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Das Klima der Erde II. Paläoklima & Klimazyklen
Max Camenzind
Kleine Akademien
März 2016 www.lsw.uni-heidelberg.de
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Frank Sirocko Inhalt: 1. Wetter & Klima 2. Prozesse im Klimasystem 3. Klimaarchive, Modelle & Proxies 4. Geschichte des Klimas 5. Offene Fragen
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• Welche 6 Elemente bestimmen das Klimasystem der Erde?
• Wann ging die letzte Eiszeit zu Ende?
• vor 10.000 Jahren.
• Stehen wir zur Zeit in einer Warm- oder Kaltphase?
Zum Nachdenken
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Ozeane Hydrosphäre 70% mit Wasser bedeckt
Kontinente Lithosphäre
Kryosphäre
Atmosphäre Leben Biosphäre
Sonne
6 Klimaelemente
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Schneeball-Erde < 635 Mio. a Eiszeit dauerte 15 Mio. Jahre!
CO2 wurde ausgeregnet & in Gestein eingelagert
Vulkanaktivität hat die Erde wiederbelebt!
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Klimasystem Wechselwirkungen
Atmosphäre
Sonneneinstrahlung
Hydrosphäre
Kryosphäre
Biosphäre
Lithosphäre
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• Klimavariablen • Temperaturverlauf – Erwärmung? • Erwärmung der Ozeane? • Was ist ein Treibhaus? • das Treibhaus im Vorgarten; Strahlung. • Auf langer Zeitskala wird das Klima durch die
Kontinentaldrift (Alfred Wegener) bestimmt: die Zykluszeit beträgt etwa 500 Mio. Jahre.
• In den letzten 2 - 3 Millionen Jahren beobachten wir Eiszeitzyklen (aus Eisbohrkernen der Antarktis):
• alle 100.000 – 120.000 Jahre vereist die Erde; • Zwischeneiszeiten dauern 10.000 – 12.000 Jahre; • Stehen wir heute am Ende der letzten
Zwischeneiszeit?
Die Themen Teil II
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Das Argo-Netzwerk Weltmeere
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Argo stellt ein operationelles Beobachtungssystem für die Weltmeere dar, mit dem seit dem Jahr 2000 Temperatur, Salzgehalt und Strömungen gemessen werden. Die in Echtzeit übertragenen Daten werden in der Forschung und der Klimaüberwachung verwendet. Argo besteht aus einer Flotte von mehr als 3800 automatisierten Treibbojen (= Floats), die über alle Ozeane verteilt sind. Diese Messroboter sind relativ klein und wiegen zwischen 20 und 30 kg. In der Mehrzahl der Fälle treiben die Floats in Tiefen von 1000 m (der sogenannten Parktiefe) und tauchen alle zehn Tage dann zunächst auf 2000 m ab, um von dieser Tiefe aus an die Oberfläche aufzusteigen. Während des Aufstiegs zur Meeresoberfläche messen die Floats Temperatur, Leitfähigkeit und Druck in der Wassersäule. Mit der Hilfe der gemessenen Parameter können dann auch noch der Salzgehalt und die Dichte des Meerwassers berechnet werden.
Argo-Netzwerk Meeresströmungen
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Die Verteilung der Argo-Bojen
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Video Meeresströmungen / NASA
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Argo Erwärmung der Ozeane
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Erwärmung der Weltmeere ?
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Wie funktioniert ein Treibhaus?
Sonnenstrahlung
Infrarotstrahlung
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IR-Bild einer Menschengruppe
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Die wichtigsten Gase beim natürlichen Treibhauseffekt sind
Wasserdampf, Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4).
Ohne Treibhauseffekt <T> = -18 ° C !!! Schneeball-Erde !
