Teil 3: Paläoklima bis zum. Beginn des Quartärs

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1 Teil 3: Paläoklima bis zum D Beginn des Quartärs 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 Unsere Erde SOLARES PLANETENSYSTEM Uranus, Neptun weist hinsichtlich Abstand von der Sonne, Größe und Struktur (feste Oberfläche, Topographie) genau die optimalen Bedingen auf, die zu einem günstigen Klima geführt haben. Nur so waren die Bildung/Existenz von Wasser, Luft und Boden und folglich die Entwicklung von Leben möglich. 2

3 Astrophysikalischer Exkurs: Vergleich der physikalischen Charakteristika der Sonne und einiger Planeten Himmelskörper Venus Erde Mars Jupiter Sonne Mittlerer Sonnenabstand in 10 6 km 108,2 149,6 227,9 778,3 - Äquatorialradius in km Masse in kg Mittlere Dichte in kg m Solare Strahlungsflussdichte in Wm Albedo (mit Atmospäre) in % ? - Mittlere Oberflächentemperatur in C *) ) Treibhauseffekt in C ? - Mittleres Molekulargewicht der Atmosphäre Atmosphär. Druck an der Oberfläche in hpa > 100? Hauptbestandteile der Atmosphäre (gerundet) CO 2 (98%) N 2 (2%) N 2 (78%) O 2 (21%) CO 2 (96%) N 2 (3%) H 2 (88%) He (11%) H 2 (71%) He (27%) Ar (0.9%) Ar (1%) CO 2 (0.04%) ) Photosphäre; Quellen: FABIAN (1992), GRAEDEL und CRUTZEN (1994), KEPPLER (1990), hier nach Schönwiese (2008). *) ungefähr heutiges Niveau (2016/17); ca. 14 C (nach GISS,2015) 3

4 Kriterien für die Klimawirksamkeit von Spurengasen: 1. Strahlungseigenschaften (IR-Absorptionsbanden) 2. Relativ lange atmosphärische Verweilzeit Störungszeit des anthropogenen Anteils: Jahre (IPCC, 2007) Entscheidend ist letztlich der Einfluss auf den Strahlungshaushalt, so dass auch O 3 und einige Aerosole (z.b. Sulfat und Ruß) klimawirksam sind. 4 G.P. Hekstra, 1989, mod., hier nach Schönwiese, 1992

5 Zum Treibhauseffekt (I): Planck sches Strahlungsgesetz und Absorptionsbanden einiger klimawirksamer Spurengase boden nah Tropopause Bei Gasen lässt sich die Klimawirksamkeit weitgehend darauf zurückführen, dass sie nur im Bereich der terrestrischen Ausstrahlung (IR) Absorptionsbanden aufweisen bzw. die Absorption in diesem Wellenlängenbereich gegenüber derjenigen im Bereich der solaren Einstrahlung überwiegt. Weil dadurch der Treibhauseffekt verstärkt wird, spricht man auch von Treibhausgasen. Fortak, 1982, u.a.; Schönwiese,

6 Zum Treibhauseffektes (II): globale Energieflüsse Theoretische Berechnungen zeigen, dass ohne atmosphärische Rückstrahlung und somit ohne Atmosphäre die Erdoberflächentemperatur bei - 18 C liegen würde (bei derzeitiger Albedo der Erdoberfläche). Die Differenz zur tatsächlich beobachten bodennahen globalen Mitteltemperatur von + 15 C (33 C) wird als Treibhauseffekt bezeichnet, und zwar zunächst als natürlicher. Houghton et al., 1996; Schönwiese,

7 Zur Berechnung des natürlichen Treibhauseffektes Solare Einstrahlung = Terrestrische Ausstrahlung (Strahlungsgleichgewicht): S 0 /4(1-A) = εσt 4 S 0 : Solarkonstante A: Albedo ε: Emissionsvermögen Mit S 0 = 1366 Wm -2, A = 0.3, ε = 1 und σ = (Stefan-Boltzmann-Konst.) folgt: (1366 / 4)(1 0.3) T = 4 = K 255K 18 C Mit Beobachtung T = 15 C folgt ein Effekt von 33 K. Für A = 0.15 ergibt sich jedoch T = K = -5.4 C 20.4 K. 7

8 Sonne Prinzip des Treibhauseffekts 1. Jeder Körper strahlt aufgrund seiner Oberflächentemperatur Energie aus, so auch die Sonne (UV, Licht, Wärme). 2. Ein Teil der Sonnenenergie wird in der Atmosphäre absorbiert bzw. gestreut. O 3 H 2 O Atmosphäre H 2 O, CO 2, CH 4, N 2 O, FCKW, O 3,... Weltraum 6. Wärmeflüsse kompensieren den Energieüberschuss. 3. Einen weiteren Teil absorbiert die Erdoberfläche und erwärmt sich. 4. Die Erde strahlt Wärme aus. 5. Einen Teil davon absorbieren die Treibhausgase, strahlen z.t. zurück und reduzieren die Abkühlung der Erdoberfläche. Erde 8

