Late Quaternary changes in paleoproductivity and hydrographyin the Azores region deduced from coccolithophore assemblages

Schwab, Christian

Marine sediment cores provide the opportunity to study past climatic changes, which is essential to understand the ongoing and future climate change. Within this context, the North Atlantic Ocean is one of the best-studied areas. However, most of these studies focus on the continental margins and shelfs, where thick piles of sediment allow a detailed reconstruction of past environmental changes. In contrast, little is known about the low- to midlatitude open ocean areas, which would be crucial regarding the large area covered. Furthermore, the low latitudes of the North Atlantic are considered to play a key role in modulating the global climate on at least orbital and millennial timescales. This key role is attributed to their ability to retain/release heat to the higher latitudes and therefore to influence the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). Especially changes in marine primary productivity, which due to their impact on the ocean carbon cycle are an integral part of the climate system, are of interest to the (paleo-) climate community. Therefore, in this PhD thesis, changes in primary productivity and hy-drography were reconstructed with high temporal resolution in the temperate/subtropical open ocean North Atlantic, from three sediment cores (GEOFAR KF16, MD08-3179Cq and MD08-3180Cq) taken slightly south of the Azores Islands. These reconstructions are primarily based on quantitative analysis of coccolithophore assemblages, which are supplemented by alkenone analysis, X-ray fluorescence (XRF) core scanning and diatom counts. The results indicate that profound changes in productivity and in hydrographic conditions occurred during the selected time periods of the last 130 kyrs in the Azores region, which can convincingly be deduced from changes in coccolithophore assemblages. For example, an increased productivity prevailed in the Azores region during the last deglacial and early Holocene, especially during cold Heinrich event 1 (H1) and the cold Younger Dryas that are characterized by a strongly reduced AMOC. This is evidenced by increased coccolith accumulation rates, increased alkenone concentrations/accumulation rates, increased Ba/Ti ratios and increased diatom abundances. The increased productivity was a response to intensified westerly winds and the advection of northern-sourced, nutrient-rich surface waters. Furthermore, a more southern position of the Azores Front (AzF), as indicated by abundance changes of key coccolithophore species (G. muellerae, grouped subtropical species), contributed to the observed increased productivity. In conjunction with other studies from the midlatitude North Atlantic, these results indicate that there was a band of high productivity at the northern rim of the contracted North Atlantic subtropical gyre during times of a reduced Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). A similar pattern of changes can be observed during weak AMOC phases between 130 and 48 kyrs BP. During the penultimate deglacial and cold Marine Isotope (sub-) Stages (MIS) 5.4, 5.2 and 4, an increased productivity and a more southern position of the Azores Front is observed. On the other hand, during warm periods (MIS 5.3, MIS 5.1, MIS 3) a decreased productivity and a more northern position of the Azores Front are found. An exception to this general pattern is the last interglacial period (MIS 5.5), which is characterized by strongly increased coccolithophore productivity. This increased productivity was probably caused by the opportunity for coccolithophores to occupy new habitats after glacial conditions and/or by an increased advection and upwelling of nutrient-rich Subantarctic Mode Water (SAMW). Because a more comprehensive knowledge of natural interglacial climate variability is important within the context of future climate change, special emphasis is given to the present and last interglacial period in this thesis. Comparing the results for the present (Holocene) and the last (MIS 5.5) interglacial period reveals a similar pattern of changes in the Azores region, and leads to the following hypothesis: Due to an early northern hemisphere insolation maximum, a first amelioration of climate, characterized by a decreased productivity and a more northern position of the Azores Front is found during the early interglacials. Thereafter, a delayed response of the northern hemisphere ice-sheets caused an increased input of freshwater to the North Atlantic, leading to a reversal towards more glacial conditions. This accelerated melting was terminated by a collapse of the ice-sheets, resulting in an outburst of proglacial lakes, an event that is recognized in the Azores region at least during the Holocene (8.2 kyr event). After the freshwater forcing ceased, full interglacial conditions established during the late interglacials. In general, an increased primary productivity and a more southern position of the Azores Front are found during cold periods, whereas a decreased primary productivity and more northern position of the Azores Front are found during warm periods. As the Azores Front delineates the northern boundary of the North Atlantic subtropical gyre, these results indicate a contracted gyre during cold periods and an expanded gyre during warm periods. Furthermore, within the context of an expected future global warming, these results lead to the assumption that the oligotrophic waters of the North Atlantic subtropical gyre probably would expand northwards in response to a warming. A resulting decreased marine primary productivity, and hence a decreased atmospheric CO2 fixation by marine phytoplankton, would provide a positive feedback to the increasing temperatures. However, taking MIS 5.5 as an analogue scenario for the expected future climate change, the presented results indicate that a future decrease in marine primary productivity, due to an expansion of the oligotrophic gyre, could probably be counteracted by increased coccolithophore productivity.

