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Christian-D. Schönwiese Universität Frankfurt/Main

Institut für Atmosphäre und Umwelt© ESA/EUMETSAT: METEOSAT 8 SG – multi channel artificial composite colour image, 23-5-2003, 12:15 UTC

Teil 4: Paläoklima im Quartär – Pleistozän

Übersicht der geologischen Zeitalter und Klima

Quellen: Lexikon der Geowissenschaften, 2002; Frakes, 1979, u.a.; hier nach Schönwiese, 2013

Zeitalter (Ära)

Periode (System)

Epoche (Serie)

Zeit ab Mill. J.v.h.

Ereignis O B E

Klima

Neozoikum (Känozoikum)

Quartär Holozän Pleistozän

0,011 1,6

• Warmzeit des Quartären Eiszeitalters Quartäres Eiszeitalter (seit ca. 2-3 Mill. J.v.h.)

Tertiär Pliozän Miozän Oligozän Eozän Paläozän

5 23 35 54 65

⇑a ∇5

Weitere markante Abkühlung, verstärkte Variabilität Variabel, Vereisung zeitweise wieder geschrumpft Kühler und beginnende Vereisung der Antarktis Warm und feucht Noch sehr warm (akryogen) und sehr feucht

Mesozoikum Kreide Oberkreide Unterkreide

100 142

⇑b Sehr warm und meist sehr trocken

Jura Malm Dogger Lias

159 180 205

∇4

Warm and sehr trocken, im Malm vorübergehend kühler

Trias Keuper Muschelkalk Buntsandstein

227 242 250

Warm und sehr trocken

Paläozoikum Perm Zechstein Rotliegendes

255 290

∇3 ●

Wärmer werdend und trocken Permokarbonisches Eiszeitalter (c. 320-260 Mill. J.v.h.)

Karbon Pennsylvanium Mississippium

323 355

⇑c Warm und sehr feucht, später abkühlend

Devon Oberdevon Mitteldevon Unterdevon

370 391 410

∇2 ⇑d

Warm und relativ trocken

Silur Obersilur Untersilur

438

●

Warm, zeitweise sehr feucht Silur-Ordovizisches Eiszeitalter (ca. 450-440 Mill. J.v.h.)

Ordovizium Oberordov. Unterordov.

510

⇑e ∇1 Warm and feucht, später kühler werdend

Kambrium 570 Warm und feucht (?) Präkambrium Protero-

zoikum Neo- Meso- Paläo-

2 500

⇑? ∇? • •

Mehrere Präkambrische Eiszeitalter (ca. 620, 750, 950 Mill. J.v.h., dazwischen sehr warme Epochen Sog. Huronisches Eiszeitalter (ca. 2.3 Mill. J.v.h.)

Archaikum 4 600 ? Extensiv warm O = Orogonesen: a) West-Alpidische, b) Ost-Alpidische, c) Europäisch-Variskische, d) beginnende Variskische (bis ins Karbon reichend), e) Kaledonische B = Bioereignisse (Artensterben), ungefähre Zeitangaben: 1→ 450, 2→ 370, 3→ 250, 4→ 210, 5→ 65 Mill, Jahre v.h.; E = Eiszeitalter (→ Klima)

13

Hadaikum, Archaikum

Nordhemisphärisch gemittelte Temperaturänderungen in der letzten Jahrmilliarde

Totalvereisung?

Präkambrische Eiszeitalter

3E = Eiszeitalter. Viele Quellen, insbes. Clark, 1984, hier nach Schönwiese, 1994

Relative globale Temperaturänderungen beim Übergang vom Tertiär ins Quartär

Oschmann et al., 2000

Wärmer

Kälter

Nach δ18O in Tiefseesedimenten

← Tertiär Quartär →

Der Beginn des Quartärs wird geologisch meist mit 1,5 - 2 Mill. Jahren v.h. angegeben, ist klimatologisch gesehen jedoch eher fließend vor ca. 2 - 3 Mill. J. v.h. eingetreten. Damit setzte ein ausgeprägter Wechsel von Warm- und Kaltzeiten (innerhalb des Quartären Eiszeitalters) ein, insbesondere in der letzten Jahrmillion. 4

Nordhemisphärisch gemittelte Temperaturvariationen in der letzten Jahrmillion

Gün

z-K

altz

eit

Waa

l-W

arm

zeit

5Viele Quellen, insbes. Clark et al., 1984, hier nach Schönwiese, 1994, ergänzt

Absolute globale Temperaturänderungen im späten Quartär (Pleistozän)

