dc.contributor.author
Meisel, Sandra
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:22:02Z
dc.date.available
2011-10-13T11:17:26.145Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/977
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-5179
dc.description.abstract
Die Arbeit befasst sich mit dem Auftrieb vor der zentralnamibischen Küste als
Teil des Benguela Current Large Marine Ecosystem. Das besondere Augenmerk gilt
dabei der Schelfregion. An erster Stelle steht die Auseinandersetzung mit der
Rezentsituation: Ziel ist ein umfassender Einblick in die Dynamik,
Auftriebsmuster und das Nährstoffregime küstennaher Gewässer in ihrem
heutigen Zustand. Die Probenpalette besteht aus Oberflächensedimenten,
Schwebstoffen aus der Wassersäule und hydrographischen Messungen. Vor diesem
Hintergrund widmen wir uns im Anschluss der Klima- und Auftriebsvariabilität
der letzten 5500 Jahre. Die hierzu verwendeten Sedimentkerne (Kern 226620,
Kern 178; Kern NAM1) entstammen dem organikreichen Diatommenschlammgürtel vom
inneren, zentralnamibischen Schelf. Einen großen Teil unseres Wissens über
das Nährstoffregime inklusive ozeanographischer Randbedingungen beziehen wir
aus der Stickstoffisotopensignatur (δ15N) in organischem Material.
Dementsprechend war es uns ein Anliegen, potentiellen Veränderungen des δ15N-
Signals als Folge der Probenaufbereitung auf den Grund zu gehen und
herauszufinden, welche Aufbereitungsart die geeignetste Grundlage für unsere
Untersuchungen darstellt.Hierzu wurde jede Probe drei verschiedenen
Aufbereitungsarten unterzogen. Zu Vergleichszwecken liegt der ersten Messserie
(MS-1) unbehandeltes Sediment zugrunde. Für MS-2 wurde das Sediment vor der
Messung mit destilliertem Wasser gespült. MS-3 basiert auf gesäuertem und
gespültem Material, während für MS-4 zwar gesäuert, allerdings auf das
anschließende Spülen verzichtet wurde. Wie unsere Daten zeigen, hat der
Waschvorgang substanzielle Veränderungen im δ15N-Signal zur Folge, unabhängig
davon, ob zusätzlich gesäuert wurde (MS-3) oder nicht (MS-2). Die
Corg/N-Verhältnisse reagieren stattdessen nur auf eine Kombination aus Säuern
und anschließendem Waschen (MS-3). Die teils dramatischen Unterschiede in den
Kurvenverläufen von δ15N als auch Corg/N werden auf den Einfluss von Ammonium
(NH4+) zurückgeführt. Folgende Prozesse sind hierbei von Relevanz: Während
des Trocknens kommt es zum Verlust von NH4+-N in Form von gasförmigem NH3,
wobei 14N gegenüber 15N den Übergang in die Gasphase bevorzugt. Allerdings
sind nur die im Porenwasser gelösten NH4+-Ionen vom Ausgasen und der
Fraktionierung betroffen. Adsorbiertes NH4+ scheint dem Ausgasen gegenüber
immun. Die Adsorption erfolgt an negativ geladenen SiO2-Partikeln (präsent in
Form von Diatomeenschalen). Dabei führt ein Anstieg des pH-Werts im
Porenwasser zu einer Erhöhung der negativen Oberflächenspannung und somit
Adsorptionskapazität von SiO2. Grund für einen pH-Anstieg ist ein höherer
Karbonatanteil im Sediment. Unsere Beobachtungen stellen die Verlässlichkeit
von Corg/N and δ15N-Daten aus unbehandeltem Sediment sehr in Frage. MS-1
täuscht Fluktuationen von Corg/N und δ15N vor, die – statt von veränderten
Umweltbedingungen zu zeugen – auf unkontrolliertes und variables Ausgasen von
NH3 zurückzuführen sind. Das Beisein von Ammonium erweist sich
augenscheinlich als hoch problematisch. Da organikreiche und anoxische
Sedimente Vorkommen und Erhalt von NH4+ begünstigen, empfiehlt es sich von
der Verwendung unbehandelten Diatomeenschlamms (MS-1) abzusehen und
stattdessen das Sediment vorab zu säuern und zu spülen (MS-3). Hierdurch
