Biogeochemie und Globale Umweltveränderungen EEE 201 PDF

Biogeochemie und Globale Umweltveränderungen EEE 201 Pascal Niklaus Jakob Pernthaler Marcel. v. d. Heijden Inhalt und Ziele der Vorlesung Prüfung  Einleitung Ziele & Inhalte Behandelte Themenkreise Woche 1 Klima und Energiehaushalt (PN) Woc...

Biogeochemie und Globale Umweltveränderungen EEE 201 Pascal Niklaus Jakob Pernthaler Marcel. v. d. Heijden Inhalt und Ziele der Vorlesung Prüfung  Einleitung Ziele & Inhalte Behandelte Themenkreise Woche 1 Klima und Energiehaushalt (PN) Woche 2 Klima vergangener Epochen Anwendung von Isotopenanalyse (PN) Woche 3 Globaler Kohlenstoffkreislauf 1 (PN) Woche 4 Globaler Kohlenstoffkreislauf 2 (PN) Woche 5 Erhöhte atmosphärische CO2 -Konzentrationen (PN) Woche 6 Dekarbonisierung der Energieversorgung (PN) Woche 7 Stickstoffkreislauf (PN)  Einleitung Ziele & Inhalte Behandelte Themenkreise Woche 8 Schwefelkreislauf (JP) Woche 9 Stickstoffkreislauf & Biodiversität (MvdH) Woche 10 Phosphorkeislauf (MvdH) Woche 11 Pestizide (MvdH) Woche 12 Pestizide (MvdH) Woche 13 Poly-fluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) Microplastik (MvdH) Woche 14 Schwermetalle & Antibiotika (MvdH) Januar Prüfung  Einleitung Ziele & Inhalte Behandelte Themenkreise Woche 8 Schwefelkreislauf (JP) Woche 9 Stickstoffkreislauf & Biodiversität (MvdH) Ziele Woche 10 Phosphorkeislauf (MvdH) Systemverständnis: Woche 11 Pestizide (MvdH) globale Stoffkreisläufe Schwerpunkt Woche 12 Pestizide (MvdH) grundlegender Kennenlernen Begriffe/Konzepte Woche 13 Poly-fluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) Microplastik (MvdH) Umweltveränderungen Anthropogene ("Global Change") Woche 14 Schwermetalle & Antibiotika (MvdH) Januar Prüfung  Einleitung Ziele & Inhalte Prüfung Keine Hilfsmittel erlaubt Multiple Choice Beispiele möglicher Prüfungsfragen folgen als Klickerfragen in den einzelnen Stunden Fragen sind Kombination unterschiedlicher Schwierigkeitsgrade (reines Wissens, Anwenden in gegebenem Kontext, eigene Überlegungen) Fokus liegt auf wichtigen, grossen Zusammenhängen Fragen genau lesen und beantworten !  Einleitung Ziele & Inhalte Lehrbücher und andere Unterlagen Beides gute Bücher, gehen aber viel weiter als UWW 181 Auszüge aus Kapiteln anderer Bücher auf OLAT  Energie und Klima Energiebilanz Energiebilanz der Erde Für quantitative Analyse: Skalen, und Grenzen: System und seine Grenzen müssen definiert werden Zeitskala Wahl hängt von Fragestellung ab Kenntnisse der Prozesse innerhalb des Systems: Black box Prozesse innerhalb des Systems unbekannt White box Prozesse innerhalb des Systems vollständig bekannt Grey box Kombination beider Ansätze  Energie und Klima Energiebilanz Energiebilanz der Erde Bloom 1991 Geomorphology p.108  Energie und Klima Energiebilanz Energiebilanz der Erde Energieinput Sonne dominiert Energiebilanz bei weitem! restl. Beiträge ∼0.02% ( radiogene Energie hier ausserhalb System, da mehrheitlich unter Meeresspiegel ) Bloom 1991 Geomorphology p.108  Energie und Klima Energiebilanz Was geschieht mit der Sonnenenergie? www.pv-magazine.de Welches System wandelt die Sonnenstrahlung