• Historische Einführung
• Die wissenschaftlichen Grundlagen
• Ein Überblick über Geoengineering- Konzepte
• Aerosol- basierte Vorschläge
• Bewertungsmaßstäbe
Climate Engineering:Ist der Globale Wandel aufzuhalten
Thomas Leisner, Institut für Meteorologie und Klimaforschung FZ Karlsruhe und Institut für Umweltphysik, Uni Heidelberg
Ulrich Platt, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg
Herzlichen Dank an Dr. Michael Höpfner, IMK, FZK für zahlreiche Beiträge
Klimawandel – was tun?
Abwendung (Mitigation)
Rasche Reduktion der Treibhausgasemission
Anpassung (Adaptation)
Umsiedelung, Änderung der Landwirtschaftsstruktur,
höhere Deiche ...
Climate Engineering
Verringerung der Sonneneinstrahlung, Entfernung
von Treibhausgasen aus der Atmosphäre
Geschichtliche Hintergründe
-Geoforming, GeoengineeringEnteisung des Nordpolarmeeres durch Beringstraßen- Damm und Umleitung der großen sibirischen Ströme zur Bewässerung ZentralasiensP.M. Borisov, Bulletin of the Atomic Scientists, March, 1969, pp. 43-48
-Wetter und Niederschlagskontrolle zu kommerziellen und militärischen Zwecken (USA, UdSSR, China, 1950 ~ 1980)
As our civilization steadily becomes more mechanized and as our population density grows the impact of weather will become ever more serious. ...The solution lies in ... intelligent use of more precise weather forecasts and, ideally, by taking the offensive throughcontrol of weather... I shudder to think of the consequences of a priorRussian discovery of a feasible method for weather control.Henry Houghton, MIT, 1957
Definition “Gezielte Klimabeeinflussung”(Geoengineering, Climate engineering)
Absichtliche, großskalige Manipulation der Umwelt, um unerwünschten Effekten des anthropogenen Klimawandels entgegenzuwirken (Keith, 2000):
FossileEnergiegewinnung
CO2
EmissionKlimasystem
Einfluss von Klimaänderungen auf den Menschen
Vermeidung, Verminderung
durch Alternative Energien
Rationelle Nutzung(Mitigation)
IndustriellesKohlenstoff-management
Geoengineering Anpassung(Adaptation)
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
01990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
Red
uktio
n in
%
goals
Datenquelle: BMU 3/2003 und Koalitionsvereinbarung Nov. 2005
CO2-Emissionen in Deutschland
Datenquelle: bis 2000: Energiebericht Baden-Württemberg 2001ab 2010 Gutachten des IER im Auftrag der Landesregierung BW März 2001
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energieträgern in Baden-Württemberg (technisches Potential ohne
Berücksichtigung der Kosten)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
1990 1995 2000 2010 2020 2030
[GW
h/a]
BiomasseWindkraftPhotovoltaikWasserkraft
Factor:
120
3000
6800
2
2030/1990BiomassWindPhotovoltaicWater
Potential für Elektrizitätserzeugung aus Erneuerbaren Quellen, in Baden-Württemberg,
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
Erze
ugte
r Stro
m in
BW
[GW
h/a]
Wasserkraft PhotovoltaikWindkraft BiomasseHeizöl ErdgasSteinkohle Kernenergie
Datenquelle: bis 2000: Energiebericht Baden-Württemberg 2001ab 2010 Gutachten des IER im Auftrag der Landesregierung BW März 2001
2030/1990
Faktor:
Elektrizitätserzeugung in Baden Württemberg, optimistisches Szenario
3
3
12030006800
2
AA
ABASLTT
2
122
22 044
L = S0/4 (1-A) = 238 W/m2 TB : Temperatur Boden
SolarkonstanteSolarkonstante(1360 W/m(1360 W/m22))
Planetare Albedo Planetare Albedo (~0,3)(~0,3) 4
BT4
AA T
4AA T 41 BA T
A : IR Absorptionsgrad (= Emissionsgrad), TA: Temperatur Atmosphäre
: Stefan-Boltzmann-Konstante
Die physikalischen GrundlagenEin 0-dimensionales Klimamodell
441 AABA TTL
44AAB TTL
Sichtbare (kurzwellige)Strahlung
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
220
240
260
280
300
320
Atm.
