Das Klima der Erde II. Paläoklima - Eiszeitzyklen · Rolle der Treibhausgase Die Einstrahlung der...

Das Klima der Erde II. Paläoklima & Klimazyklen

Max Camenzind

Kleine Akademien

März 2016 www.lsw.uni-heidelberg.de

Frank Sirocko Inhalt: 1. Wetter & Klima 2. Prozesse im Klimasystem 3. Klimaarchive, Modelle & Proxies 4. Geschichte des Klimas 5. Offene Fragen

• Welche 6 Elemente bestimmen das Klimasystem der Erde?

• Wann ging die letzte Eiszeit zu Ende?

• vor 10.000 Jahren.

• Stehen wir zur Zeit in einer Warm- oder Kaltphase?

Zum Nachdenken

Ozeane Hydrosphäre 70% mit Wasser bedeckt

Kontinente Lithosphäre

Kryosphäre

Atmosphäre Leben Biosphäre

Sonne

6 Klimaelemente

Schneeball-Erde < 635 Mio. a Eiszeit dauerte 15 Mio. Jahre!

CO2 wurde ausgeregnet & in Gestein eingelagert

Vulkanaktivität hat die Erde wiederbelebt!

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Klimasystem Wechselwirkungen

Atmosphäre

Sonneneinstrahlung

Hydrosphäre

Kryosphäre

Biosphäre

Lithosphäre

• Klimavariablen • Temperaturverlauf – Erwärmung? • Erwärmung der Ozeane? • Was ist ein Treibhaus? • das Treibhaus im Vorgarten; Strahlung. • Auf langer Zeitskala wird das Klima durch die

Kontinentaldrift (Alfred Wegener) bestimmt: die Zykluszeit beträgt etwa 500 Mio. Jahre.

• In den letzten 2 - 3 Millionen Jahren beobachten wir Eiszeitzyklen (aus Eisbohrkernen der Antarktis):

• alle 100.000 – 120.000 Jahre vereist die Erde; • Zwischeneiszeiten dauern 10.000 – 12.000 Jahre; • Stehen wir heute am Ende der letzten

Zwischeneiszeit?

Die Themen Teil II

Das Argo-Netzwerk Weltmeere

Argo stellt ein operationelles Beobachtungssystem für die Weltmeere dar, mit dem seit dem Jahr 2000 Temperatur, Salzgehalt und Strömungen gemessen werden. Die in Echtzeit übertragenen Daten werden in der Forschung und der Klimaüberwachung verwendet. Argo besteht aus einer Flotte von mehr als 3800 automatisierten Treibbojen (= Floats), die über alle Ozeane verteilt sind. Diese Messroboter sind relativ klein und wiegen zwischen 20 und 30 kg. In der Mehrzahl der Fälle treiben die Floats in Tiefen von 1000 m (der sogenannten Parktiefe) und tauchen alle zehn Tage dann zunächst auf 2000 m ab, um von dieser Tiefe aus an die Oberfläche aufzusteigen. Während des Aufstiegs zur Meeresoberfläche messen die Floats Temperatur, Leitfähigkeit und Druck in der Wassersäule. Mit der Hilfe der gemessenen Parameter können dann auch noch der Salzgehalt und die Dichte des Meerwassers berechnet werden.

Argo-Netzwerk Meeresströmungen

Die Verteilung der Argo-Bojen

Video Meeresströmungen / NASA

Argo Erwärmung der Ozeane

Erwärmung der Weltmeere ?

Wie funktioniert ein Treibhaus?

Sonnenstrahlung

Infrarotstrahlung

IR-Bild einer Menschengruppe

Die wichtigsten Gase beim natürlichen Treibhauseffekt sind

Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4).

Ohne Treibhauseffekt <T> = -18 ° C !!! Schneeball-Erde !

Die Atmosphäre als “Treibhaus”

Mars Venus

Die Atmosphäre als “Treibhaus”

Klima-Variable: Temperatur

Temperaturänderung rel. 1960er

Klima-Variable: mittlere globale

Temperatur bis April 2016

El Nino El Nino

T ist 15 Jahre lang konst

Pinatubo Vulkan Juni 1991

Was ist El Nino-Phänomen? El Niño und La Niña sind die warmen und kühlen Phasen eines Klimazustandes im tropischen Pazifik – die sog. El Niño-Southern Oscillation, order kurz“ENSO”.