scheint der irreführende Einfluss von NH4+-Ausgasen und -Fraktionierung auf
Corg/N and δ15N beseitigt. Im Mittelpunkt der Rezentuntersuchung steht der
Vergleich von δ15N in suspendiertem partikulärem Material (δ15NSPM) mit dem
darunterliegenden Sediment (δ15NSediment). Wassersäulenprofile sollen zudem
Aufschluss über Veränderungen des δ15NSPM-Signals mit zunehmender Tiefe geben
und Offsets zwischen δ15NSPM und δ15NSediment erklären. Das Studium von δ15N-
Signalen in Sedimenten und Schwebstoffen in Kombination mit Temperatur- und
Produktivitätsproxies liefert wertvolle Hinweise auf das Zustandekommen und
die Anwendbarkeit von δ15N zu Zeiten, da der direkte Einblick in die
Wassersäule fehlt. Die höchsten δ15N-Signale befinden sich in Küstennähe, wo
die Oberflächentemperaturen am niedrigsten sind. Gleichzeitig geringe
Sauerstoff- und Nitratkonzentrationen im Bodenwasser lassen auf den Auftrieb
denitrifizierten Nitrats schließen. Mit zunehmender Entfernung zur Küste
sinken die δ15N-Signale und erreichen ein Minimum über der Schelfkante. Hier
kommt es zur Trendwende und entsprechend dem „normalen“ Verlauf steigen die
δ15N-Werte nun gen Westen. Die westwärtige Abnahme von δ15N widerspricht dem
Konzept der Rayleigh-Fraktionierung, d.h. der kontinuierlichen Anreicherung
von 15N-NO3- entlang des Strömungspfades infolge sukzessiver Nitratzehrung.
Interessanterweise entsprechen die Beobachtungen exakt dem Trend, den man für
δ15NNitrat im Bodenwasser erwarten würde. Dies gibt Anlass zu der Vermutung,
dass über weiten Teilen des Schelfs eine direkte Versorgung der photischen
Zone mit Bodenwassernitrat stattfindet. Als Ursache wird intensive vertikale
Durchmischung der relativ seichten Schelfgewässer diskutiert. Die
Durchmischung scheint stark genug, um tiefere, nährstoffreiche Wassermassen
anzuzapfen und auf diese Weise der Nährstoffzehrung entgegenzuwirken. Eine
zweite Auftriebsfront an der Schelfkante stellt ein Alternativszenario dar,
wobei die Kombination beider Prozesse hinter dem unerwarteten δ15N-Verlauf als
wahrscheinlich anzunehmen ist. Das komplizierte Zusammenspiel
nährstoffrelevanter und ozeanographischer Prozesse muss bei der folgenden
Interpretation von δ15N-Schwankungen entlang der Kernprofile berücksichtigt
werden. Hintergrund der Untersuchung an den Sedimentkernen ist die Frage des
Einflusses holozäner Klimaschwankungen auf das Auftriebsgeschehen und
Nährstoffregime. Von der Klimasensitivität des Systems in der Vergangenheit
erhoffen wir uns eine klarere Vorstellung dessen, womit infolge des
gegenwärtigen Klimawandels zu rechnen ist. Die Auflösung der Kerne reicht von
multi-dekadisch (NAM1) über hundert- (Kern 178) bis tausendjährig (Kern
226620). Dabei setzen die ältesten Daten in etwa 5500 Jahre vor heute ein. Die
Untersuchung fußt auf Nährstoff- (δ15N, δ13C) und Produktivitätsproxies
(Akkumulationsraten von organischem Kohlenstoff; ARTOC). Rekonstruktionen der
Temperaturen im Oberflächenwasser (Alkenon-basierte SST; sea surface
temperature) und unterhalb der durchmischten Schicht (Tδ18O; anhand
planktischer Foraminiferen) spiegeln die physikalischen Randbedingungen wider.
Den δ15N-Schwankungen zufolge, sind die Auftriebswässer seit Ausbildung der
modernen Schelfzirkulation mehr oder weniger denitrifiziert. Im Mittel zeigen
alle Proxyindikatoren Werte, die der Rezentsituation sehr nahe kommen. Dennoch
gab es eine Reihe mehr oder wenig heftiger Fluktuationen im Laufe des
mittleren und späten Holozän und wie der sorgfältige Vergleich mit Datenserien
verschiedentlicher Herkunft zeigt (vom südafrikanischen Subkontinent,
Südost- und Nordatlantik), ist deren Ursache oft nicht rein lokaler Natur.
