Paul Crutzen (2009) - Atmosphere Climate and Chemistry in the Anthropocene

Despite their relatively small mass, 10-5 of the earth biosphere as a whole, generations of ambitious ‘homo sapiens’ have already played a major and increasing role in changing basic properties of the atmosphere and the earth’s surface

Thank you very much for your applause and Sherry (Sherwood Rowland) is a very difficult act to follow because what you will notice is that I have some of the same sorts of slides, although they are much better quality when Sherry reads them. The title may surprise you, something called anthropocene, it’s a term I launched some 5 or 10 years ago maybe, indicating that I think we are geologically seen in a new era. And where mankind influences the environment to major degree and I can only see that this, at least for the foreseeable future will be increasingly the case. So if I don’t make a mistake now. So since the beginning of the 19th century mankind due to its growing activities opened a new geological era, the anthropocene. Anthro means man. For instance, we are clearly effecting climate and can deliberately do so and we call that geo-engineering, to which I will come back a little later in the talk. You can almost read it for yourself but maybe in the back of the hall even these slides are difficult to read. During the past 3 centuries human population has increased 10 fold to more than 6 thousand million or 6 billion in American units. And which 4 fold in the 20th century. Cattle population increased to 14 hundred million, that’s by a factor of 4 during the past century. And cattle produces methane among other sources of methane, cattle is an important one. So the cattle, there is basically one cow in the world which supplies a family of 4 with milk and cheese and steaks. But they produce methane and effect climate and chemistry of the atmosphere. Industrial urbanisation grew more than 10 fold in the past century, almost half of the people now live in cities and even more in mega cities. Especially the latter is happening in the developing world, I’ve no good explanation for that. Why people in the developing world want to live in mega cities. Industrial output increased 40 times during the past century. And energy use 16 times. to about 800 cubic metre per capita per year. It takes about 20,000 litres of water to grow one kilo of coffee. So in the rich countries we have an oversupply of water and over use of water, in developing countries this is not the case. Human appropriation of terrestrial net primary productivity is on the average 30% but with large uncertainty. So the real number is somewhere in the range 10 to 55%. Fish catch increased 40 times, the release of SO2 sulphur dioxide to the atmosphere, currently about 130 million tonnes per year, by coal and oil burning is at least twice the sum of all natural emissions. Over land the increase has been 7 fold causing acid rain, health effects, poor visibility and climate change due to sulphate aerosols. Releases of NO to the atmosphere has also increased very much, this is about 25 million ton of nitrogen hitting the atmosphere due to human activities. And that gives rise, and this I talk about the NO in the troposphere, that gives rise to the ozone mountain, the ozone which you see in summer time, the summer smoke ozone. Several climatically important gases have substantially increased and the numbers are 30% for CO2 and more than 100% for methane. That was of course shown by Sherry, we see here why we definitely can talk about anthropocene, what is shown in these new graphs. You see over the last 10,000 years the amount of CO2 in the atmosphere didn’t increase or decrease much, maybe a slight increase. But you see this jump here, and that’s about, that started about 200 years ago and is accelerating. And we see here the last few hundred years depicted in the inset here, you see especially the rise in CO2 especially and I’ll come back to that happening after the Second World War. The same with methane, same sort of picture, the same for N2O and there are many other gases if you would have measurements of them, definitely would show the same features. And of course that means that we get warming and warming units are given in watts per square metre and I will come back to that. And most of that was happening after the Second World War. Typical pictures, if you will consider the activities, the economic activities, the damming of rivers, the use of fertiliser, consumption of water etc, this could be a very long list, I just give you a very short indication, really a lot happened over the last 60 years, 50 years since the Second World War. Humanity is also responsible for the presence of many toxic substances in the environment and even such which are not toxic at all but which nevertheless have appeared in the ozone hole. And I go to the next slide because Sherry has talked about this, of course ozone is important to trapping or filtering out radiation from the sun. Species extinction. Under natural circumstances species extinction was about 1 species per million per year, it’s now 100 to 10,000 times larger. So if you take the middle of this wide range it would say that the risk for depletion, of extinction is about 1 species per 1,000 per year. So if that number is correct then that’s major influence on the environment. Erosion is much due to human activities, the human made natural erosion is about 15 times larger, the human made erosion, soil erosion is about 15 times larger than the erosion coming from natural processes. We can look at the use of nitrogen fertiliser, we see one line, that is the natural nitrogen fixation rate over land and of course that doesn’t show much of a change over time, it’s a natural phenomenon. And the units are given here in teragram, in million tonne per year. The anthropogenic nitrogen fixation, that’s synthetic fertiliser use, grew especially strongly after the Second World War, you have the same feature here. And it surpassed the natural nitrogen fixation by, basically this is down to using agriculture to produce food. And one of the by-products of that is N2O which was also mentioned by Sherry and plays a large role in the chemistry of the stratosphere. It’s also a greenhouse gas. Something about the composition of the atmosphere can be rather quick, Sherry showed this, almost all air is contained in nitrogen, oxygen and argon. We cannot influence