Variabilität der intertropischen Konvergenzzonen in der Neotropis während der Common Era

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Abstrakt

Große Veränderungen des Hydroklimas in der Neotropis, die durch Proxy-Beweise impliziert wurden, wie beispielsweise während der Kleinen Eiszeit, wurden auf meridionale Verschiebungen der intertropischen Konvergenzzone (ITCZ) zurückgeführt, obwohl auch alternative Modi der ITCZ-Variabilität vorgeschlagen wurden. Hier verwenden wir saisonal aufgelöste Stalagmiten-Niederschlags-Proxy-Daten von der modernen nördlichen Grenze des ITCZ ​​in Südbelize, kombiniert mit Aufzeichnungen aus den Neotropika und Subtropen, um die ITCZ-Variabilität von Fingerabdrücken während der Common Era zu bestimmen. Unsere Daten stimmen mit Modellen überein, die auf eine ITCZ-Expansion und -Schwächung während global kalter Klimaintervalle sowie auf eine Kontraktion und Intensivierung während globaler Wärme hinweisen. Infolgedessen werden Regionen, die derzeit in beiden Hemisphären am Rande des ITCZ ​​liegen, wahrscheinlich zu trockeneren und sehr variablen Bedingungen übergehen, was die aktuellen Trends zunehmender sozialer Unruhen und Massenmigration verschärft.

EINFÜHRUNG

Die intertropische Konvergenzzone (ITCZ) ist der wichtigste Niederschlagsgürtel der Welt und beeinträchtigt den Lebensunterhalt von Milliarden Menschen weltweit. Das Verständnis seines Verhaltens während des zukünftigen wärmeren Klimas ist daher von entscheidender Bedeutung. Prognosen des Zwischenstaatlichen Gremiums für Klimawandel legen nahe, dass die Neotropika besonders anfällig für durch Erwärmung verursachte Dürren sind (1). Auf tausendjährigen Zeitskalen spiegeln Verschiebungen der mittleren Position des ITCZ ​​wahrscheinlich Änderungen des Temperaturkontrasts zwischen den beiden Hemisphären wider, wobei die ITCZ ​​in Richtung der wärmeren Hemisphäre wandert. Die genaue Art der ITCZ-Reaktion auf globale Temperaturänderungen bleibt jedoch ungeklärt. Während der Common Era (CE) gab es wesentliche Hinweise darauf, dass der mit der Kleinen Eiszeit (LIA) verbundene Klimawandel ein globales Ausmaß hatte (2, 3) existiert jetzt. Proxy-Aufzeichnungen der Neotropics legen nahe, dass sich das ITCZ ​​während der LIA nach Süden verlagert hat (4– –6); Jüngste Modellergebnisse (7) und begrenzte Beobachtungen an anderer Stelle (8, 9) legen nahe, dass sich das ITCZ ​​in beiden Hemisphären ausgedehnt hat, während es in der zentralen äquatorialen Kernregion geschwächt ist. Der offensichtliche Widerspruch zwischen Paläoklima-Proxy-Daten, der ein feuchteres Mittelamerika mit zunehmender Erwärmung zu implizieren schien (10) und Modellergebnisse, die auf ein trockeneres Klima mit Erwärmung hinweisen, wurden festgestellt (11). Frühere Beobachtungen hatten mehrere Einschränkungen, einschließlich der Kombination von Monsun und anderen Proxys, die nicht unbedingt die reine ITCZ-Modulation widerspiegeln (5, 8) oder Aufzeichnungen, die nicht die vollständige jährliche ITCZ-Exkursion erfassen (4, 6).

Hier verwenden wir neue monatliche Speleothem-Niederschlags-Proxy-Daten von einem Höhlenstandort am aktuellen nördlichen Rand des ITCZ ​​in Mittelamerika sowie veröffentlichte Daten vom südlichen Rand des ITCZ, um dessen Variabilität im gesamten CE zu untersuchen (Abb. 1). Wir verwenden diese Informationen dann, um zu bestimmen, ob die kombinierten Daten am besten durch (i) ausschließlich meridionale ITCZ-Verschiebungen oder (ii) Expansion und Kontraktion des ITCZ ​​erklärt werden. Die Ergebnisse haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Vorhersage des zukünftigen Hydroklimas der globalen Tropen.

