PALÄOKLIMA Das Klima der Vergangenheit Augusto Mangini Forschungsstelle Radiometrie Heidelberger Akademie der Wissenschaften
Temperaturschwankungen? Ursachen? Datierung Klimaarchive Information 1) Marine Sedimente 2) Eisbohrkerne 3) Stalagmiten
Weitere Zyklen Während der Eiszeiten war die mittlere Temperatur der Erdoberfläche bis zu 8 C niedriger
heute Ein Bohrkern aus dem Mittelmeer mit fünf deutlich sichtbaren Sapropelen Vor 150.000 Jahren
Bohrkerne von Tiefseesediment
Woraus besteht ein Tiefseesediment? Kontinentalen Detritus Feinstaub (Tone) 1 100 % C org 0,1-10 % Biogene Komponenten Karbonatschalen CaCO 3 0 100% Foraminiferen Silikatschalen SiO 2 0 30 % Authigene Komponente z.b. Mn- Knollen x %
18 O/ 16 O = 1/500 0-40 δ 18 O : = ( ) O O ( ) O 18 16 18 16 O Probe Referenz 1 1000 [ ] 500µm
Die Abfolge von Warm- und Kaltzeiten Warmzeiten Eiszeiten Man erkennt eine Abfolge von Warmund Kaltzeiten. Der Meerespiegel variiert um etwa 120 m.
Was ist die Ursache für die Periodizität?
Was ist die Ursache für diese Periodizität? Milutin Milankovic (1878-1958) 560 540 520 Einstrahlung in July auf 65 N W/m 2 500 480 460 440 420 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Alter [kyr]
65 N Juli Insolation Marine Sedimente
Sedimente Insolation 65 N Was ist aber die Ursache für den 100 kyr Zyklus?
! Wir verstehen die Ursachen für die 100.000 Jahre Periodizität noch nicht! R.A. Mueller and G.J. MacDonald, Springer Verlag 2000
Das Klima des Holozäns Es gibt aber auch Klimaschwankungen im Holozän Aktuelles Interstadial : Holozän (Beginn vor 11.000 Jahren) Diese sind aber Schwankungen der Wintertemperatur, nicht der globalen Temperatur
Speläotheme DFG Forschergruppe DAPHNE Zielsetzung: Klimainformation
Formation of speleothems 1) Stalagmites grow in Winter 2) Growth rates 10-200 µm/year 3) Traces of U from soil in drip water 4) The isotope composition of oxygen varies with temperature and drip rate 5) Isotope processes happen also in the soil and in the atmosphere
Die Information aus den Stabilen Isotopen: CaCO 3 besteht aus O - und C - Atomen Isotopen: 16 O und 18 O und 12 C und 13 C 1000 : 2 1000 : 11 Isotopenverhältnisse kann man sehr genau bestimmen (10-5 )! Kleine Probenmengen (10-6 g) erforderlich
Measurement of Isotopes of Uranium and Thorium 1 age/ day
Ziel: Isotopensignal in Stalagmiten als Temperatur- und Niederschlagproxy 8 6 4 2 0 black: COMNISPA δ 18 O -8,6-8,4-8,2-8,0-7,8-7,6-7,4-7,2-7,0 delta 18 O [ ] Warm, feucht Kalt, trocken 8 6 4 2 0 Vor 9.000 Jahren cal. Age B.P. [kyr] Heute
ITCZ Location of the stalagmite samples
COMNISPA: a climate reconstruction over the last 9,000 years less -20-15 -10 8 6 4 2 0 black: COMNISPA r=0.71-8,6-8,4-8,2 warmer more HSG [%] HSG: Hematite Stained Grains in marine sediments Is a record of Icebergs in the N. Atlantic (Bond et al., 2001) COMNISPA is not a local signal! -5 0 5 10 15 20 red: HSG detrended, tuned 8 6 4 2 0 cal. Age B.P. [kyr] -8,0-7,8-7,6-7,4-7,2-7,0 (Mangini et al., 2007) delta 18 O [ ] colder winters
Die Pfeile markieren Zeiten wenn N. Europa wärmere und feuchtere Winter hatte -20-15 -10 8 6 4 2 0 black: COMNISPA r=0.71-8,6-8,4-8,2 Warm HSG [%] -5 0 5 10 15 20 red: HSG detrended, tuned 8 6 4 2 0 cal. Age B.P. [kyr] -8,0-7,8-7,6-7,4-7,2-7,0 delta 18 O [ ] Kalt Warum?
