Paul Crutzen (2006) - Atmospheric Chemistry and Climate in the Anthropocene

From an evolutionary point of view homo sapiens has been a highly successful species. Its accumulated, catalytic brainpower, consisting of brains with weights of only 1200-1600 g per capita (with 1230 g Einstein scored on the low side), has led to great technological, agricultural, and medical advances

Let me introduce myself, here I am, more than 70 years ago, in the lap of my grandmother, she had a tough life, she came from Poland and just the year before my grandfather had died, so she was not very happy. She was only 59 years old and had a very tough life. But I am smiling and I was more lucky than she. I’ve changed a lot, but many other things have changed. So during the past three centuries the human population has 10 folded and in the last century alone it has more than 4 folded. And cattle population grew with the humans and we have about 1,400 million cattle in the world, that means per family on average a cow, which is producing milk and cheese and also steaks for us. It also influences the chemistry of the atmosphere to which I will speak. Urbanisation grew more than a factor of 10 fold in the past century and almost half of the people now live in cities. And increasingly also in megacities, especially in the developing countries. Industrial output increased 40 times in the past century and energy use 16 times. Almost 50% of the land surface has been changed by human activities. Then water use has increased. So we are now using per capita per year about 800 cubic metre of water, mostly for irrigation, 25% for industry and only 10% for households. Human appropriation of net primary productivity is as high as about 30%. Fish catch increased 40 times. And if you go to the atmosphere, the release of SO2 to the atmosphere by coal and oil burning is now, it’s about twice the sum of all natural emissions. And if you look at the land, it’s even much more than that. And that has caused acid rain, it causes bad visibility, health effects, it also influences the climate and I’ll come back to that. Then the release of NO to the atmosphere has also more than doubled and that has influences on ozone formation in troposphere, photo chemicals, smog. And also it adds to acid rain. Then we have several climatically important gases like CO2 which has grown by a factor of 30% since pre-industrial times, and also especially methane has grown today to more than double the values of industrial times. That has a contribution by the cattle. Humanity is also responsible for the presence of many toxic substances in the environment. But even some which are not toxic at all, like the CFC gases, but they of course, as we all know, have played a large role in destroying ozone in the stratosphere and no doubt Sherry Rowland will speak more about it. Which has consequences for UV radiation and for instance skin cancer. Nitrogen fixation, at about 1980 the anthropogenic nitrogen fixation became equal to that by natural processes, that’s where the Haber-Bosch mechanism to produce ammonia, which is then converted into nitrogen fertilizer. We are now putting in more nitrogen fertilizer in the soils of the world to feed the people than natural processes. And it’s interesting and disturbing to know that this is of course done for a good reason, to feed the people in the world. But actually what ends up in the mouths of people is less than 10% of the nitrogen we put into the soils and we don’t really know where it is accumulating, what it is doing. We know one thing and that is that nitrous oxide, and that will always be produced, which is a greenhouse gas with a kilogram of emission, 300 times larger effect than carbon dioxide. So all of that has to be considered. Man is destroying the surface layer of the earth and we can say that man-made erosion around the world is about a factor of 15 times larger than natural erosion. We have species extinction, the normal rate of species extinction is about one species per million per year, actually it is now 100 to 10,000 times larger, as estimated by E.O. Wilson of Harvard. So the many changes which have occurred, and I only gave you a few examples, but generally we can say we have played increasingly a larger role in effecting natural process in the atmosphere. And for that reason I have dubbed a new geological era and that’s called the anthropocene, it’s the human geology, the geological period which is now, since about the beginning of the last century, has dominated the biological cycles and also climate and atmospheric composition. The two most famous examples of things which have happened in the environment, in the atmosphere, is the rise of carbon dioxide in the atmosphere and carbon dioxide is a greenhouse gas. And you see here the famous curves derived by Dave Keeling who unfortunately died last year, the pioneer of these measurements. You see also the wiggles, the up-and-downs, and they are the seasonal variations, the photosynthesis process is reflected there. We also see the ozone hole in the lowest two pictures. Since about the middle of the’70s, there is no doubt that ozone has gone down, the total amount of ozone is shown in the lower left hand picture and it doesn’t need a statistical analysis, you see with your own eyes that, and this is over Antarctica in Halley Bay, the station of the British Antarctic survey. You see a very rapid decline. So we have now about 2 to 3 times less ozone over Antarctica during spring time in the atmosphere. And this was not predicted, this came about because we hit the chemical system of the stratosphere in very sensitive ways. And that leads to depletions of ozone and interesting enough and shocking enough you see that normally, and that is shown in the right part of the picture, you see that normally when we have a maximum in ozone distribution in the stratosphere, just during the spring time, you see we have gone down from a maximum to a minimum. Who could have predicted that? Nobody, it was not predicted, the measurements were out, initially the measurements were not believed, the observers were not believed but the data came back, this is what is happening. And I leave it to Sherry to say more about it, and instead concentrate a little more on climate. Our climate is also effected by human activities. What is shown here is the radiation and energy budget of the atmosphere. At the top of the atmosphere on average we receive about 340 W/m2, and let's call that 100 units. Of these 100 units about almost 30 units are reflected back to space and that is