Letzte Maximalvereisung vor 21.000 Jahren Heute Ausdehnung von Eiskappen auf der Nordhemisphäre

Letzte Maximalvereisungvor 21.000 Jahren

Heute

Ausdehnung von Eiskappen auf der Nordhemisphäre

Modellierung von Eiszeitzyklen

• Rekonstruierte Eiszeitzyklen während der letzten 800.000 Jahre

• Astronomische Theorie der Eiszeiten

• Ein einfaches Modell für Eiszeitzyklen

Änderung der Sonneneinstrahlung Eisvolumenvariationen

• Physikalisch basierte Eismodelle

Eisverteilung in Nordamerika seit der letzten Eiszeit, Eiszeiten in der Zukunft

Rekonstruktion des Eisvolumens mit Sauerstoffisotopen

16O (~ 99,8 %) und 18O (~ 0,2 %)

18O /16O Verhältnis im Ozean = 1 / 500

Abweichungen davon (in ‰) Eisvolumen/Meeresspiegel

Berger & Seibold (1996)

-2.1

-1.8

-1.5

-1.2

-0.9

-0.6

-0.30 100 200 300 400 500 600 700 800

Sa

ue

rsto

ffis

oto

pe

nw

ert

[‰]

Alter [ka]

Interglazial

Glazial

Rekonstruierte Eiszeitzyklen (ODP 806, W-Pazifik)

Berger et al. (1996)

Astronomische Theorie der Eiszeiten

Zeit

+

─

Durchschnittswert

Sonneneinstrahlungbei ca. 65° N im Sommer

Eisschmelze

Eiswachstum

Jahresgang der solaren Einstrahlung

Hartman (1994)

Erde näher an der Sonne im SH Sommer

Tageslängen-EffeKtMittelwert = 342 W m-2

Erdbahnparameter

Elliptizität (~100.000 Jahre)

Schiefe (41.000 Jahre)

Schiefe der Erdbahn und Saisonalität

Ruddiman (2001)

Keine Saisonalität

MaximaleSaisonalität

Änderung der Lage des Frühlingspunktes

Nordsommer

min. Abstand

Nordwinter

min. Abstand

Vor 11.000 Jahren

Heute Kreiselbewegung (~20.000 Jahre)

380

400

420

440

460

480

500

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Q6

5N

(Ju

li) [

W/m

2]

Alter [ka]

Sonneneinstrahlung bei 65° N im Juli

A. Berger (1978)

Solare Einstrahlung und Eisschilde

Ruddiman (2001)

Orbitale Steuerung von Eisschilden:Milankovic Hypothese

Ruddiman (2001)

Kritische Rolle der Sommer- Einstrahlung

Ruddiman (2001)

Die MilankovicHypothese

Sonneneinstrahlung Eisvolumen

Klimasystem

Ziel: Mathematische Beschreibung der Signalumwandlung

Ein einfaches Rechenschema für Eiszeitzyklen

Für ein Zeitintervall gilt:

Änderung Eisvolumen = Eiswachstum – Eisschmelze

Regeln: - Der im Winter gefallene Schnee muss den Sommer überdauern

- Warme Sommer und großes Eisvolumen begünstigen Eisschmelze

Eisschmelze = a1 · Sommereinstrahlung + a2 · Eisvolumen

aus Beobachtungen (konstant)

Kontinentale Eisschilde und Isostasie

Ruddimann (2001)

Zerfall kontinentaler

Eisschilde durch “Kalbung”

Eisschmelze schneller als Hebung des Untergrundes Meerwasser dringt in Senke Kalbung

Ruddimann (2001)

Ein “nulldimensionales” Eismodell

Eismasse, E:

a0 = Eiswachstumsrate (Schneeakkumulation)

a1 = Empfindlichkeit gegenüber Einstrahlungsanomalien, Q

a2 = Eiszerfallsrate neg. Rückkopplung

K = Kalbungsrate

0 1 2

dEa a Q a E K

dt

Kalbungsrate, K: – Positiv wenn “offene” Senke unterhalb des

Meerespiegels existiert– Null sonst

Isostatische Absenkung des Untergrundes, D

H = Mächtigkeit des Eisschildes = f(E)

