Der Planeten Simulator - PlaSim
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/ . 1 Abschnitt Paleosimulationen ∇ Zusammenfassung zum Abschnitt .... Beginnend in diesem Abschnitt werden verschiedene Fragestellungen vorgestellt, die mit Hilfe des Planetensimulators bearbeitet werden sollen. Die Auswahl behandelt ein Paleoszenario, bei dem der Einfluss der Erdbahnparameter zu untersuchen ist, die Simulation der Auswirkungen von Treibhausgasänderungen und drei Sensitivitätsstudien. Paleosimulationen Der Planeten Simulator - PlaSim AG WWKE, FU Berlin - IfM / M.Donat/I.Kirchner / . Paleosimulationen Das Klima auf der Erde ist nicht konstant, sondern es gab in der Erdgeschichte stetig Wechsel zwischen Warmzeiten (Interglaziale) und Kaltzeiten (Glaziale). Das einfache Erdsystem-Modell PLASIM eignet sich in begrenztem Umfang auch zur Simulation solcher Ereignisse. Milankovitch-Theorie Nach der Milankovitch-Theorie führen Veränderungen der Erdbahn um die Sonne zu veränderten Einstrahlungsverhältnissen auf der Erdoberfläche [Milankovitch, 1941] Die Milankovitch-Theorie benennt als die drei Erdbahn-Parameter, die eine Wirkung auf die Klimaschwankungen haben können ⊗ die Exzentrizität der Erdbahn ⊗ die Neigung der Erdachse ⊗ die Präzessionsbewegung bei der Erddrehung Paläoklima-Simulationen mit PLASIM Der Planeten Simulator - PlaSim AG WWKE, FU Berlin - IfM / M.Donat/I.Kirchner 1 2 ∇ / . Paleosimulationen Exzentrizität der Erdbahn Die Erde bewegt sich auf einer Ellipse, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht. Der heutige Wert der Exzentrizität beträgt 0,0167, d.h. im sonnennächsten Punkt (dem Perihel) ist die Sonne 147 Mio km von der Sonne entfernt und im sonnenfernsten Punkt (dem Aphel) beträgt der Abstand Erde-Sonne 152 Mio km. Die Schwankung der Exzentrizität hat eine mittlere Periode von 95.800 Jahren während der letzten 5 Mio Jahre und wird durch die Massenanziehung der anderen Planeten hervorgerufen. Einfluss der Erdbahnparameter Der Planeten Simulator - PlaSim AG WWKE, FU Berlin - IfM / M.Donat/I.Kirchner 1 2 3 ∇ / . Paleosimulationen Neigung der Erdachse Der Neigungswinkel der Erdachse gegenüber der Normalen der Ebene, in der die Erdbahn liegt, variiert zwischen 21, 8o und 24, 4o und beträgt heute 23, 44o. Er definiert zum einen die Polarkreise in den hohen Breiten (und damit die Gebiete von Polarnacht und Polartag) und zum anderen die Wendekreise in den niederen Breiten. Die Auswirkung der Änderung der Achsenneigung auf die am Oberrand der Atmosphäre ankommende Strahlung ist in den hohen Breiten am größten und nimmt zum Äquator hin ab. Einfluss der Erdbahnparameter Der Planeten Simulator - PlaSim AG WWKE, FU Berlin - IfM / M.Donat/I.Kirchner 1 2 3 4 ∇ / . Paleosimulationen Präzession Auf die Wölbung um den Äquator der Erde wirkt ein Drehmoment, ausgelöst durch Anziehungskräfte von der Sonne und den anderen Planeten. Dieses Drehmoment ruft eine Präzessionsbewegung (die Erde fungiert als Kreisel) hervor, d.h. ein Taumeln der Erdachse um die Senkrechte auf der Bahnebene. Die Präzession hat eine mittlere Periode von 21.700 Jahren. Als Konsequenz durchläuft die Erde das Perihel zu manchen Zeiten im Nordsommer und etwa 10.000 Jahre später im Nordwinter. Die Präzession hat keinen Einfluss auf den Gesamtbetrag der Solarstrahlung, die am Oberrand der Atmosphäre ankommt, jedoch sowohl auf die jahreszeitliche als auch die meridionale Verteilung. Einfluss der