Supervulkane:

Eine Herausforderung für die

ErdsystemmodellierungClaudia 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?

• 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

Supervulkane beeinflussen sehr stark alle Kompartments unseres Erdsystems:

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

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.)

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 MAECHAM4/-CHEM mit interaktivem Aerosol und Chemie

Initialisierung von 1700 MT SO2 (100 XPinatubo)

Simulation einer Yellowstone Eruption im Sommer

winter eruption

summer eruption

Optische Dicke =0.5 m

Nicht interaktive Simulation

Interaktive SimulationWinter EruptionSommer Eruption

Sommer Eruption Winter Eruption

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.

TOATOA Netto Flußanomalien [W/m2] Heizraten Anomalien [k/day]

3 Monate nach der Eruption

Boden Netto Flußanomalien [W/m2]

Strahlungsantrieb eines „Yellowstone Vulkans“

Dynamischer Response in der Stratosphäre

12 Monate nach der Eruption

3 Monate nach der Eruption

Temperaturanomalien [K] GPH Anomalien 1. Winter

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[%]

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 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).

Verteilung der Tephraablagerungen nach einerYellowstone Supereruption

Tephradicke nach dem Ausbruch Tephradicke 5 Jahre nach der Eruption

Tephrabedeckung nach dem Ausbruch Tephrabeckung 5 Jahre nach der Eruption

(R. Schnur et al., MPI-M)

0.001 0.004 0.016 0.063 0.252 1 4 16 63

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

0 0.001 0.01 0.1 0.5 1 50

Vorläufige Ergebnisse, JJA

Differenzen im LAI Differenzen in dem CO2 flux ()

Differezen in der Oberflächenalbedo

Differenzen für JJA sind von einem drei Jahresmittel: (2-4 Jahre nach der Eruption) – (1-3 Jahre vor der Eruption)

10-8 kg/m2/s

(R. Schnur et al., MPI-M)

Eine voll gekoppelte ESM Simulation einer vulkanischen

Supereruption einschliesslich interaktivem

vulkanischem Aerosol und Chemie.

Nächste Schritte•Einfluß auf die marine Biogeochemie (HAMOCC)

•Gekoppelte Aerosol Chemie Läufe für Schwefel und Asche

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

„

(F.Landerer, MPI-M)

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).

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)

Marotzke und Botzet GRL 2007

Last but not least:

Das Schneeball Erde Experiment:Ein Extremfall

Heizraten-Anomalien [K/tag]

3 Monate nach der Eruption

12 Monate nach der Eruption

total

total

SW LW

SW LW