Feit: CO2 concentratie in de atmosfeer stijgt Mauna Loa, Hawaii, U.S.A. Barren lava field of an active volcano 19°32' N, 155°35' W 3397 m above MSL
bron: http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/sio-mlo.htm
Stijgende CO2 concentratie in de atmosfeer • Hoe komt dit • Waar leidt het toe? • Is het erg? • Moeten we er iets aan doen? http://imageseu.amazon.com/images/P/0521010 683.02.LZZZZZZZ.jpg
• Zo ja, wat?
IPCC: Intergovernment Panel on Climate Change • Wetenschappelijke organisatie, • •
1988: opgericht door de WMO (World Meteorological Organisation) en de UNEP (United Nations Environment Programme) 2007: Nobelprijs voor de Vrede, samen met Al Gore
• Doel: samenbrengen en evalueren van de wetenschappelijke kennis met betrekking tot: • • • •
door de mens veroorzaakte klimaatverandering de impact daarvan de mogelijkheden voor aanpassing (adaptation) of neutraliseren (mitigation).
Onderliggend doel: GEZAGHEBBENDE informatie / kennis
IPCC – Gezaghebbende informatie? • 2009 - fouten in het IPCC-rapport • Afsmelten van gletschers in de Himalaya • Welk deel van Nederland onder de zeespiegel • 2010 – Planbureau voor de Leefomgeving • Hoofdconclusies blijven staan • 2010 – KNAW / INW • Werkwijze IPCC moet worden aangepast
Rigg’s Gletscher, Alaska
IPPC – vierde assessment rapport (2007) •
Eerdere Assessments in 2001, 1995 en 1990/1992
•
IPPC: drie werkgroepen, waarvan Working Group I het belangrijkst:
• WG 1: “Physical Science Basis of Climate Change” • WG 2: “Impacts, adaptation and vulnerability” • WG 3: “Mitigation of Climate Change” • Taskforce Greenhouse Gas Inventories • •
Elk produceert een Assessment report En een Summary for Policy Makers
IPPC – WG1, vierde assessment (2007) Hoofdconclusies uit Summary for PolicyMakers
• Warming of the climate system is unequivocal (p. 5) • Most of the observed increase in globally averaged temperatures
since the mid-20th century is very likely due to the observed increase in anthropogenic (human) greenhouse gas concentrations. (p.10)
• The understanding of anthropogenic warming and cooling
influences on climate has improved since the [previous] TAR ...
• ... leading to very high confidence that the global average net
effect of human activities since 1750 has been one of warming, with a radiative forcing of +1.6 [+0.6 to +2.4] W m–2 (p. 3)
IPPC – WG1, vierde assessment (2007) Hoofdconclusies uit Summary for PolicyMakers
•
World temperatures could rise by between 1.1 and 6.4 °C (2.0 and 11.5 °F) during the 21st century (table 3, p. 13) and that: • • •
Sea levels will probably rise by 18 to 59 cm (7.08 to 23.22 in) [table 3]. There is a confidence level >90% that there will be more frequent warm spells, heat waves and heavy rainfall. There is a confidence level >66% that there will be an increase in droughts, tropical cyclones and extreme high tides.
•
Global atmospheric concentrations of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide have increased markedly as a result of human activities since 1750 and now far exceed pre-industrial values over the past 650,000 years
•
Both past and future anthropogenic carbon dioxide emissions will continue to contribute to warming and sea level rise for more than a millennium (p.17).
•
In IPCC statements "most" means greater than 50%, "likely" means at least a 66% likelihood, and "very likely" means at least a 90% likelihood.
Zeespiegelstijging...?
