Die ersten drei Stalagmiten aus der Bleßberghöhle (BB-1, BB-2, BB-3) sind während der letzten etwa 10.000 Jahre, dem HolozänHolozänDer jüngste Abschnitt der geologischen Zeitgeschichte, etwa die letzten 11.700 Jahre., gewachsen. Anhand der Analyse stabiler 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. und von Spurenelementen wird versucht, verschiedene Aspekte der damals herrschenden Umwelt- und Klimabedingungen zu rekonstruieren. Obwohl es bereits erste interessante publizierte Ergebnisse gibt, geht die Untersuchung dieser Proben weiter.
BB-1, aufgesägt und poliert.Dünnschliffe BB-1.Dünnschliff BB-1.Dünnschliff BB-1.
Lage
Lage des BB-1 in der Höhle.
Nordgang, nahe „Krampfaderkeule“, zwischen MP 6/136 und MP 6/137
Probennahme
x. Januar 2009: Name? (THV)
Verbleib
NU Newcastle, GFZ Potsdam
DatierungDatierungUm einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung).
U/ThU/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., 18 Alter, gemessen an der JGU Mainz
0.599 ± 0.011 ka 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. (top) 5.539 ± 0.045 ka BP (bottom)
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.
δ18O δ13C δ86/87Sr Elemente (Sr/Ca, S/Ca) Dünnschliffe
Publikationen
Breitenbach, Sebastian F. M.; Marwan, Norbert
Die Bleßberghöhle – ein Glücksfall für die Klimaforschung Buchabschnitt
In: Thüringer Höhlenverein, e. V. (Hrsg.): Nächster Halt: Bleßberghöhle, Suhl, 2022.
@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}
}
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.
@misc{marwan2019lodz,
title = {Recurrence based entropies},
author = {Norbert Marwan and Kai Hauke Kraemer and Karolin Wiesner and Sebastian F. M. Breitenbach and Jens Leonhardt},
editor = {Fourth International Conference on Recent Advances in Nonlinear Mechanics, Łódz (Poland)},
year = {2019},
date = {2019-05-07},
abstract = {Many dynamical processes are considered to be of complex nature. To get a quantitative idea of the complexity, often the Shannon entropy of the value distribution of a measurement is used. Alternative entropy measures have been suggested using the recurrence plot (RP) approach. A RP is a matrix that represents the recurrences of states in the d-dimensional phase space. The RP can consist of small-scale structures, such as single points, diagonal and vertical lines, which characterize important dynamical properties of the system. Various entropy measures have been defined using different features of the RP or can be related to certain properties of the RP. Because of the different features that are used, some entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. This fact can lead to misunderstandings and difficulties in interpreting and understanding those measures. We discuss definitions, motivation and interpretation of some of those entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them. },
note = {Fourth International Conference on Recent Advances in Nonlinear Mechanics, Łódz (Poland)},
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pubstate = {published},
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Many dynamical processes are considered to be of complex nature. To get a quantitative idea of the complexity, often the Shannon entropy of the value distribution of a measurement is used. Alternative entropy measures have been suggested using the recurrence plot (RP) approach. A RP is a matrix that represents the recurrences of states in the d-dimensional phase space. The RP can consist of small-scale structures, such as single points, diagonal and vertical lines, which characterize important dynamical properties of the system. Various entropy measures have been defined using different features of the RP or can be related to certain properties of the RP. Because of the different features that are used, some entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. This fact can lead to misunderstandings and difficulties in interpreting and understanding those measures. We discuss definitions, motivation and interpretation of some of those entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them.
@inproceedings{marwan2019,
title = {Recurrence based entropies},
author = {Norbert Marwan and Kai Hauke Kraemer and Karolin Wiesner and Sebastian F. M. Breitenbach and Jens Leonhardt},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/04/EGU2019-2817.pdf},
year = {2019},
date = {2019-04-08},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {21},
pages = {EGU2019-2817},
abstract = {Dynamical processes in Earth sciences are often considered to be of complex nature. The term complexity is often used for processes that are either unpredictable (e.g. nonlinear dynamics), consist of many different components, or exhibit regime transitions (e.g. tipping points). To measure complexity, the Shannon entropy is often used.
Here we present various entropy measures that have been defined on the base of the recurrence plot. Because of the different features that are used, these entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. In the past, this fact has lead to difficulties in interpreting and understanding those measures. We summarize the definitions, the motivation and interpretation of these entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them.
Finally, we illustrate their potential in an application on palaeoclimate time series. Using entropy measures, changes and transitions in the climate dynamics in the past can be identified and interpreted.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
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Dynamical processes in Earth sciences are often considered to be of complex nature. The term complexity is often used for processes that are either unpredictable (e.g. nonlinear dynamics), consist of many different components, or exhibit regime transitions (e.g. tipping points). To measure complexity, the Shannon entropy is often used.
Here we present various entropy measures that have been defined on the base of the recurrence plot. Because of the different features that are used, these entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. In the past, this fact has lead to difficulties in interpreting and understanding those measures. We summarize the definitions, the motivation and interpretation of these entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them.
Finally, we illustrate their potential in an application on palaeoclimate time series. Using entropy measures, changes and transitions in the climate dynamics in the past can be identified and interpreted.
@article{breitenbach2019,
title = {Holocene interaction of maritime and continental climate in Central Europe: New speleothem evidence from Central Germany},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Sarah Waltgenbach and Rik Tjallingii and Jens Leonhardt and Klaus-Peter Jochum and Hanno Meyer and Bedartha Goswami and Norbert Marwan and Denis Scholz},
doi = {10.1016/j.gloplacha.2019.03.007},
year = {2019},
date = {2019-00-00},
journal = {Global and Planetary Change},
volume = {176},
pages = {144–161},
abstract = {Central European climate is strongly influenced by North Atlantic (Westerlies) and Siberian High circulation patterns, which govern precipitation and temperature dynamics and induce heterogeneous climatic conditions, with distinct boundaries between climate zones. These climate boundaries are not stationary and shift geographically, depending on long-term atmospheric conditions. So far, little is known about past shifts of these climate boundaries and the local to regional environmental response prior to the instrumental era.
