FAQ
© 2017 Staats- und Universitätsbibliothek
Hamburg, Carl von Ossietzky

Öffnungszeiten heute09.00 bis 24.00 Uhr alle Öffnungszeiten

Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-86840
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8684/


Climate engineering by enhancement of ocean alkalinity : Impacts on the Earth system and a comparison with solar radiation management

Climate Engineering durch Erhöhung der Alkalinität des Ozeans : Auswirkungen auf das Erdsystem und Vergleich mit Solar Radiation Management

Ferrer González, Miriam

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (8.230 KB) 


Freie Schlagwörter (Deutsch): Erdsystemmodellierung , Geoengineering , Alkalinisierung des Ozeans , Solar Radiation Management
Freie Schlagwörter (Englisch): Earth system modeling , geoengineering , ocean alkalinization , solar radiation management
Basisklassifikation: 38.82
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Baehr, Johanna (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.05.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 31.08.2017
Kurzfassung auf Englisch: Climate engineering (CE) methods are intended to mitigate the environmental perturbations caused by anthropogenic climate change. Artificial ocean alkalinization (AOA) strengthens the ocean carbon sink whilst decreasing seawater acidity via enhancement of the buffering capacity. Solar radiation management (SRM) by stratospheric sulfur injection tempers surface warming through increasing the Earth’s albedo. For the first time, the CE-driven effects on the Earth system of large-scale AOA and SRM scenarios are consistently compared in a comprehensive Earth system model with interactive carbon cycle. Using the Max Planck Institute Earth System Model (MPI-ESM) forced by fossil-fuel CO2 emissions, I explore the impacts of these CE methods on the global carbon uptake and ocean biogeochemistry. I design and run AOA scenarios that reduce atmospheric CO2 levels to the trajectory of the Representative Concentration Pathway (RCP) 4.5 in a high CO2 world following the RCP8.5 scenario. The effects of these large-scale AOA scenarios on the Earth system are analyzed and compared to SRM simulations that target the radiative forcing of the RCP4.5 scenario under RCP8.5 forcing.

Global addition of 114 Pmol of alkalinity into the surface ocean during the 21st century stabilizes atmospheric CO2 concentration to RCP4.5 levels under RCP8.5 emissions. The entire surface ocean turns into a carbon sink. Half of the CO2 emitted into the atmosphere (940 GtC) is removed by the ocean, preventing 1.5 K of global warming by 2100. Still, surface temperatures remain 0.5 K higher than the targeted RCP4.5, due to the unmitigated forcing of non-CO2 agents. The impacts of ocean acidification are largely offset, despite the enhanced carbon sink. However, as a side effect surface seawater pH and Ω exceed regionally historical levels, with potential adverse ecological effects. By 2100, much higher values of pH (up to 0.6 higher units) and Ω (fivefold increase) are reached over the Arctic Ocean while Ω doubles in tropical oceans. After termination of AOA in 2070, the seawater chemicaenvironment undergoes rapid perturbations: local rates of change in surface pH and Ω become up to one order of magnitude higher than in RCP8.5, being highest over the Arctic Ocean and tropical oceans. The seasonal amplitude of Ω is amplified (threefold increase) by AOA everywhere, except for the Southern Ocean where AOA compensates the projected damping of the seasonal amplitude of Ω in the RCP8.5. Small differences arise in the ocean biogeochemistry between SRM simulations and the unmitigated RCP8.5 mainly due to the effect of surface seawater temperature on the carbonate chemistry. The small mitigation potential of SRM in terms of atmospheric CO2 reduction, dominated by the enhanced land sink, completely vanishes within the following decades after termination of SRM. As expected, local rates of surface warming after termination of SRM largely exceed those of the unmitigated RCP8.5 scenario (up to 0.14 K/yr).

Termination of large-scale AOA, leads to local rates of warming that are broadly similar to those of the RCP8.5 but spatial patterns differ at high latitudes of the Northern hemisphere. Moreover, in some small regions warming rates become as large as in the terminated SRM scenario, albeit with large internal variability. Biogeochemical variables, such as ocean primary production and oxygen, behave in accordance to the changes in the physicochemical environment brought about by the CE scenarios. Large-scale AOA scenarios reveal that their potential to mitigate changes in the Earth’s climate implies an unprecedented perturbation in the seawater chemical environment. Moreover, the termination of large-scale AOA and SRM scenarios induces faster local environmental changes than those intended to alleviate.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Anwendung von Climate Engineering (CE)-Methoden hat zum Ziel, eine Abmilderung der negativen Folgen durch den anthropogenen Klimawandel zu bewirken. So führt eine künstliche Alkalinisierung des Ozeans (AOA) zu einer verstärkten ozeanischen Kohlenstoffaufnahme, da die Acidität des Ozeans verringert respektive das Puffervermögen erhöht wird. Bei der Methode des Solar Radiation Management (SRM) bewirkt eine Injektion von Schwefel in die Stratosphäre eine Erhöhung der planetaren Albedo und daraus folgend eine Abkühlung der Erdoberflächentemperatur. In dieser Arbeit werden, zum ersten Mal, die CE-Effekte durch AOA und SRM auf das Erdsystem mit Hilfe eines globalen Erdsystem-Modells mit interaktivem Kohlenstoffkreislauf untersucht. Ich verwende das Erdsystem-Modell des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-ESM), angetrieben durch vorgeschriebene CO2-Emissionen, um den Einfluss der oben genannten CE-Methoden auf die globale Aufnahme von Kohlenstoff sowie auf die Biogeochemie des Ozeans zu erforschen. Ausgehend von einem hohen CO2-Emissionsszenario (dem Representative Concentration Pathway (RCP) 8.5 folgend) entwickle und untersuche ich AOA-Szenarien, die die atmosphärische CO2-Konzentration auf einem deutlich niedrigeren Niveau, entsprechend der Werte der RCP4.5-Trajektorie, halten. Die Auswirkungen dieser großräumigen Anwendung der AOA werden analysiert und dann mit SRM-Simulationen verglichen, die, ebenfalls ausgehend von einem RCP8.5-Szenario, einen RCP4.5-Strahlungsantrieb anvisieren.

