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Klima
Das Klima bezeichnet den durchschnittlichen Zustand der Atmosphäre in einer spezifischen Region und über einen längeren Zeitraum von typischerweise 30 Jahren. Im Gegensatz dazu stellt das Wetter eine Momentaufnahme des atmosphärischen Zustands dar und kann somit zu einem beliebigen Zeitpunkt direkt gemessen werden. Beispielsweise misst ein Thermometer die aktuelle Temperatur und somit eine Grösse (Variable), die den aktuellen atmosphärischen Zustand beschreibt. Das Klima hingegen wird oft mit statistischen Kenngrössen wie dem Mittelwert, der Häufigkeit oder Wahrscheinlichkeit angegeben.
Zwei Analogien stellen diesen Unterschied bildlich dar:
- Das Wetter sagt dir, was du heute anziehen sollst. Das Klima bestimmt, wie dein Kleiderschrank aussehen sollte.
- “Climate is what we expect, weather is what we get.”[1] Dieses Zitat stammt vom amerikanischen Schriftsteller Robert Heinlein und bedeutet übersetzt, dass wir Klima erwarten und Wetter bekommen. Beispielsweise erwarten wir im Winter kühle Tage und Niederschlag in der Form von Schnee, da dies typisch ist für die Wintermonate. Trotzdem gibt es sowohl kalte, verschneite als auch warme und regnerische Wintertage.
Dieser Wiki-Eintrag dient als Zusammenfassung der wichtigsten Aspekte des Klimas für den Klimastreik Schweiz. Mehrmals im folgenden Artikel wird auf bestehende Wikipedia Einträge verwiesen, wie z. B. jener über das Klima, da diese bereits ausführlich ausgearbeitet worden sind. Der Nutzen dieses zusätzlichen Artikels ist seine Kompaktheit und möglichst niederschwellige Formulierung.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Definition
- 2 Globale Erwärmung
- 3 Rückkopplungen
- 4 Klimazonen
- 5 Klima in der Schweiz
- 6 Klimageschichte
- 7 Klimaskeptische Haltung
- 8 Referenzen
Definition
Der IPCC oder deutsch "Weltklimarat" definiert das Klima wie folgt: "Das Klima im engeren Sinne ist in der Regel definiert als das durchschnittliche Wetter, oder strenger, als die statistische Beschreibung mit dem Mittelwert und der Variabilität von relevanten Variablen über einen bestimmten Zeitraum hinweg, der von Monaten bis zu Tausenden oder Millionen von Jahren reicht. Die klassische Periode zur Mittelung dieser Variablen ist 30 Jahre, wie von der Weltorganisation für Meteorologie definiert. Die relevanten Mengen sind meist Variablen an der Erdoberfläche wie Temperatur, Niederschlag und Wind. Klima im weiteren Sinne ist der Zustand des Klimasystems, einschliesslich einer statistischen Beschreibung." - Zitat aus dem englischen übersetzt.[2]
IPCC
Der Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), deutsch häufig Weltklimarat, ist eine zwischenstaatliche Institution mit 195 Mitgliedsländern. Sein Ziel ist das Erarbeiten der wissenschaftlichen Grundlage zum Klimawandel für wissenschaftsbasierte politische Entscheidungen, ohne dabei Handlungsempfehlungen auszusprechen.
Der Weltklimarat betreibt selber keine Forschung, sondern trägt Resultate von tausenden Expert*innen mit zahlreichen, für den Klimawandel relevanten Themenschwerpunkten zusammen zu regelmässig erscheinenden Sachstandsberichten, den sogenannten Assessment Reports (ARs). Diese sind typischerweise in drei Arbeitsgruppen (WGs, wie der Klimastreik) aufgeteilt, welche sich mit den Grundlagen des Klimasystems und -wandels (WGI), der Verletzlichkeit unseres sozioökonomischen und natürlichen Systems (WGII) sowie der Abschwäschung des Klimawandels (WGIII) befassen. Bisher wurden fünf dieser mehreren tausend Seiten umfassenden Assessment Reports, sowie diverse kleinere Special Reports zu relevanten Teilbereichen und Methoden verfasst. Für alle Berichte ist jeweils auch eine Kurzfassung für politische Entscheidungsträger verfügbar (Summary for Policymakers). Die wichtigsten Berichte lauten wie folgt, wobei das gesamte Archiv an Artikeln öffentlich zugänglich ist.
