Teil 4: Paläoklima im Quartär – Pleistozän · Karbon Pennsylvanium Mississippium 323 355 ⇑c...
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•D
Christian-D. Schönwiese Universität Frankfurt/Main
Institut für Atmosphäre und Umwelt© ESA/EUMETSAT: METEOSAT 8 SG – multi channel artificial composite colour image, 23-5-2003, 12:15 UTC
Teil 4: Paläoklima im Quartär – Pleistozän
Übersicht der geologischen Zeitalter und Klima
Quellen: Lexikon der Geowissenschaften, 2002; Frakes, 1979, u.a.; hier nach Schönwiese, 2013
Zeitalter (Ära)
Periode (System)
Epoche (Serie)
Zeit ab Mill. J.v.h.
Ereignis O B E
Klima
Neozoikum (Känozoikum)
Quartär Holozän Pleistozän
0,011 1,6
• Warmzeit des Quartären Eiszeitalters Quartäres Eiszeitalter (seit ca. 2-3 Mill. J.v.h.)
Tertiär Pliozän Miozän Oligozän Eozän Paläozän
5 23 35 54 65
⇑a ∇5
Weitere markante Abkühlung, verstärkte Variabilität Variabel, Vereisung zeitweise wieder geschrumpft Kühler und beginnende Vereisung der Antarktis Warm und feucht Noch sehr warm (akryogen) und sehr feucht
Mesozoikum Kreide Oberkreide Unterkreide
100 142
⇑b Sehr warm und meist sehr trocken
Jura Malm Dogger Lias
159 180 205
∇4
Warm and sehr trocken, im Malm vorübergehend kühler
Trias Keuper Muschelkalk Buntsandstein
227 242 250
Warm und sehr trocken
Paläozoikum Perm Zechstein Rotliegendes
255 290
∇3 ●
Wärmer werdend und trocken Permokarbonisches Eiszeitalter (c. 320-260 Mill. J.v.h.)
Karbon Pennsylvanium Mississippium
323 355
⇑c Warm und sehr feucht, später abkühlend
Devon Oberdevon Mitteldevon Unterdevon
370 391 410
∇2 ⇑d
Warm und relativ trocken
Silur Obersilur Untersilur
438
●
Warm, zeitweise sehr feucht Silur-Ordovizisches Eiszeitalter (ca. 450-440 Mill. J.v.h.)
Ordovizium Oberordov. Unterordov.
510
⇑e ∇1 Warm and feucht, später kühler werdend
Kambrium 570 Warm und feucht (?) Präkambrium Protero-
zoikum Neo- Meso- Paläo-
2 500
⇑? ∇? • •
Mehrere Präkambrische Eiszeitalter (ca. 620, 750, 950 Mill. J.v.h., dazwischen sehr warme Epochen Sog. Huronisches Eiszeitalter (ca. 2.3 Mill. J.v.h.)
Archaikum 4 600 ? Extensiv warm O = Orogonesen: a) West-Alpidische, b) Ost-Alpidische, c) Europäisch-Variskische, d) beginnende Variskische (bis ins Karbon reichend), e) Kaledonische B = Bioereignisse (Artensterben), ungefähre Zeitangaben: 1→ 450, 2→ 370, 3→ 250, 4→ 210, 5→ 65 Mill, Jahre v.h.; E = Eiszeitalter (→ Klima)
13
Hadaikum, Archaikum
Nordhemisphärisch gemittelte Temperaturänderungen in der letzten Jahrmilliarde
Totalvereisung?
