Supervulkane Eine Herausforderung fr die Erdsystemmodellierung Claudia Timmreck

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 1015 kg 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 7173 ± 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 km 3 vor 2. 1 Ma, die Mesa Falls Tuff Eruption mit 280 km 3 eruptierten Materials vor 1. 3 Ma und die Lava Creek Tuff Eruption mit einem Volumen von 1000 km 3 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/workinggroups/super-volcanoes. html Die Aufgabe § Die komplexen Wechselwirkungen des Erdsystems § § zu verstehen Vergangene Klimaänderungen zu verstehen Das Erdsystemmodel zu verbessern

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 MAECHAM 4/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. )

The initial dispersal and radiative forcing of a Northern Hemisphere mid latitude super volcano: a model study (Timmreck and Graf, ACP 2006) § § Simulation mit einem Chemieklimamodel dem MAECHAM 4/CHEM mit interaktivem Aerosol und Chemie Initialisierung von 1700 MT SO 2 (100 XPinatubo)

Simulation einer Yellowstone Eruption im Sommer

Optische Dicke t=0. 5 mm Interaktive Simulation Sommer Eruption Winter Eruption eruption summer Nicht interaktive Simulation Sommer Eruption winter eruption Winter Eruption

Strahlungsantrieb eines „Yellowstone Vulkans“ Heizraten Anomalien [k/day] TOA Netto Flußanomalien [W/m 2] 3 Monate nach der Eruption Boden Netto Flußanomalien [W/m 2] Hohe positive Flussanomalien von mehr als 16 W/m 2 in den ersten Monaten nach der Eruption an dem oberen Rand (TOA) und weniger als -32 W/m 2 am Boden.

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 O 3 [ppmv] ΔO 3[%] NOX[ppbv] Cl. Ox [ppbv] ΔNOx[%] ΔCl. Ox[%] CH 4 [ppbv] ΔCH 4[%]

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 Großer und wahrscheinlich langanhaltender Einfluß auf Wetter, Klima und den CO 2 Kreislauf kontinentalen und sogar globalen Skalen.

Modellierung der Tephraeffekte § § § MPI ESM mit ECHAM 5 (Atmosphäre), MPIOM (Ozean), HAMOCC (Marine Biogeochemie) und JSBACH (terrestrische Biosphäre). CO 2 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).

Verteilung der Tephraablagerungen nach einer Yellowstone Supereruption Tephradicke nach dem Ausbruch 0 0. 001 0. 5 1 Tephradicke 5 Jahre nach der Eruption 50 0. 001 Tephrabedeckung nach dem Ausbruch 0. 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 ^1. 0 0. 004 0. 016 0. 063 0. 252 1 4 16 63 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 (R. Schnur et al. , MPI-M) ^1. 0

Vorläufige Ergebnisse, JJA Differenzen im LAI Differenzen in dem CO 2 flux () 10 -8 kg/m 2/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) (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.

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 IPCCAR 4 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) i der heutigen Zeit ? § War die Young Toba Tuff Eruption (74± 2 kyr BP) verantwortlic für einen Engpass in der menschilichen Bevölkerung um 70 k BP ? § Können vulkanische Supereruptionen Eiszeiten triggern ?

Das Schneeball Erde Experiment § Wird die totale solare Einstrahlung (TSI) auf fast Null in dem ECHAM 5 MPIOM gesetzt, kommt es zu einen Übergang vom realistischen Klima der Gegenenwart zu einer kompleten eisbedeckten Welt innerhalb von 15 Jahre; § Supervulkane haben das Potential die TSI für ein paar Jahre um einen erheblichen Prozentsatz zu reduzieren (ca 1/4) 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