Centennial to multidecadal timeseries of North Atlantic climatology during the last two glacial-interglacial transitions and marine-terrestrial teleconnections

Abstract

Con el fin de identificar y comprender la secuencia de eventos y los mecanismos involucrados en las transiciones glaciales-interglaciares y el establecimiento de los posteriores períodos interglaciares, es esencial mejorar nuestro entendimiento acerca de la variabilidad del clima y la sensibilidad del océano en áreas clave como el Atlántico Norte a escalas de tiempo de alta resolución. El Atlántico Norte es una región muy sensible a los cambios de las condiciones climáticas durante terminaciones glaciares debido a su proximidad a las capas de hielo del Hemisferio Norte. Por otra parte, el Atlántico Norte es una región de formación de aguas profundas, lo cual es crítico en el ajuste del modo de la circulación meridional atlántica (AMOC). Por tanto, cualquier perturbación en esta región es de importancia global. Reconstrucciones climáticas del Atlántico Norte durante el último periodo interglacial (Estadio Isotópico Marino 5e, en sus siglas en inglés, MIS 5e) revelan condiciones climáticas en común con las proyecciones que los modelos climáticos predicen para el siglo 21, bajo la continua influencia humana y el aumento de gases de efecto invernadero. Por tanto, el período MIS5e se considera un buen análogo para el futuro calentamiento climático. Esta tesis contribuye en este sentido con reconstrucciones climáticas de alta resolución que muestran la variabilidad de la climatología superficial oceánica del Atlántico Norte durante el actual (Holoceno) y el último (MIS5e) períodos interglaciares y sus respectivas previas deglaciaciones (T1, T2): las secuencias MIS6-T2-MIS5e (150-105 ky) y MIS2-T1-Holoceno (25-0 ky) secuencias. Los datos se generan a partir de muestras de sedimento marino procedentes del punto de sondeo ODP 976 en el Mar de Alborán, Mediterráneo occidental, que recibe las señales del clima del Atlántico Norte a través de la atmósfera y la advección de aguas superficiales atlánticas que entran en el mar Mediterráneo a través del estrecho de Gibraltar. Se presentan series temporales de “proxies” medidos en el foraminífero planctónico, Globigerina bulloides, relativos a temperatura superficial del océano (derivada de la proporción Mg/Ca, SSTMg/Ca) y d18O, los cuales se combinan para indicar la variabilidad salinidad de la superficie del océano (d18Osw). Las altas tasas de sedimentación en ODP 976, (del orden de 23 cm/ky; Bernasconi et al., 1999), nos permiten resolver la variabilidad a escalas de tiempo de centenal a multi-decenales. A fin de evaluar el grado en que los perfiles generados ODP976 de hecho representan la climatología marina de la zona se comparan con perfiles similares en otros puntos de referencia en el Mar de Alborán , ODP 977 ( Martrat et al., 2004) y MD95-2043 (Cacho et al., 1999, 2002); en el margen Ibérico occidental, MD95-2042 (Shackleton et al., 2000, 2002, 2004), MD95-2040 (Schönfeld et al., 2003), MD99-2339 (Voelker et al., 2006) y MD99-2334 (Skinner et al., 2003), y con registros de d18O de testigos de hielo de Groenlandia: NGRIP (NGRIP members , 2004), NEEM (NEEM community members, 2013 ) y el registro sintético de variabilidad climática (Barker et al., 2011). Durante la secuencia de MIS2-T1-Holoceno, los perfiles de datos están estrechamente correlacionados, mostrando los registros del ODP976 una mayor resolución temporal, confirmando así la calidad de estos registros para representar la evolución climática del Atlántico Norte. Las diferentes secuencias captan características transiciones en múltiples pasos relacionados con la incursión de la acelerada desintegración de las capas de hielo, aunque a diferentes magnitudes y tiempos relativos. La característica más frecuente de ambas terminaciones glaciales es el calentamiento acelerado de 5-6 °C inmediatamente después de los respectivos períodos de deshielo deglacial asociados a los eventos Heinrich H1 y H11. Durante T1 esto ocurre hace ~15 ky, es decir, durante el episodio Bølling/Allerød, cuando on ODP 976 se registra un calentamiento de SSTMg/Ca a niveles interglaciares de 20°C. Hace 12,5 ky, las SSTMg/Ca descienden ~4-4,5 °C durante el período “Younger Dryas” (YD) que se documenta en los registros ODP 976 como un evento en dos fases, con un