Glacial and Interglacial Changes in Southwest Pacific Water Mass Ventilation and Circulation

Reconstructions on Antarctic ice cores revealed pronounced, millennial-scale variabilities in atmospheric CO2 over the past 800,000 years (e.g. Lüthi et al., 2008; Monnin et al., 2001; Petit et al., 1999; Raynaud et al., 2005; Siegenthaler et al., 2005). Despite these variabilities are known for several decades, the mechanisms, driving these patterns are still not fully resolved. As the ocean contains up to 60 times more carbon than the entire atmosphere, it is considered to be a major driver of the atmospheric CO2 levels (Broecker, 1982): Storing CO2 during glacials, releasing it during deglaciations. Because changes in the global thermohaline circulation are thought to operate on glacial/interglacial timescales, it has been suggested that during glacials, the deep ocean was separated from surface-waters and therefore from the atmosphere by enhanced stratification, resulting in the pronounced accumulation of CO2 and nutrients in the lower levels of the water column. These waters, isolated for millennia, then surfaced during interglacial periods and released their load of ancient CO2. This hypothesis is strongly supported by the record of atmospheric radiocarbon activities (Δ14C; Reimer et al., 2013) in which a telltale drop in Δ14C is shown during the interval of enhanced increase in atmospheric CO2. This drop cannot be explained by the atmospheric formation of 14C and is therefore indicative for the release of an old and hence 14C-depleted and CO2-enriched reservoir (e.g. the deep ocean) to the atmosphere. This release can therefore explain both records (atmospheric CO2 and Δ14C). Indeed, several records from the Atlantic and Pacific Oceans point to the existence of this carbon pool in glacial deep-waters below 2000 m. However, the spatial extent (vertical and lateral) and particularly the pathways of upwelled waters during the interglacial remain elusive and even contradictory. The aim of this thesis is to improve the knowledge of changes in South Pacific circulation and ventilation over different glacial to interglacial time-scales. The three manuscripts that form the backbone of this thesis are used to: 1) constrain the spatial extent and upwelling pathways of the glacial carbon pool in the South Pacific (0 – 30,000 years); 2) reconstruct boundary shifts between intermediate-waters and the underlying carbon pool in Circumpolar Deep Water over the last 350,000 years; 3) analyze changes in the South Pacific Gyre’s thermocline during the past 200,000 years. The focus of the first manuscript (Chapter 3) lies on the transition from the last glacial to the current interglacial. The Δ14C-reconstructions on a water mass transect of seven sediment cores from the New Zealand Margin and the East Pacific Rise identify a pool of radiocarbon depleted waters between ~2000 and ~4500 m in the glacial counterpart of Pacific Deep Water. The 14C-depletion of this body of water is up to five times higher than in the modern South Pacific and reaches extreme apparent ventilation ages of ~8000 years. Despite the first deep water rejuvenation begins as early as ~21,000 years B.P., the main signal of rejuvenation and outgassing parallels the rise in atmospheric CO2. The vertical extent of southwest Pacific Antarctic Intermediate Water (AAIW) over the last four glacial/interglacial cycles is analyzed in the second manuscript (Chapter 4). Stable isotope records (δ13C and δ18O) from epibenthic foraminifera of sediment cores bathed in AAIW and Upper Circumpolar Deep Water (UCDW) indicate a shoaling of AAIW during glacial periods. Further support for these findings arises from model reconstructions using the CCSM3-climate model. Throughout glacial