Abb. 1 Orte der Yok Balum-Höhle (Magentakreis) und andere im Text diskutierte Aufzeichnungen.

Die durchschnittlichen jährlichen Ränder am nördlichsten (Juli) und am südlichsten (Januar) werden ebenfalls angezeigt (gelbe bzw. blaue Bänder).

KLIMATOLOGIE DES STUDIENBEREICHS

Das Klima des Untersuchungsgebiets in Südbelize ist tropisch. Es gibt einen in Breitenrichtung kontrollierten Nord-Süd- und einen topografisch kontrollierten Ost-West-Gradienten im Jahresniederschlag mit einem jährlichen Gesamtniederschlag von ~ 1300 mm im trockeneren Norden und Westen und bis zu 4500 mm im Süden (12). Die Yok Balum-Höhle, aus der der Stalagmit YOK-G stammt, befindet sich in Südbelize (16 ° 12’30.780 ″ N, 89 ° 4’24.420 ″ W; Abb. S1). Die Höhle hat eine stabile Temperatur von 22,74 ° ± 0,09 ° C (1σ) mit einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit von nahezu 100% während des ganzen Jahres (Abb. S2). Das Gebiet erhält während der Regenzeit (Juni bis September) etwa 400 bis 700 mm / Monat und während der Trockenzeit (Februar bis April) einen Faktor von weniger als 10 (12). Dieser Kontrast bei den saisonalen Niederschlägen ist auf die jährliche Migration des ITCZ ​​zurückzuführen. Das ITCZ ​​erreicht seine nördlichste Position im borealen Sommer, der Regenzeit in unserem Untersuchungsgebiet, während die trockenste Jahreszeit zu einer Zeit ist, in der sich das ITCZ ​​im borealen Winter an seiner südlichsten Position befindet (13, 14). Das ITCZ ​​stellt lokal eine Konvergenzzone dar, die sich aus dem Zusammentreffen von Kreuzäquatorwinden aus der südlichen Hemisphäre und nordöstlichen Passatwinden aus dem subtropischen Hoch des Nordatlantiks ergibt (15). Die El Niño-Southern Oscillation (ENSO) moduliert die Feuchtigkeit aus der Karibik durch ihren Einfluss auf den Caribbean Low-Level Jet (CLLJ). Bei warmen ENSO-Ereignissen ist der CLLJ stärker und umgekehrt, obwohl die daraus resultierenden Auswirkungen auf den Niederschlag sehr unterschiedlich sein können (16). Die Korrelation zwischen ENSO und historischem Niederschlag in unserem Untersuchungsgebiet ist schwach (17). Der Einfluss von ENSO auf den Niederschlag in Zentralamerika ist eher an der Pazifikküste zu beobachten, wo die warme (kalte) Phase von ENSO zu trockeneren (feuchteren) Bedingungen führt (17). Frühere Studien haben gezeigt, dass die Feuchtigkeitsquelle für das tropische Belize hauptsächlich das Karibische Meer ist und vom CLLJ (15, 16, 18).