Marine Sedimentkerne bieten die Möglichkeit klimatische Veränderungen in der Vergangenheit zu studieren, und somit den zukünftigen Klimawandel besser zu verstehen. In diesem Zusammenhang ist der Nordatlantik eines der am besten untersuchten Gebiete. Allerdings konzentrieren sich die meisten dieser Studien auf die Bereiche der Kontinentalhänge und Schelfe, wo mächtige Sedimentablagerungen eine detaillierte Rekonstruktion der vergangen Umweltveränderungen erlauben. In Gegensatz dazu ist wenig über die offenen Ozeanbereiche der niedrigen bis mittleren Breiten des Nordatlantik bekannt, welche jedoch entscheidend sind, da sie eine große Fläche abdecken. Weiterhin spielen die niedrigen Breiten des Nordatlantiks eine wichtige Rolle bei Klimaveränderungen, zumindest auf orbitalen und millennium-skaligen Zeitskalen. Diese wichtige Rolle wird den niederen Breiten des Nordatlantiks zugeschrieben, da sie Wärme speichern können, bzw. and die höheren Breiten abgeben können, und somit die atlantische Umwälzzirkulation (AMOC) beeinflussen können. Besonders Veränderungen in der marinen Primärproduktivität, welche durch ihren Einfluss auf den ozeanischen Kohlenstoffkreislauf ein wichtiger Bestandteil des Klimasystems sind, sind von Interesse für die (Paläo-) Klimatologie. Deshalb wurden in der vorliegenden Dissertation die Veränderungen in der Primärproduktivität und Hydrographie im gemäßigten/subtropischen Bereich des offenen Nordatlantiks mit hoher zeitlicher Auflö-sung rekonstruiert. Als Grundlage für diese Untersuchungen dienten drei Sedimentkerne (GEOFAR KF16, MD08-3179Cq und MD08-3180Cq), welche südlich der Azoren entnommen wurden. Die Rekonstruktionen basieren hauptsächlich auf der quantitativen Analyse von Coccolithophoridengemeinschaften, welche durch Messungen von Alkenonen, Röntgenfluoreszenz (XRF) Kernanalysen und Diatomeen-Zählungen ergänzt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass tiefgreifende Veränderungen in der Primärproduktivität und den hydrographischen Bedingungen während ausgesuchter Zeitabschnitte der letzten 130 kyrs im Bereich der Azoren stattfanden, die überzeugend aus den Veränderungen in der Coccolithophoridengemeinschaft abgeleitet werden können. Zum Beispiel herrschte im Bereich der Azoren eine erhöhte Primärproduktivität wäh-rend des letzten Deglazials und frühen Holozäns, vor allem während des kalten Heinrich Ereignisses 1 (H1) und der kalten Jüngeren Dryas, die durch eine stark reduzierte AMOC gekennzeichnet sind. Die erhöhte Primärproduktivität wird durch erhöhte Coccolithen-Akkumulationsraten, erhöhte Alkenonen-Konzentrationen/Akkumukationsraten, erhöhte Ba/Ti-Verhältnisse und erhöhte Konzentrationen an Diatomeen belegt. Die erhöhte Primärproduktivität wurde durch verstärkte Westwinde sowie durch die Advektion von oberflächennahen, nährstoffreichen Wassermassen aus den höheren Breiten verursacht. Darüber hinaus trug eine südlichere Position der Azorenfront (AzF) zu der erhöhten Primär-produktivität bei. Diese südlichere Position der Azorenfront kann aus den beobachteten Häufigkeitsveränderungen ausgewählter Coccolithophoridenarten (G. muellerae, gruppierte subtropische Arten) abgeleitet werden. In Verbindung mit anderen Ergebnissen aus den mittleren Breiten des Nordatlantiks zeigen diese Ergebnisse, dass sich während Zeiten einer reduzierten atlantischen Umwälzzirkulation eine Zone erhöhter Primärproduktivität am Nordrand der zusammengezogenen subtropischen Gyre befand. Ein ähnliches Muster an Veränderungen lässt sich während Zeiten schwacher AMOC zwischen 130 und 48 kyrs BP beobachten. Während des vorletzten Deglazials sowie während der kalten Marinen