Paläoklima im Quartär

•D
Teil 4: Paläoklima
im Quartär – Pleistozän
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
Übersicht der geologischen Zeitalter
Zeitalter
Periode
(Ära)
(System)
Neozoikum
Quartär
(Känozoikum)
Tertiär
Mesozoikum
Paläozoikum
Präkambrium
Epoche
(Serie)
Holozän
Pleistozän
Pliozän
Miozän
Oligozän
Eozän
Paläozän
Kreide
Oberkreide
Unterkreide
Jura
Malm
Dogger
Lias
Trias
Keuper
Muschelkalk
Buntsandstein
Perm
Zechstein
Rotliegendes
Karbon
Pennsylvanium
Mississippium
Devon
Oberdevon
Mitteldevon
Unterdevon
Silur
Obersilur
Untersilur
Ordovizium Oberordov.
Unterordov.
Kambrium
ProteroNeozoikum
MesoPaläoArchaikum
Zeit ab
Mill. J.v.h.
0,011
1,6
5
23
35
54
65
100
142
159
180
205
227
242
250
255
290
323
355
370
391
410
Ereignis
O B E
•
∇5
⇑b
Warm and sehr trocken, im Malm vorübergehend kühler
∇4
Warm und sehr trocken
∇3
●
⇑c
⇑d
∇2
⇑e
?
∇1
∇?
Wärmer werdend und trocken
Permokarbonisches Eiszeitalter (c. 320-260 Mill. J.v.h.)
Warm und sehr feucht, später abkühlend
Warm und relativ trocken
●
⇑?
2 500
4 600
Warmzeit des Quartären Eiszeitalters
Quartäres Eiszeitalter (seit ca. 2-3 Mill. J.v.h.)
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
Sehr warm und meist sehr trocken
⇑a
438
510
570
Klima
•
•
Warm, zeitweise sehr feucht
Silur-Ordovizisches Eiszeitalter (ca. 450-440 Mill. J.v.h.)
Warm and feucht, später kühler werdend
Warm und feucht (?)
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.)
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)
Quellen: Lexikon der Geowissenschaften, 2002; Frakes, 1979, u.a.; hier nach Schönwiese, 2013
Nordhemisphärisch gemittelte
Temperaturänderungen in der letzten Jahrmilliarde
Präkambrische Eiszeitalter
Totalvereisung?
E = Eiszeitalter. Viele Quellen, insbes. Clark, 1984, hier nach Schönwiese, 1994
Relative globale Temperaturänderungen
beim Übergang vom Tertiär ins Quartär
Wärmer
Kälter
← Tertiär
Quartär →
Nach δ18O in Tiefseesedimenten
Oschmann et al., 2000
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.
Nordhemisphärisch gemittelte
Temperaturvariationen in der letzten Jahrmillion
Viele Quellen, insbes. Clark et al., 1984, hier nach Schönwiese, 1994
Absolute globale Temperaturänderungen
im späten Quartär (Pleistozän)
Waal
Cromer
Eem
Holstein
Mindel
Günz
Riß
Neo
Würm
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 hier aber wahrscheinlich deutlich
überschätzt.
Bubenzer u. Radtke, 2007
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
W
6-7
1 Holozän ** Flandrisch Holocene
K
18
2-4
Würm
Weichsel Devensian
W
125
5
Eem
Ipswich
K
150
6
Riss
Saale
Wolstonian
W
210
7
Holstein
Hoxne
K
270
8
Mindel
Elster
Anglian
W
320
9
Cromer
Cromer
K
350
10
Günz
Menap
Baventian
W
400
11
Waal
K
440
12
Donau
Eburon
W 450(?) 13
Tegelen
K 500(?) 14
Biber
Russland
Valdai
Mikolino
Moskva
Likhvin
Morosov
Odessa
USA
Holocene
Wisconsin
Sangamon
Illinois
Yarmouth
Kansan
Afton
Nebraskan
*) Emiliani-Stufen **) auch Postglazial (Nacheiszeit) genannt
Synonym sindAndauer
die Begriffe
Kaltzeit, Eiszeit
sowie Warmzeit,
der Warmzeiten
ca. 5und
000Glazial
- 20 000,
Zwischeneiszeit und Interglazial. Die jüngste, noch andauernde Warmzeit (Neoder Kaltzeiten ca. 60 000 - 100 000 Jahre.
