Description: The Intermediate Mode Waters formed in the Southern Ocean are critical for the lower thermocline ventilation process in the Southern Hemisphere Gyres. They also might have served as the most relevant pathways transporting climatic signals from high to low latitudes via the “oceanic tunneling” on glacial/interglacial time scales. Despite the importance of the Southern Ocean Intermediate Waters (SOIWs), our understanding on the long–term evolution, exact advection paths, and impact on the South Pacific Gyre’s thermocline is still fragmentary. Here, we present a 200 kyr record of paired Mg/Ca ratios and stable oxygen isotope from surface dweller and deep dwelling planktonic foraminifera, from the South Pacific Gyre (SPG). On average, the Mg/Ca–derived sea Surface Temperatures (Globigerina bulloides) show similar conditions during the LGM and Marine Isotope Stage (MIS) 6 (9.4 °C versus 9.9 °C). In contrast, our Mg/Ca–derived subsurface temperatures (Globorotalia inflata and Globorotalia truncatulinoides) suggest LGM from ~3 to ~2 °C colder than MIS 6. The reconstructed subsurface ice volume corrected stable oxygen isotope ratio of seawater (δ18Osw-ivc, proxy for local salinity changes) suggests opposing glacial subsurface conditions, i.e., slightly saltier–than–Holocene during MIS 6 to fresher–than–Holocene during MIS 2. Considering that subsurface hydrography at the core site is plausibly driven by the formation and/or advection of SOIWs from the South East Pacific, our results provide further support on the relevance of subsurface processes in the Southern Ocean transferring climatic signals (temperature and salinity) to the SPG. Furthermore, the contrasting subsurface glacial scenarios at the SPG’s thermocline imply that the advection of SOIWs during glacial stages could be highly variable during different glacial stages.

Description: Die Wassermassenzirkulation des Südozeans ist von enormer Bedeutung für den globalen Kohlenstoffzyklus im Hinblick auf die Dynamik des Klimas in Gegenwart und Vergangenheit, da hier alte, nährstoffreiche Wassermassen an die Oberfläche gelangen und neues Zwischen- und Tiefenwasser gebildet wird. Der Südozean ist die bedeutendste Schaltzentrale für den Austausch und die Verbreitung von Wassermassen in den Weltozeanen. Obwohl der pazifische Sektor den größten Teil des Südozeans darstellt, ist der Bereich zwischen Chile und Neuseeland bisher nur unzureichend untersucht. Um diesen weißen Fleck auf unseren paläozeanographischen Karten zu füllen, fand die Ausfahrt SO213 vom 27.12.2010 bis zum 06.03.2011 im Rahmen des BMBF finanzierten Projektes SOPATRA (South Pacific Paleoceanografic Transects) statt. Unterteilt wurde die Expedition in zwei Fahrtabschnitte (Abb. 1A) und führte von Valparaíso, Chile nach Wellington, Neuseeland. Insgesamt konzentrierten sich die Untersuchungen auf fünf Arbeitsgebiete: die Challenger Fracture Zone (CFZ), den Chile Rücken (ChiRi), den Ostpazifischen Rücken (EPR), das Südwestpazifische Becken (SWB) und den Neuseeländischen Kontinentalrand (NZM) südlich des Chatham Rise (Abb. 1B). Das wissenschaftliche Programm an Board setzte sich aus paläozeanographischen, geophysikalischen und vulkanologischen Untersuchungen zusammen. Zielsetzung der Vulkanologie war es, zu untersuchen, wie Hotspots mit Spreizungszonen interagieren und ob Hotspots durch Prozesse in den Kontinentalplatten oder durch aufsteigende Mantelplumes verursacht werden. Mit Hilfe der geophysikalischen Untersuchungen sollten potentielle Kernlokationen für das Integrated Ocean Drilling Program (IODP) identifiziert werden. Des Weiteren sollten die aufgezeichneten Seismikprofile Hintergrundinformationen für den IODP Antrag CESOP (Cenozoic Southern Ocean Pacific) liefern. Die meisten Ziele konnten wie geplant umgesetzt werden. Dies beinhaltete die Beprobung und Gewinnung von Sedimentoberflächen und –kernen, Vulkaniten und Seismikprofilen. Insgesammt wurden 14 Dredge-Profile, 10 Vulkanitstoßrohr Stationen, sieben CTD Stationen, 44 Stationen zur Entnahme von Sedimentproben durchgeführt sowie 1131 km Reflektionsseismik gefahren. Die Sedimentkerne der CFZ, des ChiRi, des EPR und SWB zeichnen sich durch sehr geringe Sedimentationsraten von weniger als 3cm/1000 Jahre aus. Dies ermöglicht Einblicke in die Klima- und Ozeanvariabilität des späten Neogens (letzte 5.5 Ma). Die paläozeanographischen Zielsetzungen auf die hier im spezielleren eingegangen werden soll, umfassten die Rekonstruktion der Lage und Ausdehnung ozeanischer Frontsysteme (Subantarktische-, Subtropische Front & Südpazifische Gyre), des Humboldtstromes sowie der Westwindzone mit ihrer Auswirkung auf die Entstehungsgebiete des Antarktischen Zwischenwassers (Abb. 2). An Sedimentkernen im Gebiet des „Chile Rückens“, des „Ostpazifischen Rückens“ sowie im „Bounty Trog“ wird das Mg/Ca-Verhältnis an planktischen Foraminiferen gemessen (GEOMAR). Die Messung dieses Temperaturproxies an tief und flach lebenden, planktischen Foraminiferen lässt Rückschlüsse auf die Veränderung des vertikalen Temperaturgradienten in der ozeanischen Deckschicht zu. Durch den Vergleich von planktischen Mg/Ca-Kurven aus unterschiedlichen Regionen, lassen sich auch geographische Veränderungen von ozeanischen Fronten und daran gekoppelte Änderungen in der Thermoklinentiefe nachvollziehen. Während SO213/1 konnten im Gebiet des „Chile Rückens“ Sedimentkerne gezogen werden, die bis in das Pliozän reichen. An diesen Kernen wurde begonnen, die langzeitliche Veränderung der Fronten und Thermoklinen zu rekonstruieren und in Zusammenhang mit klimatischen und tektonischen Ereignissen zu deuten (s. Poster D. Poggemann et al.). Ein weiterer Schwerpunkt der Sedimentbeprobung konzentriert sich auf zeitliche Veränderungen der Ventilation des Zwischen- und Tiefenwassers im Südpazifik (AWI). Zur Bestimmung der Ventilationsalter unterschiedlicher Wassermassen wenden wir die Radiokarbon-Methode (δ14C), sowie die Analyse stabiler Isotope (δ13C) an planktischen und benthischen Foraminiferen an. Dazu steht uns ein einzigartiger Sedimentkerntransekt zur Verfügung, der größtenteils während der Ausfahrt SO213/2 gewonnen wurde und durch weitere Kerne der Ausfahrt ANT26/2 ergänzt wird. Die Besonderheit dieses Transektes durch den „Bounty Trog“ vor Neuseeland ist, dass alle Wassermassen zwischen 500 und 5000 m Wassertiefe durch die hochauflösenden Sedimentkerne erfasst werden (Abb. 3). Die Rekonstruktion der Wassermassenventilation während unterschiedlicher klimatischer Intervalle soll Rückschlüsse auf die Zirkulationsmuster und den Durchlüftungsgrad der Wassermassen ermöglichen. Diese Faktoren helfen die Rolle des Südozeans für den atmosphärisch-ozeanischen CO2-Austausch für den Zeitraum der letzten Deglaziation zu entschlüsseln.