High resolution multi-proxy data (stable oxygen and carbon isotope ratios, S/Ca and Sr/Ca) from two Holocene stalagmites from Bleßberg Cave (Thuringia) are used here to differentiate local and pan-regional environmental and climatic conditions Central Germany through the Holocene. Carbon isotope and S/Ca and Sr/Ca ratios inform us on local Holocene environmental changes in and around the cave, while δ18O (when combined with independent records) serves as proxy for (pan-)regional atmospheric conditions.
The stable carbon isotope record suggests repeated changes in vegetation density (open vs. dense forest), and increasing forest cover in the late Holocene. Concurrently, decreasing S/Ca values indicate more effective sulfur retention in better developed soils, with a stabilization in the mid-Holocene. This goes in hand with changes in effective summer infiltration, reflected in the Sr/Ca profile. Highest Sr/Ca values between 4 ka and 1 ka BP indicate intensified prior calcite precipitation resulting from reduced effective moisture supply.
The region of Bleßberg Cave is sensitive to shifts of the boundary between maritime (Cfb) and continental (Dfb) climate and ideally suited to reconstruct past meridional shifts of this divide. We combined the Bleßberg Cave δ18O time series with δ18O data from Bunker Cave (western Germany) and a North Atlantic Oscillation (NAO) record from lake SS1220 (SW Greenland) to reconstruct the mean position of the Cfb-Dfb climate boundary. We further estimate the dynamic interplay of the North Atlantic Oscillation and the Siberian High and their influence on Central European climate. Repeated shifts of the Cfb-Dfb boundary over the last 4000 years might explain previously observed discrepancies between proxy records from Europe. Detailed correlation analyses reveal multi-centennial scale alternations of maritime and continental climate and, concurrently, waning and waxing influences of Siberian High and NAO on Central Europe.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {article}
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Central European climate is strongly influenced by North Atlantic (Westerlies) and Siberian High circulation patterns, which govern precipitation and temperature dynamics and induce heterogeneous climatic conditions, with distinct boundaries between climate zones. These climate boundaries are not stationary and shift geographically, depending on long-term atmospheric conditions. So far, little is known about past shifts of these climate boundaries and the local to regional environmental response prior to the instrumental era.
High resolution 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. data (stable oxygen and carbon 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. ratios, S/Ca and Sr/Ca) from two Holocene stalagmites from Bleßberg Cave (Thuringia) are used here to differentiate local and pan-regional environmental and climatic conditions Central Germany through the Holocene. Carbon isotope and S/Ca and Sr/Ca ratios inform us on local Holocene environmental changes in and around the cave, while δ18O (when combined with independent records) serves as 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. for (pan-)regional atmospheric conditions.
The stable carbon isotope record suggests repeated changes in vegetation density (open vs. dense forest), and increasing forest cover in the late Holocene. Concurrently, decreasing S/Ca values indicate more effective sulfur retention in better developed soils, with a stabilization in the mid-Holocene. This goes in hand with changes in effective summer infiltration, reflected in the Sr/Ca profile. Highest Sr/Ca values between 4 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. and 1 ka BP indicate intensified prior calcite precipitation resulting from reduced effective moisture supply.
The region of Bleßberg Cave is sensitive to shifts of the boundary between maritime (Cfb) and continental (Dfb) climate and ideally suited to reconstruct past meridional shifts of this divide. We combined the Bleßberg Cave δ18O time series with δ18O data from Bunker Cave (western Germany) and a North Atlantic Oscillation (NAO) record from lake SS1220 (SW Greenland) to reconstruct the mean position of the Cfb-Dfb climate boundary. We further estimate the dynamic interplay of the North Atlantic Oscillation and the Siberian High and their influence on Central European climate. Repeated shifts of the Cfb-Dfb boundary over the last 4000 years might explain previously observed discrepancies between proxy records from Europe. Detailed correlation analyses reveal multi-centennial scale alternations of maritime and continental climate and, concurrently, waning and waxing influences of Siberian High and NAO on Central Europe.
@inproceedings{breitenbach2018,
title = {Tracing past shifts of the boundary between maritime and continental climate over Central Europe},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Sarah Waltgenbach and Rik Tjallingii and Jens Leonhardt and Klaus-Peter Jochum and Hanno Meyer and Norbert Marwan and Denis Scholz},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/04/EGU2018-9046.pdf},
year = {2018},
date = {2018-04-01},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {20},
pages = {EGU2018-9046},
abstract = { European climate is characterized by heterogeneous climate conditions, with distinct boundaries between zones that can be classified according to the Köppen classification (Peel et al. 2007), and detected using climate network techniques (Rheinwalt et al. 2016). These boundaries are not stationary, but shift geographically, depending on large scale atmospheric conditions. Central European climate is strongly influenced by intricately linked North Atlantic Oscillation and Siberian High (SH), which govern precipitation and temperature over Europe. Shifts of these climatic boundaries in response to global warming and circulation changes might lead to more frequent extreme weather patterns like heat waves, with significant repercussions for society (Cohen et al. 2014). Speleothem-based palaeoclimate reconstructions enable us to understand underlying forcing mechanisms and speed of climatic reorganizations. Here we present a first reconstruction of multi-centennial shifts of the boundary between western European maritime Cfb climate and continental Dfb climate through the last ca. 5,000 years using speleothems from Bleßberg Cave, Thuringia, Central Europe. Thanks to its location near the Cfb-Dfb climatic boundary, Bleßberg Cave is ideally suited to reconstruct past W-E shifts of this divide longitudinally crossing Central Europe. We compare a decadally resolved stalagmite δ18O record with data from Bunker Cave (Mischel et al. 2017), western Germany, and an NAO reconstruction from Greenland (Olsen et al. 2012). Over the last 5,000 years, the boundary between Cfb and Dfb climate shifted repeatedly. When the Cfb-Dfb border was east (west) of Bleßberg (Bunker) Cave maritime (continental) climate prevailed at both sites. Discrepancies between investigated proxy records are found when the boundary is located between the two caves. Comparison with the Greenland NAO record shows that a westerly shifted boundary is often associated with a strong SH and a negative NAO. An easterly shift, in contrast, is found to be linked with weak a SH and a positive NAO.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
}
European climate is characterized by heterogeneous climate conditions, with distinct boundaries between zones that can be classified according to the Köppen classification (Peel et al. 2007), and detected using climate network techniques (Rheinwalt et al. 2016). These boundaries are not stationary, but shift geographically, depending on large scale atmospheric conditions. Central European climate is strongly influenced by intricately linked North Atlantic Oscillation and Siberian High (SH), which govern precipitation and temperature over Europe. Shifts of these climatic boundaries in response to global warming and circulation changes might lead to more frequent extreme weather patterns like heat waves, with significant repercussions for society (Cohen et al. 2014). Speleothem-based palaeoclimate reconstructions enable us to understand underlying forcing mechanisms and speed of climatic reorganizations. Here we present a first reconstruction of multi-centennial shifts of the boundary between western European maritime Cfb climate and continental Dfb climate through the last ca. 5,000 years using speleothems from Bleßberg Cave, Thuringia, Central Europe. Thanks to its location near the Cfb-Dfb climatic boundary, Bleßberg Cave is ideally suited to reconstruct past W-E shifts of this divide longitudinally crossing Central Europe. We compare a decadally resolved stalagmite δ18O record with data from Bunker Cave (Mischel et al. 2017), western Germany, and an NAO reconstruction from Greenland (Olsen et al. 2012). Over the last 5,000 years, the boundary between Cfb and Dfb climate shifted repeatedly. When the Cfb-Dfb border was east (west) of Bleßberg (Bunker) Cave maritime (continental) climate prevailed at both sites. Discrepancies between investigated proxy records are found when the boundary is located between the two caves. Comparison with the Greenland NAO record shows that a westerly shifted boundary is often associated with a strong SH and a negative NAO. An easterly shift, in contrast, is found to be linked with weak a SH and a positive NAO.