T /K
Tb
Ta
Änderung der Solarkonstanten
Vergrößerung der planetaren Albedo
Reduktion des Absorptionsgrads der
Atmosphäre• Streuer im Weltraum• Änderung der
Erdumlaufbahn
• Streuer in der Stratosphäre
• Absorber in der Stratosphäre
• Streuer in der Troposphäre
• Änderung der Albedo von Land- und Meeres -Oberflächen
• Geochemische CO2 – Abscheidung im Meer
• Düngung der Meere• CO2 - Abscheidung
aus der Luft• CO2 - Aufnahme
terrestrischer Ökosysteme
Einteilung (Taxonomie)
Einteilung der „Climate Engineering“ Verfahren
Vergrößerung der planetaren Albedo
Änderung der Solarkonstanten
Reduktion des Absorptionsgrads der Atmosphäre
• Streuer in der Stratosphäre
• Absorber in der Stratosphäre
• Streuer in der Troposphäre
• Änderung der Albedo von Land- und Meeres -Oberflächen
• Streuer im Weltraum
• Änderung der Erdumlaufbahn
• Geochemische CO2 – Abscheidung im Meer
• Düngung der Meere
• CO2 - Abscheidung aus der Luft
• CO2 - Aufnahme terrestrischer Ökosysteme
Erdoberflächen-temperatur:
14
0G
G A
S 1 AT
2 2
„Climate Engineering“ Methoden - Übersicht
T.M. Lenton and N.E. Vaughan, The radiative forcing potential of different climate geoengineering options, Atmos. Chem. Phys., 9, 5539–5561, 2009
r
rE
MS, Leuchtkraft LS
ME
1. Ort: L1-Punkt (instabil)2. Implementation: Wolke aus vielen Scheiben, stabilisiert
durch Modulation des Strahlungsdrucks, Scheibengröße: ~1 m, Gewicht: 1g, Anzahl: 1,61013
3. Optisches Design: transparentes brechendes Material, niedrige Flächendichte, Gesamtmasse: 20 Mt
4. Transport: elektromagn. Start, Ionenantrieb, Kosten: 50 $/kg (zur Zeit 20000 $/kg)
Änderung der Solarkonstanten: (Angel, PNAS, 2006)
Gesamtkosten einige Billionen $(100 Mrd. $/a)
Boyd, 2007
CO2 Abscheidung durch Düngung geeigneter Meere
… it is difficult to see how ocean iron fertilization with such a low Csequestered: Feadded export efficiency would easily scale up to solve our larger global C imbalance problems…
It would scale up to a region of 109 km²—more than an orderof magnitude larger than the entire area of the Southern Ocean.
K. O. Buesseler et al., Science 2002 and 2008
Nebenwirkungen:
erhöhte Produktion von klimawirksamen Gasen wie DMS, COS, org. Halogenverb.
M. Lawrence, Science,2001
Das atmosphärische Aerosol
Nano- bis mikrometergroße luftgetragene Partikel aus Ammoniumsulfat, Seesalz, Mineralstaub, Ruß und größeren
organischen Molekülen.