EemHolsteinCromerWaal

WürmRiß

MindelGünz

Neo

Holozän

Hier ist die Struktur des Warm-/Kaltzeit-Zyklus (W-K) deutlich zu erkennen: jeweils rasche Erwärmung (→W) und allmähliche von markanten Fluktuationen überlagerte Abkühlung (→ K). Die Temperaturamplitude ist dabei aber wahrscheinlich deutlich überschätzt. Bubenzer u. Radtke, 2007 6

Ablauf/Nomenklatur des Zyklus der Kalt-(K) und Warmzeiten (W) in den letzten ca. 500 000 Jahren, Zeitangaben (Klimax) in Jahrtausenden vor heute

Typ Klimax E * D, Alpen D(N) + NL GB Russland USA W 6 1 Holozän ** Flandrisch Holocene Holocene K 18 2-4 Würm Weichsel Devensian Valdai Wisconsin W 125 5 - Eem Ipswich Mikolino Sangamon K 140 6 Riss Saale Wolstonian Moskva Illinois W 240 7 - Holstein Hoxne Likhvin Yarmouth K 260 8 Mindel Elster Anglian - Kansan W 325 9 - Cromer Cromer Morosov Afton K 340 10 Günz Menap Baventian Odessa Nebraskan W 400 11 - Waal K 430 12 Donau Eburon W 480 13 - Tegelen K 530*** 14 Biber

*) Emiliani-Stufen **) auch Postglazial (Nacheiszeit) genannt ***) ca. 520-540●103 J.v.h., unsicher

Synonym sind die Begriffe Kaltzeit, Eiszeit und Glazial sowie Warmzeit,Zwischeneiszeit und Interglazial. Die jüngste, noch andauernde Warmzeit (Neo-Warmzeit) wird in der Geologie Holozän und in der Geographie auch Nacheiszeit bzw. Postglazial genannt.

Andauer der Warmzeiten ca. 5 000 - 20 000, der Kaltzeiten ca. 60 000 - 100 000 Jahre.

Viele Quellen, hier nach Schönwiese, 1995; modifiziert nach IPCC, 2007 7

Synonym sind die Begriffe Kaltzeit, Eiszeit und Glazial sowie Warmzeit,Zwischeneiszeit und Interglazial. Die jüngste, noch andauernde Warmzeit (Neo-Warmzeit) wird in der Geologie Holozän und in der Geographie auch Nacheiszeit bzw. Postglazial genannt. Viele Quellen, hier nach Schönwiese, 1995; modifiziert nach IPCC, 2007 8

Ablauf/Nomenklatur des Zyklus der Kalt-(K) und Warmzeiten (W) in den letzten ca. 500 000 Jahren, Zeitangaben (Klimax) in Jahrtausenden vor heute

Typ Klimax E * D, Alpen D(N) + NL GB Russland USA W 6 1 Holozän ** Flandrisch Holocene Holocene K 18 2-4 Würm Weichsel Devensian Valdai Wisconsin W 125 5 - Eem Ipswich Mikolino Sangamon K 140 6 Riss Saale Wolstonian Moskva Illinois W 240 7 - Holstein Hoxne Likhvin Yarmouth K 260 8 Mindel Elster Anglian - Kansan W 325 9 - Cromer Cromer Morosov Afton K 340 10 Günz Menap Baventian Odessa Nebraskan W 400 11 - Waal K 430 12 Donau Eburon W 480 13 - Tegelen K 530*** 14 Biber

*) Emiliani-Stufen **) auch Postglazial (Nacheiszeit) genannt ***) ca. 520-540●103 J.v.h., unsicher

Synonym sind die Begriffe Kaltzeit, Eiszeit und Glazial sowie Warmzeit,Zwischeneiszeit und Interglazial. Die jüngste, noch andauernde Warmzeit (Neo-Warmzeit) wird in der Geologie Holozän und in der Geographie auch Nacheiszeit bzw. Postglazial genannt.

Eisbohrrekonstruktionen: Temperatur und Spurengase

Jahrtausende vor heute

N2O

CO2

CH4

Temperatur

W: Tegelen Waal Cromer Holstein Eem Neo

K: Biber Donau Günz Mindel Riss Würm

Warmzeit (W) Kaltzeit (K)Antarktis

9IPCC 2007

Eisbohrrekonstruktionen: Temperatur, CO2 u. Meeresspiegel

IPCC 2014Jahrtausende v.h. 10

Eisbedeckung der Nordhemisphäre zum Tiefpunkt der Würm-Kaltzeit (ca. 18 • 103 J.v.h.)

