Isotope und Klima - Institut für Umweltphysik
Isotope und Klima - Institut für Umweltphysik
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<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Umweltphysik</strong><br />
Physik IV<br />
<strong>Umweltphysik</strong><br />
Ulrich Platt<br />
Physik IV – <strong>Umweltphysik</strong>, 6. <strong>Isotope</strong> Universität Heidelberg
Inhalte der Vorlesung<br />
1. Einführung in die <strong>Umweltphysik</strong>: Das System Erde <strong>und</strong><br />
seine Kompartimente, Statik der Geofluide<br />
2. Strahlung <strong>und</strong> <strong>Klima</strong>: Strahlungsbilanz, Treibhauseffekt<br />
<strong>und</strong> Strahlungstransport<br />
3. Geophysikalische Fluiddynamik: Kontinuumsmechanik,<br />
Navier-Stokes-Gleichung <strong>und</strong> Turbulenz, Transport<br />
4. Strömungen in Atmosphäre <strong>und</strong> Ozean: Geostrophische<br />
Näherung, globale Zirkulation, Grenzschichten<br />
5. Gr<strong>und</strong>wasser, Boden, Eis: Laminare Strömungen in<br />
porösen Medien, Dynamik von Eisschilden<br />
6. <strong>Isotope</strong> <strong>und</strong> Paläoklima: <strong>Isotope</strong>nmethoden,<strong>Klima</strong>archive<br />
<strong>und</strong> <strong>Klima</strong>geschichte, <strong>Klima</strong>wandel<br />
2
6. <strong>Isotope</strong> <strong>und</strong> Paläoklima<br />
<strong>Isotope</strong>nmethoden, <strong>Klima</strong>archive <strong>und</strong> -geschichte<br />
1) <strong>Klima</strong>archive <strong>und</strong> <strong>Klima</strong>proxies<br />
– Überblick zu Archiven <strong>und</strong> Proxies<br />
– Beispiel: Eis als Archiv <strong>für</strong> Umweltveränderungen<br />
2) Stabile <strong>Isotope</strong> des Wassers<br />
– <strong>Isotope</strong>nfraktionierung, <strong>Isotope</strong> als Paläothermometer<br />
3) Paläoklima: <strong>Klima</strong>geschichte der Erde<br />
– Eiszeit-Warmzeit Zyklen, Milankovic-Theorie<br />
4) Moderner <strong>Klima</strong>wandel<br />
– Einfluss des Menschen<br />
– Prognosen<br />
3
Wie war es<br />
früher?<br />
Motivation: Globale Erwärmung<br />
Änderung der Erdoberflächentemperatur in den letzten 140 Jahren<br />
Beiträge der Paläoklimatologie:<br />
• Dynamik <strong>und</strong> Ursachen früherer <strong>Klima</strong>änderungen<br />
• Vergleich der modernen mit früheren Änderungen<br />
Wie geht es<br />
weiter?<br />
• Datensätze zur Verifikation <strong>und</strong> Eichung von Modellen<br />
4
Methoden der Paläoklima-Rekonstruktion<br />
<strong>Klima</strong>-Parameter<br />
Gesuchte Eigenschaft des<br />
<strong>Klima</strong>s der Vergangenheit<br />
Archiv<br />
System das Proxy-<br />
Information speichert<br />
Proxy<br />
Größe, die mit dem <strong>Klima</strong>-<br />
Parameter korreliert<br />
Datierung<br />
Information über Alters-<br />
Struktur des Archivs<br />