by reflection from clouds and also by particles in the atmosphere. In the atmosphere we have further some absorption of solar radiation and finally what comes down to the earth surface is 47 units. The earth has to get rid of these 47 units because if not the earth will be cooking and the oceans will be cooking in a question of 1,000 years. Now, of the 47 units, and we’re now looking at the right hand part of the figure, of these 47 units, 29 units are given off from the earth surface into the atmosphere by sensible heat conduction and also by convected processes releasing latent heat that is condensation of heat into the atmosphere. There are 18 units left which the earth has to get rid of, if that would be all, we would have a temperature at the earth surface of the order of –25°C. But the earth does this in a very efficient way. There’s an enormous recycling of energy taking place. So in fact of just giving off 18 units, the earth gives up 114 units and 98 units come back to the earth surface. This is what we call the greenhouse effect. It’s caused by a number of gases in the atmosphere like water vapour, carbon dioxide, methane, ozone, N2O and also the CFC gases. And we are disturbing this, I mean this is the basis of science of climatic change. But that’s not the whole story. We warm the atmosphere by the greenhouse gases, that’s shown here, that’s the increase in the warming of the atmosphere and the earth surface. And it adds up to about 2.7 W/m2. And then we have some tropospheric ozone, also contributing to that. So say almost 3 W/m2 is given off, what is in netto captured by the earth, infrared radiation. There are also factors which cool the atmosphere and those are the particles in the atmosphere. We have examples here like black carbon and sulphur dioxide emissions, they form particles in the atmosphere, sulphate particles for instance, biomass burning and also the erosion processes, wind erosion is adding to the particulate load in the atmosphere. And they have a cooling effect because they reflect these particles, reflect solar radiation, they also act as condensation nuclei in the atmosphere. So all of that leads to a cooling, how much we don’t know because all these individual terms are very uncertain. And that’s a big problem. I have tried, together with a colleague, Ramanathan, to summarise in a very simple picture what might be happening. I just mentioned that on average the energy which is trapped by the earth since preindustrial times, is only average 2.7 W/m2. Let’s look where this 2.7 W/m2 is going. It’s going to heat the ocean, 0.3 W/m2, maybe a little more. Then we have, because the earth is warming up by about 0.6°C since preindustrial times, mainly over the last century, if we assume that the relative humidity of the atmosphere stays constant, that means, if temperatures go up, also the amount of water vapour which the atmosphere can trap goes up. Then that can be calculated, that cooling term, increased upwards infrared radiation, can be estimated to be about 1 W/m2. So we have two terms here which don’t balance the 2.7 W/m2, and that is what might be the increased albedo effect of the order of 1.4 W/m2, being half of the initial heating of the atmosphere, the energy balance. So of the potential to increase warming of the atmosphere, only half of that is actually factuated by the reflection of solar radiation at particles, these particles will increase cloudiness in the world, the clouds will also stay around longer and have a cooling effect. Now, it’s very interesting to compare the 2.7 W/m2 with the heat released to the atmosphere. We just take the heat supply to the atmosphere by burning, that’s only 0.025 W/m2, in fact the greenhouse warming is 2.7, it’s 100 times more. And that is due to the fact that we get our energy from the burning of fossil fuels. Also compare this 2.7 W/m2 or the 0.025 W/m2 with the original input of solar radiation to the earth system, which is 340 W/m2. So there’s a lot of energy, which is supplied by the sun to the earth and only a very small fraction of that is used. Climate models is the only way to get some idea of potential increases of temperatures, climate warming in the future, they are very complicated. And especially they are very complicated because we don’t very well understand the hydrological cycle, the water cycle of the atmosphere, cloud formation, cloud decay, that’s a major problem causing many uncertainties in prediction of the future. So I just mentioned that climate has always been very important in the history of mankind, people have been moving from places because of climate changes. We are now in a very quiet period, climatologically seen, we had the ice age about 18.000 years before, and then we have come into the holocene with rather constant temperatures around the globe. But there were also variations and especially people have been very sensitive to the supply of water. So it is quite likely that the Inca civilisation broke down because of a long period of few hundred years of very low water availability. So what are the current statements? The very latest report by the Intergovernmental Panel on Climate Change, I haven’t seen yet, it’s on the review and I will be pleased to read it. But let’s look at the Intergovernmental Panel on Climate Change, this is an international organisation, part of the United Nations system, which brings together the best scientists around the world to look at the problem. And they said in already 1995 that the balance of evidence suggests a discernible human influence on global climate. And then six years later, the report comes out in this intervals of six years, they said there’s new and stronger evidence that most of the warming observed over the last 50 years is attributable to human activities. And what are the projections for the future, for this century? An increase in temperatures, on the average of 1.4 to 5.8°C. Very uncertain, the uncertainty coming from science but also human behaviour. If we continue business as usual, as we do now, we certainly may approach the upper end of these temperature rises, so we have to get away from fossil fuel burning as soon as that is economically possible. That will lead to sea level rise, redistribution of precipitation, the effects will not be uniformly distributed around the globe. Extreme risk and extreme weather, like we had in 2003, and to rapid climate change so that the ecosystems cannot keep up with it. What should we do? Fossil fuels have to be replaced, we can’t go on with business as usual. But the task is enormous. To