Supervulkane: Eine Herausforderung für die Erdsystemmodellierung Claudia Timmreck und Super Vulkan Gruppe Max Planck Institut für Meteorologie, Hamburg Dach Tagung, Hamburg 11 September 2007

Was ist ein Supervulkan? Supereruptionen sind solche Eruptionen bei denen 1015kg Masse (>150 mal die Masse der 1991 Eruption des Mt. Pinatubo) freigesetzt wird (Mason et al, 2004). Supereruptionen treten mit einer minimalen Häufigkeit von 1.4 Ereignissen/Myr (Mason et al, 2004) auf, aber in der Erdgeschichte gibt es auch Episoden mit einer höhreren Wahrscheinlichkeit.

Historische Supervulkane Toba: Die Supereruption des indonesischen Vulkans Toba 71-73 ± 5 ka BP (Rose und Chesner, 1987; Oppenheimer, 2002) war die grösste Eruption des Quartärs. Yellowstone: Drei Supereruptionen des Yellowstones sind bekannt: die Huckleberry Ridge Tuff Eruption mit einem Volumen des eruptierten Materials von 2500 km3 vor 2.1 Ma, die Mesa Falls Tuff Eruption mit 280 km3 eruptierten Materials vor 1.3 Ma und die Lava Creek Tuff Eruption mit einem Volumen von 1000 km3 vor 640000 Jahre (z.B., Smith and Siegel, 2000). Weitere mögliche Gebiete for Supervulkane: Phlegräische Felder westlich von Neapel, Lake Taupo (NZ), ….

Warum studiert man sehr große vulkanische Eruptionen (Supervulkane) mit einem Erdsystemmodell?

Supervulkane beeinflussen sehr stark alle Kompartments unseres Erdsystems: Änderungen in der Oberflächenalbedo und in der atmosphärischen Strahlung ->Direkter Einfluß auf die Vegetation Stratosphärische Erwärmung Massive globale Abkühlung über mehrere Jahren (Dekaden) -> Einfluß auf Vegetation z.B. den tropischen Regenwald Änderungen in der atmosphärischen Zirkulation (AO) und in der chemischen Komposition (z.B. Ozonzerstörung) Änderungen im Meeresspiegel und im Wärmegehalt des Ozeans Einfluß auf den Kohlenstoffkreislauf (z.B. Änderungen in der NPP, marinen Bioproduktivität) Einfluß auf den hydrologischen Zyklus

Das MPI-Met „Supervulkan“ Projekt Ein Projekt des MPI für Meteorologie mit internationaler Zusammenarbeit http://www.mpimet.mpg.de/en/wissenschaft/working-groups/super-volcanoes.html Die Aufgabe Die komplexen Wechselwirkungen des Erdsystems zu verstehen Vergangene Klimaänderungen zu verstehen Das Erdsystemmodel zu verbessern What would be the global impact of a present day Yellowstone eruption (USA) or an eruption of the Phlegrean fields (Italy) ? Was the Young Toba Tuff eruption (74±2kyr BP) responsible for a bottle neck in human population around 70 kyr BP ? Can super volcanic eruptions trigger ice ages ?

Das MPI Erdsystemmodell

Das MPI Erdsystemmodell

Simulation einer Supervulkan Eruption mit dem MPI ESM Mehrere Aktivitäten im Rahmen des MPI Supervulkan Projektes Zwei Beispiele: Die anfängliche Verteilung und der Strahlungsantrieb einer Supervulkaneruption in den mittleren Breiten der Nordhemisphäre: Eine Modellstudie mit dem MAECHAM4/CHEM Einfluß von großen Tephra Ablagerungen auf Vegetation und Klima Weiteres Beispiel: Auswirkungen der Emissionen feiner Vulkanasche und vulkanischem Sulfataerosol durch eine Supervulkaneruption (nachfolgender Vortrag von U. Niemeier et al.)

Initialisierung von 1700 MT SO2 (100 XPinatubo) The initial dispersal and radiative forcing of a Northern Hemisphere mid latitude super volcano: a model study (Timmreck and Graf, ACP 2006) Initialization of 170 MT SO2 (100 times Pinatubo) over 2 grid boxes between 40.82N - 48.24N and112.5W -108.5W in the horizontal and in the vertical in four model layers between 47-15 hPa (21.5- 29.5km) Simulation mit einem Chemieklimamodel dem MAECHAM4/-CHEM mit interaktivem Aerosol und Chemie Initialisierung von 1700 MT SO2 (100 XPinatubo)

Simulation einer Yellowstone Eruption im Sommer

Interaktive Simulation Optische Dicke t=0.5 mm Interaktive Simulation Winter Eruption Sommer Eruption summer eruption Nicht interaktive Simulation winter eruption Sommer Eruption Winter Eruption