Doku: Was ist El Nino ? La Nina ?

Klima-Variable: mittlere globale

Temperatur bis April 2016

El Nino El Nino

T ist 15 Jahre lang konst

Pinatubo Vulkan 1991

Erderwärmung seit Industrialisierung

Referenzwert

Rolle der Treibhausgase Die Einstrahlung der Sonne bestimmt grundlegend das Klima der Erde. Sie wird jedoch modifiziert durch die Eigenschaften der Atmosphäre, des Ozeans und der Landoberfläche. In der Atmosphäre beeinflussen neben den Wolken vor allem die sogenannten Treibhausgase die Strahlung. In der Atmosphäre selbst wird der Strahlungshaushalt stark durch die chemische Zusammensetzung geregelt. Dabei sind weniger die Hauptbestandteile der Atmosphäre, Sauerstoff und Stickstoff von Bedeutung, obwohl sie etwa 99% der Masse der Atmosphäre ausmachen, als die nur in Spuren vorhandenen so genannten Treibhausgase. Die Treibhausgase absorbieren kurzwellige Sonnenstrahlung und geben sie als langwellige Wärmestrahlung wieder ab. Sie verändern damit stark den Energiehaushalt und die mittlere Temperatur der irdischen Atmosphäre. Die wichtigsten natürlichen Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid.

Treibhausgas Wasserdampf

Zunahme der Treibhausgase

Quelle: Dieter Kasang

CO2 Keeling-Kurve seit 1958

?

CO2 Station Mauna Loa auf Hawaii

Bild: NOAA Earth System Research Laboratory

Neueste CO2 Daten

Treibhausgas am Südpol

Bild: NOAA Earth System Research Laboratory

Sonnenuntergang am Südpol am 20.3.2016

Bild: NOAA Earth System Research Laboratory

CO2 Keeling-Kurve N-S Vergleich

Data: NOAA Earth System Research Laboratory

CH4 Trend in den letzten Jahren

Data: NOAA Earth System Research Laboratory

CO2 dramatischer Anstieg seit 100 Jahren

Langfristige Entwicklung des CO2

Alle fossilen Brennstoffe werden verheizt

Der Hauptgrund für die Änderungen des CO2-Gehaltes im Känozoikums wird in Bewegungen der afrikanischen und indischen Platte gesehen. Sie haben zunächst zu den starken Gebirgsauffaltungen der Alpen und des Himalaya und damit zu intensiver vulkanischer Aktivität geführt. Nach der Heraushebung vor allem des Himalaya und des tibetischen Plateaus verbrauchten starke chemische Verwitterungsprozesse sehr viel atmo-sphärisches Kohlendioxid, das mit den Sedimenten dem Meer zugeführt und über lange Zeiträume dem Kohlenstoffkreislauf entzogen wurde. Wiki

2100 ?

Änderungen der atmosphärischen CO2-Konzentration in den letzten 640.000 Jahren sowie Schwankungen von Deuterium als Proxy (Stellvertreterdaten) für Temperatur im arktischen Eis. Auffällig sind die parallele Entwicklung beider Werte sowie der steile Anstieg des CO2-Gehalts seit Beginn der Industrialisierung, der mit aktuell (2015) 405 ppm alle Werte der vergangenen 640.000 Jahre, die auch in früheren Warmzeiten 300 ppm nicht überschritten, deutlich übertrifft.

Kernfrage der Klimaforschung:

Um wieviel Grad C erwärmt sich

die Erdatmosphäre bei

Verdopplung der

CO2-Konzentration bis 2050

von 300 ppm auf 600 ppm?

nur um 1,0 – 2 °C ?

um 4 – 5 ° C (IPCC) ?

