Glacial and Interglacial Changes in Southwest Pacific Water Mass Ventilation and Circulation

Type Thesis
Date 2014
Language English
Other localization
Author(s) Ronge Thomas Alexander1
University University of Bremen
Discipline Gésociences
Thesis supervisor Ralf Tiedemann
Thesis co-supervisor Schulz Michael
Keyword(s) 14C, ventilation, atmospheric CO2, AAIW, UCDW, LCDW, AABW

Reconstructions on Antarctic ice cores revealed pronounced, millennial-scale variabilities in atmospheric CO2 over the past 800,000 years (e.g. Lüthi et al., 2008; Monnin et al., 2001; Petit et al., 1999; Raynaud et al., 2005; Siegenthaler et al., 2005). Despite these variabilities are known for several decades, the mechanisms, driving these patterns are still not fully resolved. As the ocean contains up to 60 times more carbon than the entire atmosphere, it is considered to be a major driver of the atmospheric CO2 levels (Broecker, 1982): Storing CO2 during glacials, releasing it during deglaciations. Because changes in the global thermohaline circulation are thought to operate on glacial/interglacial timescales, it has been suggested that during glacials, the deep ocean was separated from surface-waters and therefore from the atmosphere by enhanced stratification, resulting in the pronounced accumulation of CO2 and nutrients in the lower levels of the water column. These waters, isolated for millennia, then surfaced during interglacial periods and released their load of ancient CO2. This hypothesis is strongly supported by the record of atmospheric radiocarbon activities (Δ14C; Reimer et al., 2013) in which a telltale drop in Δ14C is shown during the interval of enhanced increase in atmospheric CO2. This drop cannot be explained by the atmospheric formation of 14C and is therefore indicative for the release of an old and hence 14C-depleted and CO2-enriched reservoir (e.g. the deep ocean) to the atmosphere. This release can therefore explain both records (atmospheric CO2 and Δ14C). Indeed, several records from the Atlantic and Pacific Oceans point to the existence of this carbon pool in glacial deep-waters below 2000 m. However, the spatial extent (vertical and lateral) and particularly the pathways of upwelled waters during the interglacial remain elusive and even contradictory. The aim of this thesis is to improve the knowledge of changes in South Pacific circulation and ventilation over different glacial to interglacial time-scales. The three manuscripts that form the backbone of this thesis are used to: 1) constrain the spatial extent and upwelling pathways of the glacial carbon pool in the South Pacific (0 – 30,000 years); 2) reconstruct boundary shifts between intermediate-waters and the underlying carbon pool in Circumpolar Deep Water over the last 350,000 years; 3) analyze changes in the South Pacific Gyre’s thermocline during the past 200,000 years. The focus of the first manuscript (Chapter 3) lies on the transition from the last glacial to the current interglacial. The Δ14C-reconstructions on a water mass transect of seven sediment cores from the New Zealand Margin and the East Pacific Rise identify a pool of radiocarbon depleted waters between ~2000 and ~4500 m in the glacial counterpart of Pacific Deep Water. The 14C-depletion of this body of water is up to five times higher than in the modern South Pacific and reaches extreme apparent ventilation ages of ~8000 years. Despite the first deep water rejuvenation begins as early as ~21,000 years B.P., the main signal of rejuvenation and outgassing parallels the rise in atmospheric CO2. The vertical extent of southwest Pacific Antarctic Intermediate Water (AAIW) over the last four glacial/interglacial cycles is analyzed in the second manuscript (Chapter 4). Stable isotope records (δ13C and δ18O) from epibenthic foraminifera of sediment cores bathed in AAIW and Upper Circumpolar Deep Water (UCDW) indicate a shoaling of AAIW during glacial periods. Further support for these findings arises from model reconstructions using the CCSM3-climate model. Throughout glacial maxima, pronounced input of freshwater by melting sea ice into the AAIW significantly increased its buoyancy and hampered its downward expansion. Hence, the upward displacement of the AAIW-UCDW boundary led to an expansion of the glacial carbon pool identified in Chapter 3. In the third manuscript (Chapter 5) the evolution of Southern Ocean Intermediate Waters (SOIWs) is analyzed, using the Mg/Ca paleothermometry on surface- and deep-dwelling species of planktic (Emiliani, 1991) foraminifera. The results suggest opposing glacial subsurface conditions during the LGM and MIS 6 with colder-than-Holocene conditions during the former and warmer-than-LGM conditions during the latter interval. Because of the importance of SOIWs for the ventilation of the South Pacific Gyre (SPG), the results of Chapter 5 reveal the relevance of Southern Ocean subsurface processes on the transfer of climatic signals from higher to lower latitudes via the SPG. Ultimately, this thesis contributes to the broader understanding of ventilation and circulation changes in the Pacific Sector of the Southern Ocean. The combination of various proxies reveals the highly dynamic processes that affect the Southern Ocean on glacial/interglacial timescales. The results do not only constrain the vertical extent of the glacial carbon pool for the first time, but they also facilitate its integration in the global context of glacial circulation. Furthermore, the reconstructions shown in this study might help to improve model simulations that are used to both, reconstruct and predict changes in the global climate.

