Paläoklima - Eisbohrkern-Rekonstruktionen Hans.Oerter@awi.de

(1)

Paläoklima -

Eisbohrkern-Rekonstruktionen

Hans.Oerter@awi.de

photo: hans oerter, 2006

Stand der Klimadebatte - aktuelle Beiträge für den naturwissenschaftlichen Unterricht,

Speyer, 21. März 2012

(2)

Dur chschnittliche globale T emperatur

verändert nach: www.geologieinfo.de/palaeoklima

542 488 444 416 Millionen Jahre

359 299 251 200 146 66 1.8 0.011

Vögel &

Dinosaurier Land-

pflanzen Säugetiere

Temperaturänderung auf geologischer Zeitskala

Mensch

Kambrium Or dovizium Silur Devon Karbon Perm Trias Jura Kr eide Tertiär Pleistozän

Holozän

Prä- kambrium

22°C

17°C

12°C kalt warm kalt warm kalt warm kalt warm kalt

(3)

Nordpol 60° N

Meereis

Südpol 60° S

Antarktische Halbinsel

Ostantarktis Westantarktis

Antarktis

Grönland

Wo wurde bereits gebohrt ? Arktis (Grönland)

GISP2

1989-1993 3053 m,

>110 ka

1990-1992 GRIP

3029 m,

>105 ka

NorthGRIP

1996-2003 3090 m,

123 ka

NEEM

2008-2011 2538 m

>108 ka

source: ArcInfo/G. Rotschky

(4)

Südpol Weddellmeer

Rossmeer Antarktische

Halbinsel

Tiefe

Eisbohrkerne in der Antarktis

Berkner B15

Dyer Pl.

75° S

Dome C Kohnen

Siple St.

Byrd

Dome A

Siple D

Taylor D.

Law Dome

Talos D.

Russia, F, US

3700m, 420 ka

China,

^geplant

JARE

3029m, >700 ka ?

EPICA-DML,

2774m, >250 ka

Neumayer St.

RADARSAT1-Mosaic, Canad. Space Agency/NASA, 1999

Haupteisscheide der Ostantarktis

European Project for Ice Core Drilling in

Antarctica (EPICA) 1996-2008

Oerter et al., Polarforschung 78 (1-2),1-23 (2009) www.polarforschung.de

layout: h. oerter, 2009

EPICA-DC,

3270m, 790 ka Vostok

Dome F

Law Dome: hohe Akkumulations- rate (640 mm WW); Eiskern an

dem rezente (1006-1978 AD) CO

2

-

Konzentrationen bestimmt wurden.

(5)

➡ Wie ist ein Eisschild aufgebaut ?

➡ Wie bohrt und zerteilt man einen

Eisbohrkern ?

➡ Welche Klimainformation

enthält ein Eisbohrkern ?

(6)

➡ Wie ist ein Eisschild

aufgebaut ?

(7)

Ablationsgebiet Akkumulationsgebiet

500 - 1000 km ca. 2000 km 100 - 700 km

typisch für

Grönland Antarktis

Gleichgewichtslinie Aufsetzlinie Summit Akkumulation

Schneezutrag

Schmelzen Ablation Eisberg

- kalben Tafeleisberge

Inlandeis/

Eisschild

Eisfließlinie

Eismächtigkeit

Mittel: 2078 m Maximal: 4775 m

Eismächtigkeit Mittel: 1667 m Maximal: 3080 m

Fels subglaziales Schmelzen

Schelfeis

Meer Meer

grafik: h. oerter, 2009

Schematischer Querschnitt durch einen Eisschild

7,2 m

Meeresspiegeläquivalent

61,1 m

Meeresspiegeläquivalent

(8)

photos: hans oerter

Ein Eisschild baut sich aus über einander liegenden

Jahresschichten auf.

(9)

➡ Wie bohrt und zerteilt

man einen Eisbohrkern ?

