Klose, J.; Scholz, D.; Weber, M.; Vonhof, H.; Plessen, B.; Breitenbach, S.; Marwan, N.
Timing and progression of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany Proceedings
@proceedings{klose2023,
title = {Timing and progression of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {J. Klose and D. Scholz and M. Weber and H. Vonhof and B. Plessen and S. Breitenbach and N. Marwan},
editor = {XXI INQUA Conference, Rome (Italy)},
year = {2023},
date = {2023-07-19},
urldate = {2023-07-19},
abstract = {Speleothems can be dated with unprecedented precision using U-series disequilibrium methods and provide numerous climate proxies, such as stable oxygen (δ18O) and carbon isotopes (δ13C) or trace elements, resulting in long, sometimes continuous climate proxy records. Therefore, speleothems have great potential for reconstruction of past climate variability during Marine Isotope Stage (MIS) 3 and precise determination of the timing and duration of Dansgaard-Oeschger (D/O) events. While first discovered in Greenland ice cores, various speleothem records around the globe provided clear evidence for the supra-regional character of the D/O events. However, MIS 3 speleothem records from Central Europe are very limited. Here we present three spleothem (flowstone) MIS 3 records from Bleßberg Cave, Germany.
All flowstones show episodic growth with distinctive, partially very thin (<2 mm) growth phases, interrupted by visible hiatuses consisting of detrital material. Precise and accurate 230Th/U dating of the individual growth phases is challenging due to potential detrital contamination from these layers. Combining different sampling and analytical techniques, we were able to date even the thinnest growth layers with very high precision, i.e., 2σ-age uncertainties of at most a few hundred years.
The timing of the growth phases aligns with several D/O events, which have not been recorded in other Central European speleothems yet. The δ18O and δ13C records of all three flowstones are highly correlated which suggests a dominant process influencing both isotope systems. Comparison with the Sr and Mg records provides evidence for a strong influence of Prior Calcite Precipitation (PCP) in the aquifer above and inside the cave on the stable isotope and trace element signals. In addition, all proxy records are interpreted as evidence for past changes in precipitation and vegetation density and document a clear trend from more humid climate during early MIS 3 (ca. 57 – 50 ka) to less humid conditions during mid and late MIS 3 (ca. 45 – 30 ka).
Our multi-proxy approach thus allows us not only to precisely determine the timing, duration, and progression of several D/O events, but also to deepen our general understanding of climate variability during MIS 3 in Central Europe.},
howpublished = {Poster},
note = {XXI INQUA Conference, Rome (Italy)},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {proceedings}
}
Speleothems can be dated with unprecedented precision using U-series disequilibrium methods and provide numerous climate proxiesProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet., such as stable oxygen (δ18O) and carbon isotopes (δ13C) or trace elements, resulting in long, sometimes continuous climate proxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. records. Therefore, speleothems have great potential for reconstruction of past climate variability during Marine IsotopeIsotopChemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben. Stage (MISMIS"MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. Die MIS werden rückwärts nummeriert (also größere Zahl = älter) und ungerade Zahlen stehen für Warmzeiten, gerade für Kaltzeiten.) 3 and precise determination of the timing and duration of Dansgaard-Oeschger (D/O) events. While first discovered in Greenland ice cores, various speleothem records around the globe provided clear evidence for the supra-regional character of the D/O events. However, MIS 3MIS 3"MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. "MIS 3" bedeutet dabei eine kurzzeitige Warmphase (beginnend vor 57 Tausend Jahren) während der letzten Eiszeit. speleothem records from Central Europe are very limited. Here we present three spleothem (flowstone) MIS 3 records from Bleßberg Cave, Germany.
All flowstones show episodic growth with distinctive, partially very thin (<2 mm) growth phases, interrupted by visible hiatuses consisting of detrital material. Precise and accurate 230Th/UU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute. dating of the individual growth phases is challenging due to potential detrital contamination from these layers. Combining different sampling and analytical techniques, we were able to date even the thinnest growth layers with very high precision, i.e., 2σ-age uncertainties of at most a few hundred years.
