Paul Crutzen

Atmospheric Chemistry and Climate in the Anthropocene

Category: Lectures

Date: 2 July 2012

Duration: 23 min

Quality: HD MD SD

Subtitles: EN DE

Paul Crutzen (2012) - Atmospheric Chemistry and Climate in the Anthropocene

Despite their relatively small mass, 10-5 of the earth biosphere as a whole, generations of ambitious ‘homo sapiens’ have already played a major and increasing role in changing basic properties of the atmosphere and the earth’s surface

Thank you very much, Astrid. We have been standing and sitting here quite a few times so I feel much at my ease knowing that you are on the podium. The first slide, here is a picture of me and my grandmother taken about almost 80 years ago. You see I have changed a lot but so has much in my surroundings and your surroundings has been the case. Let’s go through some of the changes which have taken place in the environment and continue to change. During the past 3 centuries human population has increased ten-fold to 7,000 million. Cattle population increased to 1,400 million. That means there is one cow per family supplying us with cheese and milk. There are currently about 20 billion, that’s 20,000 million, of farm animals around. That’s an enormous population. Urbanisation grew more than ten-fold in the past century. Almost half of the people live in cities and megacities. Industrial output increased 10 times, no sorry, 40 times during the past century. Energy use 16 times. Almost half of the land surface has been transformed by human action. Annual release of carbon as fossil fuel and also in deforestation added more than 10 to the 15 gram of Co2 to the atmosphere. And that gave rise to this famous curve in which you see an increase in the amount of Co2 in the atmosphere together with the seasonal variations, well known curve now called Keeling Curve. Fish catch increased 40 times. The release of sulphur dioxide, that’s about 100 teragram per year by coal and oil burning. It’s at least twice the sum of all natural emissions. Overland the increase has been seven-fold. And that has given rise to acid rain, to health effects, poor visibility and also is connected with climate change. Several climatically important greenhouse gases have substantially increased in the atmosphere, for instance Co2 by 40%, methane by more than 400%. Releases of NO to the atmosphere from nitrogen fertilisation and lightning and fossil fuel burning is about 240 teragram which is double the amount of what nature puts into the atmosphere. And that is shown in this figure. Here we see the anthropogenic nitrogen fixation, that’s the blue curve. The natural nitrogen fixation, you see that from 1980 on the anthropogenic nitrogen fixation is overriding the natural nitrogen fixation. And that has to do with the agricultural activities which need nitrogen as fertiliser. Water increased about nine-fold during the past century to 600 cubic metres per capita per year. There are some staggering figures here. It takes 20,000 litres of water to grow one kilo of coffee, 11,000 litres of water to make a quarter pounder and 50,000 litres of water to make 1 kilo of cheese. So we really are using the water which is made available by nature, by us. Industrial and agricultural activities have grown dramatically for us since the Second World War. And this is shown in this collection of graphs. You see for population total real gross domestic product, damming of rivers, water use, fertiliser use, urban population, rapid consumption and so on, McDonald’s, the essential dimension here. They all add...They all picked up production of these properties, picked up at the end of the last World War. So this tells you something about the diligence with which we have been working. Humanity is also responsible for the presence of many toxic materials in the environment. And even some which are not toxic at all but nevertheless gave rise to chlorofluorocarbons which has led to the ozone hole. This is a topic which Mario Molina is still better equipped to talk about than I. But what these figures shows is on the left hand side the amount of total ozone over Antarctica during spring time. You see a rapidly climbing total ozone concentrations and the decline happened especially between the month of, spring time month of August 15 and October 13, you see that. This is a picture which shows the decrease of ozone concentrations between 12 and 15, 20 kilometres. You see that in August the ozone layer was still basically intact but only 2 months later we see a vertical distribution which is shown by this October 13 month. This is what is called the ozone hole. It was not expected at all, no predictions about it were made. It just came to the forth and we needed a good explanation and especially Sherry Rowland and Mario Molina have added to the explanation of this phenomenon which, again I repeat, the ozone hole happened at a place over Antarctica in spring time, where you would expect the least effect on ozone. Species extinction is something which belongs to global change. And what we also estimated that the species extinction rate was roughly about 1 species per million per year. Naturally the situation has changed. Now the species extinction is a factor of 100 to maybe 1,000 times the natural extinction rate. Man has changed the surface of the earth constantly with building activities. So the humans also act as powerful geological agents. And we estimate that the natural, that the current erosion rate is about 15 times the natural erosion rate. So that makes estimated soil erosion would fill the Grand Canyon in about 50 years. Phosphorus is an issue which becomes rather important. Phosphorus is an essential nutrient in agriculture. We