Coral-based climate reconstructions in the central and western Indian Ocean from the Holocene to the present-day : orbital forcing, internal variability and anthropogenic disturbances

Leupold, Maike; Pfeiffer, Miriam (Thesis advisor); Kukla, Peter (Thesis advisor); Zinke, Jens (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Um natürliche und durch den Menschen verursachte Klimaschwankungen besser verstehen zu können, sind langjährige Aufzeichnungen tropischer Klimaparameter der vergangenen hundert bis tausend Jahre unabdingbar. Instrumentelle Aufzeichnungen sind für gewöhnlich zu kurz; so gibt es zum Beispiel nur wenige kontinuierliche Aufzeichnungen, die weiter als 1950 in die Vergangenheit reichen. Klimaproxy-Archive, indirekte Klimaanzeiger, können helfen diese Lücken in den Datenbanken zu schließen. Tropische Korallen können solche Klimaproxy-Archive darstellen, mit Hilfe derer sich saisonale, interannuelle, dekadische und hundertjährige Klimaschwankungen rekonstruieren lassen. Mit Hilfe von Korallen können vergangene Schwankungen von Klimaparametern, wie Meeresoberflächentemperatur (sea surface temperature - SST) oder Regenfallmenge, rekonstruiert werden, indem man Sr/Ca und d18O der Korallenproben misst. In den letzten Jahrzehnten ist die Anzahl der Klimarekonstruktionen, die Korallen verwenden, stets gewachsen, wobei der tropische Indische Ozean noch immer unterrepräsentiert ist. Dabei ist der Indische Ozean, was die globale Erwärmung anbelangt, von hoher Bedeutung, da er zum Anstieg des globalen SST-Mittels den größten Anteil beiträgt und sich so stark wie kein anderer Ozean während des letzten Jahrhunderts erwärmt hat. Das Chagos-Archipel ist eine Inselgruppe in zentralen Indischen Ozean. Es befindet sich am östlichen Rand des Gebietes des sogenannten Seychelles-Chagos-Thermocline-Ridge, in dem vermehrt Auftrieb von kühlem Ozeanwasser beobachtet wird. In situ SST-Daten wurden hier seit 2006 von Temperatur-Loggern aufgezeichnet, die relativ genau von hochaufgelösten SatellitenSST-Daten abgebildet werden und die durch Auftrieb verursachte Abkühlung aufzeichnen. Zwei rezente Korallenkerne von zwei verschiedenen Korallenkolonien wurden von einer Riffknospe in der Lagune von Peros Banhos beprobt. Das Wasser in der Lagune ist von niedrigen saisonalenTemperaturschwankungen und hohen mittleren SST geprägt. Ein rezenter Korallenkern stammt aus dem äußeren Riffabhang vor Diego Garcia. Dieses Gebiet ist von hohen, durch Auftrieb verursachten, saisonalen Temperaturschwankungen gekennzeichnet. Die Sr/Ca-Zeitreihe des Kerns vom äußeren Riffabhang weist ausgeprägte saisonale Zyklen auf, die ebenfalls von den Satelliten-SST-Daten abgebildet werden. Zwischen 2007 und 2010 werden die Sr/Ca-Zeitreihen beider Lagunen-Kerne ebenfalls sehr gut von den Satelliten-SST-Daten abgebildet. Zwischen 2003 und 2006 jedoch sind die Sr/Ca-Zeitreihen abgeflacht und die jährlichen Wachstumsraten der Korallen sind gering. In diesem Zeitraum wurden für Chagos warme SST und bleichende Korallen berichtet. Demzufolge kann die beobachtete Reduktion des Korallenwachstums mit den anhaltenden warmen SST in Verbindung gebracht werden. Korallen vom äußeren Riffabhang in Chagos sind nicht von warmen SST-Ereignissen betroffen, da sie von kühlen Auftriebswässern geschützt werden. Daraus lässt sich schließen, dass die Temperaturschwankungen in einem Riffgebiet von hoher Bedeutung sind, um die Sensibilität von Korallen auf warme SST zu bestimmen. So scheinen Korallen aus Riffgebieten mit geringeren