TY  - THES
A1  - Braun, Tobias
T1  - Recurrences in past climates
T1  - Rekurrenzen in vergangenen Klimaperioden
BT  - novel concepts & tools for the study of Palaeoseasonality and beyond
BT  - neue Konzepte und Methoden zur Analyse von Paläosaisonalität und darüber hinaus
N2  - Our ability to predict the state of a system relies on its tendency to recur to states it has visited before. Recurrence also pervades common intuitions about the systems we are most familiar with: daily routines, social rituals and the return of the seasons are just a few relatable examples. To this end, recurrence plots (RP) provide a systematic framework to quantify the recurrence of states. Despite their conceptual simplicity, they are a versatile tool in the study of observational data. The global climate is a complex system for which an understanding based on observational data is not only of academical relevance, but vital for the predurance of human societies within the planetary boundaries. Contextualizing current global climate change, however, requires observational data far beyond the instrumental period. The palaeoclimate record offers a valuable archive of proxy data but demands methodological approaches that adequately address its complexities. In this regard, the following dissertation aims at devising novel and further developing existing methods in the framework of recurrence analysis (RA). The proposed research questions focus on using RA to capture scale-dependent properties in nonlinear time series and tailoring recurrence quantification analysis (RQA) to characterize seasonal variability in palaeoclimate records (‘Palaeoseasonality’).
In the first part of this thesis, we focus on the methodological development of novel approaches in RA. The predictability of nonlinear (palaeo)climate time series is limited by abrupt transitions between regimes that exhibit entirely different dynamical complexity (e.g. crossing of ‘tipping points’). These possibly depend on characteristic time scales. RPs are well-established for detecting transitions and capture scale-dependencies, yet few approaches have combined both aspects. We apply existing concepts from the study of self-similar textures to RPs to detect abrupt transitions, considering the most relevant time scales. This combination of methods further results in the definition of a novel recurrence based nonlinear dependence measure. Quantifying lagged interactions between multiple variables is a common problem, especially in the characterization of high-dimensional complex systems. The proposed ‘recurrence flow’ measure of nonlinear dependence offers an elegant way to characterize such couplings. For spatially extended complex systems, the coupled dynamics of local variables result in the emergence of spatial patterns. These patterns tend to recur in time. Based on this observation, we propose a novel method that entails dynamically distinct regimes of atmospheric circulation based on their recurrent spatial patterns. Bridging the two parts of this dissertation, we next turn to methodological advances of RA for the study of Palaeoseasonality. Observational series of palaeoclimate ‘proxy’ records involve inherent limitations, such as irregular temporal sampling. We reveal biases in the RQA of time series with a non-stationary sampling rate and propose a correction scheme.
In the second part of this thesis, we proceed with applications in Palaeoseasonality. A review of common and promising time series analysis methods shows that numerous valuable tools exist, but their sound application requires adaptions to archive-specific limitations and consolidating transdisciplinary knowledge. Next, we study stalagmite proxy records from the Central Pacific as sensitive recorders of mid-Holocene El Niño-Southern Oscillation (ENSO) dynamics. The records’ remarkably high temporal resolution allows to draw links between ENSO and seasonal dynamics, quantified by RA. The final study presented here examines how seasonal predictability could play a role for the stability of agricultural societies. The Classic Maya underwent a period of sociopolitical disintegration that has been linked to drought events. Based on seasonally resolved stable isotope records from Yok Balum cave in Belize, we propose a measure of seasonal predictability. It unveils the potential role declining seasonal predictability could have played in destabilizing agricultural and sociopolitical systems of Classic Maya populations.
The methodological approaches and applications presented in this work reveal multiple exciting future research avenues, both for RA and the study of Palaeoseasonality.
N2  - Unsere Fähigkeit, den Zustand eines Systems vorherzusagen, hängt grundlegend von der Tendenz des Systems ab, zu früheren Zuständen zurückzukehren. Solche "Rekurrenzen" sind sogar Bestandteil unserer Intuition und alltäglichen Erfahrungswelt: regelmäßige Routinen, soziale Zusammentreffen and die Wiederkehr der Jahreszeiten sind hierfür nur vereinzelte Beispiele. Rekurrenzplots (RPs) stellen uns in diesem Kontext eine systematische Methode zur Verfügung, um die Wiederkehreigenschaften von Systemzuständen quantitativ zu untersuchen. Obwohl RPs konzeptionell vergleichsweise simpel sind, stellen sie eine vielseitige Methode zur Analyse von gemessenen Beobachtungsdaten dar. Das globale Klimasystem ist ein komplexes System, bei dem ein datenbasiertes Verständnis nicht lediglich von rein akademischen Wert ist – es ist viel mehr relevant für das Fortbestehen der Gesellschaft innerhalb der natürlichen planetaren Grenzen. Um die heute beobachteten Klimaveränderungen allerdings in einen langfristigen Kontext einzuordnen, benötigen wir empirische Daten, die weit über die Periode hinaus gehen, für die instrumentelle Daten verfügbar sind. Paläoklimatologische Datenreihen repräsentieren hier ein wertvolles Archiv, dessen Auswertung jedoch Analysemethoden erfordert, die an die Komplexitäten von paläoklimatologischen ‘Proxydaten’ angepasst sind. Um einen wissenschaftlichen Beitrag zu dieser Problemstellung zu leisten, befasst sich diese Doktorarbeit mit der Konzeptionierung neuer Methoden und der problemstellungsbezogenen Anpassung bewährter Methoden in der Rekurrenzanalyse (RA). Die hier formulierten zentralen Forschungsfragen konzentrieren sich auf den Nachweis zeitskalen-abhängiger Eigenschaften in nichtlinearen Zeitreihen und, insbesondere, der Anpassung von quantitativen Maßen in der RA, um paläosaisonale Proxydaten zu charakterisieren (‘Paläosaisonalität’).
Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer methodischer Ansätze in der RA. Die Vorhersagbarkeit nichtlinearer (paläo)klimatologischer Zeitreihen ist durch abrupte Übergänge zwischen dynamisch grundlegend verschiedenen Zuständen erschwert (so zum Beispiel das Übertreten sogenannter ‘Kipppunkte’). Solche Zustandsübergänge zeigen oft charakteristische Zeitskalen-Abhängigkeiten. RPs haben sich als Methode zum Nachweis von Zustandsübergängen bewährt und sind darüber hinaus geeignet, Skalenabhängigkeiten zu identifizieren. Dennoch wurden beide Aspekte bislang selten methodisch zusammengeführt. Wir kombinieren hier bestehende Konzepte aus der Analyse selbstähnlicher Strukturen und RPs, um abrupte Zustandsübergänge unter Einbezug der relevantesten Zeitskalen zu identifizieren. Diese Kombination von Konzepten führt uns ferner dazu, ein neues rekurrenzbasiertes, nichtlineares Abhängigkeitsmaß einzuführen. Die quantitative Untersuchung zeitversetzter Abhängigkeiten zwischen zahlreichen Variablen ist ein zentrales Problem, das insbesondere in der Analyse hochdimensionaler komplexer Systeme auftritt. Das hier definierte ‘Rekurrenzfluß’-Abhängigkeitsmaß ermöglicht es auf elegante Weise, derartige Abhängigkeiten zu charakterisieren. Bei räumlich ausgedehnten komplexen Systemen führen Interaktionen zwischen lokalen Variablen zu der Entstehung räumlicher Muster. Diese räumlichen Muster zeigen zeitliche Rekurrenzen. In einer auf dieser Beobachtung aufbauenden Publikation stellen wir eine neue Methode vor, mit deren Hilfe differenzierbare, makroskopische Zustände untersucht werden können, die zu zentralen, zeitlich wiederkehrenden räumlichen Mustern korrespondieren. Folgend leiten wir über zum zweiten Teil dieser Arbeit, indem wir uns Anpassungen von Methoden zur Untersuchung von Paläosaisonalität zuwenden. Messreihen paläoklimatologischer Proxydaten geben uns nur indirekt Informationen über die ihnen zugrunde liegenden Klimavariablen und weisen inhärente Limitationen auf, wie zum Beispiel unregelmäßige Zeitabstände zwischen Datenpunkten. Wir zeigen statistische Verzerrungseffekte auf, die in der quantitativen RA auftreten, wenn Signale mit nichtstationärer Abtastrate untersucht werden. Eine Methode zur Korrektur wird vorgestellt und anhand von Messdaten validiert.
Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit angewandten Analysen von paläosaisonalen Zeitreihen. Eine Literaturauswertung verbreiteter und potentiell vielversprechender Zeitreihenanalysemethoden zeigt auf, dass es eine Vielzahl solcher Methoden gibt, deren adäquate Anwendung aber Anpassungen an Klimaarchiv-spezifische Grenzen und Probleme sowie eine Zusammenführung interdisziplinärer Fähigkeiten erfordert. Daraufhin untersuchen wir an einem Stalagmiten gemessene Proxydaten aus der zentralen Pazifikregion als ein natürliches Archiv für potentielle Veränderungen der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) währen des mittleren Holozäns. Die bemerkenswert hohe zeitliche Auflösung der Proxy-Zeitreihen erlaubt es uns, Verbindungen zwischen der Ausprägung der ENSO und saisonalen Zyklen herzustellen, wobei wir erneut Gebrauch von der RA machen. Die letzte Publikation in dieser Arbeit untersucht, in wie fern die Vorhersagbarkeit saisonaler Veränderungen eine Rolle für die Stabilität von Gesellschaften spielen könnte, deren Nahrungsversorgung auf Landwirtschaft beruht. Die klassische Maya-Zivilisation erlitt zwischen 750-950 CE eine drastische Fragmentierung urbaner Zentren, die mit regionalen Dürren in Verbindung gebracht werden. Auf Grundlage von saisonal-aufgelösten Proxydaten aus der Yok Balum Höhle in Belize, definieren wir ein quantitatives Maß für saisonale Vorhersagbarkeit. Dies erlaubt Schlussfolgerungen über die potentielle Rolle, die ein Verlust saisonaler Vorhersagbarkeit für die sich destablisierenden agrarwirtschaftlichen und soziopolitischen Systeme der Maya gehabt haben könnte.
Die methodischen Ansätze und Anwendungen in dieser Arbeit zeigen vielseitige, spannende Forschungsfragen für zukünftige Untersuchungen in der RA und Paläosaisonalität auf.
KW  - recurrence analysis
KW  - palaeoclimate
KW  - seasonality
KW  - nonlinear time series analysis
KW  - self-similarity
KW  - regime shifts
KW  - climate impact research
KW  - Klimafolgenforschung
KW  - nichtlineare Zeitreihenanalyse
KW  - Paläoklima
KW  - Rekurrenzanalyse
KW  - abrupte Übergänge
KW  - Selbstähnlichkeit
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586900
ER  - 
TY  - THES
A1  - Marwan, Norbert
T1  - Recurrence plot techniques for the investigation of recurring phenomena in the system earth
T1  - Recurrence-Plot-Techniken zur Untersuchung wiederkehrender Phänomene im System Erde
N2  - The habilitation deals with the numerical analysis of the recurrence properties of geological and climatic processes. The recurrence of states of dynamical processes can be analysed  with recurrence plots and various recurrence quantification options. In the present work, the meaning of the structures and information contained in recurrence plots are examined and described. New developments have led to extensions that can be used to describe the recurring patterns in both space and time. Other important developments include recurrence plot-based approaches to identify abrupt changes in the system's dynamics, to detect and investigate external influences on the dynamics of a system, the couplings between different systems, as well as a combination of recurrence plots with the methodology of complex networks. Typical problems in geoscientific data analysis, such as irregular sampling and uncertainties, are tackled by specific modifications and additions. The development of a significance test allows the statistical evaluation of quantitative recurrence analysis, especially for the identification of dynamical transitions. Finally, an overview of typical pitfalls that can occur when applying recurrence-based methods is given and guidelines on how to avoid such pitfalls are discussed. In addition to the methodological aspects, the application potential especially for geoscientific research questions is discussed, such as the identification and analysis of transitions in past climates, the study of the influence of external factors to ecological or climatic systems, or the analysis of landuse dynamics based on remote sensing data.
N2  - Die Habilitation beschäftigt sich mit der Analyse der Wiederkehreigenschaften geologischer und klimatischer Prozesse. Die Wiederkehr von Zuständen dynamischer Prozesses kann mit recurrence plots und deren verschiedenen Quantifizierungsmöglichkeiten untersucht werden. In der Arbeit wird die Bedeutung der Strukturen und Informationen, die in recurrence plots enthalten sind, untersucht und beschrieben. Neue Entwicklungen führen zu Erweiterungen, die zur Beschreibung räumlich und raumzeitlich wiederkehrender Muster genutzt werden können. Weitere wichtige Entwicklungen umfassen Erweiterungen zur Identifizierung von abrupten Änderungen in der Dynamik, zum Aufspüren und Untersuchen äußerer Einflüsse auf die Dynamik eines Systems als auch von Kopplungen zwischen verschiedenen Systemen, sowie eine Kombination mit der Methodik der komplexen Netzwerke. Typische Probleme geowissenschaftlicher Datenanalyse, wie unregelmäßiges Datensampling und Unsicherheiten in den Daten, werden durch spezielle Modifikationen und Ergänzungen behandelt. Die Entwicklung eines Signifikanztests erlaubt die statistische Bewertung der quantitativen Analyse vor allem für die Betrachtung dynamischer Übergänge. Den Abschluß bildet ein Überblick typischer Fehler, die im Zusammenhang mit dieser Methode auftreten können und wie man diese vermeidet. Neben den methodischen Aspekten werden Anwendungsmöglichkeiten vor allem fü geowissenschaftliche Fragestellungen vorgestellt, wie die Analyse von Klimaänderungen, von externen Einflußfaktoren auf ökologische oder klimatische Systeme, oder der Landnutzungsdynamik anhand von Fernerkundungsdaten.
