (Hydrosphäre; z. B. Abschmelzen der Gletscher (Kryosphäre) sowie Dichteabnahme und damit Ausdehnung des Meerwassers) oder den Säuregehalt des Ozeans. Dies wiederum führt zu Beeinflussung des Ökosystems Meer (Biosphäre; bspw. Absterben von Korallenriffen). Weiterhin ist hiervon auch direkt der Lebensraum des Menschen betroffen: Besonders Inselstaaten sind vom Meeresspiegelanstieg bedroht. Zudem bricht mit den absterbenden Korallenriffen ein bedeutsamer Küstenschutz weg. Die globale Lufttemperatur hat seit 1850 um 1,1 K zugenommen. 2023 war global das erste Jahre, dass mehr als 1,5 K wärmer war als vorindustriell (Quelle: https://climate.copernicus.eu/global-climate-highlights-2023 ). Aber auch die Meerestemperaturen steigen an und puffern so einen Teil der Erwärmung der Atmosphäre zunächst ab. Der Anstieg der Temperaturen führt aber sowohl ober, als auch unterhalb der Wasseroberfläche zu Veränderungen von Gletschern, Eisschilden, Strömungen, Flora, Fauna und vielem mehr. Besonders empfindliche Systeme drohen irreversibel geschädigt zu werden, mit Folgen für den ganzen Planeten. Die Rede ist von sogenannten Kipppunkten im Klimasystem der Erde. Die Schnelligkeit der Erwärmung und der damit einhergehenden Veränderungen stellt eine besondere Herausforderung dar. Aus diesen Gründen ist sowohl die Anpassung an bereits stattgefundene oder nicht mehr vermeidbare Klimaveränderungen zwingend nötig, als auch der Schutz des Klimas insgesamt, um noch weiterreichende Veränderungen zu verhindern. Der Klimawandel wirkt sich auch auf regionaler Ebene aus. So steigt bspw. schon heute die Hitzebelastung in mitteldeutschen Sommern. Weiterhin können sich die Niederschlagsverhältnisse innerhalb des Jahres verschieben bzw. durch stabile Wetterlagen kann es immer häufiger zu länger anhaltenden Witterungsverhältnissen kommen, die unter Umständen zu Dürre oder Hochwassergefahr führen. Das Mittel der Temperaturverteilung verschiebt sich in Richtung warm bei zunehmender Bandbreite mit den Hitzeextremen. Globale Klimamodelle sind komplexe physikalische Modelle, die das Klimasystem der Erde anhand physikalisch-numerischer Gleichungen computergestützt und zeitabhängig beschreiben. Kalibrierte Modelle ermöglichen unter definierten Annahmen über die zukünftige Treibhauskonzentrationsentwicklung die Simulation möglicher zukünftiger Klimaentwicklungen (siehe Klimaszenarien). Modelle und ihre Eigenschaften Man nutzt zur Berechnung des zukünftigen Klimas globale Zirkulationsmodelle (General Circulation Model bzw. Global Climate Model - GCMs). Globale Modelle stellen ein unverzichtbares Instrumentarium für voraussichtliche Veränderungen der Häufigkeit und Dauer von charakteristischen Großwetterlagen dar und besitzen eine horizontale Auflösung von ca. 200 km x 200 km Gitterabstand (IPCC). Zeitliche Entwicklung der Modelle Die Entwicklung der globalen Zirkulationsmodelle ist wesentlich an die Entwicklung der Computerkapazitäten gebunden. Erst die Fortschritte in der Rechenleistung großer Computeranlagen haben es ermöglicht, dass sich die Komplexität der Modelle, die Länge der Simulation und die räumliche Auflösung steigern ließen. Die ersten Modellrechnungen wurden mit reinen Atmosphärenmodellen durchgeführt, die aus Wettermodellen abgeleitet wurden. Seit den 1960er Jahren wurden Atmosphären- und Ozeanmodelle miteinander gekoppelt, zunächst mit einer sehr rudimentären Dynamik. In den folgenden Jahren wurden Modelle der Atmosphäre und des Ozeans getrennt weiterentwickelt. Seit den 1990er Jahren wurden immer mehr Komponenten des Klimasystems miteinbezogen und die Modelle wurden immer komplexer. So wurden Anfang der 1990er Jahre Modellrechnungen durchgeführt, die auch die Wirkung der in der Summe abkühlend wirkenden Aerosole berücksichtigten. Außerdem wurden Modelle für den ozeanischen und terrestrischen Kohlenstoffkreislauf entwickelt und in gekoppelten Simulationen für den Bericht des Weltklimarates IPCC von 2007 genutzt. Eine dynamische Vegetation und die Chemie der Atmosphäre sind weitere Bausteine der