Die Atmosphäre als “Treibhaus”
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Mars Venus
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Die Atmosphäre als “Treibhaus”
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Klima-Variable: Temperatur
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Temperaturänderung rel. 1960er
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Klima-Variable: mittlere globale
Temperatur bis April 2016
El Nino El Nino
T ist 15 Jahre lang konst
Pinatubo Vulkan Juni 1991
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Was ist El Nino-Phänomen? El Niño und La Niña sind die warmen und kühlen Phasen eines Klimazustandes im tropischen Pazifik – die sog. El Niño-Southern Oscillation, order kurz“ENSO”.
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Doku: Was ist El Nino ? La Nina ?
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Klima-Variable: mittlere globale
Temperatur bis April 2016
El Nino El Nino
T ist 15 Jahre lang konst
Pinatubo Vulkan 1991
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Erderwärmung seit Industrialisierung
Referenzwert
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Rolle der Treibhausgase Die Einstrahlung der Sonne bestimmt grundlegend das Klima der Erde. Sie wird jedoch modifiziert durch die Eigenschaften der Atmosphäre, des Ozeans und der Landoberfläche. In der Atmosphäre beeinflussen neben den Wolken vor allem die sogenannten Treibhausgase die Strahlung. In der Atmosphäre selbst wird der Strahlungshaushalt stark durch die chemische Zusammensetzung geregelt. Dabei sind weniger die Hauptbestandteile der Atmosphäre, Sauerstoff und Stickstoff von Bedeutung, obwohl sie etwa 99% der Masse der Atmosphäre ausmachen, als die nur in Spuren vorhandenen so genannten Treibhausgase. Die Treibhausgase absorbieren kurzwellige Sonnenstrahlung und geben sie als langwellige Wärmestrahlung wieder ab. Sie verändern damit stark den Energiehaushalt und die mittlere Temperatur der irdischen Atmosphäre. Die wichtigsten natürlichen Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid.
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Treibhausgas Wasserdampf
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Zunahme der Treibhausgase
Quelle: Dieter Kasang
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CO2 Keeling-Kurve seit 1958
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CO2 Station Mauna Loa auf Hawaii
Bild: NOAA Earth System Research Laboratory
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Neueste CO2 Daten
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Treibhausgas am Südpol
Bild: NOAA Earth System Research Laboratory
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Sonnenuntergang am Südpol am 20.3.2016
Bild: NOAA Earth System Research Laboratory
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CO2 Keeling-Kurve N-S Vergleich
Data: NOAA Earth System Research Laboratory
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CH4 Trend in den letzten Jahren
Data: NOAA Earth System Research Laboratory
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CO2 dramatischer Anstieg seit 100 Jahren
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Langfristige Entwicklung des CO2
Alle fossilen Brennstoffe werden verheizt
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Der Hauptgrund für die Änderungen des CO2-Gehaltes im Känozoikums wird in Bewegungen der afrikanischen und indischen Platte gesehen. Sie haben zunächst zu den starken Gebirgsauffaltungen der Alpen und des Himalaya und damit zu intensiver vulkanischer Aktivität geführt. Nach der Heraushebung vor allem des Himalaya und des tibetischen Plateaus verbrauchten starke chemische Verwitterungsprozesse sehr viel atmo-sphärisches Kohlendioxid, das mit den Sedimenten dem Meer zugeführt und über lange Zeiträume dem Kohlenstoffkreislauf entzogen wurde. Wiki
2100 ?
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Änderungen der atmosphärischen CO2-Konzentration in den letzten 640.000 Jahren sowie Schwankungen von Deuterium als Proxy (Stellvertreterdaten) für Temperatur im arktischen Eis. Auffällig sind die parallele Entwicklung beider Werte sowie der steile Anstieg des CO2-Gehalts seit Beginn der Industrialisierung, der mit aktuell (2015) 405 ppm alle Werte der vergangenen 640.000 Jahre, die auch in früheren Warmzeiten 300 ppm nicht überschritten, deutlich übertrifft.
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Kernfrage der Klimaforschung:
Um wieviel Grad C erwärmt sich
die Erdatmosphäre bei
Verdopplung der
CO2-Konzentration bis 2050
von 300 ppm auf 600 ppm?
nur um 1,0 – 2 °C ?
um 4 – 5 ° C (IPCC) ?
