Research Profile

Dr. Michael Sigl

photo of Michael Sigl Post-Doc
Analytical Chemistry

Paul Scherrer Institute
OFLB/111
5232 Villigen PSI
Switzerland

Telephone: +41 56 310 5248
E-mail: michael.sigl@psi.ch



Research Highlight

26 Sep 2016

Eine vulkanische Klimakatastrophe in der Spätantike

Michael Sigl, Paul Scherrer Institut, Villigen & Oeschger-Zentrum für Klimaforschung, Universität Bern 39.7°C, Hitzewelle, der nächste Jahrhundertsommer? Die Schweiz erlebt zur Zeit eine der extremsten Hitzeperioden seit Beginn der instrumentellen Aufzeichnungen im 19. Jahrhundert. Innerhalb der letzten 2,500 Jahren, zählten jedoch die „Jahre ohne Sommer“, globale Kälteextreme wie sie etwa im Jahr 1816 durch den Ausbruch des Vulkans Tambora auf Indonesien hervorgerufen wurden, zu den schwerwiegendsten Naturkatastrophen der Menschheit. Eine neue Studie, die heute in Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, zeigt nun, dass das Jahr 1816 keinen Einzelfall in der Klimageschichte darstellt. Zwei ähnlich starke Vulkanausbrüche in den Jahren 536 und 540 waren - neben globaler Abkühlung, Missernten und Hungersnöten - wahrscheinlich auch mitverantwortlich für den Ausbruch und das rasche Ausbreiten der Justinianischen Pest während der Spätantike, in deren Folge fast ein Drittel der Bevölkerung des Oströmischen Reichs umkam.

Die internationale und interdisziplinäre Forschergruppe unter der Leitung von Michael Sigl (Desert Research Institute, Reno, USA; jetzt am Paul Scherrer Institut, Villigen und dem Oeschger-Zentrum für Klimaforschung der Universität Bern) verwendeten dabei Messungen der vulkanischen Schwefelablagerungen, die in den Eiskappen Grönlands und der Antarktis archiviert sind. Durch die Entnahme und Analyse von Eisbohrkernen konnten die Forscher quantifizieren, wie viel der klimawirksamen Sulfat-Partikel durch die Ausbrüche in die obere Atmosphärenschichten, die Stratossphäre, geschleudert wurden, wo sie bis zu 3 Jahren verweilen können. Je nach geographischer Breite und Stärke der Eruption wurden diese stratossphärischen Kleinstpartikel (Aerosole) teils über den gesamten Globus, teils über eine Hemisphäre, verteilt und reflektieren dort die eintreffende Sonnenstrahlung zurück ins All, was zu einer starken Abkühlung der Erdoberfläche führt.

Dieser grundsätzliche Zusammenhang zwischen Vulkaneruptionen und Temperaturen ist nicht neu, jedoch waren die bisherigen Rekonstruktionen der globalen Vulkanaktivität aus polaren Eisbohrkernen nicht präzise genug datiert. Grossräumige Kälteanomalien, von denen Baumringchronologien auf das Kalenderjahr genau seit der Römerzeit Zeugnis geben, konnten somit keinen Vulkanausbrüchen zugeordnet werden. Doch mit Hilfe neuer Eiskernanalysen und unter Anwendung modernster Messmethoden, konnten nun insgesamt fast 300 Vulkanausbrüche genau datiert und deren atmosphärischen Sulfatemissionen bestimmt werden. Baumringe und Eiskerne erzählen nun gemeinsam eine konsistente Klimageschichte der vergangenen 2500 Jahre. Demnach folgten den 24 grössten Eruptionen jeweils eine durchschnittliche Abkühlung der nordhemisphärischen Sommertemperatur von 0.6°C (gemittelt über 5 Jahre), was in etwa der globalen Temperaturerwärmung des 20. Jahrhunderts entspricht.

