Cambios climáticos a escala orbital y milenaria en el Atlántico norte entre 800.000 y 400.000 años
[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...
| Main Author: | |
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| Other Authors: | , |
| Format: | Doctoral or Postdoctoral Thesis |
| Language: | Spanish |
| Published: |
2010
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| Subjects: | |
| Online Access: | http://hdl.handle.net/10366/83196 https://doi.org/10.14201/gredos.83196 |
| Summary: | [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. |
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