Das Klima der Erde II Treibhaus & Kontinentaldrift

Max Camenzind

Akademie Heidelberg

Oktober 2014

Heutige Erde ist ein Ist-Zustand

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

Ozeanen und Vulkanen bedeckt blauer Planet

Zu den ersten Kontinenten Superkontinent

Die Erde vor 4 Milliarden Jahren

• Warum wirkt die Atmosphäre wie ein Treibhaus?

• Die globale Energiebilanz der Erdatmosphäre nach Kiehl und Trenberth 1997.

• Aufbau der Erde und Tanz der Kontinente Kontinentaldrift nach Alfred Wegener Klimaänderungen.

• Es beginnt mit Superkontinent Vaalbara (vor 2,5 Mrd.) Rodinia (vor 900 – 600 Mio. Jahren) Pangäa (vor 300 Mio. Jahren).

• Klimageschichte im Phanerozoikum ist gut bekannt von – 540 Mio. Jahre bis heute.

• Was sind Klimaarchive und Proxies?

Themen

Wie funktioniert ein Treibhaus?

Die wichtigsten Gase beim natürlichen Treibhauseffekt sind

Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2) und Methan.

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

Atmosphäre als “Treibhaus”

Spektrum Sonnenstrahlung

Sonneneinstrahlung auf Atmosphäre

Schwarzkörper Spektrum

Strahlung auf Meereshöhe

1 µm 2 µm

Einfallende Strahlung / CERES

Mittlere Solare

Einstrahlung

Flecken- Minimum

Flecken- Maximum

• Mensch als Strahler: T = 37 ° C L ~ 1000 W Vorsicht: der Mensch nimmt auch Strahlung auf! gibt also weniger ab! Kleider isolieren! IR-Bild • Sonne als Strahler: T = 5777 ° K LS = 4pRS²sTS

4 = 3,846 x 1026 W isotrop Solarkonstante FE = LS/4p(AE)² = 1366 W/m² FE(p) = 1413 W/m² ; FE(Aphel) = 1321 W/m² Einstrahlung = p RE² FE = 1,74 x 1017 W • Erde als Strahler : <T> = 15 ° C = 288 ° K LE = 4pRE² sT4 = 1,99 x 1017 W Strahlungsbilanz stimmt ungefähr.

Jeder Körper strahlt Energie ab

IR-Bild einer Menschengruppe

Auslaufende Strahlung / CERES

Ausgehende Wärmestrahlung

NOAA = National Oceanographic

and Atmospheric Administration

IR-Strahlung Äquatorial 20S- 20N

IR-Strahlung Polar 70 – 90 ° N

IR-Strahlung Polar 70 – 90 ° S

Globale Energiebilanz Gleichgew

235 = 342 - 107

Kiehl & Trenberth 1997/2009

Einstrahlung = FE/4 = 342 W/m²

Erdatmosphäre als Treibhaus

F = sT4 = 390 W/m²

Absorption Erdatmosphäre Lässt nur 40 W/m² durch von 398 W/m²

Abstrahlung von Erdoberfläche (15° C)

Infrarot-Fenster

der Atmosphäre Gemini Teleskop Hawaii

Jedes CERES-Instrument (NASA) ist ein dreikanaliges Radiometer: Der

Kurzwellenkanal ist für die Messung kurzwelligen Sonnenlichts im

Bereich von 0,3–5 µm gedacht (Albedo), ein Kanal misst die von der

Erde ausgesandte Wärmestrahlung im von 8 bis 12 µm reichenden

„Atmosphärischen Fenster“-Bereich und ein weiterer Kanal misst die

gesamte von der Erde ausgesandte Strahlung.

Das CERES-Experiment verfolgt vier Hauptziele:

Fortführung der u.a. mit Hilfe des ERBS (Earth Radiation Budget Satellite)

Verdoppelung der Genauigkeit von Schätzungen des Strahlungsflusses an

der Oberseite der Atmosphäre.

Erstmalige Langzeit-Schätzung des Strahlungsflusses innerhalb der

Erdatmosphäre.

