Jun27

Bei den Milanković-Zyklen (→ Gab es eine Schneeball Erde vor 750 Millionen Jahren?) handelt es sich um ein Modell die Kalt- und Warmzeiten mit den periodischen Variationen der Erdbahnparameter, welche eine Änderung der Sonneneinstrahlung bewirken, zu erklären. Es werden die langperiodischen Variationen der Solarkonstante und ihre Ausprägung auf die Jahreszeiten mathematisch beschrieben. Sie erklären die natürlichen Klimaschwankungen und sind für die Klimatologie und Paläoklimatologie von grosser Bedeutung. Die wichtigsten Parameter wie die Exzentrität, die Präzession und die Neigung der Erdachse und die daraus errechneten Zyklen sind in den beiden unteren Grafiken dargestellt. Diese Entdeckung ist dem kroatischen Mathematiker und Geophysiker Milutin Milanković zu verdanken.

Die wichtigsten Erdbahnparameter und ihre Zyklen in den letzten 1000 Millionen Jahren; @ Bild neu gezeichnet nach Zachos, J., M. Pagani, L. Sloan, E. Thomas and K. Billups (2001): Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present, Science 292, 686-693 Milankovitch_Variations

L.: Die wichtigsten Erdbahnparameter mit ihren Zyklen in den letzten 1000 Millionen Jahren; © Nach Zachos, J., M. Pagani, L. Sloan, E. Thomas and K. Billups (2001): Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present, Science 292, 686-693. R.: Diagramm der Milanković-Zyklen berechnet für die letzte Million Jahre unter Einbezug der Zyklen der Präzession, der Neigung der Erdachse, der Exzentrizität der Erdbahn und die daraus berechneten Schwankungen der Intensität der Solarstrahlung. Einbezogen wird der aus geologischen Klima-Proxys ermittelte Wechsel der Kalt- und Warmzeiten im jüngeren Pleistozän; © CC BY-SA 3.0 zusammengetragen von Robert A. Rohde aus öffentlich zugänglichen Daten.

Die Neigung der Erdachse bewirkt ein 41’000-jähriger Zyklus, denn die Erdachse steht nicht senkrecht zur Erdbahn um die Sonne. Eine solche Neigung ist langfristigen, regelmässigen Veränderungen unterworfen: Sie ist zeitweise steiler oder flacher.

Die Exzentrizität der Erdbahn bewirkt 100’000- und 400’000-jährige Zyklen, denn im Lauf eines Jahres ist der Abstand der Erde von der Sonne nicht konstant, d. h. die Erdbahn verläuft elliptisch. Diese Exzentrizität verändert sich mit der Zeit. Zur Zeit ist der Winter auf der Nordhalbkugel sonnennäher als der Sommer, was sich klimatisch bemerkbar macht. Die Änderungen der Ellipsenform erfolgen nach einer komplizierten Überlagerung von vier Zyklen. Dominant sind eine Schwankung von 100’000 Jahren und eine zweite Schwankung von 413’000 Jahren.

Die Präzession der Erdachse bewirkt ein 23’000-jähriger Zyklus und macht die Sache zusätzlich kompliziert, weil auch die Lage des Sommers und des Winters auf der Ellipse wandert. Die Periode dieser Wanderung des Perihels beträgt 23’000 Jahre und ist eine Folge der Präzessionsbewegung der rotierenden Erde, die durch die Gravitationskräfte der Sonne, des Mondes und der anderen Planeten des Sonnensystems auf den schräg stehenden Kreisel Erde hervorgerufen wird.

Die nächste Kaltzeit kommt bestimmt

Die Summe aller astronomisch klimarelevanten Konstellationen, d. h. wenn gleichzeitig starke Exzentrizität, starke Achsenneigung und Sonnennähe im Nordsommer zusammentreffen, ergibt beispielsweise eine besonders starke sommerliche Einstrahlung in den klimaempfindlichen hohen Breiten der Nordhalbkugel. Genau dort befinden sich die grossen Landmassen Sibirien und Kanada und dort kann die positive Eis-Albedo-Rückkopplung wirksam werden.

Im Unterschied zu anderen Klimaantrieben kann bei den astronomischen Bahnparametern eine zuverlässige Klimaprognose über Jahrtausende hinweg berechnet werden. Das Erdklima ist jedenfalls auf eine allmähliche Abkühlung eingestellt, die aber – hier macht sich der 400’000-Jahreszyklus bemerkbar – wesentlich schwächer ausfallen wird als die letzten vier Kaltphasen. Man erwartet daher eine länger andauernde Warmzeit ähnlich der vor rund 400’000 Jahren. Auch der 100’000-Jahres-Zyklus wird gegenüber den 23’000- und 41’000-Jahresperioden der Präzession und der Neigung der Erdachse ein wenig in den Hintergrund treten.

