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Título
Cambios climáticos a escala orbital y milenaria en el Atlántico norte entre 800.000 y 400.000 años
Autor(es)
Director(es)
Materia
Tesis y disertaciones académicas
Universidad de Salamanca (España)
Tesis Doctoral
Academic dissertations
Cambio climático
Atlántico norte
Climate change
North Atlantic
Paleoclimatología
Paleoclimatology
Clasificación UNESCO
2502.05 Paleoclimatología
Fecha de publicación
2010
Resumen
[EN]From a climatic and oceanographic point of view, the North Atlantic is a very important area
because the main sources of deep water formation, which drive thermohaline circulation, are in
the Norwegian-Greenland Sea and the Labrador Sea. Hence, changes in North Atlantic circulation
have a great impact on global circulation. In this Thesis a section of the North Atlantic sediment
core IODP Site U1314 was studied. This core was recovered in a key area for studying North
Atlantic current variations and IRD discharges as well as changes in the strength of the Atlantic
Meridional Overturning circulation (AMOC).
Several records were obtained from micropaleontological and geochemical analysis on
foraminifers: stable oxygen and carbon isotopes from benthic foraminifers (mainly C. wuellerstorfi),
stable oxygen and carbon isotopes from two planktic foraminifer species N. pachyderma sin y dex,
IRD fluxes, planktic foraminifer assemblages and trace elements from the planktic foraminifer
N. pachyderma sin. Additionally, time series analyses were performed on all the records above
mentioned and on the records from the Antarctic ice core EDC.
The first aim of this Thesis was establishing the chronological framework for the studied
interval. We tuned our benthic δ18O with the Antarctic temperatures from EDC ice core. The
studied interval encompasses from MIS 19 to 11, which means from 800 to 400 thousand years
(ka) approximately.
Using the paleoceanographic and paleoclimatic proxies above mentioned, we propose that
glacial-interglacial cycles can be divided in five stages:
1) Early interglacial stage. During this stage the Arctic and Polar fronts were located in a position
similar to their present day position. The AMOC was very active and the NAC reached the
Norwegian-Greenland Sea and the Labrador Sea where it sank to generate deep waters, like it
happens nowadays.
2) Late interglacial stage. During this stage the Arctic front started to migrate southeastwards
reaching a position near Site U1314. However, the low benthic δ18O values indicated that the ice
sheets did not started to grow. Deep water formation in the Labrador Sea was reduced lowering
the input of NAC waters in the subpolar gyre and hence the salinity of the gyre. Conversely in the
Norwegian-Greenland Sea deep water formation was very strong.
3) First stage of glacial periods. The beginning of glacial periods was established at the inflection
of benthic δ18O record, in other word when the ice volume began to grow. During this stage the
AMOC was active in the Norwegian-Greenland Sea because the Arctic and Polar fronts were
rather north in this area. That favoured the fresh water transport towards high latitudes and the
accumulation of snow in the continents. In the Labrador Sea a perennial sea ice cover prevented convection and deep waters were not produced at this area. The Arctic front was located between
Site U1314 and ODP Site 980, whereby the NAC flowed through the East Atlantic and still reached
the Norwegian-Greenland Sea. It is likely that deep waters progressively cooled and that cooling
was transmitted through the AMOC to the Southern Hemisphere, and the whole ocean.
4) Second stage of glacial periods. This stage began with the first ice-rafting event and it is
characterised by a progressive ice sheet growth that was interrupted by several millennial-scale
events that we denominated ice sheet collapse events (ISCE). As a consequence of the first iceberg
discharges the AMOC was disturbed and intermediate water (GNAIW) was generated instead
of deep water (NADW). The ISCE present two phases, first iceberg discharges dampened the
formation of GNAIW and because of the see-saw effect, the Southern Hemisphere warmed and
CO2 was outgased from the ocean to the atmosphere. Subsequently an abrupt warming occurred
in the Northern Hemisphere melting part of the ice sheets. The ISCE present a similar sequence
of events as the Heinrich events and the subsequent interstadial that where described for the last
glacial period. During the progressive ice sheet growth the Arctic front was at approximately E-W
and was located at 55 º N. The NAC reached Site 980 and GNAIW was likely generated south of
60º N. Conversely, during the warm phase of the ISCE the Arctic front migrated northwards, the
NAC reached northernmost positions and the GNAIW was generated northernmost too.
