Last interglacial (MIS 5e) palaeoceanography of the nordic seas based on dinoflagellate cyst assemblages

Nieuwenhove, Nicolas van

Understanding the dynamics of a warm climate is essential in order to assess possible scenarios for future climate evolution. The last interglacial, Marine Isotopic Stage (MIS) 5e, is generally believed to have been warmer than the Holocene, under a comparable orbital configuration, and is thus a good candidate to get more insight in those dynamics. Climate is steered by the rate of overturning of warm surface waters into cool deepwaters. One of these overturning cells is located in the Nordic seas, and the area is thus a key region in terms of climate regulation. Marine sediments from three locations in the Nordic seas have been studied for their dinoflagellate cyst (dinocyst) content in order to reconstruct sea surface conditions (temperature, salinity, sea ice) during MIS 5e. In combination with stable oxygen isotope, ice rafted detritus (IRD) and planktic foraminiferal assemblage data, the variations in the dinocyst assemblage composition reflect a stepwise transition from the final phase of deglaciation (Termination II) into typical interglacial conditions, and the subsequent cooling during glacial inception towards MIS 5d. The marked presence of the neritic, warm-temperate dinocyst Lingulodinium machaerophorum towards the end of Termination II tells us that quite particular water masses entered the southern Nordic seas during the latest deglacial phases of MIS 6. A shift towards the inflow of “more Atlantic” waters and a drastic decrease in both IRD input and stable oxygen isotope values mark the start of MIS 5e. The northward heat flow remained relatively weak during the first ~4-5 kyr of MIS 5e, and at no time an east to west sea surface temperature gradient, as pronounced as at present, appears to have prevailed during that period. Quantitative and qualitative analyses of the dinocyst data from the Vøring Plateau in the eastern Norwegian Sea and comparison with core-top and published data substantiate the existence of distinctly different hydrological surface conditions during MIS 5e with respect to the late Holocene. A higher number of co-dominant, subordinate species in the last interglacial samples suggests that there was a more pronounced seasonality of the surface water at this time. This is supported by the sizeable abundance of Bitectatodinium tepikiense, a species virtually absent from the area for most of the Holocene. The seasonality signal is confirmed by transfer function reconstructions, which additionally indicate a stronger stratification of the upper water column during MIS 5e. Low but persistent IRD input during the first ~4.5 kyr of MIS 5e at the Vøring Plateau suggests that prolonged deglacial meltwater input may have caused the stratification and hindered the northward protrusion of Atlantic water masses towards the Arctic. The abundance maximum of the warm-temperate dinocyst species S. mirabilis s.l. between ~117.5 and 116.5 ka reveals that most pronounced, fully marine interglacial conditions prevailed in the (north)eastern Nordic seas only late in the last interglacial. The timing of the optimum is consistent with planktic foraminiferal findings, and contrasts with the early Holocene climatic optimum. Stable oxygen isotope values from planktic foraminifera for the MIS 5e optimum are comparable with average Holocene values, but are generally ca. 0.3‰ higher than those of the earlier part of the last interglacial. These higher 18O values therefore do not reflect optimal interglacial conditions, but corroborate the existence of a differently structured sea surface, as suggested by the dinocyst data. Whereas the enhanced northward heat flow from the late MIS 5e optimum allowed interglacial conditions to finally develop in the southern Fram Strait, it also appears to have strengthened the southward flow of the East Greenland Current. As a result, cold waters and sea ice were advected towards the eastern Iceland Plateau area, and no late MIS 5e optimum could develop in the uppermost surface waters there. The work presented here also illustrates that specific ecological constraints can cause different fossil groups to express climate events in a differing way. This clearly stresses the usefulness of combining different proxies for detailed palaeoceanographic reconstructions. Furthermore, the major impact from the enhanced and prolonged influence of Saalian deglacial meltwater on the further development of the last interglacial climate implies that MIS 5e cannot simply be taken as an analogue for the Holocene solely based on insolation forcing.