depend on this and it’s coming to about 90% from phosphate rocks and the phosphate rocks are found only in about 5 to 6 countries around the world. And the disturbing fact is that there is no recycling of phosphorus taking place. So we are definitely changing the amount of phosphorus in agriculture near the earth surface. But we are not very good at recycling the phosphorus. So this may end up in a rather difficult situation in which this essential element is being reduced and this needs great attention. Phosphorus is also a pollutant. It’s indispensible but it’s at the same time a pollutant because for instance in zones, in coastal, ocean regions are partly due to fertiliser which comes from nitrogen and burning of fossil fuels. Since the beginning of the 19th century by its own growing activities, mankind opened a new geological epoch, the Anthropocene. We are clearly affecting climate in our environment but we can deliberately do so by geoengineering. I won’t talk much about that at this lecture but maybe it will come up in the discussions. What is shown in this figure are the concentrations of Co2, left, methane, CH4, in the middle and N2O, that’s nitrous oxide. And you see something remarkable if you follow the curves. Low down on this graphs you see that the amount of greenhouse gases which are depicted here remain rather constant until about 100 years ago. This issue is continuing in this case. The predictions of the Intergovernmental Panel on Climate Change tell us that average temperatures globally went up since preindustrial time by about 0.7 degrees Celsius. The snow cover has decreased and important is also global average sea level rise which is estimated as being 20 centimetres since preindustrial times. However there are estimates which run considerably faster by say from... The name just escapes me. The conclusions of the IPCC study are that warming of the climate system is unequivocal as is now evident from observations of increases in global average air and surface, ocean surface temperature, widespread melting of snow and ice and rising global average sea level. Average global surface temperatures rise during the rest of this century are expected to rise by 2 to 4½ degrees Celsius. There are things... The redistribution of precipitation is a possible consequence of our use of fossil fuels. And hence risk for extreme climate weather is a drastic effect. Increase in heat waves in Europe has been noticed in the year 2003. And the big problem is when the changes, rapid changes so that eco systems cannot adapt. It’s drastic. Ask oneself what is needed to stabilise the amount of greenhouse gases in the environment, global environment. Then one comes to the result that what is needed is a reduction in the emissions of Co2 to the atmosphere by 70% or 60%. Methane we are at a better situation for while. Methane has been increasing in the past very drastically but there was a standstill and the methane concentrations have a little bit stabilised. The real reason for that is not totally clear. Nitrous oxide, an important greenhouse factor but also a source for nitric oxide in the stratosphere to stabilise the amount in the atmosphere and would need 70 to 80% reduction in emissions. And that’s not what is happening. Instead of stabilisation of atmospheric concentrations we get a further increase in the amount in the atmosphere. It’s 70 to 60%. There is new studies indicate that the Arctic Ocean’s ice cover is about 40% thinner than during 20 to 40 years ago. And similarly increase has been by a study by Bob Corell, chairman of the Arctic Climate Impact Assessment study. An important, maybe drastic phenomenon is the melting of permafrost. If that happens, then that probably will lead to the release of additional carbon dioxide and methane to the atmosphere and further climate effect. In the year 2008 was the first year that commercial ships passed through the North West and North East Passages in northern Antarctica. We have seen examples of abrupt thaw, seen the pictures from Alaska and there is a lot or organic material which here is exposed to oxygen in the atmosphere. And this will lead to additional increase in methane and carbon dioxide. I’m getting close to the end. The other things we have to worry about: There is a problem with how we produce our waste or handle our waste. Only about 20 to 30% of the nitrogen fertiliser is used by plants. The rest is just lost in the environment. About 30% of food which is produced is wasted. Future agriculture will through erosion enhance these effects potentially considering serious problems. We may lose phosphorus; already discussed. And altogether we can say, accumulation from generation to generation, the effect of human activities is accumulating and even accelerating. And no other species has been developed in this method. Mankind is the only species that produce weapons of mass destruction. Mankind will only, nature, environmental factor for many millennia to come. A daunting task is ahead of us in the coming millennia to counteract these developments. And it could have been so much better if we used the resources of our planet because here we see an example of production of fresh water and unproductive desserts which are converted in greenhouses, in fresh water etc. We could do so much better. This is a test case on the border of Jordania, collaborative efforts of the whole region. And I return to where I started. Here I am with my grandson and if we take together his lifetime and my lifetime we have 4 generations of earth looking at. It’s quite staggering always when I see these figures. And with that I would like to finish my talk and thank you very much. Applause.

