Klimatologie, Klimageographie
   
 

 Das Quarär - eine Stichwortsammlung

  
   

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Quartär eingeläutet bei 2,6 MA, gekennzeichnet durch extensive Vergletscherung
Einzigartig: beide Pole vergletschert, Zyklische Klimawandel in jungem Alter (hohe Auflösung), aktuelle Formung i.w. zurückgehend auf Quartär, Entwicklung der Menschen
Vorausblick durch Methodik der Paläoklimatologie

 

Milankovich-Theorie bestätigt durch 4 Proxy Records
 

1.

Tiefseesedimente und :

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0-1 MA mit kurzen Interglazialen alle 100 ka, langsame Abkühlung, abrupte Wechsel ("terminations")
Vor 1 MA alle 40-50 ka Wechsel zwischen Warm und Kaltzeit
100 ka Signal kaum strahlungsrelevant, aber in Proxies präsent -> Verstärkung !!
          -> Beziehung zwischen Klima und orbitalem Einfluss wechselt bei 1 MA von                linear (40 ka Obliquity) zu nicht-linear (Eccentricity) = Mid-Pleistocene                Revolution
 

2.

Höhlensedimente und :

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v.a. "Devils Hole"-Kurve von 50-600 ka BP an Wachstumsringen eines Tropfsteins (mit genauen und vielen Datierungen)
-Wechsel entspricht Wechsel in atmosphärischem Niederschlag (Zeitverzögerung durch Grundwasser etc...)
insgesamt Korrelation mit Milankovich
Ausnahme: "Terminations" etwa 10 ka älter/früher als Eisvolumen (aus d 18O der Tiefsee)
Eisschild wächst, -Signal ® erst 1000 Jahre später wird durch H über Eisschild und abgeschwächtes Subtropenhoch (ähnlich El Nino) die wetterwirksame Bahn der Zyklonen über das Columbia-Plateau abgeschnürt und die Sonora-Passage wird aktiviert !!
 

3.

Löss und Staub

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Kältehoch über Eisschilden sorgen für erhöhte Trockenheit und Windgeschwindigkeit, Material aus Gletschererosion und Schelfbereichen
Löss in China (Baoji) bis 180 mächtig (3,5 MA) mit 30 Löss-Paläobodensequenzen) · 0-800 ka mit dominanter 100 ka Zyklizität,
800-1,6 MA 41ka-Zyklizität
vor 1,6 MA Wechsel zu 400 ka Zyklen (lokal?)
Seesedimente und Seestände (Afrika, Arabien)
Staub und Diatomeen (aus ausgetrockneten Seesedimenten) -> Windgeschwindigkeiten und Trockenheit (Atlantik, Arabisches Meer)
Sapropelhorizonte (z.B. vor Nil) deuten auf hohen Abfluss und erhöhten Monsuneinfluss hin (höhere Einstrahlung und stärkere Hitzetiefs bedingen stärkeren Monsun)
Staub reflektiert UND absorbiert (i.G. zu Schwefelaerosolen)
  - weniger Energie kommt am Boden an, mehr Energie bleibt in der Atmosphäre     Effekte ??
  - Nährstofflieferant durch Eisen für Biopumpe (-> CO2-Zyklus)
 

4.

