English Title: Climate and vegetation dynamics during Marine Isotope Stage 19 in Tenaghi Philippon (Northeastern Greece)

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Abstract

Seit der Intensivierung der Glazial-Interglazial-Zyklizität ab dem späten Pliozän reagierte das Klimasystem sehr sensibel auf Veränderungen in der Atmo-, Kryo- und Ozeanosphäre. Diese führten nicht nur zu ausgeprägten Klimaschwankungen über orbitalskalige Zeitintervalle, sondern resultierten auch in massiver kurzfristiger (d.h. jahrhundert- bis jahrtausendskaliger) Klimavariabilität. In Anbetracht des erheblichen Einflusses des Menschen auf das Klimasystem ist ein Verständnis dieser kurzzeitigen Klimavariabilität dringend erforderlich. Zeitlich hochauflösende Analysen des 1,35 Myr umfassenden Klima- und Vegetationsarchivs von Tenaghi Philippon (NE-Griechenland, NE Mittelmeerraum) können einen wichtigen Beitrag zu einem verbesserten Verständnis kurzzeitiger Klimavariabilität leisten. Das Marine Isotopenstadium 19 (MIS 19; 790–761 ka) ist hierbei von besonderem Interesse, da es als bestes orbitales Analogon des heutigen Holozän-Interglazials gilt. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Pollen- und Röntgenpulverdiffraktometrieanalysen des MIS-19-Interglazials von Tenaghi Philippon dokumentieren eine massive kurzzeitige Klimavariabilität. Die zeitliche Einordnung der Vegetationsveränderungen wurde durch magnetostratigraphische Methoden ermöglicht. Klimawechsel hin zu einem kalttrockenen Klima während zum Teil vollinterglazialer Bedingungen führten fünf Mal zu einer Kontraktion temperater Wälder und der Ausbreitung von Kältesteppen innerhalb weniger Jahrzehnte bis Jahrhunderte. Die Erholung der Wälder mit der Rückkehr warmgemäßigter Bedingungen erfolgte ähnlich abrupt. Ein Vergleich der Klima- und Vegetationsdynamik von Tenaghi Philippon mit Klimaveränderungen im Nordatlantik zeigt, dass die insolationsgetriebenen Temperatur- und Eisschild-Veränderungen der hohen nördlichen Breiten und des Nordatlantiks sowie Verschiebungen der Innertropischen Konvergenzzone die Klimavariabilität im nordöstlichen Mittelmeerraum steuerten. Die genannten Faktoren beeinflussten über die Klimasysteme des Nordatlantiks und der hohen nördlichen Breiten indirekt die Vegetation in Tenaghi Philippon. Bei einer starken „bipolar seesaw“ im Atlantik gelangten warmfeuchte Luftmassen über die Westwinde in den Mittelmeerraum und führten zu warmgemäßigten Phasen in Tenaghi Philippon. Demgegenüber sind „ice-rafted debris events“ im Nordatlantik synchron mit kalttrockenen Events in Tenaghi Philippon, da südliche Ausbrüche des Sibirienhochs gleichzeitig kalttrockene Luftmassen in die Mittelmeerregion leiteten. Eine Ausnahme repräsentiert das kalttrockene Event CDE-19/1, das als massives intra-interglaziales Event in Tenaghi Philippon während des MIS-19c-Interglazials nur ein schwach ausgeprägtes Analogon im Nordatlantik und im Mittelmeerraum besitzt. Die abnehmende boreale Sommerinsolation führte in diesem Zeitintervall zur Ausdehnung des Meereises und des Polarwirbels der hohen nördlichen Breiten. Während der Nordatlantik und der westliche Mittelmeerraum jedoch nur eine geringfügige Abkühlung verzeichneten, führten intensive Ausbrüche des Sibirienhochs zu kälteren und trockeneren Bedingungen in Tenaghi Philippon. In einer Gegenüberstellung der Pollendaten von MIS 19 und dem Holozän von Tenaghi Philippon wird deutlich, dass sich im derzeitigen Interglazial temperate Wälder deutlich stärker ausdehnten als während MIS 19. Dies spricht für lokal warmgemäßigtere Bedingungen und somit eine stärkere Intensität des Holozäns gegenüber MIS 19. Zudem unterscheidet sich das heutige Interglazial von MIS 19 durch das Fehlen von Analoga zum intra-interglazialen kalttrockenen Events CDE-19/1 während MIS 19c und zum kalttrockenen Event CDE-19/2, wie es das Ende von MIS 19c in Tenaghi Philippon markiert. Hätte das Holozän ein weniger warmgemäßigteres Klima ähnlich dem des MIS-19c-Interglazials charakterisiert, dann wäre bei einer Übereinanderlegung der Präzessions-Kurvenverläufe beider Zeitintervalle ein Äquivalent zum kalttrockenen Event CDE-19/2 vor ca. 1.600 Jahren eingetreten. Eine Ursache für das im Holozän humidere Klima und die deutlich schwächere kurzzeitige Klimavariabilität könnten die im Vergleich zu MIS 19 deutlich kleinerennördlichen Eisschilde des heutigen Interglazials sein, die möglicherweise aufgrund von Veränderungen in der Glazial-Interglazial-Zyklizität im Zuge der Mittelpleistozänen Übergangsphase und dem „Mid-Brunhes Event“ nicht die Größe des älteren Analogons erreichten. Abgesehen von den kleineren Eisschilden verhinderte auch die spätholozän ansteigende atmosphärische CO2-Konzentration das Kippen des Klimasystems und das Eintreten abrupter Klimavariabilität.

