Preview

PDF, English - main document Download (49MB) | Terms of use

Abstract

Due to the large thermal inertia of water, the oceans are Earth’s largest heat reservoir and the primary regulator of global climate on long timescales. The ocean absorbs, stores and distributes heat through the planet, and shifting ocean circulation patterns can disrupt established climate regimes. Comparably, the cryosphere modulates the Earth’s climate because ice sheets reflect radiation from the Sun and serve as a reservoir of freshwater, thereby modulating sea level, which affects the large human populations that inhabit coastal zones. Thus, ocean and cryosphere are two significant agents of Earth’s climate system and tightly connected by feedbacks on millennial and orbital timescales. Understanding the internal mechanisms that control such feedbacks is crucial for refining numerical and conceptual models and aid public policy decisions to deal with the repercussions of anthropogenic climate change. However, scientific knowledge about long-timescale ocean-cryosphere interactions is hampered by the geographically sparse and relative short length of observational records. The reconstruction of climate patterns on longer timescales requires the production and interpretation of proxy records and are the scope of this thesis. The close proximity between ice sheets and areas of deep-water formation makes the North Atlantic one of the most climate sensitive areas on the planet. There, the transition zone between the subtropical and subpolar gyres is susceptible to latitudinal shifts of oceanic fronts and was reached by icebergs laden with debris during periods of ice-sheet destabilization since the beginning of the Pleistocene. Additionally, subsurface density layers that connect both gyres at depth are the pathway through which low-latitude heat may reach high latitudes and either feed moisture or accelerate the demise of ice sheets. To assess the relationship between the ocean heat transport and the cryosphere over millennial and orbital timescales, two sets of proxy records were produced from deep-sea marine sediment cores retrieved from the transition zone between both gyres in the North Atlantic. The first set of records allowed for the reconstruction of subsurface temperatures and salinity during the Last Glacial Maximum and last glacial termination, a period of ice-sheet demise. During this time interval, the climate of the northern hemisphere went through several abrupt shifts accompanied by equally abrupt changes in oceanic circulation, that resulted in a sea-level rise of ca. 120 m above the glacial baseline. A compilation of new and published proxy records showed that subsurface warming preceded the deposition of debris transported by icebergs, implicating that northward heat transport triggered or accelerated the demise of glacial ice sheets. A second set of proxy records produced from materials of the same location was used to reconstruct subsurface temperatures at mid-latitudes and oceanic circulation patterns between mid and high latitudes during the Mid-Pleistocene Transition. This interval was characterized by the transition from 40-kyr to 100-kyr glacial-interglacial cyclicity of the Late Pleistocene and was period of significant ice-sheet enlargement. The produced data suggested a prominent role for low-latitude forcing in driving the northward transport of heat when cold surface temperatures and low atmospheric CO2 would have starved ice sheets of moisture and hampered their growth. Additionally, modern-like gradients between mid- and high-latitude oxygen isotope records from the surface, intermediate and deep ocean, indicate the establishment of the Late Pleistocene ocean circulation during this second interval. In ensemble, the data produced within the framework of this thesis were used to suggest a new mechanism of northward heat transport that is closely coupled to the fate of northern hemisphere ice sheets during the Middle and Late Pleistocene. Furthermore, the new data suggest that the causal relationship between northward heat transport and deep-water formation may need to be revaluated to better constrain climate and oceanic circulation in future high-CO2 model scenarios.

Translation of abstract (German)

