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«Fidan G6ktas Ber. Polarforsch. Meeresforsch. 425 (2002) ISSN 1618 31 93 Fidan Gökta Alfred-Wegener-Institut füPolar- und Meeresforschung ...»

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Characterisation of glacio-cemical and glaciometeorological parameters of Amundsenisen,

Dronning Maud Land, Antarctica

Fidan G6ktas

Ber. Polarforsch. Meeresforsch. 425 (2002)

ISSN 1618 31 93

Fidan GÃkta

Alfred-Wegener-Institut

füPolar- und Meeresforschung

D-27568 Bremerhaven

Dissertation, vorgelegt dem Fachbereich 5

(Geowissenschaften) der Universitiit Bremen zur Erlangung

des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer.

nat.) i m M i r z 2002.

Contents Zusammenfassung 5 Summary 7 1 Introduction 9

1.1 Site Selection............................... 10

1.2 Objectives................................. 12 F'undamentals 15

2.1 Characteristics of Antarctica....................... 15 Geography............................. 15 2.1.1 Meteorology............................ 15 2.1.2 Glaciology............................. 19 2.1.3

2.2 Nature of aerosol............................. 20................... 21 2.2.1 Definition and classification 2.2.2 Genesis of aerosol......................... 21 Transportation and deposition mechanisms........... 22 2.2.3 Source of aerosol and glacio-chemistry................. 25 2.3

2.4 Concluding rernarks............................ 26 3 Ion analyses in ice cores

3.1

Abstract

.................

3.2 Introduction...............

Sampling.................

3.3 Analyses.................

3.4 Ion chromatography set up...

3.4.1 3.4.2 Ion chromatography methods.

3.4.3 Blank samples and blank values Accuracy.............

3.4.4 Conclusions...............

3.5 Acknowledgements...........

3.6

CONTENTS

Accumulation rates in Dronning Maud Land 43

4.1 Abstract...........................

–  –  –

In dieser Arbeit wurden anhand von aerosolchemischen Zeitreihen aus vier mitteltiefen Eiskernen und 21 Schneeschächtenwelche die letzten zwei Jahrtausende überdecken glazio-chemischen und glazio-meteorologischen Parameter des die Amundsenisen, Dronning Maud Land, Antarktis, untersucht.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurden die Ionenkonzentrationen von Methansulphonsäur(MSA), Cl-, Br-, NO;, SO:-, Na+, N H ~K +, Mg2+ und Ca2+ bestimmt. Die, fiir B r, NHZ, K +, Mg2+ und Ca2+ detektierten Konzentrationen waren zu niedrig, um eine realistische Aussage machen zu kÃnnenwohingegen der relative Fehler aller anderen Komponenten bei etwa 5% lag.

In der saisonalen Variation von Seesalz zeigte sich ein Maximum im Spätwinte bzw. Frühjahr Das saisonale Maximum der Komponenten MSA und Nicht-SeesalzSulphat konnte füdas spätFrühjahbzw. den späte Sommer detektiert werden, was auf die gleiche marin-biogene Quelle fübeide Komponenten hinweist.

Von der räumliche Verteilung der Seesalz-Komponenten, welche ein einheitliches Depositionsmuster aufweist, konnte auf einen homogenen Transport mariner Luftmassen auf das Plateau geschlossen werden.

Aufgrund post-depositionäre Effekte war es nicht mÃglicheinen Transport- oder Depositionsmechanismus füMSA bzw. Nitrat zu definieren. Sulphat zeigte ein inverses Verhalten zur Akkumulationsrate. Dies impliziert, dass 75% des deponierten Sulphates auf trockene Deposition zurückzuführ ist.

Auch im Falle der Akkumulationsraten konnte eine einheitliche räumlichVerteilung festgestellt werden. Ein Anstieg der Akkumulationsrate fiir das 20. Jahrhundert, welcher den Wert, der fü Beginn des 19. Jahrhunderts beobachtet worden den ist, nicht übersteigt hÃchstwahrscheinlic mit natürlicheTemperaturvariatioist nen in Verbindung zu bringen. Füden Zeitraum vor 1000 A.D. konnten an DML07 post-depositionär Effekte, die mit hoher Wahrscheinlichkeit auf Windverfrachtung zurückzuführ sind, beobachtet werden. Aus diesem Grund wurde das Abzähle der Jahresschichten im Falle von DML07 erschwert. Irn Gegensatz dazu konnte fü DML05 eine akkurate stratigraphische Datierung übedie ganze Kernlänghinweg durchgeführ werden, wobei die letzten zwei Jahrtausende Ãœberdeckwurden.