Für Klimaschwankungen über Jahrzehnte bis Jahrhunderte sind die astronomischen Schwankungen allerdings unbedeutend.

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Jun13

Der geologische Zeitraum des Lebens auf der Erde umfasst nachweislich 3,5 Milliarden Jahre. Der Auftakt machte das Auftreten des Stromatolithen-Ökosystems. Stromatolithe sind biogene Sedimentgesteine, die durch das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen (Bakterien und blau-grüne Algen) unter Einfangen und Bindung von Sedimentpartikeln oder Fällung gelöster Stoffe in einem Gewässer entstehen.

Lebende Stromatolithenkolonie am Lake Thetis, Westaustralien; © Ruth Ellison CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1073339

Lebende Stromatolithenkolonie am Lake Thetis, Westaustralien; © Ruth Ellison CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1073339

Diese ersten Ökosysteme des Präkambriums hat man auf Spitzbergen und Grönland bis nach Südafrika, Australien und der Antarktis gefunden. Die Baumeister sind die ersten Lebensformen, zu denen die Cyanobakterien zählen. Sie zeichnen sich vor allen anderen Bakterien durch ihre Fähigkeit zur oxygenen Fotosynthese aus. Cyanobakterien besitzen im Gegensatz zu Algen keinen echten Zellkern und sind somit als Prokaryoten nicht mit den als “Algen” bezeichneten eukaryotischen Lebewesen, d. h. ein- oder mehrzellige Organismen, deren Zellen einen Zellkern enthalten, verwandt.

Das Einsetzen der Fotosynthese vor 3 Milliarden Jahren hat die Erde grundlegend umgestaltet, denn es gäbe kein atmosphärischer Sauerstoff, keine oxidative Verwitterung, keine Ozon-Schicht, kein Landleben, keine Atmung und auch kein “höheres bzw. vielzelliges Leben”. Der Entwicklungsbeginn vielzelligen Lebens, die marinen Ediacara-Faunen, setzte vor etwa 700 Millionen Jahren ein und ähnelt den heute bekannten einfacheren Formen von Algen.

Der steile Anstieg der Biodiversitätskurve wie sie mit der Kambrischen Artenexplosion um 540 Millionen Jahren zum Ausdruck kommt, hat ihre Wurzeln im Präkambrium. Dazwischen liegt jedoch ein Evolutionstief, das mit mindestens vier Vereisungen im späten Präkambrium vor 750 bis 580 Millionen Jahren in Verbindung gebracht wird.

Der kambrische Big Bang der Artenexplosionen wird mit heftigem Vulkanismus auf Grund von schnell driftenden Landmassen und damit enormen Veränderungen ehemaliger Lebensräume eingeläutet. Gondwana rotierte in nur 15 Millionen Jahren um 90 Grad. Eine solche Neuverteilung der Landmassen schuf viele neue Lebensräume, was zur biologischen Explosion und neuen Ökosystemen geführt haben musste.

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Jan17

Das Ausmass des Abschmelzens eines Gletschers kann nicht direkt mit steigenden Temperaturen in Beziehung gesetzt werden. Es kann sich bei höheren Temperaturen bis zu einem bestimmten Grad sogar besser Gletschereis bilden als in extrem kalten Gegenden, wie wir aus dem letzten Beitrag wissen.

Gletscher wachsen und schmelzen

Für die Entwicklung eines Gletschers, d. h. ob er wächst, schmilzt oder gleich bleibt, sind nebst Hangneigung und Bodenbeschaffenheit vor allem die Niederschlagsmengen wichtig. Damit ein Gletscher entsteht und wächst, muss mehr Schnee fallen als abschmilzt, verdunstet oder vom Wind abgetragen wird. Man spricht deswegen vom Massenhaushalt eines Gletschers.

Für die positive Massenbilanz, bei welcher der Gletscher mindestens seine Grösse hält, ist vor allem die Witterung in der Abschmelzperiode wichtig. In der Regel führen kühle und niederschlagsreiche Sommer zu einem Massenzuwachs.

Ein Gletscher verliert an Masse

Gletscher schmelzen nicht nur durch äussere Einwirkung bei Sonnen- bzw. Wärmeeinstrahlung, sondern auch durch innere Kräfte, nämlich durch die Last und den Druck der Eismassen, die den Schmelzpunkt des Eises am Gletscherfuss verringern. So fliesst denn Schmelzwasser nicht nur an der Oberfläche ab, sondern auch subglazial unter dem Gletscher hindurch bis zur Gletscherzunge.

