2. 2 Das Klima der Erde:Vielfalt, Ordnung und Komplexität 2 2.2 Das Klima der Erde:Vielfalt, Ordnung und Komplexität 2 .21 Übersicht über Temperatur in Atmosphäre und Ozean 2.211 Temperatur der Atmosphäre 2.212 Temperatur der Weltmeere 2.213 Klimakarten 2.22 Das Klimasystem der Erde Komponenten des Klimasystems und ihre Wechselwirkung Strahlungsgleichgewicht der Erde im Weltraum Die Thermohaline Zirkulation des Ozeanwassers 2.23 Die Entwicklung des Klimas auf der Erde .231 Die geologische Zeitskala .232 Beispiele für klimatische und geologische Variationen in der Erdgeschichte ~1 Meeresspiegel ~2 Erdtemperaturen in unserem Giga-Jahr ~3 Kontinentalverschiebung und ihre Folgen

Global Climate System: components, interactions, expected changes 2.221 Global Climate System: components, interactions, expected changes Figure 1.1: Schematic view of the components of the global climate system (fett) their processes and interactions (dünne Pfeile) and some aspects that may change (fette Pfeile). Quelle: / IPCC 2001, TAR-1, p88; Fig.1.1 /

The Earth's annual and global mean energy balance. 2.222 The Earth's annual and global mean energy balance. 1. Of the incoming solar radiation, 49% (168 Wm-2) is absorbed by the surface. That heat is retumed to the atmosphere as sensible heat (24), as evapotranspiration (latent heat, 78) and as thermal infrared radiation. 2. Most of this radiation is absorbed by the atmospere, which in turn emits radiation up and down. 3. The radiation lost to space comes from cloud tops and atmospheric region much colder than the surface. This causes a greenhouse effect. Source: Kiehl and Trenberth, 1997: Earth's Annual Global Mean Energy Budget, Bult. Am Met. Soc. , Quelle: / IPCC 2001, TAR-1, p90; Fig.1.2 /

Zonal gemittelter Strahlungshaushalt der Erde Satellitenmessungen von a) solarer Einstrahlung [W/m2] am Oberrand der Atmosphäre und b) solarer Albedo in %, Fett: Jahreswerte; dünne Kurve: DJF = Dezember- Januar- Februar; gestrichelt: JJA = Juni-Juli-August Süd geographischen Breite Nord Quelle: Bergmann-Schäfer Bd.7, Bild 4.25, p.351; nach Urquelle: Peixoto und Oort, 1984

Bemerkungen zur Solare Einstrahlung (Abb.4.25a) Zonal gemittelter Strahlungshaushalt der Erde Bemerkungen zur Solare Einstrahlung (Abb.4.25a) Man erkennt an der Jahresmittelkurve, daß der globale Wert der Solareinstrahlung (342 W /m2) in den niedrigen Breiten überschritten wird (Werte größer als 400 W /m2) und in den hohen Breiten unterschritten wird (Werte kleiner als 200 W /m2). Im Sommer der jeweiligen Halbkugel ist die einkommende Strahlung fast breitenkonstant , in den höchsten Breiten nimmt sie sogar noch einmal zum Pol hin zu; (kombinierte Wirkung von Kugelform der Erde und astronomischer Tageslänge). Im Winter fällt dagegen die Strahlung vom Äquator fast linear bis zum Pol hin ab. Bemerkungen zur Albedo (Abb. 4.25b) Im globalen Mittel ergibt sich 30% für die Rückstrahlfähigkeit des Klimasystems. Die Tropen reflektieren am wenigsten (bedingt durch das Uberwiegen der Ozeane), die höheren Breiten reflektieren wesentlich mehr , bedingt durch: Schrägstand der Sonne, hohen Anteil von Stratusbewölkung, Eisbedeckung im Winter Das Produkt der Teilbilder (a) und (b) ergibt, dass die reflektierte Strahlungsflußdichte im Jahresmittel kaum Breitenunterschiede zeigt, jedoch im Sommer maximal und im Winter minimal ist (nicht dargestellt). Quelle: Bergmann-Schäfer Bd.7, Bild 4.25, p.351

