Paläoklima - Eisbohrkern-Rekonstruktionen Hans.Oerter@awi.de Stand der Klimadebatte - aktuelle Beiträge für den naturwissenschaftlichen Unterricht, Speyer, 21. März 2012 photo: hans oerter, 2006
Temperaturänderung auf geologischer Zeitskala Landpflanzen Vögel & Dinosaurier Säugetiere Mensch Millionen Jahre 542 488 444 416 359 299 251 200 146 66 0.011 1.8 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: www.geologieinfo.de/palaeoklima 2
Wo wurde bereits gebohrt? Arktis (Grönland) Antarktis 60 N 60 S Meereis Nordpol Südpol Westantarktis d Ostantarktis lan n ö Gr NEEM GISP2 2008-2011 1989-1993 2538 m 3053 m, >108 ka >110 ka GRIP 1990-1992 3029 m, >105 ka NorthGRIP 1996-2003 3090 m, 123 ka source: ArcInfo/G. Rotschky Antarktische Halbinsel 3
Tiefe Eisbohrkerne in der Antarktis European Project for Ice Core Drilling in Antarctica (EPICA) 1996-2008 Oerter et al., Polarforschung 78 (1-2),1-23 (2009) www.polarforschung.de Haupteisscheide der Ostantarktis Law Dome: hohe Akkumulationsrate (640 mm WW); Eiskern an dem rezente (1006-1978 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, 2009 4
Wie ist ein Eisschild aufgebaut? Wie bohrt und zerteilt man einen Eisbohrkern? Welche Klimainformation enthält ein Eisbohrkern? 5
Wie ist ein Eisschild aufgebaut? 6
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 500-1000 km ca. 2000 km 100-700 km Eisfließlinie Ablationsgebiet Akkumulationsgebiet grafik: h. oerter, 2009 7
Ein Eisschild baut sich aus über einander liegenden Jahresschichten auf. photos: hans oerter 8
Wie bohrt und zerteilt man einen Eisbohrkern? 9
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 500 1000 Ritscherflya 1500 Kottas Camp Heimefrontf. 2000 SANAE III SANAE IV Kirwanv. Jutulstraumen DML05 2500 Troll H.U.Sverdrupf. Kohnen Amundsenisen Nowolaserewskaja 3000 1500 2000 Wegenerisen 2500 3000 500 1000 70 S 72 S 74 S 76 S Dome C 30 W Halley 20 W 0 km 500 10 W 0 10 E Meer Schelfeis Inlandeis, gegründetes Eis 2000 Höhenlinie Aufsetzlinie Traversenrouten: Großbritannien Schweden Deutschland Norwegen photos: hans oerter 10
Funk, PC, e-mail 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, 2006 11
Kohnen-Station 75 00 09 S, 00 04 06 E, 2892 m (WGS84) Bohrzeitraum: 2001-2006 Mittlere Jahrestemperatur: -44.6 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, 2006 12
Bohren eines Eiskerns Archiv AWI/Kipfstuhl 13
Antitorque innen: Chips-Kammer Motor & Elektronik Hüllrohr Bohrturm Kernrohr & Bohrkrone photo: hans oerter, 2006 14
photo: hans oerter, 22.12.2007 15
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
Das Eislabor am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven Horizontalsäge Auspacken des Kerns foto: hans oerter, 2009 photos: hans oerter, 2002 17
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
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
Welche Klimainformation enthält ein Eisbohrkern? 20
Das Klima-Archiv Eis speichert Informationen zu: Lufttemperatur δ 18 O, δ 2 H, stabile Isotope Gasgehalt in der Atmosphäre O2 20.94% N2 78.08% N2O 0.032% CH4 0.00018% CO2 0.038% foto: h.oerter, 2006 Aerosole foto: h. oerter, 1973 Mt. Pinatubo 1991 foto: NOAA foto: h.oerter, 2010 21
Willi Dansgaard (1922-2011) Hans Oeschger (1927-1998) Text Niels Bohr Institute, Copenhagen, 2005 aus: Willi Dansgaard: Frozen Annals - Greenland Ice Sheet Research, Copenhagen (2005) 22
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, 2005 23
Das Isotopenthermometer (δ 18 O vs. Temp.) aus: B. Stauffer, 2001: Das Isotopenthermometer im ewigen Eis. Physik in unserer Zeit, 32.Jg. (3), 106-113 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 997 600 ppm 400 ppm 2 000 ppm Wasserstoff: 1 H 2 H (Deuterium) 999 850 ppm 150 ppm 24
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, 436-468 (1963) Isotopenthermometer muss kalibriert werden Sommer/warm Winter/kalt 2005 2004 2003 2002 25
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, 3359-3387. δ 18 O ( ) = 0.80 T ( C) - 8.11 Lokaler Gradient für δ 18 O - Temperatur ( / C) 26
Datierung von Eiskernen: Jahresgänge Fernandoy, F. et al.: Stable-isotope ratios and accumulation rates in East Antarctica. Journal of Glaciology, Vol. 56, No. 198, 673-687 (2010) 27