Vielen Dank, Astrid. Wir haben hier schon einige Male gestanden und gesessen - ich fühle mich sehr wohl, wenn ich weiß, dass Du auf dem Podium bist. Die erste Folie ist ein Bild von mir und meiner Großmutter, das vor etwa 80 aufgenommen wurde. Wie Sie sehen, habe nicht nur ich mich stark verändert, sondern auch vieles in meiner und Ihrer Umgebung. Lassen Sie uns einen Blick auf die Veränderungen werfen, die in der Umwelt stattgefunden haben und noch immer stattfinden. In den letzten drei Jahrhunderten ist die Bevölkerung um das 10-Fache auf 7000 Millionen gewachsen. Der Viehbestand ist auf 1400 Millionen gestiegen. Das bedeutet, dass uns eine Kuh pro Familie mit Käse und Milch versorgt. Aktuell gibt es ca. 20 Milliarden, d.h. 20.000 Millionen landwirtschaftliche Nutztiere. Das ist eine enorme Zahl. Die Urbanisierung hat im letzten Jahrhundert um mehr als das 10-Fache zugenommen. Fast die Hälfte der Menschen lebt in Städten und Metropolen. Die Industrieproduktion ist im letzten Jahrhundert um das 10-Fache, nein Entschuldigung, um das 40-Fache angestiegen, der Energieverbrauch um das 16-Fache. Beinahe die Hälfte der Landfläche wurde vom Menschen umgestaltet. Durch die Freisetzung von Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen und auch infolge der Abholzung gelangen jährlich mehr als 10^15 Gramm CO2 in die Atmosphäre, was zu der berühmten Kurve führte, in der Sie den Anstieg der CO2-Menge in der Atmosphäre sowie die jahreszeitlichen Schwankungen erkennen können - sie ist heute als Keeling-Kurve bekannt. Der Fischfang hat um das 40-Fache zugenommen. Die Freisetzung von Schwefeldioxid durch die Verbrennung von Kohle und Öl liegt bei etwa 100 Teragramm pro Jahr. Das ist mindestens die doppelte Menge aller natürlichen Emissionen. Über den Landflächen hat die Freisetzung um das 7-Fache zugenommen, was sauren Regen, Gesundheitsprobleme und schlechte Sichtverhältnisse zur Folge hatte und auch mit dem Klimawandel in Zusammenhang steht. Verschiedene für das Klima bedeutsame Treibhausgase haben sich in erheblichem Maße in der Atmosphäre angereichert; die CO2-Menge hat beispielsweise um 40% zugenommen, die Methanmenge um mehr als 400%. Die Freisetzung von NO aus Stickstoffdüngung, Blitzen und der Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre liegt bei etwa 240 Teragramm, also der doppelten Menge dessen, was natürlicherweise in die Atmosphäre gelangt. Sie sehen das in dieser Abbildung, beginnend mit dem Jahr 1980. Die blaue Kurve ist die anthropogene Stockstofffixierung; sie übersteigt die natürliche Stickstofffixierung, was mit der Landwirtschaft zusammenhängt, in der Stickstoff als Dünger benötigt wird. Der Wasserverbrauch ist im letzten Jahrhundert um das 9-Fache auf 600 Kubikmeter pro Kopf und Jahr gestiegen - um 650% bei der Bewässerung, um 25% in der Industrie und um 10% in den privaten Haushalten. Hier haben wir einige schwindelerregende Zahlen. Für den Anbau von einem Kilo Kaffee benötigt man 20.000 Liter Wasser, zur Herstellung eines Hamburgers etwa 11.000 Liter und zur Erzeugung von einem Kilo Käse etwa 50.000 Liter. Wir nutzen also große Mengen des uns von der Natur zur Verfügung gestellten Wassers. Seit dem Zweiten Weltkrieg