9 Klimaentwicklung seit der Entstehung der Erde C Abkühlung der heißen Urerde durch Abstrahlung und Umwandlung der CO 2 -in eine N 2 /O 2 -Atmosphäre Viele Quellen, hier nach Schönwiese

10 Zur Evolution der Atmo- und Lithosphäre Älteste Gesteine (gebänderte Ferrite): 3,8 Mrd. Jahre; Sauerstoff in gebundener Form stetig auf heutiges Niveau ansteigend, in der Atmosphäre (freier Sauerstoff) heutiges Niveau seit ca. 500 Mill. Jahren. Fabian,

11 Evolution der Erde relative atmosph. Konzentration CO 2 Cyano- Bakterien Mrd. Jahre v.h. Oschmann et al.,

12 Zur Evolution der Atmosphäre (CO 2 ) Die frühe Atmosphäre bestand hauptsächlich aus CO 2, wie das heute noch bei Venus (98 %) und Mars (96 %) der Fall ist. Ab ca. 3,2 Mrd. J.v.h. begann sich ein Teil davon im entstehenden Ozean zu lösen. Ab ca. 2,6 Mrd. J.v.h. entzog das im Ozean entstehende pflanzliche Leben dem Ozean CO 2, wodurch wesentlich mehr atmosphärisches CO 2 dort gelöst wurde. Allmählich wurde der gesamte geologische C-Kreislauf wirksam (Verwitterung usw. F30). Schließlich (seit ca. 0,5 Mrd. J.v.h.) führte die Photosynthese der Landpflanzen zum gegenwärtigen Zustand. 12

13 Übersicht der geologischen Zeitalter und Klima Zeitalter (Ära) Neozoikum (Känozoikum) 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,

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

15 Relative globale Temperaturänderungen gegenüber heute seit dem Kambrium W W W W heutiges Niveau E 3 E 2 E 1 Tertiär W: Akryogenes Warmklima (ohne Eisvorkommen) E 3: Silur-Ordovizisches Eiszeitalter (südhemisphärisch) E 2: Permokarbonisches Eiszeitalter (südhemisphärisch) E 1: Quartäres Eiszeitalter (global, seit ca. 2-3 Mill. Jahren v.h.) Bradley, 1999; hier nach Bubenzer u. Radtke, 2007 Quartär 15

16 Die Ursachen der Klimaänderungen in der Zeitskala Jahre Kontinentaldrift bei polständiger Situation großer Kontinente können sich permanente Schnee- und Eisbedeckungen ausbilden Eis- Albedo-Rückkopplung Eiszeitalter. Orogenese Gebirge mit relativ hohem Schneeanteil im Niederschlag ähnl. wie oben. Meteoreinschläge direkte Schädigung der Flora (und Fauna), Abkühlungseffekte durch atmosphärische Trübung (relativ kurzzeitig). Die Atmophärische Zusammensetzunge reagiert und bewirkt Rückkopplungen (insbes. CO 2 ). 16

17 Tektonische Platten und Kontinentaldrift Quelle: Ridley, 1979; verändert nach Schönwiese,

18 Land-Meer-Verteilung in früheren Zeitaltern Pangäa Gondwana Tethys-Meer Frisch u. Meschede, 2005; hier nach Bubenzer und Radtke,

19 Paläogeographie vor 440 Mill. Jahren (spätes Ordovizium) und Relativbewegung des geographischen Südpols aufgrund der Kontinentaldrift Bildung d. Atlantik im Devon Das Silur-Ordovizische Eiszeitalter ist um 440 Mill. Jahren v.h. im Bereich des heutigen Nordafrika (somit unipolar) aufgetreten, als der geographische. Südpol eine landständige Position einnahm (Gondwana). Bald darauf begann sich jedoch der Atlantik zu öffnen. Kombiniert nach Smith et al., 1982, und Frakes, 1979, hier nach Schönwiese,

20 Paläogeographie vor 320 Mill. Jahren (oberes Karbon) Für das Permokarbonische Eiszeitalter (vor ca. 300 Mill. J.) war die landständige Position des Südpols noch günstiger als im Ordovizium (Pangäa). Aber auch dieses Eiszeitalter war unipolar. Smith et al.,

21 Der Meteorologe Alfred Wegener ( ) entwickelte die Kontinentaldrift-Hypothese, die heute als Plattentektonik, angetrieben vom Sea Floor Spreading, bezeichnet wird, und war zugleich ein engagierter Polarforscher. Es starb bei einer Expedition in Grönland. 21

