Das Klima der Erde II. Paläoklima & Klimazyklen

Transkript

1 Das Klima der Erde II. Paläoklima & Klimazyklen Max Camenzind Kleine Akademien März

2 Frank Sirocko Inhalt: 1. Wetter & Klima 2. Prozesse im Klimasystem 3. Klimaarchive, Modelle & Proxies 4. Geschichte des Klimas 5. Offene Fragen

3 Zum Nachdenken Welche 6 Elemente bestimmen das Klimasystem der Erde? Wann ging die letzte Eiszeit zu Ende? vor Jahren. Stehen wir zur Zeit in einer Warm- oder Kaltphase?

4 6 Klimaelemente Kryosphäre Atmosphäre Leben Biosphäre Sonne Ozeane Hydrosphäre 70% mit Wasser bedeckt Kontinente Lithosphäre

5 Schneeball-Erde < 635 Mio. a Eiszeit dauerte 15 Mio. Jahre! CO2 wurde ausgeregnet & in Gestein eingelagert Vulkanaktivität hat die Erde wiederbelebt!

6 ~ Jupiter-Mond Europa 3121 km Total von Eis bedeckt

7 Klimasystem Wechselwirkungen Sonneneinstrahlung Atmosphäre Kryosphäre Hydrosphäre Biosphäre Lithosphäre

8 Die Themen Teil II Klimavariablen Temperaturverlauf Erwärmung? Erwärmung der Ozeane? Was ist ein Treibhaus? das Treibhaus im Vorgarten; Strahlung. Auf langer Zeitskala wird das Klima durch die Kontinentaldrift (Alfred Wegener) bestimmt: die Zykluszeit beträgt etwa 500 Mio. Jahre. In den letzten 2-3 Millionen Jahren beobachten wir Eiszeitzyklen (aus Eisbohrkernen der Antarktis): alle Jahre vereist die Erde; Zwischeneiszeiten dauern Jahre; Stehen wir heute am Ende der letzten Zwischeneiszeit?

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10 Das Argo-Netzwerk Weltmeere

11 Argo-Netzwerk Meeresströmungen Argo stellt ein operationelles Beobachtungssystem für die Weltmeere dar, mit dem seit dem Jahr 2000 Temperatur, Salzgehalt und Strömungen gemessen werden. Die in Echtzeit übertragenen Daten werden in der Forschung und der Klimaüberwachung verwendet. Argo besteht aus einer Flotte von mehr als 3800 automatisierten Treibbojen (= Floats), die über alle Ozeane verteilt sind. Diese Messroboter sind relativ klein und wiegen zwischen 20 und 30 kg. In der Mehrzahl der Fälle treiben die Floats in Tiefen von 1000 m (der sogenannten Parktiefe) und tauchen alle zehn Tage dann zunächst auf 2000 m ab, um von dieser Tiefe aus an die Oberfläche aufzusteigen. Während des Aufstiegs zur Meeresoberfläche messen die Floats Temperatur, Leitfähigkeit und Druck in der Wassersäule. Mit der Hilfe der gemessenen Parameter können dann auch noch der Salzgehalt und die Dichte des Meerwassers berechnet werden.

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14 Die Verteilung der Argo-Bojen

15 Video Meeresströmungen / NASA

16 Argo Erwärmung der Ozeane

17 Erwärmung der Weltmeere?

18 Wie funktioniert ein Treibhaus? Infrarotstrahlung Sonnenstrahlung

19 IR-Bild einer Menschengruppe

20 Die Atmosphäre als Treibhaus Die wichtigsten Gase beim natürlichen Treibhauseffekt sind Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4). Ohne Treibhauseffekt <T> = -18 C!!! Schneeball-Erde!

21 Mars Venus

22 Die Atmosphäre als Treibhaus

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24 Klima-Variable: Temperatur

25 Temperaturänderung rel. 1960er

26 Klima-Variable: mittlere globale Temperatur bis April 2016 El Nino El Nino T ist 15 Jahre lang konst Pinatubo Vulkan Juni 1991

27 Was ist El Nino-Phänomen? El Niño und La Niña sind die warmen und kühlen Phasen eines Klimazustandes im tropischen Pazifik die sog. El Niño-Southern Oscillation, order kurz ENSO.

28 Doku: Was ist El Nino? La Nina?

29 Klima-Variable: mittlere globale Temperatur bis April 2016 El Nino El Nino T ist 15 Jahre lang konst Pinatubo Vulkan 1991

30 Erderwärmung seit Industrialisierung Referenzwert

31 Rolle der Treibhausgase Die Einstrahlung der Sonne bestimmt grundlegend das Klima der Erde. Sie wird jedoch modifiziert durch die Eigenschaften der Atmosphäre, des Ozeans und der Landoberfläche. In der Atmosphäre beeinflussen neben den Wolken vor allem die sogenannten Treibhausgase die Strahlung. In der Atmosphäre selbst wird der Strahlungshaushalt stark durch die chemische Zusammensetzung geregelt. Dabei sind weniger die Hauptbestandteile der Atmosphäre, Sauerstoff und Stickstoff von Bedeutung, obwohl sie etwa 99% der Masse der Atmosphäre ausmachen, als die nur in Spuren vorhandenen so genannten Treibhausgase. Die Treibhausgase absorbieren kurzwellige Sonnenstrahlung und geben sie als langwellige Wärmestrahlung wieder ab. Sie verändern damit stark den Energiehaushalt und die mittlere Temperatur der irdischen Atmosphäre. Die wichtigsten natürlichen Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid.

