Sonne oder Treibhauseffekt? Kleidon, Axel
Physik in unserer Zeit,
03/2020, Letnik:
51, Številka:
2
Journal Article
Zusammenfassung
Die Verbrennung von fossilen Energieträgern hat den atmosphärischen Treibhauseffekt verstärkt, was zur Erderwärmung führt. Doch woher wissen wir, dass der Treibhauseffekt einen so ...entscheidenden Einfluss auf das Klima hat? Alternativ könnte auch eine ansteigende Sonnenaktivität hinter der Erwärmung stecken. Doch ein erhöhter Treibhauseffekt wirkt sich anders auf das Erdklima aus als eine verstärkte Sonneneinstrahlung. Charakteristisch für den Treibhauseffekt ist zum Beispiel, dass sich die kälteren Regionen in Richtung der Pole stärker erwärmen, obwohl sie geringerer Solarstrahlung ausgesetzt sind. Warum das so ist, lässt sich mit einer relativ einfachen Energiebilanz zeigen, die wesentlichen Terme der Erwärmung und Kühlung berücksichtigt. Dieser Artikel stellt diesen Ansatz vor und demonstriert damit, dass die Oberflächentemperatur wesentlich vom Treibhauseffekt bestimmt wird.
Boundary layer turbulence plays a central role in determining the strength of the overall atmospheric circulation by affecting the intensity of exchange of heat, mass, and momentum at the Earth's ...surface. It is often parameterized using the bulk formula, in which the von‐Karman parameter plays a critical role. Here we conducted a range of sensitivity simulations with an atmospheric general circulation model in which we modified the strength of boundary layer turbulence by varying the von‐Karman parameter. These simulations show that the maximum of entropy production associated with boundary layer dissipation is consistent with the observed value of the von‐Karman parameter of 0.4 and maximizes the planetary rate of entropy production with the global radiative temperature being close to its minimum value. Additional sensitivity simulations were conducted with an increased concentration of atmospheric carbon dioxide, which affects the relative radiative forcing of tropical vs. polar regions. We find that the global climate sensitivity is more‐or‐less independent of the assumed strength of boundary layer turbulence in our idealized setup. The difference in climate sensitivities of tropical and polar regions is at a minimum at a climatic state of MEP.
Land surface temperatures (LSTs) are strongly shaped by radiation but are modulated by turbulent fluxes and hydrologic cycling as the presence of water vapor in the atmosphere (clouds) and at the ...surface (evaporation) affects temperatures across regions. Here, we used a thermodynamic systems framework forced with independent observations to show that the climatological variations in LSTs across dry and humid regions are mainly mediated through radiative effects. We first show that the turbulent fluxes of sensible and latent heat are constrained by thermodynamics and the local radiative conditions. This constraint arises from the ability of radiative heating at the surface to perform work to maintain turbulent fluxes and sustain vertical mixing within the convective boundary layer. This implies that reduced evaporative cooling in dry regions is then compensated for by an increased sensible heat flux and buoyancy, which is consistent with observations. We show that the mean temperature variation across dry and humid regions is mainly controlled by clouds that reduce surface heating by solar radiation. Using satellite observations for cloudy and clear-sky conditions, we show that clouds cool the land surface over humid regions by up to 7 K, while in arid regions, this effect is absent due to the lack of clouds. We conclude that radiation and thermodynamic limits are the primary controls on LSTs and turbulent flux exchange which leads to an emergent simplicity in the observed climatological patterns within the complex climate system.