Klima-Variable:

Wärmeinhalt Ozean < 700 m

Klima-Variable:

Wärmeinhalt NAtlantik < 700 m

Vor 4 bis 3,5 Mrd. Jahren war die Erde noch mit

Ozeanen und Vulkanen bedeckt blauer Planet

Zu den ersten Kontinenten Superkontinent

Die Erde vor 4 Milliarden Jahren

Kontinental-Drift Klimaänderung

Aufbau der heutigen Erde

Struktur der späten Erde

Alfred

Wegener

und die

Kontinental-

drift

1880-1930

AWI Bremerhaven

Alfred Wegener 1880 – 1930 Wegeners Vorstellungen zur KontDrift

Alfred Wegener in seinem Todesjahr 1930 auf einer Grönland-Expedition

Schiff deutsche Grönlandexp 1930

Auf dem Rückweg von der Forschungsstation Eismitte (im Wesentlichen einer in das Eis gegrabenen Höhle), die er mit zusätzlichen Lebensmitteln versorgte, kam Wegener vermutlich um den 16. November 1930 ums Leben. Am 12. Mai 1931 fand man Wegeners sorgfältig angelegtes Grab im Eis. Sein Begleiter blieb verschollen.

Alfred Wegener Institut AWI Bremerhaven für Geo-, Bio- & Klimawissenschaften 1980

Die Kontinente - ein Puzzle Südamerika & Afrika passen gut zusammen

Konvektion Kontinentaldrift mit typisch 3 cm/Jahr = 3000 km/100 Mio. a

Wärmestrom Temp = 6000 K

Superkontinent Rodinia ~ 900 Mio a

Rodinia (= Gebärkontinent) war ein hypothetischer Superkontinent im Proterozoikum. Er soll vor 1,1 Milliarden Jahren entstanden und vor etwa 800 Millionen Jahren zunächst in zwei große Bruchstücke zerbrochen sein. Rodinia wurde von einem einzigen Ozean umgeben, Mirovia.

Schneeball-Erde < 635 Mio. a Eiszeit dauerte 15 Mio. Jahre!

CO2 wurde ausgeregnet & in Gestein eingelagert

Superkontinent Pangäa ~ 250 Mio a

Phanerozoikum = Zeitalter des „sichtbaren Lebens“ < 540 Mio. a

Tanz der Kontinente

Schneeball- Erde H2O2

Bildung Ozonschicht

Heutiger Anteil

Phanerozoikum

Kontinentaldrift

Variation

Erdbahn

Grafik: Wikipedia/Camenzind

Reduktion CO2-Gehalt

1500 200 ppm Sonnen-

Flecken

Klima auf allen Zeitskalen variabel Generell wärmer – außer Karbon-Perm-Eiszeit

Seit 50 Mio. Jahren trat eine Abkühlung ein

Dino-Event

Eiszeit – Warmzeit – Eiszeit - …

Eisbohrkerne sind das einzige

Klimaarchiv, in dem die

Zusammensetzung der

Paläoatmosphäre direkt auf-

gezeichnet ist (< 800.000 Jahre).

Die Zusammensetzung

lässt sich anhand einge-

schlossener Luftblasen messen.

Das Klima der letzten 800.000 Jahre

GRIP = GReenland

Ice Core Project

bis 3090 m Tiefe =

123.000 Jahre NEEM = Nord-Grönland Eem Eisbohren

14 Nationen – Leitung Dänemark

Willi Dansgaard & Hans Öschger

Die Pioniere der Eisbohrerei

Wie ist ein Eisschild aufgebaut?

Eem – nach dem Fluss Eem in den Niederlanden.

Die Eem-Warmzeit hatte eine Dauer von etwa 11.000

Jahren. Sie begann vor etwa 126.000 Jahren, nach der

Saaleeiszeit beziehungsweise Riß-Eiszeit, und endete

vor etwa 115.000 Jahren mit dem Beginn der letzten

Kaltzeit. Die Eem-Warmzeit war gekennzeichnet durch

relativ stabile klimatische Verhältnisse. Die

Temperatur im Optimum der Warmzeit lag in Europa 3

– 4° Grad über der heutigen Mittel-temperatur. Dies

hatte unter anderem zur Folge, dass der

Meeresspiegel bis zu 5m höher lag als gegenwärtig

und viele Ebenen und Becken überflutet waren.