Eisbohrkerne aus Eisschilden

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Eis ist gefrorene Atmosphäre (Eis, Staub, Gas), Ableitung von Bodentemperatur bei Schneefall, Windgeschwindigkeit und Treibhausgase
Korrelation Grönland - Antarktis problematisch (Alter, Wachstumsraten) · Vostok-Eiskern korreliert mit Sauerstoff-Isotopen bis 125 ka, davor nicht ( Antarktis wuchs zeitversetzt
Staub: Abgleich mit Indik und Korrektur der Temperaturkurve
Treibhausgase: CH4 (Methan) und CO2 mit globalem Anstieg in Interglazialen (schnelles Mixing)
2,5 - 4 ka Zeitverzögerung bis Gase gefangen -> Durchschnittswert von ~ 100 ka
( rezente Messungen)
Anthropogener Treibhauseffekt: Methan heute bei 1700 ppb (i.G. Interglazial 700) und CO2 heute bei 355 ppm (i.G. zu 300 Interglazial)
Methan durch kontinentale Sümpfe und Bioproduktion (-> Monsun!)
CO2 durch Ozeanzirkulation mit Verstärkung durch Treibhaus zu Interglazialen hin (Austauschrate wichtig zum Verständnis der CO2-Variation)
Kurven korrelieren mit Temperaturkurve während der letzten Eiszeit, aber Methan oszilliert um kontinuierliche Basis, CO2 fällt stetig ab bis 70 ka bzw. 10 ka

 
Der Kohlenstoff-Kreislauf
 

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Gas löslicher in kaltem Wasser (-> positive Rückkopplung bei Abkühlung oder Erwärmung)
3 Pumpen:

1.

2.



3.

Lösung oder Diffusion des CO2 mit H2O -> Bicarbonat HCO3, Carbonate CO3 oder carbonatische Säuren H2CO3)
Biologische Bindung durch Photosynthese oder über Einbau in Skelette der Organismen und folgende Sedimentation (abh. von Produktivität des Planktons, Nährstoffangebot durch Upwelling, Flüsse) -> stärkere Winde und Staubeintrag in Glazialen
Verwitterung von Karbonaten (Entzug des atmosph. CO2 bei Verwitterungsprozess und eustatische Meeresspiegelschwankungen mit positiver Rückkopplung)

 
Abrupte Klimawechsel

-> Hätten direkte Effekte auf Menschen und rekonstruierbar nur aufgrund hochauflösender Daten

1.

Heinrich Events

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Nordatlantische Lagen mit IRD durch periodische Pule im Fliessverhalten der Eisschilde
Erklärungen:
Klimatisch -> Denton Modell (aber zu langsam, keine Zyklen)
Eisschild intern -> Mac Ayeal (keine Abkühlung zum HE hin erklärt, verschiedene Herkunft des IRD nicht erklärt)
Evt. Auslöser der Kollaps des Laurentischen Eisschildes, dadurch Meeresspiegelanstieg und Kollaps der restlichen Eisschilder
Laurentischer Eisschild mit Vorstößen unmittelbar HE 1 und 2, dann Rückzug
Anden und NZ Wachstum von Gletschern, schneller Kollaps während HE -> globale Auslöser
Zusätzlich zu HE mehrere kleine Peaks im IRD begleitet von vorhergehender Abkühlung, dann Erwärmung (Stadiale, Interstadiale)
Meeresspiegelkurve -> Schmelzwassereinfluss bei 11 und 14 ka, nicht in Antarktik Proxies
 

2.

Dansgaard-Oeschger

-> Grönland Eiskerne: 24 Interstadiale während letzten Glazials, Vostok 9 Interstadiale

-> 

  

schnelle Erwärmung und langsame Abkühlung, dabei IRD am kühlsten Punkt -> Dansgaard-Oeschger Event

 
Wachstum des Laurentischen Eisschildes + NADW-Bildung

->

  

insgesamte Abkühlungstendenz mehrerer DO's mit HE am kühlsten Punkt -> Bond-Cycle
 

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Sub-Milankovich-Zyklen 11.100 a (Precession), 6.100 a (Eisschild) und 1450 a (Reorganisation der atmosphärischen Zirkulation??)
Dansgaard-Oeschger Events mit hemisphärischer Ausdehnung
Methan-Fluktuation resultiert aus Biomasseproduktion durch erhöhten Niederschlag in Tropen -> Antarktis eilt Grönland voraus -> Antarctic Cold Reversal
Methanhydrat Freisetzung v.a. am Anfang der DO's durch Meeresspiegelfallen -> Treibhauseffekt ?

