In the Arctic Ocean, the cold and relatively fresh water beneath the sea ice is separated from the underlying warmer and saltier Atlantic Layer by a halocline. Ongoing sea ice loss and warming in

In the Arctic Ocean, the cold and relatively fresh water beneath the sea ice is separated from the underlying warmer and saltier Atlantic Layer by a halocline. Ongoing sea ice loss and warming in the Arctic Ocean 1–7 have demonstrated the instability of the halocline, with implications for further sea ice loss. The stability of the halocline through past climate variations 8–10 is unclear. Here we estimate intermediate water temperatures over the past 50,000 years from the Mg/Ca and Sr/Ca values of ostracods from 31 Arctic sediment cores. From about 50 to 11 kyr ago, the central Arctic Basin from 1,000 to 2,500 m was occupied by a water mass we call Glacial Arctic Intermediate Water. This water mass was 1–2 C warmer than modern Arctic Intermediate Water, with temperatures peaking during or just before millennial-scale Heinrich cold events and the Younger Dryas cold interval. We use numerical modelling to show that the intermediate depth warming could result from the expected decrease in the flux of fresh water to the Arctic Ocean during glacial conditions, which would cause the halocline to deepen and push the warm Atlantic Layer into intermediate depths. Although not modelled, the reduced formation of cold, deep waters due to the exposure of the Arctic continental shelf could also contribute to the intermediate depth warming.

Our study of deep Arctic Ocean temperature variability during the last glacialinterglacial cycle focuses on sediment cores from Arctic submarine ridges (Lomonosov, Gakkel and Mendeleev), Nansen and Makarov abyssal plains, Yermak Plateau and Morris Jesup Rise, Laptev Sea Slope, Chukchi Shelf and the Iceland Plateau in the central Nordic seas (Greenland, Norwegian and Iceland seas; Fig. 1a and Supplementary Information). Modern Arctic water masses in these regions (Fig. 1b) consist of cold, low-salinity water from the Polar Mixed Layer that is separated from the underlying warm Atlantic Layer by a strong halocline. Atlantic water enters the Arctic Basin in two branches, one through the Fram Strait and the other through the Barents Sea 11,12. The inflowing Atlantic water is entrained with water formed along the margins to form Arctic Intermediate Water (AIW), which lies above Eurasian and Amerasian Basin Deep Water (Fig. 1b). The results presented here show that the central Arctic Basin at depths occupied by today's AIW and upper Eurasian Basin Deep Water and Amerasian Basin Deep Water experienced temperature variability during the last glacial period and, to a lesser degree, the Holocene interglacial, signifying large changes in circulation in Arctic and subarctic seas and variability in halocline depth.

To reconstruct Arctic bottom water temperature (BWT), we used Mg/Ca palaeothermometry of the deep-sea ostracod (Crustacea) Krithe glacialis 13 from cores between 250 and 3,500 m water depth (Supplementary Fig. S3 and Methods). Both field and laboratory studies show a temperature dependence of Mg/Ca ratios in marine ostracods, which secrete their shells from ambient water during the moulting process. The Arctic is supersaturated with respect to calcite ( > 1:25) at our core depths and there is no evidence for post-mortem shell dissolution. Moreover, unlike some deep-sea benthic foraminifers, ostracod Mg/Ca ratios are not influenced by a carbonate ion effect in the Arctic and North Atlantic oceans 14. In addition to the observed Mg/Catemperature relationship, the within-shell inverse relationship between Mg=CaKg and Sr=CaKg found throughout the ArcticNordic seas (Supplementary Fig. S3, r 2 D 0:5) has also been recognized in shells cultured in laboratory experiments 15, supporting a temperature control on metal ratios.

The contrast between mean Mg/Ca-based temperature for Holocene (11.7-0 kyr bp), Marine oxygen isotope stage 3 (MIS3) Glacial Arctic Intermediate Water (GAIW; 2550 kyr bp) and the modern central Arctic is shown in Fig. 2. The highest BWTs (24 C, Mg=CaKg values 1320 mmol mol 1) come from MIS3 samples (blue curve, Fig. 2) concentrated at depths 1,0002,400 m and are 1+-3 1:0 C warmer (Mg=CaKg values 16 mmol mol 1 higher) than both Holocene temperatures from the same or nearby core sites (red curve, Fig. 2) and modern central Arctic conductivitytemperaturedepth temperatures (black curve). In contrast, BWT values from Arctic sites below 3,000 m water depth show no discernible difference between MIS3 and Holocene values. MIS3 Mg=CaKm (K. minima) values are available from fewer intermediate depth sites, but the pattern is nonetheless similar to that for K. glacialis (Supplementary Fig. S4).

