Graduiertenkurs: Past, present and future climate:

Prof. K. Pfeilsticker

(August 28, 2007)

Deutscher Abstrakt:

Der Kurs vermittelt eine Einführung in die wichtigsten physikalischen Prozesse des Klimas der Erde, seine möglichen Störungen durch externe und interne Einflüsse, seine Eigenmoden und die daraus resultierenden natürlichen Schwankungen auf unterschiedlichen Zeitskalen. Der Kurs beginnt mit einer Einführung in die Planetenentstehung und die Physik der frühen Erde. Dabei werden die wichtigsten physikalischen, chemischen und geologischen Faktoren behandelt, die aus der Erde einen bewohnbaren Planeten machten. Weiterhin werden einige Grundlagen der Sonnenphysik sowie die unterschiedlichen Faktoren der Veränderlichkeit der solaren Einstrahlung, und die daraus resultierenden Veränderungen des Erdklimas diskutiert. Im Mittelteil des Kurses wird der Strahlungs-transport, Strahlungsantrieb, die Treibhauswirkung der Erdatmosphäre sowie ihre Empfind-lichkeit gegenüber Störungen besprochen. Anschließend erfolgt ein kurzer Gang durch die Klimageschichte der Erde anhand der wichtigsten, zumeist geologisch dokumentierten Meilensteine. Im letzten Teil des Kurses wird das Augenmerk auf die möglichen Gründe der Variabilität des Klimas auf Zeitskalen von wenigen tausend Jahren, einige Szenarien des zukünftigen Klimas und ihre Unsicherheiten behandelt.

-    Planetenentstehung und Entwicklung
-    solare Variabilität
-    Strahlungstransport und Strahlungsantrieb
-    paläo- und rezentes Klima
-    zukünftiges Klima und Unsicherheiten der Klimavorhersage

Für die Einführung wird Vordiplomwissen in der Physik bzw. der Geowissenschaften vorausgesetzt.

English Abstract:

The course provides an introduction into the Earth climate, and its variability on different time scales due to external and internal influences, typical time constants and eigen-modes of the climate system. The course starts with an introduction into planetary evolution, the physics of the early Earth with a particular emphasis being put into the discussion what factors rendered the Earth into a habitable planet. Next, basics of the solar physics are discussed together with major factors affecting solar irradiance, its variability and consequence for global climate. Radiative transfer in the earth’s atmosphere, the greenhouse effect, radiative forcing and its sensitivity to disturbances is further addressed. In the following a brief history of the Earth climate is given with reports on the major milestone in Earth history, which are mostly documented in geological records. The course concludes with a discussion on the climate variability on time scales of thousand years, climate prediction and its uncertainty.  

-    planetary evolution
-    solar variability
-    radiation transport and radiative forcing
-    paleo- and recent climate
-    future climate and uncertainties in its prediction

The course is offered to students with a basic knowledge (post-bachelor) in physics or geo-sciences.

Lecture Notes:
 
1.    Structure and evolution of planetary atmospheres (3h)
introduction, requirement for life,  major findings on the early development of solar system,  the primary and secondary atmospheres of Venus, Mars &Earth (tidal lock, impact erosion, Jeans escape, ...,  more findings (Urey equilibrium,  Rubey inventory), even more findings to the development of an oxidizing atmosphere,  summary and conclusion            
2.   Solar Variability (3h)
Irradiance changes due to solar physics (long term), orbital parameters,
solar physics (short term), climate change due to solar irradiance variations, summary and conclusions, exercises

 3.    Radiative transfer and Climate: (3h)
introduction, primitive climate models, 0th order and RT equilibrium, 1th order RT equilibrium, radiative forcing, the RT equation, solution to the Schwarzschild equation, consequences, heating rates, and radiative relaxation, summary and conclusions, exercises

4.    Paleo-Climate: (3h) Introduction, climate information from the Archean to the holocene,  Archean (3.8 – 2.5 Gyrs), Proterozoic (2.5 – 0.543 Gyr), the rise of atmospheric O2, snowball Earth, Paleozoic (543 - 248 myr), Mesozoic (248 – 65 myr),  Cenozoic (65 myr – present), Paleocene/Eocene transition (55 myr), Miocene (30 – 5 myr), Pliocene (5 – 1.8 myr) and early Pleistocene  (1.8 myr – 13 kyr) climates, the past 800 ka, the Holocene (13 kyr to present), tropical Africa, 8250 kyr cooling, regional climate of the Alps, the past 500 yr in middle Europe, Summary&Conclusions, exercises

5.    Climate Variability + Change: (3h)
Motivation and some questions: Climate variability - What is it ?,  Some factors affecting climate, external and internal factors, eigenmodes, more on statistics, how reliable can we predict climate ?, man-made forcings of climate change, definition: forcing, forcing-response relationship, climate change indicators, radiative disturbance of the atmosphere by greenhouse gases, examples of radiative forcings, c.f. from CO2, O3, aerosols,  IPCC summary for different radiative forcings, simulations of past and future surface T changes and projections, uncertainties in fore-casting climate, Summary&Conclusions,  exercises

 
Literature:
  1. DPG, Klimaschutz und Energieversorgung in Deutschland 1990 - 2020, DPG, 2005
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