Economics of climate change - Exam

Aufgabe 1)

Physikalische Ursachen des Klimawandels:Primäre physikalische Ursachen des Klimawandels sind die Zunahme von Treibhausgasen in der Atmosphäre, die durch menschliche Aktivitäten wie Verbrennung fossiler Brennstoffe, Entwaldung und industrielle Prozesse freigesetzt werden.

• Treibhauseffekt: Hitzestrahlung der Erde wird durch Gase wie CO2, CH4 und N2O in der Atmosphäre zurückgehalten.
• Verbrennung fossiler Brennstoffe: Emissionen von CO2 und anderen Treibhausgasen.
• Entwaldung: Reduziert CO2-Aufnahme durch Pflanzen.
• Industrielle Prozesse: Emissionen von zusätzlichen Treibhausgasen.

a)

Erkläre den Treibhauseffekt im Detail und beschreibe, wie die Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre zu einem Temperaturanstieg führt. Beziehe Dich dabei auf Flächeneinheiten und Energiebilanzen der Erde.

Lösung:

Der Treibhauseffekt ist ein fundamentales physikalisches Phänomen, das zur Erhöhung der globalen Temperaturen führt. Durch die Zunahme von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Distickstoffmonoxid (N2O) in der Atmosphäre wird dieser Effekt verstärkt. Hier ist eine detaillierte Erklärung, wie dieser Prozess funktioniert und wie er zu einem Temperaturanstieg führt:

• Sonnenstrahlung: Die Erde erhält Energie von der Sonne in Form von Sonnenlicht. Diese Strahlung trifft auf die Erdoberfläche und wird als sichtbares Licht und als infrarote Strahlung (Wärmestrahlung) absorbiert.
• Absorption und Wiederabstrahlung: Die Erdoberfläche erwärmt sich durch die absorbierte Sonnenstrahlung und strahlt selbst wiederum Wärme in Form von Infrarotstrahlung zurück in die Atmosphäre ab.
• Rolle der Treibhausgase: Treibhausgase wie CO2, CH4 und N2O absorbieren einen Teil der von der Erdoberfläche abgegebenen Infrarotstrahlung. Die Gasmoleküle emittieren diese Strahlung dann in alle Richtungen, einschließlich zurück zur Erdoberfläche, was zu einer zusätzlichen Erwärmung der Erdoberfläche und der unteren Atmosphärenschichten führt.
• Energiebilanz der Erde: Die Erde erreicht ein Gleichgewicht, wenn die Menge an eingehender Sonnenstrahlung gleich der Menge an abgegebener Infrarotstrahlung ist. Durch die Anreicherung von Treibhausgasen wird jedoch ein Teil der IR-Strahlung zurückgehalten und zurück zur Erdoberfläche gestrahlt, wodurch das Gleichgewicht verschoben wird und die Erdoberfläche sich weiter erwärmt.

Die Zunahme der Treibhausgase führt daher zu einem Strahlungsungleichgewicht:

• Strahlungsfluss (Radiative Forcing): Der Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre erhöht die Menge der zurückgehaltenen Wärmeenergie pro Flächeneinheit (in Watt pro Quadratmeter, W/m²). Diese zusätzliche Energie führt zu einem Netto-Wärmegewinn für die Erde.
• Temperaturanstieg: Um das Gleichgewicht wiederherzustellen, muss die Erdoberfläche mehr Wärme abstrahlen. Dies erfolgt durch eine Erhöhung der Oberflächentemperatur. Dieser Prozess wird als globaler Temperaturanstieg oder globale Erwärmung bezeichnet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die physikalische Ursache des Klimawandels primär in der Erhöhung der Konzentration von Treibhausgasen liegt, die den Treibhauseffekt verstärken und zu einem Ungleichgewicht in der Energiebilanz der Erde führen, was schlussendlich die globale Temperatur ansteigen lässt.

b)

Berechne die jährlichen CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Gegeben ist, dass die globale Kohlenstoffintensität aus fossilen Brennstoffen 0,33 kg CO2 pro MJ beträgt und der jährliche weltweite Energieverbrauch 5,5 * 10^20 J ist.

Lösung:

Um die jährlichen CO₂-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu berechnen, verwenden wir die folgenden Angaben:

• Die globale Kohlenstoffintensität aus fossilen Brennstoffen beträgt 0,33 kg CO₂ pro Megajoule (MJ).
• Der jährliche weltweite Energieverbrauch beträgt 5,5 × 10²⁰ Joule (J).

Wir gehen schrittweise vor:

1. Umrechnung des Energieverbrauchs von Joules in Megajoules:1 Megajoule (MJ) ist gleich 10⁶ Joules (J).\[\text{Energieverbrauch in MJ} = \frac{5,5 \times 10^{20} \text{ J}}{10^{6} \text{ J/MJ}} = 5,5 \times 10^{14} \text{ MJ}\]
2. Berechnung der jährlichen CO₂-Emissionen:Wir multiplizieren die globale Kohlenstoffintensität mit dem umgerechneten Energieverbrauch.\[\text{Jährliche CO₂-Emissionen} = 0,33 \text{ kg CO₂ / MJ} \times 5,5 \times 10^{14} \text{ MJ} = 1,815 \times 10^{14} \text{ kg CO₂}\]

Die jährlichen CO₂-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe betragen somit 1,815 × 10¹⁴ kg CO₂.

c)

Diskutiere die Auswirkungen der Entwaldung auf den CO2-Kreislauf und erkläre, wie sich dies auf den Klimawandel auswirkt. Konzentriere Dich auf die biologischen Prozesse, die durch die Entwaldung gestört werden.

