Fossilt brændsel og klimaændringer

Fossilt brændsel og klimaændringer Ole John Nielsen Kemisk Institut, Københavns Universitet ojn@kiku.dk www.cogci.dk 1

Fossilt brændsel og klimaændringer 1. Indledning 2. Ændrer det globale klima sig? 3. Øges koncentrationen af drivhusgasser? Er det kun CO 2 der betyder noget? 4. Hvor meget energi skal verden bruge og hvor skal energien komme fra? 5. Plan A og plan B? 2

Solens totale udstråling=e s =σt s4 4πR s 2 Jordens totale indstråling =F s =E s /4πd 2 = σt s4 R s2 /d 2 (W m -2 ) Jorden absorberer = F s πr E 2 (1-A) / 4πR E2 = F s (1-A)/4 Jorden udstråler = σt E4 = F s (1-A)/4 => T E = 258K = -15C!?!? 3

Drivhuseffekt - naturlig og menneskeskabt 4

Hvordan kan balancen ændres? Sol/Jord Albedoen (partikler og skyer, vulkaner) Tilbagestrålingen: Drivhusgasser (GHG) Feedbacks? Is der smelter Vand Planter Opvarmning af oceanerne Hurtige og langsomme feedbacks Positive (forstærker) 5 Negative (dæmper)

2. Ændrer klimaet sig? Fra den nye IPCC rapport SKALA? 0.6 o C 6 Ref: IPCC 2007

Drivhusgasser og temperatur Milankovic (1912-1920) 650000 år tilbage i tiden 7

Fossilt brændsel og klimaændringer 1. Indledning 2. Ændrer det globale klima sig? JA Og det har det altid gjort men. 3. Øges koncentrationen af drivhusgasser? Er det kun CO 2 der betyder noget? 4. Hvor meget energi skal verden bruge og hvor skal energien komme fra? 5. Plan A og plan B? 8

Hvad er en drivhus-gas? 1. En gas der absorberer infrarød stråling 2. En gas der lever længe nok i atmosfæren 3. Der skal være en vis mængde for at der er en effekt: CO 2, CH 4, halogenerede gasser (freoner), N 2 O, O 3 9

3. Øges drivhusgassernes koncentration? 10

CO 2 CH 4 N 2 O 11

Fossilt brændsel og klimaændringer 1. Indledning 2. Ændrer det globale klima sig? JA Og det har det altid gjort men. 3. Øges koncentrationen af drivhusgasser? JA Er det kun CO 2 der betyder noget? NEJ 4. Hvor meget energi skal verden bruge og hvor skal energien komme fra? 5. Plan A og plan B? 12

Man kan regne ud hvad ændringen i strålingbalancen har været siden 1750 13

Fossilt brændsel og klimaændringer 1. Hvad ved vi helt sikkert? 1. Der er en naturlig drivhuseffekt som varmer jorden 33 o C 2. Vi forstår klimavariationerne 1000000 år tilbage i tiden 3. Vi kender den menneskeskabte koncentrationsstigning af drivhus-gasser i atmosfæren 4. Vi ved at effekten af denne stigning er en ændring i strålingsbalancen 2.37-2.91 W/m 2 Hvad ved vi ikke så sikkert? 1. Hvordan man kommer fra ændring i strålingsbalancen til ændring i klima (temperatur/nedbør mm ) 14

CO 2 15

Hvordan Trajectory går det of Global i forhold Fossil tilfuel IPCC Emissions scenarier? CO 2 Emissions (GtC y -1 ) 10 9 8 7 6 5 Actual emissions: CDIAC Actual emissions: EIA 450ppm stabilisation 650ppm stabilisation A1FI A1B A1T A2 B1 B2 2005 2006 1990 1995 2000 2005 2010 50-year constant growth rates to 2050 B1 1.1%, A1B 1.7%, A2 1.8% A1FI 2.4% Observed 2000-2006 3.3% Raupach et al. 2007, PNAS 16

