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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-28005
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2006/2800/


Collapse and Resumption of the Thermohaline Circulation during Deglaciation : Insights by Models of Different Complexity

Zusammenbruch und Wiederherstellung der Thermohalinen Zirkulation während der Deglaziation : Erkenntnisse durch Modelle unterschiedlicher Komplexität

Knorr, Gregor

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SWD-Schlagwörter: Thermohaline Zirkulation , Klima / Modell , Hochglazial , Spätglazial
Freie Schlagwörter (Deutsch): Deglaziation
Freie Schlagwörter (Englisch): Climate Modelling , Thermohaline Zirkulation , Last Glacial Maximum , Deglaciation
Basisklassifikation: 38.90 , 38.84
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Fraedrich, Klaus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.06.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 14.02.2006
Kurzfassung auf Englisch: The transition between the last glacial (cold) and our modern interglacial (warm) period occurred between about 20,000 and 10,000 years before present, as indicated by proxy data from ice core, ocean sediment and terrestrial records. These data display that deglacial warming over Antarctica preceded a rapid warming in Greenland by more than 1000 years. Furthermore, a series of abrupt climate shifts suggest that massive reorganizations in the thermohaline circulation (THC) and accompanying variations in northward heat transport within the Atlantic have been involved in deglacial climate change. As yet, studies of these phenomena have focused mostly on the North Atlantic region to explain the succession of abrupt climate events. This is because North Atlantic deepwater formation sites, a sensitive key player of the THC, and various sources of freshwater coexist in this realm that perturb the circulation during deglaciation.
Using three-dimensional global models of the ocean and the atmosphere, as well as a conceptual model, THC changes have been analysed that arise in response to different deglacial warming and meltwater scenarios. The results show that gradual global and Southern Hemisphere warming during deglaciation leads to an abrupt resumption of a stalled THC, while Northern Hemisphere warming is not sufficient to trigger an augmentation in presence of reasonable meltwater fluxes to the North Atlantic. The rapid transition to an interglacial THC is linked to large-scale salinity advection of near surface waters from the South Atlantic/Indian Ocean and the tropics to the formation areas of North Atlantic deep water, as well as heat release from the sub-surface North Atlantic. This THC transition can be related to the onset of the Bølling/Allerød warm interval 14,700 years ago. The interglacial circulation mode is characterized by a strong insensitivity to deglacial meltwater pulses, but possesses a distinct bistability in the hysteresis curve for cumulative positive freshwater fluxes to the North Atlantic. Therefore, the restarted THC bears the potential for a delayed long term weakening in response to the large meltwater pulse 1A, which occurred about 1,000 years before climate conditions in the Northern Hemisphere dropped back to glacial conditions during Younger Dryas that ended rapidly 11,700 years ago. The atmosphere model indicates that the resumption of the Atlantic THC influences the large-scale atmospheric pattern globally, with warming in large parts of the Northern Hemisphere and an augmentation of the subtropical high in the North Atlantic. The opposite trends evolve in the South Atlantic. The temperature and pressure signatures in the hemispheres are vice versa in response to a meltwater-induced reduction of the THC. These results are affirmed by low-order model results of an interhemispheric density driven THC. Moreover, it is shown that the coactions of atmosphere and ocean heat transports enable an effective interhemispheric mediation of a Southern Hemisphere warming induced THC amplification. The equivalent warming in the Northern Hemisphere leads to a less effective transmission to the Southern Hemisphere, since a weakening of the THC and broad scale upwelling in the global ocean reduces the contribution of the oceanic mediation.
A comparison of the different deglaciation scenarios with proxy data shows that a lead of increasing Southern Hemisphere temperatures, relatively to the abrupt temperature rise in Greenland, can be reconciled with a gradual global warming trend and a superimposed oceanic “seesaw” response to North Atlantic meltwater pulses. Therefore, the temperature evolution and the succession of climate intervals, as recorded in proxy data can be understood as the interplay of processes in both hemispheres, connected by the THC.