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Klima-Variable:
Wärmeinhalt Ozean < 700 m
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Klima-Variable:
Wärmeinhalt NAtlantik < 700 m
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Vor 4 bis 3,5 Mrd. Jahren war die Erde noch mit
Ozeanen und Vulkanen bedeckt blauer Planet
Zu den ersten Kontinenten Superkontinent
Die Erde vor 4 Milliarden Jahren
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Kontinental-Drift Klimaänderung
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Aufbau der heutigen Erde
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Struktur der späten Erde
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Alfred
Wegener
und die
Kontinental-
drift
1880-1930
AWI Bremerhaven
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Alfred Wegener 1880 – 1930 Wegeners Vorstellungen zur KontDrift
Alfred Wegener in seinem Todesjahr 1930 auf einer Grönland-Expedition
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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.
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Alfred Wegener Institut AWI Bremerhaven für Geo-, Bio- & Klimawissenschaften 1980
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Die Kontinente - ein Puzzle Südamerika & Afrika passen gut zusammen
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Konvektion Kontinentaldrift mit typisch 3 cm/Jahr = 3000 km/100 Mio. a
Wärmestrom Temp = 6000 K
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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.
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Schneeball-Erde < 635 Mio. a Eiszeit dauerte 15 Mio. Jahre!
CO2 wurde ausgeregnet & in Gestein eingelagert
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Superkontinent Pangäa ~ 250 Mio a
Phanerozoikum = Zeitalter des „sichtbaren Lebens“ < 540 Mio. a
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Tanz der Kontinente
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Schneeball- Erde H2O2
Bildung Ozonschicht
Heutiger Anteil
Phanerozoikum
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Kontinentaldrift
Variation
Erdbahn
Grafik: Wikipedia/Camenzind
Reduktion CO2-Gehalt
1500 200 ppm Sonnen-
Flecken
Klima auf allen Zeitskalen variabel Generell wärmer – außer Karbon-Perm-Eiszeit
Seit 50 Mio. Jahren trat eine Abkühlung ein
Dino-Event
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Eiszeit – Warmzeit – Eiszeit - …
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Eisbohrkerne sind das einzige
Klimaarchiv, in dem die
Zusammensetzung der
Paläoatmosphäre direkt auf-
gezeichnet ist (< 800.000 Jahre).
Die Zusammensetzung
lässt sich anhand einge-
schlossener Luftblasen messen.
Das Klima der letzten 800.000 Jahre
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GRIP = GReenland
Ice Core Project
bis 3090 m Tiefe =
123.000 Jahre NEEM = Nord-Grönland Eem Eisbohren
14 Nationen – Leitung Dänemark
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Willi Dansgaard & Hans Öschger
Die Pioniere der Eisbohrerei
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Wie ist ein Eisschild aufgebaut?
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Eem – nach dem Fluss Eem in den Niederlanden.
Die Eem-Warmzeit hatte eine Dauer von etwa 11.000
Jahren. Sie begann vor etwa 126.000 Jahren, nach der
Saaleeiszeit beziehungsweise Riß-Eiszeit, und endete
vor etwa 115.000 Jahren mit dem Beginn der letzten
Kaltzeit. Die Eem-Warmzeit war gekennzeichnet durch
relativ stabile klimatische Verhältnisse. Die
Temperatur im Optimum der Warmzeit lag in Europa 3
– 4° Grad über der heutigen Mittel-temperatur. Dies
hatte unter anderem zur Folge, dass der
Meeresspiegel bis zu 5m höher lag als gegenwärtig
und viele Ebenen und Becken überflutet waren.