stabilise the amount of CO2 in the atmosphere, we have to reduce the emissions of carbon dioxide by more than 60%. And that does not include the justified hunger of developing nations to also eat from the cake of fossil fuel burning. Methane, there we have a little bit of a success story because methane at the moment is hardly increasing in the atmosphere, there is an equilibrium at the moment between methane input and output in the atmosphere. But that doesn’t mean that this will be forever, because if the earth’s surface and especially the permafrost regions of Siberia and Canada, if they heat up, they may release methane, CO2, in the atmosphere. Nitrous oxide is a gas which is a by-product of nitrogen fertilisation, And then we had some other success stories, the CFC gases are no longer produced, so the picture is not totally gloomy but is definitely very serious. And where is the CO2 put in the atmosphere, by which nations? Well, North America is leading, Oceania, Europe is also contributing substantially, and then we have basically the countries, the poor countries in Asia and Africa, who emit much less CO2 in the atmosphere. We should not believe that nature in some way will help us out, by if temperatures go up that then the biosphere will react by lowering the temperature. No, if you look in the geological records, in the ice course, which traps atmospheric gases in the atmosphere and analyse them, you see any time that temperatures went up, also the amount of CO2 went up, the amount of methane went up. Reinforcing the initial drive in temperature change, mostly by the Milankovitch orbital theory, can be explained by that, but enhancing it. Where will be the future? How stable is climate? Well, it can’t be that unstable as indicated in the upper graphs here in caricature, because we would already have fallen down, the climate had collapsed. It can’t be as stable as pictured here, because we have had ice ages. So we are somewhere in between, but we really don’t know very well what the future has in stake for us. The most sensitive parts of the earth are probably the high latitudes, especially the northern hemisphere. By doubling of carbon dioxide in the atmosphere, and that can be reached by the end of this century, if we don’t do anything about it, is leading to temperature increases of the order of 5°C or more, less in the equatorial region and also we see a maximum warming increase in temperature of the Antarctic region. But especially the northern latitudes are very sensitive. So new studies indicate that the Arctic Ocean ice cover is about 40% thinner than 20 to 40 years ago and that with that we get a positive feedback, because that means that less radiation is reflected into space. And the earth at high latitudes will warm. There is dramatic climate change happening in the Arctic, about 2 to 3 times the pace for the whole globe. Next year will be the polar year, international polar year, where we look in much more detail at this process, because the earth is most sensitive to human activities in the high latitude regions of the north. There may be effects on the gulf stream which has been discussed, that maybe because of changes in the salinity and temperatures of the ocean waters, the hydrological cycle is slowing down and maybe we get a less warm water going to the north, this was a few years ago, it was a very strong indication, but in the meanwhile, research has shown that probably this is not going to happen too easily. We should not believe that only people in the developed world are polluting the atmosphere, because we have also very primitive activities in the tropics. Deforestation, which adds to the carbon dioxide amounts in the atmosphere and which also has large regional effects, we see here a picture taken more than 20 years ago in Brazil, when we did experiments there. We see here two parts, we see the Himalayas and Mount Everest over here, we made a tourist flight to have a look at the mountain but very soon we were much more interested as scientists in what we see here, looking away from the Himalayas, namely air pollution, I hope you can see that very well. Also you go 1.000 kilometres south and south-west of India and you see an atoll in the Maldives and you see also, it’s maybe not so well visible, you see here air pollution, we call it Asian brown cloud. It has a major effect on the radiation balance of the atmosphere in those regions. And it’s especially important because many components in these particles which catalyse and many components, chemical components in there, especially important is the loading with black carbon. Black carbon, as the name says, absorbs lots of energy from the sun, it’s heating the atmosphere. So what do we see as a result of that? Basically we look at the Indian subcontinent and south of there, in the southern hemisphere we see some warming because of the presence of particles in the atmosphere. But you see especially over the land, and this continues into China, you see very strong heating effect by the absorption of solar radiation by the black smoke in the atmosphere. And that gives an additional warming of the order of 30 W/m2. This should be compared with the greenhouse effect, which gives about 3½ W/m2. So the atmosphere is warming, the earth surface is cooling, and that sets up stable meteorological conditions in which maybe, or probably, the precipitation is suppressed. So there will be less precipitation happening, say in the Asian region but also other regions, where you saw emissions in the atmosphere are very large. The earth surface is cooling, and with that also the ocean surface layers. Why we of course have to look at this, especially of great importance is because Asia is not only increasing in population but is also ambitious, you see the technological developments which are very strong in India and China and other countries in that area. So these effects may enhance in the future. What should we do? How should we get out of the mess? Well, you can sort of caricature, we feel sometimes in the same situation. So we don’t know what will happen, but coming back to my family, I’m here and here is my grandson and he will know what has happened, but we are responsible for what is happening to him, because the worst effects of climate change we haven’t seen yet. That’s something in the next 50 years, that’s really bottleneck for climate improvement. If we don’t do more strongly efforts against this development, independence from fossil fuels, we are in for a bad future. And here I would like to stop, thank you very much.