Komponenten des globalen Strahlungshaushaltes aus Satellittenmessungen (a) Solar absorbierte Strahlungsflußdichte (b) Terrestrisch emittierte Strahlungsfludichte (c) Algebraische Summe von a) und b): Strahlungsbilanz an der Obergrenze des Klimasystems (positiv = Einnahme) S geographischen Breite N Flußdichten sind positiv nach unten gerichtet. Quelle: Bergmann-Schäfer Bd.7, Bild 4.26, p.352; nach Urquelle: Peixoto und Oort, 1984

Nettostrahlungsbilanz = solare Absorption – terrestrische Emission also: Nettostrahlungsbilanz ist relevant für den Energiehaushalt Nettostrahlungsbilanz = solare Absorption – terrestrische Emission Die Jahresmittelkurven der Teilbilder (a) und (b) reproduzieren jeweils den globalen Mittelwert von 239 W /m2 ( Einnahme und Ausgabe.) Dabei hat die solare Einnahme ein markantes Maximum in den Tropen und ein Minimum in den Polargebieten mit starkem Jahresgang, während die terrestrische Ausgabe eher schwachen Jahres- und Breitengang zeigt. In der Bilanz (Abb. 4.26c, Jahresmittel Null) erscheinen die niedrigen Breiten als Positiv-, die hohen Breiten als Negativgebiete, wobei im jeweiligen Sommer das Positivgebiet bis dicht an den Pol reicht. Quelle: Bergmann-Schäfer Bd.7, Bild 4.26, p.352; nach Urquelle: Peixoto und Oort, 1984

Nettostrahlungsflußdichte „RAD“ am Oberrand der Atmosphäre „-34“ heiße Sahara strahlt mehr ab!! Nettostrahlungsflußdichte: RAD = RADs + RADL mit s = kurzwellig, solar und L= langwellig, terrestrisch (nach Abzug der Reflexion) Positiv: Strahlungsgewinn des Planeten (Strahlungsfluß nach unten gerichtet); Quelle: Bergmann-Schäfer Bd.7, Bild 4.27, p.353; nach Urquelle: Peixoto und Oort, 1984

Bemerkungen zur Nettostrahlungsbilanz als Klimakarte für die Erde : Der globale Mittelwert ist (scheinbar) nur näherungsweise Null, wg. Meß-, Auswertungs- und Repräsentationsfehler der Satellittenmessungen (geschätzt 7 W /m2). Vorherrschen der Zonalität ; besonders auf der Südhalbkugel. aber: Positive Abweichungen von der Zonalität gibt es über den tropischen Ozeanen, Starke negative Abweichungen über den subtropischen Landgebieten, den Wüsten. Ursachen für die Abweichungen von der Zonalität Unterschied der Strahlungstemperaturen (niedrige über Wasser, hohe über Land), wodurch die langwelligen Verluste besonders über hochtemperierten wolkenfreien Gebieten maximiert werden. der dunkle Ozean schluckt die Sonnenstrahlung und, da er relativ kalt ist, gibt er wenig Wärmestrahlung abgibt; die helle Wüste dagegen reflektiert viel Sonnenstrahlung und, da sie heiß ist , gibt sie viel Wärmestrahlung in den Weltraum ab. (Die auffällige negative Anomalie über der Sahara ist eine der wirklichen Entdeckungen des Satellitenzeitalters gewesen. ) Quelle: Bergmann-Schäfer Bd.7, Bild 4.27, p.353; nach Urquelle: Peixoto und Oort, 1984

Weltweites ozeanisches Zirkulationsmuster 2.223 Weltweites ozeanisches Zirkulationsmuster vereinfacht QUELLE: / Haug,R. et al. : “Vom Panam-Isthmus zum Grönlandeis“, Spektrum der Wissenschaft (1998) Heft11, p32, Bild 1/