Die grösste Klimakatastrophe fand jedoch während der Spätantike statt. Ein explosiver Vulkanausbruch im Frühjahr 536 AD - vermutlich von einem der zahlreichen Vulkane entlang des nordamerikanischen Teils des zirkumpazifischen Feuerrings - stiess grosse Mengen an Schwefel und Asche aus. Die Menge der in die Atmosphäre freigesetzten Sulfatpartikel und Kleinst-Aschepartikel (sogenannte Crypto-Tephra) stieg dabei so stark an, dass ab März 536 über weite Teile Mittel- und Südeuropas die Sonne für 12 bis 18 Monate hinter einem dichten Aerosolschleier verschwand, so dass auch tagsüber Dunkelheit herrschte, wie mehrere Zeitzeugen unabhängig voneinander berichteten. Im gleichen Jahr fielen die Sommertemperaturen in der Nordhemisphäre abrupt um über 2°C (vereinzelt gar um über 4°C). Als direkte Folge der Verdunklung und Abkühlung fielen in den Jahren 536-537 AD die Ernten grossflächig aus, was zu Lebensmittelknappheit in weiten Regionen Mitteleuropas führte. Gerade als sich die Temperaturen zu erholen begannen, fand irgendwo in den Tropen ein weiterer massiver Vulkanausbruch statt. Die gemessenen Schwefelkonzentrationen in grönländischem und antarktischem Eis belegen, dass die atmosphärischen Sulfate-Partikel Konzentrationen etwa 10% grösser gewesen sein müssen, als bei dem Ausbruch des Tambora im Jahr 1815. Erneut begannen im Jahr 540 AD die Temperaturen zu stürzen und sollten sich diesmal bis ins Jahr 550 AD nicht mehr erholen. Abermalige Missernten und Hungersnöte sind nicht nur aus dem Römischen Reich belegt, sondern auch für weite Teile Ostasiens, während archäologische Funde in Mittelamerika zeitgleich von starken sozioökonomischen Umwälzungen auch in der Hochkultur der Mayas zeugen.

Um das Volk der oströmischen Hauptstadt Konstantinopel ernähren zu können, mussten Getreidevorräte von weit her eingeführt werden. Vermutlich über den Fernhandel fand so Yersinia pestis der Erreger der Justinianischen Pest im Jahr 542 AD seinen Weg in die Hauptstadt, von wo aus sich grösste antike Epidemie in der Folge auf weite Teile zwischen Nord- und Nordwesteuropa, dem Mittelmeerraum und dem Iran ausbreitete. Die bereits 536 AD einsetzende Klimaverschlechterung, verursacht durch die beiden kolossalen Vulkanausbrüche und die einhergehenden Hungersnöte, könnten zu einer Schwächung der Abwehrkraft der Menschen geführt haben, und damit einen günstigen Nährboden für den erstmaligen Ausbruch der Pest, der hohen Mortalität und das rasche Ausbreiten der Pandemie darstellen.

Die neuen Forschungsergebnisse verdeutlichen, wie stark das Klimasystem aber auch hochentwickelte Gesellschaftssysteme, den Einflüssen von externen Naturgefahren unterliegen. „Jahre ohne Sommer“ hervorgerufen durch starke Vulkaneruptionen sind kein Einzelfall, sondern haben die Menschheit seit jeher begleitet mit einer durchschnittlichen Wiederkehrdauer von etwa 400 Jahren. Erst kürzlich jährte sich der letzte Vulkanausbruch des Tambora im Jahr 1815 zum zweihundertsten mal. Statistisch ist somit der nächste Ausbruch bereits näher als der Letzte. Es ist jedoch nicht zu erwarten, dass das nächste vulkanische Extremereignis sich an die Regeln der Wahrscheinlichkeit halten wird. Unsere Gesellschaft ist deshalb gut beraten, schon heute aus den Erfahrungen der Vergangenheit zu lernen, und sich auf das nächste „Jahr ohne Sommer“ vorzubereiten.

Kontakt / Ansprechpartner
Dr. Michael Sigl, Post-Doc, Labor für Radio- und Umweltchemie,
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 52 48, E-Mail: michael.sigl@psi.ch
Originalveröffentlichung
Timing and climate forcing of volcanic eruptions for the past 2,500 years
Sigl, M., Winstrup, M., McConnell, J. R., Welten, K. C., Plunkett, G., Ludlow, F., Büntgen, U., Caffee, M. W., Chellman, N. J., Dahl-Jensen, D., Fischer, H., Kipfstuhl, S., Kostick, C., Maselli, O. J., Mekhaldi, F., Mulvaney, R., Muscheler, R., Pasteris, D. R., Pilcher, J. R., Salzer, M., Schüpbach, S., Steffensen, J. P., Vinther, B., and Woodruff, T. E
Nature (2015)
DOI: 10.1038/nature14565