Ermöglichung von Schätzungen über die Eigenschaften von Wolken, die

mit den Strahlungsflüssen von der Erdoberfläche bis zur Oberseite der

Atmosphäre vereinbar sind.

CERES Planetary Albedo

CERES Planetary Albedo

CERES Outgoing Flux

CERES Outgoing Flux

Earth's net radiation, sometimes called net flux, is the balance between incoming and outgoing

energy at the top of the atmosphere. It is the total energy that is available to influence the climate.

Energy comes in to the system when sunlight penetrates the top of the atmosphere. Energy goes

out in two ways: reflection by clouds, aerosols, or the Earth's surface; and thermal radiation—heat

emitted by the surface and the atmosphere, including clouds. The global average net radiation

must be close to zero over the span of a year or else the average temperature will rise or fall.

239.9 = 340.4 – 99.9 – 0.6

Energie-Bilanz Erde

239.9 = 169.9 + 40.1 + 29.9

Die Kontinental-Drift

Struktur der späten Erde

Struktur der späten Erde

Alfred Wegener 1880 – 1930 Wegeners Vorstellungen zur KontDrift

Alfred Wegener in seinem Todesjahr 1930 auf einer Grönland-Expedition

Wegener 1. Grönlandexp 1906

Nach seiner Rückkehr 1908 war Alfred Wegener bis zum Ausbruch des Ersten Weltkriegs Privatdozent für Meteorologie, praktische Astronomie und kosmische Physik in Marburg.

Video SWR: Alfred Wegener

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

WEGENER’S VISION

Die Kontinente - ein Puzzle Südamerika & Afrika passen gut zusammen

Kontinental-Drift Spekulation 1929

• Kontinente waren einst Teil

einer einzigen Landmasse,

die dann auseinanderbrach

und die Kontinente bewegten

sich auf ihre heutigen

Positionen zu.

• Kontinente können wieder

auseinander driften und

haben dies auch in der

Vergangenheit getan.

• Wegener hatte keine Theorie

dafür!

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

Wärmestrom Temp = 6000 K

Platten reißen auf Atlant. Rücken

1. Superkontinent Vaalbara ~ 2,5 Mrd. a

Pilbara

Kraton = geologisch sehr alte (präkambrische) Kerngebiete der Kontinente, die aus stark metamorphen Gesteinen bestehen.

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

~ J

up

ite

r-M

on

d

Eu

rop

a –

31

21

km

Superkontinent Pangäa ~ 250 Mio a

Schneeball- Erde H2O2

Bildung Ozonschicht

Tanz der Kontinente

Die heutige Erde

Kambrium – vor 500 Mio Jahren

Über die Lage der Kontinente ist aus dem Präkambrium wenig

bekannt. Erst ab etwa dem Kambrium weiß man einigermaßen genau,

wie die Kontinente verteilt waren. Im späten Proterozoikum war der

Superkontinent Rodinia in die vier Kontinente Baltica

(Nordosteuropa), Laurentia (Nordamerika und Grönland), Sibiria

(Sibirien) und den Superkontinent Gondwana (Afrika, Südamerika,

Indien, Australien, Antarktika und Arabien) und Armorica zerbrochen.

Ordovizium

Zu Beginn des Ordoviziums war es so warm, dass beide Pole eisfrei waren – weil also wenig Wasser in Eis gebunden war, lag der Meeresspiegel hoch und es gab ausgedehnte Schelfmeere und Epikontinentalmeere. [Physik-Wissen/Erdzeitalter]

Silur

Im unteren Silur kollidierten die beiden Kontinente nun und bildeten einen neuen Großkontinent, der Laurussia oder Euramerika genannt wird. Auch im Silur war das Klima warm und es gab ausgedehnte flache Meere auf den Kontinenten. [Physik-Wissen/Erdzeitalter]

Devon

Zwei große Kontinente bestimmten das Aussehen der Erde im Wesentlichen im Devon: Gondwana und Euramerika. Gondwana driftete nach Norden. Zwar war es im Devon warm und trocken – was wiederum mit hohem Meeresspiegel und entsprechend großen Schelfmeeren einherging –, aber möglicherweises ließ am Ende des Devon eine Vereisung der Pole die Ozeane auf der ganzen Erde abkühlen.