@inproceedings{breitenbach2016,
title = {A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Sarah Wenz and Jens Leonhardt and Rik Tjallingii and Denis Scholz and Klaus-Peter Jochum and Norbert Marwan},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/05/Breitenbach_poster_EGU_2016.pdf},
year = {2016},
date = {2016-04-01},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {18},
pages = {EGU2016-14213},
abstract = {Although Holocene climate dynamics were relatively stable compared to glacial conditions, climatic changes had significant impact on ecosystems and human society on various timescales (Mayewski et al. 2004, Donges et al. 2015, Tan et al. 2015). Precious few high-resolution records on Holocene temperature and precipitation conditions in Central Europe are available (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012).
Here we present a speleothem-based reconstruction of past climate dynamics from Blessberg Cave, Thuringia, central Germany. Three calcitic stalagmites were recovered when the cave was discovered during tunneling operations in 2008. Samples BB-1, -2 and -3 were precisely dated by the 230Th/U-method, with errors between 10 and 160 years (2σ). The combined record covers large parts of the Holocene (10 – 0.4 ka BP). δ13C and δ18O were analysed at 100 μm resolution. To gain additional insights in infiltration conditions, Sr/Ca and S/Ca were measured on BB-1 and BB-3 using an Röntgenanalytik Eagle XXL μXRF scanner.
Differences to other central European records (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012) suggest complex interaction between multiple factors influencing speleothem δ18O in Blessberg Cave. Furthermore, no clear influence of the North Atlantic Oscillation on our proxies is found. However, a link across the N Atlantic realm is indicated by a centennial-scale correlation between Blessberg δ18O values and minerogenic input into lake SS1220 in Greenland over the last 5 ka (Olsen et al. 2012). In addition, recurrence analysis indicates an imprint of Atlantic Bond events on Blessberg δ18O values (Marwan et al. 2014), corroborating the suggested link with high northern latitudes. Larger runoff into the Greenland lake seems to be associated with lower δ18O, higher δ13C and S/Ca ratios, as well as lower Sr/Ca ratios in Blessberg Cave speleothems. This might be linked to lower local temperature and/or changes in precipitation seasonality. Opposing millennial scale trends with lowering S/Ca ratios and δ13C values but increasing Sr/Ca ratios calls for more than one controlling factor. Most likely, δ13C decreased through the Holocene due to afforestation, which in turn might have increased sulphate retention in the thickening soil cover (Frisia et al. 2005) and limited sulphur flux into the cave. Alternatively, marine sulfur flux could have diminished with winter wind intensities. However, additional data is required to clarify this hypothesis. A positive Sr/Ca trend through the Holocene might result from increasing prior calcite precipitation induced by a negative moisture balance in summer.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
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Although Holocene climate dynamics were relatively stable compared to glacial conditions, climatic changes had significant impact on ecosystems and human society on various timescales (Mayewski et al. 2004, Donges et al. 2015, Tan et al. 2015). Precious few high-resolution records on Holocene temperature and precipitation conditions in Central Europe are available (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012).
Here we present a speleothem-based reconstruction of past climate dynamics from Blessberg Cave, Thuringia, central Germany. Three calcitic stalagmites were recovered when the cave was discovered during tunneling operations in 2008. Samples BB-1, -2 and -3 were precisely dated by the 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.-method, with errors between 10 and 160 years (2σ). The combined record covers large parts of the Holocene (10 – 0.4 ka BP). δ13C and δ18O were analysed at 100 μm resolution. To gain additional insights in infiltration conditions, Sr/Ca and S/Ca were measured on BB-1 and BB-3 using an Röntgenanalytik Eagle XXL μXRF scanner.
Differences to other central European records (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012) suggest complex interaction between multiple factors influencing speleothem δ18O in Blessberg Cave. Furthermore, no clear influence of the North Atlantic Oscillation on our proxies is found. However, a link across the N Atlantic realm is indicated by a centennial-scale correlation between Blessberg δ18O values and minerogenic input into lake SS1220 in Greenland over the last 5 ka (Olsen et al. 2012). In addition, recurrence analysis indicates an imprint of Atlantic Bond events on Blessberg δ18O values (Marwan et al. 2014), corroborating the suggested link with high northern latitudes. Larger runoff into the Greenland lake seems to be associated with lower δ18O, higher δ13C and S/Ca ratios, as well as lower Sr/Ca ratios in Blessberg Cave speleothems. This might be linked to lower local temperature and/or changes in precipitation seasonality. Opposing millennial scale trends with lowering S/Ca ratios and δ13C values but increasing Sr/Ca ratios calls for more than one controlling factor. Most likely, δ13C decreased through the Holocene due to afforestation, which in turn might have increased sulphate retention in the thickening soil cover (Frisia et al. 2005) and limited sulphur flux into the cave. Alternatively, marine sulfur flux could have diminished with winter wind intensities. However, additional data is required to clarify this hypothesis. A positive Sr/Ca trend through the Holocene might result from increasing prior calcite precipitation induced by a negative moisture balance in summer.
