title: Estimating global warming from anthropogenic heat emissions
title: Abschätzung der globalen Erwärmung durch anthropogene Abwärme
title: conceptual and numerical modelling approaches
titleType: Subtitle
title: konzeptionelle und numerische Modellierungsansätze
titleType: Subtitle
Creators: name: Steiglechner, Peter
Publisher: name: Universität Potsdam
Year: 2021
Subjects: subject: 530 Physik

description: The forcing from the anthropogenic heat flux (AHF), i.e. the dissipation of primary energy consumed by the human civilisation, produces a direct climate warming. Today, the globally averaged AHF is negligibly small compared to the indirect forcing from greenhouse gas emissions. Locally or regionally, though, it has a significant impact. Historical observations show a constant exponential growth of worldwide energy production. A continuation of this trend might be fueled or even amplified by the exploration of new carbon-free energy sources like fusion power. In such a scenario, the impacts of the AHF become a relevant factor for anthropogenic post-greenhouse gas climate change on the global scale, as well. This master thesis aims at estimating the climate impacts of such a growing AHF forcing. In the first part of this work, the AHF is built into simple and conceptual, zero- and one-dimensional Energy Balance Models (EBMs), providing quick order of magnitude estimations of the temperature impact. In the one-dimensional EBM, the ice-albedo feedback from enhanced ice melting due to the AHF increases the temperature impact significantly compared to the zero-dimensional EBM. Additionally, the forcing is built into a climate model of intermediate complexity, CLIMBER-3α. This allows for the investigation of the effect of localised AHF and gives further insights into the impact of the AHF on processes like the ocean heat uptake, sea ice and snow pattern changes and the ocean circulation. The global mean temperature response from the AHF today is of the order of 0.010 − 0.016 K in all reasonable model configurations tested. A transient tenfold increase of this forcing heats up the Earth System additionally by roughly 0.1 − 0.2 K in the presented models. Further growth can also affect the tipping probability of certain climate elements. Most renewable energy sources do not or only partially contribute to the AHF forcing as the energy from these sources dissipates anyway. Hence, the transition to a (carbon-free) renewable energy mix, which, in particular, does not rely on nuclear power, eliminates the local and global climate impacts from the increasing AHF forcing, independent of the growth of energy production.
description: Das Forcing durch die Emission von anthropogener Abwärme (AHF), d.h. die Dissipation von konsumierter Primärenergie, stellt einen Beitrag zu einer direkten Klimaerwärmung dar. Der global gemittelte AHF ist heutzutage vernachlässigbar klein im Vergleich zu dem indirekten Forcing durch Treibhausgasemissionen. Auf lokaler oder regionaler Ebene hat das Forcing jedoch einen signifikanten Einfluss. Die Energieproduktion hat in der Vergangenheit ein konstant exponentielles Wachstum aufgezeigt. Dieser Trend kann durch die Erschließung neuer CO2-neutraler Energiequellen, wie zum Beispiel Fusionsenergie, weiter bestärkt und angetrieben werden. In solch einem Szenario führt das AHF Forcing zu einem auch global relevanten Beitrag zum menschengemachten Klimawandel abseits der Treibhausgasemissionen. In dieser Arbeit sollen die Auswirkungen eines wachsenden AHF auf das Klima abgeschätzt werden. Im ersten Teil wird das zusätzliche Forcing in einfache und konzeptionelle, null- und eindimensionale Energiebilanzmodelle (EBM) eingebaut. Diese bieten schnelle Größenordnungsabschätzungen des Temperaturanstiegs. Im eindimensionalen EBM erhöht die Eis-Albedo-Rückkopplung die Temperatur signifikant im Verlgeich zum nulldimensionalen Fall aufgrund von verstärkter Eisschmelze. Zusätzlich, wird das AHF Forcing in das Erdsystemmodell mittlerer Komplexität CLIMBER-3α eingebaut. Dieses erlaubt eine Analyse des Effekts eines heterogenen AHF Forcings und gibt weitere Einblicke in die Einflüsse auf Prozessse wie den Wärmefluss in den Ozean, Veränderungen in Meereis und Schneebedeckung und die Ozeanzirkulation. Der global gemittelte Temperaturanstieg für das heutige AHF Forcing beträgt 0.010 − 0.016 K in allen realistischen, getesteten Modellkonfigurationen. Ein transienter Anstieg des Forcings auf den zehnfachen Wert erwärmt die Erde um weitere 0.1 − 0.2 K in den vorgestellten Modellen. Weiteres Wachstum kann zusätzlich auch das Kippen von bestimmten Klimaelementen beeinflussen. Die meisten erneuerbaren Energiequellen tragen nicht oder nur kaum zu der anthropogenen Abwärme bei, da deren Energie sowieso dissipiert. Daher beseitigt ein Wechsel auf einen CO2-neutralen, erneuerbaren Energiemix, der explizit nicht auf nuklearen Brennstoffen basiert, unabhängig von dem Wachstum der Energieproduktion die lokalen wie auch globalen Auswirkungen des AHF Effekts.