Rekonstruktion pal¨ aoklimatischer Ver¨ anderungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs — RESPIC
P. K¨ohler, J. Schmitt, F. Fundel, B. Twarloh & H. Fischer
Alfred–Wegener–Institut f¨ur Polar– und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft
Postfach 12 01 61, 27515 Bremerhaven, email: pkoehler@awi-bremerhaven.de, hufischer@awi-bremerhaven.de
Zusammenfassung
Eiskerne stellen ein einzigartiges Archiv der Pal¨aoatmo- sph¨are dar. Schwerpunkt von RESPIC ist die Unter- suchung der Wechselwirkung von Klima und Kohlen- stoffkreislauf im Verlauf des letzten glazialen Zyklus.
Dazu werden Untersuchungen der CO2-Isotopie in Luf- teinschl¨ussen an dem neuen EPICA Eiskern in Dronning Maud Land (DML), Antarktis, durchgef¨uhrt. Eiskern- Zeitreihen zu ¨Anderungen des globalen Kohlenstoffkreis- laufs werden mit dem neuentwickelten Modell BICYCLE interpretiert. Erste Untersuchungen unterst¨utzen einen massgeblichen Einfluss nordhemisph¨arischer Tempera- tur¨anderungen auf das terrestrische Kohlenstoffreservoir und damit aufδ13C in der Atmosph¨are. Im Gegensatz zu Zeitscheibenexperimenten wird die notwendige CO2- Emission aus dem Ozean in transienten, gekoppelten L¨aufen der Deglaziation durch bisher diskutierte Pro- zesse nicht quantitativ erkl¨art.
Kohlenstoffarchive in Eisbohrkernen
CO2undδ13C-Zeitreihen antarktischer Eisbohrkerne zei- gen signifikante ¨Anderungen im Verlauf der letzten 40000 Jahre. Ein einfacher Bilanzansatz zeigt, dass Variationen von bis zu 20 ppmv in CO2und 0.2◦/◦◦inδ13C im Holoz¨an und LGM quantitativ durch Anwachsen/Schwinden des terrestrischen Kohlenstoffreservoirs erkl¨art werden k¨onnen (Inderm¨uhle et al. 1999, Fischer et al. 2003). Die zum ant- arktischen Temperaturanstieg synchronen ¨Anderungen im Verlauf des Glazial/Interglazial- ¨Ubergangs (ca. 80 ppmv in CO2und 0.7◦/◦◦inδ13C) spiegeln die dominierende Rolle des S¨udozeans auf die atmosph¨arische CO2-Konzentration wider.δ13C ist davon z.T. abgekoppelt und weist auf Tem- peratur¨anderungen in der Nordhemisph¨are und damit den Einfluss der terrestrischen Biosph¨are auf die Kohlenstoff- isotopie auch in diesem Zeitintervall hin.
Nur mit Hilfe eines transienten Modellansatzes und bes- serer δ13C-Datens¨atze kann die Kopplung von Kohlen- stoffkreislauf und Klima¨anderungen im Verlauf der letzten Deglaziation erkl¨art werden.
Neue Eiskernarchive
Bisherige zeitlich aufgel¨oste δ13C-Archive beschr¨anken sich auf Messungen am Taylor Dome Eiskern (Smith et al.
1999, Fischer et al. 2003), der vollst¨andig aus Blaseneis besteht. An tieferen Eiskernen, in denen Gas in Form von Klathraten archiviert ist, war bisher keine fraktionierungs- freie Messung m¨oglich. Durch den Aufbau einer neuen Sublimationsextraktion in Verbindung mit einer innerhalb von RESPIC neuentwickelten GCMS-Methode, die die er- forderliche Probengr¨oße um den Faktor 100 verringert, sol- len solche hochpr¨azisen Messungen an dem neuen EPICA- DML Eiskern erstmals erm¨oglicht werden.
Lokationen des Europ¨aischen Eiskernbohrpro- jektes EPICA.
Schema der Extraktions- anlage f¨ur δ13 C–
Messungen an Klathrateis.
Links: Pal¨aodatenarchive. Temperaturproxyδ18 O aus den Eiskernen Byrd und GRIP (Blunier & Brook 2001); CO2,δ13C, aus den Eiskernen Taylor Dome und Dome C (Smith et al. 1999, Fischer et al. 2003, Monnin et al. 2001, pers. Mitteil.); Meeresspiegel¨anderungen aus Korallenriffen (Fairbanks 1990). Rechts: Interpretation der CO2 undδ13 C-Archive mithilfe eines Isotopenmischungsdiagramms.
Neuer Modellansatz
Das zur Dateninterpretation neuentwickelte Boxmodell des globalen Kohlenstoffkreislaufes namens BICYCLE kop- pelt ein Ozean/Atmosph¨arenmodell (Munhoven 1997) an eine terrestrische Biosph¨are (Emanuel et al. 1984, Khesh- gi & Jain 2003). F¨ur eine transiente Simulation wird das Modell mit Pal¨aoarchiven angetrieben. Insbesondere ist es m¨oglich, das Biosph¨arenmodell mit den gemessenen atmo- sph¨arischen Daten anzutreiben und so das Anwachsen der terrestrischen Biomasse w¨ahrend der Deglaziation isoliert zu untersuchen.
