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Clouds and bare sea ice as key factors in stabilizing waterbelt solutions for Snowball Earth

Johannes Hörner

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Meteorologie

Betreuer*in

Aiko Voigt

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DOI

10.25365/thesis.78223

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-25513.55250.129511-1

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Schneeballerde beschreibt mehrere Perioden in der Erdgeschichte, in denen geologische Beweise darauf hindeuten, dass der gesamte Planet mit Eis bedeckt war. Dies wurde durch eine unkontrollierte Eis-Albedo-Rückkopplung verursacht, bei der sich eine zunehmende Eisbedeckung und sinkende Temperaturen gegenseitig verstärken, was zu einer globalen Eisbedeckung führt. Die Schneeballerde-Theorie wird jedoch dadurch in Frage gestellt, wie aquatisches, phototrophes Leben in einem weltweit eisbedeckten Ozean überleben konnte. Ein mögliches Szenario der Schneeballerde sind Wassergürtelzustände, in denen ein schmaler Streifen des Ozeans am Äquator eisfrei bleibt. Sie stellen eine attraktive Alternative dar, da sie das Überleben von Leben mit den geologischen Beweisen in Einklang bringen. Diese Zustände sind jedoch umstritten, da die Mechanismen, die sie stabilisieren, mit großer Unsicherheit behaftet sind. Der Jormungand-Mechanismus beschreibt einen solchen Mechanismus, der in der Lage ist, einen Wassergürtelzustand zu stabilisieren. Wenn Meereis die subtropischen Wüstenregionen erreicht, gerät es unter den absteigenden Ast der Hadley-Zirkulation, was zu einer Nettoablation von Eis an der Oberfläche führt. Infolgedessen schmilzt der Schnee auf dem Eis und das blanke, dunklere Meereis wird freigelegt. Dies schwächt die Eis-Albedo-Rückkopplung ab und stabilisiert das Klima in einem Wassergürtelzustand. In dieser Arbeit wird die Robustheit dieses Mechanismus in drei Ansätzen untersucht. Zunächst wird die Existenz von blankem Meereis untersucht. Das ICON-Modell wird mit verschiedenen thermodynamischen Meereismodellen getestet. Dabei zeigt sich, dass ein einfaches Meereismodell die Größe der schneefreien Meereisregion und damit die stabilisierende Wirkung des Jormungand-Mechanismus überschätzt. Zweitens wird die Rolle der Wolken für den Jormungand-Mechanismus untersucht. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass Wolken den Wassergürtelzustand stabilisieren, indem sie die Eis-Albedo-Rückkopplung maskieren. Sie induzieren allerdings auch ihre eigenen Strahlungsrückkopplungen. Mit Hilfe der "approximate partial radiative perturbation" Methode wird ein Wolkenmaskierungsparameter definiert, der einen quantitativen Vergleich zwischen Wolkenmaskierung, Wolkenrückkopplung und Eis-Albedo-Rückkopplung ermöglicht. Die Anwendung dieses Verfahrens auf ICON-Simulationen mit neu angepasster Wolkenphysik zeigt, dass sowohl Wolkenmaskierung als auch Wolkenrückkopplung den Wassergürtelzustand bestimmen. Drittens wird dieses Verfahren auf Daten verschiedener Klimamodelle angewendet. Der Wassergürtelzustand in verschiedenen Versionen der ICON und CAM Modelle wird im Hinblick auf die Rolle von blankem Meereis und Wolken analysiert. Vorläufige Ergebnisse bestätigen die Bedeutung der Wolken. Die CAM-Modelle simulieren einen größeren und stabileren Wassergürtelzustand aufgrund einer größeren Wolkenmaskierung sowie einer stabilisierenden kurzwelligen Wolkenrückkopplung. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass der Jormungand-Mechanismus möglicherweise zu schwach ist, um den Wassergürtelzustand allein zu stabilisieren; möglicherweise wird seine Wirkung aufgrund einfacher Meereismodelle überschätzt. Daher könnte er nur ein sekundärer Mechanismus für die Stabilität des Wassergürtelzustands sein. Außerdem unterstreichen die Ergebnisse die Bedeutung der Wolken für die Stabilität des Wassergürtelzustands. Wolken können die Stabilität des Wassergürtels beeinflussen, indem sie die Eis-Albedo-Rückkopplung maskieren und Wolkenstrahlungsrückkopplungen induzieren. Um die mit den Zuständen des Wassergürtelzustands verbundenen Unsicherheiten zu verringern, muss daher die Unsicherheit der Wolken während des Klimaübergangs zu einer Schneeballerde in zukünftigen Untersuchungen eingegrenzt werden.