their concentrations in the atmosphere to any degrees but the little bit of trace gases which, gas which is left, they are gases which can be influenced by human activities, methane, ozone, N2O, CFC gases, all of this was shown by Sherry in some way and I don’t think I need to repeat this. We see a strong rise of the concentrations of these trace gases. We had one success story, the chlorofluorocarbons are no longer increasing in the atmosphere. These are the most impressive curves of human activities in the atmosphere, we see the growth of carbon dioxide, also shown by Sherry and the ozone hole. Something which surprised everybody of us, spring time ozone hole which shows a steady decline by altogether a factor of 3 in the atmospheric concentrations of Antarctica. And where is this ozone depletion happening, it’s just happening exactly in the height region where normally you have a maximum in ozone, you're going down to zero in very short time. Now when this data became available they were not accepted very easily because this is so surprising, so especially our British colleagues analysed the data over and over again but they got the same answer, so this was really happening and it shows you that in the atmosphere strange things can happen because of human activities or any other activities but in this case human activities. Something about the greenhouse effect, the earth receives about 300 watt per square metre of energy from the sun. If we call that 100 units then what comes down to the earth surface is about 47 units because of absorption of radiation, short wave radiation in the atmosphere, reflection to space what is left is 47. This 47 units at earth surface, the earth has to get rid of and it does that in the first place by the release of, by the evaporation of water at the earth surface which is cooling and also by heat convection. That’s about 18 units or, so the earth still has to get rid of about 16 units or 18 units of radiation. But it’s just not shooting up 18 units, what's happening is that there is a trapping of the radiation by the greenhouse gases in the atmosphere. So you have tremendous recycling which is taking place here of heat radiation in the atmosphere, that’s the heating of the atmosphere by human activities. This is the result; you get a temperature increase, especially of the last 50 years, about 20 centimetres sea level rise and more to come in the future. And also reduction of snow-covered areas. That’s coming from the IPCC analysis of 2007. Here we show the heat balance of the atmosphere in the orange colour, you see the greenhouse warming explained by Sherry so I won’t deal with it, would explain much of it, you know about it also, what is interesting is and what is very uncertain is what is happening with regard to the reflection of solar radiation by particles in the atmosphere. Most of these particles which are listed here, sulphide particles, organic particles, all of those are basically air pollutants. And you want to take out these from the atmosphere, but if you do that then the cooling effect supplied by the particles in the atmosphere will disappear so it will get warmer. So we have a choice here and a dilemma for policy makers which one can foresee. There is also the uncertainties are tremendous of course, this slide goes back to the IPCC 2001, the numbers are better known and Sherry explained this. But these particles also affect cloudiness because clouds are formed on aerosol particles. So with more particles in the atmosphere the more droplets of water in the clouds and that means that the surface to volume ratio of clouds become bigger and you get more reflection and that’s a very important term about which we are struggling to put estimates, make estimates of. So the IPCC in 2001 made the following statement, warming of the climate system is obvious, comes from increase in global temperatures, ocean temperatures, sea level rise. It’s of the order, for doubling of CO2 in the atmosphere, we know by the end of this century the heating which is expected or projected by the IPCC is between 2 and 4.5 degrees Celsius. The sea level rise is projected to be between 20 and 58 centimetres by the end of this century. However Stefan Rahmstorf and quite a few more claim that these are severely underestimated, we are really talking about 0.5 and 1.4 metres by the end of this century. For doubling of CO2 of course we don’t know whether CO2 is going to double, that depends on the behaviour of human beings. Other effects and hence redistribution of precipitation and hence risk for extreme weather, increase in heat waves in Europe as in the summer of 2003 and too rapid climate change so that eco systems cannot adapt. What is needed to do about this is we have to reduce the emissions of CO2 in the first place and methane second place maybe, nitric oxide in the atmosphere. To stabilise the amount of CO2 in the atmosphere the required reduction in emissions is more than 60%. When you realise how difficult it will be, in reality we don’t have a reduction in the amount of CO2 in the atmosphere but we still have year by year an increase by 2 to 3% of the emissions. So we are on the wrong track. The same in methane we have almost constant levels, Sherry showed that and we should be happy but maybe this is just an interim phase because if for instance the tundra and artic regions are going to warm then the permafrost we talk about, then that will release CO2 to the atmosphere and probably also methane. So we shouldn’t be happy that we have solved the problem. Nitric oxide comes from agricultural activities and needs a reduction of 80% to stabilise. So really we cannot expect that to happen. But we have also the greenhouse, the CFC’s which makes us a little happier because they are banned from use. And here we see the emissions in metric tons of CO2 per capita per year and you see that our American friends are taking a big share but Europe and Oceania also add their contribution. And you see the poor countries which are not part of the game yet and they definitely will become, that makes it even more difficult to stabilise or decrease the amount of CO2 in the atmosphere. Also shown by Sherry, any time in the past when temperatures went up or down due to Milankovitch cycle, climate cycle, any time temperatures reached a maximum, also carbon dioxide and the greenhouse gases went up, so they didn’t help much in combating the climate