@proceedings{klose2023poster,
title = {Timing 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 = {Summer School on Speleothem Sciences 2023, Sao Paulo},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2024/09/klose_SummerschoolSaoPaulo2023.pdf},
year = {2023},
date = {2023-08-07},
urldate = {2023-08-07},
abstract = {The last glacial period and especially Marine Isotope stage 3 (MIS 3, ca. 57 - 27 ka) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/U dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.},
howpublished = {Poster},
note = {Summer School on Speleothem Sciences 2023, Sao Paulo},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {proceedings}
}
The last glacial period and especially 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 3 (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., ca. 57 - 27 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.) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 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. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.
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 Konferenzberichte
@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 Isotope 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 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-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.
@proceedings{klose2022,
title = {Timing of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {J. Klose and M. Weber and H. Vonhof and B. Plessen and S. Breitenbach and N. Marwan and D. Scholz},
editor = {KR9 in Innsbruck, 2022},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2024/09/klose_KR9-Innsbruck2022.pdf},
year = {2022},
date = {2022-07-19},
urldate = {2022-07-19},
abstract = {The last glacial period and especially Marine Isotope stage 3 (MIS 3, ca. 57 - 27 ka) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/U dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.},
howpublished = {Poster},
note = {KR9 Konferenz in Innsbruck},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {proceedings}
}
The last glacial period and especially Marine Isotope stage 3 (MIS 3, ca. 57 - 27 ka) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/U dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events 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.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {incollection}
}
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. },
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
}
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.
Am PIK werden u. a. neue Methoden entwickelt, die einerseits neue Aspekte in Paläoklimadaten untersuchen, die aber auch mit den Schwierigkeiten klarkommen, die für gewöhnlich mit Paläoklimaanalysen zusammenhängen – wie z. B. Lücken in den DatenLücken in den DatenStalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Es kann sogar zu langen Ruhephasen kommen, in denen gar kein Wachstum stattfindet. Somit werden zu diesen Zeiten die entsprechenden Umweltinformationen nicht im Stalagmit abgespeichert. Es entstehen also "Lücken" in den Daten., Unsicherheiten der AlterUnsicherheiten der AlterUm die abgespeicherten Umweltinformationen aus den Stalagmiten bestimmten Zeiträumen zuordnen zu können, muß man diese datieren. Allerdings sind alle Datierungsverfahren mit Unsicherheiten behaftet. Das heißt, man kann den Zeitpunkt von bestimmten Umweltveränderungen, die man aus den Stalagmiten herauslesen kann, nie ganz genau bestimmen, sondern nur so ungefähr. Viele statistische Verfahren benötigen allerdings genaue Zeitpunkte und können daher mit solchen Daten nicht umgehen. oder Unregelmäßigkeiten der DatenpunkteUnregelmäßigkeiten der DatenpunkteStalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Daher kann man die im Stalagmiten gemessenen Umweltveränderungen nicht gleichmäßig bestimmten Zeitpunkten (z. B. jährliche Zeitpunkte) zuordnen. Das erschwert in der Regel statistische Auswertungen, da die Auswertemethoden meist von gleichmäßig verteilten Zeitpunkten ausgehen.. Dabei handelt es sich zwar um Grundlagenforschung, aber diese wird auch sofort auf interessante Fragestellungen angewendet.
Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung und Anwendung von Methoden, die speziell die wiederkehrenden Muster untersuchen (im englischen: „recurrence“). Diese Methoden sind sehr erfolgreich für das Auffinden von abrupten Änderungen, aber auch für das Vergleichen verschiedener Datensätze, um z. B. herauszufinden, ob es da gegenseitige Einflüsse gibt.
In einer unserer ersten Analysen von den drei Stalagmiten BB-1 bis BB-3, hatten wir uns die Sauerstoffisotopeδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht 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. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an. von BB-1 mit diesen Wiederkehr-Methoden angeschaut. Dabei hatten wir extra auch die DatierungsunsicherheitUnsicherheiten der AlterUm die abgespeicherten Umweltinformationen aus den Stalagmiten bestimmten Zeiträumen zuordnen zu können, muß man diese datieren. Allerdings sind alle Datierungsverfahren mit Unsicherheiten behaftet. Das heißt, man kann den Zeitpunkt von bestimmten Umweltveränderungen, die man aus den Stalagmiten herauslesen kann, nie ganz genau bestimmen, sondern nur so ungefähr. Viele statistische Verfahren benötigen allerdings genaue Zeitpunkte und können daher mit solchen Daten nicht umgehen. mit berücksichtigt. Durch die Datierungsunsicherheiten gibt es kleine Verschiebungen der Zeitreihe entlang der x-Achse. Innerhalb der Unsicherheiten sind daher verschiedene Realisierungen des Verlaufs der gemessenen Sauerstoffisotope möglich.
Sauerstoffisotope von BB-1. Durch die Datierungsunsicherheiten gibt es verschiedene Möglichkeiten, zu welcher Zeit es Änderungen in diesem Klima-Archiv gab. Der Stalagmit ist in der Zeit von vor etwa 6.000 bis vor etwa 400 Jahren gewachsen.
Die Wiederkehrmuster werden mit einem speziellen Analysewerkzeug untersucht, dem sogenannten „recurrence plot“. Damit lassen sich Zeiten darstellen, zu denen ähnliche Zustände aufgetreten sind. Die Muster, die man in so einem „recurrence plot“ sieht, haben eine tiefere Bedeutung und können weiter analysiert und quantifiziert werden, um Änderungen in der DynamikDynamikDie zeitliche Veränderung von Zuständen, wie z. B. die zyklische Änderung des Klimas zwischen Warm und Kaltzeiten. des zugrundeliegenden Prozesses zu finden.
Recurrence plot einer Realisierung der gemessenen Sauerstoff-Isotopeδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht 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. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an. in BB-1.