ZUSAMMENFASSUNG

Basierend auf den Daten, die aus der Analyse von 13 Schneeschächte hervorgegangen sind, konnte eine räumlic einheitlich verteilte H2S04-Deposition von

13.4i13.5 kg k m 2 fiir die Eruption des Pinatubo/Cerro Hudson-Komplexes abgeleitet werden. Diese räumlic einheitliche vulkanische Deposition konnte zur Synchronisation aller Eiskern-Zeitreihen übe letzten 2000 Jahre verwendet werden. Aus der die Kombination des letztgenannten Resultates mit dem Abzähle von Jahresschichten konnte eine einzigartige Vulkanchronologie mit einer verbesserten Datierungsgenauigkeit von k1 Jahr im oberen Teil bzw. iI22 Jahren füdie älteste Abschnitte des Eises, abgeleitet werden.

Aus geringen Kreuz-Korrelationskoeffizienten der Ionenzeitreihen ging hervor, dass die Varianz von lokal- oder regionalskaligen Prozessen dominiert wird. Mit Hilfe von EOF-Analysen konnte gezeigt werden, dass der Beitrag aller Probenorte zur Varianz der Komponenten von ähnliche Wert ist. Aus der Korrelation von principal component 1 ( P C l ), der zeitlichen Entwicklung der empirisch orthogonalen Funktion 1 ( E O F l ), des Nicht-Seesalz-Sulphates mit der Oberflächentemperatu des Wassers, welche durch das E1 Niiio-Phänome beeinflusst ist, konnte der Süd Atlantische Ozean als Quellgebiet fübiogenes Sulphat, das auf dem Amundsenisen deponiert worden ist, bestimmt werden. Dies bedeutet, dass eine zwar geringe jedoch dennoch signifikante Signatur des E1 Niiio-Phänomen in den Eiskernen gefunden werden konnte. Wavelet- und Kohärenzanalyse von P C 1 des Nicht-SeesalzSulphates zeigten signifikante Perioden von 2.1, 3.3 und 4. 3 Jahren, welche ebenfalls fiir E1 Niiio-Ereignisse beobachtet worden sind.





Summary This work investigates the glacio-chemical and glacio-meteorological parameters On Amundsenisen, Dronning Maud Land, Antarctica, using aerosol chemistry records from four intermediate deep ice cores and 21 Snow pits, covering the past two millenia.

To this end ion concentrations for methanesulfonate (MSA), C l, B r NO;, S O :, Nat, NH;}", K +, Mgzt and Ca2+ were determined. The concentrations of B r, N H t, K t, Mg2+ and Ca2+ were too low to be reliably determined, while the relative error of all other components was on the order of 5%.

The seasonal variation for sea-salt showed a maximum in late winterlspring.

The seasonal maximum of the components MSA and nss-sulphate was found in late spring/summer, indicating the Same marine biogenic source for both components.

The spatial distribution of the sea-salt components showed an uniform deposition pattern, indicating homogeneous transport of marine air masses onto the plateau.

No transport or deposition mechanism could be determined for MSA and nitrate due to post-depositional effects. Sulphate showed an inverse relationship to accumulation rate, implying that 75% of the deposited sulphate can be accounted for by dry deposition.

An uniform spatial distribution pattern was also observed for the accumulation rates. An increase in accumulation rate for the 20th century does not exceed values in the beginning of the 19th century and is most probably linked to natural temperature variations. Post-depositional effects most probably due to wind scouring were observed at DML07 prior to 1000 A.D. While this impeded annual layer counting at DML07, accurate stratigraphic dating could be performed for the whole record at DML05, covering the last two millenia.

Based on data from 13 Snow pits, a spatially uniform volcanic deposition of 13.4k3.5 kg k m 2 was derived for the recent Pinatubo/Cerro Hudson eruption complex. The spatially uniform volcanic deposition could be used to sysnchronize all ice core records over the last 2000 years. In combination with the annual layer counting an unique volcano chronology with improved dating accuracy from k1 at the top up to &22 for the oldest parts of the ice core records could be derived.