Das einfachste Klimamodell Oberfläche (50-75 m) (hohe Wärmekapazität) Ozean Wärme Land (geringe Wärmekapazität) Der Wind transferiert in Winter die Wärme vom Ozean zum Land. Die Wintertemperatur der Kontinente wird durch den Wärmetransfer bestimmt
Verlagerungen der Temperaturen während La Niña Ereignisse NAO Schönwiese (2003): Klimatologie, S. 200
+humid Warm+humid warm NAO+ humid warm cool humid
Alle diese Archive zeigen den gleichen Gang! 1,0 18 non tree rings archives (Loehle, 2007) temperature deviation C 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6 95% CI Die Variabilität der Winter! -0,8-1,0 0 500 1000 1500 2000 year
Die Pfeile markieren Zeiten wenn N. Europa wärmere und feuchtere Winter hatte -20-15 -10 8 6 4 2 0 black: COMNISPA r=0.71-8,6-8,4-8,2 Warm HSG [%] -5 0 5 10 15 20 red: HSG detrended, tuned 8 6 4 2 0 cal. Age B.P. [kyr] -8,0-7,8-7,6-7,4-7,2-7,0 delta 18 O [ ] Kalt Die Wintertemperatur N. Europas wird durch den Wärmetransfer bestimmt Diese Phasen werden wahrscheinlich von der Sonne moduliert. Aber wie?
Clear relationship between precipitation and the intensity of the Sun in Oman Sun Precipitation Neff et al., 2001, Nature
! Wir verstehen die Ursachen für die Klimaschwankungen während der letzten 10.000 Jahre (Holozän) auch noch nicht!
TROIA 1,000 B.P. 2,000 B.P. 3,000 B.P. 4,000 B.P. 5,000 B.P. (Korfmann, 2006)
Wichtige Siedlungsphasen in Troia in feuchteren und wärmeren Klimaphasen! 8 6 4 2 0 COMNISPA -8,6-8,4-8,2 heute -8,0-7,8-7,6-7,4 delta 18 O [ ] TROIA-PHASEN I- III VI VIII IX X -7,2-7,0 8 6 4 2 0 cal. Age B.P. [kyr] (Mangini, 2007)
Wir sehen in den Stalagmiten den WÄRME-TRANSFER vom Ozean zum LAND während des Winters
Wir sehen in den Stalagmiten den WÄRME-TRANSFER vom Ozean zum LAND während des Winters Diese Phasen haben auch in der Vergangenheit das Leben unserer Vorfahren beträchtlich beeinflusst
Wir sehen in den Stalagmiten den WÄRME-TRANSFER vom Ozean zum LAND während des Winters Diese Phasen haben auch in der Vergangenheit das Leben unserer Vorfahren beträchtlich beeinflusst. Die Temperatur der Kontinente wird vom Wärmetransfer beeinflusst
Wir sehen in den Stalagmiten den WÄRME-TRANSFER vom Ozean zum LAND während des Winters Diese Phasen haben auch in der Vergangenheit das Leben unserer Vorfahren beträchtlich beeinflusst. Die Temperatur der Kontinente wird vom Wärmetransfer beeinflusst Die Intensität der Sonne hat einen Einfluss auf den Wärmetransfer
1,0 0,8 Average of 18 archives IPCC temperature deviation C 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0 95% CI 0 500 1000 1500 2000 year Wintersignale Sommersignale Temp. Index 1) Die Winter haben eine grössere Variabilität als die Sommer 2) IPCC vergleicht Sommersignale der Vergangenheit mit rezenten Temperaturdaten
Die letzten 130 Jahre Τ= >0.8 C Die globale Temperatur als Mittelwert von Land und Ozean Temperatur
Kontinente Ozean Aber die Kontinente haben eine sehr viel grössere Variabilität als der Ozean
Phasen von mehr Wärmetransfer auf die Kontinente T=1.1 C 0.4 C Nur die Erwärmung des Ozeans entspricht der Erwärmung der Erde!
