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Exploration of 10Be ice core records using a climatological model approach: Cosmogenic production versus climate variability

Elsässer, Christoph

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Abstract

Ice core records of 10Be basically offer a wide range of applications in climate research. However, atmospheric transport and deposition processes still hamper their straightforward interpretation. This work aims at establishing a climatological, data-based model attempt which allows for the first quantitative simulation of 10Be ice concentration on a time scale of several 10kyr. To this end, a global atmospheric multi-box model is configured for the simulation of aerosol-borne radionuclides using extensive observations of natural and artificial nuclides. Validation with short-lived 7Be reveals that the model is capable to simulate its spatio-temporal distribution in the global atmosphere, thereby providing insight into the respective circulation of 10Be. To simulate 10Be ice core records, the model is coupled to a basic air-firn-transfer module based on spatial 10Be variations in polar ice. The model results, driven by precipitation/accumulation rate changes as well as solar and geomagnetic activity, closely reproduce the main features of observations on the Holocene and 75kyr timescale. Regarding the latter, climate-related accumulation rate changes dominate the ice concentration imposing variations of up to 300%. In contrast, incomplete atmospheric mixing of 10Be dampens the geomagnetic modulation of 10Be at polar sites by up to 50% compared to the global atmospheric 10Be inventory. These findings basically challenge the use of ice core 10Be as proxy for past geomagnetic activity.

Translation of abstract (German)

10Be-Eiskernmessungen finden prinzipiell vielfältige Anwendungen in der Klimaforschung. Noch immer erschweren jedoch atmosphärische Transport- und Depositionsprozesse deren Interpretation. Ziel dieser Arbeit war die erstmalige Etablierung eines klimatologischen, datenbasierten Modellansatzes zur quantitativen Simulation von 10Be-Eiskonzentration auf einer Zeitskala von mehreren zehntausend Jahren. Zu diesem Zweck wurde - unter Verwendung umfangreicher Messdaten natürlicher und künstlicher Radioisotope - ein Multi-Box-Modell der globalen Atmosphäre für die Modellierung aerosolgetragener Radionuklide konfiguriert. Durch Validierung mit Messdaten des kurzlebigen Isotops 7Be konnte gezeigt werden, dass sich das Modell zur Simulation der räumlich-zeitlichen Verteilung von 7Be in der globalen Atmosphäre eignet. Hieraus konnten entsprechende Erkenntnisse bezüglich der 10Be-Verteilung abgeleitet werden. Zur Simulation von 10Be-Eiskernzeitreihen wurde das Modell an ein elementares Luft-Firn-Transfer Modell gekoppelt, welches auf räumlichen Trends der polaren 10Be-Eiskonzentration basiert. Angetrieben durch Änderungen der Niederschlags-/Akkumulationsrate sowie durch solare und geomagnetische Aktivität geben die Modellergebnisse die wesentlichen Merkmale der Eiskerndaten im Holozän sowie auf der 75ka Zeitskala wieder. Bezüglich letzterer wird die 10Be-Eiskonzentration durch klimabedingte Akkumulationsratenänderungen dominiert, die Variationen bis zu 300% hervorrufen. Andererseits dämpft die unvollständige atmosphärische Mischung von 10Be dessen geomagnetische Modulation in polaren Breiten um bis zu 50% (verglichen mit dem globalen atmosphärischen 10Be-Inventar). Beide Effekte erschweren den Einsatz von 10Be-Eiskerndaten zur Rekonstruktion geomagnetischer Aktivität.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Levin, Dr. Ingeborg
Date of thesis defense: 23 January 2013
Date Deposited: 11 Mar 2014 10:41
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Beryllium-10, Eiskern, Kosmogenes Radionuklid, Klimatologie, Paläoklima, Sonnenaktivität, Erdmagnetismus
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