 

Gründe für Klimawandel
  

Post-kretazischer Klimawandel

-> Wesentliche Abkühlungen im Eozän, späten Miozän und ab Pliozän
 

1.
Magmatisch:

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Spreading-Rate erhöht, also Meeresspiegelanstieg bis 300 m, außerdem CO2-Freisetzung und Treibhauseffekt
Schließung der Tethys entzieht den Tropen Wasserdampf -> Abkühlung
Vulkaneruptionen (CO2, Schwefel) als Schwellenphänomen (Ice Rafted Debris und Kamtschatka 2,6 MA) oder Vulkaneruptionen vermehrt durch Eisauflast ??
NADW überfließt Grönland-Schottland Rücken, Wasserhöhe über Schwelle im Miozän sehr tief (Islandplume) -> Upwelling in Antarktis sorgt für Kühlung ????
 

2.
Plattentektonisch:


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-> Ozeanzirkulation ist Wärmetransport, bestimmt durch Konfiguration der Kontinente
Tethys schließt sich, weniger tropisches Wasser erreicht Antarktis
Öffnung der Drake-Strasse (Oligozän) isoliert Antarktis
Hebung des Panama-Isthmus (Pliozän) erhöht die Salinität im Golf von Mexico und ermöglicht durch den Golfstrom die Bildung von NADW (genug Feuchte für Eisschildbildung)
 

3.
Tektonisch

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Hebung zwischen 60-80° N in Bereich der Schneegrenze (Schottland/Grönland Rift im Miozän)
Hebung verändert die atmosphärische Zirkulation durch Schattenwirkung, Monsunverstärkung und CO2-Entzug durch Verwitterung (Himalaya, Rockies)
 

Insgesamt: Kombination verstärkt den Temperaturkontrast bis Schwellenwert, danach greift astronomische Steuerung durch Milankovich-Zyklen ab ca. 2,65 - 2,75 MA (minimale Sommereinstrahlung)
 
Größte Probleme:

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Mid-Pleistocene Revolution: Wechsel von 41 ka zu 100 ka-Zyklizität bei 800 ka (-> seither dickere Eisschilde und mehr Ausdehnung, möglicherweise durch Abraum der Decksedimente, danach Erklärung des 100 ka-Zyklus durch Kombination aus Milankovich und Isostasie, s.u.)
Isotope Stage 11 (Interglazial um 400 ka ohne erhöhte Solarstrahlung) nicht erklärt

 

Multiple-State Climate Model
 

-> Drei Regime konstruiert (abh. von nordhemispherischer Einstrahlung und Eisschildgröße)
 

Schwelle überschritten

1. Interglazial
 
2. Mild-Glazial
 
3. Hochglazial

Schwelle unterschritten

... verweilen unter Schwelle


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Großmaßstäbige Überlagerung dieses Modells von insgesamt abnehmender CO2-Konzentration erklärt auch dickere, größere Eisschilde ab Mid-Pleistocene Revolution

 

Kurzskalige Klimawandel (Sub-Milankovich)
 

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Thermohaline Zirkulation: Während LGM - Interglazial Übergang Abkühlung in Grönland und gleichzeitige Erwärmung der Antarktis
-> Tiefenwasserzirkulation nur während der ersten 200 Jahre der YD erlegen, dann DW-Bildung um Antarktis (bipolare TH-Säge ähnlich Telekonnexionen ENSO, NAO)

 

Zukunft
 

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Interglazial Holozän analog zu Stage 11 (relative Stabilität i.V. zu fluktuierendem Eem, längere Dauer) ?
Ende abrupt fluktuierend (teils 5-20 a Klimawechsel belegt) ?
Wirkung der anthropogenen Treibhausgase ?

