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Authors: Schneider, Lea
Title: Climatic impact of volcanic eruptions over the past millennium
Online publication date: 12-Apr-2017
Language: english
Abstract: Volcanic ash clouds, injected into the stratosphere, can alter the Earth’s net radiation and initiate wide-spread surface cooling. Polar ash deposits from the last millennium indicate that past volcanic eruptions impacted global climate much more than any eruption since the onset of modern observations. Paleoclimatic evidence thus contributes to recognize the full range of associated atmospheric processes and potential threats of future eruptions. Additionally, climate reconstructions enable a validation of model simulations and their sensitivity to volcanic forcing. In this dissertation a new annually resolved temperature reconstruction for the Northern Hemisphere is developed to examine volcanic induced cooling events and to gain new insight in the history of volcanism. High-frequency variability in hemispheric temperature reconstructions is often based on tree-ring width (TRW) measurements, although this parameter was previously accused to be biased by biological memory. The analyzed TRW chronologies respond attenuated and delayed to abrupt temperature changes. Chronologies of maximum latewood density (MXD), in contrast, are more flexible and better suited for examining short-lived cooling events. For Europe the reconstructed temperature drop subsequent to volcanic eruptions is in good agreement with long instrumental records. Estimates of mean volcanic cooling are, however, very sensitive to the selection criteria for climatically relevant eruptions and the varying time lag between ash injection and climatic impact. Before extending the regional assessment of volcanic signals to a hemispheric scale, the spatial representativeness of the MXD network is assessed. Despite the comparatively small number of multi-centennial MXD chronologies, the ensemble mean can be calibrated successfully against extratropical summer temperatures of the Northern Hemisphere. The resulting reconstruction has an unprecedentedly accentuated high frequency signal over the past 1400 years and comprises a couple of distinct cooling events protruding beyond background year-to-year variability and longer term trends. Shortcomings in existing archives of volcanism motivate the application of a detection algorithm generating an independent record of climatically relevant eruptions. Designed for the characteristic volcanic cooling pattern and previously approved in a pseudoproxy environment, the algorithm picks up more than a dozen of these events in the MXD derived temperature reconstruction. Their dating generally agrees with historically documented eruptions or ash deposits from polar ice-cores. For some events, however, the exact timing is not in-phase proving that existing archives are either incomplete or imprecise. Deficiencies in ice-core derived reconstructions of volcanic activity propagate into the output of climate models forced with these datasets and explain some of the observed discrepancies between simulated and reconstructed volcanic cooling estimates. But the detection algorithm presented herein is capable to determine the most significant forcing events in both temperature estimates separately. Assessing the maximum cooling rate based on the detected events reveals a stronger and more persistent volcanic signal in simulated temperatures. Reconciling the ice-core derived reconstructions with the insights gained from paleoclimatology would improve the next generation of forcing datasets and last millennium model simulations. Besides facilitating data-model comparisons this could also expose more links between climate extremes and human history.
Wird vulkanische Asche in die Stratosphäre eingetragen, kann dies die Strahlungsbilanz der Erde beeinflussen und großräumig oberflächennahe Abkühlung verursachen. Polare Ascheablagerungen aus dem letzten Jahrtausend deuten darauf hin, dass das globale Klima in der Vergangenheit von weit größeren Vulkanausbrüchen beeinflusst wurde als in den letzten Jahrzehnten. Paläoklimatische Untersuchungen sind daher unumgänglich, um alle zugehörigen Prozesse zu verstehen und das Gefahrenpotential zukünftiger Eruptionen abschätzen zu können. Zudem lassen sich mit Klimarekonstruktionen Modellsimulationen und deren Sensitivität gegenüber vulkanischem Strahlungsantrieb validieren. Im Rahmen dieser Dissertation wird eine neue, jährlich aufgelöste Temperaturrekonstruktion für die nördliche Hemisphäre entwickelt, mit deren Hilfe vulkanisch bedingte Abkühlungsereignisse untersucht und neue Erkenntnisse über klimarelevanten Vulkanismus im letzten Jahrtausend gewonnen werden. Hochfrequente Variabilität in hemisphärischen Temperaturrekonstruktionen basiert häufig auf Jahrringbreite-Messungen (TRW), obwohl dieser Parameter durch den Einfluss biologischer Speicherprozesse in der Kritik steht. Während gezeigt werden kann, dass TRW-Chronologien abrupte Temperaturschwankungen abgeschwächt und zeitlich verzögert widerspiegeln, stellen sich Chronologien, die auf maximaler Spätholzdichte (MXD) basieren, als deutlich anpassungsfähiger heraus und sind deshalb für die Analyse kurzlebiger Abkühlungsereignisse geeigneter. Für den europäischen Raum stimmt der beobachtete mit dem anhand von Jahrringdichten ermittelten Temperaturrückgang nach Vulkanausbrüchen gut überein. Die durchschnittliche Abkühlungsrate ist jedoch sehr stark von den Auswahlkriterien für klimarelevante Ausbrüche sowie dem zeitlichen Versatz zwischen vulkanischer Aktivität und klimatischer Reaktion abhängig. Bevor die regionalen Analysen auf hemisphärische Ebene projiziert werden können, wird die Repräsentativität des MXD-Netzwerks ausgewertet. Trotz der vergleichsweise geringen Anzahl an MXD-Chronologien, lässt sich das hemisphärische Mittel erfolgreich gegen extratropische Sommertemperaturen der nördlichen Hemisphäre kalibrieren. Die resultierende Rekonstruktion weist ein besonders akzentuiertes hochfrequentes Signal auf. Über die letzten 1400 Jahre heben sich immer wieder kurzlebige Abkühlungsereignisse von der vorherrschenden Jahr-zu-Jahr Variabilität ab. Um Schwächen in den bestehenden Archiven vulkanischer Aktivität zu überbrücken, wird ein Detektions-Algorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe eine unabhängige Auflistung klimarelevanter Ausbrüche erstellt werden kann. Der auf die spezielle Signatur vulkanisch bedingter Abkühlung getrimmte Algorithmus detektiert über ein Dutzend solcher Ereignisse in der MXD-basierten Temperaturrekonstruktion. Diese decken sich grundsätzlich auch mit historisch dokumentierten Ausbrüchen oder Ascheablagerungen in polaren Eisbohrkernen. Es lassen sich jedoch nicht alle Abkühlungsereignisse mit einem aus anderen Quellen belegten Ausbruch zeitlich in Einklang bringen. Dies legt nahe, dass die bisherigen Archive für vulkanische Aktivität unvollständig oder ungenau sind. Wird der vulkanische Strahlungsantrieb fehlerhaft rekonstruiert, pflanzen sich Unstimmigkeiten in Klimamodellen, die auf diese Datensätze zurückgreifen, fort. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Detektionsverfahren lassen sich jedoch sowohl für Temperaturrekonstruktionen als auch –simulationen die bedeutendsten Ereignisse extrahieren und so die jeweils maximalen Abkühlungsraten bestimmen. Dieser neue Ansatz zeigt, dass in den hier untersuchten Modellsimulationen der vulkanische Strahlungsantrieb größere und anhaltendere Abkühlung verursacht als es sich aus rekonstruierten Temperaturreihen ableiten lässt. Durch einen Abgleich des rekonstruierten Strahlungsantriebes mit den paläoklimatischen Informationen können künftige Modellsimulationen der Realität näher kommen und damit neue Zusammenhänge zwischen klimatischen Extremen und Entwicklungen in der Menschheitsgeschichte aufgedeckt werden.
DDC: 550 Geowissenschaften
550 Earth sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3870
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000012495
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: xiv, 196 Seiten
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