Feit: CO 2 concentratie in de atmosfeer stijgt

Transcriptie

1 Feit: CO 2 concentratie in de atmosfeer stijgt Mauna Loa, Hawaii, U.S.A. Barren lava field of an active volcano 19 32' N, ' W 3397 m above MSL bron:

2 Stijgende CO 2 concentratie in de atmosfeer Hoe komt dit Waar leidt het toe? Is het erg? Moeten we er iets aan doen? LZZZZZZZ.jpg Zo ja, wat?

3 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

4 IPCC Gezaghebbende informatie? 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 Rigg s Gletscher, Alaska 2010 KNAW / INW Werkwijze IPCC moet worden aangepast

5 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

6

7 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)

8 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 21 st century (table 3, p. 13) and that: Sea levels will probably rise by 18 to 59 cm (7.08 to 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.

9

10 Zeespiegelstijging...?

11 Andere effecten klimaatverandering (IPCC, 2007)

12 2 graden doelstelling United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) Rio 92 (inmiddels 192 landen) present: Conference of the Parties (CoP) 1997 Kyoto 2010 Copenhagen G-8 (2009): streven naar maximale opwarming van 2 o C Is doelstelling EU klimaatbeleid Cruciaal voor stabiliteit van ons klimaat Vraagt dat [CO 2 ] < 450 ppm (nu: 390 ppm)

13 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

14 De snelle koolstof-cyclus Living Carbon Fossil Carbon Using fossil fuels In-Use Carbon

15 Kwantitatief Systeem aarde: Hoeveel koolstof zit in 1 ppmv atmosferisch CO 2? Oplossing: Massa atmosfeer = 5.1 x kg (Trenberth, 1981 JGR 86: ) Dan is 1 ppmv CO 2 gelijk aan 2.13 Giga ton koolstof 2.13 Gigaton = 2.13 PetaGram (Pg) Koolstof de pre-industriële hoeveelheid CO 2 staat gelijk aan 2.13*288 = 580 [GtC]

16 Hoeveel koolstof in de atmosfeer is afkomstig van fossiele brandstoffen?

17 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 CO 2 lang constant, niet echt beïnvloed door de mens

18 Hoeveel koolstof in de atmosfeer is afkomstig van fossiele brandstoffen? Drie bronnen: (naar [Pg] 1. verandering van landgebruik: produktie van cement: 6 3. verbranding van fossiele brandstoffen: 282 Totaal 442 atm. CO 2 van 288 naar 370 ppmv = 82*2.1 = %

19 Koolstof-balans aarde Situatie 1990; Spiro, 1 e druk, p.127 de pre-industriële hoeveelheid CO 2 in de atmosfeer staat gelijk aan 2.13*280=580 [GtC] verandering landgebruik is al heel lang constant en 1.5 [Pg/jaar] ( ) uitstoot fossiele brandstoffen, cement is toegenomen tot 8 Pg/jaar (2005)

20 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

21 Interactie milieu menselijke activiteiten Economic system Human activities - process industry - infrastructures energy waste water Systemen: 1. Leren hanteren en analyseren 2. Ontwerpen van oplossingsstrategiëen

22 Temperatuurstijging? IPCC 1995: o C, sinds eind 19 e eeuw.

23 Een duurzaam, stabiel klimaat? De toekomst? Stijging?

24 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 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}

25 De laatste jaar interglaciaal interglaciaal Er lijkt een verband te zijn met CO 2 : CO 2 temperatuur

26 CO 2 en de industriële revolutie 1732-uitvinding van de stoommachine door James Watt Pre-industriële CO 2 -contentratie 275 ppm. Sources gebruik fossiele energiedragers CO 2, CH 4 cement produktie landgebruik ontwatering, ontbossing: CO 2 landbouw: N 2 O Sinks biomassa (aangroei) oceanen (opname CO 2 ) Systeem: snelle koolstof-cyclus

27 Oorzaken van de TOENAME van het CO 2 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

28 NRC-Handelsblad,

29 BP Statistical Review World Energy Use 1991: 8.2 mrd. TOE, 2006: 10.9 mrd. TOE 2011: 12 mrd. TOE

30 Gevolgen van een TEMPERATUURstijging Stijging van de zeespiegel (ijskappen smelten) verwacht ~ 6 tot 99 cm stijging aan het eind 21 e 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 3 rd assessment, (IPCC, 2001) met nog grotere zekerheid te verwachten (IPCC, 2007)

31 Gevolgen van een TEMPERATUURstijging Pentagon wil een toekomst zonder koolstof (NRC, ) 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, )

32 CO 2, temperatuur en zeespiegel.. correlatie?

33 De aarde warmt op! Of toch niet? Gemiddelde temperaturen; wereld Periode ?

34 De aarde koelt af!???? Vanaf 1940 tot 1975 daalde de temperatuur een halve graad CO 2 -gehalte in dezelfde periode steeg 1975 U.S. Academy of Science: als de afkoeling doorgaat, komt er een Grote Ijstijd Plan om extra CO 2 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

35 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

36 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

37 Energiebalans aarde: systeemgrens Aarde Atmosfeer

38 Energiebalans Boekhouden: wat gaat er door de systeemgrens? Wat zijn de uitgaande stromen? Wat zijn de ingaande stromen? Is er accumulatie?

