Reconstructing climate variability in the North Atlantic during the late Holocene: an integrated biomarker approach

Abstract

L’Oceà Atlàntic Nord i l’Oceà Àrtic són components essencials per la regulació de la variabilitat climàtica a Europa. En aquesta regió, les reconstruccions climàtiques de temperatura superficial del mar (SST) que cobreixen els darrers 2000 anys a alta resolució són escasses. Obtenir noves reconstruccions climàtiques a l’Atlàntic Nord a alta resolució és rellevant per tal d’entendre millor com funciona el sistema climàtic. En base a aquestes reconstruccions, es pot conèixer com ha variat el clima durant els darrers mil·lenis, encabir l’actual escalfament global en un context més ampli i investigar si els modes de variabilitat climàtica natural que s’han definit a través d’observacions instrumentals recents també afectaren el clima en el passat. Aquesta Tesi Doctoral té per objectiu generar noves reconstruccions de variabilitat climàtica a escala multidecadal a la regió de l’Oceà Atlàntic Nord pels darrers 2000 – 4400 anys, analitzant proxies geoquímiques orgàniques (biomarcadors) en registres sedimentaris marins. S’ha reconstruït la variabilitat climàtica en les dues entrades principals de la corrent de l’Atlàntic Nord a l’Oceà Àrtic – l’est de l’Estret de Fram i el mar de Barents – i també en una regió especialment sensible als canvis en els modes de variabilitat climàtica natural i a la interacció entre l’Oceà Atlàntic Nord i el clima continental Europeu – el Skagerrak -. S’han utilitzat tant proxies orgàniques ben establertes (i.e. alquenones) com proxies climàtiques desenvolupades recentment (IP25 i proxies basades en GDGTs), per tal de produïr reconstruccions basades no només en SST però també en paràmetres climàtics adicionals tals com la variabilitat en la coberta de gel marí, la temperatura de l’aire i la productivitat marina exportada. A més, s’ha estudiat l’aplicabilitat de les noves proxies basades en GDGTs en el registre marí del Skagerrak i en sòls localitzats al sud de Noruega i als Pirineus. Les SST estimades amb el proxy TEX86 mostren valors similars a la temperatura mitjana anual de la zona mentre que les temperatures de l’aire reconstruïdes amb el MBT/CBT s’apropen als valors instrumentals de l’estiu per a aquesta regió. Aquest esbiaixament no és degut a canvis en la síntesi dels GDGTs en els sòls durant un cicle annual, ni a un transport preferent dels lípids amb el Riu Glomma durant aquest període. Probablement, al Skagerrak, els GDGTs són una mescla entre lípids transportats des de latituds més baixes i producció in situ en aquesta zona. Suggerim que per a obtenir reconstruccions acurades utilitzant aquestes proxies al Skagerrak, caldria primer investigar-ne el seu origen. Dels registres climàtics generats a l’est de l’Estret de Fram i al mar de Barents, interpretem que hi va haver un increment progressiu en la temperatura o en el transport de calor de la Corrent de l’Atlàntic Nord cap a l’Àrtic. Aquesta tendència va començar als anys ~1000 – 1300 AD però s’accentuà des de ~1500 - 1600 AD fins al present. Al Skagerrak, una zona influenciada per un 90% de massa d’aigua procedent de l’Atlàntic Nord, hi va haver un refredament de la SST fins a 1300 AD que es va veure revertit per un escalfament des de 1600 AD tot i que la insolació va continuar decreixent. Suggerim que les tendències d’escalfament observades en els tres registres durant els últims ~400 anys podrien estar causades per canvis en modes de variabilitat climàtica tals com un increment en la freqüència mitjana de fases positives de la Variabilitat Multidecadal de l’Àrtic, la Oscil·lació de l’Atàntic Nord o la Oscil·lació Multidecadal de l’Atlàntic. L’impacte antropogènic sobre el clima estaria sobreposat a una tendència climàtica d’escalfament que hauria afectat de forma progressiva les zones d’estudi durant els darrers ~400 anys.

The North Atlantic and Arctic Oceans play an important role in modulating European climate variability. Oceanic records of sea surface temperature (SST) variability covering the last 2000 years at high resolution in this region are scarce. Obtaining new high resolution reconstructions in this area is necessary to increase the level of understanding on how the climate system has varied during the last millennia, to put the recent warming into a wide context and to investigate if the natural modes of climate variability observed from instrumental records can be projected to the past. This PhD thesis focuses on generating new records of multidecadal climate variability in the North Atlantic Ocean, analyzing organic proxies (biomarkers) in marine sedimentary cores that cover the last 2000 – 4400 years. We generated new climate reconstructions in the two main paths where the northward flowing North Atlantic current meet the Arctic Ocean - the eastern Fram Strait and the Barents Sea - and also in a highly sensitive area to changes in the internal modes of climate variability and the interaction between the North Atlantic Ocean and European climate - the Skagerrak -. We used well established organic proxies (i.e. alkenones) but also recently developed ones (IP25, GDGT based proxies) to produce reconstructions based on SST but also on additional climate parameters such as sea ice cover variability, mean air temperature and export productivity. In addition, we tested the applicability of the relatively new proxies based on GDGTs in a marine sedimentary core from the Skagerrak and in soils from southern Norway and the Pyrenees. The TEX86 gave SST estimates that were similar to regional annual means in the Skagerrak but the MBT/CBT air temperature estimates were closer to summer temperatures. This bias towards a specific season was not due to changes in the synthesis of GDGTs in soils through an entire annual cycle or to an enhanced transport of the lipids to the Skagerrak with the Glomma River during this period. We suggest that the GDGTs in the Skagerrak might be a result of a mixture between lipids transported from southernmost locations and in situ production. The origin of these lipids in the Skagerrak should be addressed before applying these proxies in this area with reliability. From the records located in the eastern Fram Strait and the Barents Sea, positioned in the two main paths where the northward flowing North Atlantic Current meet the Arctic, we interpret there was a progressive increase in temperature probably due to a warming in or an enhancement of the North Atlantic Current. This trend started at ~1000 – 1300 AD but was accentuated from ~1500 - 1600 AD until the most recent part of the records. In the Skagerrak, an area influenced by 90% North Atlantic water, a long term cooling that lasted until AD 1300 was reversed by a progressive warming since AD 1600 until present even though insolation continued to decrease. We suggest that the warming trends observed in the three records during the last ~400 years were caused by changes in internal modes of climate variability such as more frequent predominantly positive phases of the Arctic Multidecadal Variability, the North Atlantic Oscillation or the Atlantic Multidecadal Oscillation. The impact of human activity on climate might be superimposed on a longer term warming trend caused by changes in natural modes of climate variability that progressively affected the study areas during the last ~400 years.