Die erhebliche thermische Trägheit von Wasser macht die Ozeane zum größten Wärmereservoir der Erde und damit zum primären Regler für globale klimatische Veränderungen über lange Zeitintervalle. Ozeane absorbieren, speichern und verteilen Wärme über den Planeten. Eine sich verändernde ozeanische Zirkulation kann daher etablierte klimatische Bedingungen unterbrechen und verändern. Vergleichbar ist dies mit der Kryosphäre, die das Klima der Erde moduliert, indem Sonnenstrahlung durch vorhandenes Eis reflektiert wird. Vereisungen stellen zudem ein großes Süßwasser-Reservoir dar, dessen Masse den Meeresspiegel steuert und damit menschliche Ansiedlungen, insbesondere in Küstenregionen, stark beeinflusst. Die Ozeane und die Kryosphäre sind die bedeutendsten Komponenten des Klimasystems der Erde und über Rückkopplungs-Mechanismen, die sich zyklisch über orbitale Zeitskalen verändern, eng miteinander verknüpft. Das Verständnis der internen Mechanismen, die solche Rückkopplungen steuern, ist entscheidend für die Verfeinerung numerischer und konzeptioneller Modelle und unterstützt daher auch öffentliche politische Entscheidungen im Umgang mit den Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels. Dennoch sind wissenschaftliche Erkenntnisse über die langzeitlichen Wechselwirkungen zwischen Ozeanen und Kryosphäre vor allem durch mangelnde globale Abdeckung von klimatischen Archiven und zeitlich nicht ausreichende Beobachtungsintervalle eingeschränkt. Die Rekonstruktion klimatischer Muster über längere Zeitskalen erfordert das Erarbeiten und die Interpretation neuer Proxy-Daten, was Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist. Die enge räumliche Nähe von großen Eismassen und Bereichen, in denen Tiefenwasser gebildet wird, macht den Nordatlantik zu einem der klimatisch sensibelsten Gebiete der Erde. Eine dortige Übergangszone zwischen dem subtropischen und dem subpolaren Wirbel ist empfänglich für die Breitenverschiebung ozeanischer Fronten. Seit dem Beginn des Pleistozäns erreichten während Phasen instabiler Vereisungen immer wieder Eisberge zusammen mit glazialen Sedimenten dieses Areal. Dichtere Wassermassen direkt unterhalb der atmosphärisch beeinflussten Wasseroberfläche, die die beiden Wirbel in der Tiefe miteinander verbinden, sind darüber hinaus ein Weg, über den Wärme aus niedrigen Breitengraden wiederum in die hohen Breiten gelangen kann, und entweder Feuchtigkeit zuführen oder den Zerfall der Eisschilde beschleunigen kann. Um die Beziehung zwischen ozeanischem Wärmetransport und der Kryosphäre über orbitale Zeitskalen zu beurteilen, wurden zwei zusammenhängende Proxy-Datensätze aus Tiefsee-Sedimentkernen gewonnen, die aus der Übergangszone zwischen beiden Wirbeln im Nordatlantik stammen. Ein erster Datensatz ermöglichte die Rekonstruktion von Temperaturen und Salinitäten unterhalb der Wasseroberfläche während des letzten glazialen Maximums und dessen Abklingen, und der damit einhergehenden Reduktion von Vereisungen. Während dieser Zeitspanne änderten sich die klimatischen Bedingungen in der nördlichen Hemisphäre mehrfach abrupt. Diese Umschwünge gingen einher mit ähnlich abrupten Änderungen der ozeanischen Zirkulation, die zu einem zur Vereisung relativen Meeresspiegelanstieg von ca. 120 m führten. Mithilfe der Evaluation von bereits publizierten und neu erarbeiteten Proxy-Daten kann gezeigt werden, dass ein Anstieg der Wassertemperaturen unterhalb der Oberfläche bereits vor der Ablagerung von glazialen Sedimenten stattfand, die durch Eisberge in den Nordatlantik antransportiert wurden. Die Daten führen daher zur Annahme, dass der Wärmetransport unterhalb der Wasseroberfläche in höhere Breiten das Abschmelzen von Gletschern beschleunigt oder sogar ausgelöst hat. Ein weiterer Proxy-Datensatz aus Sedimenten derselben Lokalität wurde verwendet, um Temperaturen unter der Wasseroberfläche in mittleren Breiten, und die ozeanischen Zirkulationsmuster zwischen mittleren und hohen Breiten des Nordatlantiks während der mittelpleistozänen Klimarevolution zu rekonstruieren. Charakteristisch für dieses Zeitintervall, den Übergang von einer 40-ka-Glazial-Interglazial-Zyklizität hin zur 100-ka-Zyklizität des Oberpleistozäns, ist eine signifikante Zunahme der Eismasse. Die vorliegenden Daten legen eine herausragende Rolle der Präzession nahe, die einen ozeanischen Wärmetransport in den Norden antreibt, während geringe Oberflächentemperaturen und eine geringe Konzentration von atmosphärischem CO2 den Gletschern Feuchtigkeit entziehenund so ihr Wachstum behindern würden. Darüber hinaus deuten Gradienten in der Sauerstoff-Isotopie zwischen mittleren und hohen Breiten, die mit rezenten Daten aus verschiedenen Wassertiefen vergleichbar sind, auf die Bildung der oberpleistozänen Ozeanzirkulation während dieses zweiten Zeitintervalls hin. Zusammenfassend führen die Daten, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen wurden, zur Erarbeitung und Präsentation eines neuen Mechanismus für den ozeanischen Wärmetransport in nördliche Breiten. Dieser Mechanismus ist eng verknüpft mit glazialen Veränderungen in der nördlichen Hemisphäre während des mittleren und späten Pleistozäns. Zudem zeigen die neuen Daten, dass ein ursächlicher Zusammenhang zwischen dem Wärmetransport in den Norden und der dortigen Bildung von Tiefenwasser neu bewertet werden muss. Dadurch kann eine detailliertere Berücksichtigung von klimatischen Bedingungen und ozeanischer Zirkulation bei zukünftigen Klimamodellen mit höheren CO2-Konzentrationen erreicht werden.