Lösung:

Die Entwaldung hat erhebliche Auswirkungen auf den CO₂-Kreislauf und trägt maßgeblich zum Klimawandel bei. Hier sind die wichtigsten biologischen Prozesse und deren Störungen durch Entwaldung erklärt:

• Photosynthese und CO₂-Aufnahme: Pflanzen, insbesondere Bäume, spielen eine zentrale Rolle im Kohlendioxidkreislauf durch den Prozess der Photosynthese, bei dem sie CO₂ aus der Atmosphäre aufnehmen und in organische Verbindungen, wie Zucker, umwandeln. Dieser Prozess reduziert den CO₂-Gehalt in der Atmosphäre und bindet den Kohlenstoff in der Biomasse der Pflanzen.
• Speicherung von Kohlenstoff: Wälder speichern große Mengen an Kohlenstoff sowohl in der Biomasse (Stämme, Äste, Blätter) als auch im Boden. Dieser Kohlenstoff wird für mehrere Jahrzehnte bis Jahrhunderte gespeichert. Durch Entwaldung wird dieser Kohlenstoff freigesetzt, entweder sofort durch Verbrennung oder über die Zeit durch mikrobiellen Abbau der Biomasse.
• Veränderung der Bodenstruktur: Wälder tragen zur Bildung und Erhaltung von humusreichen Böden bei, die ebenfalls große Mengen an Kohlenstoff gespeichert halten. Durch Entwaldung wird diese Bodenstruktur zerstört, was zu einer Freisetzung von im Boden gebundenem Kohlenstoff führt. Zusätzlich erhöht sich die Erosion, wodurch noch mehr Kohlenstoff freigesetzt wird.
• Rückgang der Biodiversität: Wälder sind Lebensräume für zahlreiche Pflanzen- und Tierarten. Durch die Zerstörung dieser Habitate wird die Artenvielfalt erheblich reduziert. Viele dieser Organismen spielen eine Rolle im Kohlenstoffkreislauf, zum Beispiel durch den Abbau organischer Materialien und die Rückführung von Nährstoffen in den Boden.
• Veränderung lokaler und globaler Klimabedingungen: Wälder beeinflussen das Klima auch durch die Verdunstung (Evapotranspiration), die zur Kühlung der Umgebung beiträgt, und durch die Albedo (Rückstrahlfähigkeit), die beeinflusst, wie viel Sonnenlicht reflektiert oder absorbiert wird. Durch Entwaldung ändern sich diese lokalen Klimabedingungen, was zu einer weiteren Erwärmung führen kann.

Zusammenfassung:Die Entwaldung führt zu einem Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentrationen, da weniger CO₂ durch Bäume aufgenommen wird und mehr durch den Abbau von Biomasse freigesetzt wird. Diese Zunahme von CO₂ in der Atmosphäre verstärkt den Treibhauseffekt, was zu höheren globalen Temperaturen führt. Außerdem werden durch die Entwaldung wichtige ökologische Prozesse gestört und die Biodiversität verringert, was langfristig negative Auswirkungen auf das Klima und die Umwelt hat.

d)

Analysiere den Einfluss industrieller Prozesse auf die Treibhausgasemissionen. Nenne mindestens zwei industrielle Prozesse und erläutere, welche spezifischen Treibhausgase durch diese freigesetzt werden und welche Maßnahmen zur Reduktion dieser Emissionen ergriffen werden können.

Lösung:

Industrielle Prozesse spielen eine bedeutende Rolle bei der Freisetzung von Treibhausgasen (THG) und tragen somit erheblich zum Klimawandel bei. Hier sind zwei industrielle Prozesse, deren Emissionen und mögliche Maßnahmen zur Reduktion dieser Emissionen erläutert:

• Zementproduktion:Die Herstellung von Zement ist eine bedeutende Quelle für CO₂-Emissionen. Der Prozess umfasst folgende Schritte:
  • Kalzinierung: Kalkstein (CaCO₃) wird erhitzt, wodurch CO₂ freigesetzt wird und Calciumoxid (CaO) entsteht.
  • Brennstoffverbrennung: Zusätzlich werden fossile Brennstoffe verbrannt, um die benötigte hohe Temperatur zu erreichen, was zu weiteren CO₂-Emissionen führt.

  Maßnahmen zur Reduktion der CO₂-Emissionen:

  • Einsatz alternativer Brennstoffe: Verwendung von Biomasse oder Abfallstoffen statt fossiler Brennstoffe.
  • Energieeffizienz: Verbesserung der Energieeffizienz der Produktionsanlagen.
  • CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS): Abscheidung des bei der Kalzinierung entstehenden CO₂ und Speicherung in geologischen Formationen.
• Stahlproduktion:Die Stahlherstellung ist eine weitere Industrie, die erhebliche Mengen an THG freisetzt, vor allem CO₂. Der Prozess umfasst:
  • Reduktion von Eisenerz: Eisenerz (Fe₂O₃) wird unter Verwendung von Koks (einem Kohlenstoffprodukt) zu Eisen reduziert, wobei CO₂ als Nebenprodukt freigesetzt wird.
  • Schmelzverfahren: Das rohe Eisen wird weiter verarbeitet, oft unter Einsatz von fossilen Brennstoffen, die zusätzliche CO₂-Emissionen verursachen.

