Abstract:
Die Monsune bilden ein immenses und dynamisches System, das den gesamten Globus umgibt und welches fast die Hälfte der Weltbevölkerung fundamental beeinflusst, sowohl in Bezug auf Wasserverbrauch, Landwirtschaft, Energie und Verkehr, als auch in Bezug auf Naturkatastrophen wie Überschwemmungen und Erdrutsche. Sie stellen gleichzeitig integrale Komponenten des Globalen Klimasystems dar, indem sie feuchte Luftmassen über große Entfernungen hinweg transportieren und die mächtigsten Niederschlagssysteme der Erde speisen. Trotz ihrer Bedeutung sind die Monsune noch nicht vollständig verstanden, insbesondere hinsichtlich globaler Erwärmung, und Klimamodelle müssen verbessert werden, um dieses Problem zu lösen. ... mehrUm die Verbesserung von Klimamodellen zu unterstützen und das Verständnis der Monsundynamik in Südostasien zu vertiefen, fokussiert Teil 1 dieser Thesis auf die Generierung hochqualitativer Paläodaten aus zwei Stalagmiten aus zwei Höhlen in Nordvietnam, innerhalb der Übergangszone zwischen dem Indischen Sommermonsun (ISM) und dem Ostasiatischen Sommermonsun (EASM), aus welcher Paläodaten immer noch kaum vorhanden sind. Für die Rekonstruktion der lokalen und regionalen Klimabedingungen während der letzten 8.000 Jahre des Holozäns und während des Übergangs von dem Heinrich Stadial 1 zu der Bølling-Allerød Warmphase (16.2 – 13.4 ka BP) wird in dieser Thesis ein Multiproxyansatz angewendet, welcher die stabilen Isotope von Sauerstoff und Kohlenstoff, Spurenelemente sowie Kristallmorphologie-Typen kombiniert, in Verbindung mit einem Multiparameter-Monitoring der heutigen Höhlenumgebung. Die Ergebnisse spiegeln die Variabilität des Asiatischen Sommermonsuns (ASM) innerhalb der Übergangszone zwischen ISM und EASM auf sub-orbitaler Zeitskala bis zur Zeitskala von Jahrhunderten wider, in Übereinstimmung mit veröffentlichten Proxyaufzeichnungen aus Stalagmiten, anderen Umweltarchiven sowie Ergebnissen von Modellsimulationen. Die Multiproxyergebnisse werden vorrangig im Sinne von lokaler bis supra-regionaler Wasserverfügbarkeit und atmosphärischer Zirkulation interpretiert und unterstreichen die Bedeutung des ISM als Initiator des berühmten und kontrovers diskutierten δ18O-Signals in chinesischen Stalagmiten. Unter Berücksichtigung der neuen Multiproxy-Paläodaten scheint der Mechanismus des luvseitigen Ausregnens (upstream rainout mechanism) der wichtigste Prozess zu sein, welcher das supra-regionale Muster von Stalagmit-basierten δ18O-Aufzeichnungen erschafft, welches in den letzten zehn Jahren zutage getreten ist. Zudem wird basierend auf diesen neuen Daten die Hypothese aufgestellt, dass der Niederschlag, der die chinesischen Stalagmiten gebildet hat, einen signifikanten Anteil an isotopisch schwerem Regen hat, welcher sich wahrscheinlich aus einer nähergelegenen Quelle speist, etwa aus dem Chinesischen Meer. Die neuen Daten zu Kohlenstoffisotopen und Spurenelementen spiegeln lokale Schwankungen in der Wasserverfügbarkeit wider, sowie Ereignisse besonders hoher Infiltration und/oder Höhlenüberflutungen, welche damit in dieser Region zum ersten Mal rekonstruiert werden. Die Interpretation von Proxysignalen aus Speläothemen, wie in Teil 1 dieser Thesis durchgeführt, kann vereinfacht und verbessert werden, indem die heutigen Umwelt-Rahmenbedingungen in Bezug auf die Speläothembildung an dem jeweiligen Untersuchungsort in mehrjährigen Monitoring-Studien untersucht werden. Von besonderem Interesse ist hierbei die isotopische und geochemische Zusammensetzung des Tropfwassers, welches die Speläotheme bildet, die für die Generierung der geochemischen Zeitreihen aus Paläodaten verwendet werden. Um die fundamentale Verknüpfung zwischen Veränderungen dieser Proxysignale im Tropfwasser und den entsprechenden Schwankungen in deren natürlichen Auslösern wie etwa Niederschlag und Höhlenbelüftung herzustellen, müssen Tropfwässer über mehrere Monate bis Jahre wiederholt beprobt werden. Die wiederholte händische Tropfwasserbeprobung ist jedoch nicht nur zeitaufwänding, sondern auch teuer und logistisch anspruchsvoll, vor allem in weit entlegenen Gebieten mit schlechter oder ohne Infrastruktur – in denen sich die meisten Karsthöhlen befinden. Da dieses Problem nur durch Automatisierung gelöst werden kann, wurden im Rahmen dieser Thesis zwei automatische Tropfwasser-Probenehmer entwickelt, sie werden in Teil II dargestellt und diskutiert. Eine erste erfolgreiche Fallstudie unter Einsatz des zweiten Probenehmer-Prototypen zeigt den technischen Wert des Geräts selbst auf sowie den wissenschaftlichen Nutzen der Daten, die der automatische Probenehmer zugänglich macht. Zum ersten Mal wurde die Beziehung zwischen hochfrequenten Schwankungen der CO2-Konzentration in der Höhlenluft auf Zeitskalen von unter einem Tag und den daraus resultierenden hoch-frequenten Änderungen in den δ13CDIC-Werten (DIC = gelöster anorganischer Kohlenstoff) im Tropfwasser hergestellt und quantifiziert. Diese Beziehung hat wichtige Implikationen für die Speläothemforschung im Allgemeinen und die Interpretation von δ13C-Aufzeichnungen in Speläothemen im Besonderen.
