The Aral Sea : a palaeoclimate archive

Der Aralsee : ein Paläoklimaarchiv

  • The intracontinental endorheic Aral Sea, remote from oceanic influences, represents an excellent sedimentary archive in Central Asia that can be used for high-resolution palaeoclimate studies. We performed palynological, microfacies and geochemical analyses on sediment cores retrieved from Chernyshov Bay, in the NW part of the modern Large Aral Sea. The most complete sedimentary sequence, whose total length is 11 m, covers approximately the past 2000 years of the late Holocene. High-resolution palynological analyses, conducted on both dinoflagellate cysts assemblages and pollen grains, evidenced prominent environmental change in the Aral Sea and in the catchment area. The diversity and the distribution of dinoflagellate cysts within the assemblages characterized the sequence of salinity and lake-level changes during the past 2000 years. Due to the strong dependence of the Aral Sea hydrology to inputs from its tributaries, the lake levels are ultimately linked to fluctuations in meltwater discharges during spring. As the amplitude ofThe intracontinental endorheic Aral Sea, remote from oceanic influences, represents an excellent sedimentary archive in Central Asia that can be used for high-resolution palaeoclimate studies. We performed palynological, microfacies and geochemical analyses on sediment cores retrieved from Chernyshov Bay, in the NW part of the modern Large Aral Sea. The most complete sedimentary sequence, whose total length is 11 m, covers approximately the past 2000 years of the late Holocene. High-resolution palynological analyses, conducted on both dinoflagellate cysts assemblages and pollen grains, evidenced prominent environmental change in the Aral Sea and in the catchment area. The diversity and the distribution of dinoflagellate cysts within the assemblages characterized the sequence of salinity and lake-level changes during the past 2000 years. Due to the strong dependence of the Aral Sea hydrology to inputs from its tributaries, the lake levels are ultimately linked to fluctuations in meltwater discharges during spring. As the amplitude of glacial meltwater inputs is largely controlled by temperature variations in the Tien Shan and Pamir Mountains during the melting season, salinity and lake-level changes of the Aral Sea reflect temperature fluctuations in the high catchment area during the past 2000 years. Dinoflagellate cyst assemblages document lake lowstands and hypersaline conditions during ca. 0–425 AD, 920–1230 AD, 1500 AD, 1600–1650 AD, 1800 AD and since the 1960s, whereas oligosaline conditions and higher lake levels prevailed during the intervening periods. Besides, reworked dinoflagellate cysts from Palaeogene and Neogene deposits happened to be a valuable proxy for extreme sheet-wash events, when precipitation is enhanced over the Aral Sea Basin as during 1230–1450 AD. We propose that the recorded environmental changes are related primarily to climate, but may have been possibly amplified during extreme conditions by human-controlled irrigation activities or military conflicts. Additionally, salinity levels and variations in solar activity show striking similarities over the past millennium, as during 1000–1300 AD, 1450–1550 and 1600–1700 AD when low lake levels match well with an increase in solar activity thus suggesting that an increase in the net radiative forcing reinforced past Aral Sea’s regressions. On the other hand, we used pollen analyses to quantify changes in moisture conditions in the Aral Sea Basin. High-resolution reconstruction of precipitation (mean annual) and temperature (mean annual, coldest versus warmest month) parameters are performed using the “probability mutual climatic spheres” method, providing the sequence of climate change for the past 2000 years in western Central Asia. Cold and arid conditions prevailed during ca. 0–400 AD, 900–1150 AD and 1500–1650 AD with the extension of xeric vegetation dominated by steppe elements. Conversely, warmer and less arid conditions occurred during ca. 400–900 AD and 1150–1450 AD, where steppe vegetation was enriched in plants requiring moister conditions. Change in the precipitation pattern over the Aral Sea Basin is shown to be predominantly controlled by the Eastern Mediterranean (EM) cyclonic system, which provides humidity to the Middle East and western Central Asia during winter