- AR6, 2022 vollständig. Der sechste Sachstandsbericht.
- SR1.5, 2018 Der Sonderbericht 1.5°C globale Erwärmung zeigt den grossen Unterschied zwischen einer 1.5°C- und einer 2°C-Welt - einerseits wie viele Treibhausgase dazu noch ausgestossen werden dürfen, bis wann wir netto null Emissionen erreichen müssen, wie auch andererseits die sozialen, ökonomischen und ökologischen Konsequenzen der zwei Welten.
- AR5, 2013 Der fünfte und aktuellste Sachstandsbericht sagt, dass vom Mensch ausgestossene Treibhausgase (CO2, CH4, N2O,...) mit über 95%-iger Sicherheit für mehr als die Hälfte der beobachteten Erderwärmung seit 1951 verantwortlich sind. Dieser Zusammenhang gilt somit als extrem wahrscheinlich.
- AR4, 2007 Der vierte Sachstandsbericht stuft menschgemachte Treibhausgase als sehr wahrscheinlich (>90% Sicherheit) für mehr als die Hälfte der beobachteten Erderwärmung seit 1951 verantwortlich ein.
- TAR, 2001 Der dritte Sachstandsbericht besagt, dass menschgemachte Treibhausgase wahrscheinlich (67-90% Sicherheit) für mehr als die Hälfte der beobachteten Erderwärmung seit 1951 verantwortlich sind.
- SAR, 1995 Im zweite Sachstandsbericht sprach der IPCC von einem erkennbaren menschlichen Einfluss auf das Klima.
- FAR, 1990 Der erste Sachstandsbericht erwähnt den menschlichen Einfluss auf das Klima noch nicht.
Globale Erwärmung
Gemäss aktuellem SR1.5 Bericht des IPCC hat sich die Erdatmosphäre in den letzten rund 150 Jahren um rund 1°C erwärmt[2]. Diese Erwärmung geht einher mit dem Anstieg der Konzentration der wichtigsten menschgemachten Treibhausgase (THGs) wie CO2 (Kohlenstoffdioxid), CH4 (Methan) und N2O (Lachgas). Rein physikalisch ist der Zusammenhang zwischen diesen beiden Trends klar, wie in den folgenden Unterkapiteln beschrieben wird.
Grundsätzlich kommen für eine Erwärmung der Erde die interne Variabilität, also Ursachen innerhalb des Klimasystems, und externe, also von ausserhalb des Klimasystems einwirkende, Einflüsse in Frage. Externe Faktoren sind beispielsweise Vulkanausbrüche, die viel Staub und Asche in die Atmosphäre bringen, oder eine veränderte Sonneneinstrahlung. Grössere Vulkane haben primär eine kühlende Wirkung auf das Klima und sind gut dokumentiert. Die aktuell beobachteten, sehr kleinen Veränderungen in der solaren Einstrahlung würden zu einer Abkühlung führen und sind somit mit Sicherheit nicht Ursache für die beobachtete Erwärmung[3]. Interne Veränderungen sind eher kurzzeitige Änderungen im Klima, die aus Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Teilgebieten (Atmosphäre, Biosphäre, Ozean, etc.) resultieren. So kann es sein, dass trotz langfristiger Erwärmung des Klimas ein unterdurchschnittlich kühles Jahr vorkommt. Doch auch dieser Einfluss kann als Ursache für die beobachtete Erwärmung mit grosser Sicherheit ausgeschlossen werden und die Erwärmung ist somit fast hauptsächlich auf die menschgemachten THGs zurückzuführen[4][2].