39 De aarde: Energie-instroom Zon Reflectie: 30% Zonnestraling Zonnestraling Aarde Atmosfeer

40 Warmte straling van oppervlak De aarde: Energiestromen Zon Reflectie: 30% Zonnestraling Warmtestraling Zonnestraling Aarde Atmosfeer

41 Energiestroom-UIT Te begrijpen als straling van een Zwart Lichaam Zwart Lichaam straalt Energie uit Piek Intensiteit f(t) λ piek = c/t piek Zon: 6000K Aarde: 288K Intensiteit = f (T 4 ) S = σt 4 σ= 5, T 4 [W/m 2 K 4 ] Zon Spiro, 2 e druk p.146 Aarde

42 De aarde: een broeikas 2 Zon Zonnestraling Reflectie: 30% Warmte straling Energiebalans Aarde: In = zonnestraling Uit = warmtestraling (IR) Zonnestraling Aarde Warmtestraling van oppervlak Totaal = 0 (Evenwicht) Zonnestraling: gegeven Infrarood-uit: Atmosfeer ~ (T aarde ) 4 ~ absorptie CO 2 ; H 2 O; CH 4

43 Energiebalans Instraling zon Zonne-energie op aarde = 324,5 [W/m 2 ] Albedo (reflectiefactor) = 0.3 S = (1-Albedo) 324,5 = 240 [W/m 2 ] Uitstraling Aarde S = kt 4 = 5, T 4 [W/m 2 ] Gelijkstellen en oplossen: T aardoppervlak = 255 [K] = -18 [ C] Werkelijkheid T aardoppervlak = 288 [K] = +15 [ C] er is dus veel méér uitstraling van aardoppervlak Oorzaak: het broeikas-effect

44 Warmte straling Zon Reflectie: 30% Zonnestraling Warmtestraling van oppervlak Zonnestraling Aarde Atmosfeer De aarde: een broeikas Geen atmosfeer Taarde = 255 K (-18 o C) Met atmosfeer Taarde = 288 K (+15 o C)

45 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 21 ste eeuw

46 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!

47 Model: atmosfeer als plaat die deel IR straling terugkaatst S in, zon S uit, atmosfeer Grens met de ruimte Atmosfeer S uit, aardoppervlak S terug, atmosfeer Aardoppervlak

48 Atmosfeer als plaat Grens met de ruimte S uit, atmosfeer S in, zon Atmosfeer S uit, aardoppervlak S terug, atmosfeer Aardoppervlak

49 Golflengte spectrum Van gamma en rontgen, via zichtbaar licht, naar infrarood, microgolven, en radiogolven

50 Elektromagnetische straling Naar toenemende golflengte: gammastraling röntgenstraling ultraviolet zichtbaar licht infrarood microgolven (radar) radiostraling

51 Versterkt broeikas-effect? Infrarode straling (IR) wordt geëmitteerd door het aardoppervlak Spiro 1 e druk, p.121 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

52 Golfgetal:

53 H 2 O CO 2 CH 4 O 3 H 2 O CO 2 CH 4 O 3 H 2 O CO 2 CH 4 O 3 Atm. Window Atm. Window Golfgetal:

54 Karakteristieken broeikasgassen CO 2 CH 4 N 2 O CFK11 pre-industr. conc. [ppm] 270 0,70 0,29 0 huidige concentr. [ppm] 385 1,7 0,31 0,00028 jaarlijkse toename [%] 0,5 0,9 0,25 4 atmosf. levensduur [jaar] GWP (CO 2 = 1) GWP is een functie van Atmospheric Window, (toename) concentratie en levensduur in de atmosfeer

55 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 CO 2

56 Duiding effect broeikasgassen voor beleidsmakers; Hoe? Gebruik de energiebalans van de aarde Dit is een stralingsbalans; in=uit= +/- 240 [W/m 2 ] gemiddeld over de gehele aarde Vertaal emissie van broeikasgassen naar effect op de gemiddelde globale (wereld) energiebalans Radiative forcing [W/m 2 ]: netto bijdrage aan inkomende straling of vermeden uitgaande straling Berekend uit/met uitgebreide klimaatmodellen

57 Radiative forcing [W/m 2 ] Zie Spiro 1 e druk pag. 123

58 Radiative Forcing stand van zaken (IPCC, 2001) Figuur 6.11 uit Spiro (IPCC, "Summary for Policy Makers", 2001;

59 Radiative forcing (IPCC, 2007)

60 Energiebalans Aarde een onoverzichtelijk plaatje uit Spiro Spiro, 2 e druk p. 148

61 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

62 Koppelingen Waterdamp Ijs-albedo Wolken Oceaanstromingen Hydrologische kringloop Verwoestijning-albedo

63 Koppelingen via koolstof Biosfeer CO 2 in oceanen Permafrost Verdroging/bosbranden Organisch materiaal bodem