Bild 1: Schematische Darstellung des weltweiten ozeanischen Zirkulationsmusters. Warmes, salzreiches Oberflächenwasser fließt aus dem Pazifik und Indik in den Atlantik und dort bis in den hohen Norden {rot). In subpolaren Breiten wird es durch kalte Winde abgekühlt. Dadurch erhöht sich seine Dichte, und es sinkt ab. Als kaltes Nordatlantisches Tiefenwasser fließt es nach Süden zurück und wird in den Zirkum-antarktischen Strömungsring eingespeist, von wo es sich weiter in den Indik und Pazifik ausbreitet und die ozeanische Zirkulationsschleife schließt (blau}. QUELLE: / Haug,R. et al. : “Vom Panam-Isthmus zum Grönlandeis“, Spektrum der Wissenschaft (1998) Heft11, p32, Bild 1/

Eine geringfügig andere Darstellung des „Förderbandes“. Quelle: IPCC_TAR2001_Synthesis Report

Figure 1.2: IPCC2001_TAR1_Fig1.2

Thermohaline Meeresströmungen entstehen als Folge von Änderungen der Dichte des Meerwassers. Dichtezunahme als Folge von Wärmeabgabe und Salzgehalts-Erhöhung . Die Zustandsgleichung des Meerwassers , also : Dichte ( Temperatur T, Salzgehalt S , Druck p ) lässt sich wg. der komplizierten Zusammensetzung des Meerwassers nur empirisch bestimmen.

Isopyknen des Meerwassers abhängig von Temperatur und Salzgehalt Bei p= Atmosphärendruck Bei S > 25 gibt es keine „Anomalie des Wasses“ mehr Isopyknen = Linien gleicher Dichte, in [kg/m3 ] Quelle: Bergmann Schäfer Band 7, Abb.2.1; p.55

Isopyknen des Meerwassers abhängig von Temperatur und Druck bei Salinität S= 35 1 dezi bar == 1 m Wassersäule Quelle: Bergmann Schäfer Band 7, p.55, Abb.2.1b

Eine Überraschung (2005): die dann aber doch keine war (2007) Quelle: http://www.nature.com/nature/journal/v438/n7068/pdf/438565a.pdf Quadfasel_AtlanticConveyorSlows_Nature438_200-1201.pdf

Hints on Subtropical Recirculation of Gulf Stream: Quelle:Quadfasel Bild 1

A transatlantic section along latitude 25°N has been used as a baseline for estimating the overturning circulation and associated heat transport. Here we analyse a new 25°N transatlantic section and compare it with four previous sections taken over the past five decades.

Station positions for transatlantic hydrographic sections taken in 1957, 1981, 1992, 1998 and 2004. Exact description of the section: The 1957 and 1992 sections each went zonally along 24.5 °N from the African coast to the Bahama Islands. Because of diplomatic clearance issues, the 1981, 1998 and 2004 sections angled southwestward from the African coast at about 28°N to join the 24.5°N section at about 23°W. The 1998 and 2004 sections angled northwestward at about 73°W to finish the section along 26.5° N.

slowed by about 30 per cent between 1957 and 2004. The comparison suggests that the Atlantic meridional overturning circulation has slowed by about 30 per cent between 1957 and 2004. Whereas the northward transport in the Gulf Stream across 25°N has remained nearly constant, the slowing is evident both in a 50 per cent larger southward-moving mid-ocean recirculation of thermocline waters, and also in a 50 per cent decrease in the southward transport of lower North Atlantic Deep Water between 3,000 and 5,000m in depth. In 2004, more of the northward Gulf Stream flow was recirculating back southward in the thermocline within the subtropical gyre, and less was returning southward at depth. Some climate models suggest that the anthropogenic increase in atmospheric carbon dioxide will result in a slowdown of the Atlantic overturning circulation.

na unn ? a potential, if highly unlikely, future scenario Quelle: http://www.noc.soton.ac.uk/rapid/sis/moc_monitor.php

Westminster in ice? This image of people scating on the frozen Thames represents a potential, if highly unlikely, future scenario. The Thames did freeze over from time to time during the 'Little Ice Age', when the UK climate was cooler than at present, but the river may have flown more slowly than it does at present. Some model runs indicate that a sustained slow-down in the Atlantic conveyor of 30-50% may bring an average fall in winter temperatures with 1-2 degrees. This is enough to make frosty periods more frequent than at present, but is unlikely to lead to the Thames freezing over on a regular basis. Because the cooling would be offset by overall global warming, summer temperatures may not be that different from those we see at present.  Perhaps the most important change would be a stronger seasonal cycle, and a drier climate. This would give the UK a climate that is not hugely different from that in present-day British Columbia, or places on the European continent such as Bruxelles, Frankfurt and Hamburg. Note:We do not yet have sufficient information to say with any confidence how likely a rapid cooling would be, nor how much cooler the winter climate would be if a cooling were to occur. Quelle: http://www.noc.soton.ac.uk/rapid/sis/moc_monitor.php

