TY  - THES
A1  - Münch, Thomas
T1  - Interpretation of temperature signals from ice cores
T1  - Interpretation von Temperatursignalen aus Eisbohrkernen
BT  - insights into the spatial and temporal variability of water isotopes in Antarctica
BT  - Einblicke in die räumliche und zeitliche Variabilität antarktischer Isotopendaten
N2  - 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 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.
N2  - 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. 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.
KW  - climate physics
KW  - temperature variability
KW  - temperature proxy
KW  - proxy understanding
KW  - proxy uncertainty
KW  - stable isotopes
KW  - isotope variations
KW  - ice core
KW  - firn
KW  - noise
KW  - post-depositional
KW  - two-dimensional
KW  - Antarctica
KW  - Dronning Maud Land
KW  - Kohnen
KW  - Klimaphysik
KW  - Klimavariabilität
KW  - Temperaturproxy
KW  - Proxyverständnis
KW  - Proxyunsicherheit
KW  - stabile Isotope
KW  - Eisbohrkern
KW  - Antarktis
KW  - Dronning Maud Land
KW  - Kohnen
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414963
ER  - 
TY  - THES
A1  - Breitenbach, Sebastian Franz Martin
T1  - Changes in monsoonal precipitation and atmospheric circulation during the Holocene reconstructed from stalagmites from Northeastern India
T1  - Veränderungen monsunalen Niederschlages und atmosphärischer Zirkulation während des Holozäns, rekonstruiert aus Stalagmiten aus Nordostindien
N2  - Recent years witnessed a vast advent of stalagmites as palaeoclimate archives. The multitude of geochemical and physical proxies and a promise of a precise and accurate age model greatly appeal to palaeoclimatologists. Although substantial progress was made in speleothem-based palaeoclimate research and despite high-resolution records from low-latitudinal regions, proving that palaeo-environmental changes can be archived on sub-annual to millennial time scales our comprehension of climate dynamics is still fragmentary. This is in particular true for the summer monsoon system on the Indian subcontinent. The Indian summer monsoon (ISM) is an integral part of the intertropical convergence zone (ITCZ). As this rainfall belt migrates northward during boreal summer, it brings monsoonal rainfall. ISM strength depends however on a variety of factors, including snow cover in Central Asia and oceanic conditions in the Indic and Pacific. Presently, many of the factors influencing the ISM are known, though their exact forcing mechanism and mutual relations remain ambiguous. Attempts to make an accurate prediction of rainfall intensity and frequency and drought recurrence, which is extremely important for South Asian countries, resemble a puzzle game; all interaction need to fall into the right place to obtain a complete picture. My thesis aims to create a faithful picture of climate change in India, covering the last 11,000 ka. NE India represents a key region for the Bay of Bengal (BoB) branch of the ISM, as it is here where the monsoon splits into a northwestward and a northeastward directed arm. The Meghalaya Plateau is the first barrier for northward moving air masses and receives excessive summer rainfall, while the winter season is very dry. The proximity of Meghalaya to the Tibetan Plateau on the one hand and the BoB on the other hand make the study area a key location for investigating the interaction between different forcings that governs the ISM. A basis for the interpretation of palaeoclimate records, and a first important outcome of my thesis is a conceptual model which explains the observed pattern of seasonal changes in stable isotopes (d18O and d2H) in rainfall. I show that although in tropical and subtropical regions the amount effect is commonly called to explain strongly depleted isotope values during enhanced rainfall, alone it cannot account for observed rainwater isotope variability in Meghalaya. Monitoring of rainwater isotopes shows no expected negative correlation between precipitation amount and d18O of rainfall. In turn I find evidence that the runoff from high elevations carries an inherited isotopic signature into the BoB, where during the ISM season the freshwater builds a strongly depleted plume on top of the marine water. The vapor originating from this plume is likely to memorize' and transmit further very negative d18O values. The lack of data does not allow for quantication of this plume effect' on isotopes in rainfall over Meghalaya but I suggest that it varies on seasonal to millennial timescales, depending on the runoff amount and source characteristics. The