5
<strong>Klima</strong>-Parameter<br />
• Luft-Temperatur (Mittel, Maximum, Minimum, …)<br />
• Meeres-Temperatur (SST = sea surface temperature)<br />
• Niederschlag, Feuchte<br />
• Wind/Sturm Intensität<br />
• Eisvolumen<br />
• Spurengaskonzentrationen<br />
• …<br />
6
• Geochemische Proxies:<br />
„Proxies“<br />
– Verhältnisse stabiler <strong>Isotope</strong> (δ 2 H, δ 18 O, δ 13 C)<br />
– Sr/Ca, Mg/Ca Verhältnisse, Edelgaskonzentrationen<br />
• Geologische Proxies:<br />
– Seespiegel<br />
– Schneegrenzen<br />
• Biologische Proxies:<br />
– Foraminiferen <strong>und</strong> Pollen Artenspektren, Alkenone<br />
– Baumringdicken, Baumgrenzen<br />
• Physikalische Proxies:<br />
• …<br />
– Bohrloch-Temperaturen<br />
– Magnetische Suszeptibilität<br />
7
• Sedimente:<br />
– Ozeansedimente<br />
– Seesedimente<br />
– Sümpfe <strong>und</strong> Torfmoore<br />
Archive<br />
– Aeolische Sedimente: Loess<br />
8
• Sedimente:<br />
• Eis:<br />
– Ozeansedimente<br />
– Seesedimente<br />
– Sümpfe <strong>und</strong> Torfmoore<br />
Archive 2<br />
– Aeolische Sedimente: Loess<br />
– Polare Eiskappen<br />
– Alpine Gletscher<br />
9
• Sedimente:<br />
• Eis:<br />
– Ozeansedimente<br />
– Seesedimente<br />
– Sümpfe <strong>und</strong> Torfmoore<br />
Archive 3<br />
– Aeolische Sedimente: Loess<br />
– Polare Eiskappen<br />
– Alpine Gletscher<br />
• Speläotheme (Stalagmiten)<br />
10
• Sedimente:<br />
• Eis:<br />
– Ozeansedimente<br />
– Seesedimente<br />
– Sümpfe <strong>und</strong> Torfmoore<br />
Archive 4<br />
– Aeolische Sedimente: Loess<br />
– Polare Eiskappen<br />
– Alpine Gletscher<br />
• Speläotheme (Stalagmiten)<br />
• Baumringe<br />
11
• Sedimente:<br />
• Eis:<br />
– Ozeansedimente<br />
– Seesedimente<br />
– Sümpfe <strong>und</strong> Torfmoore<br />
Archive 5<br />
– Aeolische Sedimente: Loess<br />
– Polare Eiskappen<br />
– Alpine Gletscher<br />
• Speläotheme (Stalagmiten)<br />
• Baumringe<br />
• Korallenriffe<br />
12
• Sedimente:<br />
• Eis:<br />
– Ozeansedimente<br />
– Seesedimente<br />
– Sümpfe <strong>und</strong> Torfmoore<br />
Archive 6<br />
– Aeolische Sedimente: Loess<br />
– Polare Eiskappen<br />
– Alpine Gletscher<br />
• Speläotheme (Stalagmiten)<br />
• Baumringe<br />
• Korallenriffe<br />
• Gr<strong>und</strong>wasser<br />
• …<br />
13
Datierungsmethoden<br />
• Direkte (absolute) Datierungsmethoden:<br />
– Zählung von Jahreslagen (Sedimente, Eis, Korallen)<br />
– Zählung von Baumringen<br />
• Radioisotopen Datierung:<br />
– 14 C (T 1/2 ( 14 C) = 5.73 ka)<br />
– U-Th (T 1/2 ( 230 Th) = 77 ka)<br />
– K-Ar (T 1/2 ( 40 K) = 1.28 Ga)<br />
• Indirekte Datierungsmethoden:<br />
• …<br />
– "Indicator matching" (Tephralagen, Magnetfeldumpol.)<br />
– "Orbital tuning" (Frequenz-Anpassung an Einstrahlung)<br />
– Modell-Alter (Eis/Gr<strong>und</strong>wasser Fliessmodelle)<br />
