800.000 Jahre Klimageschichte - Aktuelle Ergebnisse der antarktischen Eiskernbohrungen

(1)

800.000 Jahre Klimageschichte -

Aktuelle Ergebnisse der antarktischen Eiskernbohrungen

photo: hans oerter, 2005

Hans.Oerter@awi.de

Geographisches Kolloquium Leuphana Universität Lüneburg, 29. Nov. 2011

(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 der Antarktische Eisschild aufgebaut ?

➡ Wie bohrt und zerteilt man einen

Eisbohrkern ?

➡ Welche Klimainformation

enthält ein Eisbohrkern ?

(6)

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

(7)

photos: hans oerter

Ein Eisschild baut sich aus über einander liegenden

Jahresschichten auf.

(8)

➡ Wie bohrt und zerteilt

man einen Eisbohrkern ?

(9)

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

(10)

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

(11)

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

(12)

Archiv AWI/Kipfstuhl

(13)

Kernrohr & Bohrkrone Hüllrohr

Bohrturm Motor & Elektronik

Antitorque

innen: Chips-Kammer

(14)

photo: hans oerter, 22.12.2007

(15)

Das Eislabor am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven

photos: hans oerter, 2002

Auspacken des Kerns Horizontalsäge

foto: hans oerter, 2009

(16)

Das Eislabor am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven

Auspacken des Kerns Vorbereitung für Line-Scan

Horizontalsäge Line-Scan

(17)

Das Eislabor am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven

Auspacken des Kerns Vorbereitung für Line-Scan

Horizontalsäge Line-Scan Längs- und Querschnitte

(18)

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

(19)

➡ Welche Klimainformation

enthält ein Eisbohrkern ?

(20)

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%

(21)

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

(22)

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

(23)

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)

(24)

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)

(25)

Referenzhorizonte:

Tambora 1816 A.D.

Unknown 1259 A.D

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

410 B.C.

Datierung von Eiskernen:

bekannte

Zeithorizonte, z.B.

Vulkanausbrüche

(26)

Synchronisation mit Staub und Methan (N-S)

Staubgehalt:

EDML - EDC

Methangehalt:

Grönland - EDML

aus: EPICA community members: One-to- one coupling of glacial climate variability in Greenland and Antarctica. Nature Vol. 444,

9 Nov 2006, 195-198

(27)

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

(28)

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

(29)

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)

(30)

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

(31)

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

(32)

Prof. Dr. Svante Arrhenius

* 19. Febr. 1859 auf Gut Wik bei Uppsala

✝ 02. Okt. 1927 in Stockholm 1903 Nobelpreis für Chemie

Quelle: wikipedia

(33)

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)

Geographisches Kolloquium Leuphana Universität Lüneburg, 29. Nov. 2011 33

Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre

Messung an

Luftproben seit 1958 Messung an

Eisproben 389

275

(34)

Geographisches Kolloquium Leuphana Universität Lüneburg, 29. Nov. 2011 34

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Eos, Vol. 91, No. 37, 14 September 2010

VOLUME 91 NUMBER 37 14 SEPTEMBER 2010

PAGES 325–332

Questions about global warming concern climate scientists and the general public

alike. Specifically, what are the reliable surface temperature reconstructions over the past few centuries? And what are the best predictions of global temperature change the Earth might expect for the next century?

Recent publications [National Research Council (NRC), 2006; Intergovernmental

Panel on Climate Change (IPCC), 2007] per- mit these questions to be answered in a sin- gle informative illustration by assembling temperature reconstructions of the past

thousand years with predictions for the next century. The result, shown in Figure 1, illus- trates present and future warming in the

context of natural variations in the past [see also Oldfield and Alverson, 2003]. To quote a Chinese proverb, “A picture’s meaning can express ten thousand words.” Because it suc- cinctly captures past inferences and future projections of climate, the illustration should be of interest to scientists, educators, policy makers, and the public.

Surface Temperatures in the Past

Surface temperatures for Earth are most reliably known for the period 1850 to present, the time interval for which there is rea- sonable global coverage of meteorological stations measuring temperature in a system- atic manner [Hansen et al., 2001; Smith and Reynolds, 2005; Brohan et al., 2006].

The instrumental record part of Figure 1 represents global annual temperature anom- alies for 1850–2008 [Brohan et al., 2006].

Temperature during this time has increased by about 0.8°C, with much of the warming occurring since 1975. Annual records for

individual stations and for groups of stations exhibit both large (~1°C) interannual vari-

ability and decadal or longer periods of both warming and cooling.

Because temperature reconstructions are generally made in terms of a temperature change, also referred to as a temperature

anomaly, the zero point on the scale is

arbitrary. The reference level in Figure 1 is defined as the 10-year average of temperatures for the years 1995–2004, centered on 1 January 2000. It is a convenient reference for changes in past centuries and for view- ing temperature change in this century.

Temperatures prior to the instrumental record are derived from various proxy estimates such as tree rings, corals, and sedi- ments; from observations and inferences of glacier length changes; and from subsurface temperatures measured at regular intervals within boreholes. The curves in Figure 1 are taken from NRC [2006] and represent different estimates of temperature for the Northern Hemisphere. Weighted to midlatitudes, they are also smoothed ver-

sions of actual temperature changes with the degree of smoothing unique to the particular

reconstruction method [NRC, 2006, and ref- erences therein]. Differences between the various curves represent different spatial sampling, latitudinal emphasis, seasonal- ity, and methodologies. This collection of curves suggests that the Northern Hemi-

sphere was relatively warm around 1000 C.E.

(but not as warm as current temperature), that the period 1500–1850 was relatively cool, and that there has been considerable warming since 1900 [NRC, 2006].