Charakter und Eigenschaft des namibischen Auftriebs scheinen sowohl auf
Veränderungen der Windsysteme als auch der thermohalinen Zirkulation zu
reagieren. Die Kombination von SST- und Tδ18O-Daten erwies sich als äußerst
nützlich, um zwischen dem Einfluss der Atmosphäre und des Ozeans hinsichtlich
Transport und Ursache der Klimaschwankungen zu unterscheiden. SST-Signale sind
primär von der Intensität der Passatwinde abhängig. Tδ18O zeichnet hingegen
Temperaturschwankungen im Auftriebswasser auf und korreliert dabei häufig mit
der Geschwindigkeit der ozeanischen Förderbands aufgrund variablen Eintrags
von warmem Agulhaswasser aus dem Indik. Ganz offensichtlich schlagen sich
Veränderungen der thermohalinen Zirkulation neben der Temperatur auch im
Nährstoffgehalt des Auftriebswassers nieder. Abrupte Schwankungen der
thermohalinen Zirkulation haben global unterschiedliche Konsequenzen und oft
sind die zu erwarteten Auswirkungen auf eine bestimmte Region noch reine
Spekulation. Eine als Folge des anthropogenen Klimawandels diskutierte
Verlangsamung der Tiefenwasserproduktion könnte sinkende Nährstoffgehalte im
Auftriebswasser verursachen und sich dementsprechend nachteilig auf die
Primärproduktion und das Benguela-Ökosystem als Ganzes auswirken.
de
dc.description.abstract
Our investigation deals with the central Namibian upwelling within the
Benguela Current Large Marine Ecosystem with particular emphasis on the shelf
region. First, we are concentrating on the modern situation, deepening our
understanding of today’s dynamics above the central Namibian shelf. The
investigation is based on an extensive compilation of surface sediments and
suspended particulate matter collected along with hydrographic data. Against
this background the variability in upwelling and nutrient dynamics since the
middle Holocene is examined by means of three sediment cores from the
diatomaceous muds coating the inner shelf up to 150 m depth. Our main insight
into the nutrient dynamics and oceanographic features comes from nitrogen
isotope ratios (δ15N) in organic matter. It was, therefore, in our very
interest to investigate the deceptive influence of sample preparation on the
original δ15N-signal. We compared the effects of common processing methods in
order to establish which can be most trusted with respect to the central
Namibian shelf sediments. Each sample was subjected to three common types of
pre-analysis processing methods. For comparative purposes, the first
measurement series (MS-1) was carried out on untreated sediment. In MS-2, the
sediment was rinsed with distilled water. In MS-3, analyses were carried out
on decalcified and rinsed material, in MS-4 the samples were decalcified
without being subsequently washed. Rinsing, irrespective of whether
acidification was included (MS-3) or not (MS-2), induced substantial
modifications in δ15N compared to untreated sample splits (MS-1). Molar Corg/N
ratios, on the other hand, were only affected by a combination of
acidification and rinsing (MS-3). Our findings provide strong evidence of
ammonium (NH4+) being responsible for the discrepancies observed. Firstly,
nitrogen isotopes fractionate during NH4+-volatilisation in the heating oven,
where the sediment is put to desiccate. Thereby, 14N accumulates in gaseous
NH3, thus leaving 15N-enriched NH4+ behind. Secondly, outgassing and
concomitant fractionation only concerns NH4+-ions dissolved in the
interstitial waters of the sediment; NH4+-ions adsorbed to negatively-charged
SiO2-surfaces (in the form of diatom frustrules) escape both the outgassing
and fractionation and remain unaffected. Finally, the surface charge and, with
it, adsorption capacity of SiO2 increases with increasing pH of the pore
water, hence with increasing carbonate content. Taken together, our findings
raise serious doubts about whether untreated sediment (MS-1) can provide
reliable Corg/N and δ15N-records in case that NH4+ is involved. This is
because variations in [Corg/N]untreated and δ15Nuntreated may result from a
misleading influence of NH4+, not necessarily having any nutrient-related
background. We conclude that excessive confidence in MS-1 is inappropriate
with respect to organic-rich and anoxic deposits, such as the northern
Benguela shelf sediments, where NH4+ is abundantly produced and easily
preserved. It is recommended that NH4 \+ (both adsorbed and dissolved) be
removed prior to measuring Corg/N and δ15N. This seems to be done best by a
combination of acidification and subsequent rinsing (MS-3). In order to
investigate today’s functioning of the coastal upwelling we compare δ15N-
records in surface sediments (δ15Nsediment) from the central Namibian shelf
with suspended particulate matter (δ15NSPM) from the surface ocean. Water
column profiles provide an insight into changes of δ15NSPM with depth and
elucidate potential offsets between δ15NSPM and δ15Nsediment. Investigating
spatial and vertical changes in δ15N along with temperature and productivity
records (e.g. organic carbon and nitrogen contents), and combining data from
sediments and suspended matter holds valuable clues to the principle controls
on the δ15N-signal. Highest δ15N-signatures are found right off the coast
where water temperatures are lowest. This, together with pronounced nitrate
deficits in coastal proximity and oxygen depletion in the bottom waters
suggests the upwelling of denitrified source waters. With increasing distance
offshore, δ15N declines unexpectedly, reaching a minimum above the shelf
break. Beyond that, the trend reverses to “normal” with δ15N-signals
continuously increasing towards the mesopelagic ocean. The decrease in
δ15Nsediment and surface ocean δ15NSPM with increasing distance to the coast
disagrees with the concept of Rayleigh fractionation kinetics, viz. the
progressive 15N-enrichment of the nitrate pool as it is gradually used up by
phytoplankton growth. Interestingly, the oceanward decline in δ15N represents
an exact copy of the trend bottom water δ15Nnitrate is expected to perform.