Abstract <p>Untersuchungen an antarktischen Eiskernen enth&uuml;llten gravierende Schwankungen im atmosph&auml;rischen CO2-Gehalt w&auml;hrend der letzten 800.000 Jahre (L&uuml;thi et al., 2008; Monnin et al., 2001; Petit et al., 1999; Raynaud et al., 2005; Siegenthaler et al., 2005). Obwohl schon seit Jahrzehnten bekannt, sind die Mechanismen, die diese atmosph&auml;rischen Muster bedingen, bis heute nicht vollst&auml;ndig verstanden. Die Tatsache, dass der Ozean etwa 60 mal mehr Kohlenstoff enth&auml;lt als die gesamte Atmosph&auml;re, macht ihn zu einem wahrscheinlichen Taktgeber f&uuml;r Ver&auml;nderungen im atmosph&auml;rischen CO2-Haushalt (Broecker, 1982) mit ozeanischer Aufnahme von CO2 w&auml;hrend Glazialen und Abgabe w&auml;hrend Deglazialen. Da Ver&auml;nderungen in der globalen thermohalinen Zirkulation auf glazialen/interglazialen Zeitskalen ablaufen, wird angenommen, dass der tiefe Ozean w&auml;hrend Glazialen durch verst&auml;rkte Stratifizierung von Oberfl&auml;chenwassern abgeschnitten war. Diese Trennung resultierte in der gesteigerten Anreicherung von CO2 und N&auml;hrstoffen in der unteren Wassers&auml;ule. Diese Wassermassen, welche f&uuml;r Jahrtausende von der Oberfl&auml;che abgeschnitten waren, trieben w&auml;hrend der Interglazialen auf und setzten das in ihnen gespeicherte alte CO2 frei. Gest&uuml;tzt wird diese Hypothese durch den Verlauf der atmosph&auml;rischen Radiokohlenstoffaktivit&auml;ten (&Delta;14C; Reimer et al., 2013). Dieser Verlauf zeigt einen eindeutigen Abfall des atmosph&auml;rischen &Delta;14C im selben Zeitintervall, in dem das atmosph&auml;rische CO2 am st&auml;rksten ansteigt. Da dieser Abfall nicht mit der atmosph&auml;rischen Produktion von 14C erkl&auml;rt werden kann, deutet der Verlauf auf die Freisetzung eines alten und deshalb 14C-abgereicherten aber CO2-angereicherten Reservoirs (z.B. der tiefe Ozean) hin. Diese Freisetzung f&uuml;hrte der Atmosph&auml;re gro&szlig;e Mengen an 14C-armen CO2 zu und kann somit beide Verl&auml;ufe (CO2 und &Delta;14C) erkl&auml;ren. Die Existenz dieses ozeanischen Kohlenstoffreservoirs wird in der Tat durch mehrere Untersuchungen im tiefen Atlantischen und Pazifischen Ozean unterhalb von ~2000 m best&auml;tigt. Dessen ungeachtet sind die r&auml;umliche Ausdehnung dieses Reservoirs (lateral und vertikal), aber auch die Routen des aufgetriebenen Wassers w&auml;hrend der Interglaziale weiterhin unklar, seine Rekonstruktionen teils sogar widerspr&uuml;chlich. Das Ziel dieser Dissertation ist es, das Wissen &uuml;ber Ver&auml;nderungen der Ventilation und Zirkulation des S&uuml;dpazifiks auf unterschiedlichen glazialen/interglazialen Zeitskalen zu verbessern. Die drei Manuskripte, die den Kern dieser Arbeit bilden, befassen sich mit: 1) der Eingrenzung der r&auml;umlichen Ausdehnung des glazialen Kohlenstoffreservoirs sowie seiner Routen w&auml;hrend des Interglazials im S&uuml;dpazifik w&auml;hrend der letzten 30.000 Jahre; 2) der Rekonstruktion der Grenzschichten von Zwischenwasser und dem unterliegenden Kohlenstoffreservoir im Zirkumpolaren Tiefenwasser &uuml;ber die letzten 350.000 Jahre; 3) der Analyse von Ver&auml;nderungen der Thermoklinen der S&uuml;dpazifischen Gyre w&auml;hrend der letzten 200.000 Jahre. Der Fokus des