Interpretation of temperature signals from ice cores

Interpretation von Temperatursignalen aus Eisbohrkernen

  • Earth's climate varies continuously across space and time, but humankind has witnessed only a small snapshot of its entire history, and instrumentally documented it for a mere 200 years. Our knowledge of past climate changes is therefore almost exclusively based on indirect proxy data, i.e. on indicators which are sensitive to changes in climatic variables and stored in environmental archives. Extracting the data from these archives allows retrieval of the information from earlier times. Obtaining accurate proxy information is a key means to test model predictions of the past climate, and only after such validation can the models be used to reliably forecast future changes in our warming world. The polar ice sheets of Greenland and Antarctica are one major climate archive, which record information about local air temperatures by means of the isotopic composition of the water molecules embedded in the ice. However, this temperature proxy is, as any indirect climate data, not a perfect recorder of past climatic variations. Apart fromEarth's climate varies continuously across space and time, but humankind has witnessed only a small snapshot of its entire history, and instrumentally documented it for a mere 200 years. Our knowledge of past climate changes is therefore almost exclusively based on indirect proxy data, i.e. on indicators which are sensitive to changes in climatic variables and stored in environmental archives. Extracting the data from these archives allows retrieval of the information from earlier times. Obtaining accurate proxy information is a key means to test model predictions of the past climate, and only after such validation can the models be used to reliably forecast future changes in our warming world. The polar ice sheets of Greenland and Antarctica are one major climate archive, which record information about local air temperatures by means of the isotopic composition of the water molecules embedded in the ice. However, this temperature proxy is, as any indirect climate data, not a perfect recorder of past climatic variations. Apart from local air temperatures, a multitude of other processes affect the mean and variability of the isotopic data, which hinders their direct interpretation in terms of climate variations. This applies especially to regions with little annual accumulation of snow, such as the Antarctic Plateau. While these areas in principle allow for the extraction of isotope records reaching far back in time, a strong corruption of the temperature signal originally encoded in the isotopic data of the snow is expected. This dissertation uses observational isotope data from Antarctica, focussing especially on the East Antarctic low-accumulation area around the Kohnen Station ice-core drilling site, together with statistical and physical methods, to improve our understanding of the spatial and temporal isotope variability across different scales, and thus to enhance the applicability of the proxy for estimating past temperature variability. The presented results lead to a quantitative explanation of the local-scale (1–500 m) spatial variability in the form of a statistical noise model, and reveal the main source of the temporal variability to be the mixture of a climatic seasonal cycle in temperature and the effect of diffusional smoothing acting on temporally uncorrelated noise. These findings put significant limits on the representativity of single isotope records in terms of local air temperature, and impact the interpretation of apparent cyclicalities in the records. Furthermore, to extend the analyses to larger scales, the timescale-dependency of observed Holocene isotope variability is studied. This offers a deeper understanding of the nature of the variations, and is crucial for unravelling the embedded true temperature variability over a wide range of timescales.show moreshow less
  • Das Klima der Erde verändert sich stetig sowohl im Raum als auch in der Zeit, jedoch hat die Menschheit nur einen Bruchteil dieser Entwicklung direkt verfolgen können und erst seit 200 Jahren mit instrumentellen Beobachtungen aufgezeichnet. Unser Wissen bezüglich früherer Klimaveränderungen beruht daher fast ausschließlich auf indirekten Proxydaten, also Stellvertreterdaten, welche sensitiv auf Veränderungen in bestimmten Klimavariablen reagieren und in Klimaarchiven abgespeichert werden. Essentiell ist eine hohe Genauigkeit der erhaltenen Proxydaten. Sie erlaubt, Modellvorhersagen früherer Klimazustände quantitativ zu überprüfen und damit die Modelle zu validieren. Erst dann können mit Hilfe der Modelle verlässliche Aussagen über die anthropogen bedingten zukünftigen Klimaveränderungen getroffen werden. Die polaren Eisschilde von Grönland und Antarktika sind eines der wichtigsten Klimaarchive. Über die isotopische Zusammensetzung der im Eis eingelagerten Wassermoleküle zeichnen sie Veränderungen der lokalen Lufttemperatur auf. JedochDas Klima der Erde