Abstract
Past studies have shown that terra-planets (land planets with limited water inventories) support
a dry climate with all the water on the planet trapped at high latitudes in ice caps [Abe et al., 2005,
2011]. Whether such dry planets can maintain surface liquid water to promote life is unclear.
Leconte et al. (2013) argue that on terra-planets, mechanisms like gravity driven ice flows and
geothermal flux can maintain liquid water at the edges and bottom of ice caps. This water may
then flow back to lower latitudes in rivers or subsurface flows. However, none of the past studies
on Earth-like terra-planets have accounted for such an overland water recycling mechanism. Here,
I analyse the influence of water recycling on the climate of Earth-like terra-planets using the state
of the art general circulation model ICON equipped with an efficient overland water recycling
mechanism.
For such a planet I find two drastically different climate states for the same boundary
conditions: a hot and dry (HD) state with only high-latitude precipitation that was reported by
past studies and an additional climate state – a cold and wet (CW) state with dominant low-
latitude precipitation. For perpetual equinox conditions, both the climate states are stable below
a certain threshold value of soil surface albedo indicating climate bistability while above the
threshold only the CW state is stable.
Rocky planets like Earth with liquid water on the surface may undergo a drastic climate
shift either towards a completely ice covered state (Snowball state) or towards a very hot moist
greenhouse state by evaporation of all water bodies on the planet. In this thesis, I demonstrate
that in addition to these two well-known climate instabilities, Earth-like terra-planets can
undergo a new type of abrupt climate shift from the HD state to the CW state in the presence of an
effective overland water recycling mechanism. I refer to this new climate instability as the ‘terra-
planet bifurcation’. The terra-planet bifurcation occurs when the soil surface albedo in the HD
state is increased above a threshold value and is associated with a cooling of about 35° C globally,
which is of the order of the temperature difference between present day Earth and the Snowball
Earth state. While the Snowball and the moist greenhouse bifurcations are forced by radiative
feedbacks, I find that the terra-planet bifurcation is trigged by local hydrological feedbacks.
Starting from the CW state and reversing the forcing, i.e. reducing the soil surface albedo
to zero, does not shift back the terra-planet to the HD state which indicates hysteretic behaviour.
But, the hysteretic loop is not closed. Mechanisms leading to the terra-planet bistability and the
hysteretic behaviour are discussed in this thesis and complete evaporation of rain drops is
identified as the key process.
Additionally, I illustrate that bistability in climate on Earth-like terra-planets is strongly
influenced by obliquity. The width of the bi-stable region (range of soil surface albedo values for which both the HD and CW climate states are stable) is significantly reduced with the increase in
obliquity. And for present-day Earth’s obliquity, the terra-planet exhibits mono-stability – only
the CW state exists. For obliquities of 5° and 7°, an additional climate bifurcation occurs. This
climate bifurcation is similar to the terra-planet bifurcation but the resulting climate is hot and
wet (HW) characterised by intense precipitation in the low-latitude region and warmer
temperatures compared to the CW state.
Overall my findings reveal that for a wide range of parameter values, liquid water can exist
on Earth-like terra-planets, provided a recycling mechanism exists which can transport water
from the high latitudes back to the low latitudes. Moreover, the hydrology on such planets can be
very unstable and hydrological feedbacks can lead to drastically different hydro-climate states.
Frühere Studien haben gezeigt, dass Terraplaneten (Landplaneten mit begrenzten
Wasservorkommen) ein trockenes Klima aufrechterhalten, da das gesamte Wasser auf dem
Planeten in hohen Breitengraden in Eiskappen gespeichert ist [Abe et al., 2005, 2011]. Es ist
unklar, ob derartige trockene Planeten Wasser in füssiger Form an der Oberfläche aufweisen
können, um Leben zu ermöglichen. Leconte et al. (2013) argumentieren, dass auf Terraplaneten
durch schwerkraftgetriebene Eisströme und geothermischen Fluss Wasser im flüssigen
Aggregatzustand an den Rändern und am Boden von Eiskappen existieren kann. Dieses Wasser
könnte dann in Flüssen oder unterirdisch in Richtung des Äquators zurückfließen. Keine der
bisherigen Studien hat jedoch auf erdähnlichen Terraplaneten einen solchen Mechanismus für
einen unter- und überirdischen Rückfluss von Wasser berücksichtigt. Deswegen analysiere ich
den Einfluss dieses äquatorial gerichteten
Wassertransportes auf das Klima erdähnlicher Terraplaneten mit dem hochmodernen
atmosphärischen Zirkulationsmodell ICON, welches in der Lage ist, diesen Rücktransport von
Wasser in Richtung des Äquators im Boden und an der Erdoberfläche zu simulieren.