(10)

Kohnen

Dome C

European Project for Ice Core

Drilling in Antarctica

(EPICA)

10° W 0° 10°E

20°W 30°W

74°S 72°S 70°S 68°S

74°S 72°S 70°S

76°S

3000 2500

2000 1500

1000 500

500 1000 1500 2000

2500 3000

Neumayer

SANAE IV

Troll

Wasa

Kottas

Camp DML

05

Amundsenisen

Wegenerisen

Brunt- schelfeis

iiseR

r- Sch

elfeis

Larse n-

Heime frontf.

Kirwanv.

H.U.Sve

rdrupf.

Dronning-Maud-Land

Ritscherflya

Weddellmeer

^Ekström-_schelfeis

Ju tulstraume

n

0 km 500

SANAE

Hall

III

ey

Nowolaserewskaja

Meer Schelfeis Inlandeis, gegründetes Eis 2000 Höhenlinie Aufsetzlinie Großbritannien

Traversenrouten: Schweden Deutschland Norwegen

Kohnen

Kohnen

photos: hans oerter

(11)

W erkstatt Lager Generator

Schneeschmelze

2 Schlafräume á 4 Pers.

Sanitär container Küche Messe Funk, PC, e-mail

Kohnen-Station

75°S, 0 °E, 2882 m

Zum Bohr

en

(12)

Kohnen-Station

75°00‘09“S, 00°04‘06“E, 2892 m (WGS84)

Bohrzeitraum: 2001-2006 Mittlere Jahres-

temperatur: -44.6 °C Akkumulationsrate:

64 kg m

^-2

a

^-1

Eis-Fließgeschwindigkeit:

0,756 m/a

Eisdicke: 2782 ±10m

Länge Eiskern: 2774,1 m

(13)

13

Archiv AWI/Kipfstuhl

Bohren eines Eiskerns

(14)

Kernrohr & Bohrkrone Hüllrohr

Bohrturm Motor & Elektronik

Antitorque

innen: Chips-Kammer

(15)

photo: hans oerter, 22.12.2007

(16)

32 x 32 mm 10 mm

SC

15 mm

42 mm 52 mm

55 mm

24 mm

Ø 98 mm

Dünnschnitte

Cont. Flow Analysis (CFA)

10 Be

Archiv

Gase, Staub

SC: verfügbar für Steering Committee

δ ¹⁸ O, δ ² H

photo: h. oerter

Schnittplan

(17)

Das Eislabor am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven

photos: hans oerter, 2002

Auspacken des Kerns Horizontalsäge

foto: hans oerter, 2009

(18)

Das Eislabor am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven

Auspacken des Kerns Vorbereitung für Line-Scan

Horizontalsäge Line-Scan

(19)

Das Eislabor am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven

Auspacken des Kerns Vorbereitung für Line-Scan

Horizontalsäge Line-Scan Längs- und Querschnitte

(20)

➡ Welche Klimainformation

enthält ein Eisbohrkern ?

(21)

Gasgehalt in der Atmosphäre

foto: h.oerter, 2006

Mt. Pinatubo 1991 foto: NOAA

Das Klima-Archiv Eis speichert Informationen zu:

Lufttemperatur

Aerosole

δ ¹⁸ O, δ ² H, stabile Isotope

foto: h. oerter, 1973

foto: h.oerter, 2010

O 2

N 2

78.08%

20.94%

CO 2

0.038%

N 2 O

0.032%

CH 4

0.00018%

(22)

Willi Dansgaard (1922-2011) Hans Oeschger (1927-1998)

aus: Willi Dansgaard: Frozen Annals - Greenland Ice Sheet Research, Copenhagen (2005)

© Niels Bohr Institute, Copenhagen, 2005

Text

(23)

aus: Willi Dansgaard: Frozen Annals - Greenland Ice Sheet Research, Copenhagen (2005)

© Niels Bohr Institute, Copenhagen, 2005

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.

(24)

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

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

SMOW:

Standard Mean Ocean

Water

δ ¹⁸ O = C Probe

C Standard - 1 ) * 1000 ‰

( ^SMOW

(25)

Das „Isotopenthermometer“ (δ ¹⁸ O vs. Temp.)

2005 2004 2003

Sommer/warm

Winter/kalt

stabile Isotope zeigen saisonale

Schwankungen, mit hohen Werten im

Sommer und niedrigen Werten im Winter

„Isotopenthermometer“

muss kalibriert werden W. Dansgaard: Stable

isotopes in precipitation.