5) Late glacial periods-termination. At the end of glacial periods the Arctic front began to retreat
slowly and then at the Termination the Arctic front migrated northwestwards abruptly as the ice
volume was reduced. The NAC entered in the Norwegian-Greenland Sea and the Labrador Sea
where it resume the deep water formation, and hence, the AMOC.
Planktic foraminifer assemblages showed abrupt shifts between cold and warm assemblages.
N. pachyderma dex, G. inflata y G. bulloides were dominant during the warm periods whereas
during cold periods the assemblage was almost monospecific and N. pachyderma sin dominated.
The abrupt shifts were related to the position of the Arctic front respect to the studied area, which
determined the presence of NAC waters or Arctic waters. When the Arctic front was near Site
U1314 high percentages of T. quinqueloba were recorded.
Paleotemperature reconstructions performed with transfer functions for planktic foraminifers
and Mg/Ca paleothermometry showed that Mg/Ca paleothermometry is reliable when the Arctic
front was north of Site U1314 whereas the presence of the Arctic waters interfered in the Mg/Catemperature
relationship, supporting previous works. Additionally the analysis of temperatures
and δ18O records on planktic foraminifer tests of N. pachyderma sin and dex suggests that during
interglacial periods the difference between both species is related to seasonality and stratification
of the water column. During MIS 15 and 11 seasonality was higher, with cooler winters and warmer
summers than during MIS 17 and 13 summer stratification of the water column was higher than
during MIS 17 and 13. The differences in seasonality might be related with the strength of summer
winds. During interglacial periods the presence of sea ice during most of the year favoured that both species lived during the same season and in the same water mass because the sea ice melting
might have produced a low salinity lid that prevented water mixing. The iceberg discharges did
not produce significant changes in the seawater δ18O except at the Terminations.
Time series analyses performed on the different records of the Thesis and their comparison
with the spectral analyses of EDC records, showed a progressive importance of the precession band
in the climatic cycles. From the marine-establishment of the East Antarctic Ice Sheet the Southern
Hemisphere fluctuated between in and out phase responses respect to the Northern hemisphere
until MIS 12. This change produced a northward shift in the ITCZ increasing moisture transport to
higher latitudes and contributing to the snow accumulation and the large ice sheet growth of MIS
16. From MIS 16 to 12 high latitude northern hemisphere insolation controlled global climate
changes and the CO2 concentration, but the climate was still highly influenced by obliquity. After
MIS 12 the ITCZ migrated near the equator, sea surface temperatures in the Southern Hemisphere
increased and ice volume changes occurred in phase. [ES] El Atlántico norte es una zona muy sensible a los cambios climáticos y oceanográficos puesto
que las principales zonas de formación de aguas profundas, que son el motor de la circulación
termohalina, se encuentran en el Mar del Labrador y el Mar de Noruega-Groenlandia. Por tanto los
cambios en la circulación oceánica del Atlántico norte tienen una gran influencia en la circulación
global. En esta Tesis Doctoral se ha estudiado un testigo de sedimento oceánico que está ubicado
en un lugar clave dentro del Atlántico subpolar. El área de estudio nos ha permitido analizar tanto
cambios superficiales, en especial variaciones en la corriente Noratlántica (NAC) y eventos de
descarga de icebergs, como cambios en la intensidad de la circulación profunda.
