Die komplexe Erde
die Sphären des Erd- und Sonnensystems und ihr Spiel mit dem Klima
Hannes Grobe
Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meereesforschung
Hockeyschläger - Kurve
Mann et al. 1998
Temperatur -Abw eichung [°C]
Jahr
1 T ag
1 Jahr
10 100
1000 10 000
100 000
1 Mio
10 Mio
100 Mio
1000 Mio
Zeitraum eines Klimawandels
Pazifische Plate
Süd Amerikanisch
e Platte Karibische
Platte
Afrikanische
Platte Indische
Platte Eurasiatische
Platte AmerikanischeNord
Platte
Nazca Platte Cocos Platte
Antarktische Platte
Kontinental-
verschiebung Erdbahn Sonne
Meteorit Meeresströmungen
Vulkane Vulkane
Pazifische Plate
Süd Amerikanisch Amerikanisch Amerikanisch
e Platte Karibische Karibische Platte Platte
Afrikanische Afrikanische Afrikanische Platte Platte
Platte Indische
Platte Eurasiatische
Platte Nord
Nord Nord Nord AmerikanischeNord Amerikanische Amerikanische
Platte Platte Platte
Nazca Nazca Platte Cocos Cocos Platte
Antarktische Platte
Kontinental-
verschiebung Erdbahn Sonne Sonne
Meteorit Meeresströmungen
Vulkane Vulkane
ZEIT
Mensch
?
Harman Smith & Laura Generosa, NASA
Sonnensystem
a
b
Präzession
(23 000 Jahre)
Exzentrizität
(100 000 Jahre)
Schiefe der Ekliptik
(41 000 Jahre) Sonne
Erde Erde
Milankovitch Zyklen
Klimafaktor Erdbahn
Change in Temperature (°C)
Thousands of Years
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Quaternary
0 -2 -4 -6
Eiszeit Warmzeit
wallpapers-diq.net
Nunatak
Eiszeitalter seit 1,8 Millionen Jahren
Grönland
Grönland 7 m 7 m
Antarktis 57 m
Warmzeit 120 m
Eiszeitlicher Eisschild
Antarktis
Grönland Verdunstung
Niederschlag
überhöht nicht maßstabsgerecht
Kontinentalhang Tiefsee
Schelf
Eiszeit
Schmelzwasser
Anstieg des Meeresspiegels
Gletscher 0.15~0.37 m
Erde Erde
Klimafaktor SONNE
1900 1700 1500 1300 1100
Year (A.D.)
Change in Temperature (°C) 1
0.5 0 -0.5 -1
Little Ice Age
Medieval Warm Period
Sonnenflecken
NASA
NASA
NASA
Hendrick Avercamp (1585-1634) Winterlandschaft (ca.1608)
Klimafaktor IMPAKT
Meteoriteneinschlag
vor 65 Millionen Jahren (Kreide/Tertiär) 12 km Ø - 30 km/sec
eq. 100 Mio Wasserstoffbomben 200 km Ø Krater
> Impaktwinter
200 400 600 800
200 400
600
K O S D C P T J K T
0 100
300 500
0
Anzahl Familien
Geologisches Alter [Millionen Jahre]
47 % 84 %
Signor 1990 (redrawn after Figure 10) doi:10.1146/annurev.es.21.110190.002453
Lithosphäre
Pazifische Plate
Süd Amerikanisch
e Platte Karibische
Platte
Afrikanische
Platte Indische
Platte Eurasiatische
Platte Nord
Amerikanische Platte
Nazca Platte Cocos
Platte
Antarktische Platte
Klimafaktor
Plattentektonik
PALEOMAP Project - Christopher R. Scotese
Joseph M.W. Turner (1817) Eruption of Vesuvius
NASA - EarthObservatory
Tambora
Sunda-Inseln, Indonesien
10. April 1815
entspr. 150 000 Atombomben
1816 > Jahr ohne Sommer
Joseph M.W. Turner (1838) Flint Castle
Plateau-Basalt
Grönland - Scoresby Sund
Plateaubasalte vor 250 Mio. Jahren ( Sibirischer Trapp )
CO
2-Gehalt +700 ppm
Wikipedia (Jo Weber)
200 400 600 800
200 400
600
K O S D C P T J K T
0 100
300 500
0
Anzahl Familien
Geologisches Alter [Millionen Jahre]
84 %
Signor 1990 (redrawn after Figure 10) doi:10.1146/annurev.es.21.110190.002453
Hydrosphäre
2 Globale Erwärmung und Meeresökosysteme
Absinken des Wassers im nördlichen Atlantik, die so genannte Tiefenwasserbildung, kann dadurch beein- trächtigt werden. Insbesondere im Nordmeer ist bereits seit Jahrzehnten ein Trend einer Salzgehalts- abnahme zu beobachten (Curry und Mauritzen, 2005), der allerdings nach Modellberechnungen bis- her noch zu schwach sein dürfte, um einen spürbaren Einfluss auf die Atlantikströmungen zu haben.