Energiforbruget stiger med økonomisk udvikling 17

Energiforbrug per sektor 1 bnboe = 6.12 EJ 765 EJ 18

Forudsigelser på energikilder 19

Population Growth to 10-11 Billion People in 2050 Per Capita GDP Growth at 1.6% yr -1 Energy consumption per Unit of GDP declines at 1.0% yr -1 20

Total Primary Power vs Year 1990: 12 TW 2030: 25 TW = 790 EJ 21

Hvad skal vi gøre? Hvad kan vi gøre? 22

Der er meget fossilt brændsel tilbage 23

Hvad skal vi gøre ved det? 24

Fossilt brændsel og klimaændringer 1. Indledning 2. Ændrer det globale klima sig? JA Og det har det altid gjort men. 3. Øges koncentrationen af drivhusgasser? JA Er det kun CO 2 der betyder noget? NEJ 4. Hvor meget energi skal verden bruge og hvor skal energien komme fra? Det har vi en god idé om 5. Plan A og plan B? 25

Vi vedhvadvi skalgøre plan A? Kun bruge kul når vi kan opbevare CO 2 Gemme olie og gas til transport Tage CO 2 ud af atmosfæren ved landbrug mm Bruge så meget vedvarende energi som muligt Vind, sol, bølger, biomasse, (kernekraft) Bruge energien så effektivt som muligt Vi skal lære at bruge den indkommende energi bedre Jorden bliver ramt af 10000 gange mere energi end vi bruger Al den energi vi bruger den ender som varme! 26

Hvad kræver plan A? Kræver stabile regeringer som er korrekt og fuldt teknisk informerede Uddannelse Gøre det mest kost-effektive først????? Erhvervslivet skal kende prisen på carbon Gennemsigtig simpel mekanisme også med hensyn til hvordan overskuddet skal bruges Der skal tages hensyn til udviklingslandene Universiteter og andre forskningsinstitutioner må forholde sig til vigtigheden af energiforskning 27

Gøre det mest kost-effektive først???? 28

Triste facts om CO 2 29

Hvorfor reducerer vi ikke bare emissionerne? Klima-truslen er diffus, kompleks, ubehagelig... F.eks. i forhold til konventionel luftforurening, O 3 Et par kolde år Økonomiske kriser Uforudsete udgifter (f.eks.: Irak, tsunamier.) Energi er nøglen til økonomisk aktivitet CO 2 tidsskalaen passer ikke med politiske tidsskaler Energiinfrastrukturer tager dekader at opbygge CO 2 s levetid i atmosfæren er 100-200 år De kraftværker som planlægges nu - emitterer i 2050 Biler lever op til 20 år og bygninger over 100 år Politisk tidsskala: 4-6 år, nyheds-tidsskala: 1 dag Emissioner, økonomi og risikoopfattelser varierer meget globalt 30

Hvad er plan B for klimaændringer? Verden må gøre sit bedste for at stabilisere [GHG] men sikre niveauer vil måske overskrides CO 2 kan skabe problemer i århundreder Plan B vil afhænge af virkningerne Adaption = tilpasning sker under alle omstændigheder Geo-engineering som en sidste udvej Albedo modifikation (på overfladen, i atmosfæren, i rummet) Fjernelse af CO 2 (biologisk ) 31

The stone age did not end for the lack of stone And the oil age will end long before we run out of oil Der vil være brug for masser af folk som ved noget om al den slags SLUT SPØRGSMÅL 32

Science 1. Feb 2007 Is it too late? 33

Putting Things in Context. Earth was formed 4.7 billion years ago Humankind emerged 250,000 years ago We are 800 th generation of homo sapiens The first 600 generations lived in caves 34

World s Most Populous Cities 1900 2003 35

Ice sheets 36

Atmospheric degradation of HFC-134a CF3CFH2 OH. H2O CF3CFH. CF3CFHOOH HO2 OH O2 NO2 CF 3 CFHO 2 Decomp/hν CF3CFHOONO2 hν NO NO2 hν FCO x hν NO FO hν x hν aq FNO O2 CF 3 CFHO CF3COF aq HO2 HCOF hν CF3COOH CF3C(O) CF3 O2 O2 CF3C(O)O2 NO CF3O2 NO 2 CF3C(O)O NO NO2 NO CF CF3C(O)O2NO2 3 O O 3 RH R FNO 2 CF 3 OH HF+C(O)F 2 37