nehmen die industriellen und landwirtschaftlichen Aktivitäten dramatisch zu. Sie können das anhand dieser Kurven erkennen, die das gesamte reale Bruttoinlandsprodukt, Talsperren, Wasserverbrauch, Düngemittelverbrauch, Stadtbevölkerung, Konsumanstieg und so weiter darstellen, McDonald's, das ganze Ausmaß. Seit dem Ende des letzten Weltkriegs haben wir all das geschaffen. Daran können Sie erkennen, mit welchem Fleiß wir gearbeitet haben. Der Mensch ist auch für die zahlreichen Giftstoffe in der Umwelt verantwortlich sowie für Substanzen, die zwar nicht giftig sind, aber zur Entstehung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen und damit des Ozonlochs geführt haben. Über dieses Thema kann Ihnen Mario Molina aber mehr erzählen als ich. Diese Abbildung zeigt links die gesamte Ozonmenge über der Antarktis im Frühling. Sie sehen eine rasche Abnahme der Ozongesamtkonzentration, insbesondere zwischen dem 15. August und dem 13. Oktober. Diese Darstellung zeigt die Abnahme der Ozonkonzentration in einer Höhe von 12 bis 15, 20 Kilometer. Sie sehen, dass die Ozonschicht im August noch weitgehend intakt ist; nur zwei Monate später zeigt sich am 13. Oktober eine vertikale Verteilung. Genau das wird als Ozonloch bezeichnet. Niemand hatte damit gerechnet, es gab diesbezüglich keine Vorhersagen. Es war einfach da und wir brauchten eine gute Erklärung. Vor allem Sherry Rowland und Mario Molina haben dazu beigetragen, dieses Phänomen zu erklären. Ich wiederhole noch einmal, das Ozonloch trat im Frühjahr an einer Stelle über der Antarktis auf, an der man die geringste Auswirkung auf Ozon erwarten würde. Auch das Artensterben gehört zu den globalen Veränderungen. Wir schätzten die Aussterberate auf etwa eine Art pro eine Million Jahre. Natürlich hat sich die Situation inzwischen verändert. Heute liegt das Artensterben um den Faktor 100 bis vielleicht 1000 über der natürlichen Aussterberate. Der Mensch hat die Oberfläche der Erde unaufhörlich bebaut und sich damit als einflussreicher geologischen Akteur betätigt. Wir gehen davon aus, dass die derzeitige Erosionsrate etwa 15 Mal höher liegt als die natürliche Erosionsrate. Die geschätzte Bodenerosion könnte den Grand Canyon also in etwa 50 Jahren füllen. Phosphor wird ebenfalls zu einem wichtigen Thema. Bei Phosphor handelt es sich um einen in der Landwirtschaft eingesetzten wichtigen Nährstoff, von dem wir abhängig sind. Er stammt zu etwa 90% aus phosphathaltigem Gestein, das nur in etwa 5 oder 6 Ländern weltweit vorkommt. Beunruhigend ist, dass Phosphor derzeit nicht recycelt wird. Wir verändern also in der Landwirtschaft definitiv die Phosphormenge in den oberen Bodenschichten, bereiten den Phosphor aber nicht wieder auf. Das kann am Ende zu einer schwierigen Situation führen, in der dieses wichtige Element zur Neige geht. Dieses Problem bedarf größter Aufmerksamkeit. Phosphor ist zudem ein Schadstoff. Er ist unentbehrlich, gleichzeitig aber ein Schadstoff. Besonders "tote Zonen" im Küsten- oder Meeresbereich wurden durch Dünger erst soweit geschädigt, oder durch den Stickstoff und durch die Verbrennung fossiler Energieträger. Seit Beginn des 19. Jahrhunderts hat die Menschheit infolge ihres