 

Stichworte
 

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Pluviale -> 4-8 ka BP mit höherer Verdunstung und globaler Temperatur +1°C i.V. mit heute
Foraminiferen -> Arten -> Umweltbedingungen
Sahara Pluviale 9-6 ka -> Seen, nicht nur wegen erhöhtem Niederschlag, sondern auch weniger Evaporation, mehr Vegetation und höherer Grundwasserspiegel
Monsun um 6 ka BP verstärkt mit erhöhten Niederschlägen, um 18 ka deutlich schwächer als heute -> 100 mm Isohyete als Grenze der aktiven Sandwüste 1000 km nördlich bzw. 300 km weiter südlich
Thermohaline Zirkulation: Golf von Mexiko als Pfanne und Quelle des Golfstroms, Atlantik durch Orographie höhere Verdunstung -> insg. Atlantik salziger
Solareinstrahlung während Glazialen reduziert: 1. weniger Influx, 2. höhere Albedo durch Eis, Tundra etc, 3. weniger Treibhausgase
CO2 wird mit zunehmender Abkühlung zunehmend aufgenommen, also Rückkopplung
Komplexität des Klimawandels durch positive wie negative Rückkopplungen inklusive Zeitverzögerung
Computermodelle: 1. Simulation des gesamten Klimasystems (GCM) und 2. Sensitivitätsmodelle (untersuchen Teilsysteme) -> insgesamt nicht ausreichend Daten !!
Initiale Eisschildbildung

a)
b)
c)

Schneegrenze erniedrigt -> Albedo Rückkopplung
Initiale Gletscher in Hochland, dann windseitiges Wachstum
Marine Transgression und Seeeisbildung ???

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MONSUN
stark im Glazial durch stärkere Hochs (MPH's und Subtropen)??
stark im Interglazial durch starke Hitztiefs

 

Quartäre Klimaschwankungen
 

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Pleistozän

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Temperaturverschlechterungen seit Eozän, Miozän, Pliozän
90 % des Pleistozäns kälter als heute
LGM 18.000 14C-Jahre sind 22 ka BP
Abrupter Übergang ins Holozän
Langsames Driften in die Eiszeit und plötzliches Ende durch Erwärmung
Interglaziale alle 100 ka mit 30-40 ka Dauer (vor Isotope Stage 11 weniger dominant)
Vor 1 MA 40 ka Zyklus - Huon Peninsula: Meeresspiegel 80-100 m tiefer als heute, Eem 3-5 höher (Indonesian Throughflow)
 

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Spätpleistozän

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-Kurven

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Abrupter Beginn der Interglaziale in 100en von Jahren - Vorletztes Interglazial (Holstein) weniger ausgeprägt
Letztes Interglazial mit 3 Wärmespitzen und längerer Dauer
Holozän seit 11,5 ka stabil -> atypisch (wärmer als Holstein, stabiler als Eem)
 

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Dansgaard-Oeschger

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Seit letztem Interglazial 22 Interstadiale mit 6-7°C Erwärmung
Dabei kurze nur nordhemisphärisch, länger als 2 ka auch in Antarktis
Extreme und kurze Oszillation von 7°C innerhalb 100 Jahre
Reorganisation der atmosph. Zirkulation (hoher Temp.-Gradient, Bistabilität mit Tendenz zum glazialen Modus, wie z.B. YD)
 

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Heinrich Events

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IRD-Lagen in N-Atlantik bei 14,3 21 28 41 52 und 69 ka
Während kältestem Punkt der DO-Zyklen, dann Anstieg der Luft und SS-Temperatur und Rückfall -> Bondzyklus
Geothermale Wärme sammelt sich unter Gletscherschilden, was 10.000 a braucht
Eisberge bedeuten Süßwasser und Abschalten der NADWF
Globale Telekonnexion mit Anden, NZ und Afrikanischen Seen
 

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Tropen

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Ozean in Tropen bis 20° N/S wärmer bis 2°C während Glazial
Subtropische Gyren stabil, ENSO ??
 