Konzentration: 1000 - 100000 particles per cm³ in the low atmosphere
adapted from: W. Rödel, Physik unserer Umwelt – die Atmosphäre, Springer
0.01 0.1 1 10
10-410-310-210-1100101102103104105106
dispersionmode
accumulationmodenucleation
mode
dM/d
log(
d)
diameter / µm
dN/dlog(d) ~ d-3
dN /d
log(
d)
Secondary aerosol:Kondensation aus flüchtigen VorläufersubstanzenSulfatpartikeln, Organisches Aerosol
Primary aerosol: Teilchen, die von der Erdoberfläche emittiert werden: Mineralstaub, Gischt, Biomassen- Brände, Vulkanasche
Prozesse:Koagulation, Sedimentation, Wolkenprozesse
Aerosol sources and processes
Size distribution
optical properties and lifetime
0.01 0.1 1 10 1000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
mas
s sp
ecifi
c ex
tinct
ion
(m²/k
g)
particle diameter (µm)
n=1.33 n= 1.55
U. Platt, Uni Heidelberg
Indirekter (Wolken-) Einfluss der Aerosole auf das Klima
Mehr Kondensationskeime erzeugen Wolken, mit mehr, aber kleineren Tröpfchen. Diese streuen das Licht effizienter. (Erster indirekter Effekt)
Solche Wolken regnen seltener und haben daher eine längere Lebensdauer (Zweiter indirekter Effekt)
Erhöhte Wolkenreflektivität durch Schiffsverkehr
Niedrigliegende Stratocumulus- Wolken bedecken etwa 30% der Meeresfläche
Eine 2% Erhöhung ihrer Albedo würde einem Klimaantrieb von 4W/m² entsprechen. (Latham 2002)
Cloud seeding with sea-salt particles (J. Latham)
Große Erhöhung der Albedo (~20%) möglichd=300nm (m=10-16kg) NaCl Teilchen sind optimalfunktioniert am besten in mariner Reinstluftes ist leichter, große Flächen schwach zu beeinflussen als kleine Flächen stark.
Vorschlag: Windgetriebene unbemannte Schiffe, dieper Satellitennavigation an die besten Orte gelotst werden.Versprühen Meerwassertröpfchen d~ 0.8 µm inaufsteigende Luftmassen. Einige tausend Einheiten müssten pro Jahr vomStapel laufen.
Pinatubo: SO2, H2S bis in die Stratosphäre 20-34 km• 10-20 Mt S • Oxidation zu Schwefelsäure:
SO2 + OH HSO3
HSO3 + O2 HO2 + SO3 SO3 + H2O H2SO4
• Nukleation + Koagulation + Kondensation H2SO4/ H2O –Teilchen (r 0.4 µm)
• Aufenthaltszeit in der Stratosphäre: 1-2 Jahre• Minderung der globalen Mitteltemperatur um 0,5 K
Stratosphärische AlbedoänderungBudyko, 1982, Crutzen, 2006
Mt.Pinatubo, 12.6.1991
Geoengineering:• Benötigter Massenfluss: 1,5-2 Mt S/a (Industrie: 55 Mt S/a)• Ort: Tropen • Transport: Geschütze, Raketen, hochfliegende Flugzeuge,
Ballons,…• Kosten: 25-50 Mia $/a• Alternativen: Metallische Streuer, kleine Ballons (4 mm)
(Teller et al., 1997)
Streuer in der Stratosphäre
Räumliche und zeitliche verteilung von:(a) x4 CO2Strahlungsantrieb
(b) Strahlungsantrieb durch stratosphärisches Aerosol
Govindasamy et. al.Global and Planetary Change 37 (2003) 157–168
Nebenwirkungen hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Verteilung des Klimaantriebes
Govindasamy et. al. 2003,Global and Planetary Change 37, 157–168
Auswirkungen auf Temperaturverteilung
Auswirkungen auf Niederschlag
change in daily precipitation column, (mm), J. Feichter et al. submitted
Side effects wrt. cirrus cloud formation
pure mineral dust
H2SO4 coated mineral dust
AIDA Lab. Experiments
Fragen über technische Machbarkeit und Kosten hinaus
Was sind die meteorologischen Konsequenzen bzw. Nebenwirkungen?
Welchen Effekt hat die zunehmende CO2 Konzentration auf das (marine) Leben?
Wer entscheided über Abbruch oder Fortsetzung der Klimabeeinflussung falls es zu Problemen kommt?
Wer kann die Durchführung der Maßnahme über Jahrhunderte (bis Jahrtausende) garantieren?
Was passiert, wenn die Maßnahme abgebrochen werden muss?
Marsilius Projekt, Universität Heidelberg