and early spring. As the EM is significantly regulated by pressure modulations of the North Atlantic Oscillation (NAO) when the system is in a negative phase, a relationship between humidity over western Central Asia and the NAO is proposed. Besides, laminated sediments record shifts in sedimentary processes during the late Holocene that reflect pronounced changes in taphonomic dynamics. In Central Asia, the frequency of dust storms occurring during spring when the continent is heating up is mostly controlled by the intensity and the position of the Siberian High (SH) Pressure System. Using titanium (Ti) content in laminated sediments as a proxy for aeolian detrital inputs, changes in wind dynamics over Central Asia is documented for the past 1500 years, offering the longest reconstruction of SH variability to date. Based on high Ti content, stronger wind dynamics are reported from 450–700 AD, 1210–1265 AD, 1350–1750 AD and 1800–1975 AD, reporting a stronger SH during spring. In contrast, lower Ti content from 1750–1800 AD and 1980–1985 AD reflect a diminished influence of the SH and a reduced atmospheric circulation. During 1180–1210 AD and 1265–1310 AD, considerably weakened atmospheric circulation is evidenced. As a whole, though climate dynamics controlled environmental changes and ultimately modulated changes in the western Central Asia’s climate system, it is likely that changes in solar activity also had an impact by influencing to some extent the Aral Sea’s hydrology balance and also regional temperature patterns in the past. <hr> The appendix of the thesis is provided via the HTML document as ZIP download.show moreshow less
  • Der Aralsee ist ein intrakontinental gelegenes endorheisches Gewässer fernab von ozeanischen Einflüssen, welches ein exzellentes sedimentäres Archiv für hochauflösende Paläoklimastudien in Zentralasien darstellt. In der vorliegenden Studie wurden umfangreiche palynologische, mikrofazielle und geochemische Analysen anhand von mehreren Bohrkernen aus der Chernyshov-Bucht im NW des heutigen Großen Aralsees durchgeführt. Die vollständigste der erbohrten Sequenzen weist dabei eine Länge von 11 m auf und beinhaltet näherungsweise die letzten 2000 Jahre des Holozän. Die hochauflösenden palynologischen Analysen der Studie, welche sowohl die Untersuchung von Dinoflagellatenzysten als auch Pollen beinhaltet, zeugen von einschneidenden Umweltveränderungen im Aralsee und seinem Einzugsgebiet. Die Untersuchung von Diversität und räumlicher Verbreitung der fossilen Dinoflagellatenzysten vermittelt dabei ein genaues Bild von den Salinitäts- und Seespiegeländerungen der letzten 2000 Jahre. Aufgrund der weitgehenden Abhängigkeit derDer Aralsee ist ein intrakontinental gelegenes endorheisches Gewässer fernab von ozeanischen Einflüssen, welches ein exzellentes sedimentäres Archiv für hochauflösende Paläoklimastudien in Zentralasien darstellt. In der vorliegenden Studie wurden umfangreiche palynologische, mikrofazielle und geochemische Analysen anhand von mehreren Bohrkernen aus der Chernyshov-Bucht im NW des heutigen Großen Aralsees durchgeführt. Die vollständigste der erbohrten Sequenzen weist dabei eine Länge von 11 m auf und beinhaltet näherungsweise die letzten 2000 Jahre des Holozän. Die hochauflösenden palynologischen Analysen der Studie, welche sowohl die Untersuchung von Dinoflagellatenzysten als auch Pollen beinhaltet, zeugen von einschneidenden Umweltveränderungen im Aralsee und seinem Einzugsgebiet. Die Untersuchung von Diversität und räumlicher Verbreitung der fossilen Dinoflagellatenzysten vermittelt dabei ein genaues Bild von den Salinitäts- und Seespiegeländerungen der letzten 2000 Jahre. Aufgrund der weitgehenden Abhängigkeit der hydrologischen Verhältnisse des Aralsees von der Wasserführung seinen tributären Flüsse, hängt sein Seespiegel unmittelbar von den Schmelzwasserzuflüssen im Frühjahr ab. Da der Schmelzwasserzufluss seinerseits mit den Temperaturveränderungen im Tien Shan und Pamir während der Schneeschmelze in Verbindung steht, spiegeln die Paläo-Salinität und der Paläo-Seespiegel des Aralsees folglich die Temperaturveränderungen im hochgelegenen Einzugsgebiet des Aralsees wider. Die Untersuchung der fossilen Dinoflagellatenzysten belegt besonders niedrige Seestände und hypersaline Bedingungen während der Perioden 0–425 AD, 920–1230 AD, 1500 AD, 1600 AD, 1800 AD und seit 1960, wohingegen oligohaline Bedingungen und