Vanessa Skiba

• The European Alps are amongst the regions with highest glacier mass loss rates over the last decades. Under the threat of ongoing climate change, the ability to predict glacier mass balance changes for water and risk management purposes has become imperative. This raises an urgent need for reliable glacier models. The European Alps do not only host glaciers, but also numerous caves containing carbonate formations, called speleothems. Previous studies have shown that those speleothems also grew during times when the cave was covered by a warm-based glacier. In this thesis, I utilise speleothems from the European Alps as archives of local, environmental conditions related to mountain glacier evolution. Previous studies have shown that speleothem isotope data from the Alps can be strongly affected by in-cave processes. Therefore, part of this thesis focusses on developing an isotope evolution model, which successfully reproduces differences between contemporaneous growing speleothems. The model is used to propose correction approachesThe European Alps are amongst the regions with highest glacier mass loss rates over the last decades. Under the threat of ongoing climate change, the ability to predict glacier mass balance changes for water and risk management purposes has become imperative. This raises an urgent need for reliable glacier models. The European Alps do not only host glaciers, but also numerous caves containing carbonate formations, called speleothems. Previous studies have shown that those speleothems also grew during times when the cave was covered by a warm-based glacier. In this thesis, I utilise speleothems from the European Alps as archives of local, environmental conditions related to mountain glacier evolution. Previous studies have shown that speleothem isotope data from the Alps can be strongly affected by in-cave processes. Therefore, part of this thesis focusses on developing an isotope evolution model, which successfully reproduces differences between contemporaneous growing speleothems. The model is used to propose correction approaches for prior calcite precipitation effects on speleothem oxygen isotopes (δ18O). Applications on speleothem records from caves outside of the Alps demonstrate that corrected δ18O agrees better with other records and climate model simulations. Existing speleothem growth histories and carbon isotope (δ13C) records from Alpine caves located at different elevations are used to infer soil vs. glacier cover and the thermal regime of the glacier over the last glacial cycle. The compatibility with glacier evolution models is statistically assessed. A general agreement between speleothem δ13C-derived information on soil vs. glacier presence and modelled glacier coverage is found. However, glacier retreat during Marine Isotope Stage (MIS) 3 seems to be underestimated by the model. Furthermore, speleothem data provides evidence of surface temperature above the freezing point which is, however, not fully reproduced by the simulations. History of glacier cover and their thermal regime is explored for the high-elevation cave system Melchsee-Frutt in the Swiss Alps. Based on new (MIS 9b – MIS 7b, MIS 2) and available speleothem δ13C (MIS 7a – 5d) data, warm-based glacier cover is inferred for MIS 8, 7d, 6, and 2. Also a short period of cold-based ice coverage is found for early MIS 6. In a detailed multi-proxy analysis (δ18O, δ13C, Mg/Ca and Sr/Ca), millennial-scale changes in the glacier-related source of the water infiltrating in the karst during MIS 8 and 7d are found and linked to Northern Hemisphere climate variability. While speleothem records from high-elevation cave sites in the Alps exhibit huge potential for glacier reconstruction, several limitations remain, which are discussed throughout this thesis. Ultimately, recommendations are given to further leverage subglacial speleothems as an archive of glacier dynamics.…