The timing of the growth phases aligns with several D/O events, which have not been recorded in other Central European speleothems yet. The δ18O and δ13C records of all three flowstones are highly correlated which suggests a dominant process influencing both isotope systems. Comparison with the Sr and Mg records provides evidence for a strong influence of Prior Calcite Precipitation (PCP) in the aquifer above and inside the cave on the stable isotope and trace element signals. In addition, all proxy records are interpreted as evidence for past changes in precipitation and vegetation density and document a clear trend from more humid climate during early MIS 3 (ca. 57 – 50 kaka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.) to less humid conditions during mid and late MIS 3 (ca. 45 – 30 ka).
Our multi-proxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. approach thus allows us not only to precisely determine the timing, duration, and progression of several D/O events, but also to deepen our general understanding of climate variability during MIS 3 in Central Europe.
@incollection{breitenbach_bbh2022,
title = {Die Bleßberghöhle – ein Glücksfall für die Klimaforschung},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Norbert Marwan},
editor = {Thüringer Höhlenverein, e. V.},
year = {2022},
date = {2022-02-22},
urldate = {2022-02-22},
booktitle = {Nächster Halt: Bleßberghöhle},
address = {Suhl},
abstract = {Höhlen stellen generell für die Wissenschaft ein wertvolles Archiv dar, aus dem vielfältige und interessante Erkenntnisse gewonnen werden können. So gehören sie inzwischen auch zu den bedeutendsten Klimaarchiven auf dem Festland (See- und Meeressedimente stellen andere wichtige Archive dar). Solange die Höhlensedimente und Sinter ungestört bleiben, können hydrologische und klimatische Bedingungen detailliert aufgezeichnet werden. Die Bleßberghöhle ist in diesem Zusammenhang ein ausgesprochener Glücksfall, da sie über viele Jahrtausende komplett verschlossen war und so vor äußeren Störungen bewahrt wurde. Sie ist in vielen Abschnitten mit verschiedensten Sinterformen geschmückt. Für die Rekonstruktion regionaler Klimaänderungen sind vor allem die Stalagmiten geeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung des aus der Bleßberghöhle gesammelten Materials ist ein langwieriger Prozess und noch lange nicht abgeschlossen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können aber bereits erste interessante Aussagen gemacht werden, auf die wir hier nach einem kurzen allgemeinen Einblick in verschiedene Aspekte der Paläoklimaforschung eingehen wollen.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {incollection}
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Höhlen stellen generell für die Wissenschaft ein wertvolles Archiv dar, aus dem vielfältige und interessante Erkenntnisse gewonnen werden können. So gehören sie inzwischen auch zu den bedeutendsten Klimaarchiven auf dem Festland (See- und Meeressedimente stellen andere wichtige Archive dar). Solange die Höhlensedimente und Sinter ungestört bleiben, können hydrologische und klimatische Bedingungen detailliert aufgezeichnet werden. Die Bleßberghöhle ist in diesem Zusammenhang ein ausgesprochener Glücksfall, da sie über viele Jahrtausende komplett verschlossen war und so vor äußeren Störungen bewahrt wurde. Sie ist in vielen Abschnitten mit verschiedensten Sinterformen geschmückt. Für die Rekonstruktion regionaler Klimaänderungen sind vor allem die Stalagmiten geeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung des aus der Bleßberghöhle gesammelten Materials ist ein langwieriger Prozess und noch lange nicht abgeschlossen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können aber bereits erste interessante Aussagen gemacht werden, auf die wir hier nach einem kurzen allgemeinen Einblick in verschiedene Aspekte der Paläoklimaforschung eingehen wollen.