Karbon

Bereits seit dem Devon drifteten Gondwana und Euramerika aufeinander zu.

Das Klima war zunächst tropisch und dauerfeucht. Dadurch, dass Euramerika und Gondwana nun vereinigt waren, waren jedoch Küstenlinien verschwunden – weniger Gebiete hatten feuchtes Meeresklima und das Klima wurde insgesamt trockener. [Physik-Wissen/Erdzeitalter]

Im Perm entstand der Superkontinent Pangäa, der alle Landmassen in sich vereinigte. Bereits im Karbon hatten sich Euramerika und Gondwana zusammengeschlossen. Nun kollidierte auch noch Sibiria mit Euramerika, wobei der Ural aufgefaltet wurde. Bereits im Oberperm kündigte sich jedoch der bevorstehende Zerfall Pangäas an.

Perm Pangäa

Trias

Zu Beginn der Trias hingen Nordamerika und Europa noch mit Süd-amerika und Afrika zusammen, doch nun begann Pangäa zu zerfallen.

Im Laufe des Jura setzte sich der Zerfall Pangäas fort. Der Zentralatlantik und der Golf von Mexiko öffneten sich und teilten Pangäa in den Nordkontinent Laurasien (Nordamerika, Europa, Asien) und den Südkontinent Gondwana – an etwa der Linie, an der 100 Mio. Jahre zuvor Euramerika und Gondwana verschmolzen waren. Da nach dem Zerbrechen Pangäas wieder mehr Küsten existierten und mehr Landstriche unter dem Einfluss von Meeresklima lagen, wurde das Klima im Jura feuchter, blieb aber zunächst warm.

Jura

In der Kreide zerfiel Pangäa endgültig und das heutige Bild der Erdoberfläche ließ sich langsam erahnen. Australien und Antarktis lösten sich von Gondwana, blieben aber miteinander verbunden. Afrika und Südamerika trennten sich voneinander, wobei sich der Südatlantik öffnete. Indien löste sich von Afrika und begann, in Richtung Asien zu driften. Im Nordatlantik begann die Trennung Europas von Nordamerika.

Kreide

Die Verteilung der Kontinente ähnelt im Paläogen zunehmend der heutigen. Eurasien befand sich schon ungefähr dort, wo es heute noch liegt, war aber noch durch die Thetys von Afrika getrennt. Die Thetys wurde jedoch immer schmaler, da Afrika sich auf Eurasien zuschob. Bereits zu Beginn des Paläogens begann in der Folge die Auffaltung der Alpen.

Paläogen

Die Lage der Kontinente ändert sich im Neogen nur wenig. Afrika kollidierte mit Europa, weshalb im Mittelmeerraum Atlas, Pyrenäen, Schweizer Jura, Alpen, Karpaten, Apennin u. a. aufgefaltet wurden. Zwar hebt sich das Gebiet bis heute geringfügig, im Wesentlichen ging die Gebirgsbildung im Mittelmeerraum aber im Neogen zu Ende. Im Neogen vergletscherte die Antarktis nun zunehmend, bis es vor 3 Mio. Jahren zu einer raschen Abkühlung kam. [Physik-Wissen/Erdzeitalter]

Neogen

Quartär

Das Quartär ist das zur Zeit jüngste Zeitalter, also das, das bis zur Gegenwart reicht. Die Lage der Kontinente im Quartär entspricht der heutigen. Trotzdem sind die Platten der Erdkruste weiterhin in Bewegung, das derzeitige Aussehen der Erdoberfläche ist auch nur eine Momentaufnahme und keinesfalls ein Endstadium. [Physik-Wissen/Erdzeitalter]

Klima im Phanerozoikum Generell wärmer – außer Karbon-Perm-Eis

CO2 Faktor 20 höher

Dieter Kasang

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

• Kontinente verschieben sich auf einer Zykluszeit von etwa 500 Mio. Jahren langfristige 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