letzte maximalvereisung vor 21.000 jahren heute ausdehnung von eiskappen auf der nordhemisphäre
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Letzte Maximalvereisungvor 21.000 Jahren
Heute
Ausdehnung von Eiskappen auf der Nordhemisphäre
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Modellierung von Eiszeitzyklen
• Rekonstruierte Eiszeitzyklen während der letzten 800.000 Jahre
• Astronomische Theorie der Eiszeiten
• Ein einfaches Modell für Eiszeitzyklen
Änderung der Sonneneinstrahlung Eisvolumenvariationen
• Physikalisch basierte Eismodelle
Eisverteilung in Nordamerika seit der letzten Eiszeit, Eiszeiten in der Zukunft
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Rekonstruktion des Eisvolumens mit Sauerstoffisotopen
16O (~ 99,8 %) und 18O (~ 0,2 %)
18O /16O Verhältnis im Ozean = 1 / 500
Abweichungen davon (in ‰) Eisvolumen/Meeresspiegel
Berger & Seibold (1996)
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-2.1
-1.8
-1.5
-1.2
-0.9
-0.6
-0.30 100 200 300 400 500 600 700 800
Sa
ue
rsto
ffis
oto
pe
nw
ert
[‰]
Alter [ka]
Interglazial
Glazial
Rekonstruierte Eiszeitzyklen (ODP 806, W-Pazifik)
Berger et al. (1996)
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Astronomische Theorie der Eiszeiten
Zeit
+
─
Durchschnittswert
Sonneneinstrahlungbei ca. 65° N im Sommer
Eisschmelze
Eiswachstum
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Jahresgang der solaren Einstrahlung
Hartman (1994)
Erde näher an der Sonne im SH Sommer
Tageslängen-EffeKtMittelwert = 342 W m-2
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Erdbahnparameter
Elliptizität (~100.000 Jahre)
Schiefe (41.000 Jahre)
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Schiefe der Erdbahn und Saisonalität
Ruddiman (2001)
Keine Saisonalität
MaximaleSaisonalität
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Änderung der Lage des Frühlingspunktes
Nordsommer
min. Abstand
Nordwinter
min. Abstand
Vor 11.000 Jahren
Heute Kreiselbewegung (~20.000 Jahre)
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380
400
420
440
460
480
500
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Q6
5N
(Ju
li) [
W/m
2]
Alter [ka]
Sonneneinstrahlung bei 65° N im Juli
A. Berger (1978)
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Solare Einstrahlung und Eisschilde
Ruddiman (2001)
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Orbitale Steuerung von Eisschilden:Milankovic Hypothese
Ruddiman (2001)
Kritische Rolle der Sommer- Einstrahlung
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Ruddiman (2001)
Die MilankovicHypothese
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Sonneneinstrahlung Eisvolumen
Klimasystem
Ziel: Mathematische Beschreibung der Signalumwandlung
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Ein einfaches Rechenschema für Eiszeitzyklen
Für ein Zeitintervall gilt:
Änderung Eisvolumen = Eiswachstum – Eisschmelze
Regeln: - Der im Winter gefallene Schnee muss den Sommer überdauern
- Warme Sommer und großes Eisvolumen begünstigen Eisschmelze
Eisschmelze = a1 · Sommereinstrahlung + a2 · Eisvolumen
aus Beobachtungen (konstant)
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Kontinentale Eisschilde und Isostasie
Ruddimann (2001)
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Zerfall kontinentaler
Eisschilde durch “Kalbung”
Eisschmelze schneller als Hebung des Untergrundes Meerwasser dringt in Senke Kalbung
Ruddimann (2001)
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Ein “nulldimensionales” Eismodell
Eismasse, E:
a0 = Eiswachstumsrate (Schneeakkumulation)
a1 = Empfindlichkeit gegenüber Einstrahlungsanomalien, Q
a2 = Eiszerfallsrate neg. Rückkopplung
K = Kalbungsrate
0 1 2
dEa a Q a E K
dt
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Kalbungsrate, K: – Positiv wenn “offene” Senke unterhalb des
Meerespiegels existiert– Null sonst
Isostatische Absenkung des Untergrundes, D
H = Mächtigkeit des Eisschildes = f(E)
1 = Zeitkonstante f. Einsinken (1/2 ≈ 1/4)
2 = Zeikonstante f. Entlastung (1/2 = 22 ka)
1 2
dDH E
dt
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Zusammenfassung des Eismodells
• Zwei prognostische Gleichungen für E und D
• Diagnostische Gleichungen für K und H
Erfordern weitere Annahmen
• Mehrere unbekannte Parameter (ai, i)
Größenordnung abgeschätzbar
• Anfangsbedingungen: E0 = 0 kg; D0 = 0 m
• Einstrahlungsanomalien: Berger (1978), Rauschen,
Sinusschwingung
Saltzman und Verbitsky (1992): Asthenospheric ice load effects in a global
dynamical-system model of the Pleistocene climate. Climate Dynamics, 8: 1-11.