Monitoring the Atlantic Conveyor Dringend notwendig: Monitoring the Atlantic Conveyor (Rapid) Rapid Climate Change (RAPID): is a £20 million, six-year (2001-2007) programme. aims to improve our ability to quantify the probability and magnitude of future rapid change in climate, with a main focus on the role of the Atlantic Ocean's Thermohaline Circulation. Institute: Prof. Harry Bryden and Dr. Stuart Cunningham of the National Oceanography Centre, Southampton Homepage of the RAPID Programme: http://www.noc.soton.ac.uk/rapid/sis/moc_monitor.php

Vereinfachtes Schema des nordatlant. Strömungs- systems 2007 AD Stand: IPCC-AR4 (Quadfasel, 2005; IPCC, 2007) Es ist sehr unwahrscheinlich, dass sich im 21. Jh. die ozeanische Zirkulation wesent-lich verändert. Ein möglicher leicht abneh-mender Wärmetransport durch das Golf-Nordatlantik-Stromsystem wird durch eine überlagerte Erwärmung überkompensiert. Warme oberflächen- nahe Strömung Kalte Tiefen- strömung BQuelle: Schönwiese: AKE2007F-Vortrag , Folie 34

Ocean circulation noisy, not stalling ..... However, 12 months’ worth of data from an array of moored instruments, deployed during the same 2004 cruise that yielded the most recent measurements included in Bryden’s study, now suggest that the observed changes were due to shortterm variability and not the result of global warming. Stuart Cunningham of the National Oceanography Centrein Southampton and his colleagues found that strength of the overturning circulation varied wildly — by a factor of 8 — between March 2004 and March 2005 (UrQuelle: S. A. Cunningham et al. Science 317, 935–937; 2007). Quelle: http://www.nature.com/nature/journal/v448/n7156/pdf/448844b.pdf Schiermeier2007_OceanCirculation-nosy_not-Stalling_Nature448844b.pdf

Enormous variability in the northwards flow of 2004 bis 2005 AD Enormous variability in the northwards flow of thermocline layer circulation (red, 0- 800m Meerestiefe), the deep waters of the upper (light blue, 1100 - 3000m ), and the lower (dark blue, >3000m) North Atlantic. Even the flow of intermediate water (green) fluctuated.

2.23 .23 Die Entwicklung des Klimas auf der Erde 2.231 Die Geologische Zeitskala 2.232 Beispiele für klimatische und geologische Variationen in der Erdgeschichte ~1 Meeresspiegel ~2 Erdtemperaturen in unserem Giga-Jahr ~3 Kontinentalverschiebung und ihre Folgen

Quelle:Manchester Metropolitan University 2.231 Quelle:Manchester Metropolitan University Global ClimateChange Student Guide Appendix Empfehlenswerte Vorlesung: http://www.doc.mmu.ac.uk/aric/gccsg/contents.html

Beispiele für klimatische Variationen in der Erdgeschichte 2.232 Beispiele für klimatische Variationen in der Erdgeschichte Quelle: MMU = Manchester Metropolitan University(MMU): GCCSG =„Global Clmate Change Student Guide “: http://www.ace.mmu.ac.uk/Resources/gcc/contents.html Kapitel 5: Paleo-Climate Change Quelle: MMU- gccsg .. = Manchester Metropolitan University „Global Climate Change Student Guide “