effizienter in Energie um? Weizenfeld Solarpanel Blankenship et al. (2011) Science 332:805-809  Energie und Klima Energiebilanz Was geschieht mit der Sonnenenergie? Lebende Bestandteile eines Ökosystems wandeln selbst unter günstigen Bedingungen nur wenige Prozent der einfallenden Sonnenenergie in chemische Energie um, welche dann in den Photosyntheseprodukten gespeichert ist. Die Effizienz der Vegetation bzgl. Energienutzung ist unter anderem gering, weil die Photosynthese durch die Verfügbarkeit von C (CO2 ), Wasser, Temperatur, und Nährstoffen limitiert ist. Pflanzen sind zudem eher auf mittlere als an hohe Sonnenstrahlung angepasst. Nur ein Bruchteil der Sonnenstrahlung trifft auf Vegetation Aber: 100% der einfallenden Sonnenstrahlung treiben das Klimasystem an. Selbst die von der Vegetation genutzten max. 2% werden schlussendlich in Wärme umgewandelt, wenn das Pflanzenmaterial abgebaut wird.  Energie und Klima Meridionale Verteilung Verteilung der Sonnenstrahlung: Einfallswinkel Einstrahlung pro Landoberfläche nimmt polwärts ab  Energie und Klima Meridionale Verteilung Strahlungsbilanz Trenberth and Stepaniak 2003 J Climate Die mittlere jährlich absorbierte Sonnenenergie nimmt im globalen Mittel polwärts ab.  Energie und Klima Meridionale Verteilung Strahlungsbilanz Trenberth and Stepaniak 2003 J Climate Die Erde strahlt über eine “Eigenstrahlung” (wird noch besprochen) Energie wieder ab. Diese Abstrahlung bringt die Energiebilanz ins Gleichgewicht.  Energie und Klima Meridionale Verteilung Strahlungsbilanz Trenberth and Stepaniak 2003 J Climate Dieses Strahlungsgleichgewicht besteht aber nur im globalen Mittel. Regional besteht ein Überschuss in tiefen Breiten und ein Defizit in Polnähe.  Energie und Klima Meridionale Verteilung Strahlungsbilanz – Sonneneinstrahlung – Abstrahlung in Form von Wärmestrahlung NASA, 1987, Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) Die Strahlungsbilanz-Unterschiede werden durch Wärmeflüsse wieder ausgeglichen. Diese Energieflüsse erfolgen netto vorwiegend in Richtung zu den Polen. −→“meridionaler Energietransport”  Energie und Klima Meridionale Verteilung Meridionaler Energietransport Wunsch (2005) J Clim 18, p4375; OT=Transport durch Ozean; AT=Transport durch Atmosphäre; RT=Summe Energie wird von Atmosphäre und Ozean polwärts transportiert.  Energie und Klima Windsysteme Windsysteme 4 m/s Zürich 60 14 232 m/s Oslo m/ 3 s Quito Nordpol  Energie und Klima Windsysteme Windsysteme  Energie und Klima Niederschlag und Evaporation Wasserbilanz: Niederschlag minus Verdunstung http://www.ecmwf.int/research/era/ERA-40/ERA-40_Atlas/images/full/B12_LL_YEA.gif  Energie und Klima Biome Verteilung der Klimata Niederschlag und Temperatur (und ihr Verlauf) sind wichtige Charakteristika des Klimas Entsprechend werden diese zur Klassifikation der unterschiedlichen Klimata benutzt. Beispiel: Die sog. Köppen-Geiger Klassifikation definiert ein tropisches Regenwaldklima (“Af”) als eines, in welchem der kälteste Monat wärmer als 18°C ist und in jedem Monat mindestens 60mm Niederschlag fallen.  