Tellus 16, 436-468 (1963)

2002

(26)

Kalibrierung Isotopenthermometer

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.

Temperatur (°C)

δ

18

O (‰)

δ ¹⁸ O (‰) = 0.80 × T (°C) - 8.11 Lokaler Gradient für

δ ¹⁸ O - Temperatur (‰/°C)

(‰/°C)

(27)

Datierung von Eiskernen: Jahresgänge

b

Fernandoy, F. et al.: Stable-isotope ratios and accumulation rates in East Antarctica. Journal of Glaciology, Vol. 56, No. 198, 673-687 (2010)

(28)

Anpassen der einzelnen DEP-

Profile an die EDML Tiefenskala

Nächster Schritt:

Übertragen der angepassten

Tiefenskala auf δ ¹⁸ O-Daten.

1816 A.D. 1259 A.D. 595 A.D.

410 B.C.

Elektrische Leitfähigkeit (µS/cm)

Hauptreferenz- horizonte:

Tambora 1816 Unbekannt 1259

Tiefe auf EDML-Tiefenskala (m WW)

Sulfat (ng/g)

H. Oerter, unveröff.

(29)

GRIP Bohrkern (1990-92)

Interstadiale 1-24:

Dansgaard-Oeschger-Ereignisse

Stabiles Klima während Holzän

(30)

NordGRIP

rot =

Interglazial (Warmzeit)

blau = Glazial (Eiszeit)

Jüngere Dryas

D/O Ereignisse

Eem

Holozän

(31)

Letztes Glazial (Eiszeit)

Holozän (seit 11,7 ka BP)

Jüngere Dryas

(32)

Satellite Image Map Dronning Maud Land 1:2000000, Draft Vers.4.2, BKG, Frankfurt am Main, Nov.1998 (detail)

Neumayer

Kohnen

Dronning Maud Land

74°S 73°S 72°S

71°S 70°S

69°S 15°W

10°W 10°E

15°E

20°E 69°S

75°S 75°S

74°S 73°S 72°S 71°S 70°S

5°W 0° ^5°E

76°S 76°S

B32, B34, B37, EDML

B33

(33)

Die

letzten 2000 Jahre in

der

Antarktis

B37 B32 B33

H. Oerter, unveröff.

Nulllinie: Mittel 1259-1816 AD Gleitendes Mittel

11 Proben

(34)

Die letzten 200 Jahre in der Antarktis

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)

Gestapelte Jahresmittel

von 10 bzw. 13 Firnkernen aus dem zentralen DML

20 10 0 -10

-2-1

Accum. (kg m a ) -20

2000 1950

1900 1850

1800 Years A.D.

2 1 0 -1

18

δ O (‰-SMOW) -2

10 firn cores

13 firn cores

Agung 1963/4

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

50 a ?

Tambora 1816 Krakatau 1884

(35)

EDML-Eiskern

DML Stapel B32, B34, B37,

EDML, B33

0 = Mittel 1259-1816 AD

Gemeins.Zeit:

Probenintervall 65 mmWW gleitendes MIttel 11 Proben

1°C

Temperatur-

gradient: 0,7 ‰/°C

H. Oerter, unveröff.

(36)

Quelle: EPICA Community Members: Nature, 444, 195-198, (2006). data: doi:10.1594/PANGAEA.552235

Hohe Co-Varianz zwischen den Antarktischen Eiskernen EDML, Dome F und EDC

EDML

Dome F EDC

NGRIP

EDML

EDC

Synchronisation EDML und EDC u.a. mit Staubgehalt.

Kaltphasen: hoher Staubgehalt

Warmphasen: niedriger Staubgehalt

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

EDML1 Age (yrs BP)

1950 AD

10 - 60 ka BP

(37)

Synchronisation EDML und NGRIP mit Methangehalt.