impact. They in fact strengthen the impact of the Milankovitch cycle. And very sensitive are the high latitude regions. The global average we will come back to but in this particular model doubling of CO2 gave increase in temperatures in the tropics of the order of 2 degrees but you see at high latitudes, especially in the northern hemisphere bigger, much bigger increases. And that’s reflected in reports. New studies indicate that the artic oceans, ice cover is about 40% thinner than 20 to 40 years ago. There is dramatic climate change happening in the artic, about 2 to 3 times faster than that for the whole globe. And then that brings me in addition to the melting of permafrost and possible release of CO2 and methane. Can we do something against greenhouse gas emissions, well in the first place what is required is that we reduce the emissions of CO2 and also methane but in the first place CO2 to the atmosphere, that’s absolutely needed. That can be done by energy savings, renewable energy, nuclear energy, winds and solar energy and sequestration of CO2. But that is not what we see is happening very much, the increased amount of CO2 in the atmosphere is worrisome. And one can ask oneself what would it take if one would increase the reflectivity of solar radiation to cool the atmosphere, the earth and the atmosphere. What would be the effect of 1 to 2 million tons of sulphur emissions in the stratosphere, in the stratosphere where things stay around for a long time, so you don’t need so much materials, still 1 to 2 million tons is still a lot but if you would put in so much in the troposphere it would go much worse. And we would have an enhanced greenhouse acid rain effect. What would happen if we supply sulphur to the stratosphere in this amount. You do that by balloons or aircraft, you bring H2S for instance in the stratosphere and then the stratosphere, in the stratosphere the H2S is converted into sulphate particles by many reactions and they reflect solar radiation. Here is a picture of how it looks like, this is the stratosphere, starts with higher altitudes over the equator and then in the troposphere you can put in the sulphur here, preferred air motions will come down into the troposphere. So we, together with some scientists, Phil Rasch and Danielle Coleman, we did some model calculations with some of the most advanced models we have and we supplied this model with sulphur and look what's happening. The concept is not new, it’s not mine, it goes back originally to Bodyko a Russian scientist, 1977, there has been reports on this by the US national academy of sciences and also some more recent studies. And our study is the newest one. What do we do, we fix aerosol and greenhouse forcing at present level, present day levels over the earth, that's what we call the control case. Then we do a calculation in which we add CO2, then that would heat the atmosphere and the earth surface. Alternatively we inject 1 teragram of sulphur per year as SO2 at 20 kilometres, between about 10 degrees north and 10 degrees south, we call that geo-sulphate, that should cool the earth and the atmosphere. And then you do both and if you do both that may indicate that we could do something about the heating of the atmosphere, even if we don’t like to do that. And here are the results of the calculations. If you take the global annual average surface temperatures, you see here the control case, here you see the increase of temperatures because of the increase, the doubling of CO2 and here we get the decrease of temperatures for 1 teragram of sulphur input into the atmosphere. And if you do both you come down to this curve which is not far away from the control case. So in the computer it works. With precipitation basically the same results. Control case just shown here a little bit, then the increase precipitation, you expect from a warm earth and the decrease precipitation you expect from the sulphate injections. And then you get the average is head on. If we look at the earth surface we double times, 2 times CO2 case, you see the heating of the polar regions, if you put sulphur in the stratosphere the whole area has become more or less white, that means we are in the temperatures between 0 and around plus or minus 0.5 degrees Celsius. There is some radiation coming, some effects still warming, still some warming at higher latitudes and that is due to the fact that in winter time the radiation cannot come down here, it’s dark and so the greenhouse effect is doing its work here. So any time in the past when volcanic eruptions happened, model calculations have been conducted, comparing the observations, the observations and model calculations and this is a model by Soden et al and their conclusion is that models can reasonable simulate response to substantial aerosol lowering in the stratosphere. So it looks good but there are problems. I come back to that, some closing thoughts. We propose to study, not do it yet, certainly not do it yet. The albedo scheme only to be used if climatic changes are drastic, say of the order of 2 degrees Celsius globally averaged and if there are no serious side effects. And there can be serious side effects. Maybe we have modelled the hydrological cycle very well. Things depend also on particle size and chemistry, ozone, the ozone hole may be more long living because at the moment it’s returning to normal but it will take 50 to 100 years, if you put sulphur in the stratosphere it would take longer time because more chlorine will be activated. Then we have the question do the particles, do they effect cirrus clouds in the upper troposphere and local stratosphere, that could be a very important effect which we should be very careful about modelling. And we have maybe the main shock is that the oceans are going to be acidified. And if that is the case then certainly will have an impact on the ecology of the oceans. So on paper things look good, but in reality we should be very careful not to do such an experiment but I have shown these calculations to give you and others an idea about what we have already done to the atmosphere because of the emissions of CO2. And to counteract that we would have to put 1 to 2 million tons of sulphur each year for many years in the stratosphere and that looks very ridiculous but it is as ridiculous as what we do with regard to the emissions of CO2 to the atmosphere. And I thank you here for your attention.