1,0 0,8 Average of 18 archives IPCC temperature deviation C 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0 95% CI 0 500 1000 1500 2000 year Wintersignale Sommersignale Index
DIE PAZIFISCHE DEKADISCHE OSZILLATION (PDO) C Warmer Zustand Kalter Zustand
Zunahme der Land Temperatur während PDO Warmphasen PDO warm PDO warm
Die Temperatur der Kontinente wird vom Wärmetransfer beeinflusst und zeigt starke Schwankungen auf. Die letzten 20 Jahre waren vom starken Wärmetransfer gekennzeichnet
Τ= >0.8 C Die Kurve der globalen Temperatur beinhaltet die kontinentalen Schwankungen!
How sensitivity is being derived Forcings Temperature reconstructions
Der WÄRME-TRANSFER vom Ozean zum LAND während des Winters hat deutlich variiert Diese Schwankungen haben in der Vergangenheit das Leben unserer Vorfahren beträchtlich beeinflusst. Die Temperatur der Kontinente wird vom Wärmetransfer beeinflusst Die Intensität der Sonne scheint den Wärmetransfer zu beeinflüssen Die Temperatur des Ozeans zeichnet die Erderwärmung auf
Erwärmung des Ozeans durch den erhöhten Strahlungsantrieb Murphy et al., 2009
Erwärmung des Ozeans durch den erhöhten Strahlungsantrieb Energie im Ozean 4.10 22 J 70m 16.10 22 J Ozean 700m Oberer Ozean 290 288 286 284 282 Reihe1 Reihe2 280 278 276 274 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 Murphy et al., 2009 Trenberth, 2010
Zusammenfassung ---Auf den Kontinenten gab es beträchtliche Temperaturzyklen. Sie beruhen auf Phasen mit unterschiedlichem Wärmetransfer ---Die Erwärmung des Ozeans während der letzten 50 Jahre maximal 0,4 C.
Zusammenfassung Der Ozean zeigt eine deutliche Erwärmung während der letzten 50 Jahre Diese Erwärmung resultiert aus dem erhöhten Strahlungsantrieb durch GHG Der zukunftige Anstieg der GHG wird die Erde weiterhin erwärmen Eine Verdopplung des CO 2 dürfte eine Erwärmung unter 2 C verursachen.
Das einfachste Klimamodell dt s /dt * C s = Input - Output Solare Einstrahlung 342 W/m 2 ALBEDO 24% LW ~T 4 Oberer Ozean (75 m) (mit Wärmekapazität) SW 6% Ozean 36% Treibhaus Effekt
Schwierigkeiten der Milankovic-Hypothese 1) das 100 kyr Problem. Das Eisvolumen während de letzten 1 Myr wird durch eine 100 kyr Oszillation dominiert. Nach dem Standard Modell sollten es nur 41 und 24, 22, 19 kyr sein. 2) Während Stadium 1 und Stadium 11 große Eisvolumen Schwankungen trotz kleiner Änderungen der Einstrahlung. 3) Das Timing Problem. Erwärmungen erfolgten auch während Einstrahlungsminima. 4) Unsplit Peak Problem. Man sollte die Perioden 95, 125 kyr sehen, sieht aber nur 100 kyr Perioden. 5) Das Fehlen der 400 kyr Periodizität. 6) Der Übergang von 41 kyr zu 100 kyr vor 1 Myr.