Temperaturschwankungen empfindlicher auf langanhaltend hohe SST zu reagieren. Des Weiteren zeigt diese Studie als erste, dass diese Signale in den Sr/Ca-Zeitreihen reproduzierbar sind, da sie von zwei Korallen unterschiedlicher Kolonien stammen. Auf interannuellen Zeitskalen sind der El-Niño-Southern-Oscillation (ENSO) - Mechanismus und der sogenannte Indische-Ozean-Dipol (IOD) die vorherrschenden Klimasysteme des tropischen Indischen Ozeans. Demnach haben El Niño-Ereignisse einen starken Einfluss auch auf Chagos. Eine stabile ENSO-SST-Beziehung zwischen dem tropischen Indischen und dem Pazifischen Ozean ist bis 1950, aber nicht darüber hinaus, bekannt. Drei monatlich-aufgelöste Sr/Ca-Zeitreihen sub-fossiler Korallen von Chagos werden verwendet, um vergangene SST zu rekonstruieren, die die Abschnitte 1675-1716 (Maunderminimum), 1836-1867 (späte Kleine Eiszeit) und 1870-1909 (frühe globale Erwärmungsphase) abdecken. Die Zeitreihen wurden mit einer zusätzlichen, bereits veröffentlichten Zeitreihe aus dem gleichen Gebiet kombiniert. Alle vier Zeitreihen zeigen eine typische ENSO-Periodizität auf. Frequenz und Intensität der einzelnen ENSO-Ereignisse variieren zwischen den untersuchten Abschnitten, spiegeln jedoch auch die tatsächliche ENSO-Frequenz wider. So sind auf Chagos El Niño- und La Niña-Ereignisse in rezenten Korallen- (1965-1995) und Satelliten-SST-Daten (1981-2018) häufiger zu finden als in der Koralle, die die Zeit des Maunderminimums abdeckt. Die Ergebnisse zeigen, dass die ENSO-SST-Beziehung auch vor 1950 im Indischen Ozean bestand. Das mittlere Holozän (MH; 6.000 Jahre vor heute) stellt einen interessanten Zeitraum dar, um Klimaschwankungen als Folge von veränderter Erdumlaufbahn und -rotation zu untersuchen. Denn die Breiten- und saisonale Verteilung der Insolation unterscheidet sich von der heutigen, wohingegen andere Klimaparameter wie das Eisvolumen und Treibhausgaskonzentrationen ähnlich der heutigen sind. Da der Regenfall in Ostafrika mit Änderungen der SST im tropischen Indischen Ozean gekoppelt ist, spielt Ostafrika eine entscheidende Rolle als Untersuchungsgebiet für Korallen-Klimarekonstruktionen, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean im Indischen Ozean besser zu verstehen. Drei Korallenproben, datiert auf dasMH und eine rezente Koralle aus Ostafrika werden hier verwendet, um vergangene SST und d18O des Meerwassers zu rekonstruieren. Sowohl rezente, als auch die Korallen-SST des MH folgen nicht nur der Insolation, sondern auch der Monsun-Zirkulation. Des Weiteren ist eine verringerte Saisonalität im mittleren SST-Jahresgang und ein Versatz der SST-Jahresmaxima zwischen heute und dem MH zu beobachten. Beides kann auf Änderungen der Erdumlaufbahn und -rotation zurückgeführt werden. Zusätzlich zu SST reflektiert d18O der Korallenprobe Regenfall, ozeanische Advektionsprozesse oder aber alle drei Parameter. Jedoch ist das Signal nicht so deutlich wie das der Sr/Ca-Zeitreihen. Zusammengefasst präsentiert diese Studie drei rezente und drei sub-fossile Korallen-Sr/Ca-Zeitreihen aus dem zentralen Indischen Ozean (Chagos), sowie drei fossile und eine rezente Korallen-Sr/Ca-Zeitreihe und eine rezente d18O-Zeitreihe aus dem westlichen Indischen Ozean / Ostafrika (Kenya). Diese neuen Zeitreihen werden verwendet, um vergangene SST und d18O des Meerwassers zu rekonstruieren. Demnach trägt diese Arbeit dazu bei, Lücken in den Klima-Datenbanken des Indischen Ozeans weiter zu schließen.

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