3 Monate nach der Eruption Strahlungsantrieb eines „Yellowstone Vulkans“ TOA Heizraten Anomalien [k/day] 3 Monate nach der Eruption TOA Netto Flußanomalien [W/m2] Boden Netto Flußanomalien [W/m2] Hohe positive Flussanomalien von mehr als 16 W/m2 in den ersten Monaten nach der Eruption an dem oberen Rand (TOA) und weniger als -32 W/m2 am Boden. Forcing possible longer due to extension of SO2 cloud

Dynamischer Response in der Stratosphäre Temperaturanomalien [K] GPH Anomalien 1. Winter 3 Monate nach der Eruption 12 Monate nach der Eruption SST ist vorgeschrieben -> Nur begrenzt Informationen über mögiche Klimaeffekte Um die Klimasensitivität zu studieren, sind Ensembleläufe mit einem ESM notwendig

Tropisch gemittelte Änderungen in der chem. Konzentration O3 [ppmv] NOX[ppbv] ClOx [ppbv] CH4 [ppbv] ΔO3[%] ΔCH4[%] ΔClOx[%] ΔNOx[%] Nox enhanced upwelling Clox chemical induced in the middel stratisophere due to a decrease in Clno3 ,dynamical decrease in the upper stratopshere Increase in hCl due to an increas in Ch4, Hno2 chemical increase O3 upwelling incres

Einfluß von grossen Tephraablagerungen auf Vegetation und Klima Die Yellowstone-Eruptionen verbreiteten vulkanische Asche über grosse Teile des Nordamerikanischen Kontinentes, über 1/3 des Kontinentes wurde mit Silikatasche von wenigstens 10 cm Dicke bedeckt.

Einfluß von grossen Tephraablagerungen auf Vegetation und Klima Einfluß von Tephraablagerungen auf die Vegetation und die Oberfläche: Absterben von Vegetation Änderung der Oberflächenflüsse Änderung der Oberflächenalbedo Änderung in der Bodenhydrologie Tephra (Greek: ash): Fragments of rock and magma ejected from volcanic eruptions, ranging in size from <2mm to >1m. Großer und wahrscheinlich langanhaltender Einfluß auf Wetter, Klima und den CO2 Kreislauf auf kontinentalen und sogar globalen Skalen.

Modellierung der Tephraeffekte MPI ESM mit ECHAM5 (Atmosphäre), MPIOM (Ozean), HAMOCC (Marine Biogeochemie) und JSBACH (terrestrische Biosphäre). CO2 wird in der Atmosphäre transportiert und zwischen Atmosphäre, Ozean, und Land ausgetauscht. Tephraablagerungen werden ähnlich zu Schnee behandelt in Bezug auf Dicke und Bedeckung Der maximale LAI (leaf area index) ist eine einfache Funktion der Tephrabedeckung, der aktuelle LAI wird in dem JSBACH Phenology modul modelliert (gestattet sowohl Absterben als auch Regeneration der Vegetation). Oberflächenalbedo hängt von dem Anteil in einer Gitterzelle ab, die mit Tephra bedeckt ist, und der Albedo von Asche (0.35). Cover fraction is a function of depth and orography Tephra on vegetation: interception, unloading due to wind and rain, throughfall Tephra on ground: decay due to remobilisation and re-distribution (e-folding time of depth is function of orography)

Verteilung der Tephraablagerungen nach einer Yellowstone Supereruption Tephradicke nach dem Ausbruch Tephradicke 5 Jahre nach der Eruption 0 0.001 0.01 0.1 0.5 1 50 0.001 0.004 0.016 0.063 0.252 1 4 16 63 Tephrabedeckung nach dem Ausbruch Tephrabeckung 5 Jahre nach der Eruption 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 ^1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 ^1.0 (R. Schnur et al., MPI-M) Tephra Depth after initial deposit Tephra Depth after initial deposit

