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Universität Bremen
Reaktion der Zwischenwassertemperatur auf Veränderungen der
thermohalinen Zirkulation
Stefan Mulitza, Carsten Rühlemann,Gerrit Lohmann,André Paul,Matthias Prange
Universität Bremen, Fachbereich Geowissenschaften, Postfach 330440, 28357 Bremen
80°
GISP2
60°
NA87-22
VM23-081
40°
EN120 GGC
20°
M35003-4
Eq
ODP 1078C
20°
Abb.2: PositionenderuntersuchtenSedimentkernesowiedesGISP2Eiskernes.
Abb. 3: Altersmodelle der Kerne ODP 1078C und M35003-4, die mit Hilfe der
RadiocarbonmethodebestimmtwurdensowieSedimentationsratenfürbeideKerne.
Einführung und Zusammenfassung. Das Verhältnis stabiler
Sauerstoffisotope im Wasser (fest, flüssig oder gasförmig) ist
heute eines der wichtigsten Werkzeuge in der
Paläoklimaforschung. Dem hydrologischen Kreislauf folgend,
durchlaufen die Isotope des Sauerstoffs alle wesentlichen
Subsysteme des Klimas, nämlich Ozean, Atmosphäre und Eis,
und werden von den jeweiligen klimatischen Bedingungen in
unterschiedlicher Art und Weise beeinflußt.Aus diesem Grunde
sind Sauerstoff-Isotopenverhältnisse für paläoklimatische
Synthesen besonders gut geeignet. In der Paläozeanographie
werden die Sauerstoff-Isotopenverhältnisse planktischer und
benthischer Foraminiferen vor allem für Rekonstruktionen der
TemperaturundderIsotopenzsammensetzungdesumgebenden
Meerwassers verwendet (Abb. 1). Signalträger in marinen
Sedimenten ist in erster Linie das Carbonat planktischer und
benthischer Foraminiferen, das mit Hilfe der Radiocarbonmethode zuverlässig datiert werden kann. In der hier
vorgestellten Arbeit wird die Sauerstoff-Isotopenzusammensetzung benthischer Foraminiferen aus zwei
Sedimentkernen (Abb. 2-6) zur Rekonstruktion der
Zwischenwassertemperatur im tropischen Atlantik verwendet.
Unsere Untersuchung zeigt, dass eine Abschwächung der
thermohalinen Zirkulation, wie sie z.B. für die letzte
Abschmelzphase beobachtet wurde, mit einer deutlichen
Erwärmung in mittleren Wassertiefen verbunden ist. Eine
entsprechende Erwärmung wird auch von Zirkualtionsexperimenten für eine Abschwächung der thermohalinen
Zirkulation, z.B. in Folge eines Süßwassereintrages in den
Nordatlantik, vorhergesagt (Abb. 7-10). Die Temperatur des
Zentral- und Zwischenwassers im Südatlantik stellt somit einen
sensitviven Indikator für Veränderungen der thermohalinen
Zikulation dar und sollte in zukünftige Monitoringstrategien
miteinbezogenwerden.
Abb. 4: Sauerstoff-Isotopenkurven der benthischen Foraminiferenarten Cibicidoides
wuellerstorfi [Hüls,2000]und Bolivinadilatata indenKernenM35003-4undODP1078C.
18
Die durchgezogene Linie zeigt den Verlauf der globalen δ O Änderung durch
VeränderungendesEisvolumens.
Einflußfaktoren auf das Isotopensignal planktischerundbenthischer Foraminiferen
Wärmeflüsse
Süßwasserflüsse
δ18O (Foraminifere)
Temperatur
~0.22 ‰ /°C
wird gespeichert
δ O (Wasser)
18
wirdgespeichert
Zirkulation
Zirkulation
OZEAN
SEDIMENT
Abb. 1: Schematische Darstellung der Prozesse, die die Sauerstoff-Isotopenzusammensetzung benthischer und planktischer
Foraminiferenbestimmen.DieIsotopenzusammensetzungwirdimwesentlichendurchdieTemperaturunddieIsotopenzusammensetzung
desumgebendenMeerwassers gesteuert.NachderAblagerungbleibenso Informationen über die hydrographischen Bedingungen des
Oberflächenwassers (anhand von planktischen Foraminiferen) und des Bodenwassers (anhand von benthischen Foraminiferen) im
Sedimenterhalten,diemitHilfegeeigneterDatierungen(z.B.mitderRadiocarbonmethode)inZeitreihenumgewandeltwerdenkönnen.
Abb.6: VergleichderSauerstoff-Isotopenkurvevon B.dilatata (b)mitdem
für den Nordatlantik anhand des Kernes NA87-22 rekonstruierten
Salzgehalt(a)(Duplessyetal.,1992).DieSauerstoff-Isotopenkurvevon B.
dilatata wurdefürdenglobalenEiseffektkorrigiert.
Abb. 5: Vergleich verschiedener Klimaindikatoren des Oberflächen-,
Zwischen- und Tiefenwassers für den Zeitraum der letzten
Abschmelzphase. (a) Sauerstoff-Isotopenkurve des GISP2 Eiskernes
(StuiverandGrootes,2000),(b)RelativerAnteildetrtitischenCarbonatsim
K e r n VM23-081 (Bond et a l . , 1999), (c) Rekonstruierter
14
Oberflächensalzgehalt im Kern NA87-22 (Rockall Plateau), (d) ∆ C
(Suigetsu-See,Japan,ausKitagawaandvanderPlicht,2000)alsIndikator
der thermohalinen Zirkulation, (e) Cadmium/Calzium-Verhältnis
benthischer Foraminiferen aus dem Kern EN120 GGC1 (Boyle and
Keigwin,1987)sowieIsotopenkurvenderForaminiferenartenB.dilatata(f)
andC.wuellerstorfi(g)[Hüls,2000]derKerneODP1078CundM35003-4.
