Physikalische Grundlagen der Klimaarchive Eis und Grundwasser

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Anna Pia Kneller
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1) Hintergrund zu Eiszeit-Warmzeit Zyklen 2) Wichtige Resultate anderer Proxies/Archive Ozeanische Records: Sedimente Kontinentale Records: Pollen, Schneegrenzen, Eis usw.

1 Inhalt Physikalische Grundlagen der Klimaarchive Eis und Grundwasser 13. Rekonstruktion des (tropischen) Klimas der letzten Eiszeit aus Grundwasser und anderen Archiven Wie fügen sich Grundwasser-Paläoklimadaten ins Gesamtbild? 1) Hintergrund zu Eiszeit-Warmzeit Zyklen 2) Wichtige Resultate anderer Proxies/Archive Ozeanische Records: Sedimente Kontinentale Records: Pollen, Schneegrenzen, Eis usw. 3) Das Problem des eiszeitlichen Klimas der Tropen Rolle des Edelgasthermometers Moderne Modellstudien W. Aeschbach-Hertig Institut für Umweltphysik Universität Heidelberg 2 1. Eiszeit-Warmzeit Zyklen 100ka Zyklen im Eisvolumen über letzte 1 Ma Archiv: Ozeansedimente Proxy: δ 18 O in Kalkschalen (CaCO3) von Foraminiferen Wechsel von Eis- und Warmzeiten Zentrale Änderungen in der Kryosphäre (Größe der polaren Eisschilde, Ausdehnung alpiner Gletscher) 3 4 Positive Rückkopplung durch Eisschilde Eischilde auf N-Hemisphäre beeinflussen Strahlungsbilanz: Viel Eis hohe Albedo Abkühlung: positive Rückkopplung Erwartungen zur eiszeitlichen Abkühlung Stärkste Abkühlung im hohen Norden zu erwarten (direkter Effekt der Eisschilde) Abkühlung in den Tropen könnte relativ gering sein Unterschiede in der Strahlungsbilanz zwischen Warmzeit und Eiszeit Bedeutung der Tropen (und Subtropen) für das Klima: Ort der meisten Verdunstung Steuerung des Wasserdampfgehalts der Atmosphäre 5 6

Wieviel kühler waren die Tropen in der Eiszeit? 2.

Wendekreis Def.: Tropen: geogr. Breite < 25, Jahresmitteltemp. >~ 25 C Subtropen: geogr. Breite < 40, Jahresmitteltemp.

21 Kalender-ka vor heute Foraminiferen (dt. Kammerlinge): einzellige, schalentragende Amöben zw.

10'000 bekannte Arten planktisch: frei in Wassersäule schwebend benthisch: auf / im Meeresboden lebend Schalen (meist aus Kalk)

δ 18 O in Kalkschalen benthischer Foraminiferen Eisvolumen (und Tiefseetemperatur) 2.

Arten an verschiedene Temperaturen Modern August LGM August CLIMAP (Climate: Longrange Investigation Mapping and Prediction)

Wichtiges Resultat: Rekonstruktion der SST Basis für viele Modelle zur Rekonstruktion des LGM Klimas 9 10 LGM-Holozän T aus