Borehole Temperatures Confirm Long-Term Climate Change

Subsurface temperatures measured in boreholes register not only the steady state heat flowing out from the interior of the Earth but also transient departures attribut- able to past surface temperature changes [e.g., Lachenbruch and Marshall, 1986; Harris and Chapman, 2001]—in essence, the heat of the Earth’s atmosphere diffuses into the Earth’s crust such that progressively deeper regions hold signatures for the temperatures of progressively older times. Through the

Climate Change:

Past, Present, and Future

PAGES 325–326

Fig. 1. Views of temperature change in the next century are informed by temperature changes in the past. For illustrative and educational purposes, three sets of surface temperatures have been assembled: 1000-year reconstructions of past temperature change based on proxies (tree rings, corals, etc.), glacier lengths, and borehole temperatures; the instrumental record; and Intergovern- mental Panel on Climate Change (IPCC) projections for temperature change from 2000 to 2100.

Klimaänderung: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft

EOS, Transactions, American Geophysical Union, Vol.91, No. 37, 14 Sept. 2010

Temperaturabweichung von 1995-2004 (°C)

Mittel 1995-2004

Jahre A.D.

(35)

36

Informationen basierend auf IPCC- Report 2007:

Möglicher Bereich für Temperaturerhöhng

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

CO

2

konstant wie 2000 AD

Der Blick in die Zukunft

20tes Jahrhundert

Mittel 1980-1999

konstante Jahr-2000-Konzentration

Globale T emperaturänderung (°C)

2010

Jahr

(36)

.ipcc.ch)

Mittel 1980-1999

Globale T emperaturänderung (°C)

2010

Informationen basierend auf IPCC- Report 2007:

Möglicher Bereich für Temperaturerhöhng

20tes Jahrhundert

konstante Jahr-2000- Konzentration

CO

2

konstant wie 2000 AD

Der Blick in die Zukunft

(37)

Quelle: IPCC, Climate Change 2007: The Physical Basis, Summary for Policy Makers (www.ipcc.ch) 38

Mittel 1980-1999

Meeresspiegelanstieg

18cm 38cm

23cm 51cm

2010

Der Blick in die Zukunft

Informationen basierend auf IPCC- Report 2007:

Möglicher Bereich für Temperaturerhöhng

20tes Jahrhundert

konstante Jahr-2000- Konzentration

Globale T emperaturänderung (°C)

Jahr

(38)

Information aus IPCC-Report 2007:

Was verursacht Meeresspiegelanstieg ?

1993-2003 ^mm/Jahr

57,1%

1,6 ±0,5

27,5%

0,77 ±0,22

7,5%

0,21 ±0,35

7,5%

0,21 ±0,35

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

Gletscher und Eiskappen

Grönland Antarktis

Summe: 2,8 mm pro Jahr 28 mm in 10 Jahren

Ozean -

Ausdehnung durch

Erwärmung

(39)

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

(40)

Eiskern B34

Bohrdatum: Jan. 2004 Länge.: 0.0669° E

Breite: -75.0008° S Höhe: 2882 m ü.Meer ca. 200m W von EDML Tiefe: 200.5 m

Akkum.-Rate: 65mm kg m^-2a^-1 Mittl. Temperatur: -44.6 °C Probenlänge für δ¹⁸O:

0-50m: 10 cm 50-100m: 6.67 cm 100-200m: 5 cm

Beispiel für Eiskern- untersuchungen:

δ ¹⁸ O und di-electric profiling (DEP)

Krakatao 1884 Tambora 1816 Kuwae 1458 Unknown 1259 A.D.

Vulkanchronologie nach Kern B32. Traufetter et al., J.Glac. 50, 137-146 (2004); doi:10.1594/

PANGAEA.104881

(41)

Abweichung δ ¹⁸ O vom Mittelwert für 1259-1816 A.D.

vereinheitlichtes

Probenintervall 65 mm WW

0 = mean 1259-1816 A.D.

Urspr. Tiefenauflösung:

0-50m:

10cm (35-70mm WW) 50-100m:

6.7cm (47-56mm WW)

>100m:

5cm (42-45mm WW)

18O Daten B32 von Graf et al., Ann. Glac. 35, 195-201 (2002); doi:10.1594/PANGAEA.104862.

(42)

EDML-Eiskern

DML Stapel B32, B34, B37,

EDML, B33

0 = Mittel 1259-1816 A.D.

Time overlap:

Probeninterval 65mm WW Gleitendes Mittel 11 Pr.

1°C

Temperaturgradient:

0.7 ‰/°C

(43)

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)

Stapelung (11 Kerne) Jahresmittel

Agung 1963

Abweichung vom Mittel 1801-1997:

1801-1905:

δ

¹⁸

O: -0.010 ‰/a

^Acc.: -0.120 kg m

^-2

a

^-1

/a

50 a ?

Tambora 1815

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

Krakatau 1883

1905-1997:

δ

¹⁸

O: +0.009 ‰/a

^Acc.: +0.068 kg m

^-2

a

^-1

/a

(44)

JASE 2007/08

S. Fujita et al. (2011): Snow accumulation in Dronning Maud Land, East Antarctica. The Cryosphere, 5, 1057–1081.

www.the-cryosphere.net/5/1057/2011/

Japanese Swedish Antarctic Expedition across Dronning

Maud Land (DML) im Südsommer

2007/2008

2800 km Länge

(45)

Japanese Swedish Antarctic Expedition across Dronning Maud Land (DML)

S. Fujita et al. (2011): Snow accumulation in Dronning Maud Land, East Antarctica.

The Cryosphere, 5, 1057–1081. www.the-cryosphere.net/5/1057/2011/

90

70

50

30

(46)