The Ups and Downs of the Holocene: Exploring Relationships between Global CO2 and Climate Variability in the North Atlantic Region

Abstract

This thesis aimed to examine the relationship between climate and atmospheric CO2 concentrations through rapid climate changes during the Holocene. Climate was reconstructed using high-resolution, radiocarbon dated, lake sediment geochemical proxies (magnetic susceptibility, loss-on-ignition, total carbon/nitrogen/sulphur determinations and biogenic silica), vegetational reconstruction (pollen analysis) and stomatal frequency based CO2 reconstructions. The stomatal frequency based reconstructions of CO2 provides decadal scale data, which complement ice core measurements. Lakes sediments from south-central Sweden were collected and the analyses were focussed on a c. 1,000 year period centred at c. 4,000 cal. yr BP when an abrupt change to a cooler/wetter climate had previously been recorded. Secondly, lake sediments from the Faroe Islands earlier than the Saksunarvatn tephra layer (dated to 10,240 cal. yr BP) were collected, as it is known that this period was subject to sudden large-scale climatic coolings. The Faroe Islands are also expected, and have been previously shown, to be sensitive to ocean driven climatic change. The results from south-central Sweden showed that the transition from the relatively warm/dry middle Holocene climate to the cooler/wetter late Holocene was characterized by two major, well defined steps (c. 4,450-4,350 and c. 4,000-3,800 cal. yr BP). At c. 4,000-3,500 cal. yr BP, forest composition demonstrated distinct changes and pollen productivity declined markedly. Stomatal frequency analysis of Quercus and Betula indicated a fairly rapid decrease in concentrations around 3,600 cal. yr BP but due to large uncertainties produced by low leaf concentrations, this decrease is considered tenuous. The early Holocene results from the Faroe Islands covering the time period 11,230 to 10,330 cal. yr BP, and reconstructing both winter and summer conditions, indicate a period of increased storminess and cooler winters at c. 11,150 cal. yr BP. This was followed by a period of stability in both seasons between c. 11,000 and 10,680 cal. yr BP, at which time a distinct increase in variability is suggested by the data. Notably, a mainly winter cooling occurred at c. 10,600 cal. yr BP and winter/summer coolings at 10,450 and 10,300 cal. yr BP. These events broadly correlate with ?18O inferred atmospheric temperatures over Greenland and the reoccurrence of meltwater outbursts into the North Atlantic Ocean. The concurrent reconstruction of CO2 was based on Salix herbacea leaves and indicates a distinct decrease in global concentrations at c. 11,050 cal. yr BP, a consistent and steady decline between c. 10,900 and 10,600 followed by increased variability. The onset of CO2 variability occurs 80 years after the recorded changes in climate. The CO2 trends show a similar pattern to the reconstructed climatic changes and indicate that the climate of the Northern Hemisphere was significantly impacting the global carbon cycle. Additionally, the CO2 reconstruction shows a remarkable similarity to proxy-inferred solar activity changes, which may suggest that CO2 responded rapidly to these changes via responses in climate.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Jordens klimat har ändrats många gånger genom dess historia. Under de senaste 2,6 miljoner åren har de kontinentala landmassorna varit geografiskt fördelade på så sätt att relativt små skillnader i Jordens omloppsbana kring solen, s.k. orbitala förändringar, har givit upphov till övergångar mellan långvariga, kalla perioder (istider) och kortvariga, varma perioder (mellanistider). Det är dock viktigt att notera att dessa perioder inte har varit enhetligt kalla eller varma utan också har varierat på kortare tidsskalor. Orbitala förändringar är inte stora på dessa tidsskalor, men förstärkning genom interna återkopplingsmekanismer anses orsaka bl.a. de snabba klimatförändringar under istider som kallas Dansgaard-Oeshger-cykler. Den innevarande mellanistiden, holocen, började för omkring 11500 år sedan och ansågs, tills nyligen, ha varit klimatiskt stabil. Det är dock numera känt att klimatet har genomgått abrupta förändringar även under denna varma period, men p.g.a. begränsade förutsättningar för stark återkoppling i klimatsystemet, t.ex. till följd av att det finns få stora inlandsisar, är dessa klimatförändringar relativt småskaliga. Dessa snabba och kortvariga förändringar finns registrerade i paleoklimatiska arkiv såsom sediment i sjöar, i havet och på land, i torvmossar, inlandsisar och speleotem etc. och möjliggör rekonstruktion av klimatet under holocen. Mot bakgrund av dagens oro inför global uppvärmning och snabba klimatförändringar är det mycket angeläget att förstå hur, när och varför klimatet förändras.



