Exploring physical processes related to past climate proxies: lake sediments and stable water isotopes

Proxy data are essential for the investigation of climate variability on time scales larger than the historical meteorological observation period. The potential value of a proxy depends on our ability to understand and quantify the physical processes that relate the corresponding climate parameter and the signal in the proxy archive. These processes can be explored under present-day conditions. In this thesis, both statistical and physical models are applied for their analysis, focusing on two specific types of proxies, lake sediment data and stable water isotopes.rnIn the first part of this work, the basis is established for statistically calibrating new proxies from lake sediments in western Germany. A comprehensive meteorological and hydrological data set is compiled and statistically analyzed. In this way, meteorological times series are identified that can be applied for the calibration of various climate proxies. A particular focus is laid on the investigation of extreme weather events, which have rarely been the objective of paleoclimate reconstructions so far. Subsequently, a concrete example of a proxy calibration is presented. Maxima in the quartz grain concentration from a lake sediment core are compared to recent windstorms. The latter are identified from the meteorological data with the help of a newly developed windstorm index, combining local measurements and reanalysis data. The statistical significance of the correlation between extreme windstorms and signals in the sediment is verified with the help of a Monte Carlo method. This correlation is fundamental for employing lake sediment data as a new proxy to reconstruct windstorm records of the geological past.rnThe second part of this thesis deals with the analysis and simulation of stable water isotopes in atmospheric vapor on daily time scales. In this way, a better understanding of the physical processes determining these isotope ratios can be obtained, which is an important prerequisite for the interpretation of isotope data from ice cores and the reconstruction of past temperature. In particular, the focus here is on the deuterium excess and its relation to the environmental conditions during evaporation of water from the ocean. As a basis for the diagnostic analysis and for evaluating the simulations, isotope measurements from Rehovot (Israel) are used, provided by the Weizmann Institute of Science. First, a Lagrangian moisture source diagnostic is employed in order to establish quantitative linkages between the measurements and the evaporation conditions of the vapor (and thus to calibrate the isotope signal). A strong negative correlation between relative humidity in the source regions and measured deuterium excess is found. On the contrary, sea surface temperature in the evaporation regions does not correlate well with deuterium excess. Although requiring confirmation by isotope data from different regions and longer time scales, this weak correlation might be of major importance for the reconstruction of moisture source temperatures from ice core data. Second, the Lagrangian source diagnostic is combined with a Craig-Gordon fractionation parameterization for the identified evaporation events in order to simulate the isotope ratios at Rehovot. In this way, the Craig-Gordon model can be directly evaluated with atmospheric isotope data, and better constraints for uncertain model parameters can be obtained. A comparison of the simulated deuterium excess with the measurements reveals that a much better agreement can be achieved using a wind speed independent formulation of the non-equilibrium fractionation factor instead of the classical parameterization introduced by Merlivat and Jouzel, which is widely applied in isotope GCMs. Finally, the first steps of the implementation of water isotope physics in the limited-area COSMO model are described, and an approach is outlined that allows to compare simulated isotope ratios to measurements in an event-based manner by using a water tagging technique. The good agreement between model results from several case studies and measurements at Rehovot demonstrates the applicability of the approach. Because the model can be run with high, potentially cloud-resolving spatial resolution, and because it contains sophisticated parameterizations of many atmospheric processes, a complete implementation of isotope physics will allow detailed, process-oriented studies of the complex variability of stable isotopes in atmospheric waters in future research.rn

High-resolution reconstruction of Holocene climate variability and environmental changes in the North Pacific using bivalve shells