ersten Manuskriptes (Kapitel 3) liegt auf dem &Uuml;bergang des letzten Glazials zum jetzigen Interglazial. Untersuchungen von &Delta;14C an einem Wassermassentransekt aus sieben Sedimentkernen vor Neuseeland und am Ostpazifischen R&uuml;cken belegen ein Reservoir von radiokohlenstoffarmen Wasser zwischen ~2000 und ~4500 m Wassertiefe im glazialen Gegenst&uuml;ck des Pazifischen Tiefenwassers. Mit Ventilationsaltern von ca. 8000 Jahren war die glaziale Abreicherung des 14C-Gehaltes in etwa f&uuml;nfmal st&auml;rker als im heutigen S&uuml;dpazifik. Obwohl die Erneuerung des Tiefenwassers bereits vor ~21.000 Jahren einsetzte, verl&auml;uft das Hauptsignal der Erneuerung parallel zum atmosph&auml;rischen CO2-Anstieg. Die vertikale Ausdehnung des Antarktischen Zwischenwassers (AAIW) wird im zweiten Manuskript (Kapitel 4) &uuml;ber den Zeitraum der letzten vier glazialen/interglazialen Zyklen rekonstruiert. Untersuchungen von stabilen Isotopen (&delta;13C und &delta;18O) an epibenthischen Foraminiferen aus Sedimentkernen des heutigen AAIWs und Oberen Zirkumpolarentiefenwassers (UCDW) zeigen eine Verflachung des AAIWs w&auml;hrend glazialer Perioden. Best&auml;tigt wird dieses Ergebnis zus&auml;tzlich durch Modellrekonstruktionen mit Hilfe des CCSM3-Klimamodells. W&auml;hrend glazialer Maxima erh&ouml;hte die verst&auml;rkte Zuf&uuml;hrung von S&uuml;&szlig;wasser durch schmelzendes Meereis den Auftrieb von AAIW, was eine Abnahme der Tiefenausdehnung dieser Wassermasse zur Folge hatte. Als Resultat f&uuml;hrte die Verflachung der AAIW-UCDW Grenzschicht zu einer Ausdehnung des glazialen Kohlenstoffreservoirs, wie es in Kapitel 3 identifiziert wurde. Die Evolution S&uuml;dozeanischer Zwischenwasser (SOIW) wird im dritten Manuskript (Kapitel 5) mit Hilfe der Mg/Ca-Pal&auml;othermometrie untersucht. Diese Untersuchung, durchgef&uuml;hrt an oberfl&auml;chen- und tieflebenden planktischen Foraminiferen, liefert gegenl&auml;ufige Trends f&uuml;r das Letzte Glaziale Maximum (LGM) und das Marine Isotopen Stadium (MIS) 6. Die Bedingungen im tieferen Wasser w&auml;hrend des LGMs waren k&auml;lter als das Holoz&auml;n, w&auml;hrend sie in MIS 6 deutlich w&auml;rmer als w&auml;hrend des LGMs waren. Aufgrund der Bedeutung von SOIW f&uuml;r die Ventilation der S&uuml;dpazifischen Gyre (SPG), zeigen die Resultate aus Kapitel 5 die Relevanz von Prozessen des tieferen S&uuml;dozeanes auf den Transport von Klimasignalen aus den h&ouml;heren Breiten in die niederen Breiten via der SPG. Letztendlich wird diese Dissertation zum besseren Verst&auml;ndnis der Ventilation und Zirkulation im pazifischen Sektor des S&uuml;dozeans beitragen. Die Kombination von unterschiedlichen Methoden enth&uuml;llt die hochdynamischen Prozesse, die den S&uuml;dozean auf glazialen/interglazialen Zeitskalen pr&auml;gen. Diese Resultate grenzen nicht nur zum ersten Mal die vertikale Ausdehnung des glazialen Kohlenstoffreservoirs ein, sondern sie bringen dieses auch in den globalen Zusammenhang der glazialen Zirkulation. Weiterhin besitzen die hier gezeigten Rekonstruktionen das Potential, Computermodelle, welche f&uuml;r Rekonstruktionen und Vorhersagen des globalen Klimas genutzt werden, zu optimieren.</p>
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