Britische Forscher haben kürzlich über Messun- gen berichtet, wonach sich die Umwälzbewegung des Atlantik bereits um 30% abgeschwächt haben könnte (Bryden et al., 2005). Die Interpretation die- ser neuen Daten ist in Fachkreisen jedoch umstritten – u. a. weil sie weder zu den Modellrechnungen noch zu den Temperaturveränderungen an der Meeres- oberfläche passen (Abb. 2.1-2), wo eine derartige Abschwächung des Wärmetransports als Abkühlung sichtbar sein sollte. Sollte sich jedoch der Trend zu Erwärmung und Salzgehaltsabnahme in den kom- menden Jahrzehnten weiter verstärken, dürfte dies im Verlauf des Jahrhunderts tatsächlich zu einer deutlichen Abschwächung der Atlantikströmung führen, im Extremfall womöglich sogar zu einem völ- ligen Abbrechen der Tiefenwasserbildung.
Die Folgen wären aller Voraussicht nach gravie- rend. Der Nordatlantikstrom – übrigens nicht der Golfstrom, wie oft vereinfachend zu lesen ist – und der größte Teil des atlantischen Wärmetransports würden versiegen. Dies würde die Temperaturvertei-
lung über dem ganzen Atlantikraum stark verän- dern. Dabei kann es je nach bereits zuvor erfolgter Erwärmung regional sogar zu einer Abkühlung unter heutige Temperaturen kommen. Die Südhalbkugel würde sich dafür umso stärker erwärmen.
Als Folge der dynamischen Anpassung der Mee- resoberfläche an die veränderten Strömungen würde der Meeresspiegel im Nordatlantik ohne Verzöge- rung um bis zu 1 m steigen und auf der Südhalbkugel etwas fallen. Diese Umverteilung des Wassers hätte zunächst keinen Einfluss auf den globalen Mittel- wert des Meeresspiegels (Levermann et al., 2005).
Doch auch im globalen Mittel würde der Meeres- spiegel längerfristig zusätzlich um ca. 0,5 m anstei- gen, da sich der tiefe Ozean nach Versiegen des Nachschubs an kaltem Wasser allmählich erwärmt.
Sehr wahrscheinlich würden sich zudem die tropi- schen Niederschlagsgürtel verschieben, da der so genannte thermische Äquator nach Süden wandern würde (Claussen et al., 2003) – dies zeigen Modellsi- mulationen und Daten aus der Klimageschichte übereinstimmend.
Erste Simulationsrechnungen zeigen außerdem eine Halbierung der Planktonbiomasse im Atlantik (Schmittner, 2005), der heute dank der thermohali- nen Zirkulation zu den fruchtbarsten Meeresgebie- ten und ertragreichsten Fischgründen der Erde gehört. Ein Versiegen der Tiefenwasserbildung
10
Oberflächenströmung Bodenströmung
Tiefenströmung
Salinität > 36 ‰ Salinität < 34 ‰ Tiefenwasserbildung
Abbildung 2.1-4
Das System der globalen Meeresströmungen. Gezeigt ist vor allem die durch Temperatur- und Salzgehaltsunterschiede ausgelöste „thermohaline“ Zirkulation.
Quelle:nach Rahmstorf, 2002
Salinität > 36 ‰ Salinität < 34 ‰
vor 35 Millionen Jahre
Oberflächenströmung Tiefenströmung
vor 35 Millionen Jahre vor 3 Millionen
Jahre
Klimafaktor Meeresströmung
(nach Rahmstorf 2002)
180
warm
cold
Tertiary Mesozoic
65 1.8
Quaternary
Millions of Years (B.P.)
