| Abstract |
The African rainbelt, which oscillates seasonally, is an important component of the tropical and global climate system. It is clear from proxy reconstructions that the rainbelt has responded to a number of different climatic processes in the past. However, the exact pattern of rainfall distribution during past climates is not well constrained. In particular, many existing proxy reconstructions in Africa are not consistent with North-South migrations of the rainbelt that are seen in other regions. In the first part of this thesis, the spatial distribution of rainfall across the entire western part of the African continent is investigated using a transect of marine sediment cores spanning from 21°N to 23°S off western Africa. Three important climate states of the past are studied: the Last Glacial Maximum (LGM; 19-23 ka), Heinrich Stadial 1 (HS1; 16-18 ka) and the mid-Holocene (6-8 ka). Two different proxies based on isotopes from individual lipid biomarker compounds are used. Stable carbon isotopes (..13C) of plant leaf wax n-alkanes are interpreted as a proxy for vegetation type and hydrogen isotopes (..D) of the same compound are interpreted to reflect the hydrogen isotopic composition of meteoric water. These are taken to reflect the length and intensity of the wet season, respectively. Taken together, the two proxies indicate that the rainbelt was latitudinally compressed and less intense at the LGM relative to the late Holocene. Conversely, the rainbelt was expanded and more intense during the mid-Holocene. During HS1 the rainbelt was shifted southwards over West Africa but in Central and southwestern Africa showed little change relative to the LGM. Consequently, it seems that the African rainbelt behaves differently to the South American rainbelt which does show a southward shift at both the LGM and HS1. This perhaps highlights the role of cool SE Atlantic sea surface temperatures on the hydrological cycle in western Africa at the LGM and HS1. The large scale nature of this study offers excellent potential for comparison with climate models. In semi-arid regions, rainfall exerts a strong control on dust emissions, which in turn have an effect on climate. Consequently, it is also important to understand the past changes in the extent of the Sahara Desert. Major-element geochemistry of bulk sediment offers a promising approach to reconstruct the amount of material derived from arid regions (dust) versus that derived from humid regions (river-borne sediment). In order to explore the spatiotemporal pattern of desertification over time, 4 continuous sediment core records off West Africa (21°N-9°N) are investigated over the course of the last 45 kyrs. It is found that the most southerly location of the Sahara Desert (12°N) and the greatest intensity of dust export occurred during Heinrich Stadials. This is coeval with the formation of ancient sand dunes at a similar latitude (12-10°N). This study emphasises the spatial scale of dust emissions that are associated with a slowdown of the oceanic circulation. As well as elucidating the natural variability of arid climates it is also important to quantify the effect of human activities on dust emissions. To investigate this, a high resolution sediment core is used to reconstruct dust flux over the last 3200 years. It is found that precipitation exerted a strong control on dust emissions until the beginning of the seventeenth century, with century-scale droughts associated with higher dust flux. However, during the nineteenth century, at the onset of commercial agriculture in the Sahel region, dust emissions increased sharply until the present day. This suggests that human activity has exerted a control on West African dust emissions. The increase in use of XRF core-scanning and major-element based climate proxies requires a robust understanding of the potential controls on major-element geochemistry of hemipelagic sediments. To address this, the major-element composition of 128 surface-sediment samples taken from the entire South Atlantic Ocean are investigated. Results highlight that the composition (Fe/K and Al/Si) of shelf and slope sediments largely mirrors that of the soil on the adjacent continents and thus, supports the use of major-element ratios as climate proxies. However, this study does highlight regions where major-element ratios are influenced by volcanic rock, biogenic opal production and topography. In these regions, the best approach for palaeoclimate studies may be to combine major element ratios with additional proxies or to integrate several elements, as with the dust vs. river estimates. |
| Abstract |