Ich möchte mich Ihnen kurz vorstellen. Hier bin ich, vor über 70 Jahren, im Schoß meiner Großmutter. Sie hatte ein hartes Leben, sie kam aus Polen und nur ein Jahr zuvor war mein Großvater gestorben, daher war sie nicht sehr glücklich. Sie war gerade mal 59 Jahre alt und hatte ein sehr hartes Leben. Aber ich lächle, ich hatte mehr Glück als sie. Ich habe mich sehr verändert, aber auch viele andere Dinge haben sich verändert. Während der letzten drei Jahrhunderte hat sich die menschliche Bevölkerung verzehnfacht und allein im letzten Jahrhundert mehr als vervierfacht. Und auch die Anzahl an Rindern hat mit den Menschen zugenommen und es gibt etwa 1,4 Milliarden Rinder auf der Welt, d. h. durchschnittlich eine Kuh pro Familie, die für uns Milch und Käse und auch Steaks produziert. Es beeinflusst auch die Chemie unserer Atmosphäre, worüber ich sprechen möchte. Die Urbanisierung hat im letzten Jahrhundert um das 10-fache zugenommen und beinahe die Hälfte der Menschen lebt jetzt in Städten. Und in zunehmendem Maße auch in Megastädten, insbesondere in den Entwicklungsländern. Die industrielle Produktion ist im letzten Jahrhundert um das 40-fache gestiegen und der Energieverbrauch um das 16-fache. Beinahe 50 % der Landfläche wurden durch die Aktivitäten des Menschen verändert. Der Wasserverbrauch ist gestiegen. Im Moment verbrauchen wir pro Jahr und Kopf etwa 800 Kubikmeter Wasser, das meiste davon für die Bewässerung, 25 % für die Industrie und nur 10 % für die Haushalte. Die Aneignung der Nettoprimärproduktivität durch den Menschen liegt bei etwa 30 %. Der Fischfang hat um das 40-fache zugenommen. Und betrachten wir die Atmosphäre, ist die Freisetzung von SO2 in die Atmosphäre durch die Verbrennung von Kohle und Öl in etwa das Doppelte der Summe aller natürlichen Emissionen. Und betrachten wir das Land, dann ist es sogar noch viel mehr als das. Und das hat zu saurem Regen geführt, zu schlechter Sicht, Gesundheitsbeeinträchtigungen und es beeinflusst auch das Klima. Darauf komme ich noch zurück. Dann hat sich die Freisetzung von NO in die Atmosphäre ebenfalls mehr als verdoppelt und das beeinflusst die Ozonbildung in der Troposphäre, Fotochemikalien, Smog. Auch das trägt zum sauren Regen bei. Dann gibt es noch mehrere klimatisch wichtige Gase wie CO2, das um einen Faktor von 30 % seit der vorindustriellen Zeit zugenommen hat und insbesondere hat auch Methan zugenommen, um mehr als das Doppelte im Vergleich zu vorindustriellen Werten. Dazu tragen unsere Rinderherden bei. Die Menschheit ist auch für das Vorkommen vieler toxischer Substanzen in der Umwelt verantwortlich, aber auch für einige überhaupt nicht toxischen, wie die FCKW-Gase. Sie spielen, wie wir alle wissen, eine wichtige Rolle bei der Zerstörung des Ozon in der Stratosphäre, worauf Sherry Rowland ohne Zweifel näher eingehen wird. Das hat Auswirkungen: mehr UV-Strahlung und zum Beispiel Hautkrebs. Stickstofffixierung. Etwa 1980 erreichte die anthropogene Stickstofffixierung das Niveau der Fixierung durch natürliche Vorgänge, dazu trägt vor allem das Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak bei, das dann in Stickstoffdünger umgewandelt wird. Wir bringen auf die Böden der Welt mittlerweile mehr Stickstoffdünger aus, um die Menschen zu ernähren, als natürliche Vorgänge. Und es ist interessant und beunruhigend zu wissen, dass dies natürlich aus gutem Grund geschieht, um die Menschen in der Welt zu ernähren. Was aber tatsächlich in den Mägen der Menschen ankommt ist weniger als 10 % des Stickstoffs, den wir auf die Böden ausbringen, und wir wissen nicht wirklich, wo er sich ansammelt, was er anrichtet. Was wir aber wissen ist, dass die Emission von einem Kilogramm Lachgas, und das wird immer erzeugt, das ist ein Treibhausgas, eine 300-mal größere Wirkung pro kg hat als Kohlendioxid. Das alles müssen wir bedenken. Die Menschheit ist dabei, die Erdoberfläche zu zerstören, und wir können sagen, dass die vom Menschen verursachte Erosion weltweit etwa 15-mal größer ist als die natürliche Erosion. Es gibt das Artensterben, normalerweise stirbt etwa eine Art pro Million im Jahr aus, im Moment liegt diese Rate aber 100- bis 10.000-mal höher, so schätzt es E. O. Wilson aus Harvard. Es gibt also viele Veränderungen, die aufgetreten sind, und ich habe nur ein paar Beispiele genannt. Generell können wir jedoch sagen, wir spielen eine immer größere Rolle bei der Beeinflussung natürlicher Vorgänge in der Atmosphäre. Und aus diesem Grund habe ich ein neues geologisches Zeitalter ausgerufen, Anthropozän genannt, es ist die menschliche Geologie, die derzeitige geologische Periode, die etwa zu Beginn des letzten Jahrhunderts angefangen hat, die die biologischen Zyklen und auch das Klima und die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmt hat. Die beiden bekanntesten Beispiele der Vorgänge, die in der Umwelt stattgefunden haben, in der Atmosphäre, ist der Anstieg an Kohlendioxid in der Atmosphäre und Kohlendioxid ist ein Treibhausgas. Sie sehen hier die berühmte Keeling-Kurve nach Dave Keeling, der leider letztes Jahr verstarb, einem Pionier dieser Messungen. Sie sehen auch die Schlängel, das Hoch und Runter, das sind die saisonalen Abweichungen, der Vorgang der Photosynthese ist hier abgebildet. Wir sehen auch das Ozonloch in der unteren der beiden Abbildungen. Seit etwa Mitte der 1970er-Jahre besteht kein Zweifel mehr daran, dass das Ozon abgenommen hat, die Gesamtmenge an Ozon