32 Treibhausgas Wasserdampf

33 Zunahme der Treibhausgase Quelle: Dieter Kasang

34 CO 2 Keeling-Kurve seit 1958?

35 CO 2 Station Mauna Loa auf Hawaii Bild: NOAA Earth System Research Laboratory

36 Neueste CO 2 Daten

37 Treibhausgas am Südpol Bild: NOAA Earth System Research Laboratory

38 Sonnenuntergang am Südpol am Bild: NOAA Earth System Research Laboratory

39 CO 2 Keeling-Kurve N-S Vergleich Data: NOAA Earth System Research Laboratory

40 CH 4 Trend in den letzten Jahren Data: NOAA Earth System Research Laboratory

41 CO 2 dramatischer Anstieg seit 100 Jahren

42 Langfristige Entwicklung des CO 2 Alle fossilen Brennstoffe werden verheizt

43 2100? Der Hauptgrund für die Änderungen des CO2-Gehaltes im Känozoikums wird in Bewegungen der afrikanischen und indischen Platte gesehen. Sie haben zunächst zu den starken Gebirgsauffaltungen der Alpen und des Himalaya und damit zu intensiver vulkanischer Aktivität geführt. Nach der Heraushebung vor allem des Himalaya und des tibetischen Plateaus verbrauchten starke chemische Verwitterungsprozesse sehr viel atmosphärisches Kohlendioxid, das mit den Sedimenten dem Meer zugeführt und über lange Zeiträume dem Kohlenstoffkreislauf entzogen wurde. Wiki

44 Änderungen der atmosphärischen CO2-Konzentration in den letzten Jahren sowie Schwankungen von Deuterium als Proxy (Stellvertreterdaten) für Temperatur im arktischen Eis. Auffällig sind die parallele Entwicklung beider Werte sowie der steile Anstieg des CO2-Gehalts seit Beginn der Industrialisierung, der mit aktuell (2015) 405 ppm alle Werte der vergangenen Jahre, die auch in früheren Warmzeiten 300 ppm nicht überschritten, deutlich übertrifft.

45 Kernfrage der Klimaforschung: Um wieviel Grad C erwärmt sich die Erdatmosphäre bei Verdopplung der CO2-Konzentration bis 2050 von 300 ppm auf 600 ppm? nur um 1,0 2 C? um 4 5 C (IPCC)?

46 Klima-Variable: Wärmeinhalt Ozean < 700 m

47 Klima-Variable: Wärmeinhalt NAtlantik < 700 m

48 Die Erde vor 4 Milliarden Jahren Vor 4 bis 3,5 Mrd. Jahren war die Erde noch mit Ozeanen und Vulkanen bedeckt blauer Planet Zu den ersten Kontinenten Superkontinent

49 Kontinental-Drift Klimaänderung

50 Aufbau der heutigen Erde

51 Struktur der späten Erde

52 Alfred Wegener und die Kontinentaldrift AWI Bremerhaven

53 Alfred Wegener Wegeners Vorstellungen zur KontDrift Alfred Wegener in seinem Todesjahr 1930 auf einer Grönland-Expedition

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55 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.

56 Alfred Wegener Institut AWI Bremerhaven für Geo-, Bio- & Klimawissenschaften 1980

57 Die Kontinente - ein Puzzle Südamerika & Afrika passen gut zusammen

58 Konvektion Kontinentaldrift mit typisch 3 cm/jahr = 3000 km/100 Mio. a Wärmestrom Temp = 6000 K

59 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.

60 Schneeball-Erde < 635 Mio. a Eiszeit dauerte 15 Mio. Jahre! CO2 wurde ausgeregnet & in Gestein eingelagert

61 Superkontinent Pangäa ~ 250 Mio a Phanerozoikum = Zeitalter des sichtbaren Lebens < 540 Mio. a

62 Tanz der Kontinente

63 Schneeball- Erde H2O2 Bildung Ozonschicht Heutiger Anteil Phanerozoikum

64 Klima auf allen Zeitskalen variabel Generell wärmer außer Karbon-Perm-Eiszeit Seit 50 Mio. Jahren trat eine Abkühlung ein Kontinentaldrift Reduktion CO2-Gehalt ppm Variation Erdbahn Sonnen- Flecken Dino-Event Grafik: Wikipedia/Camenzind

65 Eiszeit Warmzeit Eiszeit -

66 Das Klima der letzten Jahre Eisbohrkerne sind das einzige Klimaarchiv, in dem die Zusammensetzung der Paläoatmosphäre direkt aufgezeichnet ist (< Jahre). Die Zusammensetzung lässt sich anhand eingeschlossener Luftblasen messen.