  Maßnahmen zur Reduktion der CO₂-Emissionen:

  • Ersatz von Koks durch Wasserstoff: Nutzung von grünem Wasserstoff statt Koks zur Reduktion von Eisenerz.
  • Recycling: Erhöhung des Anteils von recyceltem Stahl im Produktionsprozess, was weniger Energie und weniger THG-Emissionen benötigt.
  • CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS): Abscheidung des im Prozess entstehenden CO₂ und Speicherung in geologischen Formationen.
• Maßnahmen zur Emissionsreduktion in der Industrie:
  • Energieeffizienzmaßnahmen: Verbesserung der Energieeffizienz in Industrieprozessen durch technologische Innovationen und Optimierung der Prozesse.
  • Erneuerbare Energien: Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien zur Deckung des Energiebedarfs der Industrie.
  • Regulierung und Vorschriften: Einführung von strengeren Emissionsvorschriften und Anreizen für die Reduktion von THG-Emissionen.

Zusammenfassung: Industrielle Prozesse wie die Zement- und Stahlproduktion tragen erheblich zur Freisetzung von CO₂ und anderen Treibhausgasen bei. Durch den Einsatz alternativer Materialien und Energiequellen, Verbesserung der Energieeffizienz und technologische Innovationen können diese Emissionen jedoch signifikant reduziert werden.

Aufgabe 2)

Langfristige KlimaprognosenLangfristige Klimaprognosen sind Vorhersagen über die zukünftige Klimaentwicklung über mehrere Jahrzehnte oder Jahrhunderte.

• Verwendung von Klimamodellen zur Simulation zukünftiger Szenarien
• Berücksichtigen mehrerer Unsicherheiten, wie z.B. Treibhausgasemissionen, sozioökonomische Entwicklungen
• Ergebnisse dienen der Politikberatung und langfristigen Planung
• Typische Modelle: General Circulation Models (GCMs)
• Wichtige Parameter: Temperatur, Niederschlag, Meeresniveau
• Prognosen reichen oft bis in das Jahr 2100 und darüber hinaus
• Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) bietet regelmäßig aktualisierte Berichte

a)

Erkläre den Aufbau und die Funktionsweise von General Circulation Models (GCMs). Wie werden solche Modelle zur Erstellung langfristiger Klimaprognosen verwendet?

Lösung:

Aufbau und Funktionsweise von General Circulation Models (GCMs)

General Circulation Models (GCMs) sind komplexe mathematische Modelle, die verwendet werden, um die Dynamik der Erdatmosphäre, der Ozeane und der Landoberfläche zu simulieren und langfristige Klimaprognosen zu erstellen. Hier ist eine detaillierte Erklärung des Aufbaus und der Funktionsweise von GCMs:

• Atmosphärische Komponenten: GCMs beinhalten Gleichungen, die die Bewegung von Luftmassen, das Verhalten von Wolken, die Strahlungsübertragung und die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Erdoberfläche beschreiben. Diese Gleichungen basieren oft auf den fundamentalen Gesetzen der Physik wie der Navier-Stokes-Gleichungen für Fluiddynamik.
• Ozeanische Komponenten: Die Modelle simulieren auch die Ozeane, einschließlich Meeresströmungen, Wellenbewegungen und Wärmeübertragung zwischen verschiedenen ozeanischen Schichten. Dies ist wichtig, da die Ozeane eine große Menge an Wärme und Kohlenstoff speichern und somit das Klima langfristig beeinflussen.
• Landoberflächenmodellierung: Die Interaktionen zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre werden durch Komponenten wie Vegetation, Bodentyp, Eis und Schnee abgedeckt. Diese Komponenten beeinflussen Faktoren wie die Albedo (Rückstrahlvermögen) und die Feuchteverfügbarkeit.
• Strahlungsmodellierung: Die Modelle berücksichtigen die Wechselwirkungen zwischen Solarstrahlung und terrestrischer Strahlung. Dies schließt die Absorption, Reflexion und Streuung von Strahlung durch Gase und Partikel in der Atmosphäre ein.
• Aerosole: GCMs berücksichtigen auch die Auswirkungen von Aerosolen, also feinen Partikeln in der Atmosphäre, die das Klima beeinflussen können, indem sie die Strahlung streuen und absorbieren.

Anwendung von GCMs zur Erstellung langfristiger Klimaprognosen

• Simulation von Szenarien: GCMs werden verwendet, um verschiedene Zukunftsszenarien zu simulieren. Dazu gehören Szenarien mit unterschiedlichen Treibhausgasemissionen und sozioökonomischen Entwicklungen. Diese Szenarien helfen dabei, eine Bandbreite möglicher klimatischer Entwicklungen zu erfassen.
• Berücksichtigung von Unsicherheiten: Da viele Faktoren die zukünftige Klimaentwicklung beeinflussen, beinhalten GCMs zahlreiche Unsicherheiten. Dazu gehören Unsicherheiten in Bezug auf zukünftige Emissionen, technologische Entwicklungen und politische Maßnahmen.
• Politikberatung und Planung: Die Ergebnisse der GCMs werden verwendet, um politische Entscheidungsträger zu beraten und langfristige Planungen zu unterstützen. Dies kann beispielsweise Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen, zur Anpassung an den Klimawandel oder zur Vorbereitung auf extreme Wetterereignisse umfassen.
• Regelmäßige Aktualisierung: Institutionen wie das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) nutzen die Ergebnisse von GCMs, um regelmäßig aktualisierte Berichte zu veröffentlichen, die den aktuellen Stand der Klimaforschung zusammenfassen und mögliche zukünftige Entwicklungen skizzieren.