ist in der unteren linken Abbildung dargestellt, und es bedarf keiner statistischen Analyse. Sie sehen es mit Ihren eigenen Augen. Das ist über der Antarktis in Halley Bay, der Station des British Antarctic Survey, dem Polarforschungsprogramm Großbritanniens. Sie erkennen eine sehr rasche Abnahme. So gibt es im Frühjahr jetzt etwa 2- bis 3-mal weniger Ozon in der Atmosphäre über der Antarktis. Und dies wurde nicht vorausgesagt. Dies geschah, weil wir das chemische System der Stratosphäre an empfindlicher Stelle getroffen haben. Und das führt zu einem Abbau an Ozon, und in interessanter und erschreckender Weise sehen Sie Sie sehen, dass normalerweise, wenn die Ozonverteilung in der Stratosphäre ihr Maximum erreicht, gerade im Frühjahr, dass wir von einem Maximum auf ein Minimum gesunken sind. Wer hätte das vorhersehen können? Niemand, es wurde nicht vorhergesehen, die Messergebnisse kamen heraus, anfänglich glaubte man den Messergebnissen nicht, glaubte man den Beobachtern nicht, aber die Daten kamen zurück. Das ist, was geschah. Und ich überlasse es Sherry, mehr dazu zu sagen, und konzentriere mich stattdessen ein wenig mehr auf das Klima. Auch unser Klima unterliegt dem Einfluss menschlicher Aktivität. Was Sie hier sehen, ist der Strahlungs- und Energiehaushalt der Atmosphäre. An der Obergrenze der Atmosphäre erreichen uns durchschnittlich etwa 340 W/m2, und lassen Sie uns dies mit 100 Einheitengleichsetzen. Von diesen 100 Einheiten werden etwa 30 Einheiten direkt in den Weltraum zurückgestrahlt, das liegt an der Reflektion durch Wolken und auch durch Teilchen in der Atmosphäre. Des Weiteren wird in der Atmosphäre ein Teil der Sonnenstrahlung absorbiert und was schließlich auf der Erdoberfläche ankommt, sind 47 Einheiten. Die Erde muss diese 47 Einheiten loswerden, denn wenn nicht, werden die Ozeane in etwa 1000 Jahren anfangen zu kochen. Nun, von diesen 47 Einheiten, und wir betrachten jetzt den rechten Teil der Abbildung, von diesen 47 Einheiten werden 29 Einheiten von der Erdoberfläche an die Atmosphäre abgegeben, durch Leitung von fühlbarer Wärme und auch durch Konvektionsvorgänge, bei denen latente Wärme, also die Kondensation von Wärme in die Atmosphäre, freigesetzt wird. Es bleiben also 18 Einheiten übrig, die die Erde loswerden muss, wenn das alles wäre, hätten wir eine Temperatur an der Erdoberfläche von um die -25° C. Aber die Erde hat einen sehr effizienten Weg gefunden. Es wird jede Menge Energie zurückgewonnen. Statt also einfach 18 Einheiten abzugeben, gibt die Erde 114 Einheiten ab und 98 kommen zur Erdoberfläche zurück. Das ist der Vorgang, den wir Treibhauseffekt nennen. Er wird von einer Reihe von Gasen in der Atmosphäre verursacht, wie Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Ozon, N2O und auch FCKW-Gase. Und wir stören dies, ich meine, dies ist die Basis der Wissenschaft vom Klimawandel. Das ist aber nicht die ganze Geschichte. Wir erwärmen die Atmosphäre durch die Treibhausgase, das ist hier abgebildet, das ist die Zunahme der Erwärmung der Atmosphäre und der Erdoberfläche. Da kommen etwa 2,7 W/m2 zusammen. Und dann gibt es noch das troposphärische Ozon, das ebenfalls dazu beiträgt. Sagen wir also etwa 3 W/m2 werden abgegeben, die netto von der Erde wieder eingefangen werden, als Infrarotstrahlung. Es gibt auch Faktoren, die für eine Abkühlung der Atmosphäre sorgen, das sind die Partikel in der Atmosphäre. Dazu gehören zum Beispiel Ruß- und Schwefeldioxidemissionen, sie bilden Partikel in der Atmosphäre, Sulfatpartikel zum Beispiel, die Verbrennung von Biomasse und auch Erosionsprozesse, Winderosion trägt zur Partikelbelastung der Atmosphäre bei. Und sie haben eine abkühlende Wirkung, denn diese Partikel reflektieren die Sonneneinstrahlung, sie fungieren außerdem als Kondensationskerne in der Atmosphäre. Das alles führt also zu einer Abkühlung, wie stark diese Abkühlung ist, wissen wir nicht, denn all diese einzelnen Bedingungen sind sehr unsicher. Und das ist ein großes Problem. Ich habe versucht, zusammen mit einem Kollegen, Ramanathan, in einer ganz einfachen Abbildung zusammenzufassen, was geschehen könnte. Ich habe gerade erwähnt, dass die seit vorindustriellen Zeiten im Durchschnitt von der Erde eingefangene Energie nur durchschnittlich 2,7 W/m2 beträgt. Betrachten wir einmal, wohin diese 2,7 W/m2 entschwinden. Zum einen heizen sie die Meere auf, 0,3 W/m2, vielleicht ein bisschen mehr. Die Erde hat sich seit der vorindustriellen Zeit um etwa 0,6° C erwärmt, hauptsächlich während des letzten Jahrhunderts. Wenn wir annehmen, dass die relative Feuchtigkeit der Atmosphäre konstant bleibt, heißt das, wenn die Temperatur steigt, steigt auch die Menge an Wasserdampf, die die Atmosphäre aufnehmen kann. Dann kann dies berechnet werden, diese abkühlende Bedingung, erhöhte Infrarotabstrahlung, sie kann auf etwa 1 W/m2 geschätzt werden. So gibt es also zwei Glieder, die die 2,7 W/m2 nicht ausgleichen, und das könnte der verstärkte Albedo-Effekt in der Größenordnung von 1,4 W/m2 sein, was der Hälfte der anfänglichen Erwärmung der Atmosphäre entspricht, die Energiebilanz. Vom Potenzial zur Ankurbelung der Aufheizung der Atmosphäre kommt nur die Hälfte davon durch die Reflektion der Sonneneinstrahlung an den Partikeln tatsächlich zum Tragen. Diese Partikel verstärken die Bewölkung auf der Welt, die Wolken halten sich auch länger und haben eine abkühlende Wirkung. Jetzt ist es sehr interessant, die 2,7 W/m2 mit der