Grundwasser im Spiegel des historischen Klimawandels
Ein internationales Team mit Beteiligung von Simon Steidle von der Arbeitsgruppe für Quartärforschung am Institut für Geologie der Universität Innsbruck hat mit bisher einzigartiger Genauigkeit die Entwicklung des Grundwassers im Great Basin, USA – eine der trockensten Regionen der Erde – rekonstruiert, und das bis zu 350.000 Jahre in die Vergangenheit. Die Ergebnisse werfen neues Licht auf die Auswirkungen von Klimaveränderungen auf die Wasserversorgung und liefern wichtige Erkenntnisse für die nachhaltige Nutzung von Grundwasserressourcen. Die Studie wurde im Fachmagazin Nature Communications Earth & Environment veröffentlicht.
Das Geolog:innen-Team unter der Leitung von Christoph Spötl untersucht das berühmte Höhlensystem „Devils Hole“ in Nevada bereits seit 2010 – im Rahmen teils spektakulärer Expeditionen. Anhand der Kalzit-Ablagerungen in der Höhle rekonstruierten die Forscher:innen bereits bis mehrere hunderttausend Jahre zurück die Entwicklung des Wasserspiegels in der Höhle. In der aktuellen Studie wurden diese Informationen nun mit einem numerischen Grundwassermodell für diese sehr wasserarme Region verbunden. „Wir verfügen aufgrund unserer umfassenden Beprobungen im Devils Hole über eine Vielzahl von Daten, die Aufschluss über die Entwicklung des Wasserspiegels geben. Durch die Kombination mit Grundwasser-Modellierungen des US Geological Survey können wir nun auch quantitativ anhand der präzisen Daten aus der Höhle Rückschlüsse über die Veränderungen des Niederschlags für die gesamte Region in den letzten 350.000 Jahre ziehen“, erklärt der Geologe Simon Steidle. In Trockengebieten wie im Südwesten der USA kommt dem Niederschlag eine besonders große Bedeutung zu und Grundwasserdaten sind ein Spiegel der Änderung des Hydroklimas. „Die Ergebnisse können für die Erstellung von Wasserbewirtschaftungsstrategien und die nachhaltige Nutzung der Grundwasserressourcen nützlich sein, wenn es etwa darum geht, wie viel Wasser für landwirtschaftliche Zwecke entnommen werden kann.“
Trockenheit erhöht Sensibilität
Die neuen Daten legen nahe, dass die Höhe des Wasserspiegels im Devils Hole während trockener Klimabedingungen in der Vergangenheit drei- bis viermal empfindlicher auf die Neubildung des Grundwassers reagiert hat als zu Zeiten feuchteren Klimas. „Da wir davon ausgehen müssen, dass Trockenheit aufgrund der fortschreitenden Klimakrise künftig noch weiter zunehmen wird, unterstreichen unsere Aussagen, wie sensibel große Grundwasserkörper reagieren und damit die wichtigste Süßwasserressource in diesem Raum der USA verändert wird“, so Steidle. Der minimale Grundwasserspiegel im Devils Hole während des Höhepunkts der Warmzeiten lag nicht mehr als 1,6 Meter unter dem heutigen Niveau, was einem Rückgang der Grundwasserneubildung von weniger als 17 % gegenüber den heutigen Bedingungen entspricht. Während der Hochglazialzeiten allerdings lag der Spiegel mindestens 9,5 Meter über dem heutigen Niveau, was einen Anstieg der Grundwasserneubildung um knapp 250 % gegenüber den heutigen Bedingungen bedeutet.
Relevant sind diese neuen Informationen nicht zuletzt auch für den bereits heute stark gefährdeten Teufelskärpfling, einem wenige Zentimeter großen Fisch, dessen einziges Habitat das Wasser im Devils Hole ist. Der Lebensraum dieser Spezies ist damit der Kleinste aller bekannten Wirbeltiere (in etwa halb so groß wie ein durchschnittliches Klassenzimmer). Bereits kleine Veränderungen der Wasserverfügbarkeit ausgelöst durch Entnahme von Grundwasser für Bewässerungszwecke oder durch die fortschreitende Klimaänderung sind für dessen Überleben von größter Bedeutung.
Publikation:
A 350,000-year history of groundwater recharge in the southern Great Basin, USA: Tracie R. Jackson, Simon D. Steidle, Kathleen A. Wendt, Yuri Dublyansky, R. Lawrence Edwards & Christoph Spötl. Communications Earth & Environment 4: 98 (2023)
https://doi.org/10.1038/s43247-023-00762-0
+++
El Niño–Southern Oscillation correlates well with following-summer cloud-to-ground lightning in China
Large-scale circulation anomalies are a key factor in the transportation of water vapor and changes in climate. For tropical and subtropical regions, an atmospheric circulation field not only determines the characteristics of the weather situation but also influences the atmospheric circulation in the middle and high latitudes, as well as the global climate, through the transport of energy and angular momentum.
At the same time, while lightning can serve as a global tropical “thermometer” and an indicator of water vapor in the upper troposphere, the driving role of the circulation situation for it needs to be further analyzed.
In a paper recently published in Atmospheric and Oceanic Science Letters, Prof. Xiushu Qie and Dr. Mingyi Xu from the Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China, attempt to address this issue. They present new evidence for El Niño–Southern Oscillation (ENSO) correlating well with following-summer cloud-to-ground lightning in China.