22 Übersicht der geologischen Zeitalter und Bio Events Zeitalter (Ära) Neozoikum (Känozoikum) Periode (System) Quartär Tertiär Epoche (Serie) Holozän Pleistozän Pliozän Miozän Oligozän Eozän Paläozän Zeit ab Mill. J.v.h. 0,011 1, Die fünf bekannten großen Bio-Ereignisse (Bo Events, B) sind zum größten Teil wahr- 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 scheinlich und beginnende durch Vereisung gewaltige 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 die zu starken Abkühlungen Trias Keuper 227 Warm und sehr trocken Muschelkalk 242 führten. (Für 3 wird neuerdings werdend auch und trocken eine exzessive Buntsandstein 250 Paläozoikum Perm Zechstein Wärmer Rotliegendes 290 Permokarbonisches Eiszeitalter (c Mill. J.v.h.) Karbon Pennsylvanium 323 c Warm Erwärmung und sehr feucht, später diskutiert.) abkühlend Die Mississippium 355 Devon Oberdevon Warm und relativ trocken Mitteldevon 391 Unterdevon 410 d Silur Obersilur Warm, zeitweise sehr feucht Untersilur 438 Silur-Ordovizisches somit ein drastischer Eiszeitalter (ca Rückgang Mill. J.v.h.) der Biodiversität. Ordovizium Oberordov. e 1 Warm and feucht, später kühler werdend Unterordov. 510 Kambrium 570 Warm und feucht (?) Präkambrium Proterozoikum Neo-?? Mehrere (Vgl. Präkambrische dazu auch Eiszeitalter die folgende (ca. 620, 750, Folie) 950 Meso- Paläo Archaikum 4 600? Extensiv warm Meteoreinschläge (für 5 erwiesen) oder riesige Vulkanausbrüche verursacht worden, Folge war jeweils ein Massensterben (Fauna und Flora) und 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. 22

23 Erdgeschichtliche Entwicklung in den letzten 600 Mill. J.: - Fauna - Atmosphäre - Solarstrahlung - Vulkanismus - Klima (Temperatur) - Land-Meer-Verteilung Oschmann et al.,

24 Der langsame (geolog./paläoklimatol.) C-Kreislauf * Hydrogenkarbonat HCO 3 entsteht aus H 2 O und CO 2 (eigentlich HCO 3 + H + ) ozean. u. atmosph. CO 2 nehmen zu Karbonat (CaCO 3 )- Verwitterung ähnlich atmosph.co 2 nimmt ab Karbonatbildung am Ozeanboden Ca + CO 2 + ½ O 2 CaCO 3 ozean. u. atmosph. CO 2 nehmen ab atmosph. CO 2 nimmt zu In den großen paläoklimatologischen Zeitskalen dominieren beim Kohlenstoffkreislauf die Vorgänge der Verwitterung, Karbonatbildung und Mineralisation von Kalk im Ozean sowie der Vulkanismus. Oschmann et al., 2000 (Abbildung); Hoffmann et al., 2001 (Text) 24

25 Rekonstruktionen und Thesen zum Kommen und Gehen des Klimazustands Schneeball Erde Hoffmann et al., Vor ca Mill. J. gruppierten sich viele relative kleine Kontinente in den Tropen starke (chemische) Verwitterung. 2. Dies sowie die Karbonat-Bildung am Ozeanboden entzogen der Atmosphäre viel CO2 Vereisung der Erde (ganz oder größtenteils). 25

26 Die Beendigung des Klimazustands Schneeball Erde 3. Der Vulkanismus führte der Atmosphäre wieder CO 2 zu. Da die wichtigen Senken Ozean (Eisbedeckung) und Vegetation (stark geschrumpft) fehlten, war dieser Vorgang sehr wirksam. 4. Diese enorme CO 2 -Zunahme ließ die Temperatur wieder stark ansteigen (zunehmender Treibhauseffekt), die Eisbedeckung ging zurück und die wieder einsetzende Verdunstung (insbes. Ozean Zunahme der Luftfeuchte) sorgte für eine (positive) Rückkopplung. So wurde der Übergang zum Zustand des akryogenen Warmklimas ermöglicht. Die These Schneeball Erde ist zwar inzwischen weitgehend anerkannt, es gibt aber auch Kritik. So wird bezweifelt, ob damals die Erde wirklich total vereist gewesen ist, weil die Indizien dafür nur bruchstückhaft sind. Auch neuere Klimamodelle lassen Zweifel zumindest an der Vereisung der Tropenzone. 26

27 Klimasimulation der Schneeball-Erde Zeit: ca. 700 Mill. Jahre vor heute (Präkambrium); Kontinentgrenzen Hyde et al., 2000; verändert nach Bubenzer und Radtke,

28 Atmosphärische CO 2 -Konzentration im Tertiär ppm wahrscheinlicher Bereich Industriezeitalter { Jahrmillionen v.h. IPCC,

29 Atmosphärische CO 2 -Konzentration seit 3,5 Mill. Jahren ppm { Industriezeitalter Jahrmillionen v.h. IPCC, 2014 Genauere Rekonstruktionen für das späte Quartär und das Industriezeitalter folgen in späteren Vorlesungen. 29

30 Relative globale Temperaturänderungen seit dem Tertiär Antarktis vereist Tertiär Westantarkt. Schelfeis schmilzt? Neuvereisung, auch Ozean u. Nordhemisph. erfassend Zunehmende Schnee- und Eisbedeckung erhöht die Sensitivität des Klimas? Tertiär Quartär (klim.) Verschiedene Quellen, hier nach Bubenzer und Radtke,

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