Woher kommen die Daten? Klimaarchive und Proxies

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1 Woher kommen die Daten? Klimaarchive und Proxies Vor- und Nachteile der diversen Archive (Auflösung, Reichweite, welche Parameter sind messbar, ) Welche Proxies gibt es (z.b. δ 18 O) und was sagen sie aus? Datierungsmethoden

2 Was sind und können Klimamodelle? Klimamodelle lösen die Gleichungen von Thermodynamik (Energieerhaltung), Hydrodynamik (Wind-, Strömungsgeschwindigkeiten) usw. auf einem erdumspannenden Gitter. Dabei können nicht alle Prozesse erfasst werden - aber hoffentlich alle, die wichtig sind, was von der jeweiligen Fragestellung abhängt. Manche Prozesse (z.b. Wolkenphysik, Ozeanturbulenz) können nur näherungsweise durch mehr oder weniger ungenaue Parametrisierungen beschrieben werden. Klimamodelle eignen sich zum quantitativen Testen von Hypothesen über die Mechanismen vergangener Klimaveränderungen. 2-dim. Energiebilanzmodell 3-dim. gekoppeltes Klimamodell

3 Die Strahlungsbilanz der Erde bestimmt die globale Temperatur Die ankommende Sonnenstrahlung ist im Gleichgewicht gleich reflektierte Sonnenstrahlung plus langwellige Abstrahlung Um die globale Temperatur zu ändern, muss man einen dieser drei Faktoren ändern: Einstrahlung, Albedo oder Abstrahlung (Treibhausgase) Abweichungen vom Gleichgewicht durch Wärmespeicherung im Ozean

4 Regionale Temperaturänderungen zusätzlich durch Wärmetransporte Veränderungen in atmosphärischer oder ozeanischer Zirkulation führen zu regionalen Klimaänderungen (Beispiel: abrupte eiszeitliche Klimasprünge durch Instabilität der Ozeanzirkulation) Dabei wird in erster Näherung nur Wärme umverteilt, der Effekt auf die globale Mitteltemperatur ist gering (Speicherterm, Albedo)

5 Rückkopplungen im Klimasystem Es gibt positive (verstärkende) und negative (abschwächende) Rückkopplungen Beispiele positiv: Wasserdampf-, Albedo-Feedback (Extrembeispiel snowball Earth ) Beispiel negativ: Verwitterung (Feedback auf den C-Kreislauf) Die Erwärmung ΔT aufgrund eines Antriebs A ist: ΔT = r A + f ΔT. Der Antrieb A könnte zum Beispiel eine CO2-Verdoppelung sein und daher den Wert 3,7 W/m2 haben. r A ist der direkte Effekt des Antriebs, in dem Fall 1,1ºC. Dazu kommt die Rückkopplung, sie ist proportional zu ΔT, und der Proportionalitätsfaktor f heißt feedback-faktor. Löst man die Gleichung nach ΔT auf, ergibt sich ΔT = r A /(1-f). Die Verstärkung durch die Rückkopplung beträgt also 1/(1-f). Rückkopplungen können aus lokalen globale Klimaänderungen machen. Beispiel Eiszeiten: lokale Sommer-Abkühlung durch Milankowitsch-Zyklen führt zu Erhöhung von Albedo (riesige Eisschilde) und Absenkung der CO2-Konzentration -> global kälteres Klima

6 Hauptursachen vergangener Klimaveränderungen Leuchtkraft der Sonne ( faint young sun, auch kürzere schwache Zyklen wie Schwabe-, Gleissberg-Zyklus) Plattentektonik: Wirkung auf Albedo ( polar position, Himalaya-Plateau) und Kohlenstoffkreislauf (CO2-Veränderungen über Jahrmillionen). Regional auch durch Ozean- und Atmosphärenzirkulation (z.b. Öffnung/Schließung von Meerespassagen Panama, Drake) Vulkanismus: kurzfristig via aerosole, langfristig via C-Zyklus Erdbahnzyklen: Milankowitsch-Zyklen dominieren Variabilität der letzten Jahrmillionen (Quartär). Effekte auf kontinentale Vereisung und Meeresspiegel, Kohlenstoffkreislauf, Monsune usw. Systeminterne Instabilitäten: Eisschilde (Heinrich-Ereignisse), Ozeanzirkulation (Dansgaard-Öschger-Ereignisse) Anthropogene Effekte: Treibhausgase, Albedo, Aerosole

7 Einige grundlegende Folgerungen Klimaveränderungen der Erdgeschichte erscheinen durchaus mit der bekannten Physik kompatibel keine fundamentalen Widersprüche, aber natürlich Vieles im Einzelnen noch ungeklärt (Beispiele: Eiszeiten, abrupte Klimasprünge) Systemreaktion oft stark nicht-linear (Eiszeiten), aber nicht chaotisch (anders als Wetter) Klimasystem reagiert sensibel auf Störungen, in der Summe sind Rückkopplungen auf menschlichen Zeitskalen positiv (die dominant negativen Rückkopplungen im C- Kreislauf agieren auf Zeitskalen von vielen Millionen Jahren) Auswirkungen von recht kleinen Klimaveränderungen sind massiv (z.b. Eiszeiten, ca. 4-7 ºC globale Temperatur, verändert Landoberflächen und Ökosysteme völlig, 120 Meter Meeresspiegel) Klimageschichte spricht auch für sensible Reaktion des Systems und massive Auswirkungen der anthropogenen Störung (v.a. Treibhausgase)