Aufbau des Modells BICYCLE bestehend aus Ozean (10 Boxen in f¨unf Ozean- becken und drei unterschiedlichen Meerestiefen), Biosph¨are (7 Boxen) und Atmo- sph¨are. Im Ozean finden Sedimentationprozesse statt. Die terrestrische Biosph¨are besteht aus global gemittelten Kompartimenten, in denen sowohl C3/C4 Pho- tosynthese als auch Lebensdauerdifferenzen im Boden gebundenen Kohlenstoffes aufgel¨ost werden.
100 m
1000 m
DEEP SURFACE
MEDIATE INTER−
Rock
carbon
water C3
FS SS
NW W D C4 Atmosphere
Biosphere
Atlantic Indo−Pazific
Sediment
40°N
50°N 40°S 40°S
SO
Box model of the Isotopic Carbon cYCLE BICYCLE
Simulationsergebnisse
Ein prognostizierter Anstieg der terrestrischen Biomasse um 600 PgC w¨ahrend der Deglaziation kann im Rahmen der Modell- und Datenunsicherheit auf unterschiedlichem Wege erreicht werden. Hierbei erscheinen Ergebnisse, die auf einer st¨arkeren Temperaturabh¨angigkeit der Biosph¨are (Fall II) beruhen auf Grund der Ver¨anderungen imδ13C wahrscheinlicher als Szenarien, in denen CO2-Fertilisierung (Fall I) dominiert (K¨ohler & Fischer 2003).
Bisherige Versuche, den in den Eiskernen archivierten CO2–Anstieg w¨ahrend der Glazial/Interglazial- ¨Uberg¨ange zu erkl¨aren, haben sich auf Gleichgewichtsuntersuchungen des Ozean konzentriert, in denen die steilen Gradienten in den Kohlenstofffl¨ussen aus dem Ozean in das Atmo- sph¨aren/Biosph¨aren–Subsystem w¨ahrend des Anwachsen der terrestrischen Biosph¨are keine Ber¨ucksichtigung fin- den. Unser Modellansatz zeigt, dass nur mit einer tran- sienten Untersuchung, die alle relevanten Teile des Koh- lenstoffkreislaufes ber¨ucksichtigt, die entscheidenden Pro- zesse f¨ur die zugrundeliegenden Ver¨anderungen identifiert werden k¨onnen.
Simulations- ergebnisse des Biosph¨aren- Subsystem.
Kohlenstoffgehalt der terrestrischen Biosph¨are im LGM.
Scenario 600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Carbon[PgC]
Terrestrial carbon at LGM Terrestrial carbon at LGM
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
SD/mean[-]
Scenario 600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Carbon[PgC]
Terrestrial carbon at LGM
KheshgiA KheshgiB Kicklighter Allvariations C fC4 NPP C+fC4 C+NPP NPP+fC4 C+fC4+NPP CaseI CaseII
Berechnete Fl¨usse (A: Kohlenstoff; B:δ13 C) aus dem Ozean in das Atmo- sph¨are/Biosph¨are Subsystem f¨ur Simulationen der terrestrischen Biosph¨are. At- mosph¨arische Kohlenstoffpools (C: pCO2; D:δ13C) f¨ur Ozean/Atmosph¨are und gekoppelte Ozean/Atmosph¨are/Biosph¨are–Simulationen.
0 200 400 600 800
Co2ab[PgC]Cumulativeflux
case II case I data pCO2(atm)
A
400 450 500 550 600
pCO2(atm)[PgC]
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
13Co[o/oo] B
Oceanicincrease
-7.2 -7.0 -6.8 -6.6 -6.4 -6.2
13Catm[o/oo] case II
case I data13Catm
180 200 220 240 260 280
pCO2[ppmv]
coupled model ocean/atmosphere data Taylor Dome
C
effect of TB
-7.2 -7.0 -6.8 -6.6 -6.4
13C(atm)[o/oo] D
10 15
20 25
Time [ky BP]
coupled model ocean/atmosphere data Taylor Dome
Referenzen
Blunier, T. & Brook, E. J. 2001. Science 291:109–112.
Emanuel, W. R. et al., 1984. Ecology 65:970–983.
Fairbanks, R. G. 1990. Paleoceanography 5:937–948.
Fischer, H. et al. 2003. Mem Natl. Inst. Polar Res., Spc. Issue 57: 121–138.
Inderm¨uhle, A. et al. 1999. Nature 398:121–126.
Kheshgi, H. S., A. K. Jain, 2003. GBC 17, 1047, doi: 101029/2001GB001842.
K¨ohler, P. & Fischer, H. 2003. Global & Planetary Change, submitted.
Monnin, E. et al., 2001. Science 291:112–114.
Munhoven, G. 1997. PhD thesis, Universite de Liege, Belgium.
Smith, H. J. et al. 1999. Nature 400:248–250.