verändert sich stetig sowohl im Raum als auch in der Zeit, jedoch hat die Menschheit nur einen Bruchteil dieser Entwicklung direkt verfolgen können und erst seit 200 Jahren mit instrumentellen Beobachtungen aufgezeichnet. Unser Wissen bezüglich früherer Klimaveränderungen beruht daher fast ausschließlich auf indirekten Proxydaten, also Stellvertreterdaten, welche sensitiv auf Veränderungen in bestimmten Klimavariablen reagieren und in Klimaarchiven abgespeichert werden. Essentiell ist eine hohe Genauigkeit der erhaltenen Proxydaten. Sie erlaubt, Modellvorhersagen früherer Klimazustände quantitativ zu überprüfen und damit die Modelle zu validieren. Erst dann können mit Hilfe der Modelle verlässliche Aussagen über die anthropogen bedingten zukünftigen Klimaveränderungen getroffen werden. Die polaren Eisschilde von Grönland und Antarktika sind eines der wichtigsten Klimaarchive. Über die isotopische Zusammensetzung der im Eis eingelagerten Wassermoleküle zeichnen sie Veränderungen der lokalen Lufttemperatur auf. Jedoch stellen die Daten dieses Temperaturproxys keine perfekte Aufzeichnung früherer Klimaschwankungen dar – was im Übrigen für alle Proxydaten gilt –, da neben der Temperatur eine Fülle anderer Effekte Mittelwert und Varianz der Proxyschwankungen beeinflussen und damit die direkte Interpretation der Daten in Bezug auf klimatische Veränderungen beeinträchtigen. Insbesondere trifft dies auf Gebiete mit geringen jährlichen Schneefallmengen zu, wie z.B. das Polarplateau des antarktischen Kontinents. Diese Gebiete erlauben zwar prinzipiell die Gewinnung von Proxydatensätzen, die weit in die Vergangenheit zurückreichen, allerdings erwartet man im Allgemeinen auch eine starke Beeinträchtigung des ursprünglichen, in der isotopischen Zusammensetzung des Schnees eingeprägten Temperatursignals. Unter Verwendung von Beobachtungsdaten aus der Antarktis – hauptsächlich aus dem Niedrigakkumulationsgebiet von Dronning Maud Land in Ostantarktika, in dem auch die Kohnen-Station liegt –, sowie durch Anwendung statistischer und physikalischer Methoden, trägt diese Dissertation zu einem besseren Verständnis der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Isotopendaten über einen weiten Skalenbereich bei. Damit verbessert die vorliegende Arbeit die Anwendbarkeit dieses Temperaturproxys in Bezug auf die Rekonstruktion natürlicher Klimavariabilität. Im Speziellen wird aus den Beobachtungsdaten ein statistisches Modell abgeleitet, welches quantitativ die lokale räumliche (1–500 m-Skala) Variabilität erklärt; des Weiteren wird gezeigt, dass die zeitliche Variabilität hauptsächlich bedingt wird durch die Kombination zweier Effekte: einen klimatischen Jahreszyklus angetrieben durch den Jahresgang der Temperatur, und die Wirkung des Diffusionsprozesses auf einen zeitlich unkorrelierten Rauschterm. Diese Resultate führen zum einen zu einer wesentlich eingegrenzten Abschätzung der Repräsentativität einzelner, isotopenbasierter Proxyzeitreihen in Bezug auf lokale Temperaturveränderungen. Zum anderen beeinflussen sie erheblich die Interpretation scheinbarer Periodizitäten im Isotopensignal. Es wird darüber hinaus vermutet, dass die Gesamtstärke des Rauschens im Isotopensignal nicht nur durch die örtliche Akkumulationsrate bestimmt wird, sondern auch durch andere Parameter wie die lokale mittlere Windstärke und die räumliche und zeitliche Kohärenz der Niederschlagswichtung. Schließlich erlaubt die Erweiterung der Analyse auf größere räumliche und zeitliche Skalen die Untersuchung, inwieweit die Variabilität isotopenbasierter Proxyzeitreihen aus dem Holozän von der Zeitskala abhängt. Dadurch wird ein tieferes Verständnis der Proxyvariabilität erzielt, welches grundlegend dafür ist, die tatsächliche, in den Daten einzelner Zeitreihen verdeckt vorhandene Temperaturvariabilität, über einen weiten Zeitskalenbereich zu entschlüsseln.show moreshow less

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Metadaten
Author:Thomas MünchORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414963
Subtitle (English):insights into the spatial and temporal variability of water isotopes in Antarctica
Subtitle (German):Einblicke in die räumliche und zeitliche Variabilität antarktischer Isotopendaten
Advisor:Thomas Laepple
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2018
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/06/01
Release Date:2018/08/23
Tag:Antarktis; Dronning Maud Land; Eisbohrkern; Klimaphysik; Klimavariabilität; Kohnen; Proxyunsicherheit; Proxyverständnis; Temperaturproxy; stabile Isotope
Antarctica; Dronning Maud Land; Kohnen; climate physics; firn; ice core; isotope variations; noise; post-depositional; proxy uncertainty; proxy understanding; stable isotopes; temperature proxy; temperature variability; two-dimensional
Pagenumber:xxi, 197
RVK - Regensburg Classification:UT 8900
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
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Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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