To examine temporal variability in BWT in more detail, composite records of Mg=CaKg, Mg=CaKrithe (both species) and Sr=CaKrithe were constructed from 28 cores located within a relatively small region of the central Arctic Ocean (Fig. 3). Mg/Ca records for individual cores show the same general patterns as the composite record, although there is regional variability in the amplitude of the Mg/Ca oscillations (Supplementary Fig. S5). Also plotted in Fig. 3 is the Mg/Ca curve from the Iceland Plateau core PS1243 located at 2,710 m water depth. It should be noted that minimal sediment was deposited in the central Arctic during the Last Glacial Maximum (LGM) owing to extensive ice cover 16 in contrast to the continuous sedimentation at site PS1243. The North Greenland Ice Core Project (NGRIP) ice core 18 O record is also shown to allow comparison with millennial climate variability associated with DansgaardOeschger (DO213) and Heinrich (H15) events.

The central Arctic Mg=CaKg and Mg=CaKrithe curves show a pattern of oscillating Mg/Ca values during MIS3, higher values around the LGMH1 interval (2318 kyr bp), sharply decreasing values during the last deglaciation and lower but still variable values during the Holocene. The Sr=CaKrithe curve follows a similar pattern but generally opposite in sign. The Iceland Plateau core PS1243 Mg=CaKrithe curve shows a first-order pattern similar to that from the central Arctic with higher MIS3 and LGM and lower Holocene values, suggesting a common water mass history for the Nordic seas and Arctic Ocean.

Positive Mg=CaKrithe excursions in the central Arctic centred on 47, 39, 30, 24 and 18 kyr bp indicate that the temperature in GAIW oscillated from <0 to as high as 3 C during this period. Although low Arctic sedimentation rates and radiocarbon age uncertainty, especially before 40 kyr bp, prevent precise correlation to DansgaardOeschger and Heinrich events seen in the NGRIP record, the warmest BWT values are observed during H1 and H2 (18 and 24 kyr bp), which are well dated in Arctic sediments. Warming during cool climate events is also indicated by the positive excursions in the Mg=CaKg and Mg=CaKrithe during the Younger Dryas (YD, 12.811.7 kyr bp) when BWT was 0.52 C warmer than those during the preceding BøllingAllerød and succeeding early Holocene warming. Smaller warming events of 0.51 C punctuated the last 11 kyr of the Holocene interglacial, including two closely spaced excursions near the well-known 8.2 kyr bp event, a pattern seen in high-resolution climate records 17.

Intermediate depth warming events in the Norwegian Greenland seas have been proposed for glacial periods based on benthic foraminiferal isotopes, warm-water benthic species and high-productivity events 1820 from various sites. These might be attributed to release of fresh water during Heinrich events, the development of a strong halocline and extensive sea ice in the Nordic seas, and reduced outflow from the Nordic seas 21. Alternative hypotheses to explain low benthic foraminiferal isotope values, and palaeoceanographic events at least for H1 and the YD, include freshwater inflow, sea-ice formation, weakened meridional overturning circulation 22, brine formation in the North Atlantic and Nordic seas near the IcelandFaroes Ridge 23 and hyperpycnal injection of sediment-rich fresh water in the subpolar North Atlantic 24. Using Mg/Ca as a temperature proxy eliminates the ambiguity of oxygen and carbon isotope records and confirms the periodic presence of a warm intermediatedeep water mass throughout the central Arctic Ocean and the Nordic seas. We cannot totally rule out brine formation or hyperpycnal flows near the shelf-marginal regions of the Nordic seassubpolar North Atlantic Ocean at times during millennial-scale climate events.

