Paläoklima - Eisbohrkern-Rekonstruktionen

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1 Paläoklima - Eisbohrkern-Rekonstruktionen Hans.Oerter@awi.de Stand der Klimadebatte - aktuelle Beiträge für den naturwissenschaftlichen Unterricht, Speyer, 21. März 2012 photo: hans oerter, 2006

2 Temperaturänderung auf geologischer Zeitskala Landpflanzen Vögel & Dinosaurier Säugetiere Mensch Millionen Jahre Durchschnittliche globale Temperatur 22 C 17 C 12 C Präkambrium Kambrium Ordovizium Silur Devon Karbon Perm Trias kalt warm kalt warm kalt warm kalt warm kalt Jura Kreide Tertiär Holozän Pleistozän verändert nach: 2

3 Wo wurde bereits gebohrt? Arktis (Grönland) Antarktis 60 N 60 S Meereis Nordpol Südpol Westantarktis d Ostantarktis lan n ö Gr NEEM GISP m 3053 m, >108 ka >110 ka GRIP m, >105 ka NorthGRIP m, 123 ka source: ArcInfo/G. Rotschky Antarktische Halbinsel 3

4 Tiefe Eisbohrkerne in der Antarktis European Project for Ice Core Drilling in Antarctica (EPICA) Oerter et al., Polarforschung 78 (1-2),1-23 (2009) Haupteisscheide der Ostantarktis Law Dome: hohe Akkumulationsrate (640 mm WW); Eiskern an dem rezente ( AD) CO2 - Konzentrationen bestimmt wurden. Antarktische Halbinsel Weddellmeer Dyer Pl. Siple St. Neumayer St. 75 S B15 Byrd Berkner RADARSAT1-Mosaic, Canad. Space Agency/NASA, 1999 Siple D Rossmeer Kohnen Südpol EPICA-DML, 2774m, >250 ka Taylor D. Dome F Dome A Talos D. JARE 3029m, >700 ka? China, geplant Dome C Russia, F, US 3700m, 420 ka Vostok EPICA-DC, 3270m, 790 ka Law Dome layout: h. oerter,

5 Wie ist ein Eisschild aufgebaut? Wie bohrt und zerteilt man einen Eisbohrkern? Welche Klimainformation enthält ein Eisbohrkern? 5

6 Wie ist ein Eisschild aufgebaut? 6

7 Schematischer Querschnitt durch einen Eisschild 7,2 m Meeresspiegeläquivalent Eismächtigkeit Mittel: 1667 m Maximal: 3080 m Gleichgewichtslinie Schmelzen Ablation Eisberg - kalben Meer Grönland Schneezutrag Inlandeis/ Eisschild Fels typisch für Summit Antarktis Akkumulation Aufsetzlinie Schelfeis Tafeleisberge subglaziales Schmelzen 61,1 m Meeresspiegeläquivalent Mittel: 2078 m Meer Maximal: 4775 m Eismächtigkeit km ca km km Eisfließlinie Ablationsgebiet Akkumulationsgebiet grafik: h. oerter,

8 Ein Eisschild baut sich aus über einander liegenden Jahresschichten auf. photos: hans oerter 8

9 Wie bohrt und zerteilt man einen Eisbohrkern? 9

10 European Project for Ice Core Dronning-Maud-Land 10 W 0 10 E Kohnen Drilling in Antarctica (EPICA) 68 S 70 S 72 S 74 S Weddellmeer Bruntschelfeis Riiser- Larsen- Neumayer Ekströmschelfeis Schelfeis Wasa Ritscherflya 1500 Kottas Camp Heimefrontf SANAE III SANAE IV Kirwanv. Jutulstraumen DML Troll H.U.Sverdrupf. Kohnen Amundsenisen Nowolaserewskaja Wegenerisen S 72 S 74 S 76 S Dome C 30 W Halley 20 W 0 km W 0 10 E Meer Schelfeis Inlandeis, gegründetes Eis 2000 Höhenlinie Aufsetzlinie Traversenrouten: Großbritannien Schweden Deutschland Norwegen photos: hans oerter 10