Insgesamt spielen GCMs eine entscheidende Rolle bei der Erstellung langfristiger Klimaprognosen und der Unterstützung von Maßnahmen zur Bewältigung des Klimawandels.

b)

Welche Hauptunsicherheiten müssen bei der Erstellung langfristiger Klimaprognosen berücksichtigt werden? Diskutiere deren potenzielle Auswirkungen auf die Prognosen.

Lösung:

Hauptunsicherheiten bei der Erstellung langfristiger Klimaprognosen

Bei der Erstellung langfristiger Klimaprognosen müssen verschiedene Unsicherheiten berücksichtigt werden, die einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Prognosen haben können. Hier sind die wichtigsten Unsicherheiten und deren potenzielle Auswirkungen:

• Treibhausgasemissionen: Die zukünftigen Emissionen von Treibhausgasen (wie CO₂, Methan) sind eine der größten Unsicherheiten. Diese Emissionen hängen stark von menschlichen Handlungen ab, einschließlich wirtschaftlicher Aktivitäten, technologischer Entwicklungen und politischer Maßnahmen. Unterschiedliche Emissionsszenarien können zu deutlich unterschiedlichen Klimaergebnissen führen.
• Sozioökonomische Entwicklungen: Veränderungen in der globalen und regionalen Wirtschaft, Bevölkerungswachstum, Urbanisierung und Lebensstil haben direkte Auswirkungen auf die Treibhausgasemissionen und damit auf das Klima. Sozioökonomische Entwicklungen sind jedoch schwer vorhersehbar, was zu Unsicherheiten in den Prognosen führt.
• Technologische Innovationen: Fortschritte in der Energietechnologie, wie die Entwicklung und großflächige Einführung erneuerbarer Energien oder der Verbesserung der Energieeffizienz, können die Emissionen erheblich beeinflussen. Auf der anderen Seite könnten die negativen Auswirkungen neuer Technologien, wie die Extraktion und Nutzung fossiler Brennstoffe aus nicht-konventionellen Quellen, die Unsicherheiten weiter erhöhen.
• Natur- und Klimafaktor-Variabilität: Natürliche Klimaschwankungen, wie Vulkanausbrüche, Sonnenaktivität und interne Variabilität des Klimasystems, können kurzfristige und langfristige Schwankungen im Klimasystem verursachen. Diese Ereignisse sind schwer vorhersehbar und können kurzfristig starke Auswirkungen auf das Klima haben.
• Modellunsicherheiten: Die Klimamodelle selbst, einschließlich der verwendeten Formeln und Annahmen, haben inhärente Unsicherheiten. Verschiedene Modelle können unterschiedliche Ergebnisse liefern, selbst wenn sie mit denselben Eingabedaten gefüttert werden. Diese Modellunsicherheiten können aus einer unvollständigen oder ungenauen Darstellung der physikalischen Prozesse resultieren.
• Rückkopplungseffekte: Es gibt viele Rückkopplungseffekte im Klimasystem, wie z.B. die Wechselwirkungen zwischen Wolken und Strahlung, dem Schmelzen von Eis und der Änderung der Albedo oder der Kohlenstoffaufnahme durch die Ozeane und Vegetation. Die genaue Stärke und das Verhalten dieser Rückkopplungen sind schwer vorherzusagen, was zu Unsicherheiten in Klimaprognosen führt.

Potenzielle Auswirkungen auf die Prognosen

• Varianz in den Ergebnissen: Die Berücksichtigung verschiedener Unsicherheiten kann zu einer breiten Varianz in den prognostizierten klimatischen Bedingungen führen. Dies bedeutet, dass die Prognosen eine Spanne möglicher Zukünfte darstellen, anstatt eine genaue Vorhersage.
• Anpassungs- und Minderungsstrategien: Die Unsicherheiten machen es schwieriger, zielgerichtete und effektive Anpassungs- und Minderungsstrategien zu entwickeln. Politische Entscheidungsträger müssen daher flexible Pläne entwickeln, die sich an ein breites Spektrum möglicher Klimaszenarien anpassen können.
• Risikoabwägung: Aufgrund der Unsicherheiten müssen Risikoabwägungen getroffen werden. Dies bedeutet, dass man potenzielle Konsequenzen unterschiedlicher Szenarien abwägen muss, um die bestmöglichen Vorsorgemaßnahmen zu treffen.
• Öffentliche Wahrnehmung: Die Unsicherheiten können auch die öffentliche Wahrnehmung und die Akzeptanz von Klimamaßnahmen beeinflussen. Eine klare Kommunikation dieser Unsicherheiten und ihrer Implikationen ist entscheidend, um Unterstützung für Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels zu erhalten.

Insgesamt ist es wichtig, diese Unsicherheiten zu verstehen und zu berücksichtigen, um realistische und robuste langfristige Klimaprognosen zu erstellen und effektive Strategien zur Anpassung und Minderung des Klimawandels zu entwickeln.

c)

Wie können langfristige Klimaprognosen zur politischen Entscheidungsfindung und langfristigen Planung beitragen? Gib konkrete Beispiele und erläutere deren Bedeutung.