Andere effecten – klimaatverandering (IPCC, 2007)
“2 graden doelstelling”
• United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) – Rio ’92 (inmiddels 192 landen) • 1995 - present: Conference of the Parties (CoP) • 1997 – Kyoto • 2010 – Copenhagen • G-8 (2009): streven naar maximale opwarming van 2 oC • Is doelstelling EU klimaatbeleid • Cruciaal voor stabiliteit van ons klimaat • Vraagt dat [CO2] < 450 ppm (nu: 390 ppm)
Deel II - De atmosfeer Mondiale vervuiling: (Versterkt) broeikas-effect Aantasting van de ozonlaag (spm1530) Lokaal tot internationaal: Verzurende emissies & smog (spm1530) Dit college: inleiding broeikas-effect (spm1520) “traditionele milieuproblemen vs. wicked problems”
De snelle koolstof-cyclus “Living” Carbon
“Fossil” Carbon “Using fossil fuels
“In-Use” Carbon
Kwantitatief
•
Systeem aarde: • Hoeveel koolstof zit in 1 ppmv atmosferisch CO2?
•
Oplossing: • Massa atmosfeer = 5.1 x 1018 kg
(Trenberth, 1981 JGR 86:5238-46)
• Dan is 1 ppmv CO2 gelijk aan 2.13 Giga ton koolstof • •
2.13 Gigaton = 2.13 PetaGram (Pg) Koolstof de pre-industriële hoeveelheid CO2 staat gelijk aan 2.13*288 = 580 [GtC]
Hoeveel koolstof in de atmosfeer is afkomstig van fossiele brandstoffen?
Hoeveel koolstof in de atmosfeer is afkomstig van fossiele brandstoffen? Drie bronnen 1. verandering van landgebruik 2. produktie van cement 3. verbranding van fossiele brandstoffen tot 1850: concentratie van CO2 lang constant, niet echt beïnvloed door de mens
Hoeveel koolstof in de atmosfeer is afkomstig van fossiele brandstoffen? Drie bronnen: 1850 – 2000
(naar http://cdiac.ornl.gov/faq.html)
1. verandering van landgebruik: 2. produktie van cement: 3. verbranding van fossiele brandstoffen: Totaal
[Pg] 154 6 282 442
atm. CO2 van 288 naar 370 ppmv = 82*2.1 = 174 40%
Koolstof-balans aarde
Situatie 1990; Spiro, 1e druk, p.127 • • •
de pre-industriële hoeveelheid CO2 in de atmosfeer staat gelijk aan 2.13*280=580 [GtC] verandering landgebruik is al heel lang constant en 1.5 [Pg/jaar] (2000-2005) uitstoot fossiele brandstoffen, cement is toegenomen tot 8 Pg/jaar (2005)
Verandering van het klimaat • Broeikaseffect • mechanisme • broeikasgassen • toename concentratie, karakteristieken • anthropogene oorzaak? Koolstof-cycli • mogelijke effecten • causaliteit • Modelleren klimaatveranderingen • Organisatie van het wereldwijde klimaatonderzoek en -beleid • Beleidsdoelen
Interactie milieu ⇔ menselijke activiteiten
Economic system Human activities - process industry - infrastructures energy waste water
Systemen: 1. Leren hanteren en analyseren 2. Ontwerpen van oplossingsstrategiëen
Temperatuurstijging? • IPCC 1995: 0.3-0.6 oC, sinds eind 19e eeuw.
Een duurzaam, stabiel klimaat? De toekomst? Stijging?
Calibratie van de modellen (IPCC, 2007)
Figure SPM.4. Comparison of observed continental- and global-scale changes in surface temperature with results simulated by climate models using natural and anthropogenic forcings. Decadal averages of observations are shown for the period 1906 to 2005 (black line) plotted against the centre of the decade and relative to the corresponding average for 1901–1950. Lines are dashed where spatial coverage is less than 50%. Blue shaded bands show the 5–95% range for 19 simulations from five climate models using only the natural forcings due to solar activity and volcanoes. Red shaded bands show the 5–95% range for 58 simulations from 14 climate models using both natural and anthropogenic forcings. {FAQ 9.2, Figure 1}
De laatste 160.000 jaar
• Er lijkt een verband te zijn met CO2:
CO2
temperatuur
interglaciaal
interglaciaal
CO2 – en de industriële revolutie 1732-uitvinding van de stoommachine door James Watt
•
Pre-industriële CO2-contentratie 275 ppm.