Wärme zu vergleichen, die an die Atmosphäre abgegeben wird. Nehmen wir einfach die Wärmeabgabe an die Atmosphäre durch Verbrennung, diese beträgt lediglich 0,025 W/m2, die Treibhauserwärmung liegt bei 2,7, das ist 100-mal mehr. Und das liegt daran, dass wir unsere Energie aus der Verbrennung fossiler Energieträger beziehen. Vergleichen Sie diese 2,7 W/m2 oder die 0,025 W/m2 auch mit der ursprünglichen Sonneneinstrahlung in das Erdsystem, die bei 340 W/m2 liegt. Eine Menge Energie also, die der Erde von der Sonne geliefert wird und nur ein winziger Teil davon wird genutzt. Klimamodelle sind die einzige Möglichkeit, sich ein Bild der möglichen Anstiege der Temperaturen, der zukünftigen Klimaerwärmung zu machen, sie sind sehr kompliziert. Und sie sind insbesondere auch deshalb sehr kompliziert, weil wir den hydrologischen Kreislauf, den Wasserkreislauf der Atmosphäre, Wolkenbildung, Wolkenzerfall, nicht genau kennen. Das ist ein großes Problem, was zu vielen Unsicherheiten bei Vorhersagen der zukünftigen Entwicklung führt. Ich habe gerade erwähnt, dass das Klima in der Geschichte der Menschheit schon immer von großer Bedeutung war, Menschen haben Gebiete aufgrund von Klimaveränderungen verlassen. Wir leben gerade in einer sehr ruhigen Periode, klimatologisch betrachtet, es gab die Eiszeit vor 18.000 Jahren, und dann traten wir in das Holozän mit eher konstanten Temperaturen rund um den Globus ein. Aber es gab auch Veränderungen, und besonders sensibel reagieren die Menschen auf die Wasserversorgung. So ist es ziemlich wahrscheinlich, dass die Zivilisation der Inkas aufgrund einer langen, ein paar Hundert Jahre andauernden Periode mit starkem Wassermangel zusammenbrach. Was also sind die aktuellen Aussagen? Der jüngste Bericht des Weltklimarats, ich habe ihn noch nicht gesehen, er wird gerade überprüft und ich freue mich darauf, ihn zu lesen. Aber betrachten wir den Weltklimarat, das ist eine internationale Organisation, Teil des Systems der Vereinten Nationen, der die besten Wissenschaftler der Welt zusammenbringt, um das Problem zu untersuchen. Und sie sagten bereits 1995, dass die Beweislage auf einen spürbaren Einfluss des Menschen auf das globale Klima hindeutet. Und dann, 6 Jahre später - der Bericht erscheint in diesen Intervallen von 6 Jahren - sagten sie, es gibt neue und stärkere Beweise, dass ein Großteil der in den letzten 50 Jahren beobachteten Erwärmung menschlicher Aktivität zuzuschreiben ist. Und was also sind die Prognosen für die Zukunft, für dieses Jahrhundert? Ein Anstieg der Temperaturen von durchschnittlich 1,4 bis 5,8° C. Sehr unsicher, die Unsicherheit liegt an der Wissenschaft, aber auch am menschlichen Verhalten. Wenn wir so weitermachen wie bisher, so wie im Moment, nähern wir uns mit Sicherheit dem oberen Ende des Temperaturanstiegs. Daher müssen wir aufhören, fossile Energieträger zu verbrennen, so schnell das ökonomisch möglich ist. Das führt zu einem Anstieg des Meeresspiegels, einer Neuverteilung der Niederschläge zu einem extremen Risiko, einem extremen Wetter, wie im Jahr 2003, und zu raschem Klimawandel, sodass die Ökosysteme damit nicht Schritt halten können. Was sollen wir tun? Fossile Brennstoffe müssen ersetzt werden, wir können nicht so weitermachen wie bisher. Aber die Aufgabe ist gewaltig. Um den Gehalt an CO2 in der Atmosphäre zu stabilisieren, müssen wir unsere Kohlendioxidemissionen um über 60 % senken. Und das schließt nicht den gerechtfertigten Hunger der Entwicklungsländer ein, ebenfalls vom Kuchen der Verbrennung fossiler Energieträger zu naschen. Methan, hier gibt es einen kleinen Erfolg zu vermelden, denn im Moment erhöht sich der Methangehalt der Atmosphäre kaum, es gibt derzeit ein Gleichgewicht zwischen Methaneintrag in die und Methanaustrag aus der Atmosphäre. Das bedeutet aber nicht, dass dieses ewig bestehen bleibt, denn die Erdoberfläche, insbesondere die Permafrostregionen von Sibirien und Kanada, wenn diese sich erwärmen, können sie Methan und CO2 in die Atmosphäre freisetzen. Lachgas ist ein Gas, das als Nebenprodukt der Stickstoffdüngung anfällt. Eine 70- bis 80-prozentige Reduzierung ist erforderlich, nur um den Gehalt in der Atmosphäre zu stabilisieren. Und dann gab es noch ein paar weitere Erfolgsgeschichten, es werden keine FCKW-Gase mehr hergestellt, daher ist die Lage nicht völlig aussichtslos, aber definitiv sehr ernst. Und wo wird CO2 in die Atmosphäre abgegeben, von welchen Ländern? Nun, Nordamerika ist der Spitzenreiter, Ozeanien, auch Europa leistet einen wesentlichen Beitrag, und dann gibt es grundsätzlich die Länder, die armen Länder Asiens und Afrikas, die viel weniger CO2 in die Atmosphäre entlassen. Wir sollten nicht glauben, dass uns die Natur schon irgendwie aus der Patsche helfen wird, wenn die Temperaturen steigen, dass dann die Biosphäre mit Senkung der Temperatur reagieren wird. Nein, wenn Sie die geologischen Aufzeichnungen betrachten, die Gletscher, die atmosphärische Gase in der Atmosphäre einschließen, und diese analysieren, erkennen Sie, dass jedes Mal, wenn die Temperaturen stiegen, auch die Menge an CO2 gestiegen ist, die Menge an Methan gestiegen ist. Die Verstärkung des anfänglichen Temperaturänderungsimpulses, diese kann vor allem durch die Milankovitch-Strahlungskurven erklärt werden, aber verstärken es. Wo werden wir in Zukunft liegen? Wie stabil ist das Klima? Nun, es kann nicht so instabil sein, wie in den oberen Abbildungen als Karikatur