L = Lautentidischer,

G = Grönländischer,

S = Skandinavischer

Eisschild

Lamb, 1972, aktualisiert nach Frenzel et al., 1992, hier nach Schönwiese, 2013

11

Eisbedeckung zum Tiefpunkt der Würm-Kaltzeit(ca. 20-18 • 103 J.v.h.) in globaler Sicht

Bubenzer und Radtke, 2007 12

Eisbedeckung der Erde während der Würm-Kaltzeit (ca. 18000 J.v.h.) und ca. 1980)

Region

Fläche

in 106 km2

Volumen

in 106 km3

mittlere Dicke in km

Meeresspiegel-äquivalent

in m

Kaltzeit

heute

Antarktis

13.8

12.2

29.3

2.5

73.3

Grönland 2.3 1.7 3.0 1.6 7.6

Australien/Neuseeland 0.03 ⎫

Südamerika 2.3 ⎟

Nordamerika 13.4 ⎪

Skandinavien/Großbrit. 6.7 ⎬ 0.6 *) 0.1 *) 0.2 *) 0.4 *)

Alpen 0.04 ⎮

Asien 4.0 ⎮

Rest 1.8 ⎭

Summe 44.4 14.5 32.4 81.3

*) Summe aller heutigen extrapolaren Gebirgsgletscher Quellen: Barry, 1985, u.a., hier nach Schönwiese, 2013

Meeresspiegeläquivalent der Würm-Kaltzeit: ca. - 130 m

Nach IPCC (2014): 66,1 m wegen starken Rückgangs d. Eisbedeckung (→ Vorl. 10)

13

W K90°

81°

55°

51°

45°

36°

28°

?

Meer-Eis

Land-Eis

Permafrost

Tundra

Wald gemäßigter Breiten

Mediterrane Veg.

Wüste

Savanne

Trop. Regenwald

Würm-Kaltzeit(K), ca. 18 000 J.v.h.,

Nord-Süd-Vegetations-querschnitt(potentiell) Europa-Afrika, im Vergleich zu heute (W)

Hammer-fest (70°)

Hamburg (54°)

Rom (42°)

Kairo (30°)

Dakar (Senegal, 15°)

Lamb, 1977, nach Büdel, 1951, umgezeichnet 14

Würm-Kaltzeit (ca. 18 000 J.v.h.), Vegetation des tropischen Regenwalds

Schrumpfung auf die schwarz angelegten Flächen (heutige potentielle Gebiete grau angelegt).

Messerli, 1980 15

Karl Friedrich Schimper (1803-1867), deutscher Botaniker und Geologe, entwickelte die „Eiszeitlehre“, wonach es Indizien für frühere Kaltzeiten mit ausgedehnter Vereisung der Erdoberfläche gibt und verwendete dafür erstmals den Begriff „Eiszeit“.

16

Albrecht Penck (1858-1945) und Eduard Brückner (1862-1927), beides österreichische Geographen (sowie Geologen bzw. Glaziologen) führten ausgedehnte Studien zur Rekonstruktion der „Eiszeiten“ im Voralpenland aus („Die Alpen im Eiszeitalter“, 3 Bände, 1909) und gaben den vier letzten die Namen „Würm, Riß, Mindel und Günz“.

17

Orbitalparameter der Erdumlaufbahn um die Sonne

Exzentrizität, Zyklus 95 000, 400 000 J. Erdachsenneigung

Z. 41 000 J.

PräzessionZ. 19 000,

23 000 J.

Zyklusangaben nach Berger, 1984, erg. nach Bubenzer u. Radtke, 2007Auf der Grundlage dieser Zyklen hat M. Milankovic um 1920 seine Theorie der Steuerung des Warm-/Kaltzyklus entwickelt; erste vergleichweise moderne Modellrechnungen dazu von A. Berger. 18

Zur Orbitalparameter-Theorie der Quartären Klimaänderungen

• Exzentrizität der Erdumlaufbahn um die Sonne, heute e* = 0,0167, abnehmend, variierend zwischen e = 0,0005 und 0,06107, Zyklus Z = 95 000 und 400 000 Jahre; → Abstand von der Sonne jahreszeitlich unterschiedlich.