Lösung:

Beitrag langfristiger Klimaprognosen zur politischen Entscheidungsfindung und langfristigen Planung

Langfristige Klimaprognosen sind nicht nur wichtige Werkzeuge für Wissenschaftler, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle bei der politischen Entscheidungsfindung und der langfristigen Planung. Hier sind einige konkrete Beispiele und Erklärungen zur Bedeutung dieser Prognosen:

• Klimaschutzmaßnahmen und Emissionsreduktion: Langfristige Klimaprognosen helfen politischen Entscheidungsträgern, die Notwendigkeit und Dringlichkeit von Klimaschutzmaßnahmen zu verstehen. Sie dienen als Grundlage für die Entwicklung und Umsetzung von Gesetzen und Richtlinien zur Reduktion von Treibhausgasemissionen. Zum Beispiel können Prognosen zeigen, welche Auswirkungen verschiedene Emissionsszenarien auf die globale Temperatur haben werden, was zwingend Maßnahmen wie die Einführung von CO₂-Steuern oder die Förderung erneuerbarer Energien erforderlich macht.
• Anpassungsstrategien: Klimaprognosen sind wesentlich für die Entwicklung von Anpassungsstrategien, um die negativen Auswirkungen des Klimawandels zu mildern. Regierungen können mithilfe der Prognosen planen, wie sie ihre Infrastruktur und Gesellschaft an veränderte Klimabedingungen anpassen. Ein Beispiel ist die Planung von Hochwasserschutzmaßnahmen in Küstenregionen, die laut Prognosen durch den Anstieg des Meeresspiegels besonders gefährdet sind.
• Landwirtschaft und Ernährungssicherheit: Langfristige Klimaprognosen sind wichtig für die Landwirtschaft, da sie Vorhersagen über zukünftige klimatische Bedingungen wie Temperatur, Niederschlag und Extremwetterereignisse liefern. Diese Informationen können Landwirten und politischen Entscheidungsträgern helfen, landwirtschaftliche Praktiken und Pflanzensorten zu wählen, die besser an zukünftige klimatische Bedingungen angepasst sind, und somit die Ernährungssicherheit zu gewährleisten.
• Wasserressourcenmanagement: Klimaprognosen helfen bei der Planung und dem Management von Wasserressourcen. Sie können anzeigen, wie sich der Klimawandel auf die Verfügbarkeit und Verteilung von Wasser in verschiedenen Regionen auswirken wird. Basierend auf diesen Prognosen können Regierungen Maßnahmen ergreifen, um die Wassernutzung effizienter zu gestalten und Dürreperioden besser zu bewältigen.
• Städtische Planung und Infrastruktur: Langfristige Klimaprognosen können Stadtplanern und Bauingenieuren helfen, nachhaltige und widerstandsfähige Infrastrukturen zu entwickeln. Durch die Berücksichtigung zukünftiger klimatischer Bedingungen können sie Städte so planen, dass sie gegen Extremwetterereignisse wie Hitzewellen, Überschwemmungen und Stürme besser gewappnet sind. Beispielsweise kann die Integration von Grünflächen und wasserabsorbierenden Materialien in städtischen Gebieten das Risiko von Überschwemmungen mindern.
• Gesundheitsvorsorge: Langfristige Klimaprognosen können auch auf gesundheitliche Risiken hinweisen, die durch den Klimawandel verstärkt werden, wie z.B. die Ausbreitung von tropischen Krankheiten oder Hitzestress. Durch diese Erkenntnisse können Gesundheitssysteme darauf vorbereitet werden, präventive Maßnahmen zu ergreifen und die Kapazitäten zur Bewältigung von klimabedingten Gesundheitsproblemen zu stärken.
• Internationale Zusammenarbeit: Klimaprognosen dienen als gemeinsame Wissensbasis für internationale Klimaverhandlungen und Abkommen wie das Pariser Abkommen. Sie ermöglichen es den Ländern, miteinander zu kooperieren und globale Strategien zur Bekämpfung des Klimawandels zu entwickeln.

Insgesamt sind langfristige Klimaprognosen von essenzieller Bedeutung für eine fundierte politische Entscheidungsfindung und die langfristige Planung in verschiedenen Bereichen. Sie ermöglichen es den Entscheidungsträgern, wissenschaftlich fundierte Maßnahmen zu ergreifen, um die Herausforderungen des Klimawandels effektiv zu bewältigen und eine nachhaltige Zukunft zu gestalten.

d)

Ein GCM prognostiziert einen Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um 2°C bis zum Jahr 2100. Angenommen, die aktuelle globale Durchschnittstemperatur beträgt 15°C, schreibe die lineare Gleichung, die diesen Temperaturanstieg beschreibt, und berechne die geschätzte Durchschnittstemperatur im Jahr 2050.

Lösung:

Berechnung des Temperaturanstiegs bis zum Jahr 2050

Um den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur mithilfe einer linearen Gleichung zu beschreiben und die geschätzte Durchschnittstemperatur im Jahr 2050 zu berechnen, gehen wir wie folgt vor:

• Die aktuelle globale Durchschnittstemperatur beträgt 15°C.
• Der prognostizierte Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur bis zum Jahr 2100 beträgt 2°C.