Energie und Klima Biome Verteilung der Biome Biom: Landschaftseinheit mit charakteristischen Lebensgemeinschaften tropischer Laubwald Savanne, Trockenwald Grasland  Energie und Klima Biome Verteilung der Biome Biom: Landschaftseinheit mit charakteristischen Lebensgemeinschaften  Energie und Klima Strahlungsbilanz Eigenstrahlung der Erde Was ist genau die “langwelligen Abstrahlung” der Erde ? Wie kommt diese zustande?  Energie und Klima Strahlungsbilanz Eigenstrahlung der Erde Alle Körper treten mit elektromagnetischer Strahlung in Wechselwirkung. Sie absorbieren Strahlung, geben aber auch eine Eigenstrahlung ab Je wärmer der Gegenstand, desto kürzerwelliger die abgegebene Strahlung Je wärmer der Gegenstand, desto grösser die abgestrahlte Energiemenge wikimedia  Energie und Klima Strahlungsbilanz Eigenstrahlung der Erde Kirchhoff zeigte, dass Strahlungsabsorption und Emission in einem Zusammenhang stehen. Ein Körper, der maximal viel Strahlung absorbiert (also komplett “schwarz” ist), wird als “schwarzer Körper” bezeichnet. Ein solcher Körper gibt bei gegebener Temperatur maximal viel Strahlungsenergie ab (seine sog. Emissivität beträgt 1) Gustav Kirchhoff (1824–1887)  Energie und Klima Strahlungsbilanz Eigenstrahlung der Erde Stefan-Boltzmann-Gesetz ε Emissivität (≤ 1) j ∗ = εσT 4 j ∗ Abgestrahlte Energie in W m−2 σ Stefan Boltzmann-Konstante 5.67 · 10−8 J s−1 m−2 K −4 T Temperatur in K Die meisten auf der Erdoberfläche vorkommenden Stoffe haben eine hohe Emissivität. Jozef Stefan (1835–1893) Metalle haben bei Umgebungstemperatur eine tiefe Emissivität. Ein paar Beispiele: Material Temperatur Emissivität Eis -10°C 0.96 Wasser 0–100°C 0.95–0.98 Erde 20°C 0.92–0.95 Eisen, poliert -70 – +700°C 0.06–0.25 Aluminium, poliert 50–100°C 0.04–0.06 Ludwig Boltzmann (1844–1906)  Energie und Klima Strahlungsbilanz Eigenstrahlung – Anwendung  Energie und Klima Strahlungsbilanz Strahlungsgleichgewicht Die Sonne strahlt mit ∼1.36 kW m-2 auf Die Schwarzkörperstrahlung der Erde die Erde (ausserhalb Atmosphäre; beträgt E = 4πr 2 ·ϵ· σT 4 “Solarkonstante”) Multipliziert mit der der Sonne zugewandten “Querschnittfläche” der Erde ergibt dies: πr 2 · 1.36 kW m−2 ≊ 170 · 1015 W  Energie und Klima Treibhauseffekt Treibhauseffekt: Gegenwärtige Strahlungsbilanz Emissionsspektrum der Erde und Sonne verschieden aufgrund unterschiedlicher Temperatur (∼ Schwarzkörperstrahlung: rote und blaue Linie) Atmosphäre besitzt unterschiedliche Durchlässigkeit in beiden Spektralbereichen ein Teil der einfallenden Strahlung erreichen Erdoberfläche nur ein kleiner Teil der Abstrahlung der Erdoberfläche dringt durch die Atmosphäre http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric_Transmission.png  Energie und Klima Treibhauseffekt Treibhauseffekt: Gegenwärtige Strahlungsbilanz Emissionsspektrum der Erde und Sonne verschieden aufgrund unterschiedlicher Temperatur (∼ Schwarzkörperstrahlung: rote und blaue Linie) Atmosphäre besitzt unterschiedliche Durchlässigkeit in beiden Spektralbereichen ein Teil der einfallenden Strahlung erreichen Erdoberfläche nur ein kleiner Teil der Abstrahlung der Erdoberfläche dringt durch die Atmosphäre