Warmzeit) wird in der Geologie Holozän und in der Geographie auch Nacheiszeit
bzw. Postglazial genannt.
Viele Quellen, hier nach Schönwiese, 1995
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
W
6-7
1 Holozän ** Flandrisch Holocene
K
18
2-4
Würm
Weichsel Devensian
W
125
5
Eem
Ipswich
K
150
6
Riss
Saale
Wolstonian
W
210
7
Holstein
Hoxne
K
270
8
Mindel
Elster
Anglian
W
320
9
Cromer
Cromer
K
350
10
Günz
Menap
Baventian
W
400
11
Waal
K
440
12
Donau
Eburon
W 450(?) 13
Tegelen
K 500(?) 14
Biber
Russland
Valdai
Mikolino
Moskva
Likhvin
Morosov
Odessa
USA
Holocene
Wisconsin
Sangamon
Illinois
Yarmouth
Kansan
Afton
Nebraskan
*) Emiliani-Stufen **) auch Postglazial (Nacheiszeit) genannt
Synonym sind die Begriffe Kaltzeit, Eiszeit und Glazial sowie Warmzeit,
Zwischeneiszeit und Interglazial. Die jüngste, noch andauernde Warmzeit (NeoWarmzeit) wird in der Geologie Holozän und in der Geographie auch Nacheiszeit
bzw. Postglazial genannt.
Viele Quellen, hier nach Schönwiese, 1995
Eisbohrrekonstruktionen: Temperatur und Spurengase
Warmzeit (W)
Kaltzeit (K)
N2O
CO2
CH4
W: Tegelen Waal
Temperatur
K: Biber Donau
Cromer
Günz
Holstein
Mindel
Eem
Riss
Neo
Würm
Jahrtausende vor heute
Antarktis
IPCC 2007
Eisbohrrekonstruktionen: Temperatur, CO2 u. Meeresspiegel
Jahrtausende v.h.
IPCC 2014
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
Eisbedeckung zum Tiefpunkt der Würm-Kaltzeit
(ca. 20-18 • 103 J.v.h.) in globaler Sicht
Bubenzer und Radtke, 2007
Eisbedeckung der Erde
während der Würm-Kaltzeit (ca. 18000 J.v.h.) und heute
Fläche
Region
6
in 10 km
mittlere
Dicke
in km
Meeresspiegeläquivalent
in m
29.3
3.0
2.5
1.6
73.3
7.6
0.1 *)
0.2 *)
0.4 *)
Volumen
2
in 10 km
Kaltzeit
heute
Antarktis
Grönland
13.8
2.3
12.2
1.7
Australien/Neuseeland
0.03
⎫
Südamerika
2.3
⎟
Nordamerika
13.4
⎪
Skandinavien/Großbrit.
6.7
⎬ 0.6 *)
Alpen
0.04
⎮
Asien
4.0
⎮
Rest
1.8
⎭
Summe
44.4
6
3
Meeresspiegeläquivalent der
Würm-Kaltzeit: ca. - 130 m
14.5
32.4
*) Summe aller heutigen extrapolaren Gebirgsgletscher
Quellen: Barry, 1985, u.a., hier nach Schönwiese, 2013
81.3
W
K
90°
Meer-Eis
81°
Hammerfest (70°)
Hamburg
(54°)
Rom (42°)
Land-Eis
55°
Permafrost
51°
Tundra
45°
36°
Kairo (30°)
Wald gemäßigter
Breiten
Mediterrane Veg.
28°
Würm-Kaltzeit(K),
ca. 18 000 J.v.h.,
Nord-SüdVegetationsquerschnitt
(potentiell)
Europa-Afrika,
im Vergleich
zu heute (W)
Wüste
Dakar
(Senegal,
15°)
?
Savanne
Trop. Regenwald
Lamb, 1977, nach Büdel,
1951, umgezeichnet
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
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“.
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“.
Orbitalparameter der Erdumlaufbahn um die Sonne
Exzentrizität, Zyklus 95 000, 400 000 J.
Erdachsenneigung
Z. 41 000 J.
Präzession
Z. 19 000,
23 000 J.
Zyklusangaben nach Berger, 1984, erg. nach Bubenzer u. Radtke, 2007
Auf 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.
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 = 1/a √(a2 – b2) mit a =großer und b = kleiner Halbachse der Ellipse
Quartär: Strahlungsantriebe (direkt u. indirekt)
Direkt,
Amplitude max.