1. Aufstellen der linearen Gleichung

Da der Temperaturanstieg linear ist, können wir eine Gleichung der Form:

verwenden, wobei:

• T(t): die Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt t
• T_0 = 15°C: die Anfangstemperatur im Jahr 2023
• a: die jährliche Temperaturänderung
• t: das Jahr, für das wir die Temperatur berechnen
• t_0 = 2023: das Startjahr

Bei einem Anstieg von 2°C über 77 Jahre (von 2023 bis 2100), ergibt sich der jährliche Temperaturanstieg a wie folgt:

2. Aufstellen und Berechnen der Temperatur für das Jahr 2050

Nun setzen wir diese Werte in die lineare Gleichung ein und berechnen die Temperatur für das Jahr 2050:

\boldsymbol{T(2050) = 15°C + (0,02597 \text{ °C/Jahr}) \times (2050 - 2023)} = 15°C + (0,02597 \text{ °C/Jahr}) \times 27 ≈ 15°C + 0,70119°C ≈ 15,70°C

Die geschätzte Durchschnittstemperatur im Jahr 2050 beträgt etwa 15,70°C.

Aufgabe 3)

Im Rahmen der wirtschaftlichen Aktivitäten eines Chemiewerks in einer kleinen Stadt kommt es zu erheblichen Emissionen, die zu Umweltverschmutzung und gesundheitlichen Problemen bei den Anwohnern führen. Die Produktionskosten für das Werk belaufen sich auf 1 Million Euro pro Jahr. Die geschätzten externen Kosten durch Umwelt- und Gesundheitsschäden betragen 500.000 Euro pro Jahr. Diskutiere anhand dieses Beispiels die Theorie externer Effekte und mögliche umweltpolitische Maßnahmen zur Internalisierung der externen Kosten.

a)

Berechne die gesamten sozialen Kosten der Produktion des Chemiewerks und erläutere dabei die Unterschiede zwischen internen und externen Kosten. Nutze die angegebenen Daten.

Lösung:

Soziale Kosten der Produktion eines Chemiewerks

Um die gesamten sozialen Kosten der Produktion des Chemiewerks zu berechnen und die Unterschiede zwischen internen und externen Kosten zu erläutern, werden wir die angegebenen Daten nutzen.

Gegebene Daten:

• Interne Kosten (Produktionskosten für das Werk): 1 Million Euro pro Jahr
• Externe Kosten (Umwelt- und Gesundheitsschäden): 500.000 Euro pro Jahr

Berechnung der Gesamten sozialen Kosten:

Die sozialen Kosten setzen sich aus den internen und externen Kosten zusammen. Das bedeutet, die sozialen Kosten sind die Summe der Produktionskosten und der durch die Produktion verursachten externen Kosten.

Mathematisch kann man dies wie folgt ausdrücken:

• Interne Kosten: 1.000.000 Euro
• Externe Kosten: 500.000 Euro

Gesamte soziale Kosten:

 Gesamte soziale Kosten = Interne Kosten + Externe Kosten Gesamte soziale Kosten = 1.000.000 Euro + 500.000 Euro Gesamte soziale Kosten = 1.500.000 Euro

Erläuterung der Unterschiede:

Interne Kosten: Interne Kosten sind diejenigen Kosten, die direkt vom Unternehmen getragen werden. In diesem Fall sind dies die Produktionskosten in Höhe von 1 Million Euro pro Jahr. Diese Kosten spiegeln die Aufwendungen wider, die das Chemiewerk für die Herstellung seiner Produkte benötigt, einschließlich Rohstoffe, Arbeitskräfte, Energie usw. Externe Kosten: Externe Kosten sind die Kosten, die nicht vom Unternehmen selbst, sondern von Dritten getragen werden - in diesem Fall von der Gesellschaft und der Umwelt. Diese Kosten resultieren aus den negativen Folgen der Produktion, wie Umweltverschmutzung und gesundheitlichen Problemen der Anwohner. Diese Kosten wurden auf 500.000 Euro pro Jahr geschätzt.

Schlussfolgerung:

Die gesamten sozialen Kosten der Produktion des Chemiewerks belaufen sich auf 1,5 Millionen Euro pro Jahr. Damit wird deutlich, dass die wahren Kosten der Produktion nicht nur die internen Kosten umfassen, sondern auch die externen Kosten berücksichtigen müssen. Es ist wichtig, Maßnahmen zu ergreifen, um diese externen Kosten zu internalisieren und somit die sozialen Kosten zu reduzieren.

b)

Diskutiere zwei umweltpolitische Maßnahmen, die ergriffen werden könnten, um die externen Kosten des Chemiewerks zu internalisieren. Erkläre, wie jede Maßnahme funktionieren würde und welchen Einfluss sie möglicherweise auf die Wohlfahrt der Gesellschaft haben könnte.

Lösung:

Umweltpolitische Maßnahmen zur Internalisierung externer Kosten

Um die externen Kosten des Chemiewerks zu internalisieren, könnten verschiedene umweltpolitische Maßnahmen ergriffen werden. Hier werden zwei mögliche Maßnahmen diskutiert:

• Umweltsteuern und Abgaben
• Handel mit Emissionsrechten

1. Umweltsteuern und Abgaben

Funktionsweise: Umweltsteuern und Abgaben zielen darauf ab, die externen Kosten der Produktion auf die Unternehmen zu übertragen. Eine Umweltsteuer könnte beispielsweise auf die Menge der emittierten Schadstoffe erhoben werden. Das Chemiewerk müsste für jede Tonne Emissionen eine Steuer zahlen, die dem geschätzten Schaden entspricht. Wenn die externen Kosten auf 500.000 Euro geschätzt werden, könnte eine Steuer in derselben Höhe auferlegt werden.