Kaltphasen: niedriger Methangehalt Warmphasen: hoher Methangehalt

Byrd

EDML

EDC NGRIP

Methan

Greenland CH

4

composite

EDML

NGRIP Age (yrs BP)

farbig gezeichnet sind Kaltphasen im Norden

A1 und A2 bereits im Byrd-Kern erkannt und DO 8 und DO 12

zugeordnet.

Neue Nomenklatur: AIM

Antartic Isotope Maximum

(38)

In der Antarktis beginnt die Erwärmung in einer Kaltphase (Stadial) des Nordens, die Abkühlung in einer Warmphase

(Interstadial)

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

NGRIP

DO

NGRIP members, Nature (2004)

Alter auf neuer NGRIP-Zeitskala (kilo-Jahre vor heute)

(39)

Eisalter/Gasalter EDC3-Altersmodell (kaBP)

Deuterium

(‰-SMOW)

CO₂ ^(ppmv)

Methan

(ppbv)

Quellen (NOAA/WDC Paleoclimatology):

Jouzel et al.(2007):

Science 317, 793-796 Lüthi, D.et al. (2008):

Nature 453, 379-382 Loulerque, L. et al.

(2008): Nature 453, 383-386

Klimadaten aus antarktischen Eiskernen

(EDC und Vostok)

387 ppm +5°C

-10°C

275ppm

(40)

40

Erdumlaufbahn - Milankovitch-Zyklen

E = Exzentrizität; 100.000 Jahre T = Erdschiefe; 41.000 Jahre

22-24.5°, z.Zt. 23.5°

P = Präzession; 23.000 Jahre

(41)

Eisalter/Gasalter EDC3-Altersmodell (kaBP)

Deuterium

(‰-SMOW)

CO₂ ^(ppmv)

Methan

(ppbv)

Quellen (NOAA/WDC Paleoclimatology):

Jouzel et al.(2007):

Science 317, 793-796 Lüthi, D.et al. (2008):

Nature 453, 379-382 Loulerque, L. et al.

(2008): Nature 453, 383-386

Klimadaten aus antarktischen Eiskernen

(EDC und Vostok)

387 ppm +5°C

-10°C

275ppm

(42)

42

Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre

Summary for Policymakers IPCC WGI Fourth Assessment Report

Page 3 of 18

(23.5 [22.0 to 25.0] GtCO ₂ ) per year in the 1990s, to 7.2 [6.9 to 7.5] GtC (26.4 [25.3 to 27.5] GtCO ₂ ) per year in 2000–2005 (2004 and 2005 data are interim estimates). Carbon dioxide emissions associated with land-use change are estimated to be 1.6 [0.5 to 2.7] GtC (5.9 [1.8 to 9.9] GtCO ₂ ) per year over the 1990s, although

these estimates have a large uncertainty. {7.3}

FIGURE SPM-1. Atmospheric concentrations of carbon dioxide, methane and nitrous oxide over the last 10,000 years (large panels) and since 1750 (inset panels). Measurements are shown from ice cores (symbols with different colours for different studies) and atmospheric samples (red lines). The corresponding radiative forcings are shown on the right hand axes of the large panels. {Figure 6.4}

Strahlungsantrieb (W m -2 )

Kohlendioxid (ppm)

Zeit (Jahre vor 2005)

Quelle: IPCC, Climate Change 2007: The Physical Basis, Summary for Policy Makers (www.ipcc.ch)

Messung an

Luftproben seit 1958 Messung an

Eisproben

Stand der Klimadebatte - aktuelle Beiträge für den naturwissenschaftlichen Unterricht, Speyer, 21. März 2012

(43)

CO₂ and CH₄ Concentrations Past, Present and Future

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CO2 (ppmv)

CH4 (ppbv)

Age (thousand years before 1950)

2008 384 ppmv

2008 1855 ppbv IPCC AR4 Scenarios for 2100 AD

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##!

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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

~3500 ppbv

~1200

Carbon dioxide (CO 2 )

ppmv

and methane (CH 4 )

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.

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

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)

CO

2

data is a compilation of the following records:

Loulergue, L., et al., 2008: Nature, 453:

383-386.

CH

4

data:

Current atmospheric concentrations:

Quelle: http://www.pages-igbp.org

(44)

Zusammenfassung

44

• 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.

(45)