Background

01/2015 - present
Paul Scherrer Institut, (Villigen, Switzerland)
Postdoctoral Research Fellow
Laboratory of Radiochemistry and Environmental Chemistry & Oeschger Center for Climate Change Research, University of Bern

02/2011 - present
Desert Research Institute, (Reno, USA)
Postdoctoral Research Fellow & Affiliate Assistant Research Professor
Division of Hydrologic Sciences, Ultra-Trace Chemistry Laboratory

08/2005 - 10/2009
University of Bern, (Bern, Switzerland)
Ph.D. in Chemistry and Molecular Sciences, October, 22, 2009
Ph.D. Advisor: Prof. Dr. H.W. Gäggeler, “Ice core based reconstruction of past climate conditions from Colle Gnifetti, Swiss Alps”

11/1998 - 11/2004
University of Regensburg, (Regensburg, Germany)
Diploma in Geography, September 2004
Diploma Thesis: “Ökologische und paläoökologische Untersuchungen zum Waldsterben im Asirgebirge-Saudi Arabien” (in German)”

Research Interests

  • reconstruction of paleo-atmosphere using ice-core records
  • volcanic forcing and climate impact
  • timescale development and proxy synchronization

Media Coverage

Publications

(30) Toohey, M. & Sigl, M. (2016): Ice core-inferred volcanic stratospheric sulfur injection from 500 BCE to 1900 CE. World Data Center for Climate at DKRZ Hamburg, doi:10.1594/WDCC/eVolv2k_v1 http://cera-www.dkrz.de/WDCC/ui/Compact.jsp?acronym=eVolv2k_v1

(29) Arienzo M. M., McConnell J. R., Chellman N., Criscitiello A. S., Curran M., Fritzsche D., Kipfstuhl S., Mulvaney R., Nolan M., Opel T., Sigl M., and Steffensen J.P., A Method for Continuous 239Pu Determinations in Arctic and Antarctic Ice Cores. Environmental Science & Technology, 50(13), 7066-7073 (2016), DOI:10.1021/acs.est.6b01108

(28) Rhodes, R. H., Faïn X., Brook E. J., McConnell J. R., Maselli O. J., Sigl M., Edwards J., Buizert C., Blunier T., Chappellaz J., Freitag, J. (2016): Local artifacts in ice core methane records caused by layered bubble trapping and in situ production: a multi-site investigation. Climate of the Past, 12, 1061-1077.

(27) Toohey, M., Krüger, K., Sigl, M., Stordal, F., Svensen, H. (2016): Climatic and societal impacts of a volcanic double event at the dawn of the Middle Ages, Climatic Change, doi: 10.1007/s10584-016-1648-7.

(26) Sigl, M., Ferris, D., Fudge, T. J., Winstrup, M., Cole-Dai, J., McConnell, J. R., Taylor, K. C., Welten, K. C., Woodruff, T. E., Adolphi, F., Brook, E. J., Bisiaux, M., Buizert, C., Caffee, M. W., Dunbar, N. Edwards, R., Geng, L., Iverson, N., Koffman, B., Layman, L., Maselli, O. J., McGwire, K., Muscheler, R., Nishiizumi, K., Pasteris, D. R., Rhodes, R. H., and Sowers, T. A. (2016): The WAIS Divide deep ice core WD2014 chronology - Part 2: Annual-layer counting (0-31 ka BP), Climate of the Past, 12, 769–786.

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(23) Mekhaldi, F., Muscheler R., Adolphi F., Aldahan A., Beer J., McConnell J. R., Possnert G., Sigl M., Svensson A., Welten, K. C., Woodruff, T. E. (2015): Multi-radionuclide evidence for the solar origin of the cosmic-ray events of AD 774/5 and AD 993/4, Nature Communications, doi:10.1038/ncomms9611.

