Sea Ice Variability in a Warmer Past: Last Interglacial Paleoceanography of the (Sub)Arctic Oceans

Abstract

Det omfattende og permanente havisdekket som i dag karakteriserer det Arktiske havet er i rask endring med en havoverflate som uunngåelig er i endring fra hvit til blå. Forståelse for en slik omfattende endring og dets konsekvenser for hav, klima, og økosystemer i, og utenfor, de Arktisk og Subarktiske hav krever en forståelse for havisens naturlige variasjoner gjennom geologiske tid. Tidligere intervaller in jordens historie som var varme gir innsikt inn i hvordan klima og miljø responderer på et globalt varmere klima. Den Siste Interglasiale Perioden (LIG), Marine Isotop trinn (MIS) 5e, hadde mange karakteristikker som liknet på modellerte projeksjoner av vårt framtidige klima. Den hadde et varmere klima enn dagens, men også et mer ustabilt klima. En nøkkelfaktor som har potensial for å påvirke klima- og havvariasjoner er havis, men dets tilstedeværelse og utbredelse gjennom LIG er lite kjent. Hvilken rolle havis kan ha spilt i interglasial klimavariabilitet er dermed et uløst spørsmål. I tillegg, eksisterer det store uenigheter om tilstanden til Arktisk havis gjennom LIG, og den glasiale til interglasiale overgangen som er karakterisert av betydelig klima og miljøendringer. Havisen er intrikat knyttet til både variasjoner i havstrømmer og dynamiske isdekker gjennom tid. En forståelse for hvordan disse forskjellige parameterne i jordens is-hav-klima system henger sammen er viktig for å bedre forstå mekanismene som fører til havisvariasjoner, og i tillegg, forstå hvordan havisen kan påvirke de ulike komponentene i is-hav-klima systemet. Viktigheten av å forstå usikkerhetene knyttet til havisens variabilitet, og utbredelse, kombinert med usikkerhetene knyttet til interglasial klimavariasjoner utgjør det overordnede målet for denne avhandlingen; å bedre forstå hvilken rolle havis kan ha spilt i jorden is-hav-klima system gjennom den siste interglasiale perioden, og dets glasiale overganger.

For å undersøke det overordnete målet løser denne doktorgradsavhandlingen årtusen til århundre skala LIG, og glasial til interglasial havisvariasjon og hydrografi i de Arktiske til Subarktiske havene. Dette inkluderer den siste delen av den glasiale perioden MIS 6 og dens avsmelting (Terminasjon II), MIS 5e/LIG og MIS 5d, noe som dekker en total tidsperiode fra ca. 140–90 tusen år siden. Fra marine sedimentkjerner analyserer vi fossile og geokjemiske rester av mikroorganismer som en gang levde i havisen og i overflatehavet. Disse danner nå et naturlig arkiv av tidligere havis- og hydrografisk variasjon. Spesifikt, er havisrekonstruksjonene basert p ̊a sedimentær mengder av isalge biomarkøren IP25, kombinert med fytoplanktonbiomarkører for åpent hav, og analyse av dinoflagellatcyster. Disse dataene sammenlignes med nye og tidligere publiserte proxirekonstruksjoner som avdekker et bredere bilde av den paleoseanografiske historien til (sub)Arktis. Denne doktorgradsavhandlingen inneholder to proxirekonstruksjoner fra Labradorhavet og Framstredet. Begge områdene avslører en utvikling av havis fra maksimale glasiale utbredelse, gjennom randis, til minimale interglasial havisutbredelse (Artikkel I og II). I artikkel I fra det subpolare Labradorhavet gir våre data et detaljert innblikk i interaksjonene mellom havis og dynamikken til overflatestrømmene som danner den subpolare gyren (SPG). I artikkel II gir våre proxirekonstruksjoner fra Framstredet innsikter om havisvariabilitet og produktivitet i sammenheng med isdekkedynamikk, dannelse av polynyaer og innstrømmende Atlanterhavsvann. I artikkel III gir våre data innsikt i mulig bruk av stabile oksygenisotoper fra kombinerte planktiske og bentiske foraminiferer for å avdekke havis, stratifisering og dypvannsdannelse i Labradorhavet.