Natürlicher Treibhauseffekt
Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Sauerstoff und Stickstoff. Daneben finden sich diverse Spurengase, u. A. Treibhausgase (THGs). Jedes Gas ist charakterisiert durch sein Absorptionsspektrum, d.h. das Gas nimmt nur eine gewisse Art von Strahlung (Licht, Wärmestrahlung, Mikrowellen, Röntgenstrahlung, usw.) auf. Der entscheidende Punkt des Treibhauseffekts ist, dass THGs durchlässig für Sonnenstrahlung und undurchlässig für die Wärmeabstrahlung der Erde sind. Die Sonnenstrahlung gelangt also durch THGs ungehindert auf die Erdoberfläche. Durch die Sonnenstrahlung erwärmt sich der Erdboden, weshalb er Wärme zum Himmel abstrahlt. Diese Wärme wird aber von den THGs zurückgehalten, sprich aufgenommen und zurück zum Erdboden und in die Atmosphäre reflektiert. Genauso funktioniert auch ein Treibhaus: Das Gehäuse ist durchsichtig und lässt das Sonnenlicht ins Innere, während es die Wärme im Treibhaus behält.
THGs sind grösstenteils nicht menschgemacht, sondern waren schon früh in der Erdatmosphäre vorhanden. Durch Vulkanismus reicherten sie sich in der "ersten Atmosphäre" der Erde - allen voran CO2. Aufgrund des zuvor beschriebenen Treibhauseffekts pendelte sich die globale Durchschnittstemperatur bei ca. 15°C ein. Ohne den Treibhauseffekt läge diese bei rund -18°C. Der natürliche Treibhauseffekt hat in der Erdgeschichte also eine wichtige Rolle und war entscheidend für die Entwicklung von Leben wie wir es kennen. Treibhausgase fungieren als eine Art Wolldecke der Erde, die auf ihren Absorptionseigenschaften und dem Strahlungshaushalt der Erde basiert.
Anthropogener Treibhauseffekt
Genaueres findet sich im ausführlichen Wikipedia Artikel zum Treibhauseffekt.
Ursachen
Folgt.
Folgen
Folgt.
Rückkopplungen
In unserem Klimasystem existieren zahlreiche natürliche Rückkopplungen, auch Feedbacks oder Feedback-Loops. Dies sind auf physikalischen Grundlagen basierende Prozesse, die sich in dem sehr komplexen Klimasystem entweder selbst verstärken (positive Rückkopplungen) oder ihre eigene Wirkung abschwächen (negative Rückkopplungen). Negative Rückkopplungen dienen in der Natur der Stabilisierung, in dem ein Störeffekt sich selbst abschwächt. Ein alltägliches Beispiel hierzu ist das Stefan-Boltzmann-Gesetz. Es besagt, dass ein Körper mit zunehmender Temperatur mehr Wärme abstrahlt und somit mehr Wärme verliert. Eine wichtige positive Rückkopplung im Klimasystem ist das El Niño-Southern Oscillation (ENSO) Zirkulationssystem zwischen Ozean und Atmosphäre im äquatorialen Pazifik. Es bestimmt massgeblich die Meeresströmung sowie das Klima der angrenzenden Regionen Indonesien, Australien und Südamerika und über Fernwirkung sogar einen Teil des Klimas höherer Breitengrade. Das Konzept der Rückkopplungen ist auch aus der Physik bekannt, wo man von Verstärkung und Dämpfung spricht.
Im Folgenden werden zwei positive Rückkopplungen erläutert, welche im Zusammenhang mit der aktuellen globalen Erwärmung von grosser Relevanz sind. Sie können dazu führen, dass sich die Erderwärmung ohne zusätzlichen Ausstoss von Treibhausgasen weiter fortsetzt - falls der kritische Schwellwert des Systems überschritten wird.
Eis-Albedo-Rückkopplung
Diese Rückkopplung basiert auf Unterschiede in der Albedo verschiedener Oberflächen. Die Albedo ist ein Mass für das Rückstrahlvermögen einer Oberfläche und nimmt Werte zwischen 0 und 1 bzw. 0% und 100% an. Eine Oberfläche mit Albedo 0 nimmt die gesamte eintreffende Strahlung meist in der Form von Wärme auf. Mit einer Albedo von 1 reflektiert eine Oberfläche die gesamte eintreffende Strahlung. Am bekanntesten ist hier das Beispiel des schwarzen T-Shirts im Sommer. Der schwarze Stoff hat eine sehr niedrige Albedo (~0.1), reflektiert also nur 10% und nimmt 90% der Sonnenstrahlung als Wärme auf - du schwitzt somit viel eher als in einem weissen, stark reflektierenden T-Shirt (Albedo ~0.9). In der folgenden Tabelle sind die Albedo Werte verschiedener natürlichen Oberflächen aufgeführt.