How? Initiator Beholder Detektor Pulse Radiolysis 1 liter stainless steel UV/VIS-absorption pm or diode array microsec. resolution Kinetics Continuous photolysis 140 liter Pyrex FTIR spectroscopy 26 m and 0.25 cm-1 min. resolution Products 38

FTIR SMOG CHAMBER o o o 140 L Pyrex chamber X/Cl 2 /N 2 /O 2 /black-lamps X/CH 3 ONO/NO/air/black-lamps 296 K, 700 Torr 39

Matthew Johnson and Ole John Nielsen Merete Bilde Henrik Svensmark 42 IPCC 2001

The Photochemical Reactor 43

Why? Because atmospheric chemistry gives us an endless stream of questions involving spectroscopy and kinetics. Example: The GWPs of CFC replacements are determined by their atmospheric lifetime (reaction rate) and their infrared absorption spectrum. 44

Det er altid sjovt 45

Students degree Where did they go? 1 Thomas Ellermann PhD National Environmental Research Institute 2 Frank Markart PhD Risø National Laboratory 3 Jens Sehested PhD Haldor Topsøe A/S 4 E. Bartkiewicz PhD University of Wroclaw 5 Trine Møgelberg PhD Novo A/S 6 Merete Bilde PhD Professor at University of Copenhagen 7 Anders Giessing MSc PhD and on to University of Southern Denmark 8 Anders Feilberg MSc PhD and on to the Danish Technological Institute 9 Elisabeth Gamborg MSc unknown 10 Thomas Sejner Andersen MSc Novo A/S 11 Signe Bech Andersen PhD Danish Geological Survey (GEUS) 12 Lene Christensen PhD Novo A/S 13 Hasse Dyhr Christensen MSc unknown 14 Jesper Platz PhD Novo A/S 15 Marianne Sloth MSc Danish Meteorological Institute (DMI) 16 Lars Frøsig PhD Risø National Laboratory 17 Thomas Stein MSc unknown 18 Elvira Vaclavik MSc PhD-student 19 Jacob Mønster MSc PhD-student 20 Thomas Rosenørn MSc PhD-student 21 Camilla Bacher MSc Mærsk 22 Merete Bang Petersen MSc PhD-student Risø 23 Charlotte Nielsen MSc PhD-Student NERI 24 Trine Ebbensgaard Strømfeldt MSc unknown 25 Mads Andersen MSc PhD-student 26 Malene Sørensen MSc PhD-student 27 Dorte Lerche PhD IMV 46

19 Jacob Mønster MSc PhD-student 20 Thomas Rosenørn MSc PhD-student 21 Camilla Bacher MSc Mærsk 22 Merete Bang Petersen MSc PhD-student Risø 23 Charlotte Nielsen MSc PhD-Student NERI 24 Trine Ebbensgaard Strømfeldt MSc unknown Der er altid brug for veluddannede unge mennesker Spørgsmål? 25 Mads Andersen MSc PhD-student 26 Malene Sørensen MSc PhD-student 27 Dorte Lerche PhD IMV 28 Michael Goodsite PhD Head of the Chemistry and Physics Institute at SDU 29 Jacob Klenø PhD National Environmental Research Institute 30 Elisa Rosenbohm PhD SAS A/S 31 Matthias Ketzel PhD NERI 32 Karen Feilberg PhD Postdoc at University of Göttingen 32 Thomas Rosenørn PhD Postdoc at Harvard, USA 33 Katja Wiegh MSc High School Teacher 34 Mads Andersen PhD Postdoc with Professor Rowland at UC Irvine 35 Britt Tang Sørensen MSc Galathea and now the municipality of Copenhagen 36 Charlotte Stenby PhD Danish EPA 37 Phillip von Hessberg PhD Haldor Topsøe A/S 38 Anne Lærke Sørensen MSc on to PhD partly at Harvard 39 Jacob Mønster PhD student ISPRA 40 Meshkat Skifter MSc student on to PhD 41 Majken Salomon MSc student AMI (Occupational Health) 42 Marie Bjarrum BSc student here 43 Lars Buch Lauersen BSc student here 44 Anne Birgitte Lauridsen BSc student here 45 Janus Hoff BSc student here 47

