First Reconstruction of the Holocene Climate

Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Wenz, Sarah; Leonhardt, Jens; Tjallingii, Rik; Scholz, Denis; Jochum, Klaus-Peter; Marwan, Norbert

A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2016-14213, 2016.

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The first results of the geochemical analyses of the three stalagmites BB-1 to BB-3 already allow conclusions about the climatic changes of the last 14,000 years. A detailed interpretation can be found in the article Climate zone shift in Central Europe.

First results of analyses of BB-1 to BB-3
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Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institute of Inorganic and Analytical Chemistry – Group Environmental and Atmospheric Chemistry

The main areas of research of the group are in the field of organic and inorganic trace analysis by using and further developing mass spectrometric methods, often in combination with chromatographic methods.

The group participates in the research in the Blessberg cave by reconstructing the vegetation above the cave by analysing biopolymers in stalagmites and by analysing biochemical fire markers in soil, water, and stalagmite samples.

Contact

Prof. Dr. Thorsten Hoffmann ↗

Web site

https://www.blogs.uni-mainz.de/fb09-ac-hoffmann-eng/ ↗

Publications

Monitoring vorschau

Monitoring

Project Lead

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Content

For the quantitative reconstruction of past moisture regimes, detailed measurements of the environmental conditions in the cave, in the ground, and on the surface are carried out. This programme is led by Northumbria Uni and gets support from all sides, especially from the cavers on site. In the cave, water samples are mainly collected for stable isotopeIsotop Chemische 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. analysis (δD and δ18O) and a number of parameters are measured, such as air and water temperature in the cave, water pressure, pCO2 and drip rates. At the surface, air temperature and soil temperatures are measured at different depths. In addition, carbonate is collected on watch glasses in the cave to support calibration studies and to better understand the growth dynamics of the stalagmites.

Altersverteilung (Vorschau)

Dating and permafrost in Central Europe

Project Lead

Involved Partners

Content

How are U/ThU/Th-Datierung Die 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 cave carbonates in Europe distributed over time and space? Can these be used to spatiotemporally constrain permafrostPermafrost Unter Permafrost versteht man dauerhaft gefrorenen Boden, der auch im Sommer nicht auftaut. In Mitteleuropa gab es während den Eiszeiten Permafrost. in Europe?

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Johannes Gutenberg University Mainz, Institute of Geosciences – Isotope-geochemical Palaeoclimatology/Speleothem Research

The IsotopeIsotop Chemische 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.-geochemical Palaeoclimatology/Speleothem Research Group exists since September 2009 and is led by Prof. Dr. Denis Scholz. The major goal of the group is the reconstruction of past climate variability. We mainly use speleothems, such as stalagmites, stalactites and flowstones, as climate archives, which are secondary carbonates found in caves.

The group performs research in the Bleßberg Cave by dating and geochemical analyses of stalagmites.

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Prof. Dr. Denis Scholz ↗

Web site

https://www.geowiss.uni-mainz.de/isotopengeochemische-palaeoklimatologie-spelaeothemforschung/ ↗

Publications

Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Waltgenbach, Sarah; Tjallingii, Rik; Leonhardt, Jens; Jochum, Klaus-Peter; Meyer, Hanno; Goswami, Bedartha; Marwan, Norbert; Scholz, Denis

Holocene interaction of maritime and continental climate in Central Europe: New speleothem evidence from Central Germany Journal Article

Global and Planetary Change, 176 , pp. 144–161, 2019.

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Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Waltgenbach, Sarah; Tjallingii, Rik; Leonhardt, Jens; Jochum, Klaus-Peter; Meyer, Hanno; Marwan, Norbert; Scholz, Denis

Tracing past shifts of the boundary between maritime and continental climate over Central Europe Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2018-9046, 2018.

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Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Wenz, Sarah; Leonhardt, Jens; Tjallingii, Rik; Scholz, Denis; Jochum, Klaus-Peter; Marwan, Norbert

A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2016-14213, 2016.

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Wenz, Sarah; Scholz, Denis; Spötl, Christoph; Plessen, Birgit; Mischel, Simon; Breitenbach, Sebastian F. M.; Jochum, Klaus-Peter; Fohlmeister, Jens

Timing and duration of climate variability during the 8.2 ka event reconstructed from four speleothems from Germany Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2016-12731, 2016.

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Marwan, Norbert; Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Scholz, Denis; Leonhardt, Jens

Recurrence properties as signatures for abrupt climate change Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2014-8893, 2014.

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BB-8 (Vorschau)

Quantitative climate reconstruction for Marine Isotope Stage 3

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DFG Project: Quantitative climate reconstruction for 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. in Central Europe based on multi-proxyProxy Umwelt- 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. data from precisely dated speleothems (flowstones) from Bleßberg Cave, Germany

Project lead

Involved Partners

Content

The last glacial period and in particular the Marine IsotopeIsotop Chemische 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 (MIS) 3 (ca. 57 to 27 ka) is, compared to the recent warm phase, the Holocene, characterised by larger climate oscillations. These are detectable in δ18O records from Greenland ice cores and other climate archives in Europe, such as pollen or tree ring records. Unfortunately, little direct proxyProxy Umwelt- 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. evidence is available from central Europe, and the climatic and environmental conditions during MIS 3 remains largely enigmatic. Speleothem records from central Europe during MIS 3 are limited due to cold climate conditions and mainly restricted to the warmer southern or alpine regions, where meltwater enabled speleothem growth.