Nonetheless, the boundary conditions in the central Arctic Ocean during MIS3 were conducive for a warm water mass to repeatedly fill the central Arctic Basin at depths of 1,0002,500 m. These conditions included a smaller, more restricted ocean due to lower sea level by 50120 m, a closed Bering Strait, thick but temporally variable sea-ice cover 25 and ice shelves 26, reduced convective formation of cold deep water in the Nordic seas, and minimal brine formation in the Arctic Ocean proper since 50 kyr bp (ref. 27). The upper depth limit of this warmer water mass is not yet known owing to a lack of cores from the 300 to 1,000 m depth interval.

One mechanism that might force the warmer Atlantic water deeper in the Arctic during MIS3 than during the Holocene involves the formation of a deeper and thicker halocline. Freshwater influx from rivers and wind-induced vertical mixing influence the depth of the modern halocline and cool the Atlantic Layer during its path along the Arctic continental slopes and ridges. However, less freshwater influx to the Arctic Ocean is expected during the reduced hydrological cycle of a stadial or glacial climate state, causing the halocline to deepen. In addition, more extensive sea-ice cover during MIS3 than during the Holocene, a lower sea level and smaller continental shelf area all serve to reduce the potential for formation of cold deep water through brines. Such a situation was proposed for MIS6 (140 kyr) when thick ice shelves occupied parts of the central Arctic Ocean 26.

This mechanism is supported by modelling of the impact of freshwater influx on thermohaline circulation in a silled basin such as the Arctic, which suggests that circulation with a salinitydominated stratification may have two qualitatively different modes of operation 28, (see Supplementary Information). In a mixing-limited regime, such as the Holocene, the upper layer is shallower than the sill, which is the GreenlandScotland Ridge in this case, and the flow strength decreases with increasing density difference. In contrast, in an over-mixed regime during a stadial-glacial climate, the upper layer extends below the sill and the flow strength increases with density difference. The frequent temperature oscillations shown in Fig. 3 support the idea of two distinct kinds of circulation in the Arctic Ocean. It should be emphasized that we cannot fully ascertain whether the warming of the GAIW resulted from a deepening of the halocline or from a reduced production of cold deep water as a consequence of smaller shelf area. Regardless of the mechanism, our results imply that the Arctic Ocean was extremely sensitive at least indirectly to freshwater flux in high-latitude Northern Hemisphere oceans during the last glacial and deglacial periods, and to a lesser extent, during low-amplitude climate changes of the Holocene interglacial.

Methods

Ostracod shells were brush-picked from the >150 m dry fraction and assigned a preservation index ranging from 1 (transparent) to 7 (opaque, white; ref. 15). Shells of ArcticNordic species Krithe glacialis and K. minima were soaked in 5% NaOCl for 1624 h to oxidize organic matter and remove adhering particles. Shells were triple-rinsed in deionized water, inspected under a light microscope for the remaining adhering particles and twice more rinsed with deionized water under light sonication. The shells were then dissolved in 330 ml of 0.05 N nitric acid and the resulting aqueous solution was analysed for Mg, Sr and Ca on a Fisons Instruments Spectraspan 7 direct current plasma atomic emission spectrometer at Duke University using ultrapure plasma-grade standard solutions. Analytical precision is approximately 2% based on replicate analysis of samples and standards. The Mg/Ca-temperature relationship for K. glacialis is based on ArcticNordic seas core-top material from 50 sites (503,500 m water depth, temperatures from 1:6 to 1 C) and is expressed in the equation

В Северном Ледовитом океане, холодный и относительно пресной воды под поверхностью морского льда отделяется от основной теплее и соленая Атлантического слой, галоклина. Текущая потеря морского льда и потепление в Северном Ледовитом океане 1-7 продемонстрировали неустойчивость галоклина, с соответствующими последствиями для дальнейшей потери морского льда. Стабильность галоклина через последние изменений климата 8-10 непонятно. Здесь мы оцениваем промежуточные температуры воды за последние 50 000 лет со Mg / Ca и Sr значений / CA остракод из 31 арктических ядер осадка. Начиная примерно с 50 до 11 кир назад, центральной части Арктического бассейна от 1000 до 2500 м была оккупирована водной массы, которую мы называем Ледниковый Arctic промежуточные воды. Эта масса воды составляла 1-2 C теплее, чем современный Арктики промежуточных вод, с температурой пиком во время или непосредственно перед тысячелетним масштаб Генрих холодных событий и младший Огуаз холодной интервала. Мы используем численное моделирование, чтобы показать, что промежуточный потепление глубина может привести от ожидаемого снижения потока пресной воды в Северном Ледовитом океане во время ледниковых условиях, что приведет к галоклин углубить и нажмите теплых атлантических слоя в средних глубинах. Хотя не моделируется, снижает образование холодных глубинных вод из-за воздействия на арктическом континентальном шельфе может также способствовать промежуточного отогрева глубины.

