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Abstract:
Marine sediment records show an abrupt and large increase in North Atlantic dust deposi-
tion towards the end of the African Humid Period (AHP) about 5 ka BP. How this abrupt
shift in dust deposition is linked to Holocene North African landscape and climate change
is still under debate. Within the scope of this thesis, we simulate the North African dust
cycle from the mid-Holocene until present-day using the coupled aerosol-climate model
ECHAM6-HAM2. We thereby identify drivers of the change in dust deposition and set
the dynamics of dust deposition in context to North African landscape evolution.
In a rst step, we simulate the pre-industrial and mid-Holocene dust cycle, where vegeta-
tion and lake cover as well as orbit and ocean conditions are prescribed. Consistent with
marine sediment records, our simulations show that North Atlantic dust deposition uxes
were two to three times lower during the mid-Holocene compared with pre-industrial
uxes. In a sensitivity study, we identify enhanced vegetation cover and extended lake
surface area to be the main cause of the reduced dust cycle during the AHP as they
cover dust source areas and alter the atmospheric circulation.
In a second step, we aim to understand the dynamics of the dust cycle. Therefore, we
test the hypothesis that gradual changes in North African landscape result in an abrupt
shift in North Atlantic dust deposition. This could have been caused either due to
the nonlinearity in dust activation or due to a heterogeneous distribution of major dust
sources. To explore these two arguments, we prescribe a gradual decline of North African
vegetation and lake cover in two series of simulations. In contrast to our hypothesis, we
do not nd evidence for an abrupt increase in simulated dust deposition as seen in the
marine records. Our results rather point to a rapid large-scale retreat of vegetation and
lakes in the area of signicant dust sources in the northwest Sahara.
Finally, we perform time slice simulations including dynamic vegetation. We nd a
rapid increase in North Atlantic dust deposition in our simulations as indicated by the
marine records. The sudden increase in simulated dust deposition is linked to a rapid
decline of vegetation and precipitation from 22◦N to 18◦N in the western Sahara pointing
to strong local vegetation-precipitation feedbacks. Changes in dust source areas and
vegetation in the eastern Sahara and south of 18◦N as well as changes in atmospheric
circulation contribute only minor to the abrupt change in dust deposition. Our study
emphasizes spatial and temporal dierences in the transition of North African landscape.
Conclusions from local records to large scales have thus to be treated with caution.
Abstract:
Marine Sedimentaufzeichnungen zeigen einen abrupten und starken Anstieg der marinen
Staubablagerung im Nordatlantik gegen Ende der Afrikanischen Feuchtperiode vor etwa
5000 Jahren. Wie dieser plötzliche Anstieg der Staubablagerung mit der Veränderung der
Nordafrikanischen Landschaft und des Klimas während des Holozäns zusammenhängt,
wird nach wie vor diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit simulieren wir den Nordafrikanis-
chen Staubkreislauf vom mittleren Holozän bis heute mit Hilfe des gekoppelten Aerosol-
Klimamodelles ECHAM6-HAM2. Dabei dierenzieren wir die unterschiedlichen Antriebe
einer Veränderung des Staubusses und stellen die Dynamik der Staubablagerung in
Zusammenhang mit der Nordafrikanischen Landschaftsentwicklung.
In einem ersten Schritt simulieren wir den vorindustriellen Staubkreislauf sowie den
des mittleren Holozäns. Vegetations- und Seenbedeckung sowie der orbitale Antrieb
und Meeresoberächentemperaturen sind dabei vorgeschrieben. In Übereinstimmung
mit Beobachtungen aus den Sedimentbohrkernen zeigen unsere Simulationen, dass die
Staubablagerungsüsse während des mittleren Holozäns zwei bis drei Mal geringer waren
als während der vorindustriellen Zeit. Mit Hilfe einer Sensitivitätsstudie ermitteln wir,
dass ausgeweitete Vegetations- und Seenbedeckung die Hauptursachen des verminderten
Staubusses während der Afrikanischen Feuchtperiode waren indem sie Staubquellgebiete
bedeckten und die atmosphärische Zirkulation beeinussten.
Im nächsten Schritt wollen wir die Dynamik des Staubkreislaufes verstehen. Dafür
testen wir die Hypothese, dass eine graduelle Veränderung der Nordafrikanischen Land-
schaft zu einem abrupten Wechsel der Nordafrikanischen Staubablagerung führte. Dies
könnte entweder durch den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Bodenwinden und
Staubaktivierung oder durch eine heterogene Verteilung der Hauptstaubquellen verur-
sacht worden sein. Um diese beiden Argumente näher zu beleuchten, schreiben wir eine
graduelle Abnahme der Nordafrikanischen Vegetations- und Seenbedeckung in zwei un-
terschiedlichen Simulationsreihen vor. Im Gegensatz zu unserer Hypothese nden wir
keine Anzeichen für einen abrupten Anstieg der Staubdeposition in unseren Simulatio-
nen. Unsere Ergebnisse deuten eher auf einen rapiden und groÿräumigen Rückzug der
Vegetation und der Seen im Gebiet signikanter Staubquellen in der nordwestlichen Sa-
hara hin.
Schlieÿlich simulieren wir Zeitscheiben unter der Berücksichtigung dynamischer Vege-
tation. In diesen Simulationen nden wir einen rapiden Anstieg der Staubablagerung
im Nordatlantik genau wie in den marinen Sedimentaufzeichnungen. Der plötzliche
Anstieg der simulierten Staubablagerungen ist mit einem rapiden Rückzug der Vege-
tation und des Niederschlags von 22◦N auf 18◦N in der westlichen Sahara verknüpft,