Sonne statt Flaute Kleidon, Axel
Physik in unserer Zeit,
05/2019, Letnik:
50, Številka:
3
Journal Article
Zusammenfassung
Die Energiewende hat zum Ziel, den Energiebedarf Deutschlands komplett aus erneuerbaren Energiequellen zu decken. Ist das innerhalb des Landes möglich? Im Prinzip ja, zeigen ...Abschätzungen. Der Schlüssel ist die direkte Nutzung der Solarenergie, denn sie liefert mehr als genug erneuerbare Energie. Erneuerbare Energiequellen wie Wind, Wasserkraft oder Biomasse entstehen aus der Solarstrahlung über Umwandlungsketten mit oft geringen Wirkungsgraden. Ihre Potenziale sind entsprechend niedriger, besonders ineffizient ist die Biomasse. Auch der große Beitrag des Winds in derzeitigen Zukunftsszenarien der Energiewende ist kritisch zu bewerten. Die Nutzungsgrenzen der Windenergie werden wahrscheinlich bereits innerhalb dieser Szenarien überschritten. Da Solarenergie aber jahreszeitlich stark schwankt, sind effiziente Energiespeicher oder der Schritt über die Grenzen Deutschlands hinaus notwendig. Dann gelingt die Wende zu 100 % erneuerbarer Energie.
Sonne statt Flaute Kleidon, Axel
Physik in unserer Zeit,
20/May , Letnik:
50, Številka:
3
Journal Article
Zusammenfassung
Die Energiewende hat zum Ziel, den Energiebedarf Deutschlands komplett aus erneuerbaren Energiequellen zu decken. Ist das innerhalb des Landes möglich? Im Prinzip ja, zeigen ...Abschätzungen. Der Schlüssel ist die direkte Nutzung der Solarenergie, denn sie liefert mehr als genug erneuerbare Energie. Erneuerbare Energiequellen wie Wind, Wasserkraft oder Biomasse entstehen aus der Solarstrahlung über Umwandlungsketten mit oft geringen Wirkungsgraden. Ihre Potenziale sind entsprechend niedriger, besonders ineffizient ist die Biomasse. Auch der große Beitrag des Winds in derzeitigen Zukunftsszenarien der Energiewende ist kritisch zu bewerten. Die Nutzungsgrenzen der Windenergie werden wahrscheinlich bereits innerhalb dieser Szenarien überschritten. Da Solarenergie aber jahreszeitlich stark schwankt, sind effiziente Energiespeicher oder der Schritt über die Grenzen Deutschlands hinaus notwendig. Dann gelingt die Wende zu 100 % erneuerbarer Energie.
Erneuerbare Energie trägt inzwischen substanziell zur Stromerzeugung in Deutschland bei. Aber wie sieht es mit dem zukünftigen Ausbau aus, wenn wir vollständig unseren Energiebedarf durch erneuerbare Energiequellen decken wollen? Werden wir an natürliche Grenzen stoßen?
Foto: BWE/Jens Meier
Sonne statt Flaute Kleidon, Axel
Physik in unserer Zeit,
05/2019, Letnik:
50, Številka:
3
Journal Article
Zusammenfassung Die Energiewende hat zum Ziel, den Energiebedarf Deutschlands komplett aus erneuerbaren Energiequellen zu decken. Ist das innerhalb des Landes möglich? Im Prinzip ja, zeigen ...Abschätzungen. Der Schlüssel ist die direkte Nutzung der Solarenergie, denn sie liefert mehr als genug erneuerbare Energie. Erneuerbare Energiequellen wie Wind, Wasserkraft oder Biomasse entstehen aus der Solarstrahlung über Umwandlungsketten mit oft geringen Wirkungsgraden. Ihre Potenziale sind entsprechend niedriger, besonders ineffizient ist die Biomasse. Auch der große Beitrag des Winds in derzeitigen Zukunftsszenarien der Energiewende ist kritisch zu bewerten. Die Nutzungsgrenzen der Windenergie werden wahrscheinlich bereits innerhalb dieser Szenarien überschritten. Da Solarenergie aber jahreszeitlich stark schwankt, sind effiziente Energiespeicher oder der Schritt über die Grenzen Deutschlands hinaus notwendig. Dann gelingt die Wende zu 100 % erneuerbarer Energie.