Наше исследование глубокой изменчивости температуры Северного Ледовитого океана во время последнего ледникового межледниковых цикла фокусируется на донных отложений из Арктики подводных хребтов (Ломоносов, Я. Я. Гаккель и Менделеева), Нансена и Макарова глубинных равнинах, Ермак плато и Моррис Джесап расти, море Лаптевых склоне, чукчи шельфа и Исландия плато в центральной Северной морей (Гренландия, Норвегии и Исландии моря; рис. 1а и дополнительной информации). Современные арктические массы воды в этих регионах (рис. 1б) состоит из холодного, низкой солености воды из полярного перемешанного слоя, которая отделена от основной теплого атлантического слоя сильным галоклина. Atlantic вода поступает в Арктический бассейн на две ветви, одна через пролив Фрама и другие через Баренцево море 11,12. Поступающего атлантических вод увлекается водой образуется по краям, чтобы сформировать в Арктике промежуточных вод (AIW), который находится выше Евразии и Амеразийского бассейна Deep Water (рис. 1б). Представленные здесь результаты показывают, что центральной части Арктического бассейна на глубинах, занятых сегодня AIW и верхняя Евразийского бассейна Deep Water и Амеразийского бассейна Deep Water испытал изменчивость температуры во время последнего ледникового периода, и, в меньшей степени, межледниковья голоцена, показывая большие изменения в распространение в арктических и субарктических морей и изменчивость в галоклина глубины.

Для восстановления Arctic температуры придонных вод (BWT), мы использовали Mg / Ca palaeothermometry глубоководной морской остракод (Crustacea) Krithe glacialis 13 из ядер между 250 и 3500 м глубины воды (Дополнительный рис. S3 и методы). Оба полевые и лабораторные исследования показывают температурную зависимость коэффициентов Mg / Ca в морских остракод, которые выделяют их раковины из окружающей среды воды в процессе линьки. Арктика перенасыщена кальцита (?> 1:25) на основных глубины и нет никаких доказательств посмертного оболочки растворения. Кроме того, в отличие от некоторых глубоководных бентосных фораминифер, остракод Mg / Ca отношения не зависят от карбоната ионным эффектом в Арктике и Северной Атлантике океанов 14. В дополнение к наблюдаемой Mg / Ca температурной зависимости, в скорлупе обратная зависимость между Mg = CaKg и Sr = CaKg найти по всему арктических морей Северной (Дополнительный рис S3, R 2 D 0: 5.) Также были признаны в оболочках культивировали в лабораторных экспериментах 15, поддерживая температурный контроль соотношения металлов.

Контраст между средним Mg / Ca основе температуре в течение голоцена (11.7-0 кир б.п.), морской стадии изотопа кислорода 3 (MIS3) Ледниковый Arctic промежуточные воды (GAIW; 25 50 кир АД) и современной центральной Арктики показана на рис. 2. Высшим ЛОВ (2 4 C, значения Mg = CaKg 13 20 ммоль моль 1) приходят из образцов MIS3 (синяя кривая, рис 2). Сосредоточена на глубине 1000 2400 м и 1 + -3 1: 0 C теплые (Mg = CaKg значения 1 6 ммоль моль 1 выше), чем как голоцена температурах от одних и тех же или соседних основных сайтов (красная кривая, рис. 2), и современный центральной части Северного Ледовитого температуры по глубине температура проводимость (черная кривая). В отличие от этого, значения BWT из арктических сайтов, приведенные ниже 3000 м глубины воды не показывают существенной разницы между MIS3 и голоцена ценностей. MIS3 Mg = CaKm (К. минимумы) значения доступны из меньшего количества промежуточных сайтов глубины, но картина, тем не менее похожи на что К. glacialis (Дополнительный рис. S4).