14
Beispiel: Polares Eis als Archiv<br />
<strong>Isotope</strong> im Eis als Thermometer <strong>für</strong> die Vergangenheit<br />
Paläo-Atmosphäre aus eingeschlossener Luft (CO 2 (t)!)<br />
15
Umwandlung von Schnee in Eis<br />
16
Eis als <strong>Klima</strong>archiv: Spurengase <strong>und</strong> Temperatur<br />
400'000 Jahre<br />
Kohlendioxid<br />
Methan<br />
“Temperatur”<br />
Änderungen in den<br />
letzten 100 Jahren!<br />
Jahrtausende vor heute<br />
Hansen, 2005.<br />
Clim. Change 68: 269<br />
17
Moderner CO 2 Anstieg aus Eiskern-Perspektive<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
-400000 -300000 -200000 -100000 0<br />
year<br />
18
6.2 Stabile <strong>Isotope</strong> des Wassers<br />
Wasserstoff <strong>und</strong> Sauerstoff besitzen mehrere stabile <strong>Isotope</strong><br />
Wasserstoff 1 H 2 H = D<br />
Anteil [ppm] 999850 150<br />
Sauerstoff 16 O 17 O 18 O<br />
Anteil [ppm] 997600 ≈ 400 ≈ 2000<br />
Wir betrachten <strong>Isotope</strong>nverhältnisse der seltenen, schweren<br />
<strong>Isotope</strong> zu den häufigen, leichten <strong>Isotope</strong>n:<br />
2<br />
2<br />
H ⎛ D⎞<br />
R = oder<br />
1<br />
H<br />
⎜<br />
H<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
18<br />
R<br />
=<br />
18<br />
16<br />
O<br />
O<br />
19
Stabile <strong>Isotope</strong>: Notation<br />
<strong>Isotope</strong>nverhältnisse variieren in der Umwelt nur geringfügig.<br />
Man betrachtet relative Abweichungen von einem Standard:<br />
δ-Notation:<br />
R − R<br />
δ O= ⋅1000<br />
‰<br />
18 18<br />
18 Probe Standard<br />
18<br />
RStandard<br />
2 2<br />
2 Probe Standard<br />
2<br />
RStandard<br />
[ ]<br />
R − R<br />
δ H =δ D = ⋅1000<br />
‰<br />
δ 18 O- <strong>und</strong> δD-Standard ist Meerwasser:<br />
SMOW = Standard Mean Ocean Water<br />
[ ]<br />
20
<strong>Isotope</strong>nfraktionierung<br />
Bei Phasenübergangen oder chemischen Reaktionen A ⇔ B<br />
können sich <strong>Isotope</strong>nverhältnisse leicht verändern.<br />
Fraktionierungsfaktor α:<br />
R<br />
α B−A =<br />
R<br />
Bsp.: Gleichgewichts-Fraktionierung<br />
zwischen Wasser <strong>und</strong> Wasserdampf:<br />
B<br />
A<br />
R<br />
α W-D =<br />
R<br />
Temperatur α W-D( 18 O) α W-D( 2 H)<br />
20°C 1.0098 1.085<br />
0°C 1.0117 1.112<br />
-20°C 1.0141 1.141<br />
Wasser<br />
Dampf<br />
Erklärung: Leichte Verbindungen haben höheren Dampfdruck<br />
21
Mobilität<br />
Ursachen von <strong>Isotope</strong>nfraktionierung<br />
Schwere <strong>Isotope</strong> sind etwas weniger mobil<br />
Gr<strong>und</strong>: thermische Geschwind., Diffusivität ~ m -½<br />
Bindungsenergie<br />
Moleküle mit schwerem Isotop haben (meist) etwas höhere<br />
Bindungsenergie<br />
Gr<strong>und</strong>: tiefere Nullpunktsenergie<br />