focal point of my thesis is the extraction of climatic signals archived in stalagmites from NE India. High uranium concentration in the stalagmites ensured excellent age control required for successful high-resolution climate reconstructions. Stable isotope (d18O and d13C) and grey-scale data allow unprecedented insights into millennial to seasonal dynamics of the summer and winter monsoon in NE India. ISM strength (i. e. rainfall amount) is recorded in changes in d18Ostalagmites. The d13C signal, reflecting drip rate changes, renders a powerful proxy for dry season conditions, and shows similarities to temperature-related changes on the Tibetan Plateau. A sub-annual grey-scale profile supports a concept of lower drip rate and slower stalagmite growth during dry conditions. During the Holocene, ISM followed a millennial-scale decrease of insolation, with decadal to centennial failures resulting from atmospheric changes. The period of maximum rainfall and enhanced seasonality corresponds to the Holocene Thermal Optimum observed in Europe. After a phase of rather stable conditions, 4.5 kyr ago, the strengthening ENSO system dominated the ISM. Strong El Nino events weakened the ISM, especially when in concert with positive Indian Ocean dipole events. The strongest droughts of the last 11 kyr are recorded during the past 2 kyr. Using the advantage of a well-dated stalagmite record at hand I tested the application of laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS) to detect sub-annual to sub-decadal changes in element concentrations in stalagmites. The development of a large ablation cell allows for ablating sample slabs of up to 22 cm total length. Each analyzed element is a potential proxy for different climatic parameters. Combining my previous results with the LAICP- MS-generated data shows that element concentration depends not only on rainfall amount and associated leaching from the soil. Additional factors, like biological activity and hydrogeochemical conditions in the soil and vadose zone can eventually affect the element content in drip water and in stalagmites. I present a theoretical conceptual model for my study site to explain how climatic signals can be transmitted and archived in stalagmite carbonate. Further, I establish a first 1500 year long element record, reconstructing rainfall variability. Additionally, I hypothesize that volcanic eruptions, producing large amounts of sulfuric acid, can influence soil acidity and hence element mobilization.
N2  - Stalagmiten erfuhren in den letzten Jahren vermehrt Aufmerksamkeit als bedeutende Paläoklima- Archive. Paläoklimatologen sind beeindruckt von der grossen Zahl geochemischer und physikalischer Indikatoren (Proxies) und der Möglichkeit, präzise absolute Altersmodelle zu erstellen. Doch obwohl substantielle Fortschritte in der speleothem-basierten Klimaforschung gemacht wurden, und trotz hochaufgelöster Archive aus niederen Breiten, welche zeigen, das Umweltveränderungen auf Zeitskalen von Jahren bis Jahrtausenden archiviert und rekonstruiert werden können, bleibt unser Verständnis der Klimadynamik fragmentarisch. Ganz besonders gilt dies für den Indischen Sommermonsun (ISM) auf dem Indischen Subkontinent. Der ISM ist heute als ein integraler Bestandteil der intertropischen Konvergenzzone verstanden. Sobald dieser Regengürtel während des borealen Sommer nordwärts migriert kann der ISM seine feuchten Luftmassen auf dem Asiatischen Festland entladen. Dabei hängt die Stärke des ISM von einer Vielzahl von Faktoren ab. Zu diesen gehören die Schneedicke in Zentralasien im vorhergehenden Winter und ozeanische Bedingungen im Indischen und Pazifschen Ozean. Heute sind viele dieser Faktoren bekannt. Trotzdem bleiben deren Mechanismen und internen Verbindungen weiterhin mysteriös. Versuche, korrekte Vorhersagen zu Niederschlagsintensität und Häufigkeit oder zu Dürreereignissen zu erstellen ähneln einem Puzzle. All die verschiedenen Interaktionen müssen an die richtige Stelle gelegt werden, um ein sinnvolles Bild entstehen zu lassen. Meine Dissertation versucht, ein vertrauenswürdiges Bild des sich wandelnden Holozänen Klimas in Indien zu erstellen. NE Indien ist eine Schlüsselregion für den östlichen Arm des ISM, da sich hier der ISM in zwei Arme aufteilt, einen nordwestwärts und einen nordostwärts gerichteten. Das Meghalaya Plateau ist das erste Hindernis für die sich nordwärts bewegenden Luftmassen und erhält entsprechend exzessive Niederschläge während des Sommers. Die winterliche Jahreszeit dagegen ist sehr trocken. Die Nähe zum Tibetplateau einerseits und der Bucht von Bengalen