Sambandet mellan klimatet och koldioxidkoncentrationen har varit viktigt genom Jordens historia. Positiva återkopplingsmekanismer tillser att atmosfärens CO2-halt är relativt låg när Jordens klimat är kallt och att den är relativt hög när klimatet är varmt. Denna starka koppling illustreras väl av studier av isborrkärnor från inlandsisen i Antarktis. För de senaste 650000 åren visar mätningar som speglar den globala temperaturen och CO2-analyser av luftbubblor i isen ett närmast identiskt mönster. Dessa förändringar inträffar dock inte exakt samtidigt. När temperaturen stiger i samband med att en istid tar slut vet vi att CO2 ökar cirka 1200 år senare, men det anses att den stigande koldioxidkoncentrationen medverkar till att höja temperaturen ytterligare. Att analaysera luftbubblor i inlandsisar är en utmärkt metod för att få information om CO2-förändringar, men p.g.a. den fördröjning som sker i samband med att luften innesluts i isen kan det vara problematiskt att rekonstruera förändringar som äger rum under kortare tid än några århundraden. För att studera de samband som kan finnas mellan CO2 och de snabba klimatförändringarna under holocen krävs kompletterande metoder. Analys av klyvöppningsfrekvens utnyttjar den fysiologiska responsen hos vissa arter av landväxter på förändringar i CO2-koncentrationen. Även om metoden fortfarande är under utveckling, är den för närvarande den enda som kan användas för rekonstruktion av CO2-förändringar på dessa korta tidsskalor. Före lövsprickningen utvecklas bladytans celler till antingen epidermisceller eller slutceller som omger en por. Dessa klyvöppningar möjliggör för växten att ta upp koldioxid ur luften, men de medger även vätskeförlust. Vid hög CO2-koncentration kan växten tillåta sig att reducera antalet klyvöppningar på sina blad, och därigenom minimera vätskeförlusterna, utan att mängden koldioxid till fotosyntesen minskar. Genom att räkna antalet klyvöppningar per kvadratmillimeter (?stomatal density?), eller hellre proportionen celler som är klyvöppningar (?stomatal index?) kan man detektera förändringar i atmosfärens koldioxidhalt. Analyser av blad från de senaste 150 åren som hämtats från herbariesamlingar speglar den kända CO2-ökning som skett till följd av industrialiseringen. Sjösediment har goda förutsättningar att bevara bladrester i tusentals år. Genom att analysera klyvöppningsfrekvensen hos sådana blad, och sedan kalibrera resultaten med hjälp av data från t.ex. herbarier, kan man erhålla en kvantifierad rekonstruktion av variationer i CO2-koncentrationen.



Denna avhandling redovisar en undersökning av sambandet mellan förändringar i det regionala/lokala klimatet och den globala CO2-koncentrationen under perioder av holocen då man känner till att snabba klimatförändringar ägde rum.



Omfattande klimatförändringar är kända från den tidig-holocena perioden (11500-8000 år sedan). Det dåtida klimatet påverkades starkt av efterdyningarna av den föregående istiden. Inlandsisar var fortfarande under reträtt i Skandinavien och Nordamerika, vilket kontinuerligt, och tidvis katastrofalt, frisläppte enorma mängder smältvatten till haven. Nordatlanten är särskilt känslig för sötvattenspulser eftersom dessa bromsar upp oceancirkulationen, vilket i sin tur leder till avkylning av hela Nordatlantregionen. Bland annat detta har föreslagits vara en orsak till de abrupta klimatförändringarna i början av holocen. En välkänd, kortvarig kallperiod inträffade mellan 11300 och 11150 år sedan och är känd som den preboreala oscillationen (PBO). Klimatet på Färöarna är starkt beroende av de oceaniska förhållandena, och det är känt att snabba klimatförändringar finns registrerade i sjöar där. Rekonstruktioner av klimatförhållandena vinter- och sommartid samt CO2-koncentration under perioden 11300-10240 före nutid baserade på studier av sediment från sjön Lykkjuvøtn visade på ytterligare förändringar under perioden efter PBO. En period av låga temperaturer och ökad stormighet kunde detekteras för ca 11150 år sedan, och denna följdes av en mycket stabil period mellan 11000 och 10680 år före nutid som sammanfaller med en period utan smältvattentillförsel till Nordatlanten. Efter 10680 år sedan blev klimatet mycket mindre stabilt, och tre tydliga kallperioder kunde detekteras: en som kännetecknades främst av avkylning vintertid för omkring 10600 år sedan och två vinter/sommar-avkylningar för cirka 10450 och 10300 år sedan. Dessa perioder med låg vintertemperatur finns också registrerade i grönländska isborrkärnor (med hänsyn tagen till kronologiska osäkerheter), vilket indikerar regionala kopplingar i klimatet. CO2-koncentrationen uppvisar en tydlig likhet, om än med en viss fördröjning, med klimatet med en minskning kring 10050 år sedan, vilket kan vara en försenad respons på PBO som nämndes tidigare. En enhetlig och stabil nedgång detekterades mellan 10900 och 10650 år sedan, liksom en ökad instabilitet efter 10550 år sedan. Genom direkt jämförelse av när återgången till instabilitet inträffar i de två rekonstruktionerna, vilka baseras på samma sedimentprover, kunde det konstateras att atmosfärens koldioxidhalt ändrades 80 år efter klimatet. Kronologisk jämförelse av de registrerade CO2-nedgångarna med tidigare kända smältvattenpulser i Nordatlanten tyder på ett samband mellan dessa båda företeelser. Därutöver uppvisar CO2-förändringarna likheter med variationer i solaktivitet. Detta indikerar att CO2 reagerar snabbt på minskad solaktivitet via förändringar i klimatet. En sådan likhet, och möjlig koppling, har inte tidigare detekterats i paleoklimatiska data.



