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Towards a better understanding of climate proxies in stalagmites - Modelling processes from surface to cave

Wackerbarth, Anne Katrin

German Title: Auf dem Weg eines besseren Verständnisses von Klimaproxys in Stalagmiten - Modellierung der Prozesse zwischen Oberfläche und Höhle

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Abstract

In recent years stalagmites revealed their high potential as archives for palaeo climate variability. However, the quantitative interpretation of the climate-related features - proxies - is still a challenging task. In this work two numerical models assessing the infuence of climate parameters on two stalagmite proxies - the Mg/Ca ratio and the d18O value - were developed. The models describe quantitatively how the proxies evolve from the atmospheric signals to the incorporation into stalagmite calcite. Both models were successfully applied to stalagmites from caves in western Germany. The models were used to establish two novel approaches of inverse modelling yielding simultaneously palaeo-temperatures and palaeo-precipitation from d18O and Mg/Ca values. Although both models are based on substantially di erent setups, their climate reconstructions show remarkable similarities applied on a Holocene stalagmite from western Germany. In addition, for the rst time a stalagmite model (the d18O model developed in this thesis)was forced with the output data of a General Circulation Model, as a new concept to understand the climate impact on d18O values of speleothems. The advantage is that this method can be applied to caves worldwide and for any given point in time without requiring observational climate data. An experiment including twelve European caves at 6ka before present shows the potential of this method to analyse synoptic-scale patterns of the climate of the past.

Translation of abstract (German)

Seit einigen Jahren beweisen Stalagmiten ihr hohes Potenzial als Archive der Variabilität des Paläoklimas. Die quantitative Interpretation ihrer vom Klima beeinfussten Merkmale - Proxys - ist jedoch eine herausfordernde Aufgabe. In dieser Arbeit wurden zwei numerische Modelle entwickelt, die den Einfluss klimatischer Parameter auf zwei verschiedene Stalagmitenproxys bestimmen - das Mg/Ca Verhältnis sowie den d18O Wert. Sie wurden entwickelt um quantitativ zu beschreiben, wie sich diese Proxys vom atmosphärischen Signal bis hin zum Einbau in den Stalagmiten entwickeln. Beide Modelle konnten erfolgreich an Stalagmiten in Westdeutschland angewendet werden. Die Modelle wurden desweiteren benutzt, um zwei neuartige Ansätze der Inversmodellierung zu implementieren. Beide bestimmen gleichzeitig Paläotemperaturen sowie Paläoniederschläge anhand der gegebenen d18O und Mg/Ca Werte. Obwohl beide Modelle auf unterschiedlichen Voraussetzungen beruhen, weisen doch ihre Klimarekonstruktionen an einem holozänen Stalagmiten aus dem Westen Deutschlands bemerkenwerte Übereinstimmungen auf. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal ein Stalagmitenmodel (das entwickelte d18O Modell) mit den simulierten Klimadaten eines 'General Circulation'-Modells angetrieben, als ein neuer Ansatz um die Auswirkungen des Klimas auf den d18O Wert von Stalagmiten zu verstehen. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die Anwendbarkeit zu jedem Zeitpunkt weltweit, ohne die Notwendigkeit Beobachtungsdaten einzubeziehen. Ein Experiment anhand von zwölf europäischen Höhlen für den Zeitpunkt 6000 Jahre vor heute zeigt das Potenzial der Methode, großkalige, meteorologische Muster zu analysieren.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Mangini, Prof. Dr. Augusto
Date of thesis defense: 19 January 2012
Date Deposited: 07 Feb 2012 15:08
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: stable oxygen isotope , cave drip water , stalagmites , modelling
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