2 Wieviel kühler waren die Tropen in der Eiszeit? 2. Wichtige Resultate anderer Proxies Foraminiferen in Meeressedimenten 23,5 N 23,5 S Nördlicher Wendekreis Äquator Südlicher Wendekreis Def.: Tropen: geogr. Breite < 25, Jahresmitteltemp. >~ 25 C Subtropen: geogr. Breite < 40, Jahresmitteltemp. > 20 C Konzentration auf genau definierte Periode: Last Glacial Maximum (LGM) ca C-ka bzw. 21 Kalender-ka vor heute Foraminiferen (dt. Kammerlinge): einzellige, schalentragende Amöben zw. Bruchteilen von mm und 15 cm groß ca. 10'000 bekannte Arten planktisch: frei in Wassersäule schwebend benthisch: auf / im Meeresboden lebend Schalen (meist aus Kalk) bleiben im Sediment erhalten Wichtige Leitfossilien 7 8 Foraminiferen als Klimaindikatoren CLIMAP-Rekonstruktion der SST 1. δ 18 O in Kalkschalen benthischer Foraminiferen Eisvolumen (und Tiefseetemperatur) 2. Vergesellschaftungen planktischer Foraminiferen Oberflächentemperatur SST = Sea Surface Temperature Grundlage: Anpassung der Arten an verschiedene Temperaturen Modern August LGM August CLIMAP (Climate: Longrange Investigation Mapping and Prediction) Großes Paläoklima Forschungsprogramm in 1970er Jahren Hauptsächlich biologische Proxies aus Sedimenten Ein Fokus: Klima des LGM Wichtiges Resultat: Rekonstruktion der SST Basis für viele Modelle zur Rekonstruktion des LGM Klimas 9 10 LGM-Holozän T aus CLIMAP SSTs LGM-Modern Aug CLIMAP ergab relativ geringe (< 2 C) (sub)tropische SST- Änderung Dieses Resultat wurde oft als eiszeitliche Randbedingung für Klimamodelle vorgegeben Pollen als Klimaindikatoren Pollen: männliche Keimzellen von Blütenpflanzen Äusserst robust und langlebig Werden in Seesedimenten abgelagert Erlauben Rekonstruktion der Vegetation Klima LGM-Modern Feb Vorherrschende Meinung: Wenig Abkühlung in Tropen 11 12

Methode der Pollenanalyse (Palynologie) Vorgehen: Auszählen der Pollen versch.

) Idee analog zu Foraminiferen! Daten: Pollenartendichte in Sedimentkern Pollenprofile aus einem Seesediment 13 14 Wie erhält man Temperatur aus Artenspektren?

: - Temperatur - Niederschlag - Bodenbeschaffenheit Limit of oak: 4 months > 10 C Limit of spruce: mean July >10 C 15 PAM: Plant Available Moisture Tropen waren deutlich kühler und trockener

3 Methode der Pollenanalyse (Palynologie) Vorgehen: Auszählen der Pollen versch. Arten in Sedimentkern Datierung mit der 14 C-Methode Rekonstruktion der Artenzusammensetzung Rekonstruktion diverser Klimaparameter (Sommer/Winter-Temperatur, Niederschlag, etc.) Idee analog zu Foraminiferen! Daten: Pollenartendichte in Sedimentkern Pollenprofile aus einem Seesediment Wie erhält man Temperatur aus Artenspektren? Berücksichtigung von Optimum und Toleranzgrenzen der Umweltbedingungen Pollen: Resultate aus den Tropen MTCO: Mean Temperature of COldest month Problem: Diverse Faktoren spielen eine Rolle, z. B.: - Temperatur - Niederschlag - Bodenbeschaffenheit Limit of oak: 4 months > 10 C Limit of spruce: mean July >10 C 15 PAM: Plant Available Moisture Tropen waren deutlich kühler und trockener Widerspruch zu warmen LGM SSTs! Farrera et al., Clim. Dyn. 15: Schnee- und Vegetationsgrenzen Temperaturgradienten in der Troposphäre Trocken-adiabatischer T-Gradient: h h: Heutige Schneegrenze h*: Schneegrenze des LGM Schneegrenze: Untergrenze permanenter Schneebedeckung Höhenunterschied kann via Temperaturgradient (lapse rate) in Temperatur umgerechnet werden S = T/ h T = S h Wie groß ist S? Kann moderner Wert verwendet werden? 17 trocken feucht Mittlerer Gradient in Troposphäre: Mg dt Γ= = 10 K / km c dz p adiab. Die reale Atmosphäre ist feucht. Beim Aufstieg (Abkühlung) kondensiert Wasserdampf, wodurch Wärme frei wird feucht-adiabatischer Temperaturgradient < Γ dt K 6 dz km 18

Resultate zu Schnee- und Vegetationsgrenzen Tropische Gletscher als Klimaarchive In sehr hohen Lagen gibt

in den Anden Schnee- und Vegetationsgrenzen lagen im LGM ~ 1 km niedriger, was deutliche Abkühlung (~ 6 C) anzeigt.