Mean Global Temperature
Eiszeitalter Eiszeitalter
d18O marine climate record
warm stages cold stages
Global ice volume
low
high
0 1.0 2.0 Age (Ma) 3.0 4.0 5.0
Northern Hemisphere Glaciation
Closure of the Panamanian Seaway
Tiedemann 2007
d
18O marine climate record
warm stages cold stages
Global ice volume
low
high
0 1.0 2.0 Age (Ma) 3.0 4.0 5.0
Northern Hemisphere Glaciation
Closure of the Panamanian Seaway
Tiedemann 2007
Schließung der Straße von Panama
Albedo
viel Eis
wenig Eis
Data from Holburn et al. 2005, Shevenell et al. 2004; Grafic after Langebroek et al. 2009
Abkühlung im Miozän
100 000 Jahre
Alter in Millionen Jahre
Eis - „Stellvertreter“
Kalkstein
Olivin
Regenwasser (H 2 O) + Kohlendioxid (CO 2 )
CaCO 3
(Mg,Fe)SiO 4
Verwitterung
Flüsse -> Ozean -> Sedimente
Kryosphäre
LARSEN
LARSEN
Foto: T. Lundälv, Polarstern 2011-03-03
„unter“ Larsen
Foto: R. Knust, Polarstern 2011-03-03
„über“ Larsen
BEDMAP Consortium 2008
modified after Schoof (2010) doi:10.1038/ngeo895
Wärme Wärme Wärme Wärme Wärme Wärme
T- & S- T+
modified after Schoof (2010) doi:10.1038/ngeo895
Atmosphäre
Permafrost
Permafrost
Carla Browning, University of Alaska Fairbanks 2007
Gashydrate
50 Millionen Tonnen Methan pro Jahr 1 Milliarde Tonnen CO ≙ 2
Methan ist 20-fach klimawirksamer als CO
2USGS
film film
Gashydrate
200
400
600
800
1000 0
TIEFE [m]
temperatur [°C]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Phasen- Grenze
20
Meeresboden Meeresoberfläche
Phasen- Phasen- Grenze Grenze
Meeresoberfläche
Meeresboden
Huber et al. 2002 Huber et al. 2002
0 2500 5000 7500 10000
Kohle Erdgas Erdöl Permafrost Gashydrate
Kohlenstoff -Reservoir [GT]
Anthroposphäre
1:1 000 000
Mauna Loa, Hawaii
CO 2 [ppm]
390
Change in Temperature (°C)
Climate!
Optimum
Thousands of Years
Younger!
Dryas
Little!
Ice Age
16 12
8
4 6 10 14 18
0 2
2
0
-2
-4
10 000 Jahre
4° C4° C
Globale Erwärmung aus verschiedenen Klimamodellen Globale Erwärmung aus verschiedenen Klimamodellen
4° C4° C4° C
100 Jahre
IPCC 2007
Vergangenheit Gegenwart Zukunft Beginn des!
Industrie-Zeitalters
100 200 300
Jahre 100
10 000 1 Mill.
100 Mill.
3000
2000
1000
400
200 5000
CO2 (ppm)
Entwicklung des CO -Gehaltes in der Atmosphäre
2?
Gegenwart Zukunft Industrie-Zeitalters
100 200 300
Jahre 100
10 000 1 Mill.
100 Mill.
1000
400 5000
(ppm)
Entwicklung des CO -Gehaltes in der Atmosphäre
2?
Beginn des Beginn des
CO
CO 2 Rate
-0,0001 ppm/a -0,0001 ppm/a -0,0001 ppm/a -0,0001 ppm/a
CO CO CO
CO 22 Rate Rate Rate +2 ppm/a +2 ppm/a +2 ppm/a +2 ppm/a +2 ppm/a
2000
eisfreie eisfreie eisfreie eisfreie
3000eisfreie
3000Erde Erde
2000
Erde Erde
2000
Vergangenheit Vergangenheit V
(ppm)
Vergangenheit Vergangenheit
CO2 V
200
CO 2 <450 ppm <450 ppm <450 ppm <450 ppm <450 ppm <450 ppm <450 ppm <450 ppm <450 ppm <450 ppm <450 ppm Eis Antarktis Eis Antarktis Eis Antarktis Eis Antarktis Eis Antarktis
200
Eis Antarktis
200
Eis Antarktis Eis Antarktis CO 2 390 ppm 390 ppm 390 ppm
Gerhard Rießbeck