Preliminary 230Th/U-dating of further speleothems from Bleßberg Cave (Germany) revealed two flowstones, which grew during MIS 3 and the Late Glacial. Therefore, these flowstones are the most northern continental growth of speleothems during MIS 3 in central Europe.

The main objective of this project is to construct a precisely dated multi-proxy climate record for MIS 3 and the Late Glacial based on the flowstones from Bleßberg Cave. This will provide the unique opportunity to obtain precisely dated information on terrestrial climate variability during selected phases of the last glacial period, which is currently not available for Central Europe based on speleothems. With the combination of several different proxiesProxy Umwelt- 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 isotopes and trace elements, the results from a cave monitoring program, the analysis of the δD and δ18O values of inclusions of fossil water, and isotope-enabled climate modelling, we will be able to obtain detailed insights into environmental conditions in central Europe during MIS 3 and the Late Glacial.

Abrupt Climate Change

Marwan, Norbert; Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Scholz, Denis; Leonhardt, Jens

Recurrence properties as signatures for abrupt climate change Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2014-8893, 2014.

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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.

Sauerstoffisotope von BB-1
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 der Sauerstoffisotope von BB-1
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 (“transitivityTransitivity Ein 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 (“determinismDeterminism Ein 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.

Recurrence quantification der Sauerstoffisotope von BB-1
Quantitative analysis of recurrence patterns in oxygen isotopeIsotop Chemische 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. measurements of BB-1.

Climate Zone Shift in central Europe

Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Waltgenbach, Sarah; Tjallingii, Rik; Leonhardt, Jens; Jochum, Klaus-Peter; Meyer, Hanno; Goswami, Bedartha; Marwan, Norbert; Scholz, Denis

Holocene interaction of maritime and continental climate in Central Europe: New speleothem evidence from Central Germany Journal Article

Global and Planetary Change, 176 , pp. 144–161, 2019.

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Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Wenz, Sarah; Leonhardt, Jens; Tjallingii, Rik; Scholz, Denis; Jochum, Klaus-Peter; Marwan, Norbert

A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2016-14213, 2016.

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BB-1, BB-2 and BB-3.
BB-1, BB-2 and BB-3.

The three stalagmites BB-1 to BB-3 were geochemically investigated by GFZ Potsdam, Ruhr-Uni Bochum, PIK Potsdam, Uni Mainz and Northumbria University.

The dating was done at the University of Mainz. Stalagmite BB-1 grew 5,600 to 600 years ago, BB-2 6,200 to 3,700 years ago, and BB-3 (although the shortest) 11,200 to 5,300 years ago. At GFZ, carbon and oxygen isotopes (δ13C and δ18O) were measured in over 1,000 samples in BB-1, and about 400 and 540 samples each in BB-2 and BB-3. In parallel, the distribution of various elements was measured by X-ray analysis. Age modelling and statistical analysis were carried out at Ruhr-Uni Bochum, PIK Potsdam and Northumbria University.

In the age models of stalagmites BB-1 and BB-3, abrupt changes from slow to fast growth are evident at about 5,900 BC and from fast to more slow growth at about 2,600 BC.

Age model of BB-1 and BB-3
Age models of stalagmites BB-1 and BB-3. Changes in growth rates at around 6,200 BC and between 5,900 and 2,600 BC can clearly be seen, for which climatic changes are responsible.

The temporal changes in isotope ratios were compared with palaeoclimate data from the Bunker Cave in North Rhine-Westphalia and from Greenland.

Carbon and oxygen istotopes of BB-1 and BB-3
Isotope ratios in stalagmites BB-1 and BB-3 (combined). The longer-term trends probably reflect a change in solar influence. The short-term climate cooling around 6,200 BC is clearly visible in the isotope ratios. The abrupt drop in δ18O values around 900 to 1,200 AD coincides with the Medieval Warm Period.

This comparison allows an estimation of the spatial distribution of the influence of the maritime, humid and warm Atlantic climate in Central Europe. The Blessberg cave is located at the border between the influence of the Atlantic climate and the continental, drier and colder climate from the east. From the alternation between stronger similarities and greater differences in the regional climate at the Blessberg Cave and the Bunker Cave it can be determined when the climate zone boundary was east or west of the Bleßberg Cave, i.e. when the Atlantic, wetter and warmer climate and when the colder and drier continental climate prevailed over the Bleßberg Cave. This analysis could be carried out back to about 4,000 years ago (i.e. about 2050 BC). Before this time, due to the lack of data from Greenland, it is not yet possible to make conclusions regarding the location of the climate zone boundary, but at least around this time the Bleßberg Cave was probably under the influence of the Atlantic climate. Around 1850 BC it then changed to a continental climate (in the late Aunjetitz culture, known from the Nebra sky disc). Between 950 and 850 BC, the Atlantic influence became more dominant again (towards the end of the Urnfield Culture).

Karte der Verlagerung der Klimazonengrenze.
Shift of the climate zone boundary (dashed) to the east with hypothetical course (dotted) at the time of the Urnfield Culture (BU – Bunker Cave, BBH – Blessberg Cave).