Einfluss auf die Wohlfahrt der Gesellschaft: Diese Maßnahme würde das Unternehmen dazu anregen, die Emissionen zu reduzieren, um die Steuerlast zu minimieren. Ein Vorteil ist, dass die eingenommenen Steuern zur Finanzierung von Umweltschutzprojekten verwendet werden könnten. Insgesamt würde dies zu einer Reduktion der Umwelt- und Gesundheitsschäden führen, was die Wohlfahrt der Gesellschaft erhöht. Der Nachteil könnte jedoch sein, dass die Produktionskosten für das Unternehmen steigen und diese Kosten auf die Endverbraucher überwälzt werden könnten, was zu höheren Preisen führt.

2. Handel mit Emissionsrechten

Funktionsweise: Beim Handel mit Emissionsrechten wird eine Gesamtmenge an erlaubten Emissionen festgelegt und in Form von Zertifikaten auf die Unternehmen verteilt. Wenn das Chemiewerk beispielsweise mehr Emissionen verursachen möchte als erlaubt, müsste es zusätzliche Zertifikate von anderen Unternehmen kaufen, die ihre Emissionen reduziert haben und daher über Zertifikate verfügen. Dieses System schafft einen wirtschaftlichen Anreiz zur Emissionsreduktion, da Unternehmen, die ihre Emissionen senken können, Gewinne aus dem Verkauf ihrer überschüssigen Zertifikate erzielen können.

Einfluss auf die Wohlfahrt der Gesellschaft: Der Handel mit Emissionsrechten fördert die Reduktion von Emissionen auf kosteneffiziente Weise. Unternehmen suchen nach den kostengünstigsten Methoden zur Emissionsreduktion, was insgesamt zu einer Reduktion der Umweltverschmutzung führt. Dies würde ebenfalls die Gesundheit der Anwohner und die Umweltqualität verbessern. Ein Nachteil könnte jedoch sein, dass die Einführung und Überwachung eines solchen Systems administrativ aufwendig sein könnte.

Schlussfolgerung:

Beide Maßnahmen - Umweltsteuern und handelbare Emissionsrechte - zielen darauf ab, die externen Kosten zu verringern und die tatsächlichen sozialen Kosten der Produktion einzupreisen. Beide Ansätze könnten dazu beitragen, die Wohlfahrt der Gesellschaft zu erhöhen, indem sie die negativen Umweltauswirkungen und gesundheitlichen Schäden reduzieren. Die Wahl der Maßnahme hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der administrativen Umsetzbarkeit und der Präferenz für marktbasierte oder steuerbasierte Lösungen.

Aufgabe 4)

Kosten-Nutzen-Analysen sind ein entscheidendes Instrument zur Bewertung der Effizienz von Klimaschutzmaßnahmen. Die zentrale Frage dieser Analysen lautet, ob die Kosten der Maßnahmen geringer sind als der Nutzen. Um sowohl monetäre als auch nicht-monetäre Effekte vergleichbar zu machen, werden Diskontierungsraten zur Bewertung zukünftiger Kosten und Nutzen verwendet. Eine typische Formel zur Berechnung des Nettobarwerts dabei lautet: i) \( \sum_{t=0}^{T} \frac{B_t - C_t}{(1 + r)^t} \),wobei \( B_t \) der Nutzen, \( C_t \) die Kosten, \( r \) die Diskontierungsrate und \( t \) der Zeitraum ist.

a)

Angenommen, eine Stadt plant eine Klimaschutzmaßnahme, die über 5 Jahre hinweg durchgeführt werden soll. Die voraussichtlichen jährlichen Kosten und Nutzen in Millionen Euro sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

• Jahr 1: Kosten = 10, Nutzen = 8
• Jahr 2: Kosten = 9, Nutzen = 12
• Jahr 3: Kosten = 8, Nutzen = 14
• Jahr 4: Kosten = 7, Nutzen = 16
• Jahr 5: Kosten = 6, Nutzen = 18

Lösung:

Um den Nettobarwert (NBW) der Klimaschutzmaßnahme zu berechnen, verwenden wir die gegebene Formel:

 \[ NBW = \sum_{t=0}^{T} \frac{B_t - C_t}{(1 + r)^t} \] 

Wobei:

• \( B_t \) den Nutzen in Jahr \( t \) darstellt
• \( C_t \) die Kosten in Jahr \( t \) darstellt
• \( r \) die Diskontierungsrate ist
• \( t \) der Zeitraum ist

Wir setzen:

• \( r = 0.05 \) (5%)
• \( T = 5 \) Jahre (Zeitraum von 5 Jahren)

Die Tabelle mit den jährlichen Kosten und Nutzen sieht wie folgt aus:

• Jahr 1: Kosten = 10, Nutzen = 8
• Jahr 2: Kosten = 9, Nutzen = 12
• Jahr 3: Kosten = 8, Nutzen = 14
• Jahr 4: Kosten = 7, Nutzen = 16
• Jahr 5: Kosten = 6, Nutzen = 18

Setzen wir die Werte in die Formel ein:

 \[ NBW = \frac{8 - 10}{(1 + 0.05)^1} + \frac{12 - 9}{(1 + 0.05)^2} + \frac{14 - 8}{(1 + 0.05)^3} + \frac{16 - 7}{(1 + 0.05)^4} + \frac{18 - 6}{(1 + 0.05)^5} \] 