KW  - recurrence
KW  - complex systems
KW  - palaeoclimate
KW  - spatial recurrence
KW  - recurrence plot
KW  - recurrence network
KW  - Wiederkehr
KW  - komplexe Systeme
KW  - Paläoklima
KW  - räumliche Wiederkehr
KW  - Recurrence plot
KW  - Recurrence network
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441973
SN  - 978-3-00-064508-2
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dräger, Nadine
T1  - Holocene climate and environmental variability in NE Germany inferred from annually laminated lake sediments
T1  - Rekonstruktion Holozäner Klima- und Umweltveränderungen in NO Deutschland anhand von jährlich geschichteten Seesedimenten
N2  - Understanding the role of natural climate variability under the pressure of human induced changes of climate and landscapes, is crucial to improve future projections and adaption strategies. This doctoral thesis aims to reconstruct Holocene climate and environmental changes in NE Germany based on annually laminated lake sediments. The work contributes to the ICLEA project (Integrated CLimate and Landscape Evolution Analyses). ICLEA intends to compare multiple high-resolution proxy records with independent chronologies from the N central European lowlands, in order to disentangle the impact of climate change and human land use on landscape development during the Lateglacial and Holocene. In this respect, two study sites in NE Germany are investigated in this doctoral project, Lake Tiefer See and palaeolake Wukenfurche. While both sediment records are studied with a combination of high-resolution sediment microfacies and geochemical analyses (e.g. µ-XRF, carbon geochemistry and stable isotopes), detailed proxy understanding mainly focused on the continuous 7.7 m long sediment core from Lake Tiefer See covering the last ~6000 years. Three main objectives are pursued at Lake Tiefer See: (1) to perform a reliable and independent chronology, (2) to establish microfacies and geochemical proxies as indicators for climate and environmental changes, and (3) to trace the effects of climate variability and human activity on sediment deposition.
Addressing the first aim, a reliable chronology of Lake Tiefer See is compiled by using a multiple-dating concept. Varve counting and tephra findings form the chronological framework for the last ~6000 years. The good agreement with independent radiocarbon dates of terrestrial plant remains verifies the robustness of the age model. The resulting reliable and independent chronology of Lake Tiefer See and, additionally, the identification of nine tephras provide a valuable base for detailed comparison and synchronization of the Lake Tiefer See data set with other climate records. The sediment profile of Lake Tiefer See exhibits striking alternations between well-varved and non-varved sediment intervals. The combination of microfacies, geochemical and microfossil (i.e. Cladocera and diatom) analyses indicates that these changes of varve preservation are caused by variations of lake circulation in Lake Tiefer See. An exception is the well-varved sediment deposited since AD 1924, which is mainly influenced by human-induced lake eutrophication. Well-varved intervals before the 20th century are considered to reflect phases of reduced lake circulation and, consequently, stronger anoxic conditions. Instead, non-varved intervals indicate increased lake circulation in Lake Tiefer See, leading to more oxygenated conditions at the lake ground. Furthermore, lake circulation is not only influencing sediment deposition, but also geochemical processes in the lake. As, for example, the proxy meaning of δ13COM varies in time in response to changes of the oxygen regime in the lake hypolinion. During reduced lake circulation and stronger anoxic conditions δ13COM is influenced by microbial carbon cycling. In contrast, organic matter degradation controls δ13COM during phases of intensified lake circulation and more oxygenated conditions. The varve preservation indicates an increasing trend of lake circulation at Lake Tiefer See after ~4000 cal a BP. This trend is superimposed by decadal to centennial scale variability of lake circulation intensity. Comparison to other records in Central Europe suggests that the long-term trend is probably related to gradual changes in Northern Hemisphere orbital forcing, which induced colder and windier conditions in Central Europe and, therefore, reinforced lake circulation. Decadal to centennial scale periods of increased lake circulation coincide with settlement phases at Lake Tiefer See, as inferred from pollen data of the same sediment record. Deforestation reduced the wind shelter of the lake, which probably increased the sensitivity of lake circulation to wind stress. However, results of this thesis also suggest that several of these phases of increased lake circulation are additionally reinforced by climate changes. A first indication is provided by the comparison to the Baltic Sea record, which shows striking correspondence between major non-varved intervals at Lake Tiefer See and bioturbated sediments in the Baltic Sea. Furthermore, a preliminary comparison to the ICLEA study site Lake Czechowskie (N central Poland) shows a coincidence of at least three phases of increased lake circulation in both lakes, which concur with periods of known climate changes (2.8 ka event, ’Migration Period’ and ’Little Ice Age’). These results suggest an additional over-regional climate forcing also on short term increased of lake circulation in Lake Tiefer See.
In summary, the results of this thesis suggest that lake circulation at Lake Tiefer See is driven by a combination of long-term and short-term climate changes as well as of anthropogenic deforestation phases. Furthermore, the lake circulation drives geochemical cycles in the lake affecting the meaning of proxy data. Therefore, the work presented here expands the knowledge of climate and environmental variability in NE Germany. Furthermore, the integration of the Lake Tiefer See multi-proxy record in a regional comparison with another ICLEA side, Lake Czechowskie, enabled to better decipher climate changes and human impact on the lake system. These first results suggest a huge potential for further detailed regional comparisons to better understand palaeoclimate dynamics in N central Europe.
N2  - Es ist von großer Bedeutung die natürliche Klimavariabilität unter dem Einfluss menschlich verursachter Klimaänderungen zu verstehen, um Zukunftsprognosen und Adaptionsstrategien zu verbessern. Die Hauptzielsetzung der vorliegenden Doktorarbeit ist die Rekonstruktion von Klima- und Umweltveränderungen während des Holozäns in NO Deutschland anhand von jährlich geschichteten Seesedimenten. Diese Arbeit ist ein Beitrag zum ICLEA Projekt (integrierte Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse). ICLEA strebt den Vergleich von mehreren hochaufgelösten Proxy- Archiven aus dem Nord-zentral europäischen Tiefland an, um Einflüsse von Mensch und Klima auf die Landschaftsentwicklung auseinander zu dividieren. Demnach werden in diesem Doktorprojekt zwei Gebiete untersucht: der Tiefe See und der verlandete See Wukenfurche. Während beide Sedimentarchive mit einer Kombination aus hochaufgelösten sedimentmikrofaziellen und -geochemischen Methoden untersucht werden, konzentriert sich die detaillierte Untersuchung der Proxy-Bedeutung auf den kontinuierlichen 7,7mlangen Sedimentkern vom Tiefer See, der die letzten 6000 Jahre abdeckt. Drei Hauptziele werden am Tiefen See verfolgt: (1) das Erstellen einer robusten und unabhängigen Chronologie (2) das Etablieren von mikrofaziellen und geochemischen Proxies als Indikatoren für Klima- und Landschaftsveränderungen und (3) das Ableiten von Klimaveränderungen und menschlichem Einfluss auf die Sedimentablagerung. 