11 Funk, PC, Messe Küche Sanitärcontainer 2 Schlafräume á 4 Pers. Schneeschmelze Generator Lager Werkstatt Kohnen-Station 75 S, 0 E, 2882 m Zum Bohren photo: hans oerter,

12 Kohnen-Station S, E, 2892 m (WGS84) Bohrzeitraum: Mittlere Jahrestemperatur: C Akkumulationsrate: 64 kg m -2 a -1 Eis-Fließgeschwindigkeit: 0,756 m/a Eisdicke: 2782 ±10m Länge Eiskern: 2774,1 m photo: hans oerter,

13 Bohren eines Eiskerns Archiv AWI/Kipfstuhl 13

14 Antitorque innen: Chips-Kammer Motor & Elektronik Hüllrohr Bohrturm Kernrohr & Bohrkrone photo: hans oerter,

15 photo: hans oerter,

16 Schnittplan 10 mm Dünnschnitte Cont. Flow Analysis (CFA) SC 32 x 32 mm 15 mm 24 mm δ 18 O, δ 2 H 10 Be 52 mm 42 mm Gase, Staub 55 mm Archiv Ø 98 mm photo: h. oerter SC: verfügbar für Steering Committee 16

17 Das Eislabor am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven Horizontalsäge Auspacken des Kerns foto: hans oerter, 2009 photos: hans oerter,

18 Das Eislabor am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven Horizontalsäge Line-Scan photos: hans oerter, 2002 Auspacken des Kerns foto: hans oerter, 2003 Vorbereitung für Line-Scan 18

19 Das Eislabor am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven Horizontalsäge Line-Scan Längs- und Querschnitte photos: hans oerter, 2002 Auspacken des Kerns foto: hans oerter, 2003 Vorbereitung für Line-Scan 19

20 Welche Klimainformation enthält ein Eisbohrkern? 20

21 Das Klima-Archiv Eis speichert Informationen zu: Lufttemperatur δ 18 O, δ 2 H, stabile Isotope Gasgehalt in der Atmosphäre O % N % N2O 0.032% CH % CO % foto: h.oerter, 2006 Aerosole foto: h. oerter, 1973 Mt. Pinatubo 1991 foto: NOAA foto: h.oerter,

22 Willi Dansgaard ( ) Hans Oeschger ( ) Text Niels Bohr Institute, Copenhagen, 2005 aus: Willi Dansgaard: Frozen Annals - Greenland Ice Sheet Research, Copenhagen (2005) 22

23 Das Isotopenthermometer Mittlerer jährlicher δ-wert von Schnee aufgetragen gegen die Temperatur an E.G.I.G.- und anderen Stationen auf Grönland, die später beprobt wurden. aus: Willi Dansgaard: Frozen Annals - Greenland Ice Sheet Research, Copenhagen (2005) Niels Bohr Institute, Copenhagen,

24 Das Isotopenthermometer (δ 18 O vs. Temp.) aus: B. Stauffer, 2001: Das Isotopenthermometer im ewigen Eis. Physik in unserer Zeit, 32.Jg. (3), SMOW: Standard Mean Ocean Water δ 18 O = CProbe ( - 1 ) * 1000 SMOW CStandard Sommer Winter Isotopenverhältnisse (Konzentrationen in ppm) Sauerstoff: 16 O 17 O 18 O ppm 400 ppm ppm Wasserstoff: 1 H 2 H (Deuterium) ppm 150 ppm 24

25 Das Isotopenthermometer (δ 18 O vs. Temp.) stabile Isotope zeigen saisonale Schwankungen, mit hohen Werten im Sommer und niedrigen Werten im Winter W. Dansgaard: Stable isotopes in precipitation. Tellus 16, (1963) Isotopenthermometer muss kalibriert werden Sommer/warm Winter/kalt

26 Kalibrierung Isotopenthermometer Temperatur ( C) δ 18 O ( ) ( / C) Masson-Delmotte, V. et al. (2008): A Review of Antarctic Surface Snow Isotopic Composition: Observations, Atmospheric Circulation, and Isotopic Modeling. Journal of Climate 21, δ 18 O ( ) = 0.80 T ( C) Lokaler Gradient für δ 18 O - Temperatur ( / C) 26

