Holocene variations in the strength of the Indian Monsoon system

Holozäne Schwankungen in der Stärke des Indischen Monsunsystems

  • The monsoon is an important component of the Earth’s climate system. It played a vital role in the development and sustenance of the largely agro-based economy in India. A better understanding of past variations in the Indian Summer Monsoon (ISM) is necessary to assess its nature under global warming scenarios. Instead, our knowledge of spatiotemporal patterns of past ISM strength, as inferred from proxy records, is limited due to the lack of high-resolution paleo-hydrological records from the core monsoon domain. In this thesis I aim to improve our understanding of Holocene ISM variability from the core ‘monsoon zone’ (CMZ) in India. To achieve this goal, I tried to understand modern and thereafter reconstruct Holocene monsoonal hydrology, by studying surface sediments and a high-resolution sedimentary record from the saline-alkaline Lonar crater lake, central India. My approach relies on analyzing stable carbon and hydrogen isotope ratios from sedimentary lipid biomarkers to track past hydrological changes. In order toThe monsoon is an important component of the Earth’s climate system. It played a vital role in the development and sustenance of the largely agro-based economy in India. A better understanding of past variations in the Indian Summer Monsoon (ISM) is necessary to assess its nature under global warming scenarios. Instead, our knowledge of spatiotemporal patterns of past ISM strength, as inferred from proxy records, is limited due to the lack of high-resolution paleo-hydrological records from the core monsoon domain. In this thesis I aim to improve our understanding of Holocene ISM variability from the core ‘monsoon zone’ (CMZ) in India. To achieve this goal, I tried to understand modern and thereafter reconstruct Holocene monsoonal hydrology, by studying surface sediments and a high-resolution sedimentary record from the saline-alkaline Lonar crater lake, central India. My approach relies on analyzing stable carbon and hydrogen isotope ratios from sedimentary lipid biomarkers to track past hydrological changes. In order to evaluate the relationship of the modern ecosystem and hydrology of the lake I studied the distribution of lipid biomarkers in the modern ecosystem and compared it to lake surface sediments. The major plants from dry deciduous mixed forest type produced a greater amount of leaf wax n-alkanes and a greater fraction of n-C31 and n-C33 alkanes relative to n-C27 and n-C29. Relatively high average chain length (ACL) values (29.6–32.8) for these plants seem common for vegetation from an arid and warm climate. Additionally I found that human influence and subsequent nutrient supply result in increased lake primary productivity, leading to an unusually high concentration of tetrahymanol, a biomarker for salinity and water column stratification, in the nearshore sediments. Due to this inhomogeneous deposition of tetrahymanol in modern sediments, I hypothesize that lake level fluctuation may potentially affect aquatic lipid biomarker distributions in lacustrine sediments, in addition to source changes. I reconstructed centennial-scale hydrological variability associated with changes in the intensity of the ISM based on a record of leaf wax and aquatic biomarkers and their stable carbon (δ13C) and hydrogen (δD) isotopic composition from a 10 m long sediment core from the lake. I identified three main periods of distinct hydrology over the Holocene in central India. The period between 10.1 and 6 cal. ka BP was likely the wettest during the Holocene. Lower ACL index values (29.4 to 28.6) of leaf wax n-alkanes and their negative δ13C values (–34.8‰ to –27.8‰) indicated the dominance of woody C3 vegetation in the catchment, and negative δDwax (average for leaf wax n-alkanes) values (–171‰ to –147‰) argue for a wet period due to an intensified monsoon. After 6 cal. ka BP, a gradual shift to less negative δ13C values (particularly for the grass derived n-C31) and appearance of the triterpene lipid tetrahymanol, generally considered as a marker for salinity and water column stratification, marked the onset of drier conditions. At 5.1 cal. ka BP increasing flux of leaf wax n-alkanes along with the highest flux of tetrahymanol indicated proximity of the lakeshore to the center due to a major lake level decrease. Rapid fluctuations in abundance of both terrestrial and aquatic biomarkers between 4.8 and 4 cal. ka BP indicated an unstable lake ecosystem, culminating in a transition to arid conditions. A pronounced