•
Sources • gebruik fossiele energiedragers • CO2, CH4 • cement produktie • landgebruik • ontwatering, ontbossing: CO2 • landbouw: N2O
•
Sinks • biomassa (aangroei) • oceanen (opname CO2)
•
Systeem: snelle koolstof-cyclus
Oorzaken van de TOENAME van het CO2 gehalte in de atmosfeer • I=P*A*T • Exponentiële stijging van de WERELDBEVOLKING • Dramatische toename van de WELVAART in de geïndustrialiseerde landen; momenteel: India, China • Oorzaak of gevolg (?): dramatische toename ENERGIEGEBRUIK uit eerst steenkool, later aardolie, nu ook aardgas
• NRC-Handelsblad, 22.11.2000
• BP Statistical Review World Energy Use
• 1991: 8.2 mrd. TOE, • 2006: 10.9 mrd. TOE • 2011: 12 mrd. TOE
Gevolgen van een TEMPERATUURstijging • Stijging van de zeespiegel (ijskappen smelten) • verwacht ~ 6 tot 99 cm stijging aan het eind 21e eeuw • stijging zal honderden miljoenen mensen treffen • koraalriffen zullen afsterven • atollen zullen verdwijnen in de oceaan • toename van het aantal orkanen • soortmigratie van planten en dieren • vergrootte kans op tropische planten- en veeziekten • verhoogde productiviteit van de landbouw • E.e.a. al vastgesteld in 3rd assessment, (IPCC, 2001) • met nog grotere zekerheid te verwachten (IPCC, 2007)
Gevolgen van een TEMPERATUURstijging • Pentagon wil een toekomst zonder koolstof
(NRC,
18.02.04)
• “Klimaatverandering is: • uiterst nijpende bedreiging voor de nationale veiligheid • realiteit, en zal eerder en met dodelijker gevolgen toeslaan • al in 2020 risico op: onderling verbonden rampen • Mega-droogten, massale verhongering • Regionale kernoorlog door twisten om schaarse hulpbronnen • Kans: veranderingen voltrekken zich abrupt, in 3-5 jaar” • kan leiden tot mondiale catastrofe en zelfs een ijstijd • “Nederland in 2007 deels onbewoonbaar” doordat extreme stormen de zeeweringen vernielen en het land onderloopt (NRC, 23.02.04)
CO2, temperatuur en zeespiegel.. correlatie?
De aarde warmt op! Of toch niet?
Gemiddelde temperaturen; wereld 1890-1994
• Periode 1940-1965?
De aarde koelt af ! ???? • Vanaf 1940 tot 1975 daalde de temperatuur… een halve graad • CO2-gehalte in dezelfde periode steeg • 1975 U.S. Academy of Science: “als de afkoeling doorgaat, komt er een Grote Ijstijd” • Plan om extra CO2 in de atmosfeer te brengen om het klimaat op te warmen! • Afsluiten van Beringstraat (SU & USA) • Astronomisch gestuurde klimaatcycliciteit: over enkele duizenden jaren komt er weer een ijstijd
Hoe komen we erachter? • Modellen • energie- en stralingsbalans van de aarde (thermodynamische effecten) • atmosferische & zeewater circulatiepatronen (hydrodynamische effecten) • snelle koolstofcyclus: ‘sources’ and ‘sinks’ (biologische en geochemische effecten) • met veel beperkingen • samengestelde effecten • veel onzekerheden over de grootheden • klimaat is niet mondiaal
Verwarring in de discussie Wat vertelt een Energiebalans ‘Aarde’? Is er een verstoorde energiehuishouding van de Aarde? • Wordt die veroorzaakt door versterkt broeikaseffect? • Wordt het versterkt broeikaseffect veroorzaakt door emissies van anthropogene oorsprong? • Wat kan een energiebalans je vertellen? • Hoe stellen we de energiebalans op? • De vervolgvraag is: wat zijn de consequenties van een verstoorde energiehuishouding
Energiebalans aarde: systeemgrens
Aarde
Atmosfeer
Energiebalans
• Boekhouden: wat gaat er door de systeemgrens? • Wat zijn de uitgaande stromen? • Wat zijn de ingaande stromen? • Is er accumulatie?