27 Datierung von Eiskernen: Jahresgänge Fernandoy, F. et al.: Stable-isotope ratios and accumulation rates in East Antarctica. Journal of Glaciology, Vol. 56, No. 198, (2010) 27

28 Anpassen der einzelnen DEP- Profile an die EDML Tiefenskala Hauptreferenzhorizonte: Tambora 1816 Unbekannt 1259 Nächster Schritt: Übertragen der angepassten Tiefenskala auf δ 18 O-Daten. Elektrische Leitfähigkeit (µs/cm) 1816 A.D A.D. 595 A.D. Tiefe auf EDML-Tiefenskala (m WW) 410 B.C. Sulfat (ng/g) H. Oerter, unveröff. 28

29 GRIP Bohrkern ( ) Stabiles Klima während Holzän Interstadiale 1-24: Dansgaard-Oeschger-Ereignisse 29

30 NordGRIP rot = Interglazial (Warmzeit) Holozän Eem blau = Glazial (Eiszeit) D/O Ereignisse Jüngere Dryas 30

31 Jüngere Dryas Holozän (seit 11,7 ka BP) Letztes Glazial (Eiszeit) foto: hans oerter,

32 69 S 70 S Dronning Maud Land10 E 10 W 15 W 15 E 69 S 20 E Neumayer 70 S 71 S 71 S S S S S Kohnen 7 B33 4 S S 5 7 B32, B34, B37, EDML 76 S 5 W 0 74 S 5 E 76 S Satellite Image Map Dronning Maud Land 1: , Draft Vers.4.2, BKG, Frankfurt am Main, Nov.1998 (detail) 75 S 32

33 Die letzten 2000 Jahre in der Antarktis Nulllinie: Mittel AD Gleitendes Mittel 11 Proben B37 B32 B33 H. Oerter, unveröff. 33

34 Die letzten 200 Jahre in der Antarktis Gestapelte Jahresmittel von 10 bzw. 13 Firnkernen aus dem zentralen DML Abweichung der gestapelten Jahresmittel vom Mittel : δ 18 O: -0,010 /a Acc.: -0,120 kg m -2 a -1 /a : δ 18 O: +0,009 /a Acc.: +0,068 kg m -2 a -1 /a Accum. (kg m -2 a -1 ) δ 18 O ( -SMOW) Tambora 1816 Krakatau firn cores 13 firn cores Years A.D. Agung 1963/4 50 a? Oerter et al.: Accumulation rates in Dronning Maud Land, Antarctica, as revealed by dielectric-profiling measurements of shallow firn cores. Annals of Glaciology 30, (2000) 34

35 EDML-Eiskern DML Stapel B32, B34, B37, EDML, B33 1 C 0 = Mittel AD Probenintervall 65 mmww gleitendes MIttel 11 Proben Temperaturgradient: 0,7 / C Gemeins.Zeit: H. Oerter, unveröff. 35

36 Hohe Co-Varianz zwischen den Antarktischen Eiskernen EDML, Dome F und EDC ka BP EDML Dome F δ 18 O-Spitzen in der Antarktis korrespondieren mit DO- Ereignissen in Grönland. δ 18 O-Spitzen in EDML deutlicher als in EDC und Dome F Synchronisation EDML und EDC u.a. mit Staubgehalt. Kaltphasen: hoher Staubgehalt Warmphasen: niedriger Staubgehalt 1950 AD EDC NGRIP EDML EDC EDML1 Age (yrs BP) Quelle: EPICA Community Members: Nature, 444, , (2006). data: doi: /pangaea

37 farbig gezeichnet sind Kaltphasen im Norden Byrd A1 und A2 bereits im Byrd-Kern erkannt und DO 8 und DO 12 zugeordnet. EDML EDC Neue Nomenklatur: AIM Antartic Isotope Maximum NGRIP Synchronisation EDML und NGRIP mit Methangehalt. Kaltphasen: niedriger Methangehalt Warmphasen: hoher Methangehalt Methan NGRIP Age (yrs BP) Greenland CH4 composite EDML Quelle: EPICA Community Members: Nature, 444, , (2006). data: doi: /pangaea