Vielen Dank für Ihren Applaus; Sherry (Sherwood Rowland) ist wirklich schwer zu überbieten, denn Sie werden feststellen, dass ich zwar teilweise ähnliche Folien habe, sie aber von viel besserer Qualität sind, wenn Sherry sie kommentiert. Der Titel überrascht Sie möglicherweise. Das Anthropozän - diesen Begriff habe ich vor vielleicht 5 oder 10 Jahren eingeführt; er bedeutet, dass uns meiner Ansicht nach geologisch ein neues Zeitalter bevorsteht, in dem die Menschheit die Umwelt maßgeblich beeinflusst. Genau das wird zumindest in der näheren Zukunft wohl zunehmend der Fall sein. So, dass ich jetzt keinen Fehler mache - seit Beginn des 19. Jahrhunderts schlug die Menschheit infolge ihrer wachsenden Aktivitäten ein neues geologisches Kapitel auf, das Anthropozän. Anthropos bedeutet Mensch. Wir beeinflussen z.B. deutlich das Klima; tun wir das absichtlich, bezeichnen wir dies als Geo-Engineering. Ich werde etwas später in meinem Vortrag noch darauf zurückkommen. Sie können es eigentlich selbst lesen, aber im hinteren Teil des Raumes sind selbst diese Folien schwer zu entziffern. In den letzten drei Jahrhunderten hat sich die Bevölkerung auf mehr als 6 Milliarden Menschen verzehnfacht, im 20. Jahrhundert hat sie sich vervierfacht. Der Rinderbestand stieg im letzten Jahrhundert um den Faktor 4 auf 14 Milliarden. Rinder produzieren Methan; zwar gibt es auch andere Methanquellen, doch Rinder stellen eine der wichtigsten dar. Im Wesentlichen versorgt also eine Kuh auf der Welt eine 4-köpfige Familie mit Milch, Käse und Steaks. Doch Kühe produzieren Methan und beeinflussen das Klima und die Chemie in der Atmosphäre. Die industrielle Urbanisierung hat im letzten Jahrhundert um mehr als das Zehnfache zugenommen. Fast die Hälfte aller Menschen lebt heute in Städten, noch mehr in Megastädten, letzteres vor allem in den Entwicklungsländern, wofür ich keine richtige Erklärung habe. Warum wollen die Menschen in den Entwicklungsländern in Megastädten leben? Die Industrieproduktion ist in den letzten 100 Jahren um das 40-Fache gestiegen, die Energieproduktion um das 16-Fache. und der Wasserverbrauch nahm im letzten Jahrhundert um den Faktor 9 zu und beträgt heute etwa 800 Kubikmeter pro Kopf und Jahr. Davon werden 65% für die Bewässerung, 25% für industrielle Zwecke und 10% für private Haushalte verbraucht. Um ein Kilo Kaffee anzubauen, benötigt man ca. 20.000 Liter, für einen Hamburger 11.000 Liter und für ein Kilo Käse 5000 Liter Wasser. In den reichen Ländern haben wir also ein Überangebot an Wasser und einen übermäßigen Wasserverbrauch, in den Entwicklungsländern dagegen nicht. Der Mensch eignet sich im Schnitt 30% der terrestrischen Nettoprimärproduktion an, auch wenn diese Zahl mit Unsicherheiten behaftet ist. Die tatsächliche Zahl liegt irgendwo zwischen 10 und 55%. Der Fischfang stieg um das 40-Fache, die Freisetzung von Schwefeldioxid (SO2) in die Atmosphäre liegt bei derzeit etwa und die Kohle- und Ölverbrennung beträgt mindestens das Doppelte aller natürlichen Emissionen zusammen. Über dem Land ist dieser Wert sogar auf das Siebenfache gestiegen und führt dort zu saurem Regen, Gesundheitsproblemen, schlechter Sicht und Klimaveränderungen infolge von Sulfataerosolen. Die Freisetzung von NO in die Atmosphäre hat ebenfalls sehr stark zugenommen; etwa 25 Millionen Tonnen Stickstoff gelangen heute aufgrund menschlicher Aktivitäten in die Atmosphäre. Das hat - und ich spreche hier über das NO in der Troposphäre - zu dem Ozonberg geführt, dem Ozon, das Sie im Sommer sehen, dem sommerlichen Ozonsmog. Verschiedene wichtige Klimagase haben erheblich zugenommen: CO2 um 30% und Methan um mehr als 100%; Sherry hat Ihnen das ja bereits gezeigt. Auf diesen neuen Schaubildern sehen Sie, warum wir definitiv vom Anthropozän sprechen können: Sie erkennen, dass die CO2-Menge in der Atmosphäre in den letzten 10.000 Jahren weder stark zu- noch abgenommen hat, vielleicht ein wenig zugenommen. Doch dann sehen Sie diesen Sprung hier vor ca. 200 Jahren; seitdem beschleunigt sich die Entwicklung. In dieser Darstellung sehen Sie die letzten hundert Jahre, insbesondere den CO2-Anstieg. Ich komme auf diese Entwicklung nach dem Zweiten Weltkrieg noch zurück. Dasselbe bei Methan, das gleiche Bild, ebenso bei N2O. Und es gibt noch viele andere Gase, die definitiv dieselben Merkmale aufwiesen, würde man sie