Die numerische Analyse von „recurrence plots“ liefert verschiedene Ergebnisse, die verschiedene Aspekte der Klimadynamik beleuchten. Zwei solcher Ergebnisse sind hier kurz dargestellt: einerseits die KomplexitätKomplexe SystemeKomplexe Systeme bestehen aus sehr vielen Komponenten, die auch miteinander wechselwirken, zeigen unvorhersagbares Verhalten und können trotzdem charakteristische Muster hervorrufen (weshalb sie sich deutlich von rein zufälligen Systemen unterscheiden). der Klimavariabilität („TransitivityTransitivityEin Maß aus der Netzwerktheorie, welches quantifiziert, wie stark sich Zustände zu kleinen Gruppen zusammenfinden.“) und andererseits, wie gut so ein Klimasignal vorhersagbar wäre („DeterminismDeterminismEin Maß aus der Wiederkehr-Analyse, welches beschreibt, wie gut sich die Veränderung eines Systems vorhersagen läßt.“). Beide Ergebnisse zeigen eine generelle Tendenz zu größerer Komplexität und geringerer Vorhersagbarkeit für jüngere Alter. Sie zeigen aber auch für bestimmte Zeitpunkte kurzzeitige Anstiege zu besserer Vorhersagbarkeit, nämlich ungefähr vor 4.200, 2.800 und 1.400 Jahren. Genau zu diesen Zeitpunkten kam es zu kurzzeitigen und schnellen Vereisungen im Nordatlantik, den sogenannten „Bond-EreignissenBond-EreignisKurze Zeiträume im Holozän, in denen kühleres Oberflächenwasser und Treibeis aus dem Arktischen Ozean bis tief in wärmere subpolare Gewässer getrieben wurde.“. Gleichzeitig gibt es Variationen in der Komplexität des Klimasignals („Transitivity“), allerdings bewegen sich diese Variationen innerhalb eines Unsicherheitsbereiches (KonfidenzintervallKonfidenzintervallIm Rahmen der Statistik ein Bereich, in dem man den gemessenen Veränderungen nicht wirklich vertrauen kann.), so daß wir diese nicht wirklich interpretieren dürfen.
Quantitative Analyse von Wiederkehrmustern in den Sauerstoffisotopenδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht 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. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an.-Messungen von BB-1.
@misc{marwan2019lodz,
title = {Recurrence based entropies},
author = {Norbert Marwan and Kai Hauke Kraemer and Karolin Wiesner and Sebastian F. M. Breitenbach and Jens Leonhardt},
editor = {Fourth International Conference on Recent Advances in Nonlinear Mechanics, Łódz (Poland)},
year = {2019},
date = {2019-05-07},
abstract = {Many dynamical processes are considered to be of complex nature. To get a quantitative idea of the complexity, often the Shannon entropy of the value distribution of a measurement is used. Alternative entropy measures have been suggested using the recurrence plot (RP) approach. A RP is a matrix that represents the recurrences of states in the d-dimensional phase space. The RP can consist of small-scale structures, such as single points, diagonal and vertical lines, which characterize important dynamical properties of the system. Various entropy measures have been defined using different features of the RP or can be related to certain properties of the RP. Because of the different features that are used, some entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. This fact can lead to misunderstandings and difficulties in interpreting and understanding those measures. We discuss definitions, motivation and interpretation of some of those entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them. },
note = {Fourth International Conference on Recent Advances in Nonlinear Mechanics, Łódz (Poland)},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {presentation}
}
Many dynamical processes are considered to be of complex nature. To get a quantitative idea of the complexity, often the Shannon entropy of the value distribution of a measurement is used. Alternative entropy measures have been suggested using the recurrence plot (RP) approach. A RP is a matrix that represents the recurrences of states in the d-dimensional phase space. The RP can consist of small-scale structures, such as single points, diagonal and vertical lines, which characterize important dynamical properties of the system. Various entropy measures have been defined using different features of the RP or can be related to certain properties of the RP. Because of the different features that are used, some entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. This fact can lead to misunderstandings and difficulties in interpreting and understanding those measures. We discuss definitions, motivation and interpretation of some of those entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them.
@inproceedings{marwan2019,
title = {Recurrence based entropies},
author = {Norbert Marwan and Kai Hauke Kraemer and Karolin Wiesner and Sebastian F. M. Breitenbach and Jens Leonhardt},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/04/EGU2019-2817.pdf},
year = {2019},
date = {2019-04-08},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {21},
pages = {EGU2019-2817},
abstract = {Dynamical processes in Earth sciences are often considered to be of complex nature. The term complexity is often used for processes that are either unpredictable (e.g. nonlinear dynamics), consist of many different components, or exhibit regime transitions (e.g. tipping points). To measure complexity, the Shannon entropy is often used.
Here we present various entropy measures that have been defined on the base of the recurrence plot. Because of the different features that are used, these entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. In the past, this fact has lead to difficulties in interpreting and understanding those measures. We summarize the definitions, the motivation and interpretation of these entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them.
Finally, we illustrate their potential in an application on palaeoclimate time series. Using entropy measures, changes and transitions in the climate dynamics in the past can be identified and interpreted.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
}
Dynamical processes in Earth sciences are often considered to be of complex nature. The term complexity is often used for processes that are either unpredictable (e.g. nonlinear dynamics), consist of many different components, or exhibit regime transitions (e.g. tipping points). To measure complexity, the Shannon entropy is often used.
Here we present various entropy measures that have been defined on the base of the recurrence plot. Because of the different features that are used, these entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. In the past, this fact has lead to difficulties in interpreting and understanding those measures. We summarize the definitions, the motivation and interpretation of these entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them.
Finally, we illustrate their potential in an application on palaeoclimate time series. Using entropy measures, changes and transitions in the climate dynamics in the past can be identified and interpreted.