Die Eem-Warmzeit vor 120.000 a

Doku: Eisbohren Grönland 2009

Eisbohrkerne aus der Antarktis

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Eiszeitzyklen Chaos

Max Camenzind – Bad Kissingen - 2016

Entwicklung der Meereshöhe in den letzten 32.000 Jahren

Die Zeitreihen zeigen einige wichtige Merkmale bei

den Treibhausgaskonzentrationen:

So stieg der Gehalt von CO2 während der letzten

400.000 Jahre jeweils von 180 Volumenteilen

pro Million (ppmv) während der Kaltzeiten

auf 280 bis 300 ppmv in den Warmzeiten.

Der Methangehalt stieg jeweils von 350 auf 750 ppbv

(Volumenanteil pro Milliarde).

In früheren Warmzeiten lagen die CO2- und

CH4-Konzentrationen etwas niedriger.

Warmzeiten dauerten typisch 11.000 – 13.000 Jahre!

Welche Prozesse diese Schwankungen

verursacht haben und welchen Grund die natürliche

Spannbreite der Treibhausgaskonzentrationen hat,

ist immer noch unsicher Trigger: Milankovic-Zyklen.

Klimazyklen in den letzten 800.000 Jahren

Langzeitentwicklung der Erdbahn Keine Eiszeit in nächsten 100.000 Jahren

Wikipedia/Erdbahn

heute

• Ohne Treibhausgase wäre die mittlere Temperatur der Erde bei -18 Grad Celsius!

• Kontinente verschieben sich auf einer Zykluszeit von etwa 500 Mio. Jahren langfristigen Klimaschwankungen, Vulkanaktivität etc.

• Kontinente werden sich in 100 Mio. Jahren wieder verschieben neuer Superkontinent.

• In den letzten 1 – 2 Mio. Jahren stellen wir min-destens 8 Eiszeitzyklen von etwa 120.000 Jahren fest. Wir leben gerade in einer Zwischeneiszeit.

• Die nächste Eiszeit kommt bestimmt!

Zusammenfassung Paläoklima

Kernaussagen 1 • Klima ist ein stark nichtlineares physikalisches System bisher nur lineare Extrapolationen in Simulationen berücksichtigt! Klima ist auf allen Zeitskalen variabel!

• Auch ohne antropogene Einflüsse war das Klima in vergangenen Warmzeiten bis zu 8° C wärmer (!) und der Meeresspiegel bis zu 5m höher Schwingungen um die Gleichgewichtslage „Warmzeit“ arktisches Eis war geschmolzen! antarktisches nicht.

• Klima ist deterministisches Chaos kleine Änderungen in Anfangswerten führen zu gewaltigen Abweichungen in der Langzeitentwicklung Attraktor besteht mindestens aus Warmzeit – Kaltzeit und ist bisher nicht sichtbar in Modell-Simulationen.

• Variationen der Erdbahn + Schiefe der Ekliptik sind externe Antreiber mit Zykluszeit von 100.000 Jahren, auf die der Mensch keinen Einfluss hat.

• Keine Eiszeit in den nächsten 100.000 Jahren.

Kernaussagen 2

• Treibhausgase (Wasserdampf, CO2, Methan), neben O2 sind wichtig für unser Klima Temperatur wäre sonst bei -18° C.

• CO2-Konzentration von 200 – 300 ppm 400 ppm angestieg

• Klimaveränderung wird heute durch den Strahlungsantrieb RF(t) (in W/m²) parametrisiert IPCC5 hat 4 Szenarien (sog. RCPs) zum Studium der Klimaentwicklung definiert.

• Kritik: TempEntwicklung geht nicht linear, sondern logarithm

• Die Sonneneinstrahlung ändert sich mit dem 11-Jahres Zyklus (RF ~ 0,8 W/m²), zeigt aber auch Zykluszeiten von etwa 1000 Jahren (RF ~ 2-3 W/m²), die kleine Eiszeiten und Warmperioden mit Schwankungen um +-1 °C erklären.

• Ursache des „Temperaturanstiegs“ in den letzten 50 Jahren ist nicht geklärt – CO2 oder Relaxation? Gerry Meehl