período seco y frío inicial entre 12,5-12 ky seguido de un intervalo más húmedo comprendido entre 12-11,5 ky. Durante el Holoceno, las SSTMg/Ca se estabilizan alrededor de 17.5 °C, coincidiendo con mediciones presentes de SST estacional de primavera del Mar de Alborán (MEDATLAS II, Medar Group, 2002). En comparación, T2 estuvo regida casi en su totalidad, por un solo evento masivo deshielo que coincidió con H11 o que contuvo el principal evento de H11 en el mismo. Este evento se destaca claramente en el perfil de SSTMg/Ca y los datos de d18Osw que representan los cambios de salinidad. Este escenario de una oleada masiva de agua de deshielo se apoya en registros bentónicos de d13C del Atlántico Norte (MD95-2042, U1308) que revelan una baja formación de aguas profundas del Atlántico Norte (NADW) y una débil circulación de retorno durante ese período. Una vez el evento H11 llega a su fin, tiene lugar un abrupto e ininterrumpido incremento de SSTMg/Ca de ~ 5 °C en 1 ky, alcanzando los niveles de SST interglaciares (~ 20°C) hace 129 ky. Este incremento de SSTMg/Ca ocurre es coetáneo al rápido establecimiento de flora interglaciar, tal y como evidencian los registros de polen que reconstruyen la expansión de bosque templado y mediterráneo en ODP 976 (Combourieu-Nebout, sin publicar) y el margen ibérico (Sánchez Goñi et al., 2003, 2012; Tzedakis, comunicación personal), lo cual sugiere un inicio sincrónico del período interglacial en ambos ambientes terrestres y marinos. Con el fin de superar las dificultades para obtener datación absoluta de la secuencia MIS6-T2- MIS5e, esta tesis genera un modelo de edad alternativo para los registros del ODP976 basados en la estrecha correlación del Atlántico Norte y la SST del Mediterráneo con la variabilidad del monzón asiático y las precipitaciones del Mediterráneo. Esas variables ambientales se representan en registros de espeleotemas y, por tanto, se correlaciona el registro de SSTMg/Ca del ODP 976 con los perfiles de d18O de las espeleotemas de Antro del Corchia, en Italia (Drysdale et al., 2004, 2009), BD-La Chaise, en Francia (Couchoud et al., 2009) y la Cueva Dongge, en China (Kelly et al., 2006). La transferencia de las cronologías basadas en series de uranio de las espeleotemas a los perfiles de datos del ODP976 ofrece una nueva cronología que ayuda a una mejor correlación de los registros de los testigos continentales, marinos y de hielo. Una incertidumbre importante durante T2 se deriva de la discrepancia observada entre los registros de Corchia y los registros de ODP976 SSTMg/Ca; discrepancia que proponemos posiblemente refleja cambios en las trayectorias atmosféricas durante el evento H11 de masas de aire húmedo que llegan al Mediterráneo.

In order to identify and understand the timing of events and mechanisms involved in glacialinterglacial transitions and the establishment of interglacial periods it is essential to learn about the climate variability and ocean sensitivity of key areas such as the North Atlantic at high resolution time scales. This region is highly sensitive to the changes of climatic conditions during glacial terminations because of its proximity to the Northern Hemisphere ice sheets. Moreover, the North Atlantic is a prime location where surface-to-deep-ocean coupling occurs that is critically involved with setting the mode of the Atlantic Meridional Overturning Circulation. Hence any perturbations in this region likely are of global consequence. North Atlantic climate reconstructions of the last interglacial period (Marine Isotope Stage, MIS 5e) show many features that model projections predict for the 21st century under continuing human influence and increasing greenhouse gas forcing. Hence, the MIS5e period is considered a good analogue for future climate warming. This thesis contributes to this theme with high resolution records that depict the variability of North Atlantic surface ocean climatology during the present (Holocene) and last (MIS5e) interglacial periods and the preceding deglaciations: the MIS6-T2-MIS5e (150-105 ky) and MIS2- T1-Holocene (25-0 ky) sequences. The data are generated for ODP Site 976 in the Alboran Sea, westernmost Mediterranean, which receives North Atlantic climate signals through the atmosphere and the advection of Atlantic inflow waters entering the Mediterranean Sea. Time series are presented of planktonic (Globigerina bulloides) Mg/Ca derived sea surface temperature (SSTMg/Ca) and d18O that both in combination are used to indicate sea surface salinity variability (d18Osw). High rates of sediment deposition at the site, in the order of 23 cm/ky (Bernasconi et al., 1999), allow us to resolve variability at centennial to multi-decadal timescales. In order to assess the extent to which the ODP976 data profiles indeed represent the marine climatology in the area they are compared with similar profiles from other sites in the Alboran Sea, ODP 977 (Martrat et al., 2004) and MD95-2043 (Cacho et al., 1999, 2002); at the western Iberian margin, MD95-2042 (Shackleton et al., 2000, 2004), MD95-2040 (Schönfeld et al., 2003), MD99- 2339 (Voelker et al., 2006) and MD99-2334 (Skinner et al., 2003), and with Greenland ice core d18O records NGRIP (NGRIP members, 2004), NEEM (NEEM community members, 2013) and the synthetic record of Greenland climate variability (Barker et al., 2011). During the MIS2-T1- Holocene sequence the data profiles are tightly correlated while ODP976 consistently displays highest temporal resolution hence confirming the quality of this site as representing the North Atlantic climate evolution. Multiple-step features connected with the incursion of accelerated icesheet disintegration are captured by the ODP 976 palaeo-climatic records across the MIS6-T2- MIS5e and MIS2-T1-Holocene sequences reflecting periodic ice-sheet break down albeit at different magnitudes and relative timing. The most prevalent feature of both glacial terminations is the accelerated warming by 5-6°C immediately after the major deglacial meltwater surges associated with Heinrich events H1 and H11. During T1 this occurs at ~15 ky i.e., during the Bolling/Allerod episode, when ODP976 registers a warming of SSTMg/Ca to full-interglacial levels of 20°C. At 12.5 ky, SSTMg/Ca decreases by ~4-4.5°C into the Younger Dryas cold phase that is documented in the ODP 976 records as a two-phase event with an initial dry and cold period at 12.5-12 ky followed by a more humid interval at 12-11.5 ky. Holocene SSTMg/Ca stabilizes around 17.5°C closely matching today’s Alboran Sea region modern spring SST (MEDATLAS II, Medar Group, 2002). T2 by comparison was almost entirely controlled by a single massive meltwater surge that was coincident with H11 or that embedded the main H11 event in it. This event clearly stands out in the SSTMg/Ca profile and the computed d18Osw data depicting salinity changes. The scenario of a single massive meltwater surge is supported by North Atlantic benthic d13C records (MD95-2042, U1308) revealing low North Atlantic Deep Water (NADW) formation and weak overturning circulation at this time. Once H11 ends, an abrupt and uninterrupted SSTMg/Ca increase of ~5°C occurs within 1 ky, reaching full interglacial SST levels (~20°C) at 129 ky. This SSTMg/Ca shift is accompanied by the rapid establishment of interglacial flora evidenced by an abrupt expansion of temperate and Mediterranean forest pollen taxa in ODP 976 (Combourieu-Nebout, unpublished) and the Iberian margin (Sánchez Goñi et al., 2012; Shackleton et al., 2003; Tzedakis, pers. comm.), which suggests an in-phase onset of the interglacial period in the regional terrestrial and marine environments. In order to overcome the difficulties of obtaining precise dating of the MIS6-T2-MIS5e sequence this thesis attempts generating an alternative age model for ODP976 that exploits the tight correlation of North Atlantic and Mediterranean temperature with the variability of the Asian monsoon and Mediterranean rainfall. Those environmental variables are depicted in speleothem records and hence the ODP 976 SSTMg/Ca record is correlated with the speleothem profiles of Antro del Corchia in Italy (Drysdale et al., 2004, 2009), BD-La Chaise in France (Couchoud et al., 2009) and Dongge Cave in China (Kelly et al., 2006). Transferring the uranium-series dated chronologies of those speleothems to the ODP976 data profiles provides a new chronology that aids an improved correlation of continental, marine and ice core records. A major uncertainty derives from the offset structure of T2 in the Corchia and La Chaise profiles from that of the ODP976 SSTMg/Ca profile which possibly reflects shifted atmospheric trajectories during H11 of moist air masses reaching the Mediterranean.