Für einen solchen Planeten finde ich zwei drastisch unterschiedliche Klimazustände für die
gleichen Randbedingungen: einen heißen und trockenen (HD) Zustand mit Niederschlägen nur in
den hohen Breiten, wie sie in früheren Studien bereits berichtet wurden, und einen zusätzlichen
Klimazustand - einen kalten und nassen (CW) Zustand mit Niederschlägen, die in den niederen
Breiten dominieren. Unter Bedingungen permanenter Tagundnachtgleiche sind beide
Klimazustände unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts der Bodenoberflächenalbedo stabil,
was auf eine Bistabilität im Klima hinweist, während oberhalb dieses Schwellenwerts nur der CW-
Zustand stabil ist.
Es ist bekannt, dass Gesteinsplaneten wie die Erde mit flüssigem Wasser an der Oberfläche eine
drastische Klimaänderung durchlaufen können, entweder in Richtung eines vollständig
eisbedeckten Zustands (Schneeball-Erde) oder in Richtung eines sehr heißen, feuchten Zustands
(Treibhaus-Erde) durch Verdunstung aller Gewässer auf dem Planeten. In dieser Arbeit zeige ich,
dass zusätzlich zu diesen beiden bekannten Klimainstabilitäten erdähnliche Terraplaneten eine
neue Art von abruptem Klimawechsel vom HD-Zustand in den CW-Zustand durchlaufen können,
falls ein Wassertransport im Boden und an der Erdoberfläche vorhanden ist. Ich bezeichne diese
neue Klimainstabilität als die "Terraplanet-Bifurkation". Die "Terraplanet-Bifurkation" tritt auf,
wenn die Bodenoberflächenalbedo im HD-Zustand über einen bestimmten Schwellenwert erhöht
wird. Sie ist mit einer globalen Abkühlung von etwa 35° C verbunden, was in der Größenordnung
der Temperaturdifferenz zwischen dem heutigen Erdklima und dem Zustand der „Schneeball-
Erde“ liegt. Während die Zustände der sogenannten „Schneeball-Erde” und der feuchten
„Treibhaus-Erde” von Strahlungsrückwirkungen hervorgerufen werden, wird die “Terraplanet-
Bifurkation” durch lokale hydrologische Rückkopplungen ausgelöst.
Befindet sich der Terraplanet im CW-Zustand, so führt eine Umkehrung der Richting der
Antriebsänderungen, d.h. die Reduktion der Bodenoberflächenalbedowerte auf Null, den
Terraplaneten nicht zurück in den HD-Zustand. Dieses deutet auf ein hysteretisches Verhalten hin.
Aber der Hysterese ist nicht geschlossen. Mechanismen, die zur Bistabilität des Terraplaneten und
zum hysteretischen Verhalten führen, werden in meiner Arbeit diskutiert. Insbesondere zeige ich,
dass die vollständige Verdunstung von Regentropfen ein Schlüsselprozess sowohl für die
Bistabilität als auch für das hysteretische Verhalten ist.
Darüber hinaus veranschauliche ich, dass die Bistabilität des Klimas auf erdähnlichen
Terraplaneten stark von der Schiefe der Rotationsachse beeinflusst wird. Die Breite des bistabilen
Bereichs (Wertebereich der Bodenoberflächenalbedowerte für den sowohl der HD- als auch der
CW-Klimazustand stabil sind) wird mit zunehmender Schiefe der Ekliptik deutlich reduziert. Für
Werte der heutigen Erdneigung zeigt der Terraplanet Monostabilität - nur der CW-Zustand
existiert. Es gibt eine zusätzliche Bifurkation für die Schrägen 5° und 7°. Diese Bifurkation ist
ähnlich wie die Terraplanten-Bifurkation, aber das resultierende Klima ist warm und nass (HW),
insbesondere ist es durch intensive Niederschläge in den niederen Breiten und wärmere
Temperaturen im Vergleich zum CW-Zustand gekennzeichnet.
Insgesamt zeigen meine Ergebnisse, dass für eine Vielzahl von Parameterwerten flüssiges Wasser
auf erdähnlichen Terraplaneten existieren kann, vorausgesetzt, es existiert ein
Transportmechanismus, der Wasser aus den hohen Breiten in die niederen Breiten zurückführen
kann. Darüber hinaus kann die Hydrologie auf solchen Planeten sehr instabil sein und eine
Kombination von hydrologischen und Wolken-Rückkopplungseffekten kann zu drastisch
unterschiedlichen Hydroklimazuständen führen.