Abstract (englisch):
The Monsoons form an immense and dynamic system that encompasses the entire globe that has profound impacts on almost half of the Earth’s population with regard to water consumption, agriculture, energy and transportation as well as natural disasters such as floodings and land slides. They also represent integral components of the Global Climate System transporting moisture across great distances to drive the most powerful precipitating systems on Earth. In spite of their importance the Monsoons are not yet fully understood, in particular with respect to global warming and climate models need to be improved to solve this issue. ... mehrTo help improve climate models and to deepen the understanding of Monsoon dynamics in Southeast Asia, Part I of this thesis focuses on generating high-quality palaeo-data from two stalagmites from two caves in Northern Vietnam, within the transiton zone between the Indian Summer Monsoon (ISM) and the East Asian Summer Monsoon (EASM) from which palaeodata are still sparse. For reconstructing past local and regional climatic conditions during the last 8,000 years of the Holocene and the transition from Heinrich Stadial 1 to the Bølling-Allerød warm period (16.2 – 13.4 ka BP), this thesis applies a multi-proxy approach combining speleothem stable oxygen and carbon isotopes, trace elements as well as fabric types in conjunction with a multi-parameter monitoring of the present-day cave environment. The results reflect the variability of the Asian Summer Monsoon (ASM) in the ISM/EASM transition zone on sub-orbital to centennial time-scales and are in line with published proxy records from stalagmites, other environmental archives and modelling results. The multi-proxy results are mainly interpreted in terms of local to supra-regional water availability and atmospheric circulation and highlight the importance of the ISM in driving the infamous and controversially discussed δ18O signal in Chinese stalagmites. Considering the new multi-proxy palaeo-data, the upstream rainout mechanism appears to be the most important process in generating the supraregional pattern of stalagmite δ18O records that has emerged over the last decade. Furthermore, based on these new data, the hypothesis is formulated that precipitation feeding the Chinese stalagmites has a significant contribution of isotopically heavy rain, probably originating from a more local source such as the South China Sea. The new carbon isotope and trace element data reflect local variations in water availability as well as events of high infiltration and/or cave flooding that are reconstructed in this region for the first time. The interpretation of speleothem proxy signals as conducted in Part I of this thesis can be both facilitated and improved by investigating the present-day environmental framework of speleothem formation at each specific study site in multi-year monitoring studies. Of particular interest is the isotopic and geochemical composition of the dripwater forming the speleothem utilised for generating geochemical time series from palaeo-data. In order to establish the fundamental linkage between changes in these proxy signals in the dripwater and the corresponding fluctuations in their natural drivers such as rainfall and cave ventilation, dripwaters need to be sampled repeatedly over the course of months to years. But, repeated manual collection of dripwater samples is not only time-consuming but also expensive and logistically challenging, particularly in remote areas with poor or no infrastructure - where most karst caves are located. As this problem can only be solved by automation, two dripwater autosamplers were developed within the framework of this thesis, both are presented and discussed in Part II. A first successful case study applying the second prototype autosampler demonstrates the technical value of the device itself as well as the scientific benefit of the data the autosampler makes accessible. For the first time, the relationship between high-frequency fluctuations in cave air CO2 concentrations on a sub-daily time-scale and the resulting highfrequency variations in dripwater δ13CDIC (DIC = dissolved inorganic carbon) was established and quantified. This relationship has important implications for speleothem science in general and the interpretation of speleothem δ13C records in particular.