Bivalve mollusk shells are useful tools for multi-species and multi-proxy paleoenvironmental reconstructions with a high temporal and spatial resolution. Past environmental conditions can be reconstructed from shell growth and stable oxygen and carbon isotope ratios, which present an archive for temperature, freshwater fluxes and primary productivity. The purpose of this thesis is the reconstruction of Holocene climate and environmental variations in the North Pacific with a high spatial and temporal resolution using marine bivalve shells. This thesis focuses on several different Holocene time periods and multiple regions in the North Pacific, including: Japan, Alaska (AK), British Columbia (BC) and Washington State, which are affected by the monsoon, Pacific Decadal Oscillation (PDO) and El Niño/Southern Oscillation (ENSO). Such high-resolution proxy data from the marine realm of mid- and high-latitudes are still rare. Therefore, this study contributes to the optimization and verification of climate models. However, before using bivalves for environmental reconstructions and seasonality studies, life history traits must be well studied to temporally align and interpret the geochemical record. These calibration studies are essential to ascertain the usefulness of selected bivalve species as paleoclimate proxy archives. This work focuses on two bivalve species, the short-lived Saxidomus gigantea and the long-lived Panopea abrupta. Sclerochronology and oxygen isotope ratios of different shell layers of P. abrupta were studied in order to test the reliability of this species as a climate archive. The annual increments are clearly discernable in umbonal shell portions and the increments widths should be measured in these shell portions. A reliable reconstruction of paleotemperatures may only be achieved by exclusively sampling the outer shell layer of multiple contemporaneous specimens. Life history traits (e.g., timing of growth line formation, duration of the growing season and growth rates) and stable isotope ratios of recent S. gigantea from AK and BC were analyzed in detail. Furthermore, a growth-temperature model based on S. gigantea shells from Alaska was established, which provides a better understanding of the hydrological changes related to the Alaska Coastal Current (ACC). This approach allows the independent measurement of water temperature and salinity from variations in the width of lunar daily growth increments of S. gigantea. Temperature explains 70% of the variability in shell growth. The model was calibrated and tested with modern shells and then applied to archaeological specimens. The time period between 988 and 1447 cal yrs BP was characterized by colder (~1-2°C) and much drier (2-5 PSU) summers, and a likely much slower flowing ACC than at present. In contrast, the summers during the time interval of 599-1014 cal yrs BP were colder (up to 3°C) and fresher (1-2 PSU) than today. The Aleutian Low may have been stronger and the ACC was probably flowing faster during this time.

Roman aqueducts and calcareous sinter deposits as a proxy for environmental changes

