Das Klima der Erde II Treibhaus & Kontinentaldrift Max Camenzind Akademie Heidelberg Oktober 2014
Heutige Erde ist ein Ist-Zustand
Die Erde vor 4 Milliarden Jahren Vor 4 bis 3,5 Mrd. Jahren war die Erde mit Ozeanen und Vulkanen bedeckt blauer Planet Zu den ersten Kontinenten Superkontinent
Themen Warum wirkt die Atmosphäre wie ein Treibhaus? Die globale Energiebilanz der Erdatmosphäre nach Kiehl und Trenberth 1997. Aufbau der Erde und Tanz der Kontinente Kontinentaldrift nach Alfred Wegener Klimaänderungen. Es beginnt mit Superkontinent Vaalbara (vor 2,5 Mrd.) Rodinia (vor 900 600 Mio. Jahren) Pangäa (vor 300 Mio. Jahren). Klimageschichte im Phanerozoikum ist gut bekannt von 540 Mio. Jahre bis heute. Was sind Klimaarchive und Proxies?
Wie funktioniert ein Treibhaus?
Atmosphäre als Treibhaus Die wichtigsten Gase beim natürlichen Treibhauseffekt sind Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2) und Methan. Ohne Treibhauseffekt <T> = -18 C!!! Schneeball-Erde!
Spektrum Sonnenstrahlung Sonneneinstrahlung auf Atmosphäre Schwarzkörper Spektrum Strahlung auf Meereshöhe 1 µm 2 µm
Einfallende Strahlung / CERES
Mittlere Solare Einstrahlung Flecken- Minimum Flecken- Maximum
Jeder Körper strahlt Energie ab Mensch als Strahler: T = 37 C L ~ 1000 W Vorsicht: der Mensch nimmt auch Strahlung auf! gibt also weniger ab! Kleider isolieren! IR-Bild Sonne als Strahler: T = 5777 K L S = 4pR S ²sT 4 S = 3,846 x 10 26 W isotrop Solarkonstante F E = L S /4p(AE)² = 1366 W/m² F E (p) = 1413 W/m² ; F E (Aphel) = 1321 W/m² Einstrahlung = p R E ² F E = 1,74 x 10 17 W Erde als Strahler : <T> = 15 C = 288 K L E = 4pR E ² st 4 = 1,99 x 10 17 W Strahlungsbilanz stimmt ungefähr.
IR-Bild einer Menschengruppe
Auslaufende Strahlung / CERES
Ausgehende Wärmestrahlung NOAA = National Oceanographic and Atmospheric Administration
IR-Strahlung Äquatorial 20S- 20N
IR-Strahlung Polar 70 90 N
IR-Strahlung Polar 70 90 S
Globale Energiebilanz Gleichgew Einstrahlung = F E /4 = 342 W/m² 235 = 342-107 Kiehl & Trenberth 1997/2009
Erdatmosphäre als Treibhaus F = st 4 = 390 W/m²
Absorption Erdatmosphäre Lässt nur 40 W/m² durch von 398 W/m² Abstrahlung von Erdoberfläche (15 C) Infrarot-Fenster der Atmosphäre Gemini Teleskop Hawaii
Jedes CERES-Instrument (NASA) ist ein dreikanaliges Radiometer: Der Kurzwellenkanal ist für die Messung kurzwelligen Sonnenlichts im Bereich von 0,3 5 µm gedacht (Albedo), ein Kanal misst die von der Erde ausgesandte Wärmestrahlung im von 8 bis 12 µm reichenden Atmosphärischen Fenster -Bereich und ein weiterer Kanal misst die gesamte von der Erde ausgesandte Strahlung. Das CERES-Experiment verfolgt vier Hauptziele: Fortführung der u.a. mit Hilfe des ERBS (Earth Radiation Budget Satellite) Verdoppelung der Genauigkeit von Schätzungen des Strahlungsflusses an der Oberseite der Atmosphäre. Erstmalige Langzeit-Schätzung des Strahlungsflusses innerhalb der Erdatmosphäre. Ermöglichung von Schätzungen über die Eigenschaften von Wolken, die mit den Strahlungsflüssen von der Erdoberfläche bis zur Oberseite der Atmosphäre vereinbar sind.
CERES Planetary Albedo
CERES Planetary Albedo
CERES Outgoing Flux
CERES Outgoing Flux
Earth's net radiation, sometimes called net flux, is the balance between incoming and outgoing energy at the top of the atmosphere. It is the total energy that is available to influence the climate. Energy comes in to the system when sunlight penetrates the top of the atmosphere. Energy goes out in two ways: reflection by clouds, aerosols, or the Earth's surface; and thermal radiation heat emitted by the surface and the atmosphere, including clouds. The global average net radiation must be close to zero over the span of a year or else the average temperature will rise or fall.