Am PIK werden u. a. neue Methoden entwickelt, die einerseits neue Aspekte in Paläoklimadaten untersuchen, die aber auch mit den Schwierigkeiten klarkommen, die für gewöhnlich mit Paläoklimaanalysen zusammenhängen – wie z. B. Lücken in den DatenLücken in den DatenStalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Es kann sogar zu langen Ruhephasen kommen, in denen gar kein Wachstum stattfindet. Somit werden zu diesen Zeiten die entsprechenden Umweltinformationen nicht im Stalagmit abgespeichert. Es entstehen also "Lücken" in den Daten., Unsicherheiten der AlterUnsicherheiten der AlterUm die abgespeicherten Umweltinformationen aus den Stalagmiten bestimmten Zeiträumen zuordnen zu können, muß man diese datieren. Allerdings sind alle Datierungsverfahren mit Unsicherheiten behaftet. Das heißt, man kann den Zeitpunkt von bestimmten Umweltveränderungen, die man aus den Stalagmiten herauslesen kann, nie ganz genau bestimmen, sondern nur so ungefähr. Viele statistische Verfahren benötigen allerdings genaue Zeitpunkte und können daher mit solchen Daten nicht umgehen. oder Unregelmäßigkeiten der DatenpunkteUnregelmäßigkeiten der DatenpunkteStalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Daher kann man die im Stalagmiten gemessenen Umweltveränderungen nicht gleichmäßig bestimmten Zeitpunkten (z. B. jährliche Zeitpunkte) zuordnen. Das erschwert in der Regel statistische Auswertungen, da die Auswertemethoden meist von gleichmäßig verteilten Zeitpunkten ausgehen.. Dabei handelt es sich zwar um Grundlagenforschung, aber diese wird auch sofort auf interessante Fragestellungen angewendet.
In diesem Beispiel wurde eine Methode entwickelt, die die Regelmäßigkeit bestimmter Muster in den Daten bestimmt. Die Fachbegriffe sind hier „recurrence“ (Wiederkehr) und „entropy“ (ein Maß für die Unordnung). Methoden, die nach wiederkehrenden Mustern suchen, finden in verschiedenen Fachbereichen Anwendung, nicht nur in den Geowissenschaften, sondern auch in der Medizin, im Maschinenbau, Finanzsektor usw. Neben dem Auffinden von abrupten Änderungen werden sie auch für den Vergleich verschiedener Datensätze oder zur Klassifizierung (z. B. für Maschinelles Lernen) benutzt.
Die weiterentwickelte Methode wurde auf die Kohlenstoffisotopendaten von BB-1 und BB-3 angewendet (dazu wurden die Daten aus beiden Stalagmiten mit einem speziellen Verfahren zu einer langen Datenreihe vereinigt). Interessanterweise gibt es regelmäßige Unterschiede während des Einflusses des maritimen Klimas (Atlantikeinfluß) und während des Einflusses des Kontinentalklimas. Während des Atlantikeinflusses scheint sich das Klima regelmäßiger geändert zu haben als während des dominierenden Kontinentalklimas (da kann z. B. durch den regelmäßigen Wechsel von Kaltereignissen im Nordatlantik, sogenannten „Bond-EreignissenBond-EreignisKurze Zeiträume im Holozän, in denen kühleres Oberflächenwasser und Treibeis aus dem Arktischen Ozean bis tief in wärmere subpolare Gewässer getrieben wurde.“, oder auch mit der Nordatlantik-OszillationNordatlantische OszillationRegelmäßige Schwankung des Druckverhältnisses zwischen dem Islandtief im Norden und dem Azorenhoch im Süden über dem Nordatlantik. Verantwortlich für schnell wechselnde Großwetterlagen oder stabilen Wetterlagen (Schön- wie Schlechtwetter) in Europa und sogar Asien. zusammenhängen). Das könnte genutzt werden, um den Wechsel der Klimazonengrenze, wie er für die letzten 4000 Jahren bekannt ist (siehe Klimazonenverschiebung in Mitteleuropa), weiter in die Vergangenheit auszuweiten. Immer wenn das neue Maß anzeigt, daß es eine regelmäßigere Klimadynamik gab, lag die Klimazonengrenze weiter östlich von der Bleßberghöhle.
@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.
@article{breitenbach2019,
title = {Holocene interaction of maritime and continental climate in Central Europe: New speleothem evidence from Central Germany},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Sarah Waltgenbach and Rik Tjallingii and Jens Leonhardt and Klaus-Peter Jochum and Hanno Meyer and Bedartha Goswami and Norbert Marwan and Denis Scholz},
doi = {10.1016/j.gloplacha.2019.03.007},
year = {2019},
date = {2019-00-00},
journal = {Global and Planetary Change},
volume = {176},
pages = {144–161},
abstract = {Central European climate is strongly influenced by North Atlantic (Westerlies) and Siberian High circulation patterns, which govern precipitation and temperature dynamics and induce heterogeneous climatic conditions, with distinct boundaries between climate zones. These climate boundaries are not stationary and shift geographically, depending on long-term atmospheric conditions. So far, little is known about past shifts of these climate boundaries and the local to regional environmental response prior to the instrumental era.
High resolution multi-proxy data (stable oxygen and carbon isotope ratios, S/Ca and Sr/Ca) from two Holocene stalagmites from Bleßberg Cave (Thuringia) are used here to differentiate local and pan-regional environmental and climatic conditions Central Germany through the Holocene. Carbon isotope and S/Ca and Sr/Ca ratios inform us on local Holocene environmental changes in and around the cave, while δ18O (when combined with independent records) serves as proxy for (pan-)regional atmospheric conditions.
The stable carbon isotope record suggests repeated changes in vegetation density (open vs. dense forest), and increasing forest cover in the late Holocene. Concurrently, decreasing S/Ca values indicate more effective sulfur retention in better developed soils, with a stabilization in the mid-Holocene. This goes in hand with changes in effective summer infiltration, reflected in the Sr/Ca profile. Highest Sr/Ca values between 4 ka and 1 ka BP indicate intensified prior calcite precipitation resulting from reduced effective moisture supply.