Die im Süden der Türkei gelegen, antiken Städte Aspendos und Patara, waren in der Römerzeit zwei bedeutende Handelszentren mit hoher Bevölkerungsdichte. Aquädukte versorgten beide Städte mit carbonathaltigem Wasser, wobei sich Kalksinter (Calciumcarbonat) in der Kanalrinne ablagerte. Dabei lagern sich im Wechsel eine hellere und dunklere Kalksinterlage ab, die als Sinterpaar bezeichnet wird. Um die Entstehung dieser Sinterpaare besser zu verstehen, und die beteiligten Prozesse mit saisonalen Veränderungen der Umwelt zu korrelieren, werden in der vorliegenden Arbeit laminierten Sinterablagerungen mit geochemischen und petrographischen Methoden untersucht.rnEntlang der Kanalrinne beider Aquädukte wurden an mehreren Stellen Proben entnommen. Es wurde untersucht in wieweit sich die Sinterstruktur aufgrund von Änderungen in der Neigung des Wasserkanals oder des Kanaltyps ändert. Um die Kristallform und die kristallografische Orientierung der Kristalle innerhalb der verschiedenen Sinterpaare zu untersuchen, wurden die entnommenen laminierten Kalksinterablagerungen mit Hilfe optischer Mikroskopie und EBSD (Electron Backscatter Diffraction) analysiert. Der Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA) wurde verwendet, um saisonale Schwankungen der Hauptelementverteilung und den Anteil der stabilen Isotope im Wasser zu bestimmen. Die LA-ICP-MS (Laser Ablation-induktiv gekoppeltem Plasma-Massenspektrometrie) Spurenelementanalyse wurde durchgeführt, um kleinste Schwankungen der Spurenelemente zu finden. Basierend auf diesen Analysen wurde festgestellt, dass laminierten Kalksinterablagerungen laterale Änderungen in der Aquäduktstruktur und -neigung, jahreszeitliche Änderungen der Wasserchemie, der Temperatur sowie der Entgasungsrate während eines Jahres widerspiegeln. Die Kalksinterablagerungen zeigen eine deutliche Laminierung in Form von feinkörnig-porösen und grobkörnig-dichten Schichten, die trockene und nasse Jahreszeiten anzeigen. Feinkörnige Schichten zeigen eine hohe Epifluoreszenz aufgrund reichhaltiger organischer Inhalte, die vermutlich eine Folge der bakteriellen Aktivität während der warmen und trockenen Jahreszeit sind. Stabile Sauerstoff und Kohlenstoff-Isotop-Kurven entsprechen auch den jahreszeitlichen Schwankungen der verschiedenen Schichtenpaare. Vor allem δ 18O spiegelt jährliche Veränderungen in der Temperatur und jahreszeitliche Veränderungen des Abflusses wieder. Das wichtigste Ergebnis ist, dass die Periodizität von δ 18O durch Erwärmen des Wassers im Wasserkanal und nicht durch die Verdunstung oder der Brunnenwasser-Charakteristik verursacht wird. Die Periodizität von δ 13C ist komplexer Natur, vor allem zeigen δ 18O und δ 13C eine Antikorrelation entlang der Lamellenpaare. Dies wird wohl vor allem durch Entgasungsprozesse im Aquädukt verursacht. Die Ergebnisse der Spurenelemente sind meist inkonsistent und zeigen keine signifikanten Veränderungen in den verschiedenen Lamellenpaaren. Die Isotope Mg, Sr und Ba zeigen hingegen bei einigen Proben eine positive Korrelation und erreichen Höchstwerte innerhalb feinkörnig-poröser Schichten. Auch sind die Hauptelementwerte von Fe, K, Si und anderer detritischer Elemente innerhalb der feinkörnige-porösen Schichten maximal. Eine genaue Datierung der Kalksinterablagerungen ist wünschenswert, da der Zeitraum, in dem die Aquädukte aktiv waren, bereits archäologisch auf 200-300 Jahre festgelegt wurde. Paläomagnetische und 14C-Datierung geben keine brauchbare Ergebnisse. Die U/Th Isotopie wird durch eine hohe Anfangskonzentration von Th in den Proben behindert. Trotz dieser Schwierigkeiten war eine U/Th Datierung an einem Testbeispiel des Béziers Aquädukt erfolgreich. Mit Hilfe von analogen Untersuchungen an aktiven Wasserkanälen der heutigen Zeit, werden die Ablagerungsmechanismen und die geochemische Entwicklung der laminierten Sinterschichten besser verstanden. Ein weiteres laufendes Projekt dieser Doktorarbeit ist die Überwachung von Sinterabscheidungen und der saisonale Zusammensetzung des Wassers an einigen heute noch aktiven Aquädukten. Das Ziel ist die Untersuchung der jetzigen Calciumcarbonatabscheidungen in Aquäduktkanälen unter den heutigen Umgebungsbedingungen. Erste Ergebnisse zeigen, dass kleine regelmäßige jahreszeitliche Veränderungen in der Isotopenzusammensetzung des Wassers vorliegen, und dass die beobachtete Periodizität der stabilen Isotope aufgrund von Änderungen im eigentlichen Kanal entstanden ist. Die Untersuchung von Kalksinterablagerungen in römischen Aquädukten liefern vielversprechende Ergebnisse, für die Untersuchung des Paläöklimas, der Archaeoseismologie und anderer Umweltbedingungen in der Römerzeit. Diese Studie beschränkt sich auf zwei Aquädukte. Die Untersuchungen weiterer Aquädukte und einer Überwachung, der noch in Betrieb stehenden Aquädukte werden genauere Ergebnisse liefern.