239.9 = 340.4 99.9 0.6 Energie-Bilanz Erde 239.9 = 169.9 + 40.1 + 29.9
Die Kontinental-Drift
Struktur der späten Erde
Struktur der späten Erde
Alfred Wegener 1880 1930 Wegeners Vorstellungen zur KontDrift Alfred Wegener in seinem Todesjahr 1930 auf einer Grönland-Expedition
Wegener 1. Grönlandexp 1906 Nach seiner Rückkehr 1908 war Alfred Wegener bis zum Ausbruch des Ersten Weltkriegs Privatdozent für Meteorologie, praktische Astronomie und kosmische Physik in Marburg.
Video SWR: Alfred Wegener
Schiff deutsche Grönlandexp 1930 Auf dem Rückweg von der Forschungsstation Eismitte (im Wesentlichen einer in das Eis gegrabenen Höhle), die er mit zusätzlichen Lebensmitteln versorgte, kam Wegener vermutlich um den 16. November 1930 ums Leben. Am 12. Mai 1931 fand man Wegeners sorgfältig angelegtes Grab im Eis. Sein Begleiter blieb verschollen.
Alfred Wegener Institut AWI Bremerhaven für Geo-, Bio- & Klimawissenschaften 1980
WEGENER S VISION
Die Kontinente - ein Puzzle Südamerika & Afrika passen gut zusammen
Kontinental-Drift Spekulation 1929 Kontinente waren einst Teil einer einzigen Landmasse, die dann auseinanderbrach und die Kontinente bewegten sich auf ihre heutigen Positionen zu. Kontinente können wieder auseinander driften und haben dies auch in der Vergangenheit getan. Wegener hatte keine Theorie dafür!
Konvektion Kontinentaldrift mit typisch 3 cm/jahr = 3000 km/100 Mio. a Wärmestrom Temp = 6000 K
Platten reißen auf Atlant. Rücken
1. Superkontinent Vaalbara ~ 2,5 Mrd. a Pilbara Kraton = geologisch sehr alte (präkambrische) Kerngebiete der Kontinente, die aus stark metamorphen Gesteinen bestehen.
Superkontinent Rodinia ~ 900 Mio a Rodinia (= Gebärkontinent) war ein hypothetischer Superkontinent im Proterozoikum. Er soll vor 1,1 Milliarden Jahren entstanden und vor etwa 800 Millionen Jahren zunächst in zwei große Bruchstücke zerbrochen sein. Rodinia wurde von einem einzigen Ozean umgeben, Mirovia.
Schneeball-Erde < 635 Mio. a Eiszeit dauerte 15 Mio. Jahre! CO2 wurde ausgeregnet & in Gestein eingelagert
~ Jupiter-Mond Europa 3121 km
Superkontinent Pangäa ~ 250 Mio a
Schneeball- Erde H2O2 Bildung Ozonschicht
Tanz der Kontinente
Die heutige Erde
Kambrium vor 500 Mio Jahren Über die Lage der Kontinente ist aus dem Präkambrium wenig bekannt. Erst ab etwa dem Kambrium weiß man einigermaßen genau, wie die Kontinente verteilt waren. Im späten Proterozoikum war der Superkontinent Rodinia in die vier Kontinente Baltica (Nordosteuropa), Laurentia (Nordamerika und Grönland), Sibiria (Sibirien) und den Superkontinent Gondwana (Afrika, Südamerika, Indien, Australien, Antarktika und Arabien) und Armorica zerbrochen.
Ordovizium Zu Beginn des Ordoviziums war es so warm, dass beide Pole eisfrei waren weil also wenig Wasser in Eis gebunden war, lag der Meeresspiegel hoch und es gab ausgedehnte Schelfmeere und Epikontinentalmeere. [Physik-Wissen/Erdzeitalter]
Silur Im unteren Silur kollidierten die beiden Kontinente nun und bildeten einen neuen Großkontinent, der Laurussia oder Euramerika genannt wird. Auch im Silur war das Klima warm und es gab ausgedehnte flache Meere auf den Kontinenten. [Physik-Wissen/Erdzeitalter]
Devon Zwei große Kontinente bestimmten das Aussehen der Erde im Wesentlichen im Devon: Gondwana und Euramerika. Gondwana driftete nach Norden. Zwar war es im Devon warm und trocken was wiederum mit hohem Meeresspiegel und entsprechend großen Schelfmeeren einherging, aber möglicherweises ließ am Ende des Devon eine Vereisung der Pole die Ozeane auf der ganzen Erde abkühlen.