Det holocena klimatet var generellt sett varmare i början av mellanistiden, medan klimatet har varit svalare och fuktigare under de senaste årtusendena. P.g.a. lokala skillnader och tröskeleffekter överensstämmer dock inte tidpunkten för denna förändring mellan olika arkiv. Tidigare studier av sediment från Igelsjön i södra, mellersta Sverige har visat på en snabb förändring till ett kallare och fuktigare klimat för omkring 4000 år sedan. En sjösedimentlagerföljd omfattande en period av några tusen år kring denna klimatförändring studerades i högre upplösning. Resultaten visade att såväl sjön som dess omgivning under denna övergång till ett svalare och fuktigare klimat under holocen reagerade med påtaglig instabilitet och genomgick en serie av snabba förändringar. Den koldioxidrekonstruktion som utfördes på samma prover, och baserades på bladfragment av både ek och björk, indikerade en tydlig nedgång under cirka 150 år mellan 3650 och 3500 år före nutid. Denna CO2-rekonstruktion måste dock tolkas med mycket stor försiktighet p.g.a. de stora osäkerheter som hänger samman med den knappa tillgången till lämpliga bladfragment under vissa perioder.



De två ovan beskrivna studierna har visat att kombinationen av klimat- och CO2-rekonstruktion med hög tidsupplösning kan bidra med ny kunskap om snabba, regionala klimatförändringar. Dessutom har de illustrerat klyvöppningsfrekvensmetodens potential att identifiera CO2-förändringar över tidsskalor kortare än de som kan detekteras i iskärnor, även om kalibreringen av klyvöppningsdata ännu är förknippad med en del problem.



Här nedan specificeras några av de nya observationer som har gjorts inom ramen för detta doktorandprojekt:



· Medan klimatet var stabilt på södra hemisfären i tidig-holocen uppvisar klimatförändringar på norra halvklotet under samma tid ett samband med variationer i atmosfärens CO2-koncentration.



· Distinkta klimatförändringar identifierades i vinterindikatorer i sjösediment från Färöarna i början av holocen, och dessa har ett tidsmässigt samband med sötvattenspulser till Nordatlanten.



· Likheter i responsen hos paleoklimatiska vinterindikatorer på Grönland och Färöarna under tidig-holocen indikerar att det förekom storskaliga och synkrona, atmosfäriska förändringar under denna tid. Dessa förändringar, vilka kan ha förmedlats via havsis, har inte detekterats i paleoklimatiska sommarindikatorer i regionen.



· En tidigare ej observerad likhet mellan förändringar av CO2-koncentrationen och solaktiviteten under tidig-holocen indikerar en snabb koppling via klimatet.



· Övergången till den holocena temperaturnedgången är registrerad som en period av instabilitet, inklusive en serie abrupta skeenden, i sjösediment från södra, mellersta Sverige.

• author: Jessen, Catherine
• supervisor: Mats Rundgren; Svante Björck; Ian Snowball
• opponent: Professor Walker, Michael, University of Wales, Lampeter, UK
• organization: Quaternary Sciences
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: marklära, geomorfologi, climatology, klimatologi, rapid climate change, Holocene climate, atmospheric CO2 concentrations, geochemical proxy indicators, Paleobotanik, palynology, Geology, palynologi, fylogeni, geomorphology, fysisk geografi, Geologi, physical geography, kartografi, pedology, cartography, phylogeny, Palaeobotany, stomatal frequency, lake sediments
• in: Lundqua thesis
• issue: 55
• pages: 105 pages
• defense location: Pangea, Geocentrum II, Department of Geology, Sölvegatan 12, Lund University.
• defense date: 2006-03-03 13:15:00
• external identifiers: scopus:33947124568
• ISSN: 0281-3033
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 91-86746-70-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 93eebcdd-cd19-41b4-8617-70ec28ff70f0 (old id 546226)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:55:54
• date last changed: 2022-01-28 08:06:05