• Erdachsenneigung, heute 23° 27‘, abnehmend, variierend zwischen 22° 2‘ und 24° 30‘, Z = 41 000 Jahre; → Ausprägung der Jahreszeiten variierend.

• Präzession (Kreiselbewegung der Erdachse), Z = 19 000 und 23 000 Jahre; → Datumsänderung von Perihel (heute 3. Jan.) und Aphel (heute 3.Juli) der Erdumlaufbahn um die Sonne.

• Der direkte Gesamteffekt liegt im globalen Mittel nur in einem Bereich von ca. -0,2 bis +0,3 W/m2. Auch wenn monatlich/regional bis zu 12 % der „Solarkonstanten“erreicht werden, sind beim Temperatureffekt doch Sensitivität und Rückkopplungen entscheidend.

*) e = √(a2 – b2)/a mit a =großer und b = kleiner Halbachse der Ellipse 19

Quartär: Strahlungsantriebe (direkt u. indirekt)Direkt,Amplitude max. ~0,5 Wm-2; statt globaler Werte werden jedoch meist sensible Regionen be-trachtet, z.B. in ca. 60° Nord.

← Indirekt durch Rückkopplungen

Die Temperatureffekte beruhen vor allem auf Rückkopplungen (Eis - / Vegetation -Albedo; klima-wirksame Spurengase (CO2 usw., negativer Treibhauseffekt).

Eis-Albedo: 3,25 Wm-2

Veg.-Albedo: 0,25 Wm-2

Spurengase: 3 Wm-2

Summe 6,5 Wm-2

T-Effekt: ~5 KSensitivität: ~ 3/4 K / Wm-2 Quelle: Kasang (Hamburger Bildungsserver,

nach Hansen et al., 2008), Abruf 2013 20

Beispiele wichtiger Rückkopplungen Positiv (Selbstverstärkung):

• Eis-Albedo: Erwärmung ► weniger Schnee/Eis-Bedeckung ► geringere Albedo ► weitere Erwärmung usw.

• Vegetation-Albedo: Erwärmung ► mehr Vegetation ► geringere Albedo ► weitere Erwärmung usw.

• Ozean-CO2: Erwärmung ► weniger CO2 im Ozean ► mehr CO2 in d. Atmosphäre ► weitere Erwärmung usw.

• Permafrost: Erwärmung ► Auftauen d. Permafrostbodens► mehr CO2/CH4 in d. Atmosphäre ► weitere Erwärm. usw.

• Vegetation-CO2: Erwärmung ► mehr Photosynthese ► weniger CO2 in der Atmosphäre ► Abkühlung

• Wolken-H2O: Erwärmung ► höhere Verdunstung ► mehr Wasserdampf (H2O) in der Atmosphäre ► mehr Wasserwolken ► Abkühlung

Negativ (Selbstabschwächung):

21

Alle Rückkopplungen funktionieren auch umgekehrt (Abkühlung ►…).

Milutin Milankovic (deut. Schreibweise Milankovitch, 1879-1958), serbokroatischer Astrophysiker und Mathematiker, entwickelte um 1920 die Orbital-hypothese des Kalt-(Eis-) Warmzeit-Zyklus (Quartär). 22

André Berger (geb. 1942 in Acoz, Belgien), belgischer Astronom und Paläoklimatologe, wirkte lange Zeit am Institut für Astronomie und Geophysik der Universität Louvain-la-Neuve und war einer der führenden Model-lierer der Orbitalparameter-Theorie der Quartären Kli-maänderungen (Hauptwerk: Milankovitch and Climate, 2 Vols., Reidel, Dordrecht, 1984). 23

Kalt-/Warmzeiten in Rekonstruktion und Modell

(tropischer Pazifik)

24Nach Berger, 1984, gestrichelt, sowie Imbrie, 1981, gepunktet, u.a., hier nach Schönwiese, 1995

Globaltemperatur letzte und künftige 100 000 Jahre: drei Szenarien (natürlich, Super- und Langzeit-Treibhauseffekt

Oschmann, 201625

Temperaturänderungen innerhalb der Würm-Kaltzeit(Stadiale, K, und Interstadiale, W) durch D/O-Ereignisse

Bubenzer u. Radtke, 2007; Rahmstorf, 2003 (Kaltzeit-Temperatur wahrscheinlich „detrended“)

Die Dansgaard-Oeschger (D/O) − Ereignisse beruhen auf der Instabilität des Kaltzeit-Klimas(K). Störungen der nordatlantischen Ozeanzirkulation (solar ausgelöst?) führen zu einem Vorstoß von Warmwasser nach Norden und rascher Erwärmung. Das darauf folgende partielle Abschmelzen von Polareis bewirkt einen Süßwassereintrag in den Ozean, was den Nordatlantikstrom wieder dämpft und zurückdrängt, mit der Folge einer allmählichen Abkühlung und Rückkehr zum K-Zustand.