Die Eem-Warmzeit vor 120.000 a
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Doku: Eisbohren Grönland 2009
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Eisbohrkerne aus der Antarktis
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83
Eiszeitzyklen Chaos
Max Camenzind – Bad Kissingen - 2016
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Entwicklung der Meereshöhe in den letzten 32.000 Jahren
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Die Zeitreihen zeigen einige wichtige Merkmale bei
den Treibhausgaskonzentrationen:
So stieg der Gehalt von CO2 während der letzten
400.000 Jahre jeweils von 180 Volumenteilen
pro Million (ppmv) während der Kaltzeiten
auf 280 bis 300 ppmv in den Warmzeiten.
Der Methangehalt stieg jeweils von 350 auf 750 ppbv
(Volumenanteil pro Milliarde).
In früheren Warmzeiten lagen die CO2- und
CH4-Konzentrationen etwas niedriger.
Warmzeiten dauerten typisch 11.000 – 13.000 Jahre!
Welche Prozesse diese Schwankungen
verursacht haben und welchen Grund die natürliche
Spannbreite der Treibhausgaskonzentrationen hat,
ist immer noch unsicher Trigger: Milankovic-Zyklen.
Klimazyklen in den letzten 800.000 Jahren
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Langzeitentwicklung der Erdbahn Keine Eiszeit in nächsten 100.000 Jahren
Wikipedia/Erdbahn
heute
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• Ohne Treibhausgase wäre die mittlere Temperatur der Erde bei -18 Grad Celsius!
• Kontinente verschieben sich auf einer Zykluszeit von etwa 500 Mio. Jahren langfristigen Klimaschwankungen, Vulkanaktivität etc.
• Kontinente werden sich in 100 Mio. Jahren wieder verschieben neuer Superkontinent.
• In den letzten 1 – 2 Mio. Jahren stellen wir min-destens 8 Eiszeitzyklen von etwa 120.000 Jahren fest. Wir leben gerade in einer Zwischeneiszeit.
• Die nächste Eiszeit kommt bestimmt!
Zusammenfassung Paläoklima
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Kernaussagen 1 • Klima ist ein stark nichtlineares physikalisches System bisher nur lineare Extrapolationen in Simulationen berücksichtigt! Klima ist auf allen Zeitskalen variabel!
• Auch ohne antropogene Einflüsse war das Klima in vergangenen Warmzeiten bis zu 8° C wärmer (!) und der Meeresspiegel bis zu 5m höher Schwingungen um die Gleichgewichtslage „Warmzeit“ arktisches Eis war geschmolzen! antarktisches nicht.
• Klima ist deterministisches Chaos kleine Änderungen in Anfangswerten führen zu gewaltigen Abweichungen in der Langzeitentwicklung Attraktor besteht mindestens aus Warmzeit – Kaltzeit und ist bisher nicht sichtbar in Modell-Simulationen.
• Variationen der Erdbahn + Schiefe der Ekliptik sind externe Antreiber mit Zykluszeit von 100.000 Jahren, auf die der Mensch keinen Einfluss hat.
• Keine Eiszeit in den nächsten 100.000 Jahren.
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Kernaussagen 2
• Treibhausgase (Wasserdampf, CO2, Methan), neben O2 sind wichtig für unser Klima Temperatur wäre sonst bei -18° C.
• CO2-Konzentration von 200 – 300 ppm 400 ppm angestieg
• Klimaveränderung wird heute durch den Strahlungsantrieb RF(t) (in W/m²) parametrisiert IPCC5 hat 4 Szenarien (sog. RCPs) zum Studium der Klimaentwicklung definiert.
• Kritik: TempEntwicklung geht nicht linear, sondern logarithm
• Die Sonneneinstrahlung ändert sich mit dem 11-Jahres Zyklus (RF ~ 0,8 W/m²), zeigt aber auch Zykluszeiten von etwa 1000 Jahren (RF ~ 2-3 W/m²), die kleine Eiszeiten und Warmperioden mit Schwankungen um +-1 °C erklären.
• Ursache des „Temperaturanstiegs“ in den letzten 50 Jahren ist nicht geklärt – CO2 oder Relaxation? Gerry Meehl