The region of Bleßberg Cave is sensitive to shifts of the boundary between maritime (Cfb) and continental (Dfb) climate and ideally suited to reconstruct past meridional shifts of this divide. We combined the Bleßberg Cave δ18O time series with δ18O data from Bunker Cave (western Germany) and a North Atlantic Oscillation (NAO) record from lake SS1220 (SW Greenland) to reconstruct the mean position of the Cfb-Dfb climate boundary. We further estimate the dynamic interplay of the North Atlantic Oscillation and the Siberian High and their influence on Central European climate. Repeated shifts of the Cfb-Dfb boundary over the last 4000 years might explain previously observed discrepancies between proxy records from Europe. Detailed correlation analyses reveal multi-centennial scale alternations of maritime and continental climate and, concurrently, waning and waxing influences of Siberian High and NAO on Central Europe.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {article}
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Central European climate is strongly influenced by North Atlantic (Westerlies) and Siberian High circulation patterns, which govern precipitation and temperature dynamics and induce heterogeneous climatic conditions, with distinct boundaries between climate zones. These climate boundaries are not stationary and shift geographically, depending on long-term atmospheric conditions. So far, little is known about past shifts of these climate boundaries and the local to regional environmental response prior to the instrumental era.
High resolution 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. data (stable oxygen and carbon 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. ratios, S/Ca and Sr/Ca) from two Holocene stalagmites from Bleßberg Cave (Thuringia) are used here to differentiate local and pan-regional environmental and climatic conditions Central Germany through the Holocene. Carbon isotope and S/Ca and Sr/Ca ratios inform us on local Holocene environmental changes in and around the cave, while δ18O (when combined with independent records) serves as 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. for (pan-)regional atmospheric conditions.
The stable carbon isotope record suggests repeated changes in vegetation density (open vs. dense forest), and increasing forest cover in the late Holocene. Concurrently, decreasing S/Ca values indicate more effective sulfur retention in better developed soils, with a stabilization in the mid-Holocene. This goes in hand with changes in effective summer infiltration, reflected in the Sr/Ca profile. Highest Sr/Ca values between 4 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. and 1 ka 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. indicate intensified prior calcite precipitation resulting from reduced effective moisture supply.
The region of Bleßberg Cave is sensitive to shifts of the boundary between maritime (Cfb) and continental (Dfb) climate and ideally suited to reconstruct past meridional shifts of this divide. We combined the Bleßberg Cave δ18O time series with δ18O data from Bunker Cave (western Germany) and a North Atlantic Oscillation (NAO) record from lake SS1220 (SW Greenland) to reconstruct the mean position of the Cfb-Dfb climate boundary. We further estimate the dynamic interplay of the North Atlantic Oscillation and the Siberian High and their influence on Central European climate. Repeated shifts of the Cfb-Dfb boundary over the last 4000 years might explain previously observed discrepancies between proxy records from Europe. Detailed correlation analyses reveal multi-centennial scale alternations of maritime and continental climate and, concurrently, waning and waxing influences of Siberian High and NAO on Central Europe.
@inproceedings{breitenbach2016,
title = {A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Sarah Wenz and Jens Leonhardt and Rik Tjallingii and Denis Scholz and Klaus-Peter Jochum and Norbert Marwan},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/05/Breitenbach_poster_EGU_2016.pdf},
year = {2016},
date = {2016-04-01},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {18},
pages = {EGU2016-14213},
abstract = {Although Holocene climate dynamics were relatively stable compared to glacial conditions, climatic changes had significant impact on ecosystems and human society on various timescales (Mayewski et al. 2004, Donges et al. 2015, Tan et al. 2015). Precious few high-resolution records on Holocene temperature and precipitation conditions in Central Europe are available (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012).
Here we present a speleothem-based reconstruction of past climate dynamics from Blessberg Cave, Thuringia, central Germany. Three calcitic stalagmites were recovered when the cave was discovered during tunneling operations in 2008. Samples BB-1, -2 and -3 were precisely dated by the 230Th/U-method, with errors between 10 and 160 years (2σ). The combined record covers large parts of the Holocene (10 – 0.4 ka BP). δ13C and δ18O were analysed at 100 μm resolution. To gain additional insights in infiltration conditions, Sr/Ca and S/Ca were measured on BB-1 and BB-3 using an Röntgenanalytik Eagle XXL μXRF scanner.
Differences to other central European records (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012) suggest complex interaction between multiple factors influencing speleothem δ18O in Blessberg Cave. Furthermore, no clear influence of the North Atlantic Oscillation on our proxies is found. However, a link across the N Atlantic realm is indicated by a centennial-scale correlation between Blessberg δ18O values and minerogenic input into lake SS1220 in Greenland over the last 5 ka (Olsen et al. 2012). In addition, recurrence analysis indicates an imprint of Atlantic Bond events on Blessberg δ18O values (Marwan et al. 2014), corroborating the suggested link with high northern latitudes. Larger runoff into the Greenland lake seems to be associated with lower δ18O, higher δ13C and S/Ca ratios, as well as lower Sr/Ca ratios in Blessberg Cave speleothems. This might be linked to lower local temperature and/or changes in precipitation seasonality. Opposing millennial scale trends with lowering S/Ca ratios and δ13C values but increasing Sr/Ca ratios calls for more than one controlling factor. Most likely, δ13C decreased through the Holocene due to afforestation, which in turn might have increased sulphate retention in the thickening soil cover (Frisia et al. 2005) and limited sulphur flux into the cave. Alternatively, marine sulfur flux could have diminished with winter wind intensities. However, additional data is required to clarify this hypothesis. A positive Sr/Ca trend through the Holocene might result from increasing prior calcite precipitation induced by a negative moisture balance in summer.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
}
Although Holocene climate dynamics were relatively stable compared to glacial conditions, climatic changes had significant impact on ecosystems and human society on various timescales (Mayewski et al. 2004, Donges et al. 2015, Tan et al. 2015). Precious few high-resolution records on Holocene temperature and precipitation conditions in Central Europe are available (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012).
Here we present a speleothem-based reconstruction of past climate dynamics from Blessberg Cave, Thuringia, central Germany. Three calcitic stalagmites were recovered when the cave was discovered during tunneling operations in 2008. Samples BB-1, -2 and -3 were precisely dated by the 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.-method, with errors between 10 and 160 years (2σ). The combined record covers large parts of the Holocene (10 – 0.4 ka BP). δ13C and δ18O were analysed at 100 μm resolution. To gain additional insights in infiltration conditions, Sr/Ca and S/Ca were measured on BB-1 and BB-3 using an Röntgenanalytik Eagle XXL μXRF scanner.