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D:\Fazies_Klima\Ice0D.gsp
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Achtung: Modell benutzt physikalischeZeitachse!
1 Ma 0 Ma Zukunft
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Experimente mit dem Eismodell 1
• Starten Sie das Modell mit den Standardeinstellungen
• Vergleichen Sie den modellierten Meeresspiegel mit den rekonstruierten Werten. – Gibt das Modell die Daten gut wieder?
– Welche Kriterien sind für den Vergleich sinnvoll?
• Für welchen Zeitpunkt in der Zukunft sagt das Modell eine zukünftige Eiszeit voraus?
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Wie gut ist das Modell?
Kriterien: - Glazial-Interglazial Hub (± ok)- Zeitpunkt der Terminationen ()- Lage der Stadiale/Interstadiale ()
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Die nächste Eiszeit
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
9.0e05 9.2e05 9.4e05 9.6e05 9.8e05 1.0e06 1.02e06 1.04e06 1.06e06 1.08e06 1.1e06
Time (yr)
Modeled Sea Level
0 Ma
60 ka in der Zukunft
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Experimente mit dem Eismodell 2
Starten Sie das Modell nacheinander mit folgenden Einstellungen für Antrieb und Kalbung:
Orbital Sinus Rauschen Kalbung
Ref. - -
1 - -
2 -
3 - - -
4 - - -
Welchen Einfluss haben Antrieb und Kalbung auf die Entstehung des “100-ka” Zyklus und die Lage der Terminationen?
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Reaktion auf den Antrieb
• Terminationen treten unabhängig vom Antrieb auf
• Der Antrieb bestimmt den Zeitpunkt der Terminationen (“Phasenlage”)
Rauschen
Sinus
Orbital
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Bedeutung der Kalbung
In diesem Modell ist das Auftreten von Terminationen (und damit des “100-ka” Zyklus) vom Kalbungs-mechanismus abhängig.
Ohne Antrieb/Kalbung
Orbital
Orbital + Kalbung
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Nulldimensionales EismodellNur wenige Regeln sind notwendig, um die Abfolge der Eiszeiten aus der Sommereinstrahlung in hohen Breiten zu berechnen:
• Der im Winter gefallene Schnee muss den Sommer überdauern
• Eisschmelze wird begünstigt durch
- extrem warme Sommer
- extrem großes Eisvolumen in Gegenwart und Vergangenheit (Einsinktiefe)
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• Grundsätzliche Eigenschaften des Klimasystems lassen sich analysieren
• Alter vergangener Eiszeiten können berechnet werden
ABER: - keine physikalischen Gesetzmäßigkeiten liegen zugrunde
- keine Aussage über die räumliche Eisverteilung
- unrealistische Parameterwerte
Unbefriedigend
Wozu eignet sich solch ein Modell?
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Physikalische Eismodelle
Herterich (1989)
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Letzte Maximalvereisungvor ~ 21.000 Jahren vor 15.000 Jahren
vor 13.000 Jahren vor 9.000 Jahren
Modellierte Eisverteilung in Nordamerika
Marshall & Clarke (1999)
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Eiszeiten in der Zukunft
Berger & Loutre (2002)
Zukunft Vergangenheit
vergangene Werte (210-280 ppmv)
eiszeitlicher Wert (210 ppmv)
Treibaus-Wert (750 ppmv)
CO2-Gehalt der Atmosphäre