Item

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.

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,