38 Vergleich Antarktis (EDML) - Grönland (NGRIP) Jedes Antarktische Isotopen Maximum (AIM) im EDML-Kern entspricht einem DO Ereignis in Grönland (NGRIP) EDML 100 Jahre Mittel AIM EDML: 1 δ- entspricht 0.8 C Änderung In der Antarktis beginnt die Erwärmung in einer Kaltphase (Stadial) des Nordens, die Abkühlung in einer Warmphase (Interstadial) DO NGRIP NGRIP members, Nature (2004) Alter auf neuer NGRIP-Zeitskala (kilo-jahre vor heute) Quelle: EPICA Community Members: Nature, 444, , (2006). data: doi: /pangaea

39 Klimadaten aus antarktischen Eiskernen Deuterium ( -SMOW) 387 ppm (EDC und Vostok) +5 C -10 C 275ppm CO₂ (ppmv) Quellen (NOAA/WDC Paleoclimatology): Methan (ppbv) Jouzel et al.(2007): Science 317, Lüthi, D.et al. (2008): Nature 453, Eisalter/Gasalter EDC3-Altersmodell (kabp) Loulerque, L. et al. (2008): Nature 453,

40 Erdumlaufbahn - Milankovitch-Zyklen P = Präzession; Jahre T = Erdschiefe; Jahre , z.zt E = Exzentrizität; Jahre 40

41 Klimadaten aus antarktischen Eiskernen Deuterium ( -SMOW) 387 ppm (EDC und Vostok) +5 C -10 C 275ppm CO₂ (ppmv) Quellen (NOAA/WDC Paleoclimatology): Methan (ppbv) Jouzel et al.(2007): Science 317, Lüthi, D.et al. (2008): Nature 453, Eisalter/Gasalter EDC3-Altersmodell (kabp) Loulerque, L. et al. (2008): Nature 453,

42 Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre Zeit (Jahre vor 2005) Kohlendioxid (ppm) Strahlungsantrieb (W m -2 ) Messung an Luftproben seit 1958 Messung an Eisproben Quelle: IPCC, Climate Change 2007: The Physical Basis, Summary for Policy Makers ( 42

43 Carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) changes over the last years from Antarctic ice cores compared to 2008 values, and the range of concentrations projected by IPCC AR4 scenarios for the year Quelle: CH 4 (ppbv) "!!! %$#! %#!! %"#! %!!! $#! #!! "#!! )!! $!! CO 2 and CH 4 Concentrations Past, Present and Future (!! #!! '!! &!! Age (thousand years before 1950) "!! IPCC AR4 Scenarios for 2100 AD %!! Figure updated from Alverson et al., 2002 see for full citation ppbv ppmv! ~1200 ppmv ~3500 ppbv ##! #!! '#! '!! &#! &!! "#! "!! %#! %!! #!! CO 2 (ppmv) CO2 data is a compilation of the following records: Monnin et al., 2001: Science, 291: Petit et al., 1999: Nature, 399: Pepin et al., 2001: J. Geophysical Res. 106: 31,885-31,892. Raynaud et al., 2005: Nature, 436: Siegenthaler et al., 2005: Science, 310: Luethi et al., 2008: Nature, 453: doi: / nature06949 CH4 data: Loulergue, L., et al., 2008: Nature, 453: Current atmospheric concentrations: the Carbon Dioxide Information Analysis Center ( CO2: Pieter Tans NOAA/ESRL CH4: Advanced Global Atmospheric Gases Experiment (AGAGE) 43

44 Zusammenfassung Eis ist ein Archiv für Veränderung von Temperatur und Gasgehalten Eis-Archiv in Grönland Jahre, in der Antarktis Jahre Treibhausgehalte heute erheblich höher als die, die man im Eis in der Vergangenheit nachweisen kann. 44

45 weiterführende Informationen: Kohnen-Station und EPICA-Projekt: Oerter et al., Polarforschung 78 (1-2),1-23 (2009); home page von PAGES (Past Global Changes): photo: hans oerter,