Letzte Maximalvereisung Ausdehnung von Eiskappen auf der Nordhemisphäre Letzte Maximalvereisung vor 21.000 Jahren Heute

Modellierung von Eiszeitzyklen Rekonstruierte Eiszeitzyklen während der letzten 800.000 Jahre Astronomische Theorie der Eiszeiten Ein einfaches Modell für Eiszeitzyklen  Änderung der Sonneneinstrahlung  Eisvolumenvariationen Physikalisch basierte Eismodelle Eisverteilung in Nordamerika seit der letzten Eiszeit, Eiszeiten in der Zukunft

Rekonstruktion des Eisvolumens mit Sauerstoffisotopen 16O (~ 99,8 %) und 18O (~ 0,2 %) 18O /16O Verhältnis im Ozean = 1 / 500 Abweichungen davon (in ‰)  Eisvolumen/Meeresspiegel Berger & Seibold (1996)

Rekonstruierte Eiszeitzyklen (ODP 806, W-Pazifik) -2.1 Interglazial -1.8 -1.5 -1.2 Sauerstoffisotopenwert [‰] -0.9 -0.6 Glazial -0.3 100 200 300 400 500 600 700 800 Alter [ka] Berger et al. (1996)

Astronomische Theorie der Eiszeiten Sonneneinstrahlung bei ca. 65° N im Sommer + Durchschnittswert Eisschmelze Eiswachstum ─ Zeit

Jahresgang der solaren Einstrahlung Mittelwert = 342 W m-2 Tageslängen-EffeKt Erde näher an der Sonne im SH Sommer Hartman (1994)

Erdbahnparameter Schiefe (41.000 Jahre) Elliptizität (~100.000 Jahre)

Schiefe der Erdbahn und Saisonalität Keine Saisonalität Maximale Saisonalität Ruddiman (2001)

Änderung der Lage des Frühlingspunktes Heute Kreiselbewegung (~20.000 Jahre) Nordwinter min. Abstand Vor 11.000 Jahren Nordsommer min. Abstand

Sonneneinstrahlung bei 65° N im Juli 500 480 460 Q65N(Juli) [W/m2] 440 420 400 380 100 200 300 400 500 600 700 800 Alter [ka] A. Berger (1978)

Solare Einstrahlung und Eisschilde Ruddiman (2001)

Orbitale Steuerung von Eisschilden: Milankovic Hypothese Kritische Rolle der Sommer- Einstrahlung Ruddiman (2001)

Die Milankovic Hypothese Ruddiman (2001)

Sonneneinstrahlung Eisvolumen Klimasystem Ziel: Mathematische Beschreibung der Signalumwandlung

Ein einfaches Rechenschema für Eiszeitzyklen Für ein Zeitintervall gilt: Änderung Eisvolumen = Eiswachstum – Eisschmelze Regeln: - Der im Winter gefallene Schnee muss den Sommer überdauern - Warme Sommer und großes Eisvolumen begünstigen Eisschmelze Eisschmelze = a1 · Sommereinstrahlung + a2 · Eisvolumen aus Beobachtungen (konstant)

Kontinentale Eisschilde und Isostasie Ruddimann (2001)

Zerfall kontinentaler Eisschilde durch “Kalbung” Eisschmelze schneller als Hebung des Untergrundes  Meerwasser dringt in Senke  Kalbung Ruddimann (2001)

Ein “nulldimensionales” Eismodell Eismasse, E: a0 = Eiswachstumsrate (Schneeakkumulation) a1 = Empfindlichkeit gegenüber Einstrahlungsanomalien, Q a2 = Eiszerfallsrate  neg. Rückkopplung K = Kalbungsrate 1/a2 = 10 ka entspricht Zeitskala, auf der ein Eisschild für a0=a2=0 unter seinem Eigengewicht durch interne Deformation kollabiert (Saltzman, 2002, S. 178 )

