Fischer, Hubertus

Fundel, Felix

Köhler, Peter

Schmitt, Jochen

Twarloh, Birthe

German

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Rekonstruktion pala¨oklimatischer Vera¨nderungendes globalen Kohlenstoffkreislaufs — RESPICP. Ko¨hler, J. Schmitt, F. Fundel, B. Twarloh & H. FischerAlfred–Wegener–Institut fu¨r Polar– und Meeresforschung in der Helmholtz-GemeinschaftPostfach 12 01 61, 27515 Bremerhaven, email: pkoehler@awi-bremerhaven.de, hufischer@awi-bremerhaven.deZusammenfassungEiskerne stellen ein einzigartiges Archiv der Pala¨oatmo-spha¨re dar. Schwerpunkt von RESPIC ist die Untersu-chung der Wechselwirkung von Klima und Kohlenstoff-kreislauf im Verlauf des letzten glazialen Zyklus. Da-zu werden Untersuchungen der CO2-Isotopie in Luft-einschlu¨ssen an dem neuen EPICA Eiskern in DronningMaud Land (DML), Antarktis, durchgefu¨hrt. Eiskern-Zeitreihen zu A¨nderungen des globalen Kohlenstoffkreis-laufs werden mit dem neuentwickelten Modell BICYCLEinterpretiert. Erste Untersuchungen unterstu¨tzen einenmassgeblichen Einfluss nordhemispha¨rischer Tempera-tura¨nderungen auf das terrestrische Kohlenstoffreservoirund damit auf δ13C in der Atmospha¨re. Im Gegensatzzu Zeitscheibenexperimenten wird die notwendige CO2-Emission aus dem Ozean in transienten, gekoppeltenLa¨ufen der Deglaziation durch bisher diskutierte Pro-zesse noch nicht quantitativ erkla¨rt.Kohlenstoffarchive in EisbohrkernenCO2 und δ13C-Zeitreihen antarktischer Eisbohrkerne zei-gen signifikante A¨nderungen im Verlauf der letzten Jahr-tausende. Ein einfacher Bilanzansatz zeigt, dass Varia-tionen von bis zu 20 ppmv in CO2 und 0.2◦/◦◦ inδ13C im Holoza¨n und LGM quantitativ durch Anwach-sen/Schwinden des terrestrischen Kohlenstoffreservoirs er-kla¨rt werden ko¨nnen (Indermu¨hle et al. 1999, Fischer et al.2003). Nur mit Hilfe eines transienten Modellansatzes undbesserer δ13C-Datensa¨tze kann die Kopplung von Kohlen-stoffkreislauf und Klimaa¨nderungen im Verlauf der letztenDeglaziation erkla¨rt werden.Pala¨odatenarchive aus Eiskernen (Grootes & Stuiver 1997, Petit et al. 1999, Smithet al. 1999, Fischer et al. 2003), Korallenriffen (Fairbanks 1990) und Moden derTiefenwasserbildung (DWP) in transienten Modellla¨ufen (Rahmstorf 2002).H0H1H2H3-7.0-6.8-6.6-6.4-6.213C[o /oo]13C200220240260280pCO2[ppmv]pCO2Taylor Dome-120-100-80-60-40-200sealevel[m]sea level-42-41-40-39-38-37-36-35-3418O[o /oo]GISP2proxies forHL temperatures-490-480-470-460-450-440-430D[o /oo]Vostok051015202530Time [kyr BP]HGIGDWPSouthNorthMode of DWPNeue EiskernarchiveBisherige δ13C-Archive beschra¨nken sich auf Messungenam Taylor Dome Eiskern. An tieferen Eiskernen, in denenGas in Klathraten archiviert ist, war bisher keine fraktio-nierungsfreie Messung mo¨glich. Durch den Aufbau einerneuen Messmethode sollen solche hochpra¨zisen Messun-gen von δ13C an dem neuen EPICA-DML Eiskern erstmalsermo¨glicht werden.Lokationen des Europa¨ischen Eiskernbohrprojektes EPICA.Aufbau des Modells BICYCLE bestehend aus Ozean, Biospha¨re und Atmospha¨re. Im Ozean finden Sedimentationprozesse statt. Die terrestrische Biospha¨re besteht ausglobal gemittelten Kompartimenten, in denen sowohl C3/C4 Photosynthese als auch Lebensdauerdifferenzen im Boden gebundenen Kohlenstoffes aufgelo¨st werden.                                                                                              ~~    ~~    ~~    ~~    ~~    ~~    ~~    ~~                  Box model of the Isotopic Carbon cYCLE BICYCLE100 m1000 mDEEPSURFACEMEDIATEINTER−RockcarbonwaterC3FSSSNWWDC4AtmosphereAtlantic Indo−PazificSediment40°N50°N 40°S 40°SSOBiosphereNeuer ModellansatzDas zur Dateninterpretation neuentwickelte Boxmodelldes globalen Kohlenstoffkreislaufes BICYCLE koppelt einOzean/Atmospha¨renmodell (Munhoven 1997) an eine ter-restrische Biospha¨re (Emanuel et al. 1984, Kheshgi & Jain2003). Fu¨r eine transiente Simulation wird das Modell mitPala¨oarchiven angetrieben.Interpretation der Kohlenstoffarchive mithilfeeines Isotopenmischungsdiagramms.SimulationsergebnisseDie steilen Gradienten in den Kohlenstoffflu¨ssen ausdem Ozean in das Atmospha¨ren/Biospha¨ren–Subsystemwa¨hrend des Glazial/Interglazial-U¨berga¨nges zeigen, dassnur mit einer transienten Untersuchung, die alle relevantenTeile des Kohlenstoffkreislaufes beru¨cksichtigt, die ent-scheidenden Prozesse fu¨r die zugrundeliegenden Vera¨nde-rungen identifiert werden ko¨nnen.Schema der Extraktionsanlage fu¨r δ13C–Messungen an Klathrateis.Simulations-ergebnisse desBiospha¨ren-Subsystem.Kohlenstoffgehaltder terrestrischenBiospha¨re im LGM(Ko¨hler & Fischer2003).Scenario60080010001200140016001800200022002400Carbon[PgC]Terrestrial carbon at LGM0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0SD/mean[-]Carbon[PgC]KheshgiAKheshgiBKicklighterAllvariations C f C4NPPC+f C4C+NPPNPP+f C4C+f C4+NPPCaseICaseIIErgebnisse: Berechnete Flu¨sse (A: Kohlenstoff; B: δ13C) aus dem Ozean in dasAtmospha¨re/Biospha¨re Subsystem fu¨r Simulationen der terrestrischen Biospha¨re.Atmospha¨rische Kohlenstoffpools (C: pCO2; D: δ13C) fu¨r Ozean/Atmospha¨reund gekoppelte Ozean/Atmospha¨re/Biospha¨re–Simulationen.0200400600800C o2ab[PgC]Cumulativefluxcase IIcase Idata pCO2 (atm)A400450500550600pCO2(atm)[PgC]0.00.10.20.30.413C o[o /oo] BOceanicincrease-7.2-7.0-6.8-6.6-6.4-6.213C atm[o /oo]case IIcase Idata 13Catm180200220240260280pCO2[ppmv]coupled modelocean/atmospheredata Taylor DomeCeffect of TB-7.2-7.0-6.8-6.6-6.413C(atm)[o/ oo] D10152025Time [ky BP]coupled modelocean/atmospheredata Taylor DomeReferenzenEmanuel, W. R. et al., 1984. Ecology 65:970–983.Fairbanks, R. G. 1990. Paleoceanography 5:937–948.Fischer, H. et al. 2003. Mem Natl. Inst. Polar Res., Spc. Issue 57: 121–138.Grootes, P. M. & Stuiver, M. 1997. JGR, 102:26455–26470.Indermu¨hle, A. et al. 1999. Nature 398:121–126.Kheshgi, H. S., A. K. Jain, 2003. GBC 17, 1047, doi: 101029/2001GB001842.Ko¨hler, P. & Fischer, H. 2003. Global & Planetary Change, submitted.Munhoven, G. 1997. PhD thesis, Universite de Liege, Belgium.Petit, J. R. et al. 1999. Nature, 399:429–436.Rahmstorf, R. 2002. Nature, 419:207–214Smith, H. J. et al. 1999. Nature 400:248–250.