Differences to other central European records (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012) suggest complex interaction between multiple factors influencing speleothem δ18O in Blessberg Cave. Furthermore, no clear influence of the North Atlantic Oscillation on our 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. is found. However, a link across the N Atlantic realm is indicated by a centennial-scale correlation between Blessberg δ18O values and minerogenic input into lake SS1220 in Greenland over the last 5 ka (Olsen et al. 2012). In addition, recurrence analysis indicates an imprint of Atlantic Bond events on Blessberg δ18O values (Marwan et al. 2014), corroborating the suggested link with high northern latitudes. Larger runoff into the Greenland lake seems to be associated with lower δ18O, higher δ13C and S/Ca ratios, as well as lower Sr/Ca ratios in Blessberg Cave speleothems. This might be linked to lower local temperature and/or changes in precipitation seasonality. Opposing millennial scale trends with lowering S/Ca ratios and δ13C values but increasing Sr/Ca ratios calls for more than one controlling factor. Most likely, δ13C decreased through the Holocene due to afforestation, which in turn might have increased sulphate retention in the thickening soil cover (Frisia et al. 2005) and limited sulphur flux into the cave. Alternatively, marine sulfur flux could have diminished with winter wind intensities. However, additional data is required to clarify this hypothesis. A positive Sr/Ca trend through the Holocene might result from increasing prior calcite precipitation induced by a negative moisture balance in summer.
Die drei Stalagmiten BB-1 bis BB-3 wurden von GFZ Potsdam, Ruhr-Uni Bochum, PIK Potsdam, Uni Mainz und Northumbria University geochemischGeochemieUntersuchung kleinster chemischer Unterschiede, meist anhand von Isotopenverhältnissen und Elementverteilungen, um Aussagen zu den Klima- und Umweltbedingungen während der erdgeschichtlichen Entstehung der Probe zu erhalten. untersucht.
Die DatierungDatierungUm einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). (U/ThU/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.) wurde an der Uni Mainz vorgenommen. Stalagmit BB-1 ist vor 5.600 bis 600 Jahren, BB-2 vor 6.200 bis 3.700 und BB-3 (obwohl der kürzeste) vor 11.200 bis 5.300 Jahren gewachsen. Am GFZ wurden im BB-1 in über 1.000 Proben Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopeδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht 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. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an. (δ13C und δ18O) gemessen, im BB-2 und BB-3 jeweils etwa 400 bzw. 540 Proben. Parallel dazu wurde die Verteilung verschiedener Elemente (u.a. Sr/Ca und S/Ca) röntgenanalytisch gemessen. Die Altersmodellierung und statistische Auswertungen erfolgten an Ruhr-Uni Bochum, PIK Potsdam und Northumbria University.
In den AltersmodellenAltersmodellNach der Datierung eines Stalagmiten werden allen anderen Messungen (z. B. Isotopenverhältnisse), die ursprünglich entlang einer Längen-Achse durchgeführt wurden, ein Alter zugeordnet. der Stalagmiten BB-1 und BB-3 sind abrupte Wechsel von langsamen zu schnellem Wachstum bei etwa 5.900 v. Chr. und von schnellem zu einem eher langsamen Wachstum bei etwa 2.600 v. Chr. zu erkennen.
Altersmodelle der Stalagmiten BB-1 und BB-3. Deutlich sind Änderungen der Wachstumsgeschwindigkeiten bei etwa 6.200 v. Chr. und zwischen 5.900 und 2.600 v. Chr. zu erkennen, wofür Klimaänderungen verantwortlich sind.
Die zeitlichen Änderungen der Isotopenverhältnisse wurden mit Paläoklimadaten aus der Bunkerhöhle in Nordrhein-Westfalen und aus Grönland verglichen.
Isotopenverhältnisse in Stalagmiten BB-1 und BB-3 (kombiniert). Die längerfristigen Trends spiegeln vermutlich eine Änderung des solaren Einflusses wider. Die kurzzeitige Klima-Abkühlung um 6.200 v. Chr. ist deutlich in den Isotopenverhältnissen zu erkennen. Der abrupte Abfall der δ18O-Werte um 900 bis 1.200 AD fällt mit der mittelalterlichen Warmperiode zusammen.
Dieser Vergleich erlaubt eine Abschätzung der räumlichen Verteilung des Einflusses des maritimen, feuchten und warmen Atlantik-Klimas in Mitteleuropa. Die Bleßberghöhle befindet sich an der Grenze zwischen dem Einfluss des Atlantik-Klimas und dem kontinentalen, trockeneren und kälteren Klima aus dem Osten. Aus dem Wechsel zwischen stärkerer Ähnlichkeit und größeren Unterschieden im regionalen Klima an der Bleßberghöhle und der Bunkerhöhle läßt sich festzustellen, wann die Klimazonengrenze östlich oder westlich von der Bleßberghöhle lag, wann also das atlantische, feuchtere und wärmere Klima und wann das kältere und trockenere Kontinentalklima über der Bleßberghöhle vorherrschte. Diese Analyse konnte bis etwa 4.000 Jahre zurück durchgeführt werden (also etwa 2050 v. Chr.). Vor dieser Zeit können aufgrund fehlender Daten aus Grönland bislang keine Aussagen bezüglich der Lage der Klimazonengrenze getroffen werden, aber vermutlich lag um diese Zeit die Bleßberghöhle wohl im Einflussbereich des atlantischen Klimas. Um 1850 v. Chr. wechselte es dann zum kontinentalen Klima (in der späten Aunjetitzer KulturAunjetitzer KulturEine archäologische Kultur der Frühbronzezeit (ca. 2300 v. Chr. bis 1600/1500 v. Chr.). Bekannt durch die "Himmelsscheibe von Nebra"., bekannt durch die Himmelsscheibe von Nebra). Zwischen 950 bis 850 v. Chr. wurde der atlantische Einfluss wieder dominanter (gegen Ende der UrnenfelderkulturUrnenfelderkulturWeit verbreitete mitteleuropäische Kultur der späten Bronzezeit (1300 v. Chr. bis 800 v. Chr). Charakteristisch sind die Beisetzung der Toten in Urnen, sowie typische Bronze- und Keramikformen.).
Verlagerung der Klimazonengrenze (gestrichelt) nach Osten mit hypothetischem Verlauf (gepunktet) zur Zeit der Urnenfelderkultur (BU – Bunkerhöhle, BBH – Bleßberghöhle).