Vorläufige Ergebnisse, JJA Differenzen im LAI Differenzen in dem CO2 flux () 10-8 kg/m2/s Differezen in der Oberflächenalbedo Differenzen für JJA sind von einem drei Jahresmittel: (2-4 Jahre nach der Eruption) – (1-3 Jahre vor der Eruption) 2) Was bedeutet die Abnahme im Leaf Area Index prozentual gesehen ? > Ist das ehr eine grosse oder eine kleine Abnahme ? der LAI ist maximal 9, ueber den USA aber eher maximal 6 (in den Rockies, sonst eher so 2-3). Wenn du also eine Abnahme von 5 nach der Eruption siehst, kannst du davon ausgehen, dass alle Vegetation vernichtet wurde (nahe am Eruptionszentrum). Eine Abnahme von ca. 1-2 ist aber auch noch erheblich ... > Die gleiche Frage gilt auch fuer den upward CO2 Flux ? > Wie kann ich das eine positive Zunahme des Upward CO2 Flusses > einordnen ? Die Differenz im CO2 Fluss in der Abbildung ist in kg CO2/m2/s und schwankt zwischen -4 und 5. Eine Einheit in der Abbildung, also ein Fluss von 1E-8 kg Co2/m2/s wuerde, wenn er gleichmaessig ueberall auf der erde vorkommen wuerde, eine Aenderung von ca. 1.7 ppm pro Monat bedeuten, also 20 ppm pro Jahr. Oder auf den Quadratmeter gerechnet wuerde ein Fluss von 1E-8 kg Co2/m2/s ueber ein Jahr hinweg ca. 8500 Tonnen Kohlenstoff der Atmosphaere hinzufuegen oder wegnehmen (je nach Vorzeichen). Forestry scientists define Leaf Area Index as the one-sided green leaf area per unit ground area in broadleaf canopies. In conifers, three different definitions have been used: Total needle surface area per unit ground area Half of the total needle surface area per unit ground area Projected needle area per unit ground area [1] [edit] Interpretation and application of the LAI The LAI is used to predict the photosynthetical primary production and as a reference tool for crop growth. As such, LAI plays an essential role in theoretical production ecology. An inverse exponential relation between LAI and light interception, which is linearly proportional to the primary production rate has been established: P = Pmax(1 − e − c * LAI), in which Pmax designates the maximum primary production and c designates a crop-specific growth coefficient. This inverse exponential function is called the primary production function. (R. Schnur et al., MPI-M)

Nächste Schritte Einfluß auf die marine Biogeochemie (HAMOCC) Gekoppelte Aerosol Chemie Läufe für Schwefel und Asche Eine voll gekoppelte ESM Simulation einer vulkanischen Supereruption einschliesslich interaktivem vulkanischem Aerosol und Chemie. e.g. Impact on the carbon cycle : volcanic effect on the net CO2 bonding in the terrestrial biosphere) Input on ocean biogeochemsitry e.g. Algal blossom (Coupling with HAMMOC is prepared) Understanding the climate signal of large historic eruptions, e.g. 1258, Tambora, Literatur: GBP Newsletter, Issue 54, June 2003 Angert A., S. Biraud, C. Bonfils, W. Buermann and I. Fung, CO2 seasonality indicates origins of post-Pinatubo sink,  GRL,  31, L11103,doi:10.1029/2004GL019760, 2004 Lucht W, Prentice IC, Myneni RB, et al. (2002) Climatic control of the high-latitude vegetation greening trend and Pinatubo effect. Science,296:1687-1689. Robock A., Cooling  following large volcanic eruption corrected for the effect of diffusive radiaiton on tree rings. GRL 32, LO6702,doi:10.1029/2004GL022116,2005

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und besonderen Dank an: Michael Botzet, Guy Brasseur, Reinhard Budich, Martin Claussen, Monika Esch, Irene Fischer–Bruns, Traute Crueger, Marco Giorgetta, Hans-F. Graf, Stefan Hagemann, Helmuth Haak, Michael Herzog, Daniela Jacob, Johann Jungclaus, Stefan Kinne, Katharina Kurz, Jochem Marotzke, Wolfgang Müller, Ulrike Niemeier, Clive Oppenheimer, Thomas Raddatz, Sebastian Rast, Erich Roeckner, Hauke Schmidt, Reiner Schnur, Joachim Segschneider, Steve Self, Gera Stenchikov, Christiane Textor, Manu Anna Thomas, Martin Wiesner

Einfluß auf den Meeresspiegel und auf den Wärmegehalt des Ozeans „ Es gibt ein klares Signal in dem Wärmegehalt des Ozeans nach der Krakatoa Eruption (1883) welches über mehrere Jahrzehnte in den MPI-M IPCCAR4 Läufen zu beobachten ist entsprechend Gleckler et al (Nature, 2006). (F.Landerer, MPI-M)

Einige globale wissenschaftliche Fragen Welchen globalen Einfluß hätte eine Yellowstone Eruption (USA) oder eine Eruption der Phlegräischen Felder (Italien) in der heutigen Zeit ? War die Young Toba Tuff Eruption (74±2kyr BP) verantwortlich für einen Engpass in der menschilichen Bevölkerung um 70 kyr BP ? Können vulkanische Supereruptionen Eiszeiten triggern ?

Das Schneeball Erde Experiment Wird die totale solare Einstrahlung (TSI) auf fast Null in dem ECHAM5MPIOM gesetzt, kommt es zu einen Übergang vom realistischen Klima der Gegenenwart zu einer kompleten eisbedeckten Welt innerhalb von15 Jahre; Supervulkane haben das Potential die TSI für ein paar Jahre um einen erheblichen Prozentsatz zu reduzieren (ca1/4) this state persists even when TSI re-assumes today’s value. Marotzke und Botzet GRL 2007

Last but not least: Das Schneeball Erde Experiment: Ein Extremfall

Heizraten-Anomalien [K/tag] 3 Monate nach der Eruption total SW LW 12 Monate nach der Eruption total SW LW