Präkambrische Eiszeitalter
3E = Eiszeitalter. Viele Quellen, insbes. Clark, 1984, hier nach Schönwiese, 1994
Relative globale Temperaturänderungen beim Übergang vom Tertiär ins Quartär
Oschmann et al., 2000
Wärmer
Kälter
Nach δ18O in Tiefseesedimenten
← Tertiär Quartär →
Der Beginn des Quartärs wird geologisch meist mit 1,5 - 2 Mill. Jahren v.h. angegeben, ist klimatologisch gesehen jedoch eher fließend vor ca. 2 - 3 Mill. J. v.h. eingetreten. Damit setzte ein ausgeprägter Wechsel von Warm- und Kaltzeiten (innerhalb des Quartären Eiszeitalters) ein, insbesondere in der letzten Jahrmillion. 4
Nordhemisphärisch gemittelte Temperaturvariationen in der letzten Jahrmillion
Gün
z-K
altz
eit
Waa
l-W
arm
zeit
5Viele Quellen, insbes. Clark et al., 1984, hier nach Schönwiese, 1994, ergänzt
Absolute globale Temperaturänderungen im späten Quartär (Pleistozän)
EemHolsteinCromerWaal
WürmRiß
MindelGünz
Neo
Holozän
Hier ist die Struktur des Warm-/Kaltzeit-Zyklus (W-K) deutlich zu erkennen: jeweils rasche Erwärmung (→W) und allmähliche von markanten Fluktuationen überlagerte Abkühlung (→ K). Die Temperaturamplitude ist dabei aber wahrscheinlich deutlich überschätzt. Bubenzer u. Radtke, 2007 6
Ablauf/Nomenklatur des Zyklus der Kalt-(K) und Warmzeiten (W) in den letzten ca. 500 000 Jahren, Zeitangaben (Klimax) in Jahrtausenden vor heute
Typ Klimax E * D, Alpen D(N) + NL GB Russland USA W 6 1 Holozän ** Flandrisch Holocene Holocene K 18 2-4 Würm Weichsel Devensian Valdai Wisconsin W 125 5 - Eem Ipswich Mikolino Sangamon K 140 6 Riss Saale Wolstonian Moskva Illinois W 240 7 - Holstein Hoxne Likhvin Yarmouth K 260 8 Mindel Elster Anglian - Kansan W 325 9 - Cromer Cromer Morosov Afton K 340 10 Günz Menap Baventian Odessa Nebraskan W 400 11 - Waal K 430 12 Donau Eburon W 480 13 - Tegelen K 530*** 14 Biber
*) Emiliani-Stufen **) auch Postglazial (Nacheiszeit) genannt ***) ca. 520-540●103 J.v.h., unsicher
Synonym sind die Begriffe Kaltzeit, Eiszeit und Glazial sowie Warmzeit,Zwischeneiszeit und Interglazial. Die jüngste, noch andauernde Warmzeit (Neo-Warmzeit) wird in der Geologie Holozän und in der Geographie auch Nacheiszeit bzw. Postglazial genannt.
Andauer der Warmzeiten ca. 5 000 - 20 000, der Kaltzeiten ca. 60 000 - 100 000 Jahre.
Viele Quellen, hier nach Schönwiese, 1995; modifiziert nach IPCC, 2007 7
Synonym sind die Begriffe Kaltzeit, Eiszeit und Glazial sowie Warmzeit,Zwischeneiszeit und Interglazial. Die jüngste, noch andauernde Warmzeit (Neo-Warmzeit) wird in der Geologie Holozän und in der Geographie auch Nacheiszeit bzw. Postglazial genannt. Viele Quellen, hier nach Schönwiese, 1995; modifiziert nach IPCC, 2007 8
Ablauf/Nomenklatur des Zyklus der Kalt-(K) und Warmzeiten (W) in den letzten ca. 500 000 Jahren, Zeitangaben (Klimax) in Jahrtausenden vor heute
Typ Klimax E * D, Alpen D(N) + NL GB Russland USA W 6 1 Holozän ** Flandrisch Holocene Holocene K 18 2-4 Würm Weichsel Devensian Valdai Wisconsin W 125 5 - Eem Ipswich Mikolino Sangamon K 140 6 Riss Saale Wolstonian Moskva Illinois W 240 7 - Holstein Hoxne Likhvin Yarmouth K 260 8 Mindel Elster Anglian - Kansan W 325 9 - Cromer Cromer Morosov Afton K 340 10 Günz Menap Baventian Odessa Nebraskan W 400 11 - Waal K 430 12 Donau Eburon W 480 13 - Tegelen K 530*** 14 Biber
*) Emiliani-Stufen **) auch Postglazial (Nacheiszeit) genannt ***) ca. 520-540●103 J.v.h., unsicher
Synonym sind die Begriffe Kaltzeit, Eiszeit und Glazial sowie Warmzeit,Zwischeneiszeit und Interglazial. Die jüngste, noch andauernde Warmzeit (Neo-Warmzeit) wird in der Geologie Holozän und in der Geographie auch Nacheiszeit bzw. Postglazial genannt.