Zum Erreichen des ersten Zieles wurde eine robuste Chronologie mit Hilfe eines multiplen Datierungsansatzes erstellt. Das Zusammenführen der Warvenzählung und Tephra-Funden bildet dabei das Gerüst für die Chronologie der letzten 6000 Jahre, deren Stabilität durch die gute Übereinstimmung mit unabhängigen Radiokarbondatierungen bestätigt wird. Diese robuste und unabhängige Chronologie und die zusätzlichen neun Tephra-Funde bieten die Basis für den detaillierten Vergleich und die Synchronisation des Tiefen See Datensatzes mit anderen Klimaarchiven. Das Sedimentprofil vom Tiefen See zeigt markante Wechsel zwischen gut warvierten und nicht warvierten Sedimentabschnitten auf. Die kombinierte Untersuchung der Mikrofazies, der Geochemie und von Mikrofossilien (d.h. Cladoceren und Diatomeen) zeigte, dass diese Veränderungen der Warvenerhaltung auf Änderungen der Seezirkulation zurückzuführen sind. Ausgenommen ist der rezente warvierte Abschnitt ab AD 1924, der hauptsächlich durch menschlich verursachte Seeeutrophierung beeinflusst ist. Warvierte Abschnitte vor dem 20. Jahrhundert sind durch verringerte Seezirkulation und die damit verbundenen stärkeren anoxischen Bedingungen im See hervorgerufen worden. Die Ablagerung von nicht warvierten Sedimenten weist auf stärkere Seezirkulation und sauerstoffreichere Bedingungen am Seegrund hin. Die Seezirkulation beeinflusst zusätzlich zum Sedimentmuster auch geochemische Prozesse im See. Zum Beispiel verändert sich die Proxy-Bedeutung der stabilen Kohlenstoffisotope von organischem Material (δ13COM) in Reaktion auf das veränderte Sauerstoffregime. Während geringer Seezirkulation und stärkeren anoxischen Bedingungen werden stark negative δ13COM Werte durch mikrobielle Aktivität hervorgerufen. Im Gegensatz verursachen Phasen mit verstärkter Seezirkulation positivere δ13COM Werte, was vermutlich auf stärkeren Abbau von organischem Material im sauerstoffangereicherten Milieu am Seegrund zurückzuführen ist. Die Warvenerhaltung zeigt einen ansteigenden Trend der Seezirkulation im Tiefen See nach ungefähr 4000 Jahre vor heute an. Dieser Trend ist überlagert mit kurzzeitigen Seezirkulationsveränderungen auf dekadischen Zeitskalen. Der Vergleich mit anderen Archiven in Zentral-Europa lässt darauf schließen, dass der Langzeittrend wahrscheinlich auf graduelle Veränderungen der orbitalen Parameter zurückzuführen ist, was kühlere und windigere Bedingungen in Zentral-Europa hervorgerufen hatte und damit die Seezirkulation im Tiefen See verstärkt hat. Die kurzzeitigen Phasen von verstärkter Seezirkulation fallen mit Siedlungsperioden am Tiefen See zusammen, die mit Pollendaten vom selben Sedimentkern rekonstruiert wurden. Die Waldrodung verringerte den Windschutz des Sees, was möglicherweise zu einer erhöhten Sensitivität der Seezirkulation zu Windstress geführt hat. Ein erster Vergleich des Tiefen Sees zu dem ICLEA Untersuchungsgebiet des Czechowskie See zeigt, dass in beiden Seen drei gemeinsame Phasen verstärkter Seezirkulation auftreten, die auch mit bekannten Zeiten veränderter Klimabedingungen zusammenfallen (2.8 ka event, Migrationsperiode und die Kleine Eiszeit). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Seezirkulation von einer Kombination aus Klimaveränderung auf langen und kurzen Zeitskalen und der Abholzung des Menschen angetrieben wird.
Zusammengefasst erweitert die hier vorliegende Arbeit das Wissen von Klima und Umweltveränderungen in NO Deutschland. Zudem wird gezeigt, dass ein regionaler Vergleich verschiedener Untersuchungsgebieten mit unabhängigen Chronologien ein verbessertes Auseinanderhalten von Klimaeinflüssen und menschlichen Einflüssen auf die Seesysteme ermöglicht. Damit kann ein verbessertes Verständnis der Paläoklimadynamik in Zentral-Europa gewonnen werden.
KW  - palaeoclimate
KW  - Paläoklima
KW  - Holocene
KW  - Holozän
KW  - varved lake sediments
KW  - warvierte Seesedimente
KW  - Tiefer See
KW  - Tiefer See
KW  - human impact
KW  - menschliche Einflüsse
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-103037
ER  - 
TY  - THES
A1  - Neugebauer, Ina
T1  - Reconstructing climate from the Dead Sea sediment record using high-resolution micro-facies analyses
T1  - Klimarekonstruktion an Sedimentkernen des Toten Meeres an Hand hochaufgelöster Mikrofaziesanalysen
T2  - Dissertation
N2  - The sedimentary record of the Dead Sea is a key archive for reconstructing climate in the eastern Mediterranean region, as it stores the environmental and tectonic history of the Levant for the entire Quaternary. Moreover, the lake is located at the boundary between Mediterranean sub-humid to semi-arid and Saharo-Arabian hyper-arid climates, so that even small shifts in atmospheric circulation are sensitively recorded in the sediments. This DFG-funded doctoral project was carried out within the ICDP Dead Sea Deep Drilling Project (DSDDP) that intended to gain the first long, continuous and high-resolution sediment core from the deep Dead Sea basin. The drilling campaign was performed in winter 2010-11 and more than 700 m of sediments were recovered. The main aim of this thesis was (1) to establish the lithostratigraphic framework for the ~455 m long sediment core from the deep Dead Sea basin and (2) to apply high-resolution micro-facies analyses for reconstructing and better understanding climate variability from the Dead Sea sediments. 
Addressing the first aim, the sedimentary facies of the ~455 m long deep-basin core 5017-1 were described in great detail and characterised through continuous overview-XRF element scanning and magnetic susceptibility measurements. Three facies groups were classified: (1) the marl facies group, (2) the halite facies group and (3) a group involving different expressions of massive, graded and slumped deposits including coarse clastic detritus. Core 5017-1 encompasses a succession of four main lithological units. Based on first radiocarbon and U-Th ages and correlation of these units to on-shore stratigraphic sections, the record comprises the last ca 220 ka, i.e. the upper part of the Amora Formation (parts of or entire penultimate interglacial and glacial), the last interglacial Samra Fm. (~135-75 ka), the last glacial Lisan Fm. (~75-14 ka) and the Holocene Ze’elim Formation. A major advancement of this record is that, for the first time, also transitional intervals were recovered that are missing in the exposed formations and that can now be studied in great detail.
Micro-facies analyses involve a combination of high-resolution microscopic thin section analysis and µXRF element scanning supported by magnetic susceptibility measurements. This approach allows identifying and characterising micro-facies types, detecting event layers and reconstructing past climate variability with up to seasonal resolution, given that the analysed sediments are annually laminated. Within this thesis, micro-facies analyses, supported by further sedimentological and geochemical analyses (grain size, X-ray diffraction, total organic carbon and calcium carbonate contents) and palynology, were applied for two time intervals:
(1) The early last glacial period ~117-75 ka was investigated focusing on millennial-scale hydroclimatic variations and lake level changes recorded in the sediments. Thereby, distinguishing six different micro-facies types with distinct geochemical and sedimentological characteristics allowed estimating relative lake level and water balance changes of the lake. Comparison of the results to other records in the Mediterranean region suggests a close link of the hydroclimate in the Levant to North Atlantic and Mediterranean climates during the time of the build-up of Northern hemisphere ice sheets during the early last glacial period.