|Oberfläche||Albdeo||Relevanz für die Rückkopplung|
|Neuschnee||0.80-0.90||Polkappen (Arktis, Antarktis), Gletscher|
|Altschnee, Eis||0.45-0.90||Polkappen (Arktis, Antarktis), Gletscher|
|Wolken||0.60-0.90|
|Wüsten||ca. 0.30|
|Wiesen, Felder||0.18-0.26|
|Wälder||0.05-0.18|
|Asphalt||ca. 0.15||dunkles Gestein, Geröll|
|Wasser (Seen, Ozeane)||0.05-0.22||Meeresoberfläche|
Zur Rückkopplung selber: Die polaren Eiskappen (Polkappen) haben eine wichtige kühlende Funktion für die gesamte Erde. Während der Äquator direkter von der Sonne bestrahlt wird, nimmt dieser viel Wärme auf. Zu den Polen gelangt weniger Sonnenenergie, einerseits aufgrund der geometrischen Anordnung von Sonne und Erde (im Winter gar keine Sonneneinstrahlung) und andererseits weil ihre Oberfläche eine viel höhere Albedo besitzt. Aufgrund der globalen Erderwärmung gehen die Polkappen immer mehr zurück und das helle z.T. schneebedeckte Eis weicht viel dunklerem Meerwasser oder Geröll. Die Albedo der betroffenen Regionen reduziert sich somit um bis zu 85%, d.h. es wird lokal bis zu 85% mehr Sonnenenergie aufgenommen. Diese Wärme gelangt in die Ozeane und Atmosphäre, weshalb sich diese noch stärker erwärmen. Die Rückkopplung schliesst sich also, da eine Erwärmung zu Eisverlust, und dieser Verlust wiederum zu einer Erwärmung führt.
Dieser Effekt wird heute vermehrt in der Arktis, also dem Nordpol, beobachtet. Das arktische Meereis erreicht im September jeweils sein minimales Ausmass, welches in den vergangenen 40 Jahren um fast die Hälfte zurückgegangen ist[6]. Dies führt dazu, dass sich die Arktis mehr als doppelt so schnell erwärmt als die Erde im Durchschnitt[7] - man spricht von polarer Verstärkung. Bei einer globalen Erwärmung von 3°C, würde sich somit der Nordpol um mehr als 6°C erwärmen, mit verheerenden Folgen für die lokale Bevölkerung, die Tier- und Pflanzenwelt sowie das verbleibende Eis und den globalen Meeresspiegelanstieg. In der Antarktis am Südpol wird in den nächsten Jahrzehnten das Abschmelzen des Antarktischen Eisschilds und der Rückgang des Meereises höchstwahrscheinlich auf ähnliche Weise die Erwärmung verstärken[8].
Permafrost-Kohlenstoff-Rückkopplung
Permafrost bezeichnet ganzjährig gefrorenen Boden, der in besonders kalten (unter -1°C Jahresmitteltemperatur) und eher trockenen (unter 1000mm Jahresniederschlag) Gebieten auftritt. Rund 20-25% der Landfläche der Welt befinden sich somit in Regionen, wo Permafrost vorkommen kann. Relevanz für das Erdklima haben diese Böden aufgrund ihres hohen Kohlenstoffgehalts. Im gefrorenen Zustand speichern diese Böden aktuell rund 1'400 Gigatonnen Kohlenstoff.[9][10] Dies ist rund vier mal so viel Kohlenstoff, wie die Menschen in den vergangenen 250 Jahren als CO2 ausgestossen haben.[11]
Durch den Klimawandel erwärmen sich die Permafrostgebiete und die Böden sind teilweise nicht mehr ganzjährig gefroren. Der gespeicherte Kohlenstoff wird von Mikroorganismen zu den Treibhausgasen CO2 und CH4 umgewandelt und gelangt in die Atmosphäre. Die höhere Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre führt zu einer weiteren Erwärmung. Somit löst die menschgemachte Erwärmung das Tauen des Permafrosts aus, und dieses wiederum eine weitere Erwärmung. Da sich die höheren Breiten, wo Permafrost besonders häufig ist, stärker erwärmen als der globale Durchschnitt, findet diese Rückkopplung auch vermehrt statt.