maxima, pronounced input of freshwater by melting sea ice into the AAIW significantly increased its buoyancy and hampered its downward expansion. Hence, the upward displacement of the AAIW-UCDW boundary led to an expansion of the glacial carbon pool identified in Chapter 3. In the third manuscript (Chapter 5) the evolution of Southern Ocean Intermediate Waters (SOIWs) is analyzed, using the Mg/Ca paleothermometry on surface- and deep-dwelling species of planktic (Emiliani, 1991) foraminifera. The results suggest opposing glacial subsurface conditions during the LGM and MIS 6 with colder-than-Holocene conditions during the former and warmer-than-LGM conditions during the latter interval. Because of the importance of SOIWs for the ventilation of the South Pacific Gyre (SPG), the results of Chapter 5 reveal the relevance of Southern Ocean subsurface processes on the transfer of climatic signals from higher to lower latitudes via the SPG. Ultimately, this thesis contributes to the broader understanding of ventilation and circulation changes in the Pacific Sector of the Southern Ocean. The combination of various proxies reveals the highly dynamic processes that affect the Southern Ocean on glacial/interglacial timescales. The results do not only constrain the vertical extent of the glacial carbon pool for the first time, but they also facilitate its integration in the global context of glacial circulation. Furthermore, the reconstructions shown in this study might help to improve model simulations that are used to both, reconstruct and predict changes in the global climate.Untersuchungen an antarktischen Eiskernen enthüllten gravierende Schwankungen im atmosphärischen CO2-Gehalt während der letzten 800.000 Jahre (Lüthi et al., 2008; Monnin et al., 2001; Petit et al., 1999; Raynaud et al., 2005; Siegenthaler et al., 2005). Obwohl schon seit Jahrzehnten bekannt, sind die Mechanismen, die diese atmosphärischen Muster bedingen, bis heute nicht vollständig verstanden. Die Tatsache, dass der Ozean etwa 60 mal mehr Kohlenstoff enthält als die gesamte Atmosphäre, macht ihn zu einem wahrscheinlichen Taktgeber für Veränderungen im atmosphärischen CO2-Haushalt (Broecker, 1982) mit ozeanischer Aufnahme von CO2 während Glazialen und Abgabe während Deglazialen. Da Veränderungen in der globalen thermohalinen Zirkulation auf glazialen/interglazialen Zeitskalen ablaufen, wird angenommen, dass der tiefe Ozean während Glazialen durch verstärkte Stratifizierung von Oberflächenwassern abgeschnitten war. Diese Trennung resultierte in der gesteigerten Anreicherung von CO2 und Nährstoffen in der unteren Wassersäule. Diese Wassermassen, welche für Jahrtausende von der Oberfläche abgeschnitten waren, trieben während der Interglazialen auf und setzten das in ihnen gespeicherte alte CO2 frei. Gestützt wird diese Hypothese durch den Verlauf der atmosphärischen Radiokohlenstoffaktivitäten (Δ14C; Reimer et al., 2013). Dieser Verlauf zeigt einen eindeutigen Abfall des atmosphärischen Δ14C im selben Zeitintervall, in dem das atmosphärische CO2 am stärksten ansteigt. Da dieser Abfall nicht mit der atmosphärischen Produktion von 14C erklärt werden kann, deutet der Verlauf auf die Freisetzung eines alten und deshalb 14C-abgereicherten aber CO2-angereicherten Reservoirs (z.B. der tiefe Ozean) hin. Diese Freisetzung führte der Atmosphäre große Mengen an 14C-armen CO2 zu und kann somit beide Verläufe (CO2 und Δ14C) erklären. Die Existenz dieses ozeanischen Kohlenstoffreservoirs wird in der Tat durch mehrere Untersuchungen im tiefen Atlantischen und Pazifischen Ozean unterhalb von ~2000 m bestätigt. Dessen ungeachtet sind die räumliche Ausdehnung dieses Reservoirs (lateral und vertikal), aber auch die Routen des aufgetriebenen Wassers während der Interglaziale