Isostatische Absenkung des Untergrundes, D Kalbungsrate, K: Positiv wenn “offene” Senke unterhalb des Meerespiegels existiert Null sonst Isostatische Absenkung des Untergrundes, D H = Mächtigkeit des Eisschildes = f(E) e1 = Zeitkonstante f. Einsinken (e1/e2 ≈ 1/4) e2 = Zeikonstante f. Entlastung (1/e2 = 22 ka)

Zusammenfassung des Eismodells Zwei prognostische Gleichungen für E und D Diagnostische Gleichungen für K und H  Erfordern weitere Annahmen Mehrere unbekannte Parameter (ai, ei) Größenordnung abgeschätzbar Anfangsbedingungen: E0 = 0 kg; D0 = 0 m Einstrahlungsanomalien: Berger (1978), Rauschen, Sinusschwingung Saltzman und Verbitsky (1992): Asthenospheric ice load effects in a global dynamical-system model of the Pleistocene climate. Climate Dynamics, 8: 1-11.

D:\Fazies_Klima\Ice0D.gsp

Achtung: Modell benutzt physikalischeZeitachse! 1 Ma 0 Ma Zukunft

Experimente mit dem Eismodell 1 Starten Sie das Modell mit den Standardeinstellungen Vergleichen Sie den modellierten Meeresspiegel mit den rekonstruierten Werten. Gibt das Modell die Daten gut wieder? Welche Kriterien sind für den Vergleich sinnvoll? Für welchen Zeitpunkt in der Zukunft sagt das Modell eine zukünftige Eiszeit voraus?

Wie gut ist das Modell? Kriterien: - Glazial-Interglazial Hub (± ok) - Zeitpunkt der Terminationen () - Lage der Stadiale/Interstadiale ()

Die nächste Eiszeit 60 ka in der Zukunft 0 Ma

Experimente mit dem Eismodell 2 Starten Sie das Modell nacheinander mit folgenden Einstellungen für Antrieb und Kalbung: Orbital Sinus Rauschen Kalbung Ref.  - 1 2 3 4 Welchen Einfluss haben Antrieb und Kalbung auf die Entstehung des “100-ka” Zyklus und die Lage der Terminationen?

Reaktion auf den Antrieb Orbital Terminationen treten unabhängig vom Antrieb auf Der Antrieb bestimmt den Zeitpunkt der Terminationen (“Phasenlage”) Sinus Rauschen

Bedeutung der Kalbung Orbital + Kalbung In diesem Modell ist das Auftreten von Terminationen (und damit des “100-ka” Zyklus) vom Kalbungs-mechanismus abhängig. Orbital Ohne Antrieb/Kalbung

Nulldimensionales Eismodell Nur wenige Regeln sind notwendig, um die Abfolge der Eiszeiten aus der Sommereinstrahlung in hohen Breiten zu berechnen: Der im Winter gefallene Schnee muss den Sommer überdauern Eisschmelze wird begünstigt durch extrem warme Sommer extrem großes Eisvolumen in Gegenwart und Vergangenheit (Einsinktiefe)

Wozu eignet sich solch ein Modell? Grundsätzliche Eigenschaften des Klimasystems lassen sich analysieren Alter vergangener Eiszeiten können berechnet werden ABER: - keine physikalischen Gesetzmäßigkeiten liegen zugrunde - keine Aussage über die räumliche Eisverteilung - unrealistische Parameterwerte  Unbefriedigend

Physikalische Eismodelle Herterich (1989)

Letzte Maximalvereisung Modellierte Eisverteilung in Nordamerika Letzte Maximalvereisung vor ~ 21.000 Jahren vor 15.000 Jahren vor 13.000 Jahren vor 9.000 Jahren Marshall & Clarke (1999)

Eiszeiten in der Zukunft vergangene Werte (210-280 ppmv) eiszeitlicher Wert (210 ppmv) Treibaus-Wert (750 ppmv) CO2-Gehalt der Atmosphäre Zukunft Vergangenheit Berger & Loutre (2002)