Erdsystem Modellierung

Erdsystem – Modellierung

Erde reagiert selbstregulierend auf ständig wachsende Sonnenleuchtkraft Über sehr lange eiträume: Oberflächentemperatur stabilisiert, so dass flüssiges Wasser möglich!

– Wie laufen selbstregulierende Prozesse ab? – Welche globalen yklen sind verantwortlich? – Grenzen, an denen das System „zusammenbricht“? – Wann stirbt Erd–Biosphäre aus?

! Erdsystemanalyse ! ! Potsdam Institut für Klimafolgenforschung: Franck, Bounama: ! ! Physik in unserer eit, 3/2002 ! ! Sterne und Weltraum 1/2004

Bounama et al., Phiuz, 2002

Vorlesung “Extrasolare Planeten”, SS 2009, Uni Heidelberg, Prof. J. Wambsganß Vorlesung 11, Folie 1 Vorlesung “Extrasolare Planeten”, SS 2009, Uni Heidelberg, Prof. J. Wambsganß Vorlesung 11, Folie 2

Erdsystem – Modellierung

Erde: wechselwirkendes System aus verschiedenen Komponenten: ! ! ! ! – feste Erde – Hydrosphäre – Atmosphäre – Biosphäre

Globaler Kohlenstoffkreislauf

Kopplung via: ! – Sonnenleuchtkraft ! – Verwitterungsrate ! – globale Energiebilanz Ergebnis der Kopplung: ! – CO2 – Partialdruck ! – mittlere globale Temperatur! ! – Bioproduktivität als Funktion der eit

Bounama et al., Phiuz, 2002

Vorlesung 11, Folie 3 Vorlesung “Extrasolare Planeten”, SS 2009, Uni Heidelberg, Prof. J. Wambsganß Vorlesung 11, Folie 4

Vorlesung “Extrasolare Planeten”, SS 2009, Uni Heidelberg, Prof. J. Wambsganß

Karbonat-Silikat- yklus:

Carbonate-silicate cycle

Karbonat-Silikat- yklus spielt wichtige Rolle bei Stabilierung des Erd-Klimas über lange eitskalen Beginn: atmosphärisches CO2 löst sich in Regenwasser, bildet Kohlensäure: H2CO3 durch “weathering” löst diese schwache Säure Silicate-Gestein auf den Kontinenten und bringt die Ionen Ca++, Mg++, HCO3- (bicarbonate), und SiO2 (dissolved silica) in Lösung Diese Produkte fließen in Flüssen in die Ozeane; dort nutzen dies Organismen wie “planktonische Foraminifera” um Schalen aus Kalcium Karbonate zu bauen (CaCO3). Wenn die Organismen sterben, fallen sie auf den Meeresgrund, wo die Schalen größtenteils wieder aufgelöst werden. Ein Teil des Kalzium-Karbonats lagert sich in Sedimenten auf dem Meeresboden ab. Der Meeresboden verbreitet sich über die mittelozeanischen Rücken und wird in diversen Subduktionszonen ins Erdinnere transportiert. Die Karbonat-Mineralien rekombinieren mit SiO2 (Quartz), um Kalzium- und Magnesium-Silikate zu formen, dabei wird gasförmiges CO2 frei. Dieses CO2 entweicht in die Atmosphere durch Vulkanausbrüche, damit ist der Kreislauf komplett .

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Erdsystem – Modellierung

Komponenten: ! – Klima: Energiebilanz Ein- / Ausstrahlung ! – Sonnenleuchtkraft: HRD ! – Kohlenstoff – Kreislauf: Hauptprozess ! – Verwitterung: Hauptsenke für CO2 ! – Bioproduktivität: Biomasse durch Photosynthese pro eit u. Fläche ! ! ! erzeugt ! – Geodynamik: Gleichgewicht für globalen Kohlenstoffkreislauf

Bounama et al., Phiuz, 2002

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Vorlesung 11, Folie 7

Vorlesung “Extrasolare Planeten”, SS 2009, Uni Heidelberg, Prof. J. Wambsganß

Vorlesung 11, Folie 8

Entwicklung der solaren H : AMS (zero-age main sequence): 0.7 L! ! 2.2 L!

! ! ! !

„Continously habitable zone“ (CH ), 4.5 Gyr ! für Sonne:! 0.95 – 1.15 AU (konservativ)!! ! ! ! !

(“!,MS ” 10 Gyr)

möglicherweise 0.84 – 1.77 AU (coldstart, case 2)

Kritischer Strahlungsfluss:

Aus Diagrammen: ! Erde für ~ 2 Gyr weiter bewohnbar, dann wird es zu heiß… Ist „technische Intelligenz“ Spätzünder? Nein! Nur 600 Myr nach erstem Erscheinen von Metazoae, weitere 2 Gyr möglich CH für andere Sterne: ! massereicher ! breitere H , aber kürzere Dauer Massereiche Sterne:! L # M4.75; “MS ” M / L # M-3.75 ! für “MS > 2 Gyr $ M < 1.5 M!

!

Vorlesung 11, Folie 9

3 kritische Werte für inneren Radius: ! qin =! 1.1 ! Wasserverlust durch „moist greenhouse“ !! !! 1.4 ! Wasserverlust durch „runaway greenhouse“ 1.76 ! von Venus: niemals fl. Wasser möglich

! qout = ! 0.53 ! CO2 Kondensation ! erhöht Albedo !! !! 0.36 ! maximaler Greenhouse Effekt 0.32 ! „früher Mars“, vor 3.8 Gyr, warm & feucht

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für M < 0.5 M!: CH % ( AMS)H

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asas

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