(2) A mostly annually laminated late Holocene section (~3700-1700 cal yr BP) was analysed in unprecedented detail through a multi-proxy, inter-site correlation approach of a shallow-water core (DSEn) and its deep-basin counterpart (5017-1). Within this study, a ca 1500 years comprising time series of erosion and dust deposition events was established and anchored to the absolute time-scale through 14C dating and age modelling. A particular focus of this study was the characterisation of two dry periods, from ~3500 to 3300 and from ~3000 to 2400 cal yr BP, respectively. Thereby, a major outcome was the coincidence of the latter dry period with a period of moist and cold climate in Europe related to a Grand Solar Minimum around 2800 cal yr BP and an increase in flood events despite overall dry conditions in the Dead Sea region during that time. These contrasting climate signatures in Europe and at the Dead Sea were likely linked through complex teleconnections of atmospheric circulation, causing a change in synoptic weather patterns in the eastern Mediterranean.
In summary, within this doctorate the lithostratigraphic framework of a unique long sediment core from the deep Dead Sea basin is established, which serves as a base for any further high-resolution investigations on this core. It is demonstrated in two case studies that micro-facies analyses are an invaluable tool to understand the depositional processes in the Dead Sea and to decipher past climate variability in the Levant on millennial to seasonal time-scales. Hence, this work adds important knowledge helping to establish the deep Dead Sea record as a key climate archive of supra-regional significance.
N2  - Die Sedimente des Toten Meeres stellen ein wichtiges Archiv für Klimarekonstruktionen im ostmediterranen Raum dar, da die gesamte quartäre Umwelt- und Tektonikgeschichte der Levante darin gespeichert ist. Außerdem führt die Lage des Sees im Grenzbereich zwischen mediterranem subhumidem bis semiaridem Klima und saharo-arabischem hyperaridem Klima dazu, dass selbst kleine Veränderungen der atmosphärischen Zirkulation sensibel in den Sedimenten verzeichnet werden. Diese Doktorarbeit wurde von der DFG finanziert und im Rahmen des ICDP Dead Sea Deep Drilling Project (DSDDP) durchgeführt, welches sich zur Aufgabe gestellt hat, den ersten langen, kontinuierlichen und hoch aufgelösten Sedimentkern vom tiefen Becken des Toten Meeres zu erlangen. Die Bohrkampagne fand im Winter 2010-11 statt, bei der mehr als 700 m Sedimente geteuft wurden. Die Zielsetzung dieser Doktorarbeit beinhaltete (1) den lithostratigraphischen Rahmen für den ~455 m langen Sedimentkern vom tiefen Becken des Toten Meeres zu erarbeiten und (2) hoch aufgelöste Mikrofazies-Analysen an den Sedimenten des Toten Meeres anzuwenden, um Klimavariabilität rekonstruieren und besser verstehen zu können.
Bezüglich erst genannter Zielsetzung wurden die Sedimentfazies des ~455 m langen Kerns 5017 1 vom tiefen Becken detailliert beschrieben und an Hand kontinuierlicher XRF Elementscanner-Daten und Messungen der magnetischen Suszeptibilität charakterisiert. Drei Faziesgruppen wurden unterschieden: (1) die Mergel-Faziesgruppe, (2) die Halit-Faziesgruppe und (3) eine verschiedene Ausprägungen massiver, gradierter oder umgelagerter Ablagerungen sowie grob-klastischen Detritus umfassende Gruppe. Der Kern 5017-1 ist durch die Abfolge von vier lithologischen Haupt-Einheiten charakterisiert. Basierend auf ersten Radiokarbon- und U Th- Altern und Korrelation dieser Einheiten mit den am Ufer aufgeschlossenen stratigraphischen Abschnitten, umfasst der Datensatz die letzten ca 220 Tausend Jahre (ka), einschließlich des oberen Abschnitts der Amora-Formation (Teile von oder gesamtes vorletztes Interglazial und Glazial), die Samra-Fm. des letzten Interglazials (~135-75 ka), die Lisan-Fm. des letzten Glazials (~75-14 ka) und die holozäne Ze’elim-Formation. Ein entscheidender Fortschritt dieses Records ist, dass erstmals Übergangsbereiche erfasst wurden, die in den aufgeschlossenen Formationen fehlen und nun detailliert studiert werden können.
Mikrofazies-Analysen umfassen eine Kombination hoch aufgelöster mikroskopischer Dünnschliff-Analysen und µXRF Elementscanning, die durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität unterstützt werden. Dieser Ansatz erlaubt es, Mikrofazies-Typen zu identifizieren und zu charakterisieren, Eventlagen aufzuzeichnen und die Klimavariabilität der Vergangenheit mit bis zu saisonaler Auflösung zu rekonstruieren, vorausgesetzt, dass die zu analysierenden Sedimente jährlich laminiert sind. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Mikrofazies-Analysen für zwei Zeitabschnitte angewendet, unterstützt durch weitere sedimentologische und geochemische Analysen (Korngrößen, Röntgen-Diffraktometrie, gesamter organischer Kohlenstoff- und Kalziumkarbonat-Gehalte) sowie Palynologie.
(1) Das frühe letzte Glazial ~117-75 ka wurde hinsichtlich hydroklimatischer Variationen und in den Sedimenten verzeichneter Seespiegeländerungen auf tausendjähriger Zeitskala untersucht. Dabei wurden sechs verschiedene Mikrofazies-Typen mit unterschiedlichen geochemischen und sedimentologischen Charakteristika bestimmt, wodurch relative Änderungen des Seespiegels und der Wasserbilanz des Sees abgeschätzt werden konnten. Ein Vergleich der Ergebnisse mit anderen Records aus dem Mittelmeerraum lässt vermuten, dass das Hydroklima der Levante eng mit dem nordatlantischen und mediterranen Klima während der Zeit des Aufbaus nordhemisphärischer Eisschilde im frühen letzten Glazial verknüpft war.
(2) Ein weitestgehend jährlich laminierter spätholozäner Abschnitt (~3700-1700 kal. J. BP – kalibrierte Jahre vor heute) wurde in größtem Detail an Hand eines Multiproxie-Ansatzes und durch Korrelation eines Flachwasser-Bohrkerns (DSEn) mit seinem Gegenstück aus dem tiefen Becken (5017-1) untersucht. In dieser Studie wurde eine ca. 1500 Jahre umfassende Zeitreihe von Erosions- und Staubablagerungs-Ereignissen erstellt und an Hand von 14C-Datierung und Altersmodellierung mit der absoluten Zeitskala verankert. Ein besonderer Fokus dieser Studie lag in der Charakterisierung zweier Trockenphasen, von ~3500 bis 3300 beziehungsweise von ~3000 bis 2400 kal. J. BP. Dabei war ein wichtiges Resultat, dass letztgenannte Trockenphase mit einer Phase feuchten und kühlen Klimas in Europa, in Zusammenhang mit einem solaren Minimum um 2800 kal. J. BP, zusammen fällt und dass trotz der generell trockeneren Bedingungen in der Toten Meer Region zu dieser Zeit verstärkt Flutereignisse verzeichnet wurden. Diese unterschiedlichen Klimasignaturen in Europa und am Toten Meer waren wahrscheinlich durch komplexe Telekonnektionen der atmosphärischen Zirkulation verknüpft, was eine Veränderung synoptischer Wettermuster im ostmediterranen Raum zur Folge hatte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass innerhalb dieser Doktorarbeit der lithostratigraphische Rahmen eines einzigartigen, langen Sedimentkerns vom tiefen Becken des Toten Meeres erstellt wurde, welcher als Basis für jegliche weitere hoch aufgelöste Untersuchungen an diesem Kern dient. In zwei Fallstudien wird demonstriert, dass Mikrofazies-Analysen ein unschätzbares Werkzeug darstellen, Ablagerungsprozesse im Toten Meer zu verstehen und die Klimavariabilität der Vergangenheit in der Levante auf tausendjährigen bis saisonalen Zeitskalen zu entschlüsseln. Diese Arbeit enthält daher wichtige Erkenntnisse, die dabei helfen die Schlüsselstellung des Records vom tiefen Toten Meer als Klimaarchiv überregionaler Bedeutung zu etablieren.