höhere Seestände zwischen diesen Phasen dokumentiert sind. Ferner stellen umgelagerte Dinoflagellatenzysten aus Paläogenen und Neogenen Ablagerungen wertvolle Proxies für den Beleg von extremen Flächenspülereignissen dar, wie sie beispielsweise 1230–1450 AD aufgetreten und durch sehr hohe Niederschläge dokumentiert sind. Anhand der in der Studie erarbeiteten Daten ist davon auszugehen, dass die am Aralsee nachgewiesenen Umweltveränderungen im Wesentlichen von klimatischen Änderungen induziert wurden, durch historischen Bewässerungsfeldbau oder militärischen Konflikten jedoch noch verstärkt werden konnten. Darüber hinaus zeigen die Seestandsveränderungen eine sehr hohe Korrelation mit der Sonnenaktivität im letzten Jahrtausend, wie etwa während den Perioden 1000–1300 AD, 1450–1550 und 1600–1700 AD. Komplementär zu der Untersuchung von Dinoflagellatenzysten liefert die Pollenanalyse wertvolle Klimadaten für das Becken des Aralsees. Verschiedene Temperatur- (Jahresmittel, kältester gegen wärmster Monat) und Niederschlagsparameter wurden mit Hilfe der Methode der „probability mutual climatic spheres“ quantitative ausgewertet, womit die Klimaentwicklung im westlichen Zentralasien der letzten 2000 Jahre nachvollzogen werden konnte. Kalte und aride Bedingungen wiesen demnach die durch trockenangepasste Vegetation und Steppenelementen geprägten Perioden 0–400 AD, 900–1150 AD und 1500–1650 AD auf. Andererseits traten warme und weniger aride Klimabedingungen in den durch niederschlagsbedürftigere Pflanzen gekennzeichneten Zeiträumen 400–900 AD and 1150–1450 AD in den Vordergrund. Die Studie zeigt für das Becken des Aralsees, dass die Veränderungen im Niederschlagsmuster hauptsächlich vom zyklonalen System des östlichen Mittelmeergebietes (EM) gesteuert werden, welches den nahen Osten und das westliche Zentralasien mit Feuchtigkeit im Winter und Frühjahr versorgt. Da seinerseits das EM maßgeblich von Luftdruckänderungen der Nordatlantischen Oszillation (NAO) während seiner negativen Phase reguliert wird, ist ein Zusammenhang zwischen der Feuchtigkeit im westlichen Zentralasien und dem NAO anzunehmen. Außerdem belegen die laminierten Sedimente Veränderungen in den Sedimentationsprozessen während des späten Holozän, sowie ausgeprägte Änderungen im taphonomischen Verhalten. In Zentralasien hängt die Häufigkeit der im Frühjahr auftretenden Staubstürme hauptsächlich von der Intensität und der Position des Sibirienhochs (SH) ab. Der Gehalt an Titanium (Ti) als Proxy für äolischen Eintrag in den laminierten Sedimenten erlaubt die Rekonstruktion von winddynamischen Veränderungen in Zentralasien in den letzten 1500 Jahren. Die Studie beinhaltet daher die bislang längste Analyse der Variabilität des SH. Hohe Titaniumwerte sprechen für eine stärkere Winddynamik während den Perioden 450–700 AD, 1210–1265 AD, 1350–1750 AD und 1800–1975 AD, und dokumentieren demzufolge eine stärker ausgeprägtes SH während des Frühjahrs. Umgekehrt belegen geringe Titaniumwerte für die Zeit von 1180–1210 AD, 1265–1310 AD, 1750–1800 AD und 1980–1985 AD einen reduzierten Einfluss des SH.show moreshow less

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Metadaten
Author:Philippe Sorrel
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-7807
Title Additional (English):The Aral Sea : a palaeoclimate archive
Advisor:Roland Oberhänsli
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2006
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2006/07/13
Release Date:2006/08/09
Tag:Mediterranes Tiefdrucksystem; NAO; Sibirienhoch; Vegetation
Aral Sea; Central Asia; climatic change; lake-level change; late holocene
GND Keyword:Aralsee; Dinoflagellatenzyste; Klimaveränderung; Pollenanalyse; Seestandsänderung; Winddynamik; Zentralasien; spätes Holozän
RVK - Regensburg Classification:TF 04999
RVK - Regensburg Classification:TP 06300
RVK - Regensburg Classification:TQ 01040
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Notes extern:The appendix of the thesis is provided via the HTML document as ZIP download.

Parts of the dissertation are used in the following publication:
Hydrographic development of the Aral Sea during the last 2000 years based on a quantitative analysis of dinoflagellate cysts / P. Sorrel ; S.-M. Popescu ; M.J. Head ; J.P. Suc ; S. Klotz ; H. Oberhänsli. - In:
Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. - 234 (2006), 2-4, S. 304 - 327
DOI: 10.1016/j.palaeo.2005.10.012