title: Snowball Earth and waterbelt states in ExoCAM
Creators: name: Waba, Anatol
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Wassergürtelzustände spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Überlebensfähigkeit von Leben auf einem Planeten unter extremen Bedingungen wie Schneeballereignissen und bieten inmitten harter Umweltbedingungen einen wichtigen Zufluchtsort. Diese Arbeit untersucht die Dynamik der Schneeballerde, die wahrscheinlich mindestens dreimal in der Geschichte der Erde auftrat, mit dem Schwerpunkt auf der Identifizierung der geologischen Plausibilität von Wassergürtelzuständen unter Verwendung des ExoCAM-Klimamodells. Diese Wassergürtelzustände stellen eine Alternative zu einem Szenario der Schneeballerde mit global gefrorenen Ozeanen dar. Durch Simulationen untersuche ich die Existenz und die Merkmale dieser Klimazustände, bestätige stabile Wassergürtelzustände und identifiziere kritische Bifurkationspunkte bei variierenden Konzentrationen von atmosphärischem CO₂. Vergleichsanalysen mit anderen Klimamodellen zeigen unterschiedliche Darstellungen und Abhängigkeiten von Modellparametern auf. Im Vergleich zu früheren Studien mit den Klimamodellen CAM und ICON zeigt ExoCAM einen erweiterten Bereich des Strahlungsantriebs mit einem stabilen Wassergürtelzustand. Die Unterbrechung des Eis-Albedo-Rückkopplungseffekts ist entscheidend für die Stabilisierung der Eiskante in den Tropen. Die erhöhte Reflexivität von schneebedecktem Meereis, im Gegensatz zur Albedo des offenen Ozeans, würde andernfalls zu einer Schneeballerde-Bifurkation mit global gefrorenen Ozeanen führen. In ExoCAM stabilisiert die reduzierte Reflexivität von blankem Meereis nahe der Eiskante das System im Wassergürtelzustand, wobei die durchschnittliche Eiskante bei einem Breitengrad von etwa ±15° liegt. Dieser stabile Wassergürtelzustand in ExoCAM tritt bei atmosphärischen CO₂-Konzentrationen zwischen 45 und 8000 ppmv auf. Der Übergang von einem gemäßigten, eisfreien Zustand beginnt bei 1400 ppmv CO₂, was die geologische Plausibilität des Wassergürtelzustands in ExoCAM bestätigt. Die Analyse von ExoCAM-Simulationen zeigt die Merkmale von Wassergürtelzuständen, einschließlich Niederschlag, Verdunstung, saisonaler Eisbedeckung, den Einfluss von Wolken auf die einfallende Sonnenstrahlung und die Energiebilanz an der Oberkante der Atmosphäre. Darüber hinaus enthält diese Arbeit eine umfassende Installationsanleitung für ExoCAM auf Hochleistungscomputersystemen.
description: Waterbelt states play a crucial role in enhancing the survivability of life on a planet under extreme conditions such as Snowball events, providing a vital refuge amidst harsh environmental challenges. This thesis explores the dynamics of Snowball Earth, which most likely occurred at least three times in Earth's history, focusing on identifying the geological plausibility of waterbelt states using the ExoCAM climate model. These waterbelt states represent an alternative to a Snowball Earth scenario with globally frozen oceans. I investigate the existence and characteristics of these climate states through simulations, confirming stable waterbelt states and identifying critical bifurcation points across varying atmospheric CO₂ levels. Comparative analyses with other climate models reveal diverse representations and dependencies on model properties. Compared to previous studies using the CAM and ICON climate models, ExoCAM exhibits an expanded range of radiative forcing with a stable waterbelt state. The interruption of the ice-albedo runaway feedback is essential for stabilizing the ice edge in the tropics. Enhanced reflectivity of snow-covered sea ice, in comparison to the albedo of open ocean, would otherwise lead to a Snowball bifurcation with globally frozen oceans. In ExoCAM, the reduced reflectivity of bare sea ice near the ice edge stabilizes the system in the waterbelt state, where the average ice edge is found at approximately ±15° latitude. This stable waterbelt state in ExoCAM occurs within atmospheric CO₂ concentrations ranging from 45 to 8000 ppmv. The onset of transition from a temperate, ice-free state is found at 1400 ppmv CO₂, highlighting the geological plausibility of the waterbelt state in ExoCAM. The analysis of ExoCAM simulations reveals the characteristics of waterbelt states, encompassing precipitation, evaporation, seasonal ice coverage, albedo, the impact of clouds on incoming solar radiation and top-of-the-atmosphere energy balance. Furthermore, the thesis includes a comprehensive installation guide for ExoCAM on high-performance computer systems.