Teil 4: Paläoklima. im Quartär Pleistozän

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1 Teil 4: Paläoklima D im Quartär Pleistozän Christian-D. Schönwiese Universität Frankfurt/Main Institut für Atmosphäre und Umwelt ESA/EUMETSAT: METEOSAT 8 SG multi channel artificial composite colour image, , 12:15 UTC

2 Zeitalter (Ära) Neozoikum (Känozoikum) Übersicht der geologischen Zeitalter Periode (System) Quartär Tertiär Epoche (Serie) Holozän Pleistozän Pliozän Miozän Oligozän Eozän Paläozän Zeit ab Mill. J.v.h. 0,011 1, Ereignis Klima O B E Warmzeit des Quartären Eiszeitalters Quartäres Eiszeitalter (seit ca. 2-3 Mill. J.v.h.) Weitere markante Abkühlung, verstärkte Variabilität Variabel, Vereisung zeitweise wieder geschrumpft a Kühler und beginnende Vereisung der Antarktis Warm und feucht 5 Noch sehr warm (akryogen) und sehr feucht b Sehr warm und meist sehr trocken Mesozoikum Kreide Oberkreide 100 Unterkreide 142 Jura Malm 159 Warm and sehr trocken, im Malm vorübergehend kühler Dogger 180 Lias Trias Keuper 227 Warm und sehr trocken Muschelkalk 242 Buntsandstein 250 Paläozoikum Perm Zechstein Wärmer werdend und trocken Rotliegendes 290 Permokarbonisches Eiszeitalter (c Mill. J.v.h.) Karbon Pennsylvanium 323 c Warm und sehr feucht, später abkühlend Mississippium 355 Devon Oberdevon Warm und relativ trocken Mitteldevon 391 Unterdevon 410 d Silur Obersilur Warm, zeitweise sehr feucht Untersilur 438 Silur-Ordovizisches Eiszeitalter (ca Mill. J.v.h.) Ordovizium Oberordov. e 1 Warm and feucht, später kühler werdend Unterordov. 510 Kambrium 570 Warm und feucht (?) Präkambrium Proterozoikum Meso- Neo-?? Paläo Archaikum 4 600? Extensiv warm 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.) 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) Quellen: Lexikon der Geowissenschaften, 2002; Frakes, 1979, u.a.; hier nach Schönwiese,

3 Nordhemisphärisch gemittelte Temperaturänderungen in der letzten Jahrmilliarde Präkambrische Eiszeitalter Totalvereisung? E = Eiszeitalter. Viele Quellen, insbes. Clark, 1984, hier nach Schönwiese,

4 Relative globale Temperaturänderungen beim Übergang vom Tertiär ins Quartär Wärmer Kälter Tertiär Quartär Nach δ 18 O in Tiefseesedimenten Oschmann et al., 2000 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

5 Nordhemisphärisch gemittelte Temperaturvariationen in der letzten Jahrmillion Waal - Warmzeit Günz - Kaltzeit Viele Quellen, insbes. Clark et al., 1984, hier nach Schönwiese, 1994, ergänzt 5

6 Absolute globale Temperaturänderungen im späten Quartär (Pleistozän) Waal Cromer Holstein Eem Neo Günz Mindel Riß Würm 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,

7 Ablauf/Nomenklatur des Zyklus der Kalt-(K) und Warmzeiten (W) in den letzten ca 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 Würm Weichsel Devensian Valdai Wisconsin W Eem Ipswich Mikolino Sangamon K Riss Saale Wolstonian Moskva Illinois W Holstein Hoxne Likhvin Yarmouth K Mindel Elster Anglian - Kansan W Cromer Cromer Morosov Afton K Günz Menap Baventian Odessa Nebraskan W Waal K Donau Eburon W Tegelen K 530*** 14 Biber *) Emiliani-Stufen **) auch Postglazial (Nacheiszeit) genannt ***) ca J.v.h., unsicher Synonym sind die Andauer Begriffe der Warmzeiten Kaltzeit, Eiszeit ca. 5 und 000 -Glazial , sowie Warmzeit, Zwischeneiszeit und der Interglazial. Kaltzeiten Die ca. 60 jüngste, noch 000 andauernde Jahre. 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,