⇒ Schwere <strong>Isotope</strong> (Moleküle) diff<strong>und</strong>ieren <strong>und</strong> reagieren<br />
langsamer<br />
Faustregel: Schwerere <strong>Isotope</strong> sind<br />
– in der kondensierten Phase angereichert<br />
– im Reaktionsprodukt abgereichert<br />
22
Energniveaus von Isotopomeren<br />
Zweiatomiges Molekül:<br />
Red. Masse:<br />
m1⋅m2 µ=<br />
m + m<br />
1 2<br />
Rotation: E = B⋅ J( J+ 1)<br />
Vibration:<br />
rot<br />
B =<br />
2Θ<br />
2<br />
� 2<br />
Θ =µ R<br />
( )<br />
E = v+ 12 ⋅�ω vib 0<br />
D<br />
ω 0 =<br />
µ<br />
Schwere <strong>Isotope</strong> (höheres µ):<br />
- Tiefere E 0 <strong>und</strong> E vib, E rot<br />
- Höhere Dissoziationsenergie<br />
23
Sukzessives Ausregnen einer Wolke<br />
Wasser-Isotopie im hydrologischen Kreislauf:<br />
Verdunstung aus Ozean ⇒ relativ "leichter" Wasserdampf<br />
Transport polwärts/Anhebung ⇒ Abkühlung ⇒ Kondensation<br />
Regen ist "schwerer", Wolke wird "leichter", usw….<br />
24
Abreicherung des Niederschlags zum Pol hin<br />
aus Mook, 2001,<br />
http://www.iaea.org/<br />
programmes/ripc/ih/<br />
volumes/volumes.htm<br />
25
Temperatur-Effekt<br />
Beziehung zwischen<br />
Temperatur T (in °C)<br />
<strong>und</strong> δ 18 O (in ‰):<br />
Dansgaard (1964):<br />
δ 18 O = 0.695·T - 13.6<br />
aus Dansgaard, 1964,<br />
Tellus 16: 436-468<br />
26
Verteilung der stabilen <strong>Isotope</strong> im Niederschlag<br />
http://isohis.iaea.org/userupdate/Waterloo/index.html 27
Stabile <strong>Isotope</strong> in Eiskernen als Paläothermometer<br />
heutige Warmzeit<br />
~ letzte 10 ka<br />
letzte Eiszeit<br />
~ 100 ka<br />
Warmzeit<br />
~ 10 ka<br />
vorletzte Eiszeit<br />
~ 100 ka<br />
warm<br />
Schwierigkeit: Moderne δ 18 O-T Beziehung nicht 1:1 übertragbar<br />
Petit et al., 1999, Nature 399: 429-436 (Vostok-Bohrung, Antarktis)<br />
kalt<br />
28
6.3 Paläoklima: <strong>Klima</strong>geschichte der Erde<br />
Letzte ~ 100 Ma: Abkühlung<br />
Letzte ~ 150 ka: 1 Eiszeitzyklus<br />
Letzte ~ 1 Ma: 100 ka Zyklen<br />
Letzte ~ 20 ka: LGM - Holozän<br />
Younger Dryas<br />
29
Eisbedeckung im Wandel der Zeit<br />
vor 20 000 Jahren<br />
30
Eisbedeckung im Wandel der Zeit<br />
vor 14 000 Jahren<br />
31
Eisbedeckung im Wandel der Zeit<br />
vor 10 000 Jahren<br />
32
Eisbedeckung im Wandel der Zeit<br />
vor 8000 Jahren<br />
33
Eisbedeckung im Wandel der Zeit<br />
heute<br />
34
Ursache der Eiszeiten<br />
Änderungen der Erbahn um die Sonne!<br />
⇒ Änderung der Einstrahlung im Nord-Sommer!<br />
Milutin Milankovic<br />
1879 - 1958<br />
IPCC, AR4, 2007<br />
35
Ursache der ~100-ka-Eiszeit-Warmzeit-Zyklen<br />
Milankovic Theorie:<br />
• Änderungen der solaren<br />
Einstrahlung infolge<br />
Variation der Erdbahn-<br />
Parameter:<br />
– Exzentrizität (~ 100 ka)<br />
– Neigung (~ 41 ka)<br />
– Präzession (~ 22 ka)<br />
• Die Frequenzen dieser<br />