SUMMARY

Cross-correlation of the ion records showed low coefficients, indicating that processes on local or regional scale dominate the variance. E O F analyses revealed f that the contribution of all sampling sites to the variance of the components is of similar size. The correlation of PC1, associated to EOF1, of nss-sulphate and seasurface temperature, which is influenced by the E1 Ni50 phenomenon, points t o the Southern Atlantic Ocean as the source region for biogenic sulphur deposited onto Amundsenisen. Therefore, a very small but nevertheless significant signature of the EI Ni50 phenomenon was found in the ice core records. Wavelet and coherence analysis of P C 1 of nss-sulphate showed significant periods of 2.1, 3.3 and 4.3 years, which are also observed for E1 Niiio events.

Introduct ion Climate has effected the evolutionary and cultural development of mankind. It is one of the most important forces which determines the wealth and poverty, stability and variability of individuals and societies, Therefore, humanity has put a lot of effort into knowing how the climate system works and how it might develop. In the main focus of the scientific discussion of climate is temperature change and its entailed sea level change, in particular the role of the vast ice sheets at polar sites [Herterich, 19931. However, the global climate system is inherently complex, variable, and poorly understood. Data of the present and past climate are necessary to understand its mechanisms, though the data are limited in both spatial and temporal domains.

Instrumental observations provide data of the recent climate. Data about the past can be found in several natural archives - sea and lake Sediments, tree rings, peat bogs, corals and also in glacier ice [Stauffer, 19991. These archives help to understand the processes and interactions of the atmosphere, hydrosphere, lithosphere, biosphere and cryosphere [Barry and Chorley, 19921. The advantage of the icy archive of the cryosphere lies in its capability to provide information about past climate changes as well as about atmosphere composition and circulation.

Most of the frozen water on the world is stored in the polar ice caps of Antarctica (90%) and Greenland (7%). Antarctica is located far from the other continents and around the geographical South Pole. It is surrounded by the Southern Ocean, a Stretch of water unbroken by land for some 20,000 km (at 56OS), which characteristic is the Antarctic Circumpolar Convergence with water temperature close to freezing.

The atmosphere's most prominent feature is the Antarctic Vortex with a drop of temperature that results in dramatic changes of weather and biology at the meeting of warm and cold water and air masses. This combination of large oceanographic and meteorological changes contributes to the strong cyclo-genesis. Storm Systems tend to move southwards onto the ice sheet, and bring warm and humid air masses onto

10 Introduction

the Antarctic Plateau effecting energy balance, moisture, and aerosol concentration.

Direct observational and instrumental records are limited to short periods in time and small areas of Antarctica. A continuous instrumental record of air temperature from the south polar region only exists from 1903 at Islas Orcadas IJones and Limbert, 20011, but this location is O the fringe of Antarctica at 44O 44' W and 60' 44's.

n Continuous instrumental observations on the Antarctic continent began during the International Geophysical Year (1957-58), and remain relatively sparse spatially especially when compared to records from more temperate regions of the world.

The combination of the geographical and meteorological attributes and remarkably limited human activities gives Antarctica an important and complex role in the global climate system. It is expected to have the cleanest atmosphere in the world [Legrand and Mayewski, 19971. Therefore, for studying the role of background aerosols from the bio-geochemical cycle, Antarctica provides an attractive site free from anthropogenic pollution. This valuable information source can be explored by drilling ice cores. A multitude of climate parameters can be studied from ice cores, for example atmospheric trace gases, atmospheric aerosol composition and temperature.

1.1 Site Selection Valuable information covering a full glacial - interglacial cycle have already been obtained from Antarctica and Greenland. The cores GRIP and GISP2 from Greenland have provided data over the last 250,000 years in high resolution [Dansgaard et al,, 1993; Yiou et al., 19971. Although several ice cores from Antarctica are available (Figure 1.1), studies of the vast East Antarctic plateau have so far been limited to a single deep ice core obtained at Vostok and to a recent drilling project undertaken by a Japanese group at Dome Fuji.

In the framework of the European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA), a joint European Science Foundation/European Union Programme in which ten European countries" cooperate, two deep ice core drillings are being carried out.

The cores are drilled at Dome Concordia (Dome C) [WoH et al., 19991 and in the plateau area of Dronning Maud Land (DML), Amundsenisen [Oerter et al., 20001.

Dome C is located on a topographic dome, where horizontal movement of the ice is thought to be negligible and thus, distortions in the layering is expected to be minimal. Furthermore, the deep ice core is expected to reach about 500 000 years B e l g i u m, Denmark, France, Germany, Italy, the Netherlands, Norway, Sweden, Switzerland and the United Kingdom

1.1 Site Selection back in time with the accumulation rate of about 36 kg m 2 a 1 [Petit et al., 19821 and ice thickness at this location of about 3250 m [Tabacco et al., 19981.



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