Wachstums ein neues geologisches Zeitalter eingeläutet, das Anthropozän. Wir beeinflussen ganz klar das Klima in unserer Umwelt, können dies aber auch gewollt durch Geo-Engineering tun. Ich möchte in diesem Vortrag nicht näher darauf eingehen, doch vielleicht kommt dieses Thema ja in der Diskussion zur Sprache. Diese Abbildung stellt die Konzentrationen von CO2 links, Methan (CH4) in der Mitte und Distickstoffoxid (NO2) dar. Folgt man den Kurven hier unten, stellt man etwas Erstaunliches fest, dass nämlich die Menge der hier dargestellten Treibhausgase bis vor etwa 100 Jahren relativ konstant war. Vor 50 bis 100 Jahren begannen dann die Konzentrationen der Treibhausgase sehr rasch anzusteigen und tun dies auch heute noch. Den Vorhersagen des Zwischenstaatlichen Ausschusses zum Klimawandel (Intergovernmental Panel on Climate Change) ist zu entnehmen, dass die Durchschnittstemperatur seit dem vorindustriellen Zeitalter weltweit um etwa 0,7 Grad Celsius gestiegen ist. Die Schneedecke hat abgenommen. Von Bedeutung ist auch der weltweite Anstieg des durchschnittlichen Meeresspiegels um geschätzte 20 Zentimeter seit dem vorindustriellen Zeitalter. Es gibt jedoch Schätzungen, die von einem erheblich schnelleren Ablauf ausgehen, z.B. von... Der Name ist mir gerade entfallen. Die Schlussfolgerung der IPCC-Studie lautet, dass die Erwärmung des Klimasystems außer Frage steht, wie die Beobachtungen des Anstiegs der globalen Durchschnittstemperatur von Luft und Meeresoberfläche, des großflächigen Abschmelzens von Schnee und Eis und des steigenden durchschnittlichen Meeresspiegels weltweit deutlich machen. Die durchschnittliche globale Oberflächentemperatur wird voraussichtlich in diesem Jahrhundert noch um 2 bis 4,5 Grad Celsius ansteigen. Die Umverteilung der Niederschläge ist eine mögliche Folge unserer Nutzung von fossilen Brennstoffen und birgt das Risiko extremer Wetterbedingungen. Im Jahr 2003 war eine Zunahme der Hitzewellen in Europa zu verzeichnen. Das große Problem ist, dass sich die Ökosysteme den schnellen Veränderungen nicht anpassen können. Das ist eine dramatische Situation. Fragt man sich, womit sich die Menge der Treibhausgase in unserer globalen Umwelt stabilisieren lässt, kommt man zu dem Ergebnis, dass die CO2-Emissionen in die Atmosphäre um 70% oder 60% gesenkt werden müssen. Bei Methan sieht die Situation derzeit noch etwas besser aus. Die Methanmenge hat in der Vergangenheit stark zugenommen, dann trat jedoch ein Stillstand ein und die Methankonzentrationen stabilisierten sich etwas. Der eigentliche Grund dafür ist nach wie vor nicht ganz klar. Distickstoffoxid, ein wichtiger Treibhausfaktor, aber auch eine Stickstoffmonoxidquelle in der Stratosphäre, die für eine mengenmäßige Stabilisierung in der Atmosphäre sorgt, müsste um 70% bis 80% reduziert werden. Genau das geschieht aber nicht. Statt einer Stabilisierung der Konzentration in der Atmosphäre erfolgt ein Anstieg um 60% bis 70%. Es liegen neue Studien vor, gemäß denen die Eisdecke des Nordpolarmeers etwa 40% dünner ist als von 20 bis 40 Jahren. Ähnliche Ergebnisse finden sich in einer Studie von Bob Corell, dem Vorsitzenden der Arctic Climate Impact Assessment-Studie. Ein