KW  - Dead Sea
KW  - palaeoclimate
KW  - lake sediments
KW  - varves
KW  - Totes Meer
KW  - Paläoklima
KW  - Seesedimente
KW  - Warven
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85266
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lauterbach, Stefan
T1  - Lateglacial to Holocene climatic and environmental changes in Europe : multi-proxy studies on lake sediments along a transect from northern Italy to northeastern Poland
T1  - Spätglaziale und holozäne Klima- und Umweltveränderungen in Europa : Multiproxy-Untersuchungen an Seesedimenten entlang eines Transekts zwischen Norditalien und Nordostpolen
N2  - Sediment records of three European lakes were investigated in order to reconstruct the regional climate development during the Lateglacial and Holocene, to investigate the response of local ecosystems to climatic fluctuations and human impact and to relate regional peculiarities of past climate development to climatic changes on a larger spatial scale. The Lake Hańcza (NE Poland) sediment record was studied with a focus on reconstructing the early Holocene climate development and identifying possible differences to Western Europe. Following the initial Holocene climatic improvement, a further climatic improvement occurred between 10 000 and 9000 cal. a BP. Apparently, relatively cold and dry climate conditions persisted in NE Poland during the first ca. 1500 years of the Holocene, most likely due to a specific regional atmospheric circulation pattern. Prevailing anticyclonic circulation linked to a high-pressure cell above the remaining Scandinavian Ice Sheet (SIS) might have blocked the eastward propagation of warm and moist Westerlies and thus attenuated the early Holocene climatic amelioration in this region until the final decay of the SIS, a pattern different from climate development in Western Europe. The Lateglacial sediment record of Lake Mondsee (Upper Austria) was investigated in order to study the regional climate development and the environmental response to rapid climatic fluctuations. While the temperature rise and environmental response at the onset of the Holocene took place quasi-synchronously, major leads and lags in proxy responses characterize the onset of the Lateglacial Interstadial. In particular, the spread of coniferous woodlands and the reduction of detrital flux lagged the initial Lateglacial warming by ca. 500–750 years. Major cooling at the onset of the Younger Dryas took place synchronously with a change in vegetation, while the increase of detrital matter flux was delayed by about 150–300 years. Complex proxy responses are also detected for short-term Lateglacial climatic fluctuations. In summary, periods of abrupt climatic changes are characterized by complex and temporally variable proxy responses, mainly controlled by ecosystem inertia and the environmental preconditions. A second study on the Lake Mondsee sediment record focused on two small-scale climate deteriorations around 8200 and 9100 cal. a BP, which have been triggered by freshwater discharges to the North Atlantic, causing a shutdown of the Atlantic meridional overturning circulation (MOC). Combining microscopic varve counting and AMS 14C dating yielded a precise duration estimate (ca. 150 years) and absolute dating of the 8.2 ka cold event, both being in good agreement with results from other palaeoclimate records. Moreover, a sudden temperature overshoot after the 8.2 ka cold event was identified, also seen in other proxy records around the North Atlantic. This was most likely caused by enhanced resumption of the MOC, which also initiated substantial shifts of oceanic and atmospheric front systems. Although there is also evidence from other proxy records for pronounced recovery of the MOC and atmospheric circulation changes after the 9.1 ka cold event, no temperature overshoot is seen in the Lake Mondsee record, indicating the complex behaviour of the global climate system. The Holocene sediment record of Lake Iseo (northern Italy) was studied to shed light on regional earthquake activity and the influence of climate variability and anthropogenic impact on catchment erosion and detrital flux into the lake. Frequent small-scale detrital layers within the sediments reflect allochthonous sediment supply by extreme surface runoff events. During the early to mid-Holocene, increased detrital flux coincides with periods of cold and wet climate conditions, thus apparently being mainly controlled by climate variability. In contrast, intervals of high detrital flux during the late Holocene partly also correlate with phases of increased human impact, reflecting the complex influences on catchment erosion processes. Five large-scale event layers within the sediments, which are composed of mass-wasting deposits and turbidites, are supposed to have been triggered by strong local earthquakes. While the uppermost of these event layers is assigned to a documented adjacent earthquake in AD 1222, the four other layers are supposed to be related to previously undocumented prehistorical earthquakes.