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(21) Sigl, M., Winstrup, M., McConnell, J. R., Welten, K. C., Plunkett, G., Ludlow, F., Büntgen, U., Caffee, M. W., Chellman, N. J., Dahl-Jensen, D., Fischer, H., Kipfstuhl, S., Kostick, C., Maselli, O. J., Mekhaldi, F., Mulvaney, R., Muscheler, R., Pasteris, D. R., Pilcher, J. R., Salzer, M., Schüpbach, S., Steffensen, J. P., Vinther, B., and Woodruff, T. E (2015).: Timing and climate forcing of volcanic eruptions for the past 2,500 years, Nature, doi 10.1038/nature14565.

(20) WAIS Divide Project Members (2015): Precise interpolar phasing of abrupt climate change during the last ice age. Nature 520, 661-665, doi:10.1038/nature14401

(19) Mitchell L., C. Buizert, E.J. Brook, D.J. Breton, J. Fegyveresi, D. Baggenstos, A. Orsi, J. Severinghaus, R.B. Alley, M. Albert, R.H. Rhodes, J.R. McConnell, M. Sigl, O. Maselli, S. Gregory, J. Ahn (2015): Observing and modeling the influence of layering on buble trapping in polar firn. J. Geophys. Res. Atmos, doi: 10.1002/2014JD022766

(18) Buizert C., K.M. Cuffey, J.P. Severinghaus, D. Baggenstos, T.J.Fudge, E.J. Steig, B.R. Markle, M. Winstrup, R.H. Rhodes, E.J. Brook, T.A. Sowers, G.D. Clow, H. Cheng, R.L. Edwards, M. Sigl, J.R. McConnell, and K.C. Taylor (2015): The WAIS-Divide deep ice core WD2014 chronology: 2. Methane synchronization (68-31 ka BP) and the gas age-ice age difference. Climate of the Past 11, 153-173.

(17) Mernild, S.H., E. Hanna, A.P. Beckerman, J.R. McConnell, M. Sigl, J.C. Yde, J. Cappelen, K. Steffen (2015): Greenland precipitation trends in a long-term instrumental climate context (1890–2012): Evaluation of coastal and ice core records. International Journal of Climatology, 35, 303-320.

(16) Jensen, J.L., S. Pyne-O’Donnell, G. Plunkett, D.G. Froese, P.D.M. Hughes, M. Sigl, J.R. McConnell, M.J. Amesbury, P.G. Blackwell, C. van den Bogaard, C.E. Buck, D.J. Charman, J.J. Clague, V.A. Hall, J. Koch, H. Mackay, G. Mallon, L. McColl, and J.R. Pilcher: Transatlantic distribution of the Alaskan White River Ash. Geology

(15) McConnell, J.R., O. J. Maselli, M. Sigl, P. Vallelonga, T. Neumann, H. Anschutz, R. C. Bales, M. A. J. Curran, S. B. Das, R. Edwards, S. Kipfstuhl, L. Layman & E. Thomas (2014): Antarctic-wide array of high-resolution ice core records reveals pervasive lead pollution began in 1889 and persists today. Scientific Reports 4, 5848.

(14) Pasteris, D.R., J.R. McConnell, S.B. Das, A.S. Criscitiello, M.J. Evans, O.J. Maselli, M. Sigl, and L. Layman (2014): Seasonally resolved ice core records from West Antarctica indicate a sea ice source of sea-salt aerosol and a biomass burning source of ammonium, J. Geophys. Res. Atmos., 119, doi:10.1002/ 2013JD020720.

(13) Sigl, M., J.R. McConnell, M. Toohey, M. Curran, S.B. Das, R. Edwards, E. Isaksson, K. Kawamura, S. Kipfstuhl, K. Krueger, L. Layman, O.J. Maselli, Y. Motizuki, H. Motoyama, D.R. Pasteris and M. Severi (2014): Insights from Antarctica on volcanic forcing during the Common Era. Nature Climate Change, 4, 693–697.

(12) Büntgen, U., L. Wacker, K., Nicolussi, M. Sigl, D. Güttler, W. Tegel, P.J. Krusic and J. Esper (2014): Extraterrestrial confirmation of tree-ring dating. Nature Climate Change, 4, 404-405.

(11) Sun C., G. Plunkett, J. Liu, H. Zhao, M. Sigl, J.R. McConnell, J.R. Pilcher, B. Vinther, J.P. Steffensen and V. Hall (2014): Ash from Changbaishan Millennium eruption recorded in Greenland ice: Implications for determining the eruption’s timing and impact. Geophysical Research Letters, 41, 694–701, doi: 10.1002/2013GL058642.