Für die Vorhersage möglicher zukünftiger Klimaszenarien ist das Verständnis der Mechanismen, die zur Ausbildung eines warmen Klimas führen, von besonders großer Bedeutung. Das letzte Interglazial, das marine Isotopenstadium (MIS) 5e, wird - bei vergleichbaren orbitalen Voraussetzungen - allgemein für wärmer gehalten als das Holozän. Das letzte Interglazial eignet sich daher gut, um die Prozesse, die zu wärmeren Bedingungen führen können, zu untersuchen. Das Klima wird maßgeblich von warmen Wassermassen beeinflusst, die abkühlen, von der Meeresoberfläche in die Tiefe abtauchen, und als kaltes Tiefenwasser in entgegen gesetzter Richtung zurückfließen. Eine dieser in die Tiefe abtauchenden Zellen befindet sich im Europäischen Nordmeer. Dieses Gebiet ist somit eine Schlüsselregion für die weltweite Klimasteuerung. Meeressedimente aus drei verschiedenen Gebieten des Europäischen Nordmeeres wurden auf Dinoflagellatenzysten hin untersucht, um die Bedingungen an der Meeresoberfläche (Temperatur, Salzgehalt, Eisbedeckung) während des MIS 5e zu rekonstruieren. Kombiniert mit Ergebnissen der Analyse der stabilen Sauerstoffisotope, des mit dem Eis transportierten Materials (Ice Rafted Debris = IRD) sowie des Gehalts planktischer Foraminiferen spiegelt die Zusammensetzung der Dinoflagellatenzysten eine schrittweise Veränderung von der Endphase der Deglaziation (Termination II) zu typischen interglazialen Verhältnissen und einer nachfolgenden Abkühlung im Zuge des einsetzenden glazialen Stadiums MIS 5d wider. Die deutlich erkennbare Präsenz von Dinoflagellatenzysten der neritischen, warmgemäßigten Art Lingulodinium machaerophorum gegen Ende von Termination II zeigt, dass ganz bestimmte Wassermassen während der letzten Phase des Deglazials MIS 6 in das südliche Nordmeer eindrangen. Der verstärkte Einfluss von Atlantischen Wassermassen sowie eine drastische Verringerung des IRD-Materials und der Werte der stabilen Sauerstoffisotope markieren den Beginn von MIS 5e. Der nach Norden gerichtete Wärmestrom blieb während der ersten vier- bis fünftausend Jahre von MIS 5e relativ schwach; ein von Osten nach Westen verlaufender Temperaturgradient an der Meeresoberfläche, wie es ihn heute gibt, existierte nicht. Quantitative und qualitative Untersuchungen der Dinoflagellatenzysten auf dem Vøring-Plateau in der östlichen Norwegischen See sowie der Vergleich mit Sedimentoberflächenproben und mit veröffentlichten Ergebnissen bestätigen die Annahme, dass sich die hydrologischen Verhältnisse an der Meeresoberfläche während des MIS 5e von denen im späten Holozän deutlich unterschieden. Eine höhere Anzahl von kodominanten untergeordneten Arten in verschiedenen Proben aus dem letzten Interglazial lässt auf einen verstärkten Einfluss der Jahreszeiten auf das Oberflächenwasser schließen. Dies wird auch von der deutlichen Präsenz von Bitectatodinium tepikiense unterstützt, einer Art, die im Holozän auf dem Vøring-Plateau praktisch nicht vorkommt. Der Einfluss der Jahreszeiten wird von Rekonstruktionen mit Hilfe von Transferfunktionen bestätigt. Diese zeigen zusätzlich eine stärkere Schichtung der oberen Wassersäule während MIS 5e an. Geringe, aber stetig vorhandene Mengen an IRD-Material auf dem Vøring-Plateau während der ersten vier- bis fünftausend Jahre im MIS 5e zeigen, dass anhaltende Schmelzwässer für diese Schichtung verantwortlich sein und einen stärkeren Einstrom der Atlantischen Wassermassen nach Norden bis in die Arktis verhindert haben könnten. Das Maximum warmgemäßigter Dinoflagellatenzysten der Art S. mirabilis s.l. zwischen ~117.5 und 116.5 ka verdeutlicht, dass stärker ausgeprägte, vollständig marine interglaziale Bedingungen im nordöstlichen Europäischen Nordmeer nur spät im letzten Interglazial existierten. Der Zeitpunkt des Optimums stimmt mit den Ergebnissen der planktischen Foraminiferenanalyse überein und verdeutlicht den Unterschied zum frühen holozänen Klimaoptimum. Die Werte der stabilen Sauerstoffisotope der planktischen Foraminiferen im MIS 5e-Optimum sind im Durchschnitt mit denen des Holozäns vergleichbar; sie sind allerdings etwa 0.3‰ höher als jene im frühen letzten Interglazial. Diese höheren d18O-Werte reflektieren daher keine optimalen interglazialen Verhältnisse, bestätigen jedoch die Existenz unterschiedlicher Schichtungen an der Meeresoberfläche, was mit den Ergebnissen der Dinoflagellatenzyste übereinstimmt. Der stärker nordwärts gerichtete Wärmestrom im späten MIS 5e führte zur Ausbildung interglazialer Bedingungen in der südlichen Framstraße. Gleichzeitig verstärkte sich der nach Süden gerichtete Ostgrönlandstrom. Kaltes Wasser und Meereis wurden in der Folge in das Gebiet des östlichen Island-Plateaus transportiert; hier bildete sich daher in den obersten Wasserschichten kein spätes MIS 5e-Optimum aus. Die Arbeit veranschaulicht auch, dass Klimaereignisse durch verschiedene fossile Gruppen in speziellen ökologischen Lebensräumen unterschiedlich dargestellt werden können. Dies betont den Vorteil einer detaillierten paläozeanographischen Rekonstruktion mit Hilfe verschiedener, miteinander kombinierter Indikatoren. Weiterhin verdeutlicht der verstärkte und verlängerte Einfluss der Saale-Schmelzwässer auf die weitere Entwicklung des letzten interglazialen Klimas, dass MIS 5e nicht einfach als Analog für das Holozän – allein basierend auf den Einfluss der Sonneneinstrahlung - angesehen werden kann.

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Nieuwenhove, Nicolas: Last interglacial (MIS 5e) palaeoceanography of the nordic seas based on dinoflagellate cyst assemblages. 2008.

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