Kurzfassung auf Deutsch: Der Übergang (Deglaziation) vom letzten Glazial (Kaltzeit) zu unserem heutigen Interglazial (Warmzeit) wird zwischen ca. 20000 und 10000 Jahren vor heute datiert, basierend auf Paläodaten von Eisbohrkernen und Ozeansedimentkernen, sowie terrestrischen Klimaarchiven. Diese Daten zeigen, dass während der letzten Deglaziation eine graduelle Erwärmung in der Südhemisphäre einem abrupten Temperaturanstieg in Grönland um mehr als 1000 Jahre vorauslief. Innerhalb der deglazialen Phase kam es außerdem zu abrupten Klimaschwankungen, welche darauf hindeuten, dass massive Änderungen in der thermohalinen Zirkulation (THC) und begleitende Variationen im nordwärts gerichteten Wärmetransport innerhalb des Atlantiks eine Rolle gespielt haben könnten. Bis jetzt war zur Erklärung dieser Phänomene der Blick hauptsächlich auf die nordatlantische Region gerichtet. Dies ist bedingt durch die räumliche Koexistenz von nordatlantischen Tiefenwasserbildungsgebieten, einem empfindlichen Teil der THC, und verschiedenen Quellen von Schmelzwasser, dessen Zustrom in den Nordatlantik die Zirkulation während der Deglaziation abgeschwächt haben könnte.
Mit Hilfe dreidimensionaler Modelle des Ozeans und der Atmosphäre, und eines konzeptionellen Klimamodells, wurden Änderungen der THC in verschiedenen deglazialen Erwärmungs- und Schmelzwasserszenarien analysiert. Die Untersuchungen zeigen, dass eine allmähliche globale oder südhemisphärische Erwärmung eine plötzliche Wiederherstellung der THC bewirkt, während nordhemisphärische Erwärmung nicht ausreicht, um die THC unter dem Einfluss angemessener Schmelzwasserflüsse anzuschalten, nachdem die Zirkulation zum Erliegen gekommen war. Der abrupte Übergang zu einer interglazialen THC wird ausgelöst durch die großräumige Advektion von oberflächennahen salzreichen Wassermassen aus dem Südatlantik/Indischen Ozean und den Tropen zu den Formationsgebieten von nordatlantischem Tiefenwasser, sowie der Wärmeabgabe aus den tieferen Schichten des Nordatlantiks. Dieser Übergang kann mit dem plötzlichen Beginn des Bølling/Allerød Warmintervalls vor 14700 Jahren in Verbindung gebracht werden. Die interglaziale Ozeanzirkulation ist durch eine starke Unempfindlichkeit gegenüber deglazialen Schmelzwasserpulsen gekennzeichnet, besitzt aber gleichzeitig eine ausgeprägte Bistabilität in der Hysterese Kurve für allmählich zunehmende Frischwasserflüsse in den Nordatlantik. Deshalb besitzt die interglaziale THC das Potential für eine verzögerte und auch lang anhaltende Abschwächung als Reaktion auf den starken Schmelzwasserpuls 1A, der ca. 1000 Jahre vor dem Rückfall zu glazialen Klimabedingungen in der Nordhemisphäre auftrat. Diese Jüngere Dryas Kaltphase endete mit einer drastischen Erwärmung vor 11700 Jahren. Das Atmosphärenmodell legt dar, dass die Anfachung der THC die großräumigen atmosphärischen Muster global beeinflusst, mit einer Erwärmung in großen Teilen der Nordhemisphäre und einer Verstärkung des subtropischen Hochs im Nordatlantik. Im Südatlantik entwickeln sich entgegengesetzte Trends. Die umgekehrten Temperatur- und Drucksignaturen ergeben sich als atmosphärische Antwort auf eine Abschwächung der THC durch Schmelzwasser.
Diese Ergebnisse wurden durch Untersuchungen mit einem Boxenmodell einer interhemisphärisch dichtegetriebenen THC bekräftigt. Außerdem wird gezeigt, dass das Zusammenwirken der Wärmetransporte in der Atmosphäre und im Ozean eine effektive interhemisphärische Übertragung einer durch südhemisphärische Erwärmung ausgelösten THC Verstärkung ermöglicht. Eine äquivalente Erwärmung in der Nordhemisphäre führt zu einer wesentlich schwächeren Übertragung in die Südhemisphäre, da eine Abschwächung der THC und großräumiger Auftrieb im globalen Ozean die ozeanische Übertragung abschwächen.
Ein Vergleich der verschiedenen Deglaziationsszenarien mit Klimadaten zeigt, dass eine vorauslaufende deglaziale Erwärmung in der Südhemisphäre, relativ zum Temperaturanstieg in Grönland, durch eine globale Erwärmung und einen überlagerten ozeanischen „Seesaw-Effekt“ durch Schmelzwasserflüsse in den Nordatlantik erklärt werden kann. Die deglaziale Temperaturentwicklung und die Abfolge klimatischer Ereignisse in Paläodaten kann daher durch das Zusammenspiel von Prozessen in beiden Hemisphären, die durch die THC verbunden sind, verstanden werden.

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