Winds of change : A multi-proxy approach to constrain Holocene climate and wind dynamics in the sub-Antarctic

Abstract

Kunnskap om tidligere tiders naturlige klimavariasjoner er hovednøkkelen for å forstå vår nåværende klimatilstand. Det er også viktig for å kunne vurdere omfanget og retningen til fremtidige klimaendringer som forventes som en konsekvens av menneskeskapt global oppvarming. Imidlertid er vår forståelse av tidligere naturlige klimavariasjoner fortsatt ufullstendig, spesielt i områdene på mellom og høye breddegrader på den sørlige halvkule. Dette området er av stor betydning for det globale klimasystemet, fordi vestlige vinder driver havsirkulasjonen og dermed påvirker den meridionale omveltningssirkulasjonen, samt varme- og gassutveksling mellom havet og atmosfæren som påvirker det globale karbonkretsløpet. Mer detaljerte paleoarkiver er nødvendige for å rekonstruere tidligere klimaforhold, spesielt endringer i Vestavindsbeltet på den sørlige halvkule. Det er imidlertid ikke enkelt å rekonstruere tidligere vindforhold. Bruken av proksier som transporteres direkte med vind er verdifulle, men kunnskapen om de er fortsatt begrenset på grunn av få terrestriske arkiver i dette området. Sub-Antarktiske øyer har nøkkelsteder for å fange opp klimavariasjoner og gir en god sirkumpolar dekning av paleoklimatiske undersøkelser.

I denne oppgaven bruker jeg en multiproksi-tilnærming for å rekonstruere klima i sub-Antarktis under deglasiasjonen og holocen periode. Jeg fokuserer spesielt på tidligere vindforhold knyttet til både vindstyrke og plasseringen av Vestavindsbeltet på den sørlige halvkule. Dette ble gjort ved å sammenstille palynologiske data og analyser av sedimentene fra en innsjøkjerne på Sør-Georgia og både en innsjø- og en torvkjerne fra Kerguelen.

Basert på innholdet av pollen fra naturlige forekommende arter, sammen med kunnskap om dynamikken i det lokale nedbørsfeltet utledet fra sedimentologiske data, kunne jeg rekonstruere lokale klimaforhold ved å bruke prinsippet om høyland-lavland planter. Dette prinsippet innebærer at arter som i dag vokser i høyden, i relativt kaldere habitater, brukes til å indikere tidligere tiders kalde forhold. Arter som for tiden vokser i lavereliggende områder, i skjermede habitater, brukes til å indikere tidligere varmere forhold. Ved alle tre lokalitetene antydet jeg en varm periode i tidlig holocen. Dette ble fulgt av et skifte til relativt kalde forhold i perioden mellom ~9,350 og 7,400 før nå. Kaldere forhold starter tidligere på Sør-Georgia enn på Kerguelen. Sammenlignet over hundreårsskala er det relativt store forskjeller i klimavariabilitet på de tre lokalitetene, spesielt på Kerguelen. Dette viser i hovedsak at klimarekonstruksjoner er sensitive for lokale forhold, og det fremhever hvordan ulike klimatologiske arkiver (innsjøer vs. torv) fanger opp ulike deler av de lokale klimaforholdene.

Basert på holdet av pollen fra fremmede arter, som transporteres med vind over lange avstander fra de store kontinentale landmassene til de sub-Antarktiske øyene, kunne jeg rekonstruere tidligere vindforhold. På Sør-Georgia ble pollen fra Sør-Amerika benyttet som indikasjon på endringer i vindstyrke. I innsjøen fra Kerguelen ble innholdet av pollen opprinnelig fra det sørlige Afrika brukt som indikasjon på endringer i posisjonen til kjernen i Vestavindsbeltet på den sørlige halvkule. Torvavsetningen fra Kerguelen hadde lav andel av vindtransportert pollen. Kombinasjonen av pollen fra lokalt voksende vindtolerante arter og vindblåst støv avsatt i torven mulig brukes som et mål på vindstyrke.

