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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-70645
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/7064/


Reconstruction of the Holocene monsoon climate variability in the Arabian Sea based on alkenone sea surface temperature, primary productivity and denitrification proxies

Rekonstruktion der holozänen Monsunklima-Variabilität im Arabischen Meer anhand von Alkenon-Oberflächenwassertemperatur-, Primärproduktions- und Denitrifizierungs-Proxies

Böll, Anna

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SWD-Schlagwörter: Monsunklima , Holozän , Arabisches Meer , Biogeochemie , Primärproduktion
Freie Schlagwörter (Deutsch): Klimarekonstruktion , Alkenone , Meeresoberflächentemperatur , Sauerstoffminimumzone
Freie Schlagwörter (Englisch): monsoon climate , Arabian Sea , Holocene , sea surface temperature , Stable Nitrogen Isotopes
Basisklassifikation: 38.82
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Emeis, Kay-Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.11.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 20.11.2014
Kurzfassung auf Englisch: The Indian monsoon climate influences large parts of the world’s population. But relatively little is known about its decadal to centennial scale variation at time scales of societal relevance. The aim of this study was to reconstruct the Holocene history of summer and winter monsoon variability in high-resolution by analyzing sediment cores from different locations in the Arabian Sea (northern Indian Ocean). Oceanic properties and biogeochemical processes in the Arabian Sea, such as sea surface temperature (SST), primary productivity and the intensity of the mid-water oxygen minimum zone and water column denitrification are closely coupled to the seasonal monsoon cycle.
While primary productivity and SST in the northwestern Arabian Sea are mainly impacted by upwelling processes associated with the summer monsoon, in the northeastern Arabian Sea off Pakistan low SST and high primary productivity are driven by the north-easterly winds of the winter monsoon. Based on this modern setting, I analyzed alkenone-derived SST changes together with proxies of primary productivity (organic carbon, carbonate/opal, δ15N) in a well-laminated sediment core from the Pakistan continental margin to establish a high-resolution record of winter monsoon strength for the late Holocene (chapter 3). Over the last 2400 years reconstructed SST decreased whereas productivity increased, reflecting a long-term trend of winter monsoon strengthening. A comparison of my winter monsoon record with records of summer monsoon strength shows that an inverse relationship of summer and winter monsoon strength exists in the Asian monsoon region over the late Holocene. The linked variation of summer and winter monsoon strength most likely was caused by shifts in the long-term latitudinal position of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ), forced by changes in solar output.
Reconstruction and comparison of alkenone-derived SST patterns from two sediment cores, one from the summer monsoon dominated northwestern Arabian Sea and one from the winter monsoon influenced northeastern Arabian Sea, reveal that this antagonistic behavior of summer and winter monsoon strength was also evident over the last 25,000 years (chapter 4). Strong upwelling at the coast of northern Oman reflects intensified summer monsoon activity during the early Holocene climate optimum, contemporaneous with a decline in winter monsoon strength as indicated by increasing SST off Pakistan. Strengthening of winter monsoon activity since the early Holocene was forced by a southward displacement of the ITCZ throughout the Holocene.
The late Holocene alkenone-based SST record from the northeastern Arabian Sea shows a close correlation to decadal to centennial scale climate variability recorded on the Asian continent and the high-latitude Northern Hemisphere. Colder climate conditions (as observed during the Little Ice Age) increase the strength of northeast monsoonal winds and lower SST in the northeastern Arabian Sea.
Chapter 5 deals with the temporal and spatial variability of the Arabian Sea oxygen minimum zone (OMZ) over the Holocene and its relation to varying monsoon strength. Proxies of mid-water oxygenation and southwest monsoon strength were analyzed in a sediment core from the northern Oman Margin representing the late and mid Holocene. The comparison of my δ15N and Mn/Al records with other records of denitrification and oxygenation from the northern Arabian Sea shows that the location of the core OMZ has shifted from the northwest (early Holocene) to the northeast (late Holocene) throughout the Holocene. This shift was caused by a reorganization of mid-water circulation (oxygen supply) in the northern Arabian Sea due to sea level rise together with spatial differences in the response of primary productivity (oxygen demand) to varying monsoon activity.