dargestellt, denn dann wären wir bereits heruntergefallen, das Klima wäre zusammengebrochen. Es kann aber auch nicht so stabil sein wie hier dargestellt, denn es gab Eiszeiten. Daher liegen wir irgendwo dazwischen, aber wir wissen wirklich nicht genau, was uns die Zukunft bringen wird. Die sensibelsten Teile der Erde sind wahrscheinlich die hohen Breitengrade, insbesondere in der nördlichen Hemisphäre. Eine Verdopplung des Kohlendioxids in der Atmosphäre, und diese kann Ende des Jahrhunderts erreicht sein, wenn wir nichts dagegen tun, führt zu einem Temperaturanstieg in der Größenordnung von 5° C oder mehr, weniger in Äquatornähe, und wir sehen ein Maximum der Temperaturerhöhung im Bereich der Antarktis. Aber insbesondere die nördlichen Breiten sind sehr empfindlich. Neue Studien deuten darauf hin, dass die Eisschicht über dem Nordpolarmeer etwa 40 % dünner ist als noch vor 20 bis 40 Jahren. Damit bekommen wir eine positive Rückkopplung, denn das bedeutet, dass weniger Strahlung in den Weltraum zurückreflektiert wird. Und die Erde wird sich im Bereich der hohen Breitengrade erwärmen. Es gibt gerade einen dramatischen Klimawandel in der Arktis, etwa 2- bis 3-mal so schnell wie auf dem gesamten Globus. Nächstes Jahr haben wir das Polarjahr, das internationale Polarjahr, dann beschäftigen wir uns wesentlich intensiver mit diesen Vorgängen, denn die Erde reagiert in den hohen Breiten des Nordens am empfindlichsten auf die Aktivität des Menschen. Das hat möglicherweise Auswirkungen auf den Golfstrom. Es wurde diskutiert, dass aufgrund von Änderungen im Salzgehalt und in den Temperaturen des Meerwassers, vielleicht der Wasserkreislauf sich verlangsamt und daher weniger warmes Wasser Richtung Norden strömt. Vor ein paar Jahren gab es sehr starke Hinweise darauf, aber mittlerweile hat die Forschung ergeben, dass dies vermutlich nicht so einfach geschehen wird. Wir sollten nicht glauben, dass nur die Menschen aus den Industrieländern die Atmosphäre verschmutzen, denn es gibt auch sehr primitive Maßnahmen in den Tropen. Abholzung, die zur Erhöhung der Kohlendioxidmengen in der Atmosphäre beiträgt und auch sehr starke regionale Auswirkungen hat. Wir sehen hier ein Foto, das vor über 20 Jahren in Brasilien aufgenommen wurde, als wir dort Experimente durchführten. Wir sehen hier zwei Teile, wir sehen den Himalaja und den Mount Everest hier drüben. Wir machten einen Rundflug, um einen Blick auf den Berg zu werfen. Aber schon bald waren wir als Wissenschaftler weit mehr an dem interessiert, was wir hier sehen, wenn wir vom Himalaja wegschauen, nämlich Luftverschmutzung. Ich hoffe, Sie können das sehr deutlich erkennen. Auch wenn wir von Indien aus 1000 Kilometer nach Süden und südwestlich gehen, sehen wir ein Atoll in den Malediven und wir sehen auch - vielleicht ist es nicht ganz so deutlich zu erkennen – wir sehen hier Luftverschmutzung, wir nennen das die „Asian Brown Cloud". Sie hat große Auswirkungen auf die Strahlungsbilanz der Atmosphäre in diesen Regionen. Und sie ist von besonderer Bedeutung, denn es gibt viele Komponenten in diesen Partikeln, die als Katalysatoren wirken, viele chemische Komponenten. Von besonderer Bedeutung ist die Belastung mit Rußpartikeln. Ruß absorbiert jede Menge Energie von der Sonne und heizt die Atmosphäre auf. Welches Ergebnis folgt also daraus? Wir betrachten vor allem den indischen Subkontinent und das Gebiet südlich davon. In der südlichen Hemisphäre gibt es eine Aufheizung durch das Vorhandensein von Partikeln in der Atmosphäre. Aber insbesondere über der Landmasse, und das bis nach China hinein, finden wir einen sehr starken Aufheizungseffekt aufgrund der Absorption von Sonnenstrahlung durch den schwarzen Rauch in der Atmosphäre. Und das ergibt eine zusätzliche Aufheizung in der Größenordnung von 30 W/m2. Sehen wir im Vergleich dazu den Treibhauseffekt, der bei etwa 3,5 W/m2 liegt. Die Atmosphäre heizt sich also auf, die Erdoberfläche kühlt sich ab und das führt zu stabilen meteorologischen Bedingungen, in der vielleicht, oder wahrscheinlich, die Niederschläge unterdrückt werden. Es gibt also weniger Niederschläge, sagen wir in der Asienregion, aber auch in anderen Regionen, in denen Sie starke Emissionen in die Atmosphäre erkennen konnten. Die Erdoberfläche kühlt sich ab und damit auch die oberen Meeresschichten. Wir müssen das natürlich mit besonders großer Wichtigkeit beobachten, denn Asien verzeichnet nicht nur einen Bevölkerungszuwachs, es ist auch ehrgeizig. Wir sehen die technologischen Entwicklungen insbesondere in Indien und China, aber auch in anderen Ländern dieser Region. Diese Effekte können sich in Zukunft also noch verstärken. Was sollen wir tun? Wie sollen wir uns aus diesem Schlamassel befreien? Nun, da können Sie eine Art Karikatur draus machen, wir fühlen uns manchmal in derselben Situation. Wir wissen also nicht, was geschehen wird. Aber kommen wir zurück zu meiner Familie. Ich bin hier und hier ist mein Enkel. Und er wird erfahren, was geschehen wird, aber wir sind für das verantwortlich, was ihm geschieht, denn die schlimmsten Folgen des Klimawandels stehen uns noch bevor. Das ist etwas, was sich in den nächsten 50 Jahren entscheidet, das ist wirklich der Engpass für Klimaverbesserung. Wenn wir keine stärkeren Anstrengungen gegen diese Entwicklung unternehmen, uns von fossilen Brennstoffen unabhängig machen, steht uns eine schlimme Zukunft bevor. Und damit möchte ich aufhören, vielen Dank.