67 NEEM = Nord-Grönland Eem Eisbohren 14 Nationen Leitung Dänemark GRIP = GReenland Ice Core Project bis 3090 m Tiefe = Jahre

68 Willi Dansgaard & Hans Öschger Die Pioniere der Eisbohrerei

69 Wie ist ein Eisschild aufgebaut?

70 Die Eem-Warmzeit vor a Eem nach dem Fluss Eem in den Niederlanden. Die Eem-Warmzeit hatte eine Dauer von etwa Jahren. Sie begann vor etwa Jahren, nach der Saaleeiszeit beziehungsweise Riß-Eiszeit, und endete vor etwa Jahren mit dem Beginn der letzten Kaltzeit. Die Eem-Warmzeit war gekennzeichnet durch relativ stabile klimatische Verhältnisse. Die Temperatur im Optimum der Warmzeit lag in Europa 3 4 Grad über der heutigen Mittel-temperatur. Dies hatte unter anderem zur Folge, dass der Meeresspiegel bis zu 5m höher lag als gegenwärtig und viele Ebenen und Becken überflutet waren.

71 Doku: Eisbohren Grönland 2009

72 Eisbohrkerne aus der Antarktis

73 Eiszeitzyklen Chaos Max Camenzind Bad Kissingen

74 Entwicklung der Meereshöhe in den letzten Jahren

75 Klimazyklen in den letzten Jahren Die Zeitreihen zeigen einige wichtige Merkmale bei den Treibhausgaskonzentrationen: So stieg der Gehalt von CO2 während der letzten Jahre jeweils von 180 Volumenteilen pro Million (ppmv) während der Kaltzeiten auf 280 bis 300 ppmv in den Warmzeiten. Der Methangehalt stieg jeweils von 350 auf 750 ppbv (Volumenanteil pro Milliarde). In früheren Warmzeiten lagen die CO2- und CH4-Konzentrationen etwas niedriger. Warmzeiten dauerten typisch Jahre! Welche Prozesse diese Schwankungen verursacht haben und welchen Grund die natürliche Spannbreite der Treibhausgaskonzentrationen hat, ist immer noch unsicher Trigger: Milankovic-Zyklen.

76 Langzeitentwicklung der Erdbahn Keine Eiszeit in nächsten Jahren heute Wikipedia/Erdbahn

77 Zusammenfassung Paläoklima Ohne Treibhausgase wäre die mittlere Temperatur der Erde bei -18 Grad Celsius! Kontinente verschieben sich auf einer Zykluszeit von etwa 500 Mio. Jahren langfristigen Klimaschwankungen, Vulkanaktivität etc. Kontinente werden sich in 100 Mio. Jahren wieder verschieben neuer Superkontinent. In den letzten 1 2 Mio. Jahren stellen wir mindestens 8 Eiszeitzyklen von etwa Jahren fest. Wir leben gerade in einer Zwischeneiszeit. Die nächste Eiszeit kommt bestimmt!

78 Kernaussagen 1 Klima ist ein stark nichtlineares physikalisches System bisher nur lineare Extrapolationen in Simulationen berücksichtigt! Klima ist auf allen Zeitskalen variabel! Auch ohne antropogene Einflüsse war das Klima in vergangenen Warmzeiten bis zu 8 C wärmer (!) und der Meeresspiegel bis zu 5m höher Schwingungen um die Gleichgewichtslage Warmzeit arktisches Eis war geschmolzen! antarktisches nicht. Klima ist deterministisches Chaos kleine Änderungen in Anfangswerten führen zu gewaltigen Abweichungen in der Langzeitentwicklung Attraktor besteht mindestens aus Warmzeit Kaltzeit und ist bisher nicht sichtbar in Modell-Simulationen. Variationen der Erdbahn + Schiefe der Ekliptik sind externe Antreiber mit Zykluszeit von Jahren, auf die der Mensch keinen Einfluss hat. Keine Eiszeit in den nächsten Jahren.

79 Kernaussagen 2 Treibhausgase (Wasserdampf, CO 2, Methan), neben O 2 sind wichtig für unser Klima Temperatur wäre sonst bei -18 C. CO 2 -Konzentration von ppm 400 ppm angestieg Klimaveränderung wird heute durch den Strahlungsantrieb RF(t) (in W/m²) parametrisiert IPCC5 hat 4 Szenarien (sog. RCPs) zum Studium der Klimaentwicklung definiert. Kritik: TempEntwicklung geht nicht linear, sondern logarithm Die Sonneneinstrahlung ändert sich mit dem 11-Jahres Zyklus (RF ~ 0,8 W/m²), zeigt aber auch Zykluszeiten von etwa 1000 Jahren (RF ~ 2-3 W/m²), die kleine Eiszeiten und Warmperioden mit Schwankungen um +-1 C erklären. Ursache des Temperaturanstiegs in den letzten 50 Jahren ist nicht geklärt CO 2 oder Relaxation? Gerry Meehl