Impact of deglacial and Holocene AMOC changes on the mixed layer and deepwater hydrography of the subtropical North Atlantic

Transkript

1 Impact of deglacial and Holocene AMOC changes on the mixed layer and deepwater hydrography of the subtropical North Atlantic Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch- Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian- Albrechts- Universität zu Kiel vorgelegt von Janne Repschläger Kiel, Juli 2013

2

3 1. Gutachterin und Betreuerin: PD Dr. Mara Weinelt 2. Gutachter: Prof. Dr. Ralph Schneider Tag der Disputation: Zum Druck genehmigt: Der Dekan: Prof. Dr. Wolfgang J. Duschl

4

5 Erklärung Hiermit erkläre ich von Eides statt, dass die vorliegende Arbeit, abgesehen von der Beratung durch meine akademischen Lehrer, in Inhalt und Form meine eigene Arbeit darstellt. Ferner habe ich weder diese noch eine ähnliche Arbeit an einer anderen Hochschule im Rahmen eines Prüfungsverfahrens vorgelegt. Diese Arbeit ist unter Einhaltung der Regeln guter wissenschaftlicher Praxis der Deutschen Forschungsgemeinschaft entstanden. Kiel, den Janne Repschläger

6

7 Abstract The Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) transports warm saline water from low to high northern latitudes where it cools, sinks down and returns southward as deepwater flow. By the heat transfer from low to high latitudes, AMOC contributes in balancing the global energy budget and thus is an important part of global climate system. Within this study the impact of AMOC changes on surface and deepwater hydrography of the subtropical North Atlantic is investigated by the use of high-resolution sediment cores from a coring site located south of the Azores at the eastern flank of the Mid Atlantic Ridge. The Azores coring site is situated in the subtropical eastern North Atlantic (NA) at the boundary between warm Subtropical Gyre Water (STG) and temperate East North Atlantic Water (ENAW) at the surface. At depth the site is located at the interface between southern sourced Lower Deep Water (LDW) and North East Atlantic Deep Water (NEADW) that consists of a mixture of northern sourced Iceland-Scotland Overflow Water (ISOW) and Labrador Sea Water (LSW). Due to its location at water mass boundaries the coring position is ideal to reconstruct coupled surface and deepwater changes. Deglacial records in centennial to decadal resolution of changes in the mixed layer and the deepwater are established. Multiproxy sea surface temperature (SST) reconstructions using Mg/Ca surface of planktonic surface and subsurface dwelling foraminifera, the alkenone undersaturation index U K 37 and foraminifera transfer function (SIMMAX) are used to gain a reliable deglacial SST records from the subtropcial NA and to decipher environmental imprints other than temperature on SST reconstructions. The combination of these SST records with stable oxygen isotope records (δ 18 O) from planktonic surface and subsurface dwelling foraminifera are used to derive changes in the mixed layer salinity ( 18 O w-ice ). Additionally, variations in the STG position are reconstructed by the use of foraminifera abundance data. Deglacial changes in deepwater composition are traced by its ventilation, temperature and salinity by the coupled use of stable isotope (δ 18 O and δ 13 C) and Mg/Ca bottom water temperature (BWT) reconstructions from benthic foraminifera. This new data indicates that the position of the NA subtropical Gyre (STG) was coupled with AMOC strength over the last deglaciation and the early to mid Holocene (16-7 ka BP). During cold deglacial and Holocene weak AMOC phases (Heinrich event 1 (H1), Younger Dryas (YD), Preboreal and 8.2 event) the STG was displaced southward. This STG displacement most probably was driven by meltwater that reached southward to the Azores coring site (38 N) as indicated by salinity reconstructions ( 18 O w-ice ) that indicate at least a salinity decrease of 1 Standard Mean Ocean Water (SMOW) for the H1 and 8.2 events. Additionally a southward extension of temperate ENAW led to a SST cooling of C in comparison to modern values. On the contrary the presence of relatively warm subsurface water (14 C) during the YD might indicate subsurface heat storage during this event. The new high-resolution BWT, ventilation and δ 18 O w-ice record from the subtropical eastern NA indicates that the deepwater composition in the eastern North Atlantic basin changed over the last 15