5. Palaeo-Climate Change Links zur UrQuelle: 5. Palaeo-Climate Change 5.1. Introduction 5.2. Pre-Quaternary Climates 5.2.1. Precambrian Climates 5.2.2. Phanerozoic Climates 5.2.2.1. Palaeozoic Climates ; 5.2.2.2. Mesozoic Climates 5.2.2.3. Cenozoic Climates 5.3. Quaternary Climates 5.3.1. Pleistocene Glacials and Interglacials 5.3.1.1. Orbital Variations ; 5.3.1.2. CO2 Feedbacks 5.3.1.3. Coupled Internally-Externally Driven Climate Change 5.3.2. Holocene Climates 5.3.2.1. Younger Dryas Cooling ; 5.3.2.2. Mid-Holocene Thermal Maximum 5.3.2.3. Late Holocene Neoglaciation ; 5.3.2.4. The Little Ice Age 5.3.2.5. Holocene Climate Forcing Mechanisms 5.4. Conclusion

Einige Beispiele für klimatische Variationen in der Erdgeschichte 2.2321 Meeresspiegel 2.2322 Erdtemperaturen in unserem Giga-Jahr 2.2323 Kontinentalverschiebung und ihre Folgen Quellen: MMU- gccsg .. = Manchester Metropolitan University „Globa l Climate Change Student Guide “ C.D. Schönwiese: „Klimageschichte“; Eintrag im „Lexikon der Geowissenschaften“

Global sea level variations during the Phanerozoic 2.2321 Meeresspiegel Global sea level variations during the Phanerozoic Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.1

Global Sea Levels during the last 150 Ma Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.7

Global Sea Levels during the last 150 ka Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.11

Greenhouse- Icehouse Supercycles 2.2322 Erdtemperaturen in unserem Giga-Jahr Greenhouse- Icehouse Supercycles Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.2

Nordhalbkugel: Temperatur (grob) im letzten Giga-Jahr 800 Ma 600 Ma 400 Ma 200 1,0 Ga Permo- karbonische Kaltzeit Silur- Ordovizisches Eiszeitalter heute Quartäres Eiszeitalter UrQuelle: C.D. Schönwiese: „Klimageschichte“; Eintrag im „Lexikon der Geowissenschaften“

Nordhalbkugel: Temperatur im letzten Megajahr Eem-; Neo- Warmzeit Unser Quartäres Eiszeitalter heute W1 = Neo - Warmzeit C1 = Würm- Kaltzeit W2 = Eem - Warmzeit UrQuelle: C.D. Schönwiese: „Klimageschichte“; Eintrag im „Lexikon der Geowissenschaften“

Nordhalbkugel: Die Eiszeit der letzten 100 ka heute W1 = Neo - Warmzeit C1 = Würm- Kaltzeit W2 = Eem - Warmzeit UrQuelle: C.D. Schönwiese: „Klimageschichte“; Eintrag im „Lexikon der Geowissenschaften“

Temperaturen während der letzten intensiv kalten Phase der Würmeiszeit Eisgrenzen im Sommer im Winter UrQuelle: C.D. Schönwiese: „Klimageschichte“; Eintrag im „Lexikon der Geowissenschaften“

Legende: Eisgrenzen Temperaturen: Temperaturen während der letzten intensiv kalten Phase der Würmeiszeit Legende: Eisgrenzen im Winter im Sommer Temperaturen: UrQuelle: C.D. Schönwiese: „Klimageschichte“; Eintrag im „Lexikon der Geowissenschaften“

Nordhalbkugel: Neo-Warmzeit der letzten 10 ka Unser Jahrtausend : heute Ok = Modernes Optimum Pj = Kleine Eiszeit Oj = Mittelalterliches Optimum OH = Holozänes Optimum Pj = Kleine Eiszeit UrQuelle: C.D. Schönwiese: „Klimageschichte“; Eintrag im „Lexikon der Geowissenschaften“

Holocene thermal maximum Eine andere Darstellung der holozänen mittleren Erdtemperatur Ausgeprägteres Maximum! Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.18

Cretaceous Temperatures compared with the present Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.5

Deep Ocean Temperatures during the last 100 Ma Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.6

Vostok CO2 and Temperature during the last 160 ka Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.12

Carboniferous glaciation on Gondwanaland 2.2323 Kontinentalverschiebung und ihre Folgen Carboniferous glaciation on Gondwanaland Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.3

Pangea Supercontinent Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.4

Reste

ClimateChange at the last interglacial-glacial transition Postulated ClimateChange at the last interglacial-glacial transition 120 ka ago Quelle: MMU_gccsg: Fig. 5.16