Description: The South Pacific is a sensitive location for the variability of the global oceanic thermohaline circulation given that deep waters from the Atlantic Ocean, the Southern Ocean, and the Pacific Basin are exchanged. Here we reconstruct the deep water circulation of the central South Pacific for the last two glacial cycles (from 240,000 years ago to the Holocene) based on radiogenic neodymium (Nd) and lead (Pb) isotope records complemented by benthic stable carbon data obtained from two sediment cores located on the flanks of the East Pacific Rise. The records show small but consistent glacial/interglacial changes in all three isotopic systems with interglacial average values of 5.8 and 18.757 for εNd and 206Pb/204Pb, respectively, whereas glacial averages are 5.3 and 18.744. Comparison of this variability of Circumpolar Deep Water (CDW) to previously published records along the pathway of the global thermohaline circulation is consistent with reduced admixture of North Atlantic Deep Water to CDW during cold stages. The absolute values and amplitudes of the benthic δ13C variations are essentially indistinguishable from other records of the Southern Hemisphere and confirm that the low central South Pacific sedimentation rates did not result in a significant reduction of the amplitude of any of the measured proxies. In addition, the combined detrital Nd and strontium (87Sr/86Sr) isotope signatures imply that Australian and New Zealand dust has remained the principal contributor of lithogenic material to the central South Pacific.

Description: The Intermediate Waters formed in the Southern Ocean are critical for ventilating the thermocline in the Southern Hemisphere Gyres and transporting climatic signals from high to low latitudes on glacial- interglacial time-scales. Despite the importance of the Southern Ocean Intermediate Waters (SOIWs), information on past changes in SOIWs formation is fragmentary, and its impact on the South Pacific Gyre (SPG)’s thermocline largely unknown. Here, we present a 200 kyr record of paired Mg/Ca ratios and stable oxygen isotope from surface and deep dwelling planktonic foraminifera, from the SPG. On average, the Globigerina bulloides Mg/Ca-derived sea surface temperatures show similar conditions during the LGM and Marine Isotope Stage (MIS) 6 (9.4 ◦ C versus 9.8 ◦ C). In contrast, the subsurface temperatures derived from the Mg/Ca values of Globorotalia inflata and Globorotalia truncatulinoides suggest that LGM is ∼3 to ∼2 ◦C colder than MIS 6. Furthermore, at subsurface depths the reconstructed δ18Osw-ivc record (proxy for relative local salinity changes) suggests opposite glacial conditions, with slightly saltier- than-Holocene waters during MIS 6, and fresher-than-Holocene waters during LGM. Contrasting glacial scenarios, plausibly due to changes in the presence of SOIWs at the study site, suggest variable formation and/or advection of SOIWs to the SPG during different glacial stages. The variability in SOIWs is probably driven by the changes in the intensity of the Southern Westerly Winds.