http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric_Transmission.png  Energie und Klima Treibhauseffekt Treibhauseffekt: Gegenwärtige Strahlungsbilanz Emissionsspektrum der Erde und Sonne verschieden aufgrund unterschiedlicher Temperatur (∼ Schwarzkörperstrahlung: rote und blaue Linie) Atmosphäre besitzt unterschiedliche Durchlässigkeit in beiden Spektralbereichen ein Teil der einfallenden Strahlung erreichen Erdoberfläche nur ein kleiner Teil der Abstrahlung der Erdoberfläche dringt durch die Atmosphäre Treibhauseffekt Das Strahlungsgleichgewicht stellt sich erst bei einer höheren Oberflächen- temperatur der Erde ein! http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric_Transmission.png  Energie und Klima Treibhauseffekt Treibhauseffekt: Gegenwärtige Strahlungsbilanz Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt besteht natürlicherweise. Natürliche Treibhausgase sind H2 O, aber auch CO2 Anthropogene Emissionen von Treibhausgasen verstärken den Treibhauseffekt http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric_Transmission.png  Energie und Klima Treibhauseffekt Treibhauseffekt http://www.ipcc.ch/graphics/ar4-wg1/jpg/faq-1-1-fig-1.jpg Strahlungsbilanz ausserhalb der Erdatmosphäre -2 - Einstrahlung = 342 W m -2 - Abstrahlung = 107 (Reflexion) + 235 (Abstrahlung v. Atmosphäre und Erde) = 342 W m Strahlungsbilanz der Erdoberfläche -2 - Einstrahlung = 168 (direkte Strahlung) + 324 (Rückstrahlung der Atmosphäre) = 492 W m -2 - Abstrahlung = 390 + 78 (latente Wärme) + 24 (Konvektion) = 492 W m  Energie und Klima Treibhauseffekt Arrhenius 1896 Svante Arrhenius (1859-1927) 1903: Nobelpreis in Chemie für Theorie der elektrolytischen Dissoziation  Energie und Klima Treibhauseffekt Arrhenius 1896 Vorhersage des Erwärmungseffekt von CO2 Benutzt Messungen der Mondeinstrahlung unter unterschiedlichen Winkeln (durchgeführt von Langley), um die Absorption von CO2 (und H2 O) durch die Erdatmosphäre zu berechnen. Schätzt die Albedo der Erde (Schnee, Wolken) Berechnet dann das Strahlungsgleichgewicht Erkennt die Bedeutung von Eis-Albedo-Feedback in hohen Breiten Präsentiert relativ detailierte Analyse der globalen C-Kreislaufs Erwähnt CO2 -Emissionen durch Verbrennung von Kohle und deren Erwärmungswirkung Svante Arrhenius (1859-1927) 1903: Nobelpreis in Chemie für Theorie der elektrolytischen Dissoziation  Energie und Klima Treibhauseffekt Arrhenius 1896 Sagt Erwärmung von 6 °C bei Verdoppelung der atmosphärischen CO2 -Konzentration voraus  Energie und Klima Treibhauseffekt Globale Zirkulationsmodelle (GCM) Atmosphäre, Ozeane und Land in Gitterzellen eingeteilt (2D oder 3D) Modell bildet physikalische Prozesse direkt ab, oder Parametrisierungen davon  Energie und Klima Treibhauseffekt Globale Zirkulationsmodelle (GCM) Atmosphäre, Ozeane und Land in Gitterzellen eingeteilt (2D oder 3D) Modell bildet physikalische Prozesse direkt ab, oder Parametrisierungen davon Prozesse werden numerisch über Zeit integriert “State of the Art” sind gekoppelte Atmosphäre-Ozean GCMs (AO-GCM)  Energie und Klima Treibhauseffekt Beispiel GCM-basierter Prognose Erwärmung gegenüber Zeitraum 1980–1990 IPCC AR4