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Abstract

In light of the need for high-fidelity, quantitative projections of future climate change, it is mandatory to understand climate variability at timescales that do justice to the tempo of anthropogenic climate change (i.e., sub-millennial). At the same time, information on the lower-frequency (i.e., orbital-scale) baseline characteristics of climate change underlying the short-term variability is required for a full mechanistic understanding. Such information can be obtained from time intervals of Earth’s history that comprise climatic boundary conditions as they are to be encountered in the near future.

In this context, this thesis aims to contribute toward accurately deciphering past climate fluctuations and sea-level variability on glacial-interglacial (G-IG) to (sub-)millennial timescales during past times of “near-modern” paleogeography and warmer-than-present climatic boundary conditions – the late Pliocene to early Pleistocene (~2.75–2.4 million years ago [Ma], Marine Isotope Stages [MIS] G6–95). This time period falls within the transition from a warmer Pliocene climate without larger-scale Northern Hemisphere ice sheets to a progressively cooler Pleistocene climate dominated by a stronger response of the climate/cryosphere system to orbital forcing, widely being termed “intensification of Northern Hemisphere Glaciation” (iNHG). The target interval includes MIS 100 through 96, three large-amplitude G-IG cycles (~1‰ in benthic δ18O) that represent the culmination of iNHG.

The first part of this thesis focuses on identifying the mechanisms that regulated G-IG primary productivity changes in the Eastern Equatorial Pacific (EEP) upwelling system, which constitutes an important component of the Earth’s atmospheric and marine carbon budget. For this purpose, high-resolution carbon isotopes from benthic and planktic foraminiferal calcite, and sand-accumulation rates have been investigated for the time interval between ~2.65 and 2.4 Ma (MIS G1–95) at Ocean Drilling Program (ODP) Site 849, which is located in the heart of the EEP upwelling regime. The presented records show increasing productivity levels for glacials from MIS 100 onward, with an onset during full glacial conditions and a maximum during glacial terminations. This productivity pattern is explained with enhanced nutrient delivery from the high southern latitudes during full glacial conditions in combination with superimposed intensified regional upwelling toward glacial terminations.

The second part of this thesis focuses on changes in equatorial Pacific surface-water structure across iNHG to elucidate whether these are related to El Niño- and La Niña-like climate dynamics. The strong inter-annual variability between El Niño and La Niña events in the modern tropical Pacific plays a major role in the global climate system. During the Pliocene, the Pacific warm pool was greatly expanded relative to today, implying a surface-ocean temperature field akin to modern El Niño events. The iNHG marks the transition from this warm Pliocene state toward modern conditions with strong upwelling in the EEP and stronger zonal temperature and primary productivity gradients. In this thesis, this transition is examined based on new, high-resolution planktic foraminiferal Mg/Ca- and δ18O-derived sea-surface temperature and salinity data for ODP Site 849 in the EEP for ~2.75–2.4 Ma (MIS G6–95). To investigate zonal gradients that are indicative for El Niño- and La Niña-like climate dynamics, these records are compared to similar records from the Western Equatorial Pacific. While no G-IG pattern is seen in the temperature gradient, obliquity-paced oscillations are documented in the salinity gradient. These oscillations originate from a response to a glacial southward and interglacial northward migration of the Intertropical Convergence Zone over the EEP rather than to fluctuations between El Niño- and La Niña-like climate states.