1 = Zeitkonstante f. Einsinken (1/2 ≈ 1/4)

2 = Zeikonstante f. Entlastung (1/2 = 22 ka)

1 2

dDH E

dt

Zusammenfassung des Eismodells

• Zwei prognostische Gleichungen für E und D

• Diagnostische Gleichungen für K und H

Erfordern weitere Annahmen

• Mehrere unbekannte Parameter (ai, i)

Größenordnung abgeschätzbar

• Anfangsbedingungen: E0 = 0 kg; D0 = 0 m

• Einstrahlungsanomalien: Berger (1978), Rauschen,

Sinusschwingung

Saltzman und Verbitsky (1992): Asthenospheric ice load effects in a global

dynamical-system model of the Pleistocene climate. Climate Dynamics, 8: 1-11.

D:\Fazies_Klima\Ice0D.gsp

Achtung: Modell benutzt physikalischeZeitachse!

1 Ma 0 Ma Zukunft

Experimente mit dem Eismodell 1

• Starten Sie das Modell mit den Standardeinstellungen

• Vergleichen Sie den modellierten Meeresspiegel mit den rekonstruierten Werten. – Gibt das Modell die Daten gut wieder?

– Welche Kriterien sind für den Vergleich sinnvoll?

• Für welchen Zeitpunkt in der Zukunft sagt das Modell eine zukünftige Eiszeit voraus?

Wie gut ist das Modell?

Kriterien: - Glazial-Interglazial Hub (± ok)- Zeitpunkt der Terminationen ()- Lage der Stadiale/Interstadiale ()

Die nächste Eiszeit

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

9.0e05 9.2e05 9.4e05 9.6e05 9.8e05 1.0e06 1.02e06 1.04e06 1.06e06 1.08e06 1.1e06

Time (yr)

Modeled Sea Level

0 Ma

60 ka in der Zukunft

Experimente mit dem Eismodell 2

Starten Sie das Modell nacheinander mit folgenden Einstellungen für Antrieb und Kalbung:

Orbital Sinus Rauschen Kalbung

Ref. - -

1 - -

2 -

3 - - -

4 - - -

Welchen Einfluss haben Antrieb und Kalbung auf die Entstehung des “100-ka” Zyklus und die Lage der Terminationen?

Reaktion auf den Antrieb

• Terminationen treten unabhängig vom Antrieb auf

• Der Antrieb bestimmt den Zeitpunkt der Terminationen (“Phasenlage”)

Rauschen

Sinus

Orbital

Bedeutung der Kalbung

In diesem Modell ist das Auftreten von Terminationen (und damit des “100-ka” Zyklus) vom Kalbungs-mechanismus abhängig.

Ohne Antrieb/Kalbung

Orbital

Orbital + Kalbung

Nulldimensionales EismodellNur wenige Regeln sind notwendig, um die Abfolge der Eiszeiten aus der Sommereinstrahlung in hohen Breiten zu berechnen:

• Der im Winter gefallene Schnee muss den Sommer überdauern

• Eisschmelze wird begünstigt durch

- extrem warme Sommer

- extrem großes Eisvolumen in Gegenwart und Vergangenheit (Einsinktiefe)

• Grundsätzliche Eigenschaften des Klimasystems lassen sich analysieren

• Alter vergangener Eiszeiten können berechnet werden

ABER: - keine physikalischen Gesetzmäßigkeiten liegen zugrunde

- keine Aussage über die räumliche Eisverteilung

- unrealistische Parameterwerte

Unbefriedigend

Wozu eignet sich solch ein Modell?

Physikalische Eismodelle

Herterich (1989)

Letzte Maximalvereisungvor ~ 21.000 Jahren vor 15.000 Jahren

vor 13.000 Jahren vor 9.000 Jahren

Modellierte Eisverteilung in Nordamerika

Marshall & Clarke (1999)

Eiszeiten in der Zukunft

Berger & Loutre (2002)

Zukunft Vergangenheit

vergangene Werte (210-280 ppmv)

eiszeitlicher Wert (210 ppmv)

Treibaus-Wert (750 ppmv)

CO2-Gehalt der Atmosphäre