What research do we do at Copenhagen Center for Atmospheric Research? 48 www.cogci.dk IPCC 2001

Why should we be interested in halo(f)carbons? 2005 Global Greenhouse Gas Emissions % Contribution on CO 2 Basis CH 4 9% N 2 O 6% FCs 2% Change since 1990 CO 2 +1.6% CH 4-18% CO 2 83% N 2 O -20% FCs +19% HFCs +154% PFCs -45% SF 6-62% 49 www.cogci.dk

EU law will be: Global Warming Potential < 150 How to make GWP lower? And why does it work? Compound Atm. Lifetime GWP 100y CF 3 CH 2 CF 3 (HFC-236fa) 240 y 9,810 CF 3 CH 2 OCF 3 (HFE-236fa) 3.7 y 470 CF 3 CF=CF 2 18 d 6 CF 3 CF=CH 2 11 d 4 CF 3 CF 3 CF 3 CF O CF CF 3 CH 1 y 55 F O 2CH3 F F F F 50 www.cogci.dk

Drivers of Anthropogenic Emissions Factor (relative to 1990) 1.5 1.4 World 1.5 1.4 1.3 1.3 1.2 1.2 1.1 1.1 1 1 0.9 0.9 0.8 F Emissions (emissions) 0.8 0.7 P Population (population) 0.7 0.6 g Wealth = G/P= per capita GDP 0.6 h Carbon = F/Gintensity of GDP 0.5 0.5 1980 1985 1990 1995 2000 2005 1980 Raupach et al 2007, PNAS 51

Methane sources and sinks? 53

3. Øges drivhusgassernes koncentration? De seneste 1000 år CO 2 CH 4 N 2 O 55

Klimamodeller er udviklet uafhængigt ved: National Center for Atmospheric Research (Boulder, Colorado). NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Princeton, New Jersey). Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis (Victoria, Canada). U.K. Meteorological Office, Hadley Center (Reading, England). Deutsches Klimarechtenzentrum (Hamburg, Germany) 56

1998 det varmeste år i sidste årtusind 1990s den varmeste dekade i sidste årtusind Red = termometre, blå = proxy data (træringe, koraller, iskerner, historiske data), grå = usikkerheder Sort = 40 år glidende gennemsnit 58

Det ligner en sammenhæng Hvad driver hvad? 60

Andre indikatorer f.eks. 10% fald i snedække på den nordlige halvkugle siden 1960erne To ugers reduktion i varigheden af isdække på søer og floder på den nordlige halvkugle I den seneste århundrede Fald i is-tykkelse og is-udbredelse på Arktis siden 1950 (u-både) Minimum udbredelse år for år 61

Andre indikatorer f.eks. 10% fald i snedække på den nordlige halvkugle siden 1960erne To ugers reduktion i varigheden af isdække på søer og floder på den nordlige halvkugle I den seneste århundrede 40% fald i istykkelsen på Arktis siden 1950 62

Andre indikatorer f.eks. 10% fald i snedække på den nordlige halvkugle siden 1960erne To ugers reduktion i varigheden af isdække på søer og floder på den nordlige halvkugle I den seneste århundrede 40% fald i istykkelsen på Arktis siden 1950 10-20 cm stigning af havoverfladen over 100 år Nedbørs-øgning på 0.5-1.0% per dekade på den nordlige halvkugle i den seneste århundrede Gletchere har trukket sig tilbage på alle kontinenter i det 20. århundrede 63

Overensstemmelse mellem is og luft 64

Methane sources and sinks? Man ved ikke hvorfor? Der er kun tre måder at ændre den atmosfæriske koncentration på! 65