Ved å kombinere resultatene fra alle tre lokalitetene har vår kunnskap om atmosfærisk sirkulasjon og klimatiske variasjoner i sub-Antarktis økt. Alle tre arkivene indikerer en relativt varm tidlig holocen, som ble antatt å falle sammen med en sørlig posisjon av Vestavindsbeltet. Ved å kombinere data fra de to lokalitetene på Kerguelen, ser det ut til at lokal vindstyrke var svært varierende mens Vestavindsbeltet ble skjøvet nordover i midtre til siste del av holocen. Fra lokaliteten på Sør-Georgia utledes det at økningen i vindstyrke sammenfaller med lokalt antatt kaldere forhold. Her er den største økningen i vindstyrke de siste 2,800 år. Ulike tidspunktet for endringen sammenlignet med Kerguelen kan reflektere en overgang til en mer sonalt asymmetrisk oppførsel av Vestavindsbeltet.

Our knowledge of past natural climate variability is the main key to understanding our current climate state. It is also critical for assessing the magnitude and direction of future climatic changes expected as a consequence of the anthropogenically induced global warming. However, our understanding of past natural climate variability is still incomplete, particularly in the mid- to high latitudes of the Southern Hemisphere. This area is of great importance for the global climate system, because here the Southern Hemisphere Westerly Winds drive ocean circulation and thereby affect the meridional overturning circulation and ocean-atmosphere heat and -gas exchange affecting the global carbon cycle. More detailed paleo-archives are needed to reconstruct past climate conditions, especially the behaviour of the Southern Hemisphere Westerlies. Reconstructing past wind conditions is not straightforward. The use of proxies directly transported by wind is valuable, but currently still limited because of the scarcity of terrestrial records in this area. Sub-Antarctic islands provide key sites to capture nearsurface climate variability and to provide a full circumpolar coverage of paleoclimatic records.

In this thesis I use a multiproxy approach to reconstruct climate in the sub-Antarctic over the last ~13,600 years; during the deglacial and Holocene period. I specifically focus on past wind conditions relating to both wind strength and the position of the Southern Hemisphere Westerlies’ core belt. This was done by integrating palynological and sedimentological analysis from one lake core from South Georgia and a lake and peat core from the Kerguelen Islands.

Based on the assemblage of pollen from the native plant species, in combination with an understanding of the local catchment dynamics inferred from the sedimentological data, I was able to infer local climate conditions using the upland-lowland principle. This principle implies that pollen from species that currently grow at higher elevation, in relatively colder habitats, is used to indicate past cold conditions. Pollen from species that currently grow at lower elevations, in sheltered habitats, is used to indicate past warm conditions. At all three study sites, I inferred a warm Early Holocene period. This was followed by a shift to relatively colder conditions between ~9,350 and 7,400 cal yr BP. With colder conditions starting earlier at South Georgia than the Kerguelen Islands. However, there was a relatively big difference in the centennial-scale climate variability between the sites, especially in the records from the Kerguelen Islands. This shows that climate reconstructions are sensitive to site-specific conditions, and it highlights how different climatological archives (lakes vs. peat) capture local climate conditions.

Based on the input of pollen from non-native species, which are transported by wind over long distances from the main continental landmasses to the sub-Antarctic islands, I was able to infer past wind conditions. On South Georgia input of pollen from southern America was inferred to indicate changes in wind strength. In the lake record from the Kerguelen Islands, input of pollen from southern Africa was inferred to indicate changes in the position of the Southern Hemisphere Westerlies’ core belt. The peat record from the Kerguelen Islands did not have high enough input of wind transported pollen. However, the combination of pollen from local wind-tolerant species and wind-blown dust in the record could potentially be used as a measure of wind strength.

Combining the results from all three sites, it was possible to provide part of the puzzle to better understand atmospheric circulation and climatic variability in the sub-Antarctic. All three records indicate a relatively warm Early Holocene, which was inferred to coincide with a southward Southern Hemisphere Westerlies position. Combining the findings from the two sites on the Kerguelen Islands, it seems that locally wind strength was very variable while the Southern Hemisphere Westerlies was shifted northward during the Mid- to Late Holocene. From the record on South Georgia, it is inferred that the increase in wind strength coincides with locally inferred colder conditions. Here, the biggest increase in wind strength is inferred during the last 2,800 years. This different timing of events compared to the Kerguelen Islands might reflect a transition to a zonally asymmetric Southern Hemisphere Westerlies behaviour.