Der Eintrag von 114 Pmol Alkalinität in die Ozeanoberfläche im Verlauf des 21. Jahrhunderts stabilisiert die atmosphärische CO2-Konzentration auf das RCP4.5-Niveau, trotz anhaltend hoher Emissionen auf dem Level von RCP8.5. Die gesamte Ozeanoberfläche wird zu einer Kohlenstoffsenke. Die Hälfte des emittierten anthropogenen CO2 (940 GtC) wird vom Ozean aufgenommen und somit die Erderwärmung um1.5 Grad Kelvin im Jahr 2100 gemindert. Jedoch sind die Temperaturen an der Erdoberfläche um 0.5 K höher als die in RCP4.5 anvisierten, da die AOA keinen Einfluss auf andere Treibhausgase, die kein CO2 sind, hat. Die Auswirkungen der Ozeanversauerung werden größtenteils ausgeglichen, obwohl eine stärkere Kohlenstoffsenke vorliegt. Allerdings zeigen sich als Nebeneffekt der AOA Höchstwerte von pH und Ω an der Ozeanoberfläche, zu denen es kein historisches Analogon gibt, die aber einen potentiell negativen Einfluss auf die Ozeanökologie haben können. Bis 2100 werden höhere Werte für pH (bis zu +0.6) und Ω (verfünffacht) im arktischen Ozean erreicht. In den tropischen Ozeanen verdoppelt sich Ω. Bei einer Beendigung der AOA im Jahr 2070 erfährt die Biogeochemie des Ozeans rapide Veränderungen: die Änderungsraten von pH und Ω an der Ozeanoberfläche übersteigen die für RCP8.5 prognostizierten Werte um bis zu einer Größenordnung, mit Maxima im arktischen und den tropischen Ozeanen. Die saisonale Amplitude von Ω wird durch die AOA in allen Regionen erhöht (verdreifacht). Eine Ausnahme bildet der südliche Ozean, wo die AOA eine für RCP8.5 prognostizierte Dämpfung der saisonalen Amplitude von Ω kompensiert.

Kleine Unterschiede in der Biogeochemie des Ozeans zeigen sich zwischen der SRM-Simulation und dem ungemilderten RCP8.5-Szenario. Diese lassen sich durch den Einfluss der Oberflächentemperatur auf den ozeanischen Kohlenstoffkreislauf erklären. Das ohnehin geringe Potential des SRM, die atmosphärischen CO2-Konzentrationen zu verringern, welches sich im Wesentlichen aus einer Verstärkung der Landbiosphärensenke ergibt, verschwindet vollständig in den folgenden Dekaden nach Beendigung des SRM. Wie erwartet, übersteigen die lokalen Raten der Oberflächenerwärmung nach Beendigung des SRM die Werte des RCP8.5-Szenarios deutlich (bis zu 0.14 K/Jahr). Die Beendigung der AOA führt zu lokalen Erwärmungsraten, die weitestgehend mit denen aus dem RCP8.5-Szenario übereinstimmen, aber das räumliche Verteilungsmuster der Erwärmung in den hohen Breiten der Nordhemisphäre unterscheidet sich. Zudem erreichen die Raten in einzelnen Regionen Werte, die vergleichbar sind mit denen nach Beendigung der SRM-Maßnahmen, jedoch mit einer höheren internen Variabilität. Ozeanische biogeochemische Größen, wie die Primärproduktion oder der Sauerstoffgehalt, verhalten sich entsprechend der physikalisch-chemischen Veränderungen, welche mit den CE-Szenarien assoziiert sind. Es zeigt sich, dass eine großräumige Anwendung der AOA zwar das Potential hat, den Klimawandel abzumildern, aber gleichzeitig eine beispiellose Veränderung der ozeanischen Biogeochemie herbeigeführt wird. Zudem verursacht die Beendigung der jeweiligen CE-Maßnahme schnellere Umweltveränderungen als die, die durch die Anwendung der CE hätten abgemildert werden sollen.

Zugriffsstatistik

keine Statistikdaten vorhanden
Legende