messen. Natürlich bedeutet das, dass es zu einer Erwärmung kommt, und Wärmeeinheiten werden in Watt pro Quadratmeter angegeben. Ich werde darauf noch zurückkommen. Ein Großteil dieser Entwicklung fand nach dem Zeiten Weltkrieg statt. Typische Bilder, betrachtet man die Wirtschaftstätigkeit, das Aufstauen von Flüssen, den Einsatz von Düngemitteln, den Wasserverbrauch usw.; die Liste wäre lang. Ich kann Ihnen nur einen kurzen Hinweis geben; in den letzten 50, 60 Jahren nach dem Zweiten Weltkrieg ist wirklich viel geschehen. Die Menschheit ist auch für das Vorliegen toxischer Substanzen in der Umwelt verantwortlich bzw. für das Vorliegen von Substanzen, die zwar nicht toxisch, aber im Ozonloch nachweisbar sind. Ich gehe jetzt zur nächsten Folie, weil Sherry darüber gesprochen hat - natürlich ist das Ozonloch wichtig, um Strahlung von der Sonne einzufangen oder zu filtern. Artensterben. Unter natürlichen Umständen umfasst das Artensterben etwa eine Art pro einer Million Jahre, heute ist diese Zahl 100 bis 10.000 Mal größer. Nimmt man also den Mittelwert dieses breiten Spektrums, würde das bedeuten, dass das Risiko des Aussterbens bei etwa einer Art alle 1000 Jahre liegt. Wenn diese Zahl stimmt, ist das eine enorme Auswirkung auf die Umwelt. Erosion wird ebenfalls durch menschliche Aktivitäten erzeugt. Die vom Menschen verursachte natürliche Bodenerosion ist etwa 15 Mal stärker als die Erosion, die ihren Ursprung in natürlichen Prozessen hat. Wenn wir uns den Einsatz von Stickstoffdünger anschauen, sehen wir eine Linie: Das ist die natürliche Stickstofffixierungsrate auf dem Land; sie weist natürlich keine wesentliche Änderung im Verlauf der Zeit auf, sie ist ein natürliches Phänomen. Die Einheiten sind in Teragramm, also in Millionen Tonnen pro Jahr angegeben. Die anthropogene Stickstofffixierung, d.h. der Einsatz von synthetischen Düngemitteln nahm insbesondere nach dem Zweiten Weltkrieg stark zu; wir haben hier denselben Verlauf. Sie übertraf die natürliche Stickstofffixierung, hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass mit Hilfe der Landwirtschaft Lebensmittel produziert wurden. Eines der Nebenprodukte ist N2O, ebenfalls ein Treibhausgas, das Sherry bereits erwähnt hat und das eine wichtige Rolle bei der Chemie der Stratosphäre spielt. Etwas an der Zusammensetzung der Atmosphäre kann recht schnell sein, wie Sherry gezeigt hat. Fast die gesamte Luft ist in Stickstoff, Sauerstoff und Argon enthalten. Zwar können wir ihre Konzentrationen in der Atmosphäre in keiner Weise beeinflussen, die geringen Mengen an Spurengasen (übrig gebliebenen Gasen) - Methan, Ozon, N2O, FCKW-Gase - werden jedoch unter Umständen durch menschliche Aktivitäten beeinflusst. Sherry hat Ihnen das alles schon gezeigt und ich denke, ich muss das nicht noch einmal wiederholen. Wir sehen einen starken Konzentrationsanstieg dieser Spurengase. Es gab eine Erfolgsgeschichte: Die Fluorchlorkohlenwasserstoffe reichern sich in der Atmosphäre nicht mehr an. Dies sind die eindrucksvollsten Kurven menschlicher Aktivität in der Atmosphäre: Wir sehen den Anstieg von Kohlendioxid, wie Sherry ihn bereits dargelegt hat, und das Ozonloch. Etwas, das uns alle überrascht hat, war, dass beim Frühjahrsozonloch die Konzentrationen in der Atmosphäre der Antarktis stetig um insgesamt den Faktor 3 abnehmen. Aber wo findet diese Ozonausdünnung statt? Genau in der Höhe, wo sich normalerweise ein Ozonmaximum befindet; hier gehen die Konzentrationen in sehr kurzer Zeit gegen Null. Als diese Daten veröffentlicht wurden, war die Resonanz nicht unbedingt positiv, weil die Fakten so überraschend waren. Besonders unsere britischen Kollegen analysierten die Daten wieder und wieder und kamen stets zum selben Ergebnis. Diese Dinge passierten also wirklich und zeigten, dass als Folge menschlicher - oder anderer, doch in diesem Fall menschlicher - Aktivitäten in der Atmosphäre seltsame Dinge passieren können. Nun etwas zum Treibhauseffekt: Die Erde erhält von der Sonne etwa 300 Watt Energie pro Quadratmeter. Wenn das 100 Einheiten entspricht, kommen aufgrund der Strahlungsabsorption, der Kurzwellenstrahlung in der Atmosphäre und der Reflexion in den Weltraum auf der Erdoberfläche noch etwa 47 Einheiten an. Von diesen 47 Einheiten auf der Erdoberfläche muss die Erde sich befreien. Sie tut dies in erster Linie durch Freisetzung