(10) PAGES 2k Consortium (2013): Continental-scale temperature variability during the past two millennia. Nature Geoscience, 6(5): 339-346.

(9) Fudge, T.J., E.J. Steig, B.R. Markle, S.W. Schoenemann, Q. Ding, K.C. Taylor, J.R. McConnell, E.J. Brook, T. Sowers, J.W.C. White, R.B. Alley, H. Cheng, G.D. Clow, J. Cole-Dai, H. Conway, K.M. Cuffey, J.S. Edwards, R.L. Edwards, R. Edwards, J.M. Fegyveresi, D. Ferris, J.J. Fitzpatrick, J. Johnson, G. Hargreaves, J.E. Lee, O.J. Maselli, W. Mason, K.C. McGwire, L.E. Mitchell, N. Mortensen, P. Neff, A.J. Orsi, T.J. Popp, A.J. Schauer, J.P. Severinghaus, M. Sigl, M.K. Spencer, B.H. Vaughn, D.E. Voigt, E.D. Waddington, X. Wang, G.J. Wong (WAIS Divide Project Members) (2013): Onset of deglacial warming in West Antarctica driven by local orbital forcing. Nature, 500(7463): 440-440.

(8) Sigl, M., J.R. McConnell, L. Layman, O. Maselli, K. McGwire, D. Pasteris, D. Dahl-Jensen, J.P. Steffensen, B. Vinther, R. Edwards, R. Mulvaney and S. Kipfstuhl (2013): A new bipolar ice core record of volcanism from WAIS Divide and NEEM and implications for climate forcing of the last 2000 years. J. Geophys. Res. Atmos, 118(3): 1151-1169.

(7) Kirchgeorg, T., A. Dreyer, J. Gabrieli, N. Kehrwald, M. Sigl, M. Schwikowski, C. Boutron, A. Gambaro, C. Barbante and R. Ebinghaus (2013): Temporal variations of perfluoroalkyl substances and polybrominated diphenyl ethers in alpine snow. Environmental Pollution, 178: 367-374. 2011:

(6) Gabrieli, J., G. Cozzi, P. Vallelonga, M. Schwikowski, M. Sigl, J. Eickenberg, L. Wacker, C. Boutron, H. Gäggeler, P. Cescon and C. Barbante (2011): Contamination of Alpine snow and ice at Colle Gnifetti, Swiss/Italian Alps, from nuclear weapons tests. Atmospheric Environment, 45(3): 587-593.

(5) Gabrieli, J., P. Vallelonga, G. Cozzi, P. Gabrielli, A. Gambaro, M. Sigl, F. Decet, M. Schwikowski, H. Gäggeler, C. Boutron, P. Cescon and C. Barbante (2010): Post 17th-Century Changes of European PAH Emissions Recorded in High-Altitude Alpine Snow and Ice. Environmental Science &Technology, 44(9): 3260-3266.

(4) Kellerhals, T., S. Brütsch, M. Sigl, S. Knüsel, H.W. Gäggeler and M. Schwikowski (2010): Ammonium concentration in ice cores: A new proxy for regional temperature reconstruction? J. Geophys. Res. Atmos, 115: D16123.

(3) Kellerhals, T., L. Tobler, S. Brütsch, M. Sigl, L. Wacker, H.W. Gäggeler and M. Schwikowski (2010): Thallium as a Tracer for Preindustrial Volcanic Eruptions in an Ice Core Record from Illimani, Bolivia. Environmental Science & Technology, 44(3): 888-893. 2009:

(2) Sigl, M., T.M. Jenk, T. Kellerhals, S. Szidat, H.W. Gäggeler, L. Wacker, H.A. Synal, C. Boutron, C. Barbante, J. Gabrieli and M. Schwikowski (2009): Towards radiocarbon dating of ice cores. Journal of Glaciology, 55(194).

(1) Jenk, T.M., S. Szidat, D. Bolius, M. Sigl, H.W. Gäggeler, L. Wacker, M. Ruff, C. Barbante, C.F. Boutron and M. Schwikowski (2009): A novel radiocarbon dating technique applied to an ice core from the Alps indicating late Pleistocene ages. J. Geophys. Res. Atmos, 114: D14305.