Resultatene presentert i denne avhandlingen gir ny kunnskap om utviklingen av havis gjennom den siste interglasiale perioden, og gir innsikt i evolusjonen av havis gjennom glasial til interglasiale klimaoverganger i en bredere kontekst av den paleoseanografiske historien til de Arktiske og Subarktiske regionene. Dessuten gir denne avhandlingen verdifull informasjon som kan brukes til å forbedre klimamodeller for mer nøyaktige projeksjoner av fremtidig klima, og tilbyr data for å evaluere nye proxier for havisrekonstruksjoner. Til sist, er disse dataene viktige for å bedre forstå interglasiale klima og naturlige havisvariasjoner, avgjørende for å bedre forstå konsekvensene assosiert med en fremtidig havisfri Arktisk sommer.

The extensive to permanent state of the Arctic Ocean’s sea ice cover is changing rapidly, inevitably turning the surface of the Arctic Ocean from white to blue. Understanding this profound transformation and its implications for the climate, oceans and ecosystems in, and beyond, the Arctic and Subarctic regions requires an understanding of natural sea ice variability throughout geologic time. Past intervals of warming in Earth’s history provide insights into the climatic and environmental responses that may be triggered in a globally warming world. The Last Interglacial (LIG; 128–116 thousand years ago), Marine Isotope Stage (MIS) 5e, had many characteristics similar to model projections of our future climate. It had a warmer climate than present, but is also thought to have had a less stable climate. One key factor that has the potential to influence ocean and climate variability is sea ice, but its presence and extent throughout the LIG is poorly constrained. Thus, what role sea ice may have played in interglacial climate variability remains an unresolved question. Large discrepancies exist regarding the state of Arctic sea ice cover through the LIG, and the glacial-interglacial transitions characterised by large climatic and environmental shifts. Sea ice variability is intricately linked with the flow of surface ocean currents and dynamic ice sheets through time. Understanding how these different parameters of the Earth’s ice-ocean-climate system interact is crucial to ultimately understand better the mechanisms that lead to sea ice variability, and additionally understand how the sea ice may influence other components of the ice-ocean-climate system. The importance of elucidating the uncertainties related to sea ice variability, nature and extent, combined with uncertainties related to interglacial climate variability, makes up the overall aim of this thesis; to better understand the role of sea ice in the Earth’s ice-ocean-climate system throughout the LIG and its glacial transitions.

To investigate the aim, this PhD thesis resolves millennial to centennial-scale LIG and glacial-interglacial sea ice variability and surface ocean hydrography in the Arctic and Subarctic Oceans. This includes the late glacial MIS 6, Termination II, MIS 5e/LIG, and MIS 5d covering a total time span from ca. 140–90 thousand years ago. From marine sediment cores, we analyze the fossil and geochemical remains of the microorganisms that once lived in the sea ice and surface ocean, now providing a natural archive of past sea ice and hydrographic variability. Specifically, sea ice reconstructions are based on the sedimentary abundance of the sea ice algae biomarker IP25 combined with open-water phytoplankton biomarkers, and dinoflagellate cyst assemblage analysis. These data are compared to new and previously published proxy-records that together provide new insights into the sea ice and paleoceanographic history of the (sub)Arctic Oceans. This PhD thesis includes two proxy reconstructions from the Labrador Sea and the Fram Strait regions. Both regions reveal an evolution of sea ice from maximum glacial extents, through marginal ice zone conditions, to minimum interglacial sea ice extents (Paper I and II). In paper I, our reconstruction from the subpolar Labrador Sea reveals a detailed insight into the connection between sea ice, and the dynamic surface circulation of the subpolar gyre (SPG). In paper II, our Fram Strait proxy-reconstruction reveals insights on sea ice variability and productivity in the context of ice sheet dynamics, polynya formation, and Atlantic water influence. In paper III, our data shed light on the potential use of coupled benthic and planktic foraminiferal stable oxygen isotopes to infer sea ice, stratification and deep convection in the subpolar Labrador Sea.

The findings presented in this thesis contribute new insights into LIG sea ice variability, and into the evolution of sea ice across glacial to interglacial climates within the broader context of the paleoceanographic history of the Arctic and Subarctic. Furthermore, this thesis offers input information for enhancing the accuracy of climate model predictions of future climate, and it offers data for evaluating novel proxies for sea ice reconstructions. Ultimately, the findings are important for a better understanding of interglacial climates and natural sea ice variability, crucial for fully grasping the consequences associated with a future sea ice-free Arctic summer.