bzw. Verdampfen von Wasser auf der Erdoberfläche, so dass diese abkühlt, sowie durch Wärmekonvektion. Das sind ungefähr 18 Einheiten, die Erde muss sich also noch etwa 16 oder 18 Strahlungseinheiten entledigen. Sie strahlt diese 18 Einheiten aber nicht einfach ab, vielmehr wird die Strahlung durch die Treibhausgase in der Atmosphäre eingefangen. Es findet also ein gewaltiges Recycling der Wärmestrahlung in der Atmosphäre statt. So sieht die Erwärmung der Atmosphäre durch menschliche Aktivität aus. Und hier ist das Ergebnis: Ein Temperaturanstieg, insbesondere in den letzten 50 Jahren, ein Anstieg der Meeresspiegel um etwa 20 cm oder mehr in der Zukunft sowie eine Abnahme der schneebedeckten Flächen. Diese Zahlen stammen aus der IPCC-Analyse von 2007. Hier sehen Sie in orange das Wärmegleichgewicht der Atmosphäre und die Klimaerwärmung durch Treibhausgase, die Sherry bereits erläutert hat und mit der ich mich daher nicht weiter beschäftigen möchte. Sie wissen, worum es geht, was interessant und was eher unsicher ist, was bei der Reflexion der Sonneneinstrahlung durch Teilchen in der Atmosphäre geschieht. Die meisten der hier aufgeführten Partikel - Sulfidteilchen, organische Teilchen - sind im Prinzip Luftschadstoffe, die man aus der Atmosphäre entfernen möchte. Tut man das, verschwindet der Abkühlungseffekt, den die Partikel in der Atmosphäre ausüben, und es wird wärmer. Die Politiker stehen also bei dieser Wahl vor einem vorhersehbaren Dilemma. Außerdem sind natürlich die Unsicherheiten enorm. Diese Folie zeigt Zahlen der IPCC 2001; sie sind besser bekannt und Sherry hat sie Ihnen bereits erläutert. Diese Teilchen haben aber auch einen Einfluss auf die Bewölkung, denn Wolken bilden sich um Aerosolpartikel herum. Das heißt je mehr Teilchen in der Atmosphäre sind, umso mehr Wassertröpfchen befinden sich in den Wolken, was bedeutet, dass das Verhältnis von der Oberfläche der Wolken zu ihrem Volumen immer größer wird und es zu einer stärkeren Reflexion kommt. Ein sehr wichtiger Begriff, bei dem wir noch um die Einschätzung der Größenordnung ringen. Auf der IPCC 2001 kam man zu folgenden Schlüssen: Die Erwärmung des Klimasystems ist offensichtlich und geht mit einem Anstieg der globalen Temperaturen, der Meerestemperaturen und der Meeresspiegel einher. Wir wissen, dass laut Voraussagen bzw. Hochrechnungen der IPCC bei einer Verdopplung des CO2 in der Atmosphäre am Ende dieses Jahrhunderts die Erwärmung in der Größenordnung von 2 bis 4,5 °C liegen wird. Der Anstieg des Meeresspiegels wird bis zum Ende dieses Jahrhunderts voraussichtlich 20 bis 58 Zentimeter betragen. Stefan Rahmstorf und einige andere behaupten allerdings, dass diese Zahlen viel zu niedrig geschätzt sind und wir tatsächlich über etwa 0,5 bis 1,4 Meter bis Ende des Jahrhunderts sprechen. Was die Verdopplung des CO2 angeht, wissen wir natürlich nicht, ob das der Fall sein wird, das hängt vom Verhalten des Menschen ab. Andere Effekte sind eine Umverteilung des Niederschlags mit dem Risiko von Extremwetterlagen, eine Zunahme von Hitzewellen in Europa wie im Sommer 2003 und zu rasche Klimaveränderungen, an die sich die Ökosysteme nicht anpassen können. Was können wir dagegen tun? Zunächst müssen wir die CO2- und auch die Methan-Emissionen, vielleicht auch noch Stickoxid in der Atmosphäre reduzieren. Zur Stabilisierung der CO2-Menge in der Atmosphäre ist eine Emissionssenkung von mehr als 60% erforderlich. Das wird schwierig werden - in der Realität gibt es nämlich keine Reduktion der CO2-Menge in der Atmosphäre, sondern einen jährlichen Anstieg der Emissionen um 2 bis 3%. Wir sind also auf dem falschen Weg. Dasselbe beim Methan; wir haben fast konstante Konzentrationen, Sherry hat Ihnen das gezeigt. Vielleicht sollten wir froh sein, vielleicht ist das aber auch nur eine Zwischenphase, denn wenn sich z.B. die Tundra und die arktischen Regionen erwärmen, wird der Permafrost CO2 und wahrscheinlich auch Methan in die Atmosphäre freisetzen. Wir sollten uns also nicht freuen, dass wir das Problem gelöst haben. Stickoxid stammt aus landwirtschaftlichen Aktivitäten und müsste für eine Stabilisierung um 80% reduziert werden. Wir können nicht erwarten, dass das tatsächlich geschieht. Aber wir können uns auch freuen, denn immerhin dürfen FCKWs inzwischen nicht mehr verwendet werden. Das sind die Emissionen in Metertonnen