8 ka BP in parallel to deglacial changes in surface water hydrography. A general evolution toward a warmer better ventilated deepwater was disrupted during the H1 event, the YD and the early Holocene by a less ventilated (δ 13 C values between ), cool (1.5 C minimum BWT) and freshened water (0.5 δ 18 O w-ice depletion). The parallel evolution of BWT, δ 13 C and δ 18 O w-ice with changes in deepand surface water compositions in the subpolar NA and with the Greenland ice core record NGRIP indicates that variations in deepwater composition over the last 15 ka BP were triggered by high northern latitude climatic processes. This new results contradict the idea that southern sourced deepwater entered the subpolar NA during cold events. In consequence the new results would imply that the NA changes contributed even to deglacial changes in the Antarctic bottom water composition and finally had an impact on changes in the deepwater stratification mode as is discussed in a new conceptual model.

9 Zusammenfassung Die meridionale Umwälzzirkulation im Atlantik (engl. AMOC) transportiert warmes und salzreiches Wasser aus den Tropen in die hohen nördlichen Breiten, wo es abkühlt, absinkt und als Tiefenwasser in den Süden zurück fließt. Durch den Wärmetransport von niedrigen zu hohen Breiten trägt die AMOC zum Erhalt des globalen Energiehaushalts bei und ist daher ein wichtiger Bestandteil des globalen Klimasystems. Diese Studie befasst sich mit dem Einfluss von AMOC- Veränderungen auf die Oberflächen- und Tiefenwasser Hydrographie des subtropischen Nordatlantiks. Diese Veränderungen werden anhand von hochauflösenden Zeitreihen von Sedimentkernen rekonstruiert. Die Sedimentkerne stammen von einer Kernposition südlich der Azoren an der östlichen Flanke des Mittelatlantischen Rückens. Die Oberflächenwasserzirkulation in diesem Teil des subtropischen östlichen Nordatlantik (NA) wird von der warmen subtropischen Gyre (STG) bestimmt, die im Norden von gemäßigtem Ost-Nordatlantik Wasser (engl. ENAW) begrenzt wird. Die Kernposition liegt an der Grenze dieser zwei Wassermassen. An der Azoren Kernposition treffen zwei Tiefenwassermassen aufeinander, Unteren Tiefenwasser (engl. LDW), welches im südlichen subpolaren Atlantik gebildet wird und das Nord- Ostatlantischem Tiefenwasser (engl. NEADW). Letzteres wird im subpolaren Nordatlantik gebildet und besteht aus der Mischung zwei weiterer Wassermassen, dem Island-Schottland Overflow Wasser (engl. ISOW) und dem Labrador Seewasser (engl. LSW). Aufgrund der Position an den Grenzen der Oberflächen- und Tiefenwassermassen ist die Azoren Kernposition ideal dazu geeignet gekoppelte Deckschicht- und Tiefenwasser- Veränderungen zu rekonstruieren. Diese Veränderungen werden mit Hilfe von Datensätzen mit zehn- bis hundertjähriger Auflösung untersucht. Veränderungen der Deckschichttemperatur werden mit Hilfe verschiedener Proxies, der Foraminiferentransferfunktionen (SIMMAX), dem Alkenonuntersättigungs- Index U K 37 sowie Mg/Ca Messungen an den Gehäusen von Oberflächen- und Zwischenwasser bewohnenden planktischen Foraminiferen rekonstruiert. Der Vergleich dieser verschiedenen Proxy- Temperaturen wird dazu genutzt, potentielle Überprägungen des Temperaturdatensatzes zu erkennen und somit eine verlässliche Temperaturrekonstruktion aus dem subtropischen Nordatlantik über das letzte Deglazial zu erhalten. Des weiteren wurden stabilen Sauerstoffisotopenwerten (δ 18 O) an den Gehäusen von Oberflächen- und Zwischenwasser bewohnenden planktischen Foraminiferen gemessenen. Die Kombination der Temperaturrekonstruktionen mit den stabilen Sauerstoffisotopenwerten (δ 18 O) wird dazu genutzt Veränderungen im Salzgehalt ( 18 O w-ice ) der Wassermassen zu rekonstruieren. Zusätzlich werden Veränderungen der STG Position mit Hilfe der Häufigkeitsverteilungen planktonischer Foraminiferen rekonstruiert.