19: 19-35 20 Tropische Gletscher als Klimaarchive δ 18 O aus tropischen Eisbohrkernen ergibt ebenfalls starke eiszeitliche Abkühlung (~ 8 C) 3.

(Idee: LGM trockener, lapse rate hoch, unten warm, oben kalt) Modelle sprechen dagegen (Rind and Peteet, 1985) CLIMAP SSTs ergeben feuchtes, warmes

(Idee: Pollen, δ 18 O sehr unsicher) Edelgasdaten sprechen dagegen (Stute et al.

4 Resultate zu Schnee- und Vegetationsgrenzen Tropische Gletscher als Klimaarchive In sehr hohen Lagen gibt aus auch in den Tropen Gletscher, z.b. in den Anden Schnee- und Vegetationsgrenzen lagen im LGM ~ 1 km niedriger, was deutliche Abkühlung (~ 6 C) anzeigt. Rind and Peteet, 1985, Quaternary Res. 24: Thompson, Quaternary Sci. Rev. 19: Tropische Gletscher als Klimaarchive δ 18 O aus tropischen Eisbohrkernen ergibt ebenfalls starke eiszeitliche Abkühlung (~ 8 C) 3. Problem des tropischen Klimas im LGM Widerspruch zwischen ozeanischen (v.a. Foraminiferen) und kontinentalen (Pollen, Schneegrenzen, Eis) Rekonstruktionen Lösung durch Änderung der lapse rate? (Idee: LGM trockener, lapse rate hoch, unten warm, oben kalt) Modelle sprechen dagegen (Rind and Peteet, 1985) CLIMAP SSTs ergeben feuchtes, warmes Klima Edelgasdaten sprechen dagegen (Stute et al., 1995) Unveränderte lapse rate in SW-USA Lösung durch Fehler der kontinentalen Proxy? (Idee: Pollen, δ 18 O sehr unsicher) Edelgasdaten sprechen dagegen (Stute et al., 1995) Zuverlässige NGTs aus Brasilien ergeben T ~ 5 C Thompson, Quaternary Sci. Rev. 19: Stute et al., 1995: New Mexico, USA Stute et al., 1995: Piaui Provinz, Brasilien 5 C glaziale Abkühlung im tropischen Tiefland von Brasilien NGT: T ~ 5 C Vergleich mit Texas: Eiszeitliche Abkühlung unabhängig von Höhe Excess Air Fraktionierung! Stute et al., 1995, Quat. Res. 43, Stute et al., Science 269:

Edelgase ergeben Abkühlung um 4-7 C in den Tropen CLIMAP SSTs müssen zu warm sein Tropen sensitiver auf Klimaänderung als gedacht Ev. auch in Zukunft stärkere Erwärmung als erwartet? Farrera et al.

5 Resultate aus Edelgasen im Grundwasser MAT: Mean Annual Temperature Tropen im LGM: Stand der Dinge Ballantyne et al., 2005: Meta-analysis of tropical surface temperatures during the Last Glacial Maximum, Geophys. Res. Lett., 32, doi: /2004gl Edelgase ergeben Abkühlung um 4-7 C in den Tropen CLIMAP SSTs müssen zu warm sein Tropen sensitiver auf Klimaänderung als gedacht Ev. auch in Zukunft stärkere Erwärmung als erwartet? Farrera et al., Clim. Dyn. 15: CLIMAP SST -(2.6 ± 1.9) C im Atlantik -(0.1 ± 1.2) C im Pazifik Ballantyne -(2.7 ± 0.5) C SAT - -(5.4 ± 0.3) C SST: Sea Surface Temperature SAT: Surface Air Temperature Verringerte Diskrepanz zwischen Ozean und Landdaten 26 Paleoclimate Modeling Intercomparison (PMIP) Modell und Daten passen nur wenn CLIMAP SSTs NICHT vorgegeben werden! PMIP Simulationen mit verschiedenen SSTs

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