Для изучения временной изменчивости в ЛОВ более подробно, композитные записи MG = CaKg, Mg = CaKrithe (обоих видов) и SR = CaKrithe были построены из 28 ядер, расположенных в пределах относительно небольшой области центральной части Северного Ледовитого океана (рис. 3). Mg / Ca записи для отдельных ядер показывают те же общие закономерности, как составной записи, хотя есть региональные различия в амплитуде колебаний Mg / Ca (Дополнительный рис. S5). Также приведены на рис. 3 кривая Mg / Ca из основного PS1243 Исландия плато, расположенного по адресу 2710 м глубины воды. Следует отметить, что минимальное осадок на хранение в центральной арктических течение последнего ледникового максимума (ПЛМ) вследствие обширного ледяного покрова 16, в отличие от непрерывного осаждения на площадке PS1243. Проектная Ice North Greenland (NGRIP) ледяного керна 18 O записи также показали, чтобы сравнение с тысячелетней изменчивости климата, связанного с Dansgaard Ошгер (DO2 13) и Генрих (H1 5) события.

Центральной Арктики Mg = CaKg и Mg = кривые CaKrithe показать образец колеблющейся величины Mg / Ca в течение MIS3, более высокие значения по всему интервалу ЛГМ H1 (23 18 кир ВР), резко снижается значения в течение последнего оледенения и ниже, но все еще значения переменных в течение голоцена. Sr = CaKrithe кривая следующим аналогичной схеме, но в целом противоположны по знаку. Исландия плато ядро ​​PS1243 Mg = CaKrithe кривая показывает образец первого порядка похож на перемещается из центральной Арктики с высшим MIS3 и ЛГМ и нижних голоцена значений, предполагая, общую историю массового воды для северных морей и Северного Ледовитого океана.

Положительные экскурсии Mg = CaKrithe в Центральной Арктике сосредоточено на 47, 39, 30, 24 и 18 кир ВР показывают, что температура в GAIW колебались от <0 до столь же высоко как 3 С в течение этого периода. Хотя низкие арктические скорости седиментации и радиоуглеродный возраст неопределенность, особенно перед 40 КИР б.п., предотвращения точную корреляцию с Dansgaard Oeschger и Генрих событий видели в записи NGRIP самые теплые значения BWT наблюдаются в H1 и H2 (18 и 24 кир б.п.), который хорошо от арктических отложениях. Потепление во время прохладных климатических событий также указывает на позитивные экскурсий в MG = CaKg и Mg = CaKrithe во время позднего дриаса (Ю.Д., 12,8 11,7 кир б.п.), когда BWT было 0,5 2 C теплее, чем во время предыдущего Боллинга Allerød и последующие рано голоцен потепление. Меньшие потепления в 0,5 1 С перемежается Последние 11 КИР межледниковья голоцена, в том числе двух близко расположенных экскурсий рядом с известным 8.2 КИР б.п. случае, шаблон видели в климатических данных 17 с высоким разрешением.

Промежуточные глубина потепления события в Норвежском морях Гренландском были предложены для ледниковых периодов на основе донных фораминифер изотопов, тепловодных видов донных и событий с высокой производительностью 18 20 с различных сайтов. Это может быть связано с высвобождением пресной воды во время Генрих событий, развитие сильного галоклина и обширной морского льда в северных морях, а также снижение оттока из северных морей 21. Альтернативные гипотезы, чтобы объяснить низкие бентоса фораминифер значения изотопов, и palaeoceanographic события, по крайней мере за 1 полугодие и YD, включают в себя приток пресной воды, образование морского льда, ослабленные меридиональный опрокидывания циркуляции 22, образование рассола в Северной Атлантике и Северных морей около Исландии Фарерских островов гряды 23 и hyperpycnal инъекции осадков богатых пресной воды в приполярной Североатлантического 24. Использование Mg / Ca, как температура прокси устраняет неоднозначность записей изотопов кислорода и углерода и подтверждает периодический наличие теплого промежуточного глубокой водной массы всей центральной части Северного Ледовитого океана и Северной морей. Мы не можем полностью исключить из формирование рассола или hyperpycnal течений вблизи шельфовых-маргинальных районов Северных морей Приполярного северной части Атлантического океана на время в течение тысячелетнего масштаба климатических явлений.