Apparently, bottom nitrate somehow supports primary production in the photic
zone over large areas of the continental shelf. An obvious explanation is that
the penetration of wind- and wave-induced mixing is so deep as to tap the
varyingly denitrified, subsurface waters. Nutrient replenishment via a second
upwelling front at the shelf break represents an alternative scenario that
might account for the unanticipated δ15N-gradient. Both mechanisms are
considered capable of working against the expected nutrient drawdown (i.e.
15N-enrichment) as surface waters travel offshore. The results help to
evaluate the applicability of δ15Nsediment as a proxy of past nitrogen
cycling, proving particularly useful when it comes to interpreting
δ15Nsediment-fluctuations in the sediment cores. The cores document climate
variability in the northern Benguela Upwelling back to 500 BP with resolutions
ranging from multi-decadal (NAM1) over centennial (core 178) to millennial
scale (core 226620). One of the key objectives was to examine the impact of
past climate fluctuations on the system in order to assess its vulnerability
to climate forcing and to gain a better understanding of what the system may
await in the future. The study rests on nutrient (δ15N, δ13C) and productivity
proxies (accumulation rates of total organic carbon; ARTOC). Reconstructed sea
surface temperatures (alkenone-derived SST) and temperatures at subsurface
depths (Tδ18O; based on foraminiferal calcite) reflect the physical boundary
conditions. δ15N-records indicate that denitrification seems to have prevailed
since the modern shelf circulation system has established. Although the median
values of the proxy indicators lie within today’s range, the northern Benguela
experienced pronounced and rapid perturbations during the middle and late
Holocene, and apparently, not all are purely local in character. Properties
and functioning of the northern Benguela system seem to be intimately linked
to changes in both atmospheric circulation features and the thermohaline
overturn. In this regard, the combined analysis of SST and Tδ18O proved a
useful tool in order to differentiate between climate signals transferred by
the ocean or the atmosphere. SSTs are primarily controlled by the intensity of
atmospheric circulation features, reflecting changes of upwelling-favourable
winds. Tδ18O records the temperature of the source water and often correlates
with global ocean conveyor speed due to varying inputs of warm Agulhas Water.
Besides that, it seems as though conveyor slowdown or acceleration not only
affected the temperature of the source water but also its nutrient content.
Predictions concerning region-specific consequences of abrupt changes in NADW-
production are still highly speculative. As regards the Benguela system, a
severe slowdown of the ocean conveyor may have adverse effects on primary
production and the ecosystem as a whole due to deteriorating amounts of
nutrients in the source waters.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Benguela Current
dc.subject
denitrification
dc.subject
climate forcing
dc.subject
nitrogen, carbon isotopes
dc.subject
nutrient utilisation
dc.subject
sample treatment
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::500 Naturwissenschaften
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::556 Geowissenschaften Afrikas
dc.title
Reaktion des Auftriebsökosystems vor Namibia auf Klimaschwankungen im späten
Holozän im Vergleich mit der Rezentsituation
dc.contributor.contact
sansche_morna@yahoo.com
dc.contributor.firstReferee
PD Dr. Ulrich Struck
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Christoph Heubeck
dc.date.accepted
2011-06-07
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000023788-0
dc.title.translated
The effects of late Holocene climatic fluctuations on the coastal upwelling
system off Namibia in comparison with the modern situation
en
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000023788
refubium.mycore.derivateId
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