shift to less negative δ13C values, in particular for n-C31 (–25.2‰ to –22.8‰), over this period indicated a change of dominant vegetation to C4 grasses. Along with a 40‰ increase in leaf wax n-alkane δD values, which likely resulted from less rainfall and/or higher plant evapotranspiration, I interpret this period to reflect the driest conditions in the region during the last 10.1 ka. This transition led to protracted late Holocene arid conditions and the establishment of a permanently saline lake. This is supported by the high abundance of tetrahymanol. A late Holocene peak of cyanobacterial biomarker input at 1.3 cal. ka BP might represent an event of lake eutrophication, possibly due to human impact and the onset of cattle/livestock farming in the catchment. The most intriguing feature of the mid-Holocene driest period was the high amplitude and rapid fluctuations in δDwax values, probably due to a change in the moisture source and/or precipitation seasonality. I hypothesize that orbital induced weakening of the summer solar insolation and associated reorganization of the general atmospheric circulation were responsible for an unstable hydroclimate in the mid-Holocene in the CMZ. My findings shed light onto the sequence of changes during mean state changes of the monsoonal system, once an insolation driven threshold has been passed, and show that small changes in solar insolation can be associated to major environmental changes and large fluctuations in moisture source, a scenario that may be relevant with respect to future changes in the ISM system.show moreshow less
  • Der Monsun ist ein wichtiger Bestandteil des Klimasystems der Erde. Er spielte in der Entwicklung und im Lebensunterhalt der weitgehend agrarisch geprägten Wirtschaft in Indien eine wesentliche Rolle. Ein besseres Verständnis von vergangenen Schwankungen im Indischen Sommermonsun (ISM) ist notwendig, um dessen Wesen unter dem Einfluss globaler Erwärmungsszenarien zu bewerten. Stattdessen ist unser Wissen über räumlich-zeitliche Muster der vergangenen ISM Intensität, wie sie aus Proxydaten abgeleitet wird, aufgrund des Mangels an hochauflösenden paläohydrologischen Datensätzen aus der Kernmonsunregion sehr eingeschränkt. In dieser Arbeit versuche ich unser Verständnis über die ISM Variabilität im Holozän in der Kernmonsunregion in Indien zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen habe ich versucht, zunächst die rezente und danach die holozäne monsunale Hydrologie durch das Studium von Oberflächensedimenten und eines hochaufgelösten Sedimentkerns aus dem salzhaltigen-alkalischen Lonar Kratersee, Zentralindien zuDer Monsun ist ein wichtiger Bestandteil des Klimasystems der Erde. Er spielte in der Entwicklung und im Lebensunterhalt der weitgehend agrarisch geprägten Wirtschaft in Indien eine wesentliche Rolle. Ein besseres Verständnis von vergangenen Schwankungen im Indischen Sommermonsun (ISM) ist notwendig, um dessen Wesen unter dem Einfluss globaler Erwärmungsszenarien zu bewerten. Stattdessen ist unser Wissen über räumlich-zeitliche Muster der vergangenen ISM Intensität, wie sie aus Proxydaten abgeleitet wird, aufgrund des Mangels an hochauflösenden paläohydrologischen Datensätzen aus der Kernmonsunregion sehr eingeschränkt. In dieser Arbeit versuche ich unser Verständnis über die ISM Variabilität im Holozän in der Kernmonsunregion in Indien zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen habe ich versucht, zunächst die rezente und danach die holozäne monsunale Hydrologie durch das Studium von Oberflächensedimenten und eines hochaufgelösten Sedimentkerns aus dem salzhaltigen-alkalischen Lonar Kratersee, Zentralindien zu verstehen. Mein Ansatz stützt sich auf der Analyse stabiler Wasserstoff- und Kohlenstoffisotopenverhältnisse von sedimentären Lipid Biomarkern, um vergangene hydrologische Veränderungen zu verfolgen. Um die Beziehung des modernen Ökosystems mit der Hydrologie des Sees zu bewerten, untersuchte ich die Verteilung von Lipid Biomarkern im rezenten Ökosystem und verglich sie mit den Oberflächensedimenten des Sees. Die bedeutendsten Pflanzen aus dem trockenen Laubmischwaldtyp erzeugten eine größere Menge an Blattwachs n-Alkanen und einen größeren Anteil von n-C31 und n-C33 Alkanen im Verhältnis zu n-C27 und n-C29. Die relativ hohen durchschnittlichen Werte der Kettenlängen (29.6–32.8) für diese Pflanzen scheinen für die Vegetation in einem ariden und warmen Klima weit verbreitet zu sein. Zusätzlich fand ich heraus, dass der menschliche Einfluss und eine nachfolgende Nährstoffzufuhr zu einer Erhöhung der Primärproduktion im See führen, die in einer