The final study of this thesis reconstructs high-resolution sea-level records for ODP Site 849 in the EEP and Integrated Ocean Drilling Program (IODP) Site U1313 in the North Atlantic covering ~2.65–2.4 Ma (MIS G1–95) based on benthic foraminiferal δ18O and Mg/Ca data. New sea-level lowstand estimates for MIS 100–96 show substantially lower values for Site 849 than for Site U1313 (peak values of ~55–85 m versus ~110–130 m below present), while interglacial highstand estimates are consistent (~0–30 m above present). In comparison to previous estimates, values for Site U1313 appear to be overestimated, most likely due to uncertainties induced by changing deep-water masses at that site. Nevertheless, the sea-level evolution for MIS 100 and 96 emerges as strikingly reminiscent of late Pleistocene glacials (asymmetric “sawtooth” structure, rapid termination, final sea-level drop before the termination). This suggests that similar mechanisms controlled early and late Pleistocene G-IG cycles. Remarkably, the generated data from EEP Site 849 and North Atlantic Site U1313 imply a ~50–100 m sea-level rise into early Pleistocene interglacials. This would require complete melting of Greenland and West Antarctic Ice Sheets and a partial retreat of the “stable” East Antarctic Ice Sheet, hinting at its future vulnerability.

Translation of abstract (German)

Um künftige Klimaveränderungen zuverlässig prognostizieren zu können, ist es zwingend erforderlich, kurzfristige Klimaschwankungen, die dem Tempo des anthropogenen Klimawandels entsprechen, im Detail zu verstehen. Ebenso wichtig ist es, die grundlegenden Mechanismen hinter den niedrigerfrequenten Klimaschwankungen zu verstehen, welche den kurzfristigen Schwankungen unterliegen. Derartige Informationen können aus Intervallen der Erdgeschichte gewonnen werden, die der nahen Zukunft vergleichbare klimatische Rahmenbedingungen aufweisen.

Vor diesem Hintergrund befasst sich diese Arbeit mit der Rekonstruktion von Klimaschwankungen unter paläoklimatischen und paläogeographischen Rahmenbedingungen, die mit der heutigen Situation vergleichbar sind. Dabei werden sowohl kurzfristige als auch langfristige (Glazial-Interglazial [G-IG]) Klimaschwankungen betrachtet. Der Untersuchungszeitraum umfasst das späte Pliozän und frühe Pleistozän (~2.75–2.4 Millionen Jahre, Marine Isotopenstadien [MIS] G6–95). Dieser Zeitabschnitt repräsentiert den Übergang vom relativ warmen Klima des Pliozäns ohne substantielle Vereisungen auf der Nordhemisphäre hin zum kühleren Pleistozän, welches durch ausgeprägte G-IG-Schwankungen geprägt ist. Dieser Übergang wird häufig als „Intensivierung der Nordhemisphärenvereisung“ (INHV) bezeichnet. Der betrachtete Untersuchungszeitraum umfasst unter anderem MIS 100–96, drei stark ausgeprägte G-IG-Zyklen, welche die finale Phase der INHV repräsentieren.

Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Identifikation der grundlegenden Mechanismen, die Änderungen der Primärproduktivität im äquatorialen Upwelling-Gebiet des östlichen Pazifiks hervorrufen und daher einen beachtlichen Einfluss auf den globalen Kohlenstoffhaushalt haben. Hierzu wurden Proben von Ocean Drilling Program (ODP) Site 849 untersucht, welcher sich im Zentrum des äquatorialen Upwelling-Gebiets des östlichen Pazifiks befindet. Es wurden zeitlich hochauflösende Datensätze basierend auf Kohlenstoff-Isotopen benthischer und planktischer Foraminiferen und Sand-Akkumulationsraten für das Zeitintervall ~2.65–2.4 Millionen Jahre (MIS G1–95) generiert. Die erzeugten Daten deuten auf eine steigende Primärproduktion insbesondere während der Glaziale MIS 100, 98 und 96 hin, wobei die maximale Produktivität während der Terminationen erreicht wurde. Dies ist zum einen auf einen erhöhten Nährstoffgehalt im Oberflächenwasser während des Maximums eines Glazials zurückzuführen, zum anderen auf verstärktes Upwelling während der Termination.

Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit Änderungen in der Oberflächenwasser-Struktur des äquatorialen Pazifiks während der INHV und ob diese gegebenenfalls mit El Niño- und La Niña-ähnlichen Klimaveränderungen zusammenhängen. Im heutigen Pazifik spielt die Variabilität zwischen El Niño- und La Niña-Ereignissen eine entscheidende Rolle für das globale Klima. Während des Pliozäns war der pazifische „Warmpool“ im Vergleich zu heute wesentlich stärker ausgeprägt, was auf eine Oberflächenwasser-Struktur im äquatorialen Pazifik hinweist, wie sie unter heutigen El Niño-Ereignissen herrscht. Die INHV stellte eine Übergangsphase dar, welche die Entwicklung des wärmeren pliozänen Klimas hin zur heutigen Situation mit starkem Upwelling im östlichen Pazifik und ausgeprägten Ost-West-Gradienten in Oberflächenwasser-Temperatur und Produktivität darstellt. In dieser Arbeit erfolgt eine genauere Betrachtung dieser Übergangsphase. Dazu wurden zeitlich hochaufgelöste Mg/Ca- und δ18O-Datensätze an planktischen Foraminiferen von ODP Site 849 für das Zeitintervall ~2.75–2.4 Millionen Jahre erzeugt. Diese erlauben es, Rückschlüsse auf Oberflächenwasser-Temperaturen und -Salinitäten zu ziehen. Die Daten wurden mit vergleichbaren Datensätzen aus dem westlichen äquatorialen Pazifik verglichen. Ost-West-Temperatur- und Salinitätsgradienten erlauben es, Aussagen über eine mögliche Dynamik zwischen El Niño- und La Niña-ähnlichen Klimazuständen zu treffen. Während der rekonstruierte Temperaturgradient keinen G-IG-Zyklus aufweist, ist ein solcher im Salinitätsgradienten nachweisbar. Diese Schwankungen weisen jedoch nicht auf El Niño- und La Niña-ähnliche Klimaveränderungen hin, sondern resultieren vielmehr aus einer Verschiebung der Innertropischen Konvergenzzone über dem östlichen Pazifik (Richtung Norden während Interglazialen und Richtung Süden während Glazialen).

Der dritte Teil dieser Arbeit fokussiert auf die Rekonstruktion zeitlich hochaufgelöster, Mg/Ca- und δ18O-basierter Meeresspiegelschwankungen. Hierzu wurden Proben benthischer Foraminiferen aus dem östlichen äquatorialen Pazifik (ODP Site 849) und dem Nord-Atlantik (Integrated Ocean Drilling Program [IODP] Site U1313) für das Zeitintervall ~2.65–2.4 Millionen Jahre (MIS G1–95) untersucht. Die generierten Werte (relativ zum heutigen Meeresspiegel) variieren zwischen -55 und -85 m (Site 849) und -110 und -130 m (Site U1313) für die Glaziale MIS 100–96 und zwischen 0 und +30 m (beide Sites) für die entsprechenden Interglaziale. Im Vergleich zu vorherigen Untersuchungen erscheinen die Werte von Site U1313 als zu hoch, was auf Unsicherheiten zurückzuführen ist, die mit einer erforderlichen Wassermassenkorrektur für diesen Site zusammenhängen. Unabhängig davon erinnert die Struktur, die für die Glaziale MIS 100 und 96 rekonstruiert wurde, an diejenige spätpleistozäner Glaziale (asymmetrische, sägezahnförmige Struktur, schnelle Termination, finaler Meeresspiegel-Rückgang vor der Termination). Diese Gemeinsamkeiten lassen vermuten, dass ähnliche – wenn nicht sogar identische – Mechanismen die früh- und spätpleistozänen G-IG-Zyklen gesteuert haben. Der rekonstruierte Meeresspiegel-Anstieg von ~50–100 m in frühpleistozäne Interglaziale impliziert ein komplettes Abschmelzen des Grönländischen und des Westantarktischen Eisschildes sowie ein Teilabschmelzen des vermeintlich „stabilen“ Ostantarktischen Eisschildes. Die daraus abzuleitende Vulnerabilität des Ostantarktischen Eisschildes unter wärmeren klimatischen Rahmenbedingungen als heute ist hinsichtlich des zukünftigen Klimawandels von elementarer Bedeutung.