Eisbohrrekonstruktionen: Temperatur und Spurengase
Jahrtausende vor heute
N2O
CO2
CH4
Temperatur
W: Tegelen Waal Cromer Holstein Eem Neo
K: Biber Donau Günz Mindel Riss Würm
Warmzeit (W) Kaltzeit (K)Antarktis
9IPCC 2007
Eisbedeckung der Nordhemisphäre zum Tiefpunkt der Würm-Kaltzeit (ca. 18 • 103 J.v.h.)
L = Lautentidischer,
G = Grönländischer,
S = Skandinavischer
Eisschild
Lamb, 1972, aktualisiert nach Frenzel et al., 1992, hier nach Schönwiese, 2013
11
Eisbedeckung zum Tiefpunkt der Würm-Kaltzeit(ca. 20-18 • 103 J.v.h.) in globaler Sicht
Bubenzer und Radtke, 2007 12
Eisbedeckung der Erde während der Würm-Kaltzeit (ca. 18000 J.v.h.) und ca. 1980)
Region
Fläche
in 106 km2
Volumen
in 106 km3
mittlere Dicke in km
Meeresspiegel-äquivalent
in m
Kaltzeit
heute
Antarktis
13.8
12.2
29.3
2.5
73.3
Grönland 2.3 1.7 3.0 1.6 7.6
Australien/Neuseeland 0.03 ⎫
Südamerika 2.3 ⎟
Nordamerika 13.4 ⎪
Skandinavien/Großbrit. 6.7 ⎬ 0.6 *) 0.1 *) 0.2 *) 0.4 *)
Alpen 0.04 ⎮
Asien 4.0 ⎮
Rest 1.8 ⎭
Summe 44.4 14.5 32.4 81.3
*) Summe aller heutigen extrapolaren Gebirgsgletscher Quellen: Barry, 1985, u.a., hier nach Schönwiese, 2013
Meeresspiegeläquivalent der Würm-Kaltzeit: ca. - 130 m
Nach IPCC (2014): 66,1 m wegen starken Rückgangs d. Eisbedeckung (→ Vorl. 10)
13
W K90°
81°
55°
51°
45°
36°
28°
?
Meer-Eis
Land-Eis
Permafrost
Tundra
Wald gemäßigter Breiten
Mediterrane Veg.
Wüste
Savanne
Trop. Regenwald
Würm-Kaltzeit(K), ca. 18 000 J.v.h.,
Nord-Süd-Vegetations-querschnitt(potentiell) Europa-Afrika, im Vergleich zu heute (W)
Hammer-fest (70°)
Hamburg (54°)
Rom (42°)
Kairo (30°)
Dakar (Senegal, 15°)
Lamb, 1977, nach Büdel, 1951, umgezeichnet 14
Würm-Kaltzeit (ca. 18 000 J.v.h.), Vegetation des tropischen Regenwalds
Schrumpfung auf die schwarz angelegten Flächen (heutige potentielle Gebiete grau angelegt).
Messerli, 1980 15
Karl Friedrich Schimper (1803-1867), deutscher Botaniker und Geologe, entwickelte die „Eiszeitlehre“, wonach es Indizien für frühere Kaltzeiten mit ausgedehnter Vereisung der Erdoberfläche gibt und verwendete dafür erstmals den Begriff „Eiszeit“.
16
Albrecht Penck (1858-1945) und Eduard Brückner (1862-1927), beides österreichische Geographen (sowie Geologen bzw. Glaziologen) führten ausgedehnte Studien zur Rekonstruktion der „Eiszeiten“ im Voralpenland aus („Die Alpen im Eiszeitalter“, 3 Bände, 1909) und gaben den vier letzten die Namen „Würm, Riß, Mindel und Günz“.
17
Orbitalparameter der Erdumlaufbahn um die Sonne
Exzentrizität, Zyklus 95 000, 400 000 J. Erdachsenneigung
Z. 41 000 J.
PräzessionZ. 19 000,
23 000 J.
Zyklusangaben nach Berger, 1984, erg. nach Bubenzer u. Radtke, 2007Auf der Grundlage dieser Zyklen hat M. Milankovic um 1920 seine Theorie der Steuerung des Warm-/Kaltzyklus entwickelt; erste vergleichweise moderne Modellrechnungen dazu von A. Berger. 18
Zur Orbitalparameter-Theorie der Quartären Klimaänderungen
• Exzentrizität der Erdumlaufbahn um die Sonne, heute e* = 0,0167, abnehmend, variierend zwischen e = 0,0005 und 0,06107, Zyklus Z = 95 000 und 400 000 Jahre; → Abstand von der Sonne jahreszeitlich unterschiedlich.