10 Die Änderungen in der Tiefenwasserzusammensetzung im Deglazial wurden durch Ventilations-, Temperatur- und Salinitätsrekonstruktionen mit Hilfe von stabilen Isotopen (δ 18 O and δ 13 C) und Mg/Ca Bodenwassertemperatur Rekonstruktionen an benthischen Foraminiferen nachverfolgt. Diese neuen Daten zeigen, eine Kopplung zwischen der Position der NA subtropischen Gyre (STG) und der AMOC Stärke im Deglazials und dem frühen bis mittleren Holozän (16-7 ka BP). In deglaziale Kaltphasen (Heinrich Ereignis 1, Jüngere Dryas, Präboreal und 8.2 Ereignis), in denen AMOC schwach war, verschob sich der Nordrand der STG südwärts. Salzgehaltsabnahmen von 1 SMOW, die für das Heinrich 1 und 8.2 Ereignis rekonstruiert wurden, deuten darauf hin, dass diese Verschiebung der STG durch Schmelzwasser verursacht wurden, welches sich bis zur Azoren Kernposition (38 N) ausdehnte. Ein gleichzeitiges Vordringen von temperiertem ENAW führte zu einer Abkühlung des Oberflächenwassers an der heute subtropischen Position von C gegenüber heutigen Werten. Im Gegensatz dazu deuten relativ stabile Zwischenwassertemperaturen in der Jüngeren Dryas auf eine Wärmespeicherung im Zwischenwasser hin. Neue Tiefenwassertemperatur, -ventilations- und δ 18 O w Daten in zehn- bis hundertjähriger Auflösung aus dem östlichen subpolaren NA zeigen, dass sich die Tiefenwasserzusammensetzung im östlichen NA Becken während der letzten Jahre verändert hat. Diese Veränderung ereigneten sich gleichzeitig mit den Veränderungen in der Oberflächenwasserhydrografie. Während dem Deglazial erwärmte sich das Tiefenwasser und die Tiefenwasserventilation verbesserte sich. Diese generelle Evolution zu einem wärmeren, besser ventilierten Tiefenwasser wurde durch das Vordringen von schlechter ventiliertem (δ 13 C Werte zwischen ), kühlerem (Minimalwert für BWT 1.5 C) und weniger salzreichem Wasser ( δ 18 O w-eis Abnahme) während des H1 Ereignis, der YD und dem frühen Holozän unterbrochen. Die parallele Evolution von BWT, δ 13 C und δ 18 O w-eis an den Azoren mit Veränderungen im Tiefen und Oberflächenwasser im subpolaren NA deuten darauf hin, dass die Veränderungen in der Tiefenwasserzusammensetzung über die letzten Jahre von klimatischen Prozessen in den hohen nördlichen Breiten gesteuert wurden. Diese neuen Ergebnisse widersprechen der Annahme, dass in Kaltphasen AABW bis in den subpolaren NA vordrang. Eine Konsequenz dieser Ergebnissee wäre, dass Veränderungen im NA auch zu deglazialen Veränderungen des Antarktischen Bodenwassers beitrugen und somit zu Änderungen in der atlantischen Tiefenwasserstratifizierung führen könnten. Dieser Zusammenhang wird mit Hilfe eines neuen Begriffmodels diskutiert.