N2  - Sedimente aus drei europäischen Seen wurden untersucht um die regionale Klimaentwicklung während des Spätglazials und Holozäns und die Reaktion der Ökosysteme auf Klimaschwankungen und menschlichen Einfluss zu rekonstruieren sowie die regionalen Besonderheiten der spätquartären Klimaveränderungen in einen überregionalen Kontext zu setzen. Die Sedimente des Jezioro Hańcza (Nordostpolen) wurden im Hinblick auf die frühholozäne Klimaentwicklung und die Identifikation möglicher Unterschiede gegenüber Westeuropa untersucht. Im Anschluss an die Erwärmung zu Beginn des Holozäns konnte eine weitere Verbesserung der Klimabedingungen zwischen 10 000 und 9000 Jahren vor heute nachgewiesen werden. Offensichtlich herrschten in Nordostpolen während der ersten 1500 Jahre des Holozäns noch relative kalte und trockene Klimabedingungen, höchstwahrscheinlich als Resultat besonderer regionaler atmosphärischer Zirkulationsverhältnisse. Eine antizyklonale Zirkulationszelle als Resultat eines Hochdruckgebiets über dem Rest des Skandinavischen Eisschilds verhinderte wahrscheinlich das Vordringen warmer und feuchter Luftmassen aus Westen und verursachte damit eine Abschwächung der frühholozänen Klimaverbesserung in dieser Region bis zum endgültigen Zerfall des Eisschilds, was grundsätzlich von der frühholozänen Klimaentwicklung in Westeuropa abweicht. Die spätglazialen Sedimente des Mondsees (Oberösterreich) wurden im Hinblick auf die regionale Klimaentwicklung und die Reaktion des Ökosystems auf abrupte Klimaschwankungen untersucht. Während die Erwärmung zu Beginn des Holozäns von einer zeitgleichen Reaktion des Ökosystems begleitet wurde, war die Reaktion des Ökosystems auf die Erwärmung zu Beginn des Spätglazials deutlich verzögert. Insbesondere die Ausbreitung von Nadelwäldern und die Reduktion des klastischen Eintrags folgten der spätglazialen Erwärmung erst mit einer Verzögerung von ca. 500–750 Jahren. Die Abkühlung zu Beginn der Jüngeren Dryas war durch eine deutliche Synchronizität zwischen Temperatur- und Vegetationsänderung gekennzeichnet, wohingegen der Anstieg des klastischen Eintrags erst 150–300 Jahre verzögert folgte. Eine komplexe Reaktion des Ökosystems zeigt sich auch während kurzfristiger spätglazialer Klimaschwankungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass abrupte Klimaveränderungen durch komplexe und zeitlich variable Reaktionsmuster des Ökosystems gekennzeichnet sind, die hauptsächlich von dessen Klimasensitivität und den ökologischen Ausgangsbedingungen abhängen. Eine zweite Studie an den Sedimenten des Mondsees konzentrierte sich auf zwei Klimaschwankungen vor ca. 8200 und 9100 Jahren, für die Schmelzwassereintrag in den Nordatlantik und ein damit verbundenes Zusammenbrechen der thermohalinen Zirkulation als Ursache angesehen wird. Durch Warvenzählungen und 14C-Datierungen konnten sowohl die Dauer (ca. 150 Jahre) als auch das absolute Alter der Kältephase vor ca. 8200 Jahren zuverlässig bestimmt werden, welche in guter Übereinstimmung mit Resultaten aus anderen Paläoklimaarchiven stehen. Darüber hinaus wurde eine kurze Warmphase direkt im Anschluss an das Abkühlungsereignis identifiziert, die auch in anderen Klimaarchiven im nordatlantischen Raum nachweisbar ist. Diese wurde wahrscheinlich durch ein Wiedererstarken der thermohalinen Zirkulation verursacht, welches darüber hinaus eine Verschiebung ozeanischer und atmosphärischer Frontsysteme zur Folge hatte. Obwohl andere Klimaarchive auch nach dem Abkühlungsereignis vor ca. 9100 Jahren auf ein Wiedererstarken der thermohalinen Zirkulation hindeuten, finden sich in den Sedimenten des Mondsees keine Anzeichen für eine solche Wärmeperiode, was die Komplexität des globalen Klimasystems verdeutlicht. Die holozänen Sedimente des Lago d’Iseo (Norditalien) wurden im Hinblick auf die regionale Erdbebenaktivität und den Einfluss von Klima und Mensch auf Erosionsprozesse im Einzugsgebiet und den klastischen Eintrag in den See untersucht. Zahlreiche kleinere detritische Lagen in den Sedimenten spiegeln Eintrag durch extreme Oberflächenabflussereignisse wieder. Während des Früh- und Mittelholozäns zeigt sich eine deutliche Übereinstimmung zwischen erhöhtem klastischen Eintrag und kühleren und feuchteren Klimaverhältnissen, was auf einen dominanten Einfluss der natürlichen Klimavariabilität hindeutet. Im Gegensatz dazu zeigen Phasen erhöhten klastischen Eintrags während des Spätholozäns teilweise auch eine Korrelation mit erhöhter Siedlungsaktivität, was die Komplexität der Einflüsse auf Erosionsprozesse im Einzugsgebiet verdeutlicht. Darüber hinaus konnten auch fünf größere Ereignislagen nachgewiesen werden, welche durch Rutschmassen und Turbidite gekennzeichnet sind und für die lokale Erdbeben als Ursache vermutet werden. Die jüngste Ereignislage kann mit einem historisch dokumentierten proximalen Erdbeben im Jahr AD 1222 korreliert werden. Für die anderen vier Ereignislagen werden bisher undokumentierte prähistorische Erdbeben als Ursache angenommen.
KW  - Spätglazial
KW  - Holozän
KW  - Seesedimente
KW  - Paläoklima
KW  - Europa
KW  - Lateglacial
KW  - Holocene
KW  - lake sediments
KW  - palaeoclimate
KW  - Europe
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-58157
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kristen, Iris
T1  - Investigations on rainfall variability during the late Quaternary based on geochemical analyses of lake sediments from tropical and subtropical southern Africa
T1  - Untersuchungen zur Niederschlagsvariabilität im tropischen und subtropischen Afrika während des späten Quartärs auf der Basis geochemischer Analysen an Seesedimenten
N2  - This thesis presents investigations on sediments from two African lakes which have been recording changes in their surrounding environmental and climate conditions since more than 200,000 years. Focus of this work is the time of the last Glacial and the Holocene (the last ~100,000 years before present [in the following 100 kyr BP]). One important precondition for this kind of research is a good understanding of the present ecosystems in and around the lakes and of the sediment formation under modern climate conditions. Both studies therefore include investigations on the modern environment (including organisms, soils, rocks, lake water and sediments). A 90 m long sediment sequence was investigated from Lake Tswaing (north-eastern South Africa) using geochemical analyses. These investigations document alternating periods of high detrital input and low (especially autochthonous) organic matter content and periods of low detrital input, carbonatic or evaporitic sedimentation and high autochthonous organic matter content. These alternations are interpreted as changes between relatively humid and arid conditions, respectively. Before c. 75 kyr BP, they seem to follow changes in local insolation whereas afterwards they appear to be acyclic and are probably caused by changes in ocean circulation and/or in the mean position of the Inter-Tropical Convergence Zone (ITCZ). Today, these factors have main influence on precipitation in this area where rainfall occurs almost exclusively during austral summer. All modern organisms were analysed for their biomarker and bulk organic and compound-specific stable carbon isotope composition. The same investigations on sediments from the modern lake floor document the mixed input of the investigated individual organisms and reveal additional influences by methanotrophic bacteria. A comparison of modern sediment characteristics with those of sediments covering the time 14 to 2 kyr BP shows changes in the productivity of the lake and the surrounding vegetation which are best explained by changes in hydrology. More humid conditions are indicated for times older than 10 kyr BP and younger than 7.5 kyr BP, whereas arid conditions prevailed in between. These observations agree with the results from sediment composition and indications from other climate archives nearby. The second lake study deals with Lake Challa, a small, deep crater lake on the foot of Mount Kilimanjaro. In this lake form mm-scale laminated sediments which were analyses with micro-XRF scanning for changes in the element composition. By comparing these results with investigations on thin sections, results from ongoing sediment trap studies, meteorological data, and investigations on the surrounding rocks and soils, I develop a model for seasonal variability in the limnology and sedimentation of Lake Challa. The lake appears to be stratified during the warm rain seasons (October – December and March – May) during which detrital material is delivered to the lake and carbonates precipitate. On the lake floor forms a dark lamina with high contents of Fe and Ti and high Ca/Al and low Mn/Fe ratios. Diatoms bloom during the cool and windy season (June – September) when mixing down to c. 60 m depth provides easily bio-available nutrients. Contemporaneously, Fe and Mn-oxides are precipitating which cause high Mn/Fe ratios in the light diatom-rich laminae of the sediments. Trends in the Mn/Fe ratio of the sediments are interpreted to reflect changes in the intensity or duration of seasonal mixing in Lake Challa. This interpretation is supported by parallel changes in the organic matter and biogenic silica content observed in the 22 m long profile recovered from Lake Challa. This covers the time of the last 25 kyr BP. It documents a transition around 16 kyr BP from relatively well-mixed conditions with high detrital input during glacial times to stronger stratified conditions which are probably related to increasing lake levels in Challa and generally more humid conditions in East Africa. Intensified mixing is recorded for the time of the Younger Dryas and the period between 11.4 and 10.7 kyr BP. For these periods, reduced intensity of the SW monsoon and intensified NE monsoon are reported from archives of the Indian-Asian Monsoon region, arguing for the latter as a probable source for wind mixing in Lake Challa. This connection is probably also responsible for contemporaneous events in the Mn/Fe ratios of the Lake Challa sediments and in other records of northern hemisphere monsoon intensity during the Holocene and underlines the close interaction of global low latitude atmospheric circulation.