• Erdachsenneigung, heute 23° 27‘, abnehmend, variierend zwischen 22° 2‘ und 24° 30‘, Z = 41 000 Jahre; → Ausprägung der Jahreszeiten variierend.
• Präzession (Kreiselbewegung der Erdachse), Z = 19 000 und 23 000 Jahre; → Datumsänderung von Perihel (heute 3. Jan.) und Aphel (heute 3.Juli) der Erdumlaufbahn um die Sonne.
• Der direkte Gesamteffekt liegt im globalen Mittel nur in einem Bereich von ca. -0,2 bis +0,3 W/m2. Auch wenn monatlich/regional bis zu 12 % der „Solarkonstanten“erreicht werden, sind beim Temperatureffekt doch Sensitivität und Rückkopplungen entscheidend.
*) e = √(a2 – b2)/a mit a =großer und b = kleiner Halbachse der Ellipse 19
Quartär: Strahlungsantriebe (direkt u. indirekt)Direkt,Amplitude max. ~0,5 Wm-2; statt globaler Werte werden jedoch meist sensible Regionen be-trachtet, z.B. in ca. 60° Nord.
← Indirekt durch Rückkopplungen
Die Temperatureffekte beruhen vor allem auf Rückkopplungen (Eis - / Vegetation -Albedo; klima-wirksame Spurengase (CO2 usw., negativer Treibhauseffekt).
Eis-Albedo: 3,25 Wm-2
Veg.-Albedo: 0,25 Wm-2
Spurengase: 3 Wm-2
Summe 6,5 Wm-2
T-Effekt: ~5 KSensitivität: ~ 3/4 K / Wm-2 Quelle: Kasang (Hamburger Bildungsserver,
nach Hansen et al., 2008), Abruf 2013 20
Beispiele wichtiger Rückkopplungen Positiv (Selbstverstärkung):
• Eis-Albedo: Erwärmung ► weniger Schnee/Eis-Bedeckung ► geringere Albedo ► weitere Erwärmung usw.
• Vegetation-Albedo: Erwärmung ► mehr Vegetation ► geringere Albedo ► weitere Erwärmung usw.
• Ozean-CO2: Erwärmung ► weniger CO2 im Ozean ► mehr CO2 in d. Atmosphäre ► weitere Erwärmung usw.
• Permafrost: Erwärmung ► Auftauen d. Permafrostbodens► mehr CO2/CH4 in d. Atmosphäre ► weitere Erwärm. usw.
• Vegetation-CO2: Erwärmung ► mehr Photosynthese ► weniger CO2 in der Atmosphäre ► Abkühlung
• Wolken-H2O: Erwärmung ► höhere Verdunstung ► mehr Wasserdampf (H2O) in der Atmosphäre ► mehr Wasserwolken ► Abkühlung
Negativ (Selbstabschwächung):
21
Alle Rückkopplungen funktionieren auch umgekehrt (Abkühlung ►…).
Milutin Milankovic (deut. Schreibweise Milankovitch, 1879-1958), serbokroatischer Astrophysiker und Mathematiker, entwickelte um 1920 die Orbital-hypothese des Kalt-(Eis-) Warmzeit-Zyklus (Quartär). 22
André Berger (geb. 1942 in Acoz, Belgien), belgischer Astronom und Paläoklimatologe, wirkte lange Zeit am Institut für Astronomie und Geophysik der Universität Louvain-la-Neuve und war einer der führenden Model-lierer der Orbitalparameter-Theorie der Quartären Kli-maänderungen (Hauptwerk: Milankovitch and Climate, 2 Vols., Reidel, Dordrecht, 1984). 23
Kalt-/Warmzeiten in Rekonstruktion und Modell
(tropischer Pazifik)
24Nach Berger, 1984, gestrichelt, sowie Imbrie, 1981, gepunktet, u.a., hier nach Schönwiese, 1995
Globaltemperatur letzte und künftige 100 000 Jahre: drei Szenarien (natürlich, Super- und Langzeit-Treibhauseffekt
Oschmann, 201625
Temperaturänderungen innerhalb der Würm-Kaltzeit(Stadiale, K, und Interstadiale, W) durch D/O-Ereignisse
Bubenzer u. Radtke, 2007; Rahmstorf, 2003 (Kaltzeit-Temperatur wahrscheinlich „detrended“)
Die Dansgaard-Oeschger (D/O) − Ereignisse beruhen auf der Instabilität des Kaltzeit-Klimas(K). Störungen der nordatlantischen Ozeanzirkulation (solar ausgelöst?) führen zu einem Vorstoß von Warmwasser nach Norden und rascher Erwärmung. Das darauf folgende partielle Abschmelzen von Polareis bewirkt einen Süßwassereintrag in den Ozean, was den Nordatlantikstrom wieder dämpft und zurückdrängt, mit der Folge einer allmählichen Abkühlung und Rückkehr zum K-Zustand.
