Paleo-Climate

Contents:

1. Introduction2. Paleoclimate information inferred from

– Corals and foraminfera– oceanic sediments– stalagmites

Prof. A. ManginiInstitut für Umweltphysik

Universität HeidelbergINF 229

69120 Heidelberg

Was machen wir in HD?

Früher haben wir marine Sedimente untersucht

Sedimente mit Th/U datiert

Intensität der Ozean-Zirkulation

10Be in marinen Sedimenten, Mn-Knollen

Korallen, Meeresspiegel

Jetzt: Schwerpunkt Untersuchungen an Stalagmiten

Th/U-Datierung mit TIMS

Klimaarchive Stalagmiten 18O, 13C, Elemente

Synthetische Stalagmiten

Klimavariabilität, Einfluss der Sonne, Kosmische Strahlung....

Klimamodelle

Klima

Woraus besteht ein ozeanischer Sediment?

Kontinentalen Detritus Feinstaub (Tone) 1 – 100 %

Corg 0,1 - 10 %

Biogene Komponenten Karbonatschalen CaCO3 0 – 100%

Silikatschalen SiO2 0 – 30 %

Authigene Komponente z.B. Mn- Knollen x %

Akkumulationsrate im Bereich von: 1 mm bis 20 cm /1000 Jahre

d.h. 10 m langer Kern ca. 1 Million bis 50.000 Jahre

Abbildung von Kalkschalen und Silikatischen Schalen

Welche Information liefert ein Sedimentkern?

Windstärke, Richtung

Zusammensetzung Biologische Produktivität

Ozean Chemie, O2, HCO3-

Ozean Zirkulation

Wasser-Temperatur Isotopie von 18O und13C in CaCO3

Eisvolumen

Absolut-Datierung mit 14C- und Th/U-Methoden

Information aus dem 18O im Niederschlag

Das Isotopen-Signal in Kalkschalen

40‰ x 120 mEisvolumeneffekt: ------------------- = 1,26 ‰

3800 m

Der Ozean ist also bis zu 1,3 ‰ schwerer

Rest: ~ 1,6 –1,26 = 0,34 ‰

0,34 ‰ / -0,23 ‰ /°C = 1,47 °C kälter

Während der Eiszeit

Der Kalk baut die Isotopie des Meerwassers ein.

Ausserdem gibt es ein Temperatur Effekt von -0,23 ‰ /°C.

Karner et al., 2003

Die Abfolge von Warm- und Kaltzeiten

Man erkennt eine Abfolge von Warm-und Kaltzeiten. Der Meerespiegel variiert um etwa 120 m.

Was ist die Ursache für die Periodizität ?

Orbitale Parameter: Die Exzentrizität

Exzentrizität

Aktuell e = 0,016772 a/b = 1,00014

(R-r)/r = 3,3%

Abweichung von einer Kreisbahn durch Einfluss von Jupiter und Venus

Es gibt drei Frequenzen95 kyr, 125kyr und 400 kyr

Abbildung der Exzentrizität während der letzten 800 kyr

Frequenzspektrum der Exzentrizität

Die Präzesion der Erde

Folge von „Abflachung“ der Erde am Äquator.Periode 25,8 kyr

Die Präzesion beeinflusst das Klima, weil das Perihelionzu unterschiedlichen Zeiten erfolgt. Zur Zeit am 4 Januar.

Nach der Milankovitch Hypothese sind wir in einem Interglazial, weil die NordEisflächen nicht bestehen können.

Die Lage des Perihelions wird durch die Exzentrizität beeinflusst.und es folgen drei Frequenzen 24, 22 und 19 kyr

Definition des Präzesionsparameters p= e . sin ω

Die Obliquität der Erde

Winkel der Erdachse zur Sonne 23,5 °

Die Obliquität variiert mit der Präzesion der Erdachse (26 kyr)

und mit der Präzesion der Ebene der Bahnachse (70 kyr)

Fo = Fp – Fω = 0,024 (41kyr)

Die Präzesion, Obliquität und Exzentrizitätbeeinflüssen das Klima. Aber wie?