andererseits determinieren die Schlüsselposition dieser Region für das Studium der Interaktionen der den ISM beeinflussenden Kräfte. Ein Fundament für die Interpretation der Paläoklimarecords und ein erstes wichtiges Ergebnis meiner Arbeit ist ein konzeptuelles Modell, welches die beobachteten saisonalen Veränderungen stabiler Isotope (d18O und d2H) im Niederschlag erklärt. Ich zeige, das obwohl in tropischen und subtropischen Regionen meist der amount effect zur Erklärung stark negativer Isotopenwerte während starker Niederschläge herangezogen wird, dieser allein nicht ausreicht, um die Isotopenvariabilität im Niederschlag Meghalaya's zu erklären. Die Langzeitbeobachtung der Regenwasserisotopie zeigt keine negative Korrelation zwischen Niederschlagsmenge und d18O. Es finden sich Hinweise, das der Abfluss aus den Hochgebirgsregionen Tibets und des Himalaya eine Isotopensignatur an das Oberflächenwasser der Bucht von Bengalen vererbt. Dort bildet sich aus isotopisch stark abgereicherten Wässern während des ISM eine Süsswasserlinse aus. Es ist wahrscheinlich, das Wasserdampf, der aus dieser Linse stammt, ein Isotopensignal aufgeprägt bekommt, welches abgereichertes d18O weitertransportiert. Der Mangel an Daten lässt es bisher leider nicht zu, quantitative Aussagen über den Einfluss dieses plume effect' auf Niederschläge in Meghalaya zu treffen. Es lässt sich allerdings vermuten, das dieser Einfluss auf saisonalen wie auch auf langen Zeitskalen variabel ist, abhängig vom Abfluss und der Quellencharacteristik. Der Fokus meiner Arbeit liegt in der Herauslösung klimatischer Signale aus nordostindischen Stalagmiten. Hohe Urankonzentrationen in diesen Stalagmiten erlaubt eine exzellente Alterskontrolle, die für hochauflösende Klimarekonstruktionen unerlässlich ist. Die stabilen Isotope (d18O und d13C), sowie Grauwertdaten, erlauben einmalige Einblicke in die Dynamik des Sommer und auch des Wintermonsun in NE Indien. Die ISM Stärke (d. h. Niederschlagsmenge) wird in Veränderungen in den d18Ostalagmites reflektiert. Das d13C Signal, welches Tropfratenänderungen speichert, dient als potenter Indikator für winterliche Trockenheitsbedingungen. Es zeigt Ähnlichkeit zu temperaturabhängigen Veränderungen auf dem Tibetplateau. Das sub-annuell aufgelöste Grauwertprofil stärkt das Konzept, das verminderte Tropfraten und langsameres Stalagmitenwachstum eine Folge von Trockenheit sind. Während des Holozäns folgte der ISM der jahrtausendelangen Verringerung der Insolation. Es finden sich aber ebenso rapide Anomalien, die aus atmosphärischen Veränderungen resultieren. Die Phase des höchsten Niederschlages und erhöhter Saisonalität korrespondiert mit dem Holozänen Thermalen Maximum. Nach einer Phase einigermassen stabilen Bedingungen begann vor ca. 4500 Jahren ENSO einen zunehmenden Einfluss auf den ISM auszuüben. Starke El Nino Ereignisse schwächen den ISM, besonders wenn diese zeitgleich mit positiven Indian Ocean Dipole Ereignissen auftreten. Die stärksten Dürren des gesamten Holozäns traten in den letzten 2000 Jahren auf. Um zusätzliche Informationen aus den hervorragenden Proben zu gewinnen nutzte ich die Vorteile der laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). Diese erlaubt die Detektion sub-annueller bis sub-dekadischer Elementkonzentrationsveränderungen in Stalagmiten. Mittels einer neu entwickelten Ablationszelle konnten Proben von maximal 22 cm Länge untersucht werden. Jedes analysierte Element ist ein potentieller Träger einer Klimainformation. Die Kombination der früheren Ergebnisse mit denen der LA-IPC-MS zeigt, das die Elementkonzentrationen nicht nur von Niederschlagsveränderungen und assoziiertem Auswaschen aus dem Boden abhängen. Zusätzlich können auch die biologische Aktivität und hydrogeochemische Bedingungen in der vadosen Zone Einfluss auf die Elementzusammensetzung im Tropfwasser und in den Stalagmiten haben. Darum entwickelte ich ein theoretisches Modell für meinen Standort, um zu klären, wie Klimasignale von der Atmosphäre in die Höhle transportiert werden können. Ein anschliessend rekonstruierter 1500 Jahre langer Proxyrecord zeigt Niederschlagsvariabilität an. Zudem besteht die Möglichkeit, das Vulkaneruptionen, welche grosse Mengen an Schwefelsäure produzieren, eine Bodenversauerung verursachen und damit die Elementmobilisierung verstärken können.
KW  - Indischer Sommermonsun
KW  - Stabile Isotope
KW  - Stalagmiten
KW  - Holozän
KW  - Bucht von Bengalen
KW  - Indian Summer Monsoon
KW  - Bay of Bengal
KW  - stable isotopes
KW  - stalagmites
KW  - Laser ablation
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-37807
ER  -