CO2 pro Kopf und Jahr, und Sie sehen, dass unsere amerikanischen Freunde einen großen Anteil daran haben, aber auch Europa und Ozeanien ihren Beitrag leisten. Die armen Länder sind noch nicht beteiligt, was sich aber definitiv ändern wird, was es noch schwieriger macht die CO2-Menge in der Atmosphäre zu stabilisieren bzw. zu senken. Sherry hat auch gezeigt, dass jedes Mal, wenn in der Vergangenheit die Temperaturen aufgrund des Milankovitch-Zyklus, eines Klimazyklus, gestiegen oder gesunken sind, jedes Mal wenn die Temperatur ein Maximum erreicht hat, auch die Werte für Kohlendioxid und die Treibhausgase gestiegen sind; der Klimaeffekt wurde also nicht erfolgreich bekämpft, vielmehr wurde die Wirkung des Milankovitch-Zyklus de facto noch verstärkt. Sehr empfindlich sind auch die Regionen in hohen Breitengraden. Auf das globale Mittel kommen wir noch zurück, doch in diesem speziellen Modell führte die CO2-Verdopplung zu einem Temperaturanstieg in den Tropen in einer Größenordnung von 2 Grad. Sie sehen aber, dass in hohen Breitengraden, insbesondere in der nördlichen Hemisphäre der Anstieg erheblich größer ist. Das spiegeln auch die Berichte wider. Neue Studien legen nahe, dass die Eisschicht auf den arktischen Ozeanen um ca. 40% dünner ist als vor 20 bis 40 Jahren. In der Arktis findet ein dramatischer Klimawandel statt, der etwa 2 bis 3 Mal schneller vonstattengeht, als in der restlichen Welt. Das bringt mich wieder auf das Schmelzen des Permafrosts und die mögliche Freisetzung von CO2 und Methan. Können wir etwas gegen die Emission der Treibhausgase tun? Nun, erstens müssen wir die CO2-Emissionen - auch Methan, aber in erster Linie CO2 - in die Atmosphäre reduzieren, das ist absolut notwendig. Hierfür werden Energieeinsparungen, erneuerbare Energien, Atomkraft, Wind- und Sonnenenergie und die CO2-Sequestrierung benötigt. Wir sehen aber nicht, dass dies in großem Ausmaß geschieht, der CO2-Anstieg in der Atmosphäre ist besorgniserregend. Man kann sich fragen, womit man die Reflexionsfähigkeit der Sonneneinstrahlung erhöhen kann, so dass sich die Erde und die Atmosphäre abkühlen. Was wäre die Auswirkung von 1 bis 2 Millionen Tonnen Schwefelemissionen in der Stratosphäre, wo alle Teilchen sehr lange verweilen? Man bräuchte gar nicht so viel Material, obwohl 1 bis 2 Millionen Tonnen natürlich viel sind, doch wenn diese Menge in die Troposphäre gelangen würde, wäre das noch erheblich schlimmer: Es käme zu saurem Regen infolge des verstärken Treibhauseffektes. Was würde geschehen, wenn wir Schwefel in dieser Menge in die Stratosphäre einbringen würden? Erforscht wird dies mit Hilfe von Ballons oder Flugzeugen. Man bringt z.B. H2S in die Stratosphäre ein, das dort in zahlreichen Reaktionen in Sulfatpartikel umgewandelt wird, die die Sonneneinstrahlung reflektieren. Auf diesem Bild sehen Sie, wie das aussieht: Hier ist die Stratosphäre, sie beginnt mit den größeren Höhen über dem Äquator; dann die Troposphäre, hier können Sie den Schwefel einbringen; in die Troposphäre sinken bevorzugte Luftbewegungen ab. Zusammen mit zwei Wissenschaftlern - Phil Rasch und Danielle Coleman - haben wir verschiedene Modellrechnungen für einige der modernsten Modelle, die wir derzeit haben, durchgeführt. Dafür haben wir dieses Modell mit Schwefel bestückt und geschaut, was passiert. Das Konzept ist nicht neu, es stammt nicht von mir, sondern geht ursprünglich auf den russischen Wissenschaftler Bodyko (1977) zurück. Auch die US-amerikanische National Academy of Sciences und einige jüngere Studien berichteten bereits darüber. Unsere Studie ist die neueste. Was tun wir? Wir geben die heutigen Werte für Aerosol und Strahlungsantrieb auf der Erde vor; das ist der Kontrollfall. Dann führen wir eine Berechnung durch, bei der wir CO2 hinzufügen, was die Atmosphäre und die Erdoberfläche erwärmt. Alternativ speisen wir 1 Teragramm Schwefel pro Jahr als SO2 in 20 Kilometer Höhe zwischen etwa 10 Grad Nord und 10 Grad Süd ein. Wir nennen das Geo-Sulfat, es soll die Erde und die Atmosphäre abkühlen. Dann führen wir beide Maßnahmen durch. Beides zu tun könnte bedeuten, dass man etwas gegen die Erwärmung der Atmosphäre tun kann, auch wenn uns das nicht leichtfällt. Hier sind die Ergebnisse der Berechnungen. Nimmt man die globale Jahresdurchschnittstemperatur der Erdoberfläche, sieht man hier den Kontrollfall, hier