Rekonstruktion paläoklimatischer Veränderungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs - RESPIC

Rekonstruktion pala¨oklimatischer Vera¨nderungendes globalen Kohlenstoffkreislaufs — RESPICP. Ko¨hler, J. Schmitt, F. Fundel, B. Twarloh & H. FischerAlfred–Wegener–Institut fu¨r Polar– und Meeresforschung in der Helmholtz-GemeinschaftPostfach 12 01 61, 27515 Bremerhaven, email: pkoehler@awi-bremerhaven.de, hufischer@awi-bremerhaven.deZusammenfassungEiskerne stellen ein einzigartiges Archiv der Pala¨oatmo-spha¨re dar. Schwerpunkt von RESPIC ist die Unter-suchung der Wechselwirkung von Klima und Kohlen-stoffkreislauf im Verlauf des letzten glazialen Zyklus.Dazu werden Untersuchungen der CO2-Isotopie in Luf-teinschlu¨ssen an dem neuen EPICA Eiskern in DronningMaud Land (DML), Antarktis, durchgefu¨hrt. Eiskern-Zeitreihen zu A¨nderungen des globalen Kohlenstoffkreis-laufs werden mit dem neuentwickelten Modell BICYCLEinterpretiert. Erste Untersuchungen unterstu¨tzen einenmassgeblichen Einfluss nordhemispha¨rischer Tempera-tura¨nderungen auf das terrestrische Kohlenstoffreservoirund damit auf δ13C in der Atmospha¨re. Im Gegensatzzu Zeitscheibenexperimenten wird die notwendige CO2-Emission aus dem Ozean in transienten, gekoppeltenLa¨ufen der Deglaziation durch bisher diskutierte Pro-zesse nicht quantitativ erkla¨rt.Kohlenstoffarchive in EisbohrkernenCO2 und δ13C-Zeitreihen antarktischer Eisbohrkerne zei-gen signifikante A¨nderungen im Verlauf der letzten 40000Jahre. Ein einfacher Bilanzansatz zeigt, dass Variationenvon bis zu 20 ppmv in CO2 und 0.2◦/◦◦ in δ13C im Holoza¨nund LGM quantitativ durch Anwachsen/Schwinden desterrestrischen Kohlenstoffreservoirs erkla¨rt werden ko¨nnen(Indermu¨hle et al. 1999, Fischer et al. 2003). Die zum ant-arktischen Temperaturanstieg synchronen A¨nderungen imVerlauf des Glazial/Interglazial-U¨bergangs (ca. 80 ppmv inCO2 und 0.7◦/◦◦ in δ13C) spiegeln die dominierende Rolledes Su¨dozeans auf die atmospha¨rische CO2-Konzentrationwider. δ13C ist davon z.T. abgekoppelt und weist auf Tem-peratura¨nderungen in der Nordhemispha¨re und damit denEinfluss der terrestrischen Biospha¨re auf die Kohlenstoff-isotopie auch in diesem Zeitintervall hin.Nur mit Hilfe eines transienten Modellansatzes und bes-serer δ13C-Datensa¨tze kann die Kopplung von Kohlen-stoffkreislauf und Klimaa¨nderungen im Verlauf der letztenDeglaziation erkla¨rt werden.Neue EiskernarchiveBisherige zeitlich aufgelo¨ste δ13C-Archive beschra¨nkensich auf Messungen am Taylor Dome Eiskern (Smith et al.1999, Fischer et al. 2003), der vollsta¨ndig aus Blaseneisbesteht. An tieferen Eiskernen, in denen Gas in Form vonKlathraten archiviert ist, war bisher keine fraktionierungs-freie Messung mo¨glich. Durch den Aufbau einer neuenSublimationsextraktion in Verbindung mit einer innerhalbvon RESPIC neuentwickelten GCMS-Methode, die die er-forderliche Probengro¨ße um den Faktor 100 verringert, sol-len solche hochpra¨zisen Messungen an dem neuen EPICA-DML Eiskern erstmals ermo¨glicht werden.Lokationen desEuropa¨ischenEiskernbohrpro-jektes EPICA.Schema derExtraktions-anlage fu¨rδ13C–Messungen anKlathrateis.Links: Pala¨odatenarchive. Temperaturproxy δ18O aus den Eiskernen Byrd und GRIP (Blunier & Brook 2001); CO2, δ13C, aus den Eiskernen Taylor Dome und DomeC (Smith et al. 1999, Fischer et al. 2003, Monnin et al. 2001, pers. Mitteil.); Meeresspiegela¨nderungen aus Korallenriffen (Fairbanks 1990). Rechts: Interpretationder CO2 und δ13C-Archive mithilfe eines Isotopenmischungsdiagramms.Neuer ModellansatzDas zur Dateninterpretation neuentwickelte Boxmodelldes globalen Kohlenstoffkreislaufes namens BICYCLE kop-pelt ein Ozean/Atmospha¨renmodell (Munhoven 1997) aneine terrestrische Biospha¨re (Emanuel et al. 1984, Khesh-gi & Jain 2003). Fu¨r eine transiente Simulation wird dasModell