Gletscher beim Kalben © http://www.gletscher-info.de

Ein Gletscher beim Kalben

Auch beim sogenannten Kalben eines Gletschers, der ins Meer mündet und bei dem Brocken abbrechen, die als Eisberge im Meer treiben, verringert sich die Masse. Besonders gefährdet sind Gletscher auf Hochplateaus, wo der Wind so viel Schnee wegfegt und sich nur schlecht Schnee ansammeln kann aus dem Gletschereis entstehen würde.
Wenn durch diese Verluste die Massenbilanz dauerhaft negativ ist, kann von einer Gletscherschmelze, bzw. Abschmelzen eines Gletschers gesprochen werden.

Gletscherschmelze durch Russ und Staub

Gletscher reflektieren normalerweise fast 90 % des Sonnenlichts. Verschmutzte Gletscher hingegen absorbieren die Sonnenstrahlung, d. h. sie nehmen Sonnenenergie auf, die in Wärme umgewandelt wird. Die Verschmutzung des Gletschereises entsteht durch Russ und Staub, also mit all dem, was Industrie oder Privathaushalte verfeuern und so fördert verunreinigtes Eis die Gletscherschmelze deutlich.

Reflektion bei verschmutztem Eis

Im Himalaya beispielsweise scheinen einige Gletscher zu wachsen, andere schmelzen dramatisch ab. So soll die Russ-Konzentration im Eis des Mount Everest im Jahr 2000 dreimal so hoch sein wie vor 1975. Die wachsenden Gletscher des Karakorums hingegen werden vom Schutt vor Sonneneinstrahlung geschützt.

Ob ein Gletscher schmilzt oder wächst, hängt also von einem sehr komplexen Zusammenspiel verschiedenster Faktoren ab: (Sommer-)Witterung, Hangneigung, Umgebungs- und Bodenbeschaffenheit, Russ, Schutt, Sonneneinstrahlung, Windstärke und Windrichtung, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, schneeiger und nicht-schneeiger Niederschlag, Höhenlage der Schneegrenze. Alle diese Faktoren wirken auf die Massenbilanz eines Gletschers.

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Nov15

Das Wetter im Herbst zeichnet sich durch vier wesentliche Singularitäten aus: Der Spätsommer von Anfang bis Mitte September, der Altweibersommer zwischen Ende September und Anfang Oktober und der goldene Oktober. Der letzte Herbstmonat – der November – kann dagegen selten mit viel Sonnenschein aufwarten, denn bedingt durch den niedrigen Sonnenstand ist auch bei Hochdruck oft eine trübe Hochnebeldecke vorhanden. Auch die Temperaturen sinken im Herbstverlauf rasch nach unten – bereits Mitte September kann es Fröste geben.

Das zumeist schöne Herbstwetter ist dem Angleichen der Lufttemperaturen über dem Kontinent und den Wassertemperaturen zu verdanken, welche die Wetterküche auf dem Atlantik zur Ruhe bringen.

Herbstwunder im September / Oktober Novemberstimmung, @Raegi

Dass der Herbst auch anders kann, zeigt sich mit den Herbststürmen. Dringt nämlich die erste kalte Luft von Grönland bis zum Atlantik vor, wird die Wetterküche schlagartig in Gang gesetzt.

Sturmböen im November Zentralschweiz, © Alexandra Wey schnee-20151123de22-05037176

Die Polarfront

Die Polarfront ist eine Luftmassengrenze, die kalte, polare Luft von gemässigt warmen Luftmassen trennt. Im Sommer der Nordhalbkugel zieht sich die Polarfront nach Norden zurück. Im Winter dagegen liegt sie viel südlicher, oft verläuft sie quer über Europa. Es wehen starke Westwinde entlang der Polarfront. Je stärker der Temperaturkontrast zwischen Norden und Süden ist, desto stärker weht der Wind und desto heftiger kann die Entwicklung der Stürme in den mittleren Breiten verlaufen. Diese Sturmwirbel gibt es übrigens auch auf der Südhalbkugel, denn dort existiert auch eine Polarfront.

Polarfront im Verlauf des Jahres, ©CC by-nc-nd

Polarfront im Verlauf des Jahres, ©CC by-nc-nd

 

Die Entstehung eines Sturmtiefs

Die Stürme der mittleren Breiten bilden sich typischerweise im Herbst und Winter. Meistens geht das in einem kleinen Gebiet über dem Ozean los, wo der Luftdruck zu fallen beginnt. An der Meeresoberfläche strömt Luft nach innen, weil aber in der Höhe mehr Luft nach aussen weht, sinkt der Lufdruck im Gebiet weiter ab. Im Inneren des Tiefs steigt die Luft auf. Es kondensiert Wasserdampf und Wolken bilden sich. Die frei werdende Kondensationswärme verstärkt den Auftrieb der Luft und die Entwicklung des Tiefs zum Sturmtief.