Kurzfassung auf Deutsch: Der Indische Monsun beeinflusst weite Teile unserer Weltbevölkerung. Allerdings sind kurzfristige Monsunschwankungen auf für den Menschen relevanten Zeitskalen (Jahrzehnte bis Jahrhunderte) bisher wenig untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, holozäne Schwankungen in der Entwicklung des Sommer- und des Wintermonsuns in hoher Auflösung zu rekonstruieren. Hierfür wurden verschiedene Sedimentkerne aus unterschiedlichen Gebieten im Arabischen Meer analysiert. Die Ozeanographie des Arabischen Meeres und die dort vorherrschenden biogeochemischen Prozesse, wie Oberflächenwassertemperaturen (SST), Primärproduktion, Intensität der Zwischenwasser-Sauerstoffminimumzone sowie Denitrifizierung in der Wassersäule sind eng an den saisonalen Monsunzyklus gekoppelt.
Primärproduktion und SST im nordwestlichen Arabischen Meer werden hauptsächlich durch Auftriebsprozesse gesteuert, die mit dem Sommermonsun einhergehen, wohingegen niedrige SST und erhöhte Primärproduktion im nordöstlichen Arabischen Meer vor Pakistan an die nordöstlichen Winde des Wintermonsuns gekoppelt sind. In dieser Arbeit wurde ein fein laminierter Sedimentkern vom Pakistanischen Kontinentalhang genutzt, um die Intensität des Wintermonsuns während des späten Holozäns in hoher Auflösung zu rekonstruieren. Hierfür habe ich verschiedene Primärproduktions-Indikatoren (organischer Kohlenstoff, Karbonate/Opal, δ15N) sowie Alkenone zur Bestimmung von SST-Änderungen analysiert (Kapitel 3). Die rekonstruierten SST nehmen während der letzten 2400 Jahre ab, wohingegen die Primärproduktion zunimmt, was auf eine lang anhaltende Verstärkung des Wintermonsuns zurückzuführen ist. Ein Vergleich meiner Wintermonsun-Rekonstruktion mit Aufzeichnungen zur Sommermonsunaktivität zeigt, dass es in der asiatischen Monsunregion während des späten Holozäns einen inversen Zusammenhang zwischen Sommermonsunstärke und Wintermonsunintensität gegeben hat. Dieser Zusammenhang zwischen Sommer- und Wintermonsunaktivität wird höchstwahrscheinlich durch langfristige Verschiebungen in der Breitengradposition der Intertropischen Konvergenz Zone (ITCZ) verursacht, die wiederum durch Änderungen in der solaren Einstrahlung angetrieben werden.
Der Vergleich von zwei SST-Rekonstruktionen, die anhand von Alkenon-Analysen an einem Sedimentkern aus dem Sommermonsun dominierten nordwestlichen Arabischen Meer und an einem Sedimentkern aus dem vom Wintermonsun beeinflussten nordöstlichen Arabischen Meer durchgeführt wurden, zeigt, dass dieses antagonistische Verhalten von Sommer- und Wintermonsunstärke auch während der letzten 25000 Jahre existiert hat (Kapitel 4). Starker Auftrieb vor der Küste des nördlichen Oman spiegelt eine verstärkte Aktivität des Sommermonsuns während des frühen Holozänen Klimaoptimums wider. Zeitgleich dazu lassen ansteigende SST vor Pakistan auf eine Abnahme der Wintermonsunstärke schließen. Die seit dem frühen Holozän einsetzende Verstärkung der Wintermonsunaktivität wurde höchst wahrscheinlich durch eine südwärts gerichtete Verschiebung der ITCZ angetrieben.
Die Alkenone-SST-Rekonstruktion des späten Holozäns aus dem nordöstlichen Arabischen Meer zeigt eine enge Korrelation zu den Klimaaufzeichnungen des asiatischen Kontinents und der höheren Breiten der Nordhemisphäre auf Zeitskalen von Jahrzehnten und Jahrhunderten. Dabei führen kältere Klimabedingungen, wie sie z. B. während der kleinen Eiszeit beobachtet wurden, zu einer Verstärkung der nordöstlichen Monsunwinde und zu einer Abnahme der SST im nordöstlichen Arabischen Meer.
Kapitel 5 befasst sich mit der zeitlichen und räumlichen Variabilität der Sauerstoffminimumzone (OMZ) im Arabischen Meer während des Holozäns. Weiterhin wurde der Zusammenhang zwischen OMZ-Intensität und Änderungen in der Monsunstärke untersucht. Hierfür wurde ein Sedimentkern vom Kontinentalhang vor Nord-Oman, der das späte und mittlere Holozän umfasst, auf unterschiedliche Indikatoren zur Zwischenwasser-Sauerstoffanreicherung und Südwestmonsunstärke analysiert. Der Vergleich meiner δ15N und Mn/Al Daten mit anderen Datensätzen zur Denitrifizierung und Sauerstoffversorgung aus dem nördlichen Arabischen Meer zeigt, dass sich der Kern der OMZ während des Holozäns von Nordwestern (frühes Holozän) nach Nordosten (spätes Holozän) verlagert hat. Diese Verschiebung wird zum einem durch eine Reorganisation der Zwischenwasser-Zirkulation (Sauerstoffzufuhr) im nördlichen Arabischen Meer verursacht, die durch den Anstieg des Meeresspiegels hervorgerufen wurde. Hinzu kommen Änderungen in der Monsunintensität, die sich regional unterschiedlich auf die Primarproduktion (Sauerstoffbedarf) des Arabischen Meeres ausgewirkt haben.

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