En esta Tesis Doctoral se ha elaborado un registro de isótopos estables de oxígeno y carbono
en foraminíferos bentónicos (principalmente C. wuellerstorfi), un registro de isótopos estables
de oxígeno y carbono en dos especies de foraminíferos planctónicos, N. pachyderma sin y dex,
un registro de acumulación de IRD, un registro de cambios en las asociaciones de foraminíferos
planctónicos y un registro de la proporción de elementos traza en las conchas de N. pachyderma
sin. Además se ha realizado un análisis espectral de los registros anteriormente mencionados y de
otros como los del testigo de hielo antártico EDC.
Uno de los objetivos prioritarios de esta Tesis ha sido establecer el modelo de edad para el
intervalo estudiado. Para ello se ha correlacionado el registro de δ18O de foraminíferos bentónicos
con el registro de temperatura obtenido a partir del testigo de hielo antártico EDC. El intervalo de
estudio comprende desde el MIS 19 al 11, que corresponde a un intervalo desde hace 800 a 400
mil años (ka) aproximadamente.
En base a las herramientas paleoceanográficas y paleoclimáticas utilizadas en este trabajo
hemos identificado una serie de patrones que nos ha permitido establecer una división de los
ciclos climáticos en cinco fases:
1) Fase inicial de los periodos interglaciales. Durante esta fase los frentes Ártico y Polar estaban
situados en una posición similar a la que presentan hoy en día. La circulación termohalina era muy
activa y la NAC llegaba al Mar de Noruega-Groenlandia y al Mar del Labrador donde se hundía
para formar aguas profundas, como ocurre en el presente.
2) Fase tardía de los periodos interglaciales. En esta fase el frente Ártico empezó a migrar hacia el
sureste cerca del Site U1314. Sin embargo, los valores de δ18O de foraminíferos bentónicos indican
que los casquetes de hielo aún no habían empezado a crecer. La formación de aguas profundas
en el Mar del Labrador se redujo y las aguas del giro subpolar disminuyeron su salinidad por la
reducción de la llegada de aguas de la NAC. En cambio, en el Mar de Noruega-Groenlandia la formación de aguas profundas era muy activa.
3) Primera fase de los periodos glaciales. El inicio de los periodos glaciales se ha establecido
como el punto de inflexión de los valores de δ18O de foraminíferos bentónicos, es decir cuando
comenzó a aumentar el volumen de hielo. Durante esta fase la circulación termohalina continuó
activa en el Mar de Noruega-Groenlandia porque los frentes Ártico y Polar aún no habían migrado
hacia el sur en esa zona. Este hecho favoreció el transporte de vapor de agua hacia altas latitudes y
por ende la acumulación de hielo en los continentes. Sin embargo, una banquisa de hielo perenne
cubría gran parte del Mar del Labrador, por lo que la convección dejó de producirse en esta área.
El frente Ártico se situaba entre el Site U1314 y el Site 980 de ODP, de modo que la NAC fluía
por el este del Atlántico pero aún llegaba al Mar de Noruega-Groenlandia. Las aguas profundas
probablemente fueron enfriándose durante esta fase y ese enfriamiento se transmitió al hemisferio
sur, y a todo el océano, a través de la circulación termohalina.
4) Segunda fase de los periodos glaciales. Esta fase comienza con la primera descarga de IRD,
y se caracteriza por un crecimiento progresivo de los mantos de hielo que fue interrumpido por
varios eventos de escala milenaria, que hemos denominado ice sheet collapse events (ISCE). La
primera descarga de icebergs da comienzo a la ralentización de la circulación termohalina y a la
generación de aguas intermedias (GNAIW) en vez de profundas (NADW). Los ISCE comienzan
con una descarga de IRD hacia el Atlántico norte que ralentiza la formación de GNAIW y produce
un calentamiento en el hemisferio sur por el efecto see-saw, que a su vez da lugar a la liberación
de CO2 del océano a la atmósfera. A esta primera etapa de enfriamiento extremo en el hemisferio
norte le sucede un calentamiento brusco del agua superficial que incrementa la ablación de las
grandes masas de hielo en el hemisferio norte. La estructura de los ISCE es similar a la de un
evento Heinrich y su posterior interestadial, descritos para el último periodo glacial. Durante las
etapas de acumulación de hielo el frente Ártico estaba a unos 55º N con una dirección casi E-W,
las aguas de la NAC solamente llegaban al Site 980 y la GNAIW se generaba probablemente al
sur de los 60º N. En cambio, durante los periodos cálidos de los ISCE el frente Ártico migró hacia
el norte, la NAC llegaba más al norte y la GNAIW se formaba también más al norte.