bedeutendes, möglicherweise dramatisches Phänomen ist das Schmelzen des Permafrosts. Es würde wahrscheinlich zur Freisetzung von zusätzlichem Kohlendioxid und Methan in die Atmosphäre und damit zu weiteren Klimaauswirkungen führen. Im Jahr 2008 fuhren erstmals Handelsschiffe durch die Nordwest- und Nordostpassage in der nördlichen Antarktis. Wir haben Beispiele für abrupte Schneeschmelzen gesehen, Bilder aus Alaska, wo sehr viel organisches Material dem Sauerstoff in der Atmosphäre ausgesetzt ist. Das führt zu einem zusätzlichen Anstieg von Methan und Kohlendioxid. Ich komme nun langsam zum Ende. Es gibt aber noch einige andere Dinge, um die wir uns Sorgen machen müssen: Da ist das Problem der Abfallentstehung und -beseitigung. Nur etwa 20% bis 30% des Stickstoffdüngers werden von den Pflanzen genutzt, der Rest gelangt in die Umgebung. Etwa 30% der Nahrungsmittel, die wir produzieren, werden vernichtet. Durch die Landwirtschaft werden diese möglicherweise ernsten Probleme in Zukunft infolge der Erosion noch verstärkt werden. Wie bereits besprochen, geht möglicherweise der Phosphor zur Neige. Insgesamt kann man sagen, dass die Probleme von Generation zu Generation anwachsen und sich die Auswirkungen der menschlichen Aktivitäten summieren, und zwar immer rascher. Keine andere Art hat sich auf diese Weise entwickelt. Der Mensch ist die einzige Spezies, die Massenvernichtungswaffen herstellt. Der Mensch wird in den nächsten Jahrtausenden der entscheidende Umweltfaktor sein. Vor uns liegt eine beängstigende Aufgabe, wir müssen diesen Entwicklungen entgegenwirken. Es hätte so viel besser laufen können, wenn wir die Ressourcen unseres Planeten genutzt hätten. Hier sehen Sie ein Beispiel für die Erzeugung von Süßwasser, unfruchtbare Wüsten, die in Treibhäuser mit Süßwasser umgewandelt werden. Wir könnten es so viel besser machen. Das ist eine Testanalage an der Grenze zu Jordanien, ein Gemeinschaftsprojekt der gesamten Region Ich kehre nun wieder an meinen Ausgangspunkt zurück. Das hier bin ich mit meinem Enkel. Zählt man seine und meine Lebenszeit zusammen, schaut man auf vier Generationen Erde. Ich bin immer ganz erstaunt, wenn ich diese Zahlen betrachte. Damit möchte ich meinen Vortrag beschließen. Ich danke Ihnen sehr.


Despite their relatively small mass, 10-5 of the earth biosphere as a whole, generations of ambitious ‘homo sapiens’ have already played a major and increasing role in changing basic properties of the atmosphere and the earth’s surface. Human activities accelerated in particular over the past few hundred years, creating a new geological era, the ‘Anthropocene’, as already foreseen by Vernadsky in 1928: “…the direction in which the processes of evolution must proceed, namely towards increasing consciousness and thought, and forms having greater influence on their surroundings.”

Vernadsky’s predictions are more than fulfilled. Human activities are affecting, and in many cases out-competing, natural processes, for instance causing the ‘ozone hole’, the rise of greenhouse gases with their impact on climate, urban and regional air pollution, ‘acid rain’, species extinction, with all their consequences for human and ecosystem health.