26
Zirkulationszustände des Atlant. Ozeans
Kaltzeit-Normalmodus (z.B. Würm- „Eiszeit“)
Abkühlung durch „Heinrich-Ereignis“
Erwärmung durch „Dansgaard-Oeschger-Ereignis“(entspricht heutigem Zustand)
Ganopolski und Rahmstorf, 2001D/O
H
27
Modellierung eines D/O-Ereignisses im Vergleich mit Eisbohr-Rekonstruktionen (Grönland)
Zeit relativ zum Ereignisbeginn (0) in Jahren
Modell
●
Ganopolski u. Rahmstorf, 2001
Rasche Erwärmung (ca. 20-50 J.) und allmähliche Abkühlung im Verlauf einiger Jahrhunderte. 28
Die Jüngere Dryaszeit (YD, Jüngere Tundrenzeit) ...Eisbohrung Zentral - Grönland
Jahrtausende vor heute
Temperatur
rel. Eisvolumen
YD
meh
r
wen
iger
ti
ef
ho
ch…ist eine mar-kante Kältephase beim Übergang Würm- Kaltzeit → Holozän, ca. 12 850 bis 11 650 J.v.h.
Dabei folgt einer Abkühlung eine Erwärmung (umgekehrt wie beim D/O-Ereign). Die Erwärmung erfolgt jedoch in beiden Fällen relativ rasch.
29GISP2-Eisbohrung, Grönl., US Nat. Res. Council, Comm. on Abrupt Clim. Change (2002); IPCC(2014)
Vereinfachtes Schema des nordatlant. Strömungs-systems
Warme oberflächen-nahe Strömung
Kalte Tiefen-strömung
(Quadfasel, 2005)
30
Zur Erklärung des Kälterückschlags in der Jüngeren Dryaszeit (YD)
• Die thermohaline Zirkulation (THC) des Nordatlantiks weist um ca. 60° N einige Absinkregionen auf.
• Dieses Absinken setzt dort relativ kaltes und salz-reiches Wasser voraus (→ relativ große Dichte).
• Starke Süßwassereinträge (vor allem durch schmelzen-des polares Landeis) oder/und starke Niederschläge können den Salzgehalt und damit die Dichte verringern.
• Das kann zu einer Schwächung, im Extremfall zu einer Blockade des Absinkens (THC) und somit des Nordatlantikstroms führen.
• Die Folge ist eine Abkühlung der Nordatlantikregion. • Vermutlich ist das während der YD eingetreten.• Die darauf folgende markante Erwärmung ist dagegen
sicherlich eine Folge der Orbitalparametervariationen. 31
Simulation einer THC*-Blockade im Nordatlantik (YD)
32* Thermohaline Zirkulation (thermohaline circulation) Rahmstorf, 2002
Das Problem der PluvialeGrob gesehen sind Kaltzeiten relativ trocken und Warmzeiten relativ niederschlagsreich. Neben Phasenverschiebungen werden aber noch besonders niederschlagsreiche Klimaepochen diskutiert, die Pluviale, die sich mit trockeneren Epochen, den Interpluvialen abwechseln und offenbar nur eine geringe Korrelation mit den großräumigen Temperaturvariationen (Warm-/ Kaltzeiten bzw. Stadialen / Interstadialen) aufweisen.
Es scheint sich dabei eher um regional begrenzte Phänomene zu handeln, auch wenn sie, vor allem in den Tropen/Subtropen, sehr ausgeprägt sein können. Ein Beispiel ist die paläoklima-tologische Rekonstruktion des Tschadsees in Afrika, der im mittleren Holozän, aber auch vor dem letzten Klimax der Würm-Kaltzeit, enorm ausgedehnt war.Nach Messerli, 1980, vereinfacht, hier nach Schönwiese, 1994 33