26

Zirkulationszustände des Atlant. Ozeans

Kaltzeit-Normalmodus (z.B. Würm- „Eiszeit“)

Abkühlung durch „Heinrich-Ereignis“

Erwärmung durch „Dansgaard-Oeschger-Ereignis“(entspricht heutigem Zustand)

Ganopolski und Rahmstorf, 2001D/O

H

27

Modellierung eines D/O-Ereignisses im Vergleich mit Eisbohr-Rekonstruktionen (Grönland)

Zeit relativ zum Ereignisbeginn (0) in Jahren

Modell

●

Ganopolski u. Rahmstorf, 2001

Rasche Erwärmung (ca. 20-50 J.) und allmähliche Abkühlung im Verlauf einiger Jahrhunderte. 28

Die Jüngere Dryaszeit (YD, Jüngere Tundrenzeit) ...Eisbohrung Zentral - Grönland

Jahrtausende vor heute

Temperatur

rel. Eisvolumen

YD

meh

r

wen

iger

ti

ef

ho

ch…ist eine mar-kante Kältephase beim Übergang Würm- Kaltzeit → Holozän, ca. 12 850 bis 11 650 J.v.h.

Dabei folgt einer Abkühlung eine Erwärmung (umgekehrt wie beim D/O-Ereign). Die Erwärmung erfolgt jedoch in beiden Fällen relativ rasch.

29GISP2-Eisbohrung, Grönl., US Nat. Res. Council, Comm. on Abrupt Clim. Change (2002); IPCC(2014)

Vereinfachtes Schema des nordatlant. Strömungs-systems

Warme oberflächen-nahe Strömung

Kalte Tiefen-strömung

(Quadfasel, 2005)

30

Zur Erklärung des Kälterückschlags in der Jüngeren Dryaszeit (YD)

• Die thermohaline Zirkulation (THC) des Nordatlantiks weist um ca. 60° N einige Absinkregionen auf.

• Dieses Absinken setzt dort relativ kaltes und salz-reiches Wasser voraus (→ relativ große Dichte).

• Starke Süßwassereinträge (vor allem durch schmelzen-des polares Landeis) oder/und starke Niederschläge können den Salzgehalt und damit die Dichte verringern.

• Das kann zu einer Schwächung, im Extremfall zu einer Blockade des Absinkens (THC) und somit des Nordatlantikstroms führen.

• Die Folge ist eine Abkühlung der Nordatlantikregion. • Vermutlich ist das während der YD eingetreten.• Die darauf folgende markante Erwärmung ist dagegen

sicherlich eine Folge der Orbitalparametervariationen. 31

Simulation einer THC*-Blockade im Nordatlantik (YD)

32* Thermohaline Zirkulation (thermohaline circulation) Rahmstorf, 2002

Das Problem der PluvialeGrob gesehen sind Kaltzeiten relativ trocken und Warmzeiten relativ niederschlagsreich. Neben Phasenverschiebungen werden aber noch besonders niederschlagsreiche Klimaepochen diskutiert, die Pluviale, die sich mit trockeneren Epochen, den Interpluvialen abwechseln und offenbar nur eine geringe Korrelation mit den großräumigen Temperaturvariationen (Warm-/ Kaltzeiten bzw. Stadialen / Interstadialen) aufweisen.

Es scheint sich dabei eher um regional begrenzte Phänomene zu handeln, auch wenn sie, vor allem in den Tropen/Subtropen, sehr ausgeprägt sein können. Ein Beispiel ist die paläoklima-tologische Rekonstruktion des Tschadsees in Afrika, der im mittleren Holozän, aber auch vor dem letzten Klimax der Würm-Kaltzeit, enorm ausgedehnt war.Nach Messerli, 1980, vereinfacht, hier nach Schönwiese, 1994 33

Vielen Dank für Ihr Interesse

Homepage des Autors:http://www.geo.uni-frankfurt.de/iau/klima