@inproceedings{marwan2014,
title = {Recurrence properties as signatures for abrupt climate change},
author = {Norbert Marwan and Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Denis Scholz and Jens Leonhardt
},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/04/EGU2014-8893.pdf},
year = {2014},
date = {2014-04-01},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {16},
pages = {EGU2014-8893},
abstract = { The study of recurrence properties of dynamical systems has been shown to be very successful in characterising typical dynamical behaviour, finding regime transitions, or detecting couplings and synchronisations, even for short, noisy, and nonstationary data, as typical in Earth Sciences. Recurrence plots and their quantifications are powerful techniques for the investigation of recurrence and increasingly attract attention in recent years. We demonstrate the potential of the newly introduced extension of recurrence plot analysis by complex network measures for the detection of abrupt dynamical changes. This method is applied on a Holocene palaeoclimate data set from Central Europe derived from a stalagmite from Blessberg Cave, Thuringia, Germany. The stalagmite δ18O proxy record covers the middle to late Holocene (6000-400 years BP). Dating uncertainties are considered by an ensemble approach derived from the COPRA framework. Characteristic changes in the recurrence properties reflecting regular dynamics coincide well with the occurrence of the Bond events 1, 2, and 3. During Bond events the Central European climate variability appears more regular. The analysis presented here examplifies the potency of quantitative recurrence methods in detecting climatic events, which otherwise remain hidden in the raw proxy time series. },
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tppubtype = {inproceedings}
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The study of recurrence properties of dynamical systems has been shown to be very successful in characterising typical dynamical behaviour, finding regime transitions, or detecting couplings and synchronisations, even for short, noisy, and nonstationary data, as typical in Earth Sciences. Recurrence plots and their quantifications are powerful techniques for the investigation of recurrence and increasingly attract attention in recent years. We demonstrate the potential of the newly introduced extension of recurrence plot analysis by complex network measures for the detection of abrupt dynamical changes. This method is applied on a Holocene palaeoclimate data set from Central Europe derived from a stalagmite from Blessberg Cave, Thuringia, Germany. The stalagmite δ18O proxy record covers the middle to late Holocene (6000-400 years BPka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.). Dating uncertainties are considered by an ensemble approach derived from the COPRA framework. Characteristic changes in the recurrence properties reflecting regular dynamics coincide well with the occurrence of the Bond events 1, 2, and 3. During Bond events the Central European climate variability appears more regular. The analysis presented here examplifies the potency of quantitative recurrence methods in detecting climatic events, which otherwise remain hidden in the raw proxy time series.
Among other things, new methods are being developed at PIK that, on the one hand, investigate new aspects in palaeoclimate data, but also cope with the difficulties usually associated with palaeoclimate analyses – such as gaps in the data, age uncertainties, or irregularities in the data sampling. While this is basic research, it is also immediately applied to interesting research questions.
One focus is the development and application of methods that specifically investigate recurring patterns. These methods are very successful for finding abrupt changes, but also for comparing different data sets, e.g., to detect mutual influences.
In one of our first analyses of the three stalagmites BB-1 to BB-3, we had looked at the oxygen isotopes of BB-1 with recurrence based methods. Thereby we had explicitly considered dating uncertainties. Due to the dating uncertainties there are small shifts of the time series along the x-axis. Therefore, within the uncertainties, different realizations of the course of the measured oxygen isotopes are possible.
Oxygen isotopes of BB-1. Due to the dating uncertainties, there are several possibilities when changes in this climate archive happened. The stalagmite grew from about 6,000 years ago to about 400 years ago.
The recurrence patterns are examined with a special analysis tool, the so-called “recurrence plot”. This can be used to plot times when similar states have occurred. The patterns seen in such a recurrence plot have a deeper meaning and can be further analyzed and quantified to find changes in the dynamics of the underlying process.
Recurrence plot of one realization of the measured oxygen isotopes in BB-1.
The numerical analysis of recurrence plots yields various results that shed light on different aspects of climate dynamics. Two such results are briefly presented here: on the one hand, the complexity of climate variability (“transitivityTransitivityEin Maß aus der Netzwerktheorie, welches quantifiziert, wie stark sich Zustände zu kleinen Gruppen zusammenfinden.”) and, on the other hand, how well such a climate signal would be predictable (“determinismDeterminismEin Maß aus der Wiederkehr-Analyse, welches beschreibt, wie gut sich die Veränderung eines Systems vorhersagen läßt.”). Both results show a general tendency towards greater complexity and lower predictability for younger ages. However, they also show short-lived increases to better predictability for certain time points, namely about 4,200, 2,800, and 1,400 years ago. It was precisely at these times that short-lived and rapid glaciations occurred in the North Atlantic, the so-called “Bond events.” Moreover, there are variations in the complexity of the climate signal (“transitivity”), but these variations are within the range of uncertainty (confidence interval), so we cannot really interpret them.
Quantitative analysis of recurrence patterns in oxygen isotope measurements of BB-1.