Milankovitch : Die Menge an Sonneneinstrahlung auf die nördliche Hemispäre (Juli 65°N) lenkt die Vereisung.

Seit Mitte 1970 bis heute! alle Klimaarchive damitzeitlich geeicht.

„ Datierung mariner Sedimente überflüssig“...

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

2

1

0

-1

-2D

elta

18O

Alter [kyr]

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450420

440

460

480

500

520

540

560

W/m

2

Alter [kyr]

Meeresspiegel

EinstrahlungJuni 65°N

Milankovitch

Probleme der Klimamodelle

1) das 100 kyr Problem. Das Eisvolumen während deletzten 1 Myr wird durch eine 100 kyr Oszillation dominiert. Nach dem Standard Modell sollten es 41 und 24, 22, 19 kyr sein.

2) Während Stadium 1 und Stadium 11 große Eisvolumen Schwankungen trotz kleiner Änderungen der Einstrahlung.

3) Das Timing Problem. Erwärmungen erfolgten auch währendEinstrahlungsminima.

4) Unsplit Peak Problem. Man sollte die Perioden 95, 125 kyr sehen, sieht aber nur 100 kyr Perioden.

5) Das Fehlen der 400 kyr Periodizität.

6) Der Übergang von 41 kyr zu 100 kyr vor 1 Myr.

Die Prognosen der KlimaModellen beruhen auf Temperatur-kurven, die aus Klima-Archiven abgeleitet werden.

Es besteht ein dringender Bedarf an zuverlässigen und exakt datierten Klima-Archiven.

Zeitskalen von 1.000 und 300.000 Jahre wichtig

Temperaturentwicklung während der letzten 1500 Jahre nach dem IPCC (2001)

Die Aussagen aller Klima-Modellebasieren auf dieser Kurve!

Die Temperaturentwicklung nach Esper et al. (Science 2002)

bisher: Die rote Kurveneue Daten : blaue Kurve

Das Modell von Lean et al. (1995)

Sonne

Temperatur

1600 2000

CO2

Schwerpunkt Untersuchungen an Stalagmiten

Th/U-Datierung mit TIMS

Klimaarchive Stalagmiten 18O, 13C, Elemente

Synthetische Stalagmiten

Fluid inclusions

Klimavariabilität, Einfluss der Sonne,

Kosmische Strahlung....

Klimaindikatoren in Stalagmiten

Wachstum Niederschlag, T > 0°C

Sauerstoff Isotope Charakteristik des Regens

Kin. Fraktionierung weniger Niederschlag

Sauerstoff Isotopie delta Temperatur

Die Datierung beruht auf demEinbau von Uran und dem Anwachsen

seiner Tochter, 230Th (T1/2= 75.000 Jahre)

0 200000 400000 600000 800000 10000000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

a

radioaktives Gleichgewicht

[ 234U / 238U]

[ 230Th / 234U]

Akt

ivitä

tsve

rhäl

tnis

Alter [a]

Beispiel: Stalagmiten aus dem OMAN

0 50 100 150 200 250 300 350

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2 865421

Feucht

Trocken

Sta

lagm

iten

δ18O

[‰ V

PDB]

Alter [ka]

3 7 9

12

10

8

6

4

2

0

-2

SP

ECM

AP δ

18O

[‰ V

PDB]

Zeitskala 100.000 Jahre

Archive Stalagmiten

0 5 10 15 20 25 30 356

7

8

9

10Stalagmit H5

High-ResolutionInterval

0,141 ± 0,011 mm/a

0,026 mm/a

0,57 ± 0,22 mm/a

Alte

r [ka

]

Tiefe [cm]

0,052 ± 0,003 mm/a

Beispiel: OMANZeitskala 1000 Jahre

Ergebnisse aus dem Oman

6.500 7.000 7.500 8.000 8.500 9.000 9.500

-15

-10

-5

0

5

10

∆14

C [‰

]