Variationen passen zu<br />
Periodizitäten in den<br />
Paläoklimadaten<br />
36
Jahreszeiten<br />
infolge Exzentrizität:<br />
∆R/R ~ 1.7 %<br />
∆I/I ~ 3.4 %<br />
Jahreszeiten<br />
Jahreszeiten infolge<br />
Neigung der Erdachse<br />
zur Ekliptik<br />
37
Kombination von Neigung <strong>und</strong> Abstand<br />
Bahnparameter beeinflussen Intensität der Jahreszeiten<br />
Heute intensivere Jahreszeiten auf S-Halbkugel<br />
Infolge Präzession: vor ~11'000 Jahren umgekehrt<br />
Zusammhang mit Eiszeiten: Sommer-Einstrahlung bei hoher<br />
nördlicher Breite steuert Größe der Eisschilde<br />
38
540<br />
520<br />
500<br />
480<br />
460<br />
440<br />
420<br />
400<br />
1.4<br />
1.2<br />
1<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
Milankovic – Die „Trigger Theorie“<br />
i0<br />
Trigger-minima<br />
Red = Trigger-minima events<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500 600 700 800<br />
Kyr Before Present
Sonneneinstrahlung (Insolation) bei 65 °N <strong>und</strong> Eiszeitzyklen<br />
4 3<br />
Terminations<br />
2<br />
1<br />
40
Stärken<br />
Diskussion der Milankovic Theorie<br />
• Physikalisch plausibler Mechanismus<br />
• Orbitale Frequenzen passen zu <strong>Klima</strong>daten<br />
• Erklärt Regelmässigkeit der <strong>Klima</strong>zyklen<br />
Probleme<br />
• Warum ist 100-ka Zyklus dominant in <strong>Klima</strong>daten?<br />
• Kurven von Insolation <strong>und</strong> <strong>Klima</strong> passen nicht immer<br />
41
Vorhersagen der Milankovic Theorie<br />
Archer and<br />
Ganopolski, 2005<br />
Natural:<br />
Near miss!<br />
Wait until<br />
50 kyr
dunklere<br />
Oberfläche<br />
Mechanismus zur Beendigung einer Eiszeit<br />
weniger<br />
Eis<br />
weniger<br />
Reflexion<br />
Start<br />
mehr Einstrahlung<br />
wärmere N-Sommer<br />
mehr<br />
H 2 O, CO 2<br />
weniger<br />
Abkühlung<br />
mehr<br />
Isolation<br />
Eis-Albedo-Rückkopplung Temp.-Treibhaus-Rückkopplung<br />
43
dunklere<br />
Oberfläche<br />
6.4 Der moderne <strong>Klima</strong>wandel<br />
weniger<br />
Eis<br />
weniger<br />
Reflexion<br />
Start<br />
wärmer<br />
mehr<br />
H2O, CO CO 2 2<br />
weniger<br />
Abkühlung<br />
mehr<br />
Isolation<br />
Eis-Albedo-Rückkopplung Temp.-Treibhaus-Rückkopplung<br />
44
Das <strong>Klima</strong> der Gegenwart<br />
Sehen wir schon eine Erwärmung?<br />
IPCC, AR4, 2007<br />
45
Jahresmitteltemperatur Deutschland<br />
Deutscher Wetterdienst, <strong>Klima</strong>statusbericht 2006<br />
http://www.dwd.de/de/F<strong>und</strong>E/<strong>Klima</strong>/KLIS/prod/KSB/ksb06/ksb06.htm<br />
46
Jahresmitteltemperatur Deutschland 2006<br />
2006: Im Mittel 9.5 °C<br />
+ 1.3 °C relativ zu<br />
Referenz 1961 – 1990<br />
2007: 9.8°C<br />
+ 1.6 °C<br />
Rang 2 seit 1901<br />
Rekord: 2000 mit 9.9 °C<br />
Deutscher Wetterdienst,<br />