~0,5 Wm-2; statt
globaler Werte
werden jedoch
meist sensible
Regionen betrachtet, z.B. in
ca. 60° Nord.
Eis-Albedo:
3,25 Wm-2
Veg.-Albedo:
0,25 Wm-2
Spurengase:
3 Wm-2
Summe 6,5 Wm-2
T-Effekt: ~5 K
Sensitivität:
~ 3/4 K / Wm-2
← Indirekt durch Rückkopplungen
Die Temperatureffekte beruhen
vor allem auf Rückkopplungen
(Eis - / Vegetation -Albedo; klimawirksame Spurengase (CO2 usw.,
negativer Treibhauseffekt).
Quelle: Kasang (Hamburger Bildungsserver,
nach Hansen et al., 2008), Abruf 2013
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.
Negativ (Selbstabschwächung):
• 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
Alle Rückkopplungen funktionieren auch umgekehrt (Abkühlung ►…).
Milutin Milankovic (deut. Schreibweise Milankovitch,
1879-1958),
serbokroatischer Astrophysiker und
Mathematiker, entwickelte um 1920 die Orbitalhypothese des Kalt-(Eis-) Warmzeit-Zyklus (Quartär).
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 Modellierer der Orbitalparameter-Theorie der Quartären Klimaänderungen (Hauptwerk: Milankovitch and Climate, 2 Vols.,
Reidel, Dordrecht, 1984).
Kalt-/Warmzeiten in Rekonstruktion und Modell
(tropischer
Pazifik)
Nach Berger, 1984, gestrichelt, sowie Imbrie, 1981, gepunktet, u.a., hier nach Schönwiese, 1995
Temperaturänderungen innerhalb der Würm-Kaltzeit
(Stadiale, K, und Interstadiale, W) durch D/O-Ereignisse
Bubenzer u. Radtke, 2007; Rahmstorf, 2003
Die Dansgaard-Oeschger (D/O) − Ereignisse beruhen auf der Instabilität
des Kaltzeit-Klimas. 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.
H
Zirkulationszustände
des Atlant. Ozeans
Abkühlung durch
„Heinrich-Ereignis“
Kaltzeit-Normalmodus
(z.B. Würm- „Eiszeit“)
D/O
Erwärmung durch
„Dansgaard-Oeschger-Ereignis“
(entspricht heutigem Zustand)
Ganopolski und Rahmstorf, 2001
Modellierung eines D/O-Ereignisses im Vergleich
mit Eisbohr-Rekonstruktionen (Grönland)
Modell
●
Zeit relativ zum Ereignisbeginn (0) in Jahren
Rasche Erwärmung (ca. 20-50 J.) und allmähliche Abkühlung im
Verlauf einiger Jahrhunderte.
Ganopolski u. Rahmstorf, 2001
Die Jüngere Dryaszeit (YD, Jüngere Tundrenzeit) ...
Eisbohrung Zentral-Grönland
YD
rel. Eisvolumen
mehr
weniger
Temperatur
Jahrtausende vor heute
…ist eine
markante
Kältephase
beim Übergang
Würm- Kaltzeit
→ Holozän,
ca. 12 850 bis
11 650 J.v.h.
Dabei folgt
einer relativ
allmählichen
Abkühlung
eine abrupte
Erwärmung
(umgekehrt wie
bei D/O-Ereign.)
GISP2-Eisbohrung, Grönl., US Nat. Res. Council, Comm. on Abrupt Clim. Change (2002); IPCC(2014)
Vereinfachtes Schema
des nordatlant.
Strömungssystems
(Quadfasel,
2005)
Warme oberflächennahe Strömung
Kalte Tiefenströmung
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 salzreiches Wasser voraus (→ relativ große Dichte).
• Starke Süßwassereinträge (vor allem durch schmelzendes 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
Nordtlantikstroms 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.
Simulation einer THC*-Blockade im Nordatlantik (YD)
* Thermohaline Zirkulation (thermohaline circulation)
Rahmstorf, 2002
Das Problem der Pluviale
Grob 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 paläoklimatologische Rekonstruktion des
Tschadsees in Afrika, der im
mittleren Holozän, aber auch vor
dem letzten Klimax der WürmKaltzeit, enorm ausgedehnt war.
Nach Messerli, 1980, vereinfacht,
hier nach Schönwiese, 1994
Vielen Dank
für Ihr Interesse
Homepage des Autors:
http://www.geo.uni-frankfurt.de/iau/klima