ungewöhnlich hohen Konzentration von Tetrahymanol, einem Biomarker für Salzgehalt und Schichtung der Wassersäule, in den Sedimenten des Uferbereichs resultiert. Aufgrund dieser inhomogenen Ablagerung von Tetrahymanol in rezenten Sedimenten vermute ich, dass Seespiegelschwankungen möglicherweise aquatische Lipid Biomarker Verteilungen in limnischen Sedimenten, zusätzlich zu Änderungen in deren Herkunft, potentiell beeinflussen. Ich habe die hundertjährig-lange hydrologische Variabilität, die mit Veränderungen in der Intensität des ISM verbunden ist, auf der Basis von Blattwachs Lipid Biomarkern und ihrer stabilen Kohlenstoff- (δ13C) und Wasserstoffisotopenzusammensetzung (δD) ausgehend von einem 10 m langen Sedimentkern aus dem See rekonstruiert. Ich habe drei Hauptphasen von signifikanter Hydrologie im Holozän in Zentralindien identifiziert. Die Periode zwischen 10.1 und 6 cal. ka BP war wahrscheinlich die feuchteste während des Holozäns. Geringere durchschnittliche Kettenlängen Indexwerte (29.4 bis 28.6) von Blattwachs n-Alkanen und ihre negativen δ13C Werte (–34.8‰ bis –27.8‰) wiesen auf die Dominanz von holziger C3 Vegetation im Einzugsgebiet hin, und negative δDwax (Durchschnitt für Blattwachs n-Alkane) Werte (–171‰ bis –147‰) stehen für eine feuchte Periode in Verbindung mit einem verstärkten Monsun. Nach 6 cal. ka BP führte eine allmähliche Verschiebung zu weniger negativen δ13C Werten (insbesondere für Gras abgeleitete n-C31) und das Vorkommen von Triterpen Lipid Tetrahymanol, allgemein als Indikator für Salzgehalt und Wassersäulenstratifizierung verwendet, zum Beginn von trockeneren Bedingungen. Um 5.1 cal. ka BP deutete ein erhöhter Fluss von Blattwachs n-Alkanen in Zusammenhang mit dem höchsten Fluss von Tetrahymanol auf eine bedeutende Absenkung des Seeufers durch den Rückgang im Seespiegel. Rasche Schwankungen in der Menge von terrestrischen und aquatischen Biomarkern zwischen 4.8 und 4 cal. ka BP wiesen auf ein instabiles Seeökosystem hin, das in einem Übergang zu ariden Bedingungen kulminiert. Eine bedeutende Verschiebung zu weniger negativen δ13C Werten in dieser Periode, insbesondere für n-C31 (–25.2‰ bis –22.8‰), zeigte einen Wandel in der dominanten Vegetation hin zu C4 Gräsern. Zusammen mit einem 40‰ Anstieg in den δD Werten der Blattwachs n-Alkane, der wahrscheinlich von weniger Niederschlag und/oder höherer Evapotranspiration der Pflanzen ausgelöst wurde, interpretiere ich diese Periode als die trockenste der letzten 10.1 ka. Dieser Übergang führte zu lang anhaltenden spätholozänen ariden Bedingungen und zur Ausbildung eines dauerhaften salzhaltigen Sees. Dies wird durch ein hohes Vorkommen von Tetrahymanol unterstützt. Ein spätholozäner Höchstwert in der Zufuhr blaualgenhaltiger Biomarker um 1.3 cal. ka BP könnte ein Ereignis der Eutrophierung des Sees darstellen, wahrscheinlich in Verbindung mit dem menschlichen Einfluss und dem Beginn der Rinder- und Viehzucht im Einzugsgebiet. Die faszinierendsten Merkmale der trockensten Periode im mittleren Holozän waren die hohe Amplitude und rasche Fluktuationen in den δDwax Werten, wahrscheinlich in Verbindung mit einer Veränderung in der Herkunft der Feuchtigkeit und/oder Saisonalität im Niederschlag. Ich vermute, dass eine orbital induzierte Abschwächung der sommerlichen Solarstrahlung und eine damit verbundene Umstellung der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation für ein instabiles Hydroklima im mittleren Holozän in der Kernmonsunregion verantwortlich waren. Meine Ergebnisse liefern den Aufschluss über die Abfolge von Veränderungen während der mittleren Zustandsänderungen des Monsunsystems, sobald ein einstrahlungsgetriebener Schwellenwert überschritten ist, und sie zeigen, dass kleine Änderungen in der solaren Einstrahlung mit markanten Umweltveränderungen und großen Schwankungen in der Herkunft der Feuchtigkeit einhergehen, ein Szenario, das in Bezug zu zukünftigen Veränderungen des ISM Systems relevant sein könnte.show moreshow less

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Metadaten
Author:Saswati Sarkar
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74905
Subtitle (English):a combined biomarker and stable isotope approach
Subtitle (German):ein kombinierter Ansatz mit Biomarkern und stabilen Isotopen
Advisor:Dirk Sachse
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/01/16
Release Date:2015/04/15
Tag:Holozän; indischer Monsun
Indian Monsoon; holocene
Pagenumber:ix, 114
RVK - Regensburg Classification:TF 04999, TI 03700, TK 1025, TP 6640, TP 06640
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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