<strong>Klima</strong>statusbericht 2006,<br />
Presseberichte<br />
http://metportal.dwd.de/<br />
47
Jahresmitteltemperatur Schweiz<br />
Meteoschweiz: http://www.meteoschweiz.admin.ch/web/de/<br />
klima/klimaaenderung/temperaturtrend_schweiz.html<br />
48
Die Gletscher gehen zurück<br />
Höhenänderung in Grönland<br />
Längenänderung der Gebirgsgletscher<br />
IPCC, AR4, 2007<br />
49
Veränderungen in der Kryosphäre: Meereis<br />
http://nsidc.org/news/press/2007_seaiceminimum/20070810_index.html 50
Veränderungen in der Kryosphäre: Meereis<br />
Brasilien<br />
Deutschland<br />
Stroeve et al., 2007, Geophys. Res. Lett. 34, L09501, doi: 10.1029/2007GL029703 51
CO2 <strong>und</strong> Strahlungsantrieb seit der Eiszeit<br />
IPCC<br />
AR4<br />
2007<br />
52
<strong>Klima</strong>sensitivität (DT bei 2xCO 2 )<br />
IPCC, AR4, 2007<br />
53
Das <strong>Klima</strong> der Zukunft<br />
IPCC-Szenarien <strong>für</strong> CO 2 Emissionen <strong>und</strong> Konzentrationen<br />
⇒ CO 2-Konzentrationen werden noch deutlich zunehmen<br />
IPCC report, 2001 54
Es wird wärmer werden<br />
IPCC, AR4, 2007<br />
55
Es wird wärmer werden<br />
2090 – 2099 relativ zu 1980 - 1999<br />
IPCC, AR4, 2007<br />
56
Regionale Verteilung der Erwärmung<br />
IPCC, AR4, 2007<br />
57
Veränderungen im Niederschlagsregime<br />
Änderung 2080-99 relativ zu 1980-99<br />
IPCC, AR4, 2007<br />
58
Der Meeresspiegel wird weiter ansteigen<br />
Global Mean T, °C<br />
100<br />
5 10 15 20<br />
Last Glacial<br />
Maximum<br />
20 kyr ago<br />
Sea Level, m<br />
From David Archer, 2007<br />
50<br />
Today<br />
-50<br />
-100<br />
-150<br />
Pliocene<br />
3 Myr ago<br />
Eocene<br />
40 Myr ago<br />
IPCC forecast 2100<br />
IPCC, AR4, 2007<br />
59
Der Meeresspiegel wird weiter ansteigen<br />
Rahmstorf, 2007, Science 315: 368-370<br />
60
Die Gletscher werden weiter zurückgehen<br />
Zemp et al., 2006,<br />
Geophys. Res. Lett. 33<br />
Gletscherfläche (%)<br />
Alpen<br />
Schweiz<br />
Italien<br />
Frankreich<br />
Österreich<br />
Deutschland<br />
Temperaturanstieg (°C)<br />
61
Die Ozeane werden langsam saurer<br />
Lösung von CO 2 macht Meerwasser saurer (Kohlensäure!)<br />
Hawaii<br />
Bermudas<br />
IPCC, AR4, 2007<br />
62
• Eisschilde als <strong>Klima</strong>archive:<br />
Zusammenfassung<br />
– Information zu Temperatur <strong>und</strong> Spurengasen<br />
• Stabile <strong>Isotope</strong> im Wasserkreislauf:<br />
– Abreicherung im Niederschlag: Temperatur<br />
• <strong>Klima</strong>geschichte:<br />
– 100-ka Eiszeit-Warmzeit Zyklen seit ~ 1 Ma dominant<br />
– Erklärung durch Erdbahnparameter: Milankovic<br />
• Moderner <strong>Klima</strong>wandel:<br />
– <strong>Klima</strong>sensitivität: ∆T 2xCO2 ~ 3 ± 1.5 °C<br />
– Erwärmung bis 2100 je nach Szenario: 1 - 6 °C<br />
63
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