den Temperaturanstieg infolge der CO2-Verdopplung und hier die Temperaturabnahme bei Eintrag von 1 Teragramm Schwefel in die Atmosphäre. Führt man beide Maßnahmen durch, ergibt sich diese Kurve, die nahe am Kontrollfall verläuft. Auf dem Computer funktioniert es also. Bei den Niederschlägen sehen die Ergebnisse ähnlich aus. Hier der Kontrollfall, dann die Zunahme der Niederschläge, die man bei einer warmen Erde erwartet, und die Niederschlagsabnahme infolge des Sulfateintrags. Dadurch erhält man den Durchschnitt. Wenn wir uns die Erdoberfläche nach der CO2-Verdopplung anschauen, sehen wir die Erwärmung der Polarregionen. Wenn wir Schwefel in die Stratosphäre eintragen, wird die gesamte Fläche mehr oder weniger weiß, was bedeutet, dass Temperaturen zwischen 0 und ca. plus oder minus 0,5 °C herrschen. Aufgrund dessen, dass die Strahlung im Winter nicht so weit nach unten dringen kann, weil es dunkel ist, und der Treibhauseffekt seine Arbeit verrichtet, findet jedoch eine gewisse Erwärmung in höheren Breitengraden statt. Jedes Mal, wenn es in der Vergangenheit zu Vulkanausbrüchen kam, wurden Modellrechnungen durchgeführt und die Beobachtungen mit den Modellrechnungen verglichen. Hier das Modell nach Soden et al. - sie schlussfolgerten, dass Modelle die Reaktion auf eine starke Aerosolreduktion in der Stratosphäre realistisch simulieren können. Das sieht also gut aus, trotzdem gibt es Probleme. Ich komme noch darauf zurück, zunächst aber einige abschließende Gedanken. Wir möchten, was bisher gewiss noch nicht geschehen ist, das Albedo-Schema erforschen, das nur bei drastischen Klimaveränderungen in der Größenordnung von, sagen wir, 2 °C im globalen Mittel und nur bei Fehlen schwerer Nebeneffekte zur Anwendung kommt. Diese schweren Nebeneffekte können tatsächlich auftreten. Möglicherweise haben wir den Wasserkreislauf im Modell sehr gut dargestellt. Von Bedeutung sind auch die Partikelgröße und -chemie. Das Ozonloch ist unter Umständen relativ langlebig; zwar normalisiert es sich derzeit, doch dies dauert 50 bis 100 Jahre. Bei einem Schwefeleintrag in die Stratosphäre würde es noch länger dauern, da mehr Chlor aktiviert wird. Dann stellt sich die Frage: Beeinflussen die Teilchen Cirruswolken in der oberen Troposphäre und lokalen Stratosphäre? Das könnte ein äußerst bedeutender Effekt sein; seine Darstellung im Modell sollte mit größter Vorsicht erfolgen. Der größte Schock wäre vielleicht, dass die Ozeane übersäuern. Wäre das der Fall, hätte das mit Sicherheit Auswirkungen auf die Ökologie der Ozeane. Auf dem Papier sehen die Dinge also gut aus, doch in Wirklichkeit sollten wir uns sehr vorsehen, ein solches Experiment durchführen. Ich habe Ihnen diese Berechnungen jedoch gezeigt, um Ihnen und anderen eine Vorstellung davon zu vermitteln, was wir der Atmosphäre mit den CO2-Emissionen bereits angetan haben. Um das wiedergutzumachen, müssten wir über viele Jahre 1 bis 2 Millionen Tonnen Schwefel jährlich in die Stratosphäre eintragen. Das erscheint absolut lächerlich, aber es ist genauso lächerlich wie das, was wir gerade in Bezug auf die CO2-Emissionen in der Atmosphäre tun. Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit.

Paul Crutzen (2009)

Atmosphere Climate and Chemistry in the Anthropocene

Paul Crutzen (2009)

Atmosphere Climate and Chemistry in the Anthropocene

Abstract

Despite their relatively small mass, 10-5 of the earth biosphere as a whole, generations of ambitious ‘homo sapiens’ have already played a major and increasing role in changing basic properties of the atmosphere and the earth’s surface. Human activities accelerated in particular over the past few hundred years, creating a new geological era, the ‘Anthropocene’, as already foreseen by Vernadsky in 1928: “…the direction in which the processes of evolution must proceed, namely towards increasing consciousness and thought, and forms having greater influence on their surroundings.”

Vernadsky’s predictions are more than fulfilled. Human activities are affecting, and in many cases out-competing, natural processes, for instance causing the ‘ozone hole’, the rise of greenhouse gases with their impact on climate, urban and regional air pollution, ‘acid rain’, species extinction, with all their consequences for human and ecosystem health.

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