Тем не менее, граничные условия в центральной части Северного Ледовитого океана во время MIS3 способствовали за теплый водной массы неоднократно заполнить центральной части Арктического бассейна на глубинах 1000 2500 метров. Эти условия включали меньшие, более ограниченный океан из-за снижения уровня моря на 50 120 м, закрытый Берингов пролив, толстые, но временно переменных ледового покрова 25 и шельфовые ледники 26, снижает образование конвективный холодной глубокой воде в Скандинавских морях, и минимальное образование рассола в Северном Ледовитом океане правильной, так как 50 кир BP (Ref. 27). Верхний предел глубина этой теплой водной массой, пока не известно из-за отсутствия ядер от 300 до 1000 м интервале глубин.

Одним из механизмов, которые могли бы заставить теплого атлантического воду глубже в Арктике во время MIS3, чем в голоцене предполагает формирование более глубокого и тонкого галоклина. Притока пресной воды из рек и ветра, вызванного вертикальное перемешивание влияние глубина современного галоклина и охладить Атлантический слой во время его пути вдоль арктического континентального склонах и горных хребтов. Тем не менее, меньше притока пресной воды в Северном Ледовитом океане ожидается в течение сниженной гидрологического цикла стадиального или ледяной состоянии климата, в результате чего галоклин углубляться. Кроме того, более широкое покрытие морского льда в течение MIS3, чем в голоцене, более низком уровне моря и меньшей континентального шельфа все служат, чтобы уменьшить возможность образования холодной глубокой воды через рассолов. Такая ситуация была предложена для MIS6 (140 кир), когда толстые полки льда заняли части центральной части Северного Ледовитого океана 26.

Этот механизм поддерживается моделирования воздействия притока пресной воды на термоциркуляции в silled бассейна, таких как Арктика, что свидетельствует о циркуляции с salinitydominated стратификации может иметь два качественно различных режимов работы 28 (см ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ). В смесительной ограниченной режима, такие как голоцена, верхний слой мельче, чем подоконник, который является Greenland Шотландия хребет в этом случае, и сила течения уменьшается с ростом разности плотности. В отличие от этого, в течение смешанный режим во время стадиального-лед ной климата, верхний слой проходит ниже порога, и сила потока возрастает с разницей плотности. Частые колебания температуры показана на рис. 3 поддерживают идею двух различных видов обращения в Северном Ледовитом океане. Следует подчеркнуть, что мы не можем в полной мере выяснить, привело ли потепление GAIW из углубления галоклина или из сокращения производства холодного глубокой воде, как следствие меньшей площади шельфа. Независимо от механизма, наши результаты предполагают, что Северный Ледовитый океан был крайне чувствителен по крайней мере косвенно пресной воды поток в высоких широтах Северного полушария океанов в течение последних ледниковых и deglacial периодов, и, в меньшей степени, при низкой амплитуды климатических изменений в голоцен межледниковых.

Методы

Остракод снаряды кисти взял из м сухая фракция> 150 и присваивается индекс сохранение в диапазоне от 1 (прозрачный) до 7 (непрозрачный, белый; ссылка 15).. Корпуса Arctic Nordic видов Krithe glacialis и К. минимумов вымачивали в 5% NaOCl в течение 16 24 ч для окисления органических веществ и удаления прилипших частиц. Корпуса были тройной промывают в деионизированной воде, проверены под световым микроскопом для остальных частиц, прилипших и в два раза больше промывали деионизованной водой при легком ультразвуком. Оболочки затем растворяли в 3 мл 30 0,05 N азотной кислоты и полученный водный раствор анализировали на Mg, Sr и Са на постоянном токе плазмы атомно-эмиссионной спектрометра в Duke University Fisons Instruments Spectraspan 7 с использованием сверхчистых плазменный класса стандартных решений. Аналитический точность около 2% на основе реплик анализа образцов и стандартов. Mg / Ca-температурной зависимости для К. glacialis основан на Arctic Северных морей ядро-топ материала, из 50 участков (глубина 50 3500 м воды, температура от 1: 6 до 1 с) и выражается в уравнении

Дата добавления: 2015-11-04