5) Fase final de los periodos glaciales y Terminación. Durante esta fase el frente Ártico comenzó a
retroceder lentamente hasta que durante la Terminación se produce una brusca migración hacia el
noroeste mientras se reduce el volumen de hielo. La NAC va penetrando hacia el norte y reactiva
la formación de aguas profundas tanto en el Mar de Noruega-Groenlandia como en el Mar del
Labrador.
Las asociaciones de foraminíferos planctónicos nos muestran cambios muy bruscos entre
la asociación predominante en los periodos cálidos, donde dominan las especies transicionalessubpolares
N. pachyderma dex, G. inflata y G. bulloides, y la asociación prácticamente
monoespecífica de N. pachyderma sin que predomina durante los periodos fríos. Estos cambios
bruscos se deben a la posición del frente Ártico, que determina la presencia de aguas de la corriente estudio se registran altos porcentajes de T. quinqueloba.
Los cálculos de paleotemperaturas a partir de la relación Mg/Ca y de las asociaciones de
foraminíferos planctónicos nos muestran que las temperaturas de Mg/Ca en latitudes altas son
fiables durante los periodos interglaciales, cuando el frente Ártico estaba al norte del Site U1314,
mientras que la presencia de las aguas árticas interfiere en la relación del Mg/Ca con la temperatura,
corroborando estudios previos. El análisis de las temperaturas junto a los análisis del δ18O en las
conchas de los foraminíferos planctónicos N. pachyderma sin y dex nos muestra que durante
los periodos interglaciales la diferencia entre ambas especies indica estacionalidad y mezcla en
la columna de agua. Los MIS 15 y 11 presentaron una mayor estacionalidad con veranos más
cálidos e inviernos más fríos que los MIS 17 y 13, en parte como consecuencia de una mayor
estratificación de la columna de agua durante el verano. Estas diferencias en la estratificación
pudieron estar relacionadas con un aumento en la fuerza de los vientos durante los veranos de los
MIS 17 y 13. Durante los periodos glaciales la presencia de banquisa de hielo durante la mayor
parte del año favoreció que ambas especies vivieran en la misma estación y en la misma masa de
agua dentro de la columna dado que es posible que el deshielo de la banquisa produjera una gran
estratificación. Las descargas de icebergs no produjeron cambios significativos en el δ18O del agua
excepto en las Terminaciones.
El análisis de la ciclicidad de los diferentes registros elaborados en esta Tesis y su comparación
con los registros de EDC, nos ha permitido observar un progresivo aumento en la importancia de
la precesión en los ciclos climáticos. Desde el establecimiento casquete de hielo del este de la
Antártida sobre la plataforma marina el hemisferio Sur ha alternado entre estar en fase o desfasado
respecto al hemisferio norte hasta que en el MIS 12 se establece en fase. Este periodo de adaptación
provocó un desplazamiento en la ITCZ hacia el norte que aumentó el transporte de vapor de agua
al hemisferio norte contribuyendo a la formación de grandes masas de hielo que alcanzaron su
máximo desarrollo en el MIS 16. Desde el MIS 16 al 12 la insolación sobre altas latitudes del
hemisferio norte controlaba los cambios climáticos globales y la concentración de CO2, pero el
clima estaba aún estaba influido por la oblicuidad. A partir del MIS 12 la ITCZ se situó más cerca
del ecuador, las temperaturas durante los interglaciales aumentaron en el hemisferio sur y los
cambios de volumen de hielo se produjeron en fase en ambos hemisferios.
URI
DOI
10.14201/gredos.83196
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