RESULTATE UND DISKUSSION

Stalagmit YOK-G ist ein sehr sauberes aragonitisches Speläothem mit hohen Uran (U) – und niedrigen Detrital-Thorium (Th) -Konzentrationen, die von 400 bis 2006 CE (dem Jahr, in dem es gesammelt wurde) anstiegen. Wir haben 52 Alter der U-Serie (Tabelle S1) mit minimalen Pulvermengen gemessen, um Fehler im Zusammenhang mit Bohrlochgrößen zu reduzieren, und konnten über die gesamte Aufzeichnung mittlere Altersunsicherheiten von 7 Jahren (2σ) ermitteln (Abb. 2A). Tropfüberwachungsdaten von der Site, die in einer früheren Studie gemeldet wurden (12) zeigt, dass große Regenereignisse, die von einer Wetterstation direkt über der Höhle aufgezeichnet wurden, die Tropfhydrologie innerhalb weniger Stunden beeinflussen. Darüber hinaus wurde in derselben Studie eine detaillierte hochauflösende Analyse von Radiokohlenwasserstoffen (14C) der jüngeren 50 Jahre wurde durchgeführt, um die Verweilzeit der Flüssigkeit direkt anzusprechen. Wir fanden, dass die erste Fraktion mit 14Die C-Anreicherung entspricht dem CE-Höhepunkt von 1954 bis 1956 in der Bombe der nördlichen Hemisphäre 14C Zusammenstellungen (19), in guter Übereinstimmung mit dem Alter der U-Serie von CE 1955 für dieselbe Schicht, was zeigt, dass zwischen der Oberflächenhydrologie und dem Tropfen in der Höhle keine Verzögerung erkennbar ist. Details unserer Chronologie und Altersmodellkonstruktion werden unter Materialien und Methoden besprochen. Zwei frühere Studien (12, 20) berichteten über den oberen Teil von YOK-G (seit 1550 n. Chr.). Hier präsentieren wir neues YOK-G δ13C- und Spurenelementdatensätze, die das zuvor veröffentlichte YOK-G δ erweitern13C Rekord von 1150 Jahren. Der vollständige YOK-G-Isotopendatensatz besteht jetzt aus 7151 δ13C-Datenpunkte mit einer durchschnittlichen Auflösung von ~ 0,22 Jahren insgesamt mit monatlicher Auflösung über Schlüsselintervalle. Die Anwendung von δ13C als Niederschlags-Proxy in YOK-G wurde zuvor eingerichtet (12, 20, 21). Mehrere Faktoren können das δ beeinflussen13C-Werte in Speläothemen. Die Menge an organischer Substanz im Boden über einer Höhle kann variieren, was zu einem höheren (niedrigeren) organischen Beitrag und einem niedrigeren (höheren) δ führt13C-Werte. Die Entgasung aufgrund vorheriger Calcitfällung (PCP) erhöht das δ13C-Wert der Lösung, aus der sich ein Stalagmit bildet. Trockenere Bedingungen führen aufgrund der längeren Verweilzeit im Epikarst und der erhöhten Ionenstärke der Flüssigkeit zu einem höheren PCP. Veränderungen in der Vegetation von C3- zu C4-Pflanzen spiegeln trockenere Bedingungen wider. Dieser Punkt wird unten unter Verwendung von U-Konzentrationsdaten angesprochen. Zuletzt δ13C-Werte in Speläothemen können durch temperaturabhängige Fraktionierung beeinflusst werden, obwohl dies aufgrund der Temperaturstabilität in der Höhle kein wahrscheinlicher Faktor ist (Abb. S2). Das mag im vergangenen trockeneren Klima nicht der Fall gewesen sein, aber das bewegt auch δ13C-Werte in die gleiche Richtung – höhere Werte bei erhöhter Erwärmung. Mithilfe hochauflösender Proben von YOK-G haben wir zuvor gezeigt, dass eine hervorragende Übereinstimmung zwischen der monatlichen Niederschlagsmenge der Punta Gorda-Regenmessstation, der unserem Standort am nächsten gelegenen Station, und dem monatlichen YOK-G-Speläothem δ besteht13C-Daten (r = 0,99, P. <0,001) (12). Es gibt auch eine sehr gute Korrelation zwischen historischen Niederschlagsdaten aus der Region (innerhalb eines Radius von etwa 125 km um unseren Standort) und YOK-G δ13C-Daten (Abb. S4). In Zukunft werden wir also δ diskutieren13C-Variabilität synonym mit Niederschlagsvariabilität.

Abb. 2 Altersmodell und Proxy-Vergleich für Stalagmit YOK-G.

(EIN) U-Serie-basiertes Altersmodell für Speläothem YOK-G. Das Modell wurde unter Verwendung des COPRA-Algorithmus konstruiert (37) und die 2σ-Unsicherheitsgrenzen werden als grüne (oben) und blaue (unten) Kurven angezeigt. Das Alter der einzelnen Stichproben (52 Jahre) und ihre Fehler werden als schwarze Balken bezeichnet. (B.) δ13C- und U-Konzentrationsdaten für YOK-G. Beachten Sie die umgekehrte Achse für U-Konzentrationen (braune Linie) im Vergleich zu δ13C (schwarze Linie). ppm, Teile pro Million.