Kipppunkte oder kritische Schwellwerte
Die vorherigen Beispiele von positiven Rückkopplungen verdeutlichen, dass gewisse Eingriffe in das Klimasystem selbstständig verstärkt werden. In beiden Beispielen führt eine gewisse Erwärmung zu einer grösseren Erwärmung, welche die Rückkopplung weiter antreiben kann. Konzentrieren wir und auf das erste Beispiel des Eis-Albedo-Feedbacks. Ursprünglich war das Klimasystem in einem stabilen Gleichgewicht, in dem die globale Temperatur das Auftreten von Eisflächen in der jetzigen Grösse erlaubte (nennen wir es GGW1). Da die Temperatur jedoch gestiegen ist, stehen die jetzigen Eisflächen in einem Ungleichgewicht zur Lufttemperatur - ein instabiler Zustand. Ein anderes stabiles Gleichgewicht ist eine wärmere Erde ohne Eis. In diesem Zustand greift die Rückkopplung nicht mehr, da kein eis Eis mehr auftritt, und die Erdtemperatur würde sich ohne andere Störungen nicht mehr verändern (GGW2).
Im instabilen Zustand dazwischen bedarf es irgendwann keines äusseren Eingriffs mehr. Im Moment sind wir noch in der Nähe des ersten stabilen Zustands GGW1. Die Erwärmung wird durch Treibhausgase angetrieben und von den Rückkopplungen verstärkt. Falls wir die Klimaerwärmung aber weiter vorantreiben, werden die positiven Rückkopplungen sich irgendwann verselbstständigen und auch ohne weitere menschliche Treibhausgase steigt die Temperatur bis zu jenen im GGW2 an. Der Antrieb der Erwärmung wären in diesem Falle nur noch die Rückkopplungsmechanismen. Die Temperatur, wo der Antrieb der Erwärmung von den Treibhausgasen zu den automatisch auftretenden Rückkopplungen übergeht, wird als kritischer Wert/Punkt, Kipppunkt oder englisch tipping point bezeichnet.
Umkehrbarkeit der Erwärmung
Die positiven Rückkopplungen haben dadurch eine Auswirkung auf die Umkehrbarkeit dieser Prozesse. Der Weg von GGW1 zu GGW2 wird von Beginn an durch die positive Eis-Albedo-Rückkopplung gefördert. Vereiste Gebiete erwärmen sich erst durch den Klimawandel und nach Erreichen der kritischen Temperatur automatisch von Temperaturen unter (GGW1) auf über 0°C. Währenddessen taut das Eis, geht zurück und die Temperatur steigt weiter über 0°C (instabiler Zustand) bis diese Gebiete irgendwann GGW2 mit beispielsweise einer Temperatur von 5°C erreichen. In diesem Prozess hat sich die Temperatur fortlaufend erhöht, und die Fläche des Eises ging kontinuierlich zurück.
Der umgekehrte Weg, von GGW2 zu GGW1, würde jedoch nicht genau umgekehrt stattfinden. Falls die Temperatur von 5°C wieder langsam abnimmt, auf 4°C, 3°C und dann 2°C, würde sich noch kein Eis bilden - denn dazu bedarf es negativer Temperaturen. Erst bei Temperaturen unter null Grad beginnt sich Eis zu bilden, und durch das umgekehrte (ebenfalls positive) Feedback bildet sich vermehrt Eis, die Erde kühlt weiter ab, bis wieder GGW1 als stabiler Zustand erreicht wird. Auf dem Weg von GGW2 zu GGW1 muss somit die Luft ständig durch äussere Einwirkung abgekühlt werden, bevor die kritische Temperatur des Rückwegs unterschritten ist, die Rückkopplung schlagartig einsetzt und das Auftreten von Eis automatisch verstärkt wird. Die kritische Schwelle der Temperatur auf dem Hinweg (schwierig zu definieren) entspricht nicht der des Rückwegs (0°C). Dieses Verhalten nennt man Hysterese.