Translation of abstract (English)

Since the intensification of the glacial-interglacial cyclicity since the late Pliocene, the Earth’s climate system has responded extremely sensitively to changes in the atmo-, cryo- and oceanosphere. These changes have resulted not only in long-term, orbital-scale climate change, but also in centennial- to millennial-scale climate variability. In light of the massive anthropogenic influence on the present-day climate system, a mechanistic understanding of this short-term climate variability is required. High-resolution analysis of the 1.35-Myr-longclimate and vegetation archive of Tenaghi Philippon (NE Greece, NE Mediterranean region) can contribute to an improved understanding of abrupt climate variability. In this context, Marine Isotope Stage 19 (MIS 19; 790–761 ka) is of particular interest because it represents the closest orbital analogue for the present Holocene interglacial. Pollen and X-ray powder diffraction analysis of the interval corresponding to MIS 19 in drillcores from Tenaghi Philippon document massive short-term climate variability. A chronological framework for the reconstruction of these changes has been generated through magnetostratigraphic methods. Repeated decadal- to centennial-scale change from a warm humid to a cold, dry climate that occurred partially during full interglacial conditions resulted in five temperate forest contractions and expansions of cold steppe vegetation. The recovery of the forest vegetation after this events occurred on similarly short time scales. Comparison of the vegetation and climate dynamics at Tenaghi Philippon with climate change in the North Atlantic shows a strong coupling of both regions. Climate variability in the northeastern Mediterranean region as documented in Tenaghi Philippon was connected to summer insolation, temperature and ice-sheet changes in the high northern latitudes and in the North Atlantic, and to shifts in the Intertropical Convergence Zone. The former factors indirectly influenced the vegetation and climate at Tenaghi Philippon via the climate systems of the North Atlantic and the high northern latitudes. During times of a strong Atlantic bipolar seesaw, warm and moist westerly winds reached the Mediterranean region, giving rise to warm and humid conditions at Tenaghi Philippon. In contrast, ice-rafting events in the North Atlantic occurred simultaneously with cold dry events in Tenaghi Philippon; the latter are connected to southward outbreaks of polar air masses from the Siberian High. One exception from this pattern is the cold dry event CDE-19/1. Despite its strong expression as an intra-interglacial event during MIS 19c at Tenaghi Philippon, it is only a weakly expressed in the North Atlantic and Mediterranean regions. The trigger for this event was likely a reduction in boreal summer insolation that resulted in the expansion of sea ice and the polar vortex in the high northern latitudes. While the North Atlantic and the Western Mediterranean experienced only a slight cooling, intense outbreaks from the Siberian High caused severe cold and dry conditions in Tenaghi Philippon at that time. When comparing the vegetation records for MIS 19 and the Holocene at Tenaghi Philippon, it becomes clear that temperate forests have dominated the vegetation during the present interglacial-more strongly than during MIS 19; this indicates locally warmer and more humid interglacial condi-tionsforthe Holocene compared to MIS 19. In addition, the present interglacial differs from MIS 19 through the absence of analogues for the intra-interglacial cold dry event CDE-19/1 during MIS 19c and the cold dry event CDE-19/2 that marked the end of the MIS 19c interglacial. If the Holocene had been characterized by a less warm and less humid climate similar to that prevailing during MIS 19c and the same trend in orbital precession, a cold dry event analogous to CDE-19/2 should have occurred c. 1,600 years ago. A potential reason for the warmer, more humid climate and the much weaker abrupt climate variability during the Holocene than during MIS 19c could be the much smaller ice sheets. The Holocene ice sheets of the Northern hemisphere may not have reached the size of its older equivalent because of changes in the glacial-interglacial cyclicity during the Mid-Pleistocene Transition and the Mid-Brunhes Event. In addition to the smaller ice sheets, increasing atmospheric CO2 concentrations during the Late Holocene may have further prevented the Holocene climate system from crossing a threshold and inhibited abrupt climate variability.