Paul Crutzen (2006)

Atmospheric Chemistry and Climate in the Anthropocene

Paul Crutzen (2006)

Atmospheric Chemistry and Climate in the Anthropocene

Abstract

From an evolutionary point of view homo sapiens has been a highly successful species. Its accumulated, catalytic brainpower, consisting of brains with weights of only 1200-1600 g per capita (with 1230 g Einstein scored on the low side), has led to great technological, agricultural, and medical advances. With plentiful available natural resources, mankind could expand tenfold in number to more than 6000 million over the past 3 centuries. This has happened despite frequent attempts at genocide and mass killings by the only species which is capable of doing so. Close to half of the human population now lives in cities, with rapidly rising tendency. During the past century alone, industrial output increased 40 times and energy use was more than ten times that during the entire proceeding millennium, mostly due to the high demands of only some 20 % of the entire human population. About 40 % of the continents have been modified by human action and 40 % of the land’s primary productivity is used my mankind. These and other human expansions have, however, come at a price: Yearly some 160 million tons of SO2 enter the atmosphere from coal and oil burning, at least two times the sum of all natural emissions. Releases of NO from fossil fuel and biomass burning are also larger than its natural inputs. The results are heavy air pollution, acid rain and high ozone levels over large tracts of the continents with substantial impacts on human health and the biosphere. Several climatically important so-called “greenhouse gases” have substantially increased in the atmosphere during the “anthropocene”, the current human dominated geological epoch, which started with James Watt’s design of the steam engine in 1874. During the past two centuries, atmospheric carbon dioxide (CO2) levels have risen by more than 30 % due to fossil fuel burning and deforestation, and methane (CH4) has doubled, produced for instance in the rumens of some 1400 million cattle (worldwide, on average, about one cow per family). As a consequence it was recently estimated by the Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC) that global average surface temperatures will increase by 1.4-5.8°C by the end of this century, making it substantially warmer than ever before during the existence of homo sapiens.

Only thirty years ago it was still generally believed that mankind could only cause urban and regional pollution, such as the Los Angeles ozone smog and the London smog of December, 1952 when some 4000 people died, mostly due to high sulphur dioxide emissions from home heating. Successful countermeasures, especially centralized power generation, has prevented a repeat of the London smog. However, the L. A. type of summertime photochemical smog, despite some local improvements in Los Angeles itself, now affects many urban regions around the world. In addition, extensive rural regions in the tropics and subtropics of Africa, South America, and Asia are affected by heavy loadings of ozone and smoke particles, especially as a consequence of extensive biomass burning during the dry season, for example tropical forest clearing.

A regional cross-boundary problem, which became an international issue by the early 1970’s was acid precipitation falling in West and Northwest Europe (and the Northeast of North America), due to sulphuric and nitric acids, coming from fossil fuel burning, and resulting in forest damage and fish death in the lakes of Scandinavia. After some relaxing of the problem in Europe and North America due to reductions in the SO2 emissions, the same problem has now reached extensive parts of Asia.

While by the 1960’s and 1970’s some types of local and regional air pollution thus had attracted the attention of scientists and policy makers, the possibility of global air pollution effects had not yet been raised. Then in the first half of the 1970’s, some scientists predicted catalytic depletions of stratospheric ozone due to nitric oxide (NO) emissions from proposed fleets of supersonic aircraft and reactive chlorine resulting from emissions of chlorofluorocarbons, thus thinning our shield against the harmful ultraviolet part of sun’s radiation. Especially the catalytic ozone destruction by chlorine turned out to be very important. In fact, its significance initially had even been much underestimated, after scientists of the British Antarctic Service in 1985 reported rapid ozone loss (~ 70%) during springtime. This discovery and the identification that it was caused by chlorine-catalysed ozone destruction, led to international regulations to phase out the production of CFCs and several other ozone-depleting halogen compounds. To reach this agreement was, however a slow legal process. The phase-out first became 100 % effective by 1996 that is about 10 years after the first reporting of the ozone hole and 20 years after the first warnings about the effect of the CFCs, otherwise totally benign compounds. Unfortunately, because of the longevity of the CFCs, the ozone hole will recur each springtime over Antarctica, at least until the middle of this century.

The development of the ozone hole came as a total surprise, also to the scientific community. Nobody had expected the largest loss of ozone to occur over Antarctica, the farthest away from where CFCs are released, the mid-latitude zone of the northern hemisphere. What other surprises may await us in the complex chemical / physical / societal web of interactions in the environmental system and where are its weak spots? Can they be predicted? These are particularly difficult questions.

Another issue is “global warming” caused by growing amounts of greenhouse gases in the atmosphere. Can we reduce the expected large climate warming and associated sea level rise, and societal and biospheric consequences for current and future centuries? The task is huge: to stabilize atmospheric CO2 levels requires a reduction in current burning of fossil fuel by 60 %, a criteria which seems unrealistic with some 80 % of the world population still living in poverty. Clearly, the industrial countries, which have caused most of this problem, should reduce their use of the world’s resources of fossil fuels, but, with great difficulty, only a very small step could be taken last year by acceptance of the Kyoto protocol by most nations with some exceptions, notably the U.S., the nation with the highest carbon dioxide emissions per capita. It is very important to note that it is not the energy production per sé which is heating earth’s climate. It is the production of the “greenhouse gas”, CO2, a by-product of energy production by the burning of fossil fuels, which is the problem. Without the release of this waste gas, the energy dumped into the atmosphere would only cause a percent of the climate heating by the “greenhouse” effect. The major task for the future is thus to find ways to produce energy without releasing CO2.

What many perhaps do not know, largely because of their poverty, the 3rd world is already polluting the atmosphere by primitive combustion technology and large emissions of pollutants from biomass burning. Recent research by scientists from India, the U. S., and Western Europe has identified a large regional scale pollution event covering most of South and Southeast Asia and much of the Indian Ocean during the dry, winter monsoon season. Most impressive was the large loading of partially scattering, partially absorbing, particulate matter causing a reduction in sunlight at the earth’s surface, including the northern hemisphere Indian Ocean, by more than 10 %. The radiative climate forcing near the earth’s surface caused by this major perturbation, regionally some ten times larger than the global greenhouse gas forcing of climate, may imply significant consequences for rainfall over the Indian subcontinent region. Similar effects, more due to biomass burning also occur over large parts of Africa and South America. There is little doubt that future climate, and I think also world peace, will be determined by the fate of the still increasing populations in the poor parts of the world. Strong attention should be given to this issue, in the first place by offering assistance to developing nations to reduce poverty and to involve more young scientists in research. Only then, their governments can be effectively informed about the multiple stresses that homo sapiens is exerting on an increasingly frail environment.

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