First, the time-lagged correlation between monthly cloud-to-ground lightning anomalies over China’s land areas (2010–20) and the Oceanic Niño Index (the main index for tracking the oceanic part of ENSO) was analyzed.
Trend between the principal component time series (PC1) of the monthly CG lightning anomaly over China’s land areas from 2010 to 2020 and the ONI (histograms are PC1 and ONI; line charts are the 3-month moving average; red–blue point lines are the ENSO maturity threshold). Credit: Atmospheric and Oceanic Science Letters (2023). DOI: 10.1016/j.aosl.2023.100338
“Interestingly, the correlation coefficients, which were statistically significant at the 90% confidence level, revealed good correlation between ENSO and subsequent cloud-to-ground lightning in China. In addition, the ENSO phenomenon—especially La Niña events—correlate well with subsequent cloud-to-ground lightning flashes in land areas of China. When the sea surface temperature anomaly caused by ENSO is more obvious, the spatial distribution characteristics of cloud-to-ground lightning are also more obvious,” explains Prof. Xiushu Qie.
When the sea surface temperature of the East Pacific Ocean and Indian Ocean warms abnormally and the sea surface temperature of the Northwest Pacific becomes abnormally cold, a cyclonic circulation is stimulated over the Yellow Sea, East China Sea, and tropical West Pacific region of China, thereby enhancing the easterly wind on the north side and the westerly wind on the south side, bringing water vapor from the Northwest Pacific to North China and Northeast China.
Affected by the abnormally high pressure, the corresponding cloud-to-ground lightning activities in North China and Northeast China are weak. However, the water vapor then moves southwards, where it converges with water vapor derived from the Bay of Bengal in South China, and ascending motion strengthens here, thus enhancing the cloud-to-ground lightning activity of this area.
As the water vapor continues to move southwards, the water vapor divergence and descending motion in southern Guangdong give rise to weak cloud-to-ground lightning activities there.
“Therefore, the ENSO phenomenon might serve as a climatic driver of subsequent cloud-to-ground lightning activity occurring over the land areas of China,” adds Dr. Xu.
More information: Mingyi Xu et al, Distribution of lightning spatial modes and climatic causes in China, Atmospheric and Oceanic Science Letters (2023). DOI: 10.1016/j.aosl.2023.100338
+++
Koffman et al. 2023 zur Mittelalterlichen Wärmephase in der Antarktis:
Abrupt Changes in Atmospheric Circulation During the Medieval Climate Anomaly and Little Ice Age Recorded by Sr-Nd Isotopes in the Siple Dome Ice Core, Antarctica
Abstract
The Southern Hemisphere westerly winds (SWW) play a critical role in global climate, yet their behavior on decadal to centennial timescales, and the mechanisms driving these changes during the preindustrial era, remain poorly understood. We present a decadally resolved record of dust compositions using strontium and neodymium isotope ratios in mineral dust from the Siple Dome ice core, Antarctica, to explore the potential that abrupt changes in SWW behavior occurred over the past millennium. The record spans portions of the Medieval Climate Anomaly (MCA) and the Little Ice Age (LIA) intervals as defined in the Northern Hemisphere. We find evidence of an abrupt strengthening of atmospheric circulation during the MCA at ∼1125 CE (825 BP) that persisted for about 60 yr, indicating increased influence of Patagonia-sourced dust. This occurs during an extended positive phase of Southern Annular Mode (SAM+)-like conditions, characterized by high SWW velocities and a southerly shift of the main wind belt toward ∼60°S, suggesting that rapid changes in SWW strength could occur under the present SAM+ pattern. A second 20 yr long shift in dust compositions during the LIA at ∼1748 CE (200 BP) is coincident with higher dust delivery to Siple Dome, and may indicate increased dust emissions related to glacier activity in Patagonia. The new Siple Dome ice core data set demonstrates that Sr-Nd isotopes can be used to trace shifts in atmospheric circulation on decadal timescales.
Key Points
- An ice core dust provenance record from Siple Dome shows marked shifts at about 1125 CE (lasting ∼60 yr) and 1748 CE (∼20 yr)
- Sr-Nd isotopes indicate changes in the relative deposition of dust from Patagonian and Antarctic sources driven by changes in winds
- Data suggest decade-scale changes can be superimposed on longer intervals of intensified westerly wind strength during SAM + -like phases
Plain Language Summary
The prevailing winds that encircle Antarctica, blowing west to east, play an outsized role in global climate. Because they blow continuously over the ocean, they create ocean currents and cause upwelling. When deep ocean water comes to the surface, it releases carbon dioxide into the atmosphere, causing the climate to warm. Changes in wind strength and positioning modulate the release of carbon dioxide. Therefore, knowing how and why the winds shift is important for understanding how Earth’s climate system operates. We use the composition of dust preserved in an Antarctic ice core to learn how the balance of dust sources changed during the past millennium. This allows us to track past shifts in the winds around Antarctica and to learn how they respond to climate changes on short timespans, such as decades to centuries. We observe an abrupt change in dust composition at ∼1125 CE lasting for about 60 yr, indicating a greater influence of dust sourced from Patagonia in South America. This dust shift occurred during a globally observed warm period, and corresponded with an interval of stronger westerly winds blowing closer to Antarctica. Our data show that decade-scale changes can be superimposed on longer intervals of intensified wind strength.
Siehe auch: Lüning, S., M. Gałka, F. Vahrenholt (2019): The Medieval Climate Anomaly in Antarctica. Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol., 532, doi: 10.1016/j.palaeo.2019.109251