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. 1259 A.D. 595 A.D. Tiefe auf EDML-Tiefenskala (m WW) 410 B.C. Sulfat (ng/g) H. Oerter, unveröff. 28
GRIP Bohrkern (1990-92) Stabiles Klima während Holzän Interstadiale 1-24: Dansgaard-Oeschger-Ereignisse 29
NordGRIP rot = Interglazial (Warmzeit) Holozän Eem blau = Glazial (Eiszeit) D/O Ereignisse Jüngere Dryas 30
Jüngere Dryas Holozän (seit 11,7 ka BP) Letztes Glazial (Eiszeit) foto: hans oerter, 1993 31
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 2 7 72 S S 3 7 73 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 1:2000000, Draft Vers.4.2, BKG, Frankfurt am Main, Nov.1998 (detail) 75 S 32
Die letzten 2000 Jahre in der Antarktis Nulllinie: Mittel 1259-1816 AD Gleitendes Mittel 11 Proben B37 B32 B33 H. Oerter, unveröff. 33
Die letzten 200 Jahre in der Antarktis Gestapelte Jahresmittel von 10 bzw. 13 Firnkernen aus dem zentralen DML Abweichung der gestapelten Jahresmittel vom Mittel 1801-1997 1801-1905: δ 18 O: -0,010 /a Acc.: -0,120 kg m -2 a -1 /a 1905-1997: 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) 2 1 0-1 -2 20 10 0-10 -20 Tambora 1816 Krakatau 1884 10 firn cores 13 firn cores 1800 1850 1900 Years A.D. Agung 1963/4 50 a? 1950 2000 Oerter et al.: Accumulation rates in Dronning Maud Land, Antarctica, as revealed by dielectric-profiling measurements of shallow firn cores. Annals of Glaciology 30, 27-34 (2000) 34
EDML-Eiskern DML Stapel B32, B34, B37, EDML, B33 1 C 0 = Mittel 1259-1816 AD Probenintervall 65 mmww gleitendes MIttel 11 Proben Temperaturgradient: 0,7 / C Gemeins.Zeit: H. Oerter, unveröff. 35
Hohe Co-Varianz zwischen den Antarktischen Eiskernen EDML, Dome F und EDC 10-60 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, 195-198, (2006). data: doi:10.1594/pangaea.552235 36
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, 195-198, (2006). data: doi:10.1594/pangaea.552235 37
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, 195-198, (2006). data: doi:10.1594/pangaea.552235 38
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, 793-796 Lüthi, D.et al. (2008): Nature 453, 379-382 Eisalter/Gasalter EDC3-Altersmodell (kabp) Loulerque, L. et al. (2008): Nature 453, 383-386 39
Erdumlaufbahn - Milankovitch-Zyklen P = Präzession; 23.000 Jahre T = Erdschiefe; 41.000 Jahre 22-24.5, z.zt. 23.5 E = Exzentrizität; 100.000 Jahre 40
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, 793-796 Lüthi, D.et al. (2008): Nature 453, 379-382 Eisalter/Gasalter EDC3-Altersmodell (kabp) Loulerque, L. et al. (2008): Nature 453, 383-386 41
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 (www.ipcc.ch) 42
Carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) changes over the last 800 000 years from Antarctic ice cores compared to 2008 values, and the range of concentrations projected by IPCC AR4 scenarios for the year 2100. Quelle: http://www.pages-igbp.org 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 http://www.pages-igbp.org/cgi-bin/webobjects/products.woa/wa/type?id=6 for full citation 2008 1855 ppbv 2008 384 ppmv! ~1200 ppmv ~3500 ppbv ##! #!! '#! '!! &#! &!! "#! "!! %#! %!! #!! CO 2 (ppmv) CO2 data is a compilation of the following records: Monnin et al., 2001: Science, 291: 112-114. Petit et al., 1999: Nature, 399: 429-236. Pepin et al., 2001: J. Geophysical Res. 106: 31,885-31,892. Raynaud et al., 2005: Nature, 436: 39-40. Siegenthaler et al., 2005: Science, 310: 1313-1317. Luethi et al., 2008: Nature, 453: doi:10.1038/ nature06949 CH4 data: Loulergue, L., et al., 2008: Nature, 453: 383-386. Current atmospheric concentrations: the Carbon Dioxide Information Analysis Center (http://cdiac.ornl.gov). CO2: Pieter Tans NOAA/ESRL www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends CH4: Advanced Global Atmospheric Gases Experiment (AGAGE) 43
Zusammenfassung Eis ist ein Archiv für Veränderung von Temperatur und Gasgehalten Eis-Archiv in Grönland 123.000 Jahre, in der Antarktis 800.000 Jahre Treibhausgehalte heute erheblich höher als die, die man im Eis in der Vergangenheit nachweisen kann. 44
weiterführende Informationen: Kohnen-Station und EPICA-Projekt: Oerter et al., Polarforschung 78 (1-2),1-23 (2009); www.polarforschung.de home page von PAGES (Past Global Changes): www.pages-igbp.org http://www.awi.de/people/show.php?hoerter photo: hans oerter, 2008 45