8 Ablauf/Nomenklatur des Zyklus der Kalt-(K) und Warmzeiten (W) in den letzten ca 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 Würm Weichsel Devensian Valdai Wisconsin W Eem Ipswich Mikolino Sangamon K Riss Saale Wolstonian Moskva Illinois W Holstein Hoxne Likhvin Yarmouth K Mindel Elster Anglian - Kansan W Cromer Cromer Morosov Afton K Günz Menap Baventian Odessa Nebraskan W Waal K Donau Eburon W Tegelen K 530*** 14 Biber *) Emiliani-Stufen **) auch Postglazial (Nacheiszeit) genannt ***) ca J.v.h., unsicher Synonym sind die Begriffe Kaltzeit, Eiszeit und Glazial sowie Warmzeit, Synonym Zwischeneiszeit sind die und Begriffe Interglazial. Kaltzeit, Die jüngste, Eiszeit noch und andauernde Glazial sowie Warmzeit Warmzeit, (Neo- Zwischeneiszeit Warmzeit) wird in und der Interglazial. Geologie Holozän Die jüngste, und in noch der Geographie andauernde auch Warmzeit Nacheiszeit (Neo- Warmzeit) bzw. Postglazial wird in genannt. der Geologie Holozän und in der Geographie auch Nacheiszeit bzw. Postglazial genannt. Viele Quellen, hier nach Schönwiese, 1995; modifiziert nach IPCC,

9 Eisbohrrekonstruktionen: Temperatur und Spurengase Antarktis N 2 O Warmzeit (W) Kaltzeit (K) CO 2 CH 4 W: Tegelen Waal Cromer Holstein Eem Neo Temperatur K: Biber Donau Günz Mindel Riss Würm Jahrtausende vor heute IPCC

10 Eisbohrrekonstruktionen: Temperatur, CO 2 u. Meeresspiegel Jahrtausende v.h. IPCC

11 Eisbedeckung der Nordhemisphäre zum Tiefpunkt der Würm-Kaltzeit (ca J.v.h.) L = Lautentidischer, G = Grönländischer, S = Skandinavischer Eisschild Lamb, 1972, aktualisiert nach Frenzel et al., 1992, hier nach Schönwiese,

12 Eisbedeckung zum Tiefpunkt der Würm-Kaltzeit (ca J.v.h.) in globaler Sicht Bubenzer und Radtke,

13 Eisbedeckung der Erde während der Würm-Kaltzeit (ca J.v.h.) und ca. 1980) Region Fläche in 10 6 km 2 Volumen in 10 6 km 3 mittlere Dicke in km Meeresspiegeläquivalent in m Kaltzeit heute Antarktis Grönland Australien/Neuseeland 0.03 Südamerika 2.3 Nordamerika 13.4 Skandinavien/Großbrit *) 0.1 *) 0.2 *) 0.4 *) Alpen 0.04 Asien 4.0 Rest 1.8 Meeresspiegeläquivalent der Würm-Kaltzeit: ca m Summe *) Summe aller heutigen extrapolaren Gebirgsgletscher Quellen: Barry, 1985, u.a., hier nach Schönwiese, Nach IPCC (2014): 66,1 m, Eisbedeckung inzwischen stark reduziert (vgl. Vorl. 10)

14 W K Meer-Eis Würm-Kaltzeit(K), ca J.v.h., Hammerfest (70 ) Hamburg (54 ) Rom (42 ) Kairo (30 ) Land-Eis Permafrost Tundra Wald gemäßigter Breiten Mediterrane Veg. Nord-Süd- Vegetationsquerschnitt (potentiell) Europa-Afrika, im Vergleich zu heute (W) Dakar (Senegal, 15 )? Wüste Savanne Trop. Regenwald Lamb, 1977, nach Büdel, 1951, umgezeichnet 14

15 Würm-Kaltzeit (ca J.v.h.), Vegetation des tropischen Regenwalds Schrumpfung auf die schwarz angelegten Flächen (heutige potentielle Gebiete grau angelegt). Messerli,

16 Karl Friedrich Schimper ( ), 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

17 Albrecht Penck ( ) und Eduard Brückner ( ), 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

18 Orbitalparameter der Erdumlaufbahn um die Sonne Exzentrizität, Zyklus , J. Erdachsenneigung Z J. Präzession Z , J. Zyklusangaben nach Berger, 1984, erg. nach Bubenzer u. Radtke, 2007 Auf 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

19 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 = und Jahre; Abstand von der Sonne jahreszeitlich unterschiedlich. Erdachsenneigung, heute 23 27, abnehmend, variierend zwischen 22 2 und 24 30, Z = Jahre; Ausprägung der Jahreszeiten variierend. Präzession (Kreiselbewegung der Erdachse), Z = und 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/m 2. Auch wenn monatlich/regional bis zu 12 % der Solarkonstanten erreicht werden, sind beim Temperatureffekt doch Sensitivität und Rückkopplungen entscheidend. *) e = (a 2 b 2 )/a mit a =großer und b = kleiner Halbachse der Ellipse 19