De aarde: Energie-instroom
Re
g lin tra es
f le
nn Zo
cti e:
30 %
Zon
e nn Zo st ra g lin
Aarde
Atmosfeer
lin tra es W ar m te
g nn Zo l tra es g in
W ar m va te n op stra lin pe g rv la k
nn Zo st ra lin
g
Re fle cti e:
30 %
De aarde: Energiestromen Zon
Aarde
Atmosfeer
Energiestroom-UIT Te begrijpen als straling van een Zwart Lichaam • Zwart Lichaam straalt Energie uit
Zon
Spiro, 2e druk p.146
• Piek Intensiteit f(T) • λpiek= c/Tpiek • Zon: 6000K • Aarde: 288K
Aarde • Intensiteit = f (T4)
• S = σT4 • σ= 5,67 × 10-8 × T4 [W/m2K4]
De aarde: een broeikas 2
g lin st ra te
e nn Zo
te op stra li pe rv ng la k
g
W ar m
lin tr a
Re fl
es nn Zo
ec tie
:3 0%
Zon
ra st
va n
g lin
W ar m
• Energiebalans Aarde: • In = zonnestraling • Uit = warmtestraling (IR) • Totaal = 0 (Evenwicht)
Aarde
Atmosfeer
• Zonnestraling: “gegeven” • Infrarood-uit: • ~ (Taarde) 4 • ~ absorptie CO2; H2O; CH4
Energiebalans •
Instraling zon • Zonne-energie op aarde • •
•
Albedo (reflectiefactor) S = (1-Albedo) × 324,5
Uitstraling Aarde • S = kT4 = 5,67 × 10-8 × T4
= 324,5 [W/m2] = 0.3 = 240 [W/m2]
[W/m2]
•
Gelijkstellen en oplossen: • Taardoppervlak = 255 [K] = -18 [°C]
•
Werkelijkheid • Taardoppervlak = 288 [K] = +15 [°C] • er is dus veel méér uitstraling van aardoppervlak • Oorzaak: het broeikas-effect
g st ra lin m te W ar va n
g lin ra
• Geen atmosfeer o Taarde = 255 K (-18 C)
W ar
t es nn Zo
m te op stra lin pe g rv la k
g lin ra st
Re
e nn Zo
fle cti e
:3
0%
Zon
Aarde
Atmosfeer
De aarde: een broeikas
• Met atmosfeer o Taarde = 288 K (+15 C)
Broeikaseffect
Dus… Het broeikaseffect is GEWENST, want de temperatuur op de aarde blijft veel hoger dan anders het geval zou zijn geweest (288 K = 15°C i.p.v. 255 K = - 18°C) VERSTERKTE broeikaseffect is ONGEWENST, want de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt 1.1 tot 6 graden in de 21ste eeuw
Broeikaseffect • Definitie: “Het optreden van temperatuurverhoging door belemmering van infrarode straling.” • Karakteristiek aarde • De atmosfeer is vrijwel geheel doorlatend voor de straling van de zon; er vindt wel reflectie van zonnestraling door wolken en het aardoppervlak plaats • De atmosfeer is maar beperkt doorlatend voor de door de aarde uitgezonden infrarode straling; een deel van de uitgezonden straling wordt geabsorbeerd, en weer in alle richtingen uitgezonden; netto wordt dus IR straling naar de aarde teruggezonden!