mit Pala¨oarchiven angetrieben. Insbesondere ist esmo¨glich, das Biospha¨renmodell mit den gemessenen atmo-spha¨rischen Daten anzutreiben und so das Anwachsen derterrestrischen Biomasse wa¨hrend der Deglaziation isoliertzu untersuchen.Aufbau des Modells BICYCLE bestehend aus Ozean (10 Boxen in fu¨nf Ozean-becken und drei unterschiedlichen Meerestiefen), Biospha¨re (7 Boxen) und Atmo-spha¨re. Im Ozean finden Sedimentationprozesse statt. Die terrestrische Biospha¨rebesteht aus global gemittelten Kompartimenten, in denen sowohl C3/C4 Pho-tosynthese als auch Lebensdauerdifferenzen im Boden gebundenen Kohlenstoffesaufgelo¨st werden.100 m1000 mDEEPSURFACEMEDIATEINTER−RockcarbonwaterC3FSSSNWWDC4AtmosphereBiosphereAtlantic Indo−PazificSediment40°N50°N 40°S 40°SSO                                                                                              ~~    ~~    ~~    ~~    ~~    ~~    ~~    ~~                    Box model of the Isotopic Carbon cYCLE BICYCLESimulationsergebnisseEin prognostizierter Anstieg der terrestrischen Biomasseum 600 PgC wa¨hrend der Deglaziation kann im Rahmender Modell- und Datenunsicherheit auf unterschiedlichemWege erreicht werden. Hierbei erscheinen Ergebnisse, dieauf einer sta¨rkeren Temperaturabha¨ngigkeit der Biospha¨re(Fall II) beruhen auf Grund der Vera¨nderungen im δ13Cwahrscheinlicher als Szenarien, in denen CO2-Fertilisierung(Fall I) dominiert (Ko¨hler & Fischer 2003).Bisherige Versuche, den in den Eiskernen archiviertenCO2–Anstieg wa¨hrend der Glazial/Interglazial-U¨berga¨ngezu erkla¨ren, haben sich auf Gleichgewichtsuntersuchungendes Ozean konzentriert, in denen die steilen Gradientenin den Kohlenstoffflu¨ssen aus dem Ozean in das Atmo-spha¨ren/Biospha¨ren–Subsystem wa¨hrend des Anwachsender terrestrischen Biospha¨re keine Beru¨cksichtigung fin-den. Unser Modellansatz zeigt, dass nur mit einer tran-sienten Untersuchung, die alle relevanten Teile des Koh-lenstoffkreislaufes beru¨cksichtigt, die entscheidenden Pro-zesse fu¨r die zugrundeliegenden Vera¨nderungen identifiertwerden ko¨nnen.Simulations-ergebnisse desBiospha¨ren-Subsystem.Kohlenstoffgehaltder terrestrischenBiospha¨re im LGM.Scenario60080010001200140016001800200022002400Carbon[PgC]Terrestrial carbon at LGM0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0SD/mean[-]Carbon[PgC]KheshgiAKheshgiBKicklighterAllvariations C f C4NPPC+f C4C+NPPNPP+f C4C+f C4+NPPCaseICaseIIBerechnete Flu¨sse (A: Kohlenstoff; B: δ13C) aus dem Ozean in das Atmo-spha¨re/Biospha¨re Subsystem fu¨r Simulationen der terrestrischen Biospha¨re. At-mospha¨rische Kohlenstoffpools (C: pCO2; D: δ13C) fu¨r Ozean/Atmospha¨re undgekoppelte Ozean/Atmospha¨re/Biospha¨re–Simulationen.0200400600800C o2ab[PgC]Cumulativefluxcase IIcase Idata pCO2 (atm)A400450500550600pCO2(atm)[PgC]0.00.10.20.30.413C o[o /oo] BOceanicincrease-7.2-7.0-6.8-6.6-6.4-6.213C atm[o /oo]case IIcase Idata 13Catm180200220240260280pCO2[ppmv]coupled modelocean/atmospheredata Taylor DomeCeffect of TB-7.2-7.0-6.8-6.6-6.413C(atm)[o/ oo] D10152025Time [ky BP]coupled modelocean/atmospheredata Taylor DomeReferenzenBlunier, T. & Brook, E. J. 2001. Science 291:109–112.Emanuel, W. R. et al., 1984. Ecology 65:970–983.Fairbanks, R. G. 1990. Paleoceanography 5:937–948.Fischer, H. et al. 2003. Mem Natl. Inst. Polar Res., Spc. Issue 57: 121–138.Indermu¨hle, A. et al. 1999. Nature 398:121–126.Kheshgi, H. S., A. K. Jain, 2003. GBC 17, 1047, doi: 101029/2001GB001842.Ko¨hler, P. & Fischer, H. 2003. Global & Planetary Change, submitted.Monnin, E. et al., 2001. Science 291:112–114.Munhoven, G. 1997. PhD thesis, Universite de Liege, Belgium.Smith, H. J. et al. 1999. Nature 400:248–250.

Rekonstruktion paläoklimatischer Veränderungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs - RESPIC

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