Auf der Nordhalbkugel wird durch die Corioliskraft die nach Innen ins Tief strömende Luft nach rechts abgelenkt. Darum beschreibt der Wind auf dem Weg ins Tief eine spiralförmige Bahn. Für die Polarfront bedeutet dies, dass östlich des Tiefs warme Luft nach Norden und westlich davon kalte Luft nach Süden geführt wird. An den Grenzen der Luftmassen entstehen eine Warmfront und eine Kaltfront, die sich mit der Rotation des Tiefs mitbewegen. So nimmt die Entwicklung des Sturms ihren Lauf: Je tiefer der Luftdruck im Innern des Tiefs sinkt, desto grösser kann der Lufdruckunterschied zur Umgebung werden. Das lässt sich etwa an der Dichtung der Isobaren, auf einer Wetterkarte ablesen. Und je enger die Isobaren nebeneinander liegen, desto grösser ist die Windgeschwindigkeit.

Sturmtief ©CC by-nc-nd

Entstehung eines Sturmtiefs in vier Stadien ©CC by-nc-nd
A:  Es bildet sich an der Polarfront ein Tiefdruckgebiet mit einer Warmfront (rot) und einer Kaltfront (blau). B: Ist der Luftdruck im Zentrum des Tiefs stark gesunken beginnt die Kaltfront die Warmfront einzuholen. C: Die Kaltfront hat die Warmfront teilweise erreicht. Das ist die sogenannte Mischfront oder Okklusion (rosa). D: Die Luftdruckgegensätze sind jetzt am grössten und der Wind weht am stärksten. Das Tief ist jetzt schon fast vollständig okkludiert, d. h. die Luftmassen vermischen sich nun und bald ist der Sturm aufgelöst.

Regen-Cartoon, © www.mopf.net

In diesem Sinne sind wir bestens gewappnet für die kommenden trüben Tage :-)!

 

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Feb09

Der Rückgang der Alpengletscher gilt als dramatisch und bedrohlich. Holz- und Torfstücke beweisen aber, dass in den letzten Jahrtausenden die Alpen meist grüner waren als heute.

Seit den neunziger Jahren sammelt das Forscherteam um den Geologieprofessor Schlüchter, was sich vor Gletscherzungen und -toren finden lässt, nämlich Holzstücke und Torfballen. Die Fundstücke präsentieren sich unspektakulär, sind aber bis zu 10’000 Jahre alt. Man erkennt die Spuren, die die Gletscher an Holzstücken und z.T. ganzen Baumstämmen hinterlassen haben, denn sie sind zerkratzt und verbogen, die Torfreste komprimiert und gepresst. Da, wo es heute nur Schutt, nackten Fels oder Eis gibt, sind früher Bäume gewachsen. Wo die Funde gehäuft vorkommen, müssen es ganze Wälder gewesen sein.

Klimawandel im Phanerozoikum; © Creative Commons

Klimawandel im Phanerozoikum; © Creative Commons. Das Phanerozoikum setzt mit Beginn des Erdmittelalters vor 540 Millionen Jahren ein.

Im Diagramm wird dieser Sachverhalt abgebildet. In der GeochemiePaläoklimatologie und Paläozeanographie ist δ18O (Delta-O-18) ein Mass für das Verhältnis der stabilen Sauerstoff-Isotope 18O/16O.

18O/16O -Daten von KorallenForaminiferen, Eisbohrkernen und Sedimenten von Süsswasserseen werden in den Paläowissenschaften als Temperaturproxy verwendet. Die für uns heute relevanten Temperaturschwankungen der letzten 12’000 Jahre im Holozän sind im unterstehenden Diagram wiedergegeben.

Temperaturvariation im Holozän

Rekonstruktion des Temperaturverlaufs von acht verschiedenen Orten der Erde während der letzten 12’000 Jahre. Die dicke schwarze Linie repräsentiert deren Durchschnitt, der jedoch nicht gleichbedeutend mit der globalen Durchschnittstemperatur ist; © Creative Commons

Wie stark die Temperatur, die diversen Treibhausgase u.a. klimarelevante Faktoren anthropogen beeinflusst werden ist ein Forschungsfeld, welches immer mehr an Bedeutung gewinnt.

>> Schweizerische Klimaforschung

Vielleicht möchte der eine oder andere Leser oder Leserin eine eigene Meinung äussern; erdwissen ist daran interessiert.

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Die Lösung

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