Wir berechnen die einzelnen Terme:

• \( \frac{8 - 10}{(1 + 0.05)^1} = \frac{-2}{1.05} \approx -1.90 \)
• \( \frac{12 - 9}{(1 + 0.05)^2} = \frac{3}{(1.05)^2} = \frac{3}{1.1025} \approx 2.72 \)
• \( \frac{14 - 8}{(1 + 0.05)^3} = \frac{6}{(1.05)^3} = \frac{6}{1.157625} \approx 5.18 \)
• \( \frac{16 - 7}{(1 + 0.05)^4} = \frac{9}{(1.05)^4} = \frac{9}{1.21550625} \approx 7.41 \)
• \( \frac{18 - 6}{(1 + 0.05)^5} = \frac{12}{(1.05)^5} = \frac{12}{1.2762815625} \approx 9.40 \)

Summiere die berechneten Werte:

 \[ NBW = -1.90 + 2.72 + 5.18 + 7.41 + 9.40 \] \[ NBW = 22.81 \] 

Der Nettobarwert (NBW) der Klimaschutzmaßnahme beträgt also 22.81 Millionen Euro.

b)

Ein Kritiker argumentiert, dass die Wahl der Diskontierungsrate einen erheblichen Einfluss auf die Entscheidungen haben kann. Berechne erneut den Nettobarwert der Klimaschutzmaßnahme bei einer Diskontierungsrate von 3% und vergleiche die Ergebnisse. Diskutiere, wie sich unterschiedliche Diskontierungsraten auf die Bewertung von Klimaschutzmaßnahmen auswirken können.

Lösung:

Um die Auswirkungen unterschiedlicher Diskontierungsraten zu analysieren, berechnen wir zunächst den Nettobarwert (NBW) der Klimaschutzmaßnahme mit einer Diskontierungsrate von 3%. Die gegebene Formel lautet:

 \[ NBW = \sum_{t=0}^{T} \frac{B_t - C_t}{(1 + r)^t} \]  

Die Tabelle mit den jährlichen Kosten und Nutzen sieht wie folgt aus:

• Jahr 1: Kosten = 10, Nutzen = 8
• Jahr 2: Kosten = 9, Nutzen = 12
• Jahr 3: Kosten = 8, Nutzen = 14
• Jahr 4: Kosten = 7, Nutzen = 16
• Jahr 5: Kosten = 6, Nutzen = 18

Setzen wir die Werte bei einer Diskontierungsrate von 3% (\( r = 0.03 \)) in die Formel ein:

 \[ NBW = \frac{8 - 10}{(1 + 0.03)^1} + \frac{12 - 9}{(1 + 0.03)^2} + \frac{14 - 8}{(1 + 0.03)^3} + \frac{16 - 7}{(1 + 0.03)^4} + \frac{18 - 6}{(1 + 0.03)^5} \]  

Wir berechnen die einzelnen Terme:

• \( \frac{8 - 10}{(1 + 0.03)^1} = \frac{-2}{1.03} \approx -1.94 \)
• \( \frac{12 - 9}{(1 + 0.03)^2} = \frac{3}{(1.03)^2} = \frac{3}{1.0609} \approx 2.83 \)
• \( \frac{14 - 8}{(1 + 0.03)^3} = \frac{6}{(1.03)^3} = \frac{6}{1.092727} \approx 5.49 \)
• \( \frac{16 - 7}{(1 + 0.03)^4} = \frac{9}{(1.03)^4} = \frac{9}{1.12550881} \approx 7.99 \)
• \( \frac{18 - 6}{(1 + 0.03)^5} = \frac{12}{(1.03)^5} = \frac{12}{1.1592740743} \approx 10.35 \)

Summiere die berechneten Werte:

 \[ NBW = -1.94 + 2.83 + 5.49 + 7.99 + 10.35 \] \[ NBW = 24.72 \]  

Der Nettobarwert (NBW) der Klimaschutzmaßnahme beträgt bei einer Diskontierungsrate von 3% 24.72 Millionen Euro.

Vergleich der Ergebnisse:

• NBW bei 5% Diskontierungsrate: 22.81 Millionen Euro
• NBW bei 3% Diskontierungsrate: 24.72 Millionen Euro

Es ist ersichtlich, dass der NBW bei einer niedrigeren Diskontierungsrate höher ist. Das liegt daran, dass zukünftige Kosten und Nutzen weniger stark abgezinst werden, wodurch der Gegenwartswert des Nutzens höher wird.

Diskussion:

Die Wahl der Diskontierungsrate hat erhebliche Auswirkungen auf die Bewertung von Klimaschutzmaßnahmen:

• Eine niedrigere Diskontierungsrate erhöht den Gegenwartswert zukünftiger Nutzen und Kosten, wodurch langfristige Projekte tendenziell vorteilhafter erscheinen.
• Eine höhere Diskontierungsrate verringert den Gegenwartswert zukünftiger Nutzen und Kosten, was dazu führen kann, dass langfristige Projekte weniger attraktiv erscheinen.
• Für Klimaschutzmaßnahmen, die oft langfristige Vorteile haben, könnte eine niedrige Diskontierungsrate besser geeignet sein, um die langfristigen Nutzen angemessen zu berücksichtigen.

Es ist wichtig, dass Entscheidungsträger die Auswirkungen verschiedener Diskontierungsraten verstehen und diese bei der Bewertung von Projekten sorgfältig abwägen.