weiterhin unklar, seine Rekonstruktionen teils sogar widersprüchlich. Das Ziel dieser Dissertation ist es, das Wissen über Veränderungen der Ventilation und Zirkulation des Südpazifiks auf unterschiedlichen glazialen/interglazialen Zeitskalen zu verbessern. Die drei Manuskripte, die den Kern dieser Arbeit bilden, befassen sich mit: 1) der Eingrenzung der räumlichen Ausdehnung des glazialen Kohlenstoffreservoirs sowie seiner Routen während des Interglazials im Südpazifik während der letzten 30.000 Jahre; 2) der Rekonstruktion der Grenzschichten von Zwischenwasser und dem unterliegenden Kohlenstoffreservoir im Zirkumpolaren Tiefenwasser über die letzten 350.000 Jahre; 3) der Analyse von Veränderungen der Thermoklinen der Südpazifischen Gyre während der letzten 200.000 Jahre. Der Fokus des ersten Manuskriptes (Kapitel 3) liegt auf dem Übergang des letzten Glazials zum jetzigen Interglazial. Untersuchungen von Δ14C an einem Wassermassentransekt aus sieben Sedimentkernen vor Neuseeland und am Ostpazifischen Rücken belegen ein Reservoir von radiokohlenstoffarmen Wasser zwischen ~2000 und ~4500 m Wassertiefe im glazialen Gegenstück des Pazifischen Tiefenwassers. Mit Ventilationsaltern von ca. 8000 Jahren war die glaziale Abreicherung des 14C-Gehaltes in etwa fünfmal stärker als im heutigen Südpazifik. Obwohl die Erneuerung des Tiefenwassers bereits vor ~21.000 Jahren einsetzte, verläuft das Hauptsignal der Erneuerung parallel zum atmosphärischen CO2-Anstieg. Die vertikale Ausdehnung des Antarktischen Zwischenwassers (AAIW) wird im zweiten Manuskript (Kapitel 4) über den Zeitraum der letzten vier glazialen/interglazialen Zyklen rekonstruiert. Untersuchungen von stabilen Isotopen (δ13C und δ18O) an epibenthischen Foraminiferen aus Sedimentkernen des heutigen AAIWs und Oberen Zirkumpolarentiefenwassers (UCDW) zeigen eine Verflachung des AAIWs während glazialer Perioden. Bestätigt wird dieses Ergebnis zusätzlich durch Modellrekonstruktionen mit Hilfe des CCSM3-Klimamodells. Während glazialer Maxima erhöhte die verstärkte Zuführung von Süßwasser durch schmelzendes Meereis den Auftrieb von AAIW, was eine Abnahme der Tiefenausdehnung dieser Wassermasse zur Folge hatte. Als Resultat führte die Verflachung der AAIW-UCDW Grenzschicht zu einer Ausdehnung des glazialen Kohlenstoffreservoirs, wie es in Kapitel 3 identifiziert wurde. Die Evolution Südozeanischer Zwischenwasser (SOIW) wird im dritten Manuskript (Kapitel 5) mit Hilfe der Mg/Ca-Paläothermometrie untersucht. Diese Untersuchung, durchgeführt an oberflächen- und tieflebenden planktischen Foraminiferen, liefert gegenläufige Trends für das Letzte Glaziale Maximum (LGM) und das Marine Isotopen Stadium (MIS) 6. Die Bedingungen im tieferen Wasser während des LGMs waren kälter als das Holozän, während sie in MIS 6 deutlich wärmer als während des LGMs waren. Aufgrund der Bedeutung von SOIW für die Ventilation der Südpazifischen Gyre (SPG), zeigen die Resultate aus Kapitel 5 die Relevanz von Prozessen des tieferen Südozeanes auf den Transport von Klimasignalen aus den höheren Breiten in die niederen Breiten via der SPG. Letztendlich wird diese Dissertation zum besseren Verständnis der Ventilation und Zirkulation im pazifischen Sektor des Südozeans beitragen. Die Kombination von unterschiedlichen Methoden enthüllt die hochdynamischen Prozesse, die den Südozean auf glazialen/interglazialen Zeitskalen prägen. Diese Resultate grenzen nicht nur zum ersten Mal die vertikale Ausdehnung des glazialen Kohlenstoffreservoirs ein, sondern sie bringen dieses auch in den globalen Zusammenhang der glazialen Zirkulation. Weiterhin besitzen die hier gezeigten Rekonstruktionen das Potential, Computermodelle, welche für Rekonstruktionen und Vorhersagen des globalen Klimas genutzt werden, zu optimieren