Erdbahnparameter Der Planeten Simulator - PlaSim AG WWKE, FU Berlin - IfM / M.Donat/I.Kirchner 1 2 3 4 5 ∇ / . Paleosimulationen Erdbahnparameter 1 2 3 4 5 6 ∇ Rotationsbewegungen, die Einfluss auf die Sonneneinstrahlung auf der Erde haben: (1) (2) (3) (4) Erdrotation (Tag und Nacht) Rotation der Erdachse um eine Senkrechte zur Erdbahnebene (Päzession) Bahn der Erde um die Sonne (Jahresgang) Drehung des großen Durchmessers der Bahnellipse relativ zum Fixsternhimmel Einfluss der Erdbahnparameter Der Planeten Simulator - PlaSim AG WWKE, FU Berlin - IfM / M.Donat/I.Kirchner / . Paleosimulationen Warmzeit Das letzte Interglazial, das Eem, dauerte etwa von 130.000 bis 116.000 Jahre vor heute. Danach kam es zu einem raschen Abkühlen. Vor ca. 125.000 Jahren durchlief die Erde das Perihel im Nordsommer (und das Aphel im Nordwinter); vor ca. 115.000 Jahren dagegen im Nordwinter. 1 2 3 4 5 6 7 ∇ Untersuchung des Eem-Interglazial Der Planeten Simulator - PlaSim AG WWKE, FU Berlin - IfM / M.Donat/I.Kirchner / . Paleosimulationen Obwohl der globale Gesamtbetrag der solaren Einstrahlung sich nicht ändert, führt die veränderte jahreszeitliche und meridionale Verteilung zu einer Reaktion des Klimasystems. Wichtig ist dabei auch der Fakt, dass der Anteil der Landmasse auf der Norhalbkugel wesentlich größer ist als auf der Südhalbkugel. 1 2 3 4 5 Durch die geringere Wärmekapazität im Vergleich zu Wasser kann man über den Landoberflächen wesentlich stärkere Temperaturänderungen, die aus der veränderten Einstrahlung resultieren, erkennen als über den Ozeanen. 6 7 8 ∇ Untersuchung des Eem-Interglazial Der Planeten Simulator - PlaSim AG WWKE, FU Berlin - IfM / M.Donat/I.Kirchner / . Paleosimulationen Schnee-Albedo-Rückkopplung Befindet sich die Erde also im nordhemisphärischen Sommer im Aphel, und im Winter im Perihel (wie es vor ca. 115.000 Jahren der Fall war), fällt die Saisonalität der Temperatur geringer aus (kältere Sommer, wärmere Winter) als vor 125.000 Jahren, als sich die Erde im Nordsommer im Perihel befand (größere Saisonalität der Temperatur). 1 2 3 4 5 6 7 8 Durch die weniger warmen Sommer schmelzen in der warmen Jahreszeit weniger Schneemassen ab und es kommt im Laufe der Jahre zu einer Ausbreitung der schneebedeckten Flächen. Untersuchung des Eem-Interglazial Der Planeten Simulator - PlaSim AG WWKE, FU Berlin - IfM / M.Donat/I.Kirchner 9 ∇ / . Paleosimulationen Weiterhin war die Achsneigung der Erde vor 115.000 Jahren etwas geringer, was zu einem stärkeren Temperatur-Gradienten zwischen hohen und niederen Breiten führt. Durch den Schnee-Ausbreitung hin zu den niederen Breiten kommt es lokal zu einer Veränderung der Albedo, was zu einer Änderung des globalen Strahlungshaushaltes führt. Dies wiederum führt zu einer verstärkten Schneeausbreitung. 1 2 3 4 5 6 7 Experimente 8 9 Im Strahlungsmodul des Planetensimulators ist eine Berechnung der ErdbahnParameter nach dem Algorithmus von A.L. Berger implementiert. Nach Eingabe einer Jahreszahl werden Exzentrizität, Achsneigung und Lage des Perihels berechnet. Für verschiedene Kombinationen von zu- oder abgeschalteten Kopplungen der Modellkomponenten können nun die Effekte der veränderten Bahnparameter auf den Atmosphärenzustand mit dem Planetensimulator untersucht werden. Weitere Instruktionen befinden sich in der Aufgabe 1 Untersuchung des Eem-Interglazial Der Planeten Simulator - PlaSim AG WWKE, FU Berlin - IfM / M.Donat/I.Kirchner 10