Isotopen (sub-) Stadien (MIS) 5.4, 5.2 und 4 herrschte eine erhöhte Primärproduktivität im Bereich der Azoren und die Azorenfront lag weiter südlich. In Gegensatz dazu wird eine erniedrigte Primärproduktivität und eine nördlichere Position der Azorenfront während der warmen Perioden (MIS 5.3, MIS 5.1, MIS 3) beobachtet. Eine Ausnahme zu diesem generellen Muster ist das letzte Interglazial (MIS 5.5), welches durch eine strak erhöhte Coccolithophoridenproduktivität gekennzeichnet ist. Diese erhöhte Produktivität wurde durch die Besetzung neuer Lebensräume nach der vorausgegangenen Eiszeit und/oder durch die verstärkte Advektion und den Auftrieb von nährstoffreichem Subantarktischen Modewassers (SAMW) hervorgerufen. Im Rahmen des zu erwartenden künftigen Klimawandels ist die Kenntnis der natürlichen interglazialen Klimavariabilität von besonderer Bedeutung. Daher wird in dieser Arbeit besonders auf die Änderungen während des gegenwärtigen und letzten Interglazials eingegangen. Beim Vergleich der Ergebnisse aus dem gegenwärtigen (Holozän) und dem letzten (MIS 5.5) Interglazial, erhält man ein ähnliches Muster an Veränderungen im Bereich der Azoren, was zu folgender Hypothese führt: Aufgrund eines frühen Insolationsmaximums in der nördlichen Hemisphäre, kam es zu einer frühen Besserung des Klimas, das im Bereich der Azoren durch eine geringe Primärproduktivität und eine nördliche Position der Azorenfront gekennzeichnet ist. Danach verursachte die verzögerte Reaktion der nördlichen Eisschilde einen erhöhten Eintrag an Frischwasser in den Nordatlantik, was wiederum zu einer Umkehr hin zu mehr eiszeitlichen Bedingungen führte. Das beschleunigte Abschmelzen der nördlichen Eisschilde wurde durch deren Zusammenbruch beendet. Dies wiederum führte zu einem Zusammenbruch von proglazialen Seen, ein Ereignis, das zumindest während des Holozäns im Bereich der Azoren festgestellt wurde (8.2 kyr Ereig-nis). Nachdem sich der Einfluss des Frischwassers abgeschwächt hatte, etablierten sich die vollen interglazialen Bedingungen erst spät während des gegenwärtigen und letzten Interglazials. Im Allgemeinen wird eine erhöhte Primärproduktivität und eine südlichere Position der Azorenfront während kalter Perioden gefunden. Im Gegensatz dazu wird eine erniedrigte Primärproduktivität und eine nördlichere Position der Azorenfront während warmer Perioden festgestellt. Da die Azorenfront den nördlichen Rand der nordatlantischen sub-tropischen Gyre markiert, implizieren diese Ergebnisse eine zusammengezogene Gyre während kalter Perioden und eine Ausdehnung der Gyre während warmer Perioden. Im Rahmen der erwarteten künftigen Klimaerwärmung führen diese Ergebnisse weiterhin zu der Annahme, dass sich die oligotrophen Wassermassen der nordatlantische subtropische Gyre als Reaktion auf die Erwärmung weiter nordwärts ausdehnen werden. Eine daraus resultierende Abnahme der marinen Primärproduktivität, und eine damit verbundene Abnahme der atmosphärischen CO2-Fixierung durch marines Phytoplankton, würden einen positiven Rückkopplungsmechanismus für die zu erwartende Erwärmung darstellen. Zieht man jedoch das letzte Interglazial als ein analoges Szenario für den zu erwartenden Klimawandel heran, zeigen die hier dargestellten Ergebnisse, dass eine erhöhte Coccolithophoridenproduktivität der zu erwartenden Abnahme in der marinen Primärproduktivität möglicherweise entgegenwirkt.

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Schwab, Christian: Late Quaternary changes in paleoproductivity and hydrographyin the Azores region deduced from coccolithophore assemblages. 2013.

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