DieDatenzeigen,dasseineAbschwächungderthermohalinenZirkulation
während desHeinrich-Ereignisses1 (H1) und der JüngerenDryas (YD),
wie sie durch Cadmium/Calzium Verhältnisse benthischerForaminiferen
14
(e)unddieVariationendesatmosphärischen Cbelegtsind,mitnegativen
18
δ O Anomalien (f, g) einhergehen, die mit einer Erwärmung der
Zwischenwassermassen erklärt werden können. Gleichzeitig ist der
Salzgehalt im Nordatlantik verringert, was auf einen Süßwassereintrag
hindeutet.
21
20
T (25m)
37°N
19
18
17
16
12
15
14
Abb. 7: (a) Zonal gemittelte Verteilung der Temperatur, simuliert mit dem
dreidimensionalen LSG-Ozeanmodell (Rühlemann et al., im Druck) (B) glaziale
Temperaturanomalie.
10
T (450m)
12.5°S
0.8
8
1
Abb. 8: Reaktion des Ozeanmodells auf einen Schmelzwassereintrag im
Nordatlantik. (a) Zonal gemittelte Temperatur im Jahr 500 nach dem
Schmelzwassereintrag als Anomalie zum Kontrollexperiment. (b) TemperaturanomaliefüreinensimuliertenglazialenOzean.
1.2
δ18O Carbonate
6
(450m, 12.5°S)
1.4
1.6
1.8
0
δ18O Water
(450m, 12.5°S)
0.2
0.4
PublikationenmitBezugaufdiesesDEKLIM-Projekt:
Schmidt,G.A.andMulitza,S.(2002).Globalcalibrationofecologicalmodelsforplankticforaminiferafromcoretopcarbonateoxygen-18. Mar.Micropal. 44,125-140.
Niebler,S.,Arz,H.,Donner,B.,Mulitza,S.,Pätzold,J.andWefer,G.(2003).Seasurfacetemperaturesintheequatorial andSouthAtlanticOcean duringtheLastGlacialMaximum(23–19ka).
Paleoceanography 18,doi:10.1029/2003PA000902,2003
Mulitza,S.,Boltovskoy,D.,Donner,B.Meggers,H.,Paul,A.,Wefer,G.(2003).Temperature: δ1 8 Orelationshipsofplankticforaminiferacollectedfromsurfacewaters. Palaeogeogr.,Palaeoclimatol.,
Palaeoecol., imDruck.
Mulitza,S.Donner,B.,Fischer,G.Paul,A.,Pätzold,J.Rühlemann,C.AndSegl,M.(2003).TheSouthAtlanticOxygen-IsotopeRecordofPlanktic Foraminifera.In:Wefer,G.,Mulitza,S.,Ratmeyer,V.
(Eds) TheSouthAtlanticduringthelateQuaternary:ReconstructionodMaterialBudgetandCurrentSystems.Springer,imDruck.
Rühlemann, C., Mulitza,S.,Lohmann,S.,Paul,A.,Prange,M.andWefer,G.(2003).Abruptwarmingoftheintermediat e-depthtropicalAtlanticcausedbythermohalinecirculationweakening:
evidencefrompaleoclimatedataandmodelsimulations. Paleoceanography, einger.Ms.
Kim,J.-H.,Mulitza,S.,Schneider,R.R,Müller,P.J.(2003).Atmospheric-oceaniceffectsontemporalandspatial variationsinsea-surfacetemperaturesintheSEAtlanticduringthelastdeglaciation.J.
Geophys.Res.,imDruck
Waelbroeck,C.,Mulitza,S.,Spero,H.,Dokken,T.andKiefer,T.(2003).Harmonizedglobalplanktonic δ 1 8Odataset:relationtosurfacewatertemperatureand δ1 8 O, Quat.Sci. Rev. ,submitted.
Rühlemann,C.;Mulitza,S;Lohmann,G.,Paul,A.,Prange,M.,Wefer,G.(2003).Abruptwarmingoftheintermediate-d epthAtlanticOceaninresponsetothermohalinecirculationslowdownduringthe
lastdeglaciation.PAGESNewsletter2003-1,RatesofChange
1000
800
600
400
200
0
Time after meltwater input (years)
Abb. 9: (oben) Zonal gemittelte Verteilung des SauerstoffIsotopenverhältnisses des Meerwassers, simuliert mit dem
zweidimensionalenHanse-Modell.DasHanse-Modellbestehtausden
Komponenten Atmosphäre, Meereis und Ozean und enthält einen
aktiven hydrologischen und isotopischen Kreislauf. Die Auflösung
beträgt5°inmeridionalerRichtung.DerOzeanverfügtzusätzlichüber
20 Schichten von 50-450 m Mächtigkeit. (unten) Beobachtete
Sauerstoff-IsotopenverteilungimAtlantik(GEOSECS).
Abb.10: Modellierte zeitliche Entwicklung der Temperatur (37.5°N
und 25 m Tiefe, 12.5°S und 450 m Tiefe) und der
IsotopenzusammensetzungvonMeerwasserundCarbonat(12.5°S,
450 m Tiefe ) in einem Schmelzwasserexperiment mit dem HanseModell (0.025 Sv für 500 Jahre, eingeleitet in den nördlichen
Nordatlantikzwischen40°-50°N,beiglazialerEinstrahlungfür21ka
BPundeinemCO-Gehaltvon220ppmv).
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