Abstract

(Englisch)

Snowball Earth describes several periods in Earth's history when geological evidence indicates that the entire planet was covered in ice. This was caused by a runaway ice-albedo feedback, where increasing ice cover and decreasing temperatures reinforce each other, resulting in global ice cover. However, the Snowball Earth theory is challenged by the question of how aquatic phototrophic life was able to survive a globally ice covered ocean. Waterbelt states are one possible scenario of Snowball Earth, where a narrow strip of ocean remains ice-free at the equator. They pose an attractive alternative, as they reconcile the survival of life with the geological evidence. However, these states are disputed due to significant uncertainty surrounding the mechanisms that stabilize them. The Jormungand mechanism describes one such mechanism that is able to stabilize a waterbelt state. When sea ice reaches the subtropical desert regions, it falls under the descending branch of the Hadley circulation, leading to a negative precipitation-evaporation balance. As a result, snow on ice melts and bare, darker sea ice is exposed. This weakens the ice-albedo feedback and stabilizes the climate in a waterbelt state. This thesis investigates the robustness of this mechanism in three approaches. First, the existence of bare sea ice is investigated. The ICON model is run with different thermodynamic sea-ice models, showing that a simple sea ice model overestimates the bare sea-ice region and thus the stabilizing effect of the Jormungand mechanism. Second, the role of clouds for the Jormungand mechanism is examined. Clouds have been shown to stabilize waterbelt states by masking the ice-albedo feedback, but they also induce their own radiative feedbacks. Using the approximate partial radiative perturbation method, a cloud masking parameter is defined that enables the quantitative comparison between cloud masking, cloud feedback and ice-albedo feedback. Applying this framework on ICON simulations with retuned cloud physics shows that both cloud masking and cloud feedback determine waterbelt states. Third, we apply this framework to output of different climate models. Waterbelt states in different versions of the ICON and CAM models are analysed with respect to the role of bare sea ice and clouds. Preliminary results assert the relevance of clouds. The CAM models simulate a larger and more stable waterbelt state due to larger cloud masking as well as a stabilizing shortwave cloud feedback. The results of this thesis imply that the Jormungand mechanism may be too weak to stabilize waterbelt states on its own; its effect may be overestimated due to simple sea-ice models. Thus, it may only be a secondary mechanism for waterbelt stability. Additionally, the results emphasize the importance of clouds for waterbelt stability. Clouds can influence waterbelt stability by masking the ice-albedo feedback and inducing cloud radiative feedbacks. Thus, in order to constrain the uncertainty associated with waterbelt states, the uncertainty of clouds during the climate transition to a Snowball Earth must be constrained by future studies.

Autor*innen

Johannes Hörner

Haupttitel (Englisch)

Clouds and bare sea ice as key factors in stabilizing waterbelt solutions for Snowball Earth

Publikationsjahr

2025

Umfangsangabe

x, 107 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Georg Feulner ,

Jun Yang

Klassifikationen

38 Geowissenschaften > 38.81 Atmosphäre ,

38 Geowissenschaften > 38.82 Klimatologie

AC Nummer

AC17494555

Utheses ID

75109

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 415 |

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Schlagwörter