Karbon Bereits seit dem Devon drifteten Gondwana und Euramerika aufeinander zu. Das Klima war zunächst tropisch und dauerfeucht. Dadurch, dass Euramerika und Gondwana nun vereinigt waren, waren jedoch Küstenlinien verschwunden weniger Gebiete hatten feuchtes Meeresklima und das Klima wurde insgesamt trockener. [Physik-Wissen/Erdzeitalter]
Perm Pangäa Im Perm entstand der Superkontinent Pangäa, der alle Landmassen in sich vereinigte. Bereits im Karbon hatten sich Euramerika und Gondwana zusammengeschlossen. Nun kollidierte auch noch Sibiria mit Euramerika, wobei der Ural aufgefaltet wurde. Bereits im Oberperm kündigte sich jedoch der bevorstehende Zerfall Pangäas an.
Trias Zu Beginn der Trias hingen Nordamerika und Europa noch mit Südamerika und Afrika zusammen, doch nun begann Pangäa zu zerfallen.
Jura Im Laufe des Jura setzte sich der Zerfall Pangäas fort. Der Zentralatlantik und der Golf von Mexiko öffneten sich und teilten Pangäa in den Nordkontinent Laurasien (Nordamerika, Europa, Asien) und den Südkontinent Gondwana an etwa der Linie, an der 100 Mio. Jahre zuvor Euramerika und Gondwana verschmolzen waren. Da nach dem Zerbrechen Pangäas wieder mehr Küsten existierten und mehr Landstriche unter dem Einfluss von Meeresklima lagen, wurde das Klima im Jura feuchter, blieb aber zunächst warm.
Kreide In der Kreide zerfiel Pangäa endgültig und das heutige Bild der Erdoberfläche ließ sich langsam erahnen. Australien und Antarktis lösten sich von Gondwana, blieben aber miteinander verbunden. Afrika und Südamerika trennten sich voneinander, wobei sich der Südatlantik öffnete. Indien löste sich von Afrika und begann, in Richtung Asien zu driften. Im Nordatlantik begann die Trennung Europas von Nordamerika.
Paläogen Die Verteilung der Kontinente ähnelt im Paläogen zunehmend der heutigen. Eurasien befand sich schon ungefähr dort, wo es heute noch liegt, war aber noch durch die Thetys von Afrika getrennt. Die Thetys wurde jedoch immer schmaler, da Afrika sich auf Eurasien zuschob. Bereits zu Beginn des Paläogens begann in der Folge die Auffaltung der Alpen.
Neogen Die Lage der Kontinente ändert sich im Neogen nur wenig. Afrika kollidierte mit Europa, weshalb im Mittelmeerraum Atlas, Pyrenäen, Schweizer Jura, Alpen, Karpaten, Apennin u. a. aufgefaltet wurden. Zwar hebt sich das Gebiet bis heute geringfügig, im Wesentlichen ging die Gebirgsbildung im Mittelmeerraum aber im Neogen zu Ende. Im Neogen vergletscherte die Antarktis nun zunehmend, bis es vor 3 Mio. Jahren zu einer raschen Abkühlung kam. [Physik-Wissen/Erdzeitalter]
Quartär Das Quartär ist das zur Zeit jüngste Zeitalter, also das, das bis zur Gegenwart reicht. Die Lage der Kontinente im Quartär entspricht der heutigen. Trotzdem sind die Platten der Erdkruste weiterhin in Bewegung, das derzeitige Aussehen der Erdoberfläche ist auch nur eine Momentaufnahme und keinesfalls ein Endstadium. [Physik-Wissen/Erdzeitalter]
Klima im Phanerozoikum Generell wärmer außer Karbon-Perm-Eis CO2 Faktor 20 höher Dieter Kasang
Zusammenfassung Paläoklima Ohne Treibhausgase wäre die mittlere Temperatur der Erde bei -18 Grad Celsius! Kontinente verschieben sich auf einer Zykluszeit von etwa 500 Mio. Jahren langfristige Klimaschwankungen, Vulkanaktivität etc. Kontinente werden sich in 100 Mio. Jahren wieder verschieben neuer Superkontinent. In den letzten 1 2 Mio. Jahren stellen wir mindestens 8 Eiszeitzyklen von etwa 120.000 Jahren fest. Wir leben gerade in einer Zwischeneiszeit. Die nächste Eiszeit kommt bestimmt!