20 Quartär: Strahlungsantriebe (direkt u. indirekt) Direkt, Amplitude max. ~0,5 Wm -2 ; statt globaler Werte werden jedoch meist sensible Regionen betrachtet, z.b. in ca. 60 Nord. Eis-Albedo: 3,25 Wm -2 Veg.-Albedo: 0,25 Wm -2 Spurengase: 3 Wm -2 Summe 6,5 Wm -2 T-Effekt: ~5 K Indirekt durch Rückkopplungen Die Temperatureffekte beruhen vor allem auf Rückkopplungen (Eis - / Vegetation -Albedo; klimawirksame Spurengase (CO 2 usw., negativer Treibhauseffekt). Sensitivität: ~ 3/4 K / Wm -2 Quelle: Kasang (Hamburger Bildungsserver, nach Hansen et al., 2008), Abruf

21 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-CO 2 : Erwärmung weniger CO 2 im Ozean mehr CO 2 in d. Atmosphäre weitere Erwärmung usw. Permafrost: Erwärmung Auftauen d. Permafrostbodens mehr CO 2 /CH 4 in d. Atmosphäre weitere Erwärm. usw. Negativ (Selbstabschwächung): Vegetation-CO 2 : Erwärmung mehr Photosynthese weniger CO 2 in der Atmosphäre Abkühlung Wolken-H 2 O: Erwärmung höhere Verdunstung mehr Wasserdampf (H 2 O) in der Atmosphäre mehr Wasserwolken Abkühlung Alle Rückkopplungen funktionieren auch umgekehrt (Abkühlung ). 21

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

23 André Berger (geb 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 Modellierer der Orbitalparameter-Theorie der Quartären Klimaänderungen (Hauptwerk: Milankovitch and Climate, 2 Vols., Reidel, Dordrecht, 1984). 23

24 Kalt-/Warmzeiten in Rekonstruktion und Modell (tropischer Pazifik) Nach Berger, 1984, gestrichelt, sowie Imbrie, 1981, gepunktet, u.a., hier nach Schönwiese,

25 Temperaturänderungen innerhalb der Würm-Kaltzeit (Stadiale, K, und Interstadiale, W) durch D/O-Ereignisse Die Dansgaard-Oeschger (D/O) Ereignisse beruhen auf der Instabilität des Kaltzeit-Klimas. 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. 25 Bubenzer u. Radtke, 2007; Rahmstorf, 2003 (Kaltzeit-Temperatur wahrscheinlich detrended )

26 H Zirkulationszustände des Atlant. Ozeans Abkühlung durch Heinrich-Ereignis Kaltzeit-Normalmodus (z.b. Würm- Eiszeit ) D/O Erwärmung durch Dansgaard-Oeschger-Ereignis (entspricht heutigem Zustand) Ganopolski und Rahmstorf,

27 Modellierung eines D/O-Ereignisses im Vergleich mit Eisbohr-Rekonstruktionen (Grönland) Modell Zeit relativ zum Ereignisbeginn (0) in Jahren Rasche Erwärmung (ca J.) und allmähliche Abkühlung im Verlauf einiger Jahrhunderte. Ganopolski u. Rahmstorf,

28 Die Jüngere Dryaszeit (YD, Jüngere Tundrenzeit)... mehr weniger Eisbohrung Zentral-Grönland YD Temperatur rel. Eisvolumen Jahrtausende vor heute ist eine markante Kältephase beim Übergang Würm- Kaltzeit Holozän, ca bis J.v.h. Dabei folgt einer relativ allmählichen Abkühlung eine abrupte Erwärmung (umgekehrt wie bei D/O-Ereign.) GISP2-Eisbohrung, Grönl., US Nat. Res. Council, Comm. on Abrupt Clim. Change (2002); IPCC(2014) 28

29 Vereinfachtes Schema des nordatlant. Strömungssystems (Quadfasel, 2005) Warme oberflächennahe Strömung Kalte Tiefenströmung 29

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 salzreiches Wasser voraus ( relativ große Dichte). Starke Süßwassereinträge (vor allem durch schmelzendes 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. 30

31 Simulation einer THC*-Blockade im Nordatlantik (YD) * Thermohaline Zirkulation (thermohaline circulation) Rahmstorf,

32 Das Problem der Pluviale Grob 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 paläoklimatologische 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,

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