Modellentwicklung. Das Resultat sind sogenannte Erdsystemmodelle. In jüngster Zeit sind verbesserte biogeochemische Kreisläufe und dynamische Eisschilde, die mit Klimaänderungen in Wechselwirkung stehen, hinzugekommen. Das langfristige Ziel ist es, dass möglichst alle Komponenten des Klimasystems einschließlich ihrer Rückkopplungen und der externen Störungen simuliert werden können. Um Aussagen über das zukünftige Klima treffen zu können, werden Globale Klimamodelle in Verbindung mit Szenarien genutzt. Diese Klimaszenarien beinhalten Annahmen über die zukünftige Entwicklung von Treibhausgasen und ggf. die Gesellschaft. Sie stellen eine sogenannte Randbedingung von Klimamodellrechnungen für die Zukunft (= Klimaprojektionen) dar. Der 5. IPCC-Bericht verwendete Szenarien mit repräsentativen Konzentrationspfaden (RCP), die den möglichen zukünftigen Verlauf der absoluten Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre beschreiben. Im neueren 6. IPCC-Bericht fanden gemeinsame sozioökonomische Entwicklungspfade (Shared Socioeconomic Pathways, SSP) Anwendungen, die stärker den möglichen künftigen Einfluss der gesellschaftlichen und ökonomischen Entwicklung der Menschheit als Ausgangspunkt für den Ausstoß von Treibhausgasen betrachten. Die unterschiedlichen RCP Szenarien sind in der Abbildung dargestellt. Der Zahlenwert hinter dem RCP entspricht dem zusätzlichen Strahlungsantrieb. Der anthropogene Strahlungsantrieb ist hierbei ein Maß für den Einfluss, den ein einzelner Faktor auf die Veränderung des Strahlungshaushalts der Atmosphäre und damit auf den Klimawandel hat. Er wird in Watt pro Quadratmeter angegeben. Ein positiver Strahlungsantrieb, z.B. durch die zunehmende Konzentration langlebiger Treibhausgase, führt zu einer Erwärmung der bodennahen Luftschicht. Ein negativer, z.B. durch die Zunahme von Aerosolen, hingegen bewirkt eine Abkühlung ( weitere Informationen ). Bei RCP2.6 würden also 2,6 W/m² mehr in der Atmosphäre verbleiben. Das Szenario des RCP2.6 ist dabei das Szenario mit konsequentem globalem Klimaschutz, dass das Ziel von 1,5 K Erwärmung bis 2100 einhalten könnte. Mit moderatem Klimaschutz rechnet das Szenario RCP4.5, hier würde man global rund 2 K Erwärmung bis 2100 erreichen. Das RCP6.0 ist das Szenario mit wenig globalem Klimaschutz. Hierbei würde sich die Erwärmung bis 2100 auf etwa 3 K belaufen. Ohne Klimaschutz (RCP8.5) würde die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre weiter ungebremst zunehmen. Die globale Temperatur würde bis 2100 um mehr als 4 K zunehmen mit entsprechend verheerenden Folgen für unseren Planeten. Die neuere Szenarienfamilie des 6. IPCC Berichts teilt sich recht ähnlich zu der Szenarienfamilie der RCPs auf, auch wenn sich diese im Detail unterscheiden. So wurden zunächst Narrative der sozioökonomischen Entwicklung aufgespannt, welche von „Nachhaltigkeit“ bis „Fossile Entwicklung“ reichen. Für diese verschiedenen Narrative (SSP1 bis SSP5) können verschiedene Strahlungsantriebe eintreten. Nach dem nachhaltigen Szenario mit konsequentem globalem Klimaschutz (SSP1-2.6) kann das 2-Grad-Ziel erreicht werden. Das Szenario SSP2-4.5 mit moderatem Klimaschutz geht von einer Erwärmung von knapp 3 K bis Ende des Jahrhunderts aus. Im Falle des SSP3-7.0 wird von einer Zunahme von Konflikten auf der Erde ausgegangen, die globalen Klimaschutz deutlich erschweren. Demnach würde die globale Temperatur um etwa 4 K ggü. dem vorindustriellen Wert ansteigen. Im SSP5-8.5 gelingt es der Menschheit nicht, Klimaschutz bis zum Ende des Jahrhunderts global umzusetzen. Dies führt zu einer Erwärmung von etwa 5 K. Die Szenarien zeigen, dass konsequenter globaler Klimaschutz bis hinunter auf die Ebene der Bundesländer in Deutschland alternativlos ist, wenn man tiefgreifende Veränderungen vermeiden will. Weiterhin stellen die Szenarien und Klimaprojektionen die Basis für die zu entwickelnden Maßnahmenkonzepte zur Anpassung an den zu erwartenden Klimawandel dar. Letzte Aktualisierung: 18.09.2024
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