<p>Der saisonal oszillierende afrikanische Regengürtel ist ein wichtiger Teil des tropischen und globalen Klimasystems. Eine Reihe von Proxies zeigen Änderungen des Regengürtels auf Zeitskalen von Tausenden von Jahren, wobei das genaue Muster der Regenfälle während früherer Klimabedingungen nicht gut verstanden wird. Vor allem sind die existierenden Rekonstruktionen für Afrika nicht im Einklang mit der Nord-Süd-Verschiebung des Regengürtels in anderen Regionen. Im ersten Teil der Doktorarbeit wird die räumliche Verteilung der Regenfälle im westlichen Teil des afrikanischen Kontinents anhand eines Transektes von marinen Sedimentkernen untersucht, das sich von 21°N bis 23°S westlich von Afrika erstreckt. Drei wichtige Klimazustände der Vergangenheit wurden betrachtet: das letzte glaziale Maximum (LGM; 19–23 ka), Heinrich-Ereignis 1, (HS1; 16–18 ka) und während des mittleren Holozäns (6–8 ka). Dafür wurden zwei unterschiedliche Proxies genutzt, die auf Isotopenverhältnisse von einzelnen Pflanzenwachsen beruhen. Die Zusammensetzung stabiler Kohlenstoffisotope (..13C) von n-Alkanen wird interpretiert als ein Proxy für die Vegetationstypen, während Wasserstoffisotope der gleichen Substanz die Wasserstoffisotopenzusammensetzung des Niederschlags dokumentieren. Zusammen deuten die beiden Proxies auf einen zusammengedrückten und weniger intensiven Regengürtel während des LGM im Vergleich zum späten Holozän. Wohingegen der Regengürtel im mittleren Holozän ausgedehnter und intensiver war. Während HS1 verlagerte sich der Regengürtel südwärts, aber es ist nur ein geringer Hinweis für eine südwärtige Verlagerung nach Zentral- und Südwestafrika. Das Muster steht im Gegensatz zu dem Regengürtel in Südamerika, der eine südwärtige Verlagerung zeigt. Die Ergebnisse deuten auf die Rolle des kalten südatlantischen Oberflächenwassers für den hydrologischen Zyklus in Westafrika während LGM und HS1 hin, und sie zeigen, dass das Verhalten des tropischen Regengürtels komplex ist und keine großen latitudinalen Verlagerungen zu beobachten sind. Die Großräumigkeit dieser Studien bietet exzellente Voraussetzungen für Vergleiche mit Klimamodellen. In semiariden und ariden Regionen ist es wichtig, die Änderungen in der Ausdehnung der Sahara in der Vergangenheit besser zu verstehen, insbesondere bezüglich der Bedeutung für den atmosphärischen Staubtransport. Die Elementverteilung der Sedimente bietet die Möglichkeit, das Material aus ariden Regionen von dem aus humiden Gebieten zu unterscheiden. Um die Ausdehnung der Wüstengebiete in der Vergangenheit zu rekonstruieren, wurden vier Sedimentkerne mit einer kontinuierlichen Abfolge aus dem Gebiet vor Westafrika studiert, die die letzten 45.000 Jahre umfassen. Die südlichste Position der Wüste (12° N) mit dem größten Staubeintrag fand während der Heinrich Stadiale statt. Im Einklang mit der Wüstenausdehnung während Heinrich-Stadialen wurden fossile Sanddünen bei 10 bis 12° N gebildet, ein weiterer Hinweis, dass die intensive Dünenaktivität auf die Heinrich Stadiale begrenzt war. Die Ergebnisse deuten auf einen engen Zusammenhang zwischen Staubtransport und reduzierter Ozeanzirkulation hin. Neben der natürlichen Variabilität des ariden Klimas ist es wichtig, den Einfluss des Menschen auf den Staubtransport festzustellen. Dafür wurde ein zeitlich hochauflösender Sedimentkern bearbeitet, der den Staubtransport während der letzten 3.200 Jahre registriert. Die Ergebnisse zeigen, dass Niederschlag den Staubtransport bis zum Beginn des 17. Jahrhunderts steuerte, in Form von Trockenperioden mit höherem Staubtransport im Jahrhundertmaßstab. Insbesondere während des 19. Jahrhunderts – mit Beginn der kommerziellen Landwirtschaft – nahm der Staubtransport bis in die Gegenwart stark zu. Das ist ein Indikator, dass die menschliche Aktivität den Staubtransport über Westafrika stark beeinflussen kann. Die Nutzung von XRF-Scanning und Hauptelement-Geochemie als Klimaproxies setzen ein gutes Verständnis der kontrollierenden Faktoren der Hauptelement-Geochemie von pelagischen Sedimenten voraus. Um die Kenntnisse zu verbessern, wurde die Elementverteilung in 128 Oberflächensediment Proben des gesamten Südatlantiks untersucht. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Fe/K- und Al/Si- Verhältnisse auf dem Schelf und dem Kontinentalhang im Wesentlichen die Zusammensetzung der Böden der Kontinente widerspiegeln und damit keine bedeutenden Effekte von Diagenese oder durch Ozeanströmung bedingten Transport vorliegen. Somit kann die Nutzung der Verhältnisse der Hauptelemente als Klimaindikator bestätigt werden. Die räumliche Verteilung der Elemente zeigt aber auch den Einfluss von vulkanischen Gesteinen, Opalproduktion und Morphologie des Meeresbodens. Um in solchen Regionen bessere palaeoklimatologische Ergebnisse zu erzielen sollten mehrere Hauptelement-Verhältnissen mit weiteren Proxies kombiniert werden oder verschiedene Elemente integrieren werden, wie z.B. Abschätzungen von Staubtansport gegen Flusstransport.</p> |