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Eiszeitliche atmosphärische Zirkulation

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Mobile polare Hochs beschleunigen Zirkulation, entstehen über Eisschilden als Kältehochs
Katabatische Fallwinde, Bewegung bis über Atlantik und Verteilung von trop. Luft nordwärts -> Feuchteversorgung durch zyklonales Geschehen und Wachstum der Eisschilde -> Verstärkung der mobilen polaren Hochs (Rückkopplung)
Insgesamt höhere Windgeschwindigkeit und Passatzone schmäler
Glazial mit Einstrahlungsminus auf N-Hemisphäre und Plus auf Südhemisphäre, starke Subtropenhochs und Monsunzunahme (unabh. von Eisschilden)
 

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Deglaziation

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Initiiert durch Einstrahlungszuwachs -> Regen statt Schnee
Nicht graduell sondern in Schüben
Beginn in Europa bei 15 ka
Eisrandseen durch Isostasie
Schmelzwasserpulse (als Impuls für weitere)
13 ka Separation des Cordilleran und St.Lorenz wird frei ??
8,5 ka Separation des Keewatin-Labrador mit Arktischem Puls
3 schnelle Meeresspiegelanstiege bei 14,2 und 11,5 ka (HE) und 7,6 ka (Antarktis)
14,2 Anstieg der NADWF, 12,9 bis 11,5 Erliegen der NADWF und YD
 

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Junge Dryas

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Dryas ist arktische Blume (taucht in England wieder auf)
Glaziale atm. Zirkulation
Anfang durch Schmelzwasserimpuls über St.Lorenz
Ende durch Schmelzwasserimpuls (durch Eisschildkollaps und Reorganisation zu normalen Zirkulation)
 

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Holozän

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Stabilität, kleine Schwankungen 1-2°C
Feuchtigkeits- und Niederschlagsschwankungen
Einstrahlungsmax. Um 10 ka, aber Holozänes Wärmeoptimum bei 6-4,5 ka
Höhere Temperatur gleich intensivere Hitzetiefs und Monsun
7 ka Tropen feucht, Mittelbreiten trocken
2-7 ka Tropen trockener und Mittelbreiten feuchter (weniger Verdunstung durch Kühle??)
 

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Historische Zeit und Zeit gemessener Klimaschwankungen

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Mittelalterliches Klimaoptimum und Stürme
Kleine Eiszeit und harte Winter
Temperatur Mittelwert 1950-79 und insgesamt chaotisch
ENSO ist global warming (weniger Wolken)
Niederschlagabnahme seit 50er (Monsun schwächer)

 

Astronomische Einflüsse auf die Einstrahlung
 

Orbitalparameter (MILANKOVICH)
 

1.

Neigung der Erdrotationsachse von 22 auf 24,8° (heute 23,5°) -> Jahreszeiten

OBLIQUITÄT
ALLE 41 KA

2.

Elliptische Umlaufbahn verschiebt sich (und damit die Entfernung zur Sonne, nämlich Perihel und Aphel), momentan Perihel im Nordwinter -> Dämpfung

PRÄZESSION
ALLE 19-23 KA

3.

Wackeln der Erdrotationsachse ??

4.

Änderung des Ellipsenradius der Erdumlaufbahn -> mittlere Einstrahlung

EXZENTRITÄT
ALLE 100 KA
 
Sonnenflecken
 

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Anzahl der Sonnenflecken gesteuert durch solaren Magnetismus (mehr Sonnenflecken bedeutet mehr Protuberanzen und mehr Strahlung)
Geringerer solarer Magnetismus bedeutet Abkühlung: Maunder-Minimum (kleine Eiszeit) oder Dalton-Minimum

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Schwabe-Zyklus 8-15 a (im Mittel 11 a)
Gleißberg-Zyklus 80-90 a
Zyklus 208 a

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Temperaturänderungen 1860-1990 entsprechen den Sonnenfleckenänderungen
Anstieg des Gleißberg- und des 208 a-Zyklus deuten auf Erwärmung der nächsten Jahrzehnte hin
Zusammenhang zwischen Sonnenwind, Erdmagnetfeld und Wolkenbildung !!!
[3% Wolkenbildung -> 0,8-1,7 W im Vergleich mit CO2-erzeugtem Strahlungsanstieg (1750-2000) von 1,56 W]

 

 

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