N 2 O sources and sinks? 68

4. Er der en menneskelig indflydelse på klimaet? Hvad er effekten af øget menneskeskabt drivhusgas koncentration? Den (for) simple tilnærmelse Sammenligne den forøgede drivhuseffekt med den naturlige drivhus effekt. Kendt (i mere end 100 år!) at den naturlige drivhus effekt varmer jorden med 33 o C (som gør det muligt at leve behageligt). Hvis effekten af menneskabte drivhusgasser er proportional med effekten af de naturlige drivhusgasser så svarer den observerede temperaturstigning nøjagtig til den forventede Den korrekte tilgang Bruge klimamodeller 70

Naturlig drivhus-effekt Gas Absolute Contribution (W m -2 ) Relative Contribution (%) H 2 O 75 60 CO 2 32 26 O 3 10 8 CH 4 + N 2 O 8 6 Total 125 100 Naturlig drivhus effekt varmer jorden 33 o C Forøget Drivhus-effekt Gas CO 2 + CH 4 + N 2 O + Halocarbons Absolute Contribution (W m -2 ) Fraction of Natural Effect (%) 1.6 1.4 Simpel analyse: Forøget drivhus effekt varmer jorden med 33 x 0.014 = 0.46 o C. Forudsagt opvarmning = 0.46 o C. Observeret opvarmning = (0.6±0.2) o C. 71

CO 2 72

Globale Klima Modeller 73

Hvor gode er disse modeller? 74 IPCC 2007

Alt inkluderet Alle modeller når samme konklusion: Det er kun muligt at modellere de observerede ændringer hvis menneskeskabte effekter inkluderes (drivhusgasser, partikler, ændringer i brug af landjorden). Naturlige variationer = Intern dynamik 75 IPCC 2007

Andre forslag til årsagen til de siden 1860 observerede klimaændringer: Solen Vulkaner Kosmisk stråling Naturlig variation Ingen af disse forslag (eller kombinationer af forslag) kan på videnskabelig vis forklare de observerede ændringer 76

4. Er der en menneskeskabt indflydelse på klimaet? Det ser ud som om der er en klar (90% sikker) menneskeskabt indflydelse på klimaet Hovedparten (99,99%) af det videnskabelige samfund er af denne mening hvorfor er der så megen debat f.eks. på TV? IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) består af næsten alle de ledende eksperter i verden IPCCs rapporter er troværdige, grundige og respekterede indenfor området. De har stor videnskabelig og politisk indflydelse. De siger ikke hvad politikerne skal gøre! 77

Hvordan har det videnskabelige syn udviklet sig? IPCC (1990): growth in greenhouse gas emissions may lead to significant increases in global temperature IPCC (1996): balance of evidence suggests a discernable human influence on global climate IPCC (2001): greenhouse gases produced mainly by burning of fossil fuels are likely to have contributed substantially to observed warming over past 50 years IPCC (2007):? 78

4. Er der en menneskelig indflydelse på klimaet? Ændrer det globale klima sig? JA Og det har det altid gjort men. Øges koncentrationen af drivhusgasser? JA Er der en menneskelig indflydelse på klimaet? JA (90% sikkert) Hvordan vil det fremtidige klima blive? Er det noget vi skal bekymre os om? 79

5. Hvordan vil det fremtidige klima blive? Ikke jævnt fordelt Virkningerne vil kunne mærkes indenfor de næste 20 år. Der vil kunne tjenes (og tabes) mange penge. 80

5. Hvordan vil det fremtidige klima blive? Sandsynligvis meget forskelligt fra det vi kender idag 81

Ændringen i udbytter af hvede, majs og ris 83

Konklusion Ændrer det globale klima sig? JA Og det har det altid gjort men. Øges koncentrationen af drivhusgasser? JA Er der en menneskelig indflydelse på klimaet? JA Hvordan vil det fremtidige klima blive? Sandsynligvis meget ændret Er det noget vi skal bekymre os om? JA Hvad vi skal gøre? - Det er et svært spørgsmål! 84