Alter [a]

a

-5,5

-5,0

-4,5

-4,0

-3,5

Feucht

Trocken

δ18O

∆14C

δ18O

[‰ V

PDB

]

7900 7950 8000 8050 8100 8150 8200 8250 8300

-20

-15

-10

-5

0

5

10

∆14

C [‰

]

Alter [a]

b

-5,5

-5,0

-4,5

-4,0

δ18O

∆14C

δ18O

[‰ V

PDB]

Neff et al.,2001, Nature

Erstmals eine deutliche Beziehungzwischen Sonne und Klima nachgewiesen

Sonne

Klima

Fleitmann et al., Science 2003

Auch Stalagmiten aus dem Sauerland und aus den Alpen zeigen einen deutlichen „Sonnen-Einfluss“

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-5,0

-5,5

-6,0

-6,5

-7,0

O-1

8

age cal

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

-30

-20

-10

0

10

20

30

del

ta C

-14

0 500 1000 1500 2000

-8,0

-7,8

-7,6

-7,4

-7,2

-7,0

0,63

0 500 1000 1500 2000

-20

-10

0

10

20

Iserlohn

Hintertux

Produktion von 14C und 10Be in der Atmosphäre

kosmische Strahlung

[Primärteilchen: p, α ]

langsame Nukleonen schnelle Nukleonen

14N (n,p) 40Argon

14C 10BeT½ : 5.730 Jahre T½ : 1,5 . 106 Jahre

Sonnen-Magnetfeld

Erd-Magnetfeld

26Al

32Si

~ ± 50% Effekt

~ -50 +100%

Archive Baumringe

Subfossile Kiefer bei Tapfheim, Donau.

Ca. 11.500 Jahre v.h.

12000 10000 8000 6000 4000 2000 0-50

0

50

100

150

200

Del

ta 1

4C [p

ro m

ille]

Alter [Jahre]

14C in der Atmosphäre

Nachweis der Sonnenintensität

Weniger kosmische Strahlung bei starker Sonne

∆14C Archiv für die Stärke der Sonne in der Vergangenheit

0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

∆14C

res [‰

]

A lte r [a ]

IN T C A L 9 8

an Baumringen bestimmt

Variation der Produktion von 14C und 10Be(Erdmagnetfeld, Archiv: Sedimente)

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

60kyr to Present

10Be fluxEquatorial Pacific

10Be

-Flu

x [1

09 Atm

/(cm

2 *kyr

)]

error

-200

0

200

400

600

Cariaco Basin varves [Hughen, Southon et al., 2000]

Corals U/Th dated[Bard, Arnold et al., 1998]

PS 2644 sediment core

atm

. ∆14

C [‰

]

0 10 20 30 40 50 60

Age [kyr]

No = N(t) . exp (λ . t )

Variation des Erd-Magnetfeldes während der letzten 200.000 Jahre (aus 10Be)

0 50 100 150 2000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

rela

tive

varia

tions

of

the

Ear

th's

mag

netic

fiel

d

Age [ka]

0 50 100 150 200 250 300 350

ZillertalAlps

Oman

MIS

865421

age [kyr]

3 7 9

12

10

8

6

4

2

0

-2

SPECM

AP δ

18O[‰

]rel. var. of the

Earth's magnetic field

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Magnetic field

3 2 1 4

Vergleich der Klima Signale aus den Stalagmitenmit dem Magnetfeld aus 10Be aus marinen Sedimenten

Vergleich der Klima Signale aus den Stalagmitenmit dem Magnetfeld aus 10Be aus marinen Sedimenten

Der letzte Übergang vor 140 kyr

Die Prognosen der KlimaModellen beruhen auf Temperatur-kurven, die aus Klima-Archiven abgeleitet werden.

Es besteht ein dringender Bedarf an zuverlässigen und exakt datierten Klima-Archiven.

Auch im Bereich vor 100 Millionen Jahre

Klimaentwicklung während der letzten 500 myr

Shaviv und Veizer 2003,

Shaviv,Phys. Res Lett2002

Shaviv + Veizer, 2003