Beispiel Grönland
Oft treten verschiedene Rückkopplungen gleichzeitig auf und deren Wechselspiel wird schnell kompliziert. Für ein einzelnes System kann man aber trotzdem versuchen, alle relevanten Rückkopplungen zu erfassen und mittels einem Model einen einzigen kritischen Schwellwert zu ermitteln. Ein Beispiel ist das Grönländische Eisschild. Für das Eisschild gibt zwei stabile Zustände, nämlich eines der jetzigen Grösse (GGW1) oder ein komplett abgeschmolzenes (GGW2). Nebst dem Eis-Albedo-Feedback ist vor allem das Höhe-Schmelze-Feedback[12] entscheidend. Das Eisschild ist im Inneren rund 3'200 Meter mächtig und die Temperatur nimmt mit der Höhe ab (auf den Bergen ist es kälter als im Tal). Aufgrund der Erderwärmung schmilzt das Eis und die Höhe des Eisschildes wird reduziert. Somit gelangt Grönland automatisch in ein niedriger gelegenes und deshalb wärmeres Klima und das Eis schmilzt noch stärker.
Ab einem gewissen Temperaturwert führen die Eis-Albedo- und Höhe-Schmelze-Rückkopplung zum unumkehrbaren Abschmelzen des gesamten Grönländischen Eisschildes. Vor etwas mehr als 10 Jahren wurde dieser Kipppunkt in der Nähe von 3.1°C globaler Erwärmung angesiedelt[13]. Aufgrund besserer Modelle konnte der ursprünglich grob angenäherte Kipppunkt genauer untersucht werden. Die kritische Schwelle ist nach bester Erkenntnis demnach 1.6°C globale Erwärmung[14]. Unsicherheiten verbleiben aus diversen Gründen und das Abschmelzen dauert mehrere hundert bis tausend Jahre - je nach weiterem Temperaturverlauf. Wichtig ist jedoch, dass es diesen Punkt gibt; Eine Temperaturschwelle, die, wenn einmal überschritten, zum irreversiblen Verlust Grönlands und einem globalen Meeresspiegelanstieg von sieben Metern führt - egal ob die Menschen danach noch Treibhausgase ausstossen oder nicht.
Klimazonen
Folgt.
Klima in der Schweiz
Folgt.
Auswirkungen des Klimawandels
Folgt.
Klimageschichte
Folgt.
Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM)
Folgt
Klimaskeptische Haltung
Psychologische Ursachen
Argumentarium
Referenzen
- Robert Heinlein, 1973
- IPCC: Global Warming of 1.5 °C – an IPCC special report on the impacts of global warming of 1.5 °C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty – SR15. In: ipcc.ch. 5. Oktober 2018, abgerufen am 16. Mai 2019.
- Lockwood, M., & Fröhlich, C. (2007). Recent oppositely directed trends in solar climate forcings and the global mean surface air temperature. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 463(2086), 2447-2460.
- Huber, M., & Knutti, R. (2012). Anthropogenic and natural warming inferred from changes in Earth’s energy balance. Nature Geoscience, 5(1), 31.
- https://de.wikipedia.org/wiki/Albedo
- NASA: https://climate.nasa.gov/vital-signs/arctic-sea-ice/. In https://www.nasa.gov/. 17 Mai 2019, abgerufen am 18 Mai 2019
- Cohen, J., and Coauthors, 2014: Recent Arctic amplification and extreme mid-latitude weather. Nat. Geosci., 7, 627–637, doi:https://doi.org/10.1038/ngeo2234.
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- Schuur, E. A., McGuire, A. D., Schädel, C., Grosse, G., Harden, J. W., Hayes, D. J., ... & Natali, S. M. (2015). Climate change and the permafrost carbon feedback. Nature, 520(7546), 171.
- Kevin Schaefer. “Methane and Frozen Ground”. National Snow and Ice Data Center. Abgerufen am 19. Mai 2019. https://nsidc.org/cryosphere/frozenground/methane.html
- Pachauri, R. K., Allen, M. R., Barros, V. R., Broome, J., Cramer, W., Christ, R., ... & Dubash, N. K. (2014). Climate change 2014: synthesis report. Contribution of Working Groups I, II and III to the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (p. 151). IPCC.
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