Abstract We simulated the seasonal temperature evolution in the atmosphere of Antarctica and the Arctic focusing on infrared processes. Contributions by other processes were parametrized and kept ...fixed throughout the simulations. The model was run for current CO 2 and CH 4 and for doubled concentrations. For doubling CH 4 the warming in Antarctica is restricted to the lowest few hundred meters above the surface while in the Arctic we find a warming in the whole troposphere. We find that the amount of water is the main driver for the differences between both polar regions. When increasing both, CO 2 and CH 4 from pre‐industrial values to current concentrations, and averaged over the whole troposphere, we find a warming of 0.42 K for the Arctic and a slight cooling of 0.01 K for Antarctica. Our results contribute to the understanding of the lack of warming seen in Antarctica throughout the last decades.
Plain Language Summary In 2015 we have initiated a discussion on a fundamental property of the radiation in the atmosphere over Antarctica: The negative greenhouse effect (Schmithüsen et al., 2015, https://doi.org/10.1002/2015GL066749 ). A negative greenhouse effect means, the atmosphere emits more radiation to space than it receives from the surface. This results in a cooling somewhere in the Antarctic atmosphere during some months of the year, when increasing CO 2 . We now simulate how the Antarctic atmospheric temperature responds in all altitude levels to CO 2 and CH 4 increases, and show this is different from the temperature response in the Arctic. We show for example, that an increase in CH 4 cools nearly the whole troposphere, although the response for CH 4 is much lower in amplitude than for CO 2 . We find that the amount of water is the main driver for the differences between both polar regions. Since the amount of water vapor strongly depends on temperature, the colder Antarctic atmosphere responds differently to the Arctic when greenhouse gases increase. Our studies could be one important factor when understanding the lack of warming in Antarctica throughout the last decades.
Key Points We simulate the temperature development in both polar regions in the infrared and find that doubling CO 2 and CH 4 lead to opposing forcings The different amount of water vapor shows to be responsible for the differences in warming/cooling in both polar regions In Antarctica doubling CH 4 leads to a cooling of almost the whole troposphere, a future increase in H 2 O could invert this
We outline a method of inferring rooting depth from a Terrestrial Biosphere Model by maximizing the benefit of the vegetation within the model. This corresponds to the evolutionary principle that ...vegetation has adapted to make best use of its local environment. We demonstrate this method with a simple coupled biosphere/soil hydrology model and find that deep rooted vegetation is predicted in most parts of the tropics. Even with a simple model like the one we use, it is possible to reproduce biome averages of observations fairly well. By using the optimized rooting depths global Annual Net Primary Production (and transpiration) increases substantially compared to a standard rooting depth of one meter, especially in tropical regions that have a dry season. The decreased river discharge due to the enhanced evaporation complies better with observations. We also found that the optimization process is primarily driven by the water deficit/surplus during the dry/wet season for humid and arid regions, respectively. Climate variability further enhances rooting depth estimates. In a sensitivity analysis where we simulate changes in the water use efficiency of the vegetation we find that vegetation with an optimized rooting depth is less vulnerable to variations in the forcing. We see the main application of this method in the modelling communities of land surface schemes of General Circulation Models and of global Terrestrial Biosphere Models. We conclude that in these models, the increased soil water storage is likely to have a significant impact on the simulated climate and the carbon budget, respectively. Also, effects of land use change like tropical deforestation are likely to be larger than previously thought.
Komplexe Systeme Kleidon, Axel; Binder, Kurt
Physik in unserer Zeit,
11/2021, Letnik:
52, Številka:
6
Journal Article
Der diesjährige Physik‐Nobelpreis für bahnbrechende Beiträge zum Verständnis komplexer Systeme geht zu einer Hälfte an die Klimaforscher Syukuro Manabe und Klaus Hasselmann, zur anderen Hälfte an den ...Theoretiker Giorgio Parisi.
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