Model: atmosfeer als “plaat”
die deel IR straling “terugkaatst” Grens met de ruimte
Suit, atmosfeer Sin, zon
Atmosfeer
Suit, aardoppervlak
Sterug, atmosfeer
Aardoppervlak
Atmosfeer als plaat
Grens met de ruimte
Suit, atmosfeer Sin, zon
Atmosfeer
Suit, aardoppervlak
Sterug, atmosfeer
Aardoppervlak
Golflengte spectrum
• Van gamma en rontgen, via zichtbaar licht, naar infrarood, microgolven, en radiogolven
Elektromagnetische straling Naar toenemende golflengte: • gammastraling • röntgenstraling • ultraviolet • zichtbaar licht • infrarood • microgolven (radar) • radiostraling
Versterkt broeikas-effect? •
Infrarode straling (IR) wordt geëmitteerd door het aardoppervlak
•
IR wordt geabsorbeerd & verspreid door moleculen in atmosfeer- “broeikasgassen”
•
Slechts klein “atmospheric window” wordt direct doorgelaten
•
Gassen met absorptie in dat “window” zijn meest sterke broeikasgassen
Spiro 1e druk, p.121
Golfgetal:
H2O CO2 CH4 O3
H2O CO2 CH4 O3
Atm. Window Golfgetal:
H2O CO2 CH4 O3
Atm. Window
Karakteristieken broeikasgassen
pre-industr. conc. [ppm] huidige concentr. [ppm] jaarlijkse toename [%] atmosf. levensduur [jaar] GWP (CO2 = 1)
CO2 270 385 0,5 50-200 1
CH4 0,70 1,7 0,9 10
N2O 0,29 0,31 0,25 150
CFK11 0 0,00028 4 65
25
298
4750
GWP is een functie van “Atmospheric Window”, (toename) concentratie en levensduur in de atmosfeer
Global Warming Potential (# Radiative Forcing!)
GWP maakt mogelijk om gassen te vergelijken GWP:
is gedefinieerd als: het effect van één ton broeikasgas op de temperatuurstijging genormaliseerd op het effect van één ton CO2
Duiding effect broeikasgassen voor beleidsmakers; Hoe? • Gebruik de energiebalans van de aarde • Dit is een stralingsbalans; in=uit= +/- 240 [W/m2] gemiddeld over de gehele aarde • Vertaal emissie van broeikasgassen naar effect op de gemiddelde globale (wereld) energiebalans • Radiative forcing [W/m2]: netto bijdrage aan inkomende straling of vermeden uitgaande straling • Berekend uit/met uitgebreide klimaatmodellen
Radiative forcing [W/m2]
Zie Spiro 1e druk pag. 123
Radiative Forcing – stand van zaken (IPCC, 2001)
•
Figuur 6.11 uit Spiro
•
(IPCC, "Summary for Policy Makers", 2001; http://www.unep.ch/ipcc/pub/spm22-01.pdf).
Radiative forcing (IPCC, 2007)
Energiebalans Aarde een onoverzichtelijk plaatje uit Spiro • Spiro, 2e druk p. 148
Wolkvorming
• Wolken reflecteren zonlicht • ,, absorberen zonlicht • ,, geven IR-straling af • Al • • •
het materiaal in de atmosfeer zendt IR straling uit in alle richtingen wordt opgewarmd door verdamping & thermiek opname en “scattering” van IR-straling afkomsting van het aardoppervlak
Koppelingen
• • • • • •
Waterdamp Ijs-albedo Wolken Oceaanstromingen Hydrologische kringloop Verwoestijning-albedo
Koppelingen – via koolstof
• • • • •
Biosfeer CO2 in oceanen Permafrost Verdroging/bosbranden Organisch materiaal bodem