• Die europäischen Alpen gehören zu den Regionen mit den höchsten Massenverlusten von Gletschern innerhalb der letzten Jahrzehnte. Angesichts des fortschreitenden Klimawandels ist die Vorhersage von Veränderungen in der Gletschermassenbilanz für das Wasser- und Risikomanagement unerlässlich geworden. Dafür werden zuverlässige Gletschermodelle dringend benötigt. Die europäischen Alpen beherbergen nicht nur Gletscher, sondern auch zahlreiche Höhlen inklusive Karbonatformationen, so genannte Speläotheme. Frühere Studien haben gezeigt, dass diese Speläotheme auch zu Zeiten entstanden sind, als die Höhle von einem Gletscher mit warmem Eis an der Basis bedeckt war. In dieser Dissertation verwende ich Speläotheme aus den europäischen Alpen als Archive für lokale Bedingungen im Zusammenhang mit der Evolution von Gebirgsgletschern. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Isotopenzusammensetzung von Speläothemen aus den Alpen stark durch höhleninterne Prozesse beeinflusst werden können. Daher konzentriert sich ein Teil dieser Arbeit auf dieDie europäischen Alpen gehören zu den Regionen mit den höchsten Massenverlusten von Gletschern innerhalb der letzten Jahrzehnte. Angesichts des fortschreitenden Klimawandels ist die Vorhersage von Veränderungen in der Gletschermassenbilanz für das Wasser- und Risikomanagement unerlässlich geworden. Dafür werden zuverlässige Gletschermodelle dringend benötigt. Die europäischen Alpen beherbergen nicht nur Gletscher, sondern auch zahlreiche Höhlen inklusive Karbonatformationen, so genannte Speläotheme. Frühere Studien haben gezeigt, dass diese Speläotheme auch zu Zeiten entstanden sind, als die Höhle von einem Gletscher mit warmem Eis an der Basis bedeckt war. In dieser Dissertation verwende ich Speläotheme aus den europäischen Alpen als Archive für lokale Bedingungen im Zusammenhang mit der Evolution von Gebirgsgletschern. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Isotopenzusammensetzung von Speläothemen aus den Alpen stark durch höhleninterne Prozesse beeinflusst werden können. Daher konzentriert sich ein Teil dieser Arbeit auf die Entwicklung eines Isotopenmodells, welches die Unterschiede zwischen gleichzeitig wachsenden Speläothemen erfolgreich reproduziert. Das Modell wird verwendet um Korrekturen der Auswirkungen solcher höhleninternen Prozesse auf die Sauerstoffisotope (δ18O) von Speläothemen vorzuschlagen. Die Anwendung auf Speläotheme aus Höhlen außerhalb der Alpen zeigt, dass das korrigierte δ18O besser mit anderen Datensätzen und Klimamodellsimulationen übereinstimmt. Bestehende Daten über die Wachstumsphasen von Speläothemen und die Kohlenstoffisotope (δ13C) von Höhlen der Alpen aus verschiedenen Höhenlagen werden verwendet, um Rückschlüsse auf die Gletscherbedeckung und deren thermisches Regime während der letzten Eiszeit zu ziehen. Die Kompatibilität mit Modellen der zeitlichen Gletscherentwicklung wird statistisch bewertet. Es zeigt sich eine allgemeine Übereinstimmung zwischen dem aus den Speläothemen δ13C abgeleiteten Auftreten von Gletschern und der modellierten Gletscherbedeckung. Jedoch scheint der Gletscherrückgang während dem Isotopenstadium (MIS) 3 vom Modell unterschätzt zu werden. Darüber hinaus liefern die Speläothem Daten einen Hinweis auf Oberflächentemperaturen oberhalb des Gefrierpunkts, die von den Simulationen jedoch nicht vollständig wiedergegeben werden. Die Geschichte der Gletscherbedeckung und des thermischen Regimes der Gletscher wird für das hochgelegene Höhlensystem Melchsee-Frutt in den Schweizer Alpen genauer untersucht. Auf der Grundlage neuer (MIS 9b - MIS 7b, MIS 2) und verfügbarer δ13C Daten (MIS 7a - 5d) wird für MIS 8, 7d, 6 und 2 auf Gletscherbedeckung mit warmem Eis an der Basis an diesem Standort geschlossen. Es gibt außerdem Hinweise auf eine kurze Periode einer Eisbedeckung mit kaltem Eis während einer tausendjährigen Kälteperiode im vorletzten Glazial. In einer detaillierten Multi-Proxy-Analyse (δ18O, δ13C, Mg/Ca und Sr/Ca) werden tausendjährige Schwankungen der gletscherabhängigen Quelle des in den Karst infiltrierenden Wassers während MIS 8 und 7d rekonstruiert und in Verbindung mit Klimavariabilität in der Nordhemisphäre gebracht. Obwohl Speläothem-Daten aus hochgelegenen Höhlen in den Alpen ein enormes Potenzial für Gletscherrekonstruktion aufweisen, gibt es noch immer Einschränkungen, die in dieser Arbeit ebenfalls diskutiert werden. Schließlich werden Empfehlungen zur weiteren Nutzung von subglazialen Speläothemen als Archiv für Gletscherdynamik gegeben.…