N2  - In dieser Arbeit werden Ergebnisse von Untersuchungen an den Sedimenten zweier afrikanischer Seen vorgestellt, die ein Archiv für Klimaveränderungen über einen Zeitraum von mehr als 200.000 Jahren darstellen. Der Schwerpunkt liegt in dieser Arbeit auf dem letzten Glazial und dem Holozän (ca. 100.000 Jahre vor heute [nachfolgend als 100 kyr BP bezeichnet] bis heute). Grundlegende Voraussetzung für solche Studien ist ein gutes Verständnis der Ökosysteme in und um den See, sowie des gegenwärtigen Sedimentationsgeschehens. Deswegen beinhalten beide Seestudien Untersuchungen der heutigen Organismen, Böden, Gesteine, Wasserchemie und Sedimentablagerungen. Im Tswaing-See im nordöstlichen Südafrika wurden anhand eines 90 m langen Sedimentprofils Studien zur Sedimentzusammensetzung und Untersuchungen der Zusammensetzung und Qualität des organischen Materials durchgeführt. Sie zeigen einen Wechsel zwischen Phasen hohen detritischen Eintrags, während derer v.a. kaum autochthones organisches Material im See erhalten blieb, mit Phasen geringen Eintrags und dafür karbonatischer oder evaporitischer Sedimentation, die hohe Gehalte v.a. autochthonen organischen Materials aufweisen. Diese Phasen werden als relativ feuchte bzw. trockene Perioden interpretiert und folgen bis vor ca. 75 kyr BP Schwankungen der lokalen solaren Einstrahlung. Dieser Einfluss nimmt nach 75 kyr BP ab und azyklische feuchte Phasen werden beobachtet. Mögliche Ursachen sind Veränderungen in der ozeanischen Zirkulation und Verschiebungen in der Lage der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ); beides sind auch heute Haupteinflussfaktoren auf die Niederschläge in der Region. Die heute lebenden Organismen des Tswaing-Kraters wurden mittels Analysen der Biomarkerzusammensetzung und der Kohlenstoffisotopie charakterisiert und ihr Einfluss auf die heutigen Seeablagerungen untersucht. Dabei konnten zusätzlich Indikatoren für die Aktivität methanotropher Bakterien nachgewiesen werden. Der Vergleich heutiger Sedimente mit denen des Zeitraumes 14 bis 2 kyr BP zeigt deutliche Veränderungen sowohl in der Zusammensetzung, als auch in der Kohlenstoffisotopie der Biomarker, die mit Veränderungen in der Hydrologie erklärt werden können. Die gefundenen Hinweise auf feuchtere Bedingungen im Zeitraum älter als 10 kyr BP, für trockenere Verhältnissen zwischen 10 und 7.5 kyr BP und für die nachfolgende Wiederzunahme an Feuchtigkeit werden durch die sedimentologischen Ergebnisse unterstützt. Objekt der zweiten Seestudie ist der Challa-See am Fuß des Kilimanjaro. Hier werden heute im mm-Maßstab laminierte Sedimente gebildet, die mit Mikro-XRF-scanning auf Veränderungen in der Elementzusammensetzung untersucht wurden. Zusammen mit Untersuchungen der Mikrofazies und im Vergleich mit ersten Ergebnissen noch laufender Sedimentfallenstudien, mit meteorologischen Daten und Analysen des Umgebungsgesteins werden die saisonalen Veränderungen in der Temperaturverteilung, der Durchmischungstiefe, dem detritischen Eintrag und der Bioproduktivität des Sees in den Sedimenten nachvollziehbar. Der See ist in den feucht-warmen Perioden von Oktober bis Dezember und von März bis Mai stratifiziert. Während dieser Zeit erfolgt der Eintrag detritischen Materials und Kalziumkarbonat fällt aus; eine dunkle Lage mit hohen Gehalten an Fe und Ti und mit hohen Ca/Al- und niedrigen Mn/Fe-Verhältnissen bildet sich am Boden des Sees. Diatomeen blühen während der kühlen, windigen Periode von Juni bis September, wenn die Durchmischung bis auf etwa 60 m Tiefe Nährstoffe verfügbar macht. Die Ausfällung von Fe- und Mn-oxiden sorgt für hohe Mn/Fe-Verhältnisse; es bildet sich eine helle Lage auf dem Sediment. Trends im Mn/Fe-Verhältnis werden als Signal für Veränderungen in der Intensität oder Dauer der saisonalen Durchmischung interpretiert. Dies wird unterstützt durch parallele Trends im Gehalt an organischem Material und an biogenem Silizium, wie durch Analysen an einem 22 m langen Bohrkern gezeigt werden kann. Nach gut durchmischten und von erhöhtem Eintrag von außen geprägten Verhältnissen während des letzten Glazials erfolgt gegen 16 kyr BP ein Übergang zu stärker stratifizierten Bedingungen. Diese korrespondieren mit einem steigenden Seespiegel und verbreiteten Hinweisen auf feuchte Bedingungen im tropischen Ostafrika. Stärkere Durchmischung herrschte während der Jüngeren Dryas und von 11.4 bis 10.7 kyr BP. Diese Perioden entsprechen Zeiten verringerter Südwest- und vermutlich verstärkter Nordostmonsunintensität im Bereich des Indisch-Asiatischen Monsuns und spiegeln eine global beobachtete südliche Verschiebung der ITCZ wider. Nach einer kurzen stabilen, feuchten Phase im frühen Holozän nimmt die Durchmischung des Sees im Verlauf des Holozän wieder zu. Abrupte Ereignisse während des Holozän scheinen im Challa-See zeitgleich mit Veränderungen der Monsunintensität der Nordhemisphäre aufzutreten und bezeugen die starke klimatische Kopplung der niederen Breiten in globalem Maßstab.
KW  - Paläoklima
KW  - Afrika
KW  - Monsun
KW  - Seedurchmischung
KW  - Seesedimente
KW  - Biomarker
KW  - Analyse komponentenspezifischer Kohlenstoffisotope
KW  - Alkenone
KW  - XRF
KW  - palaeoclimate
KW  - Africa
KW  - monsoon
KW  - lake mixing
KW  - lake sediments
KW  - biomarker
KW  - compound-specific stable carbon isotope analyses
KW  - alkenones
KW  - XRF
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32547
ER  -