Zusätzlich verwenden wir hier U-Konzentrationen, um δ zu bestätigen13C als Niederschlags-Proxy. Weil U einen Verteilungskoeffizienten in Speleothem-Aragonit hat, der größer als eins ist (3,74 ± 1,13) (21) moduliert die Menge der vorherigen Aragonitfällung, die oberhalb von Stalagmit YOK-G auftritt, die U-Konzentrationen im Stalagmit weitgehend. Die hervorragende Übereinstimmung zwischen δ13C- und U-Konzentrationen über das Untersuchungsintervall (r = –0,74, P. <0,001) (Fig. 2B), zwei Elemente mit unterschiedlichen exogenen Zyklen, zeigt, dass beide Proxys die hydrologische Variabilität stark widerspiegeln, im Gegensatz zu nichthydrologischen Variablen, wie beispielsweise der Änderung des Vegetationstyps. Während die Korrelation zwischen δ18O- und U-Konzentrationen sind nicht so stark (r = –0,44, P. <0,001) (Abb. S6) als das zwischen δ13C- und U-Konzentrationen, δ18O-Zeitreihen erfassen die langfristigen Veränderungen des Hydroklimas. In ähnlicher Weise ist das δ18O Jahressignal ist weniger klar als δ13C-Jahressignal, das mit früheren Interpretationen von YOK-G δ übereinstimmt18O spiegelt sowohl die Niederschlagsmenge als auch den Niederschlag δ wider18O-Wert, der mit tropischen Wirbelstürmen verbunden ist (20).

Das hochaufgelöste YOK-G δ13Die C-Aufzeichnung ermöglicht die Erfassung der Klimavariabilität im saisonalen bis tausendjährigen Maßstab (Abb. 2B). Der frühe Teil der Aufzeichnung, ca. 400 bis 900 CE ist durch große Verschiebungen des Hydroklimas gekennzeichnet, einschließlich des trockensten Intervalls zwischen 625 und 825 CE. Während der mittelalterlichen Klimaanomalie herrschte zwischen 900 und 1400 n. Chr. Ein etwas feuchteres Klima, gefolgt von einem längeren Nassintervall während der LIA und schließlich einer fortschreitenden Trocknung seit dem späten 19. Jahrhundert n. Chr. (Abb. 1B). Der Übergang zum feuchtesten Intervall von ~ 1400 n. Chr. Bis zum späten 19. Jahrhundert entspricht einer Abweichung von der starken kohärenten Variabilität mit Standorten nördlich unseres Untersuchungsgebiets wie der Jahresskala δ18O Feuchtigkeits-Proxy (22) aus der Juxtlahuaca (JUX) -Höhle (Abb. 3B) im Südwesten Mexikos (17,44 ° N, 99,16 ° W) (Abb. 1). Der JUX-MX-Datensatz und YOK-G δ13C-Daten zeigen eine kohärente Variabilität vor 1400 CE (r = 0,67, P. <0,001) (Fig. 3A). Im Gegensatz dazu weichen die beiden Aufzeichnungen nach der Einleitung der LIA um ~ 1400 CE deutlich voneinander ab. Die LIA im Südwesten Mexikos (Abb. 3, A und B) ist durch eine erhöhte Trockenheit gekennzeichnet, während dieses Intervall in der YOK-G-Aufzeichnung durch hohe Niederschlagsmengen gekennzeichnet ist. Ebenso vor 1400 CE eine sehr gute Korrelation (r = 0,61, P. <0,001) existiert zwischen YOK-G δ13C und der Chaac-Stalagmit aus der Tzabnah-Höhle (20,73 ° N, 89,47 ° W) in der Nähe der nordwestlichen Spitze der Halbinsel Yucatán nördlich von Belize (Abb. 1 und 3B) (23), eine Region, in der derzeit ~ 75% weniger Jahresniederschlag fällt als in Südbelize (24) mit geringem ITCZ-Einfluss.

Abb. 3 Vergleich zwischen YOK-G δ13C- und andere Niederschlags-Proxy-Aufzeichnungen im nördlichen und südlichen Bereich des ITCZ.

Von Norden nach Süden (EIN zu C): (A) Die JUX-Höhle (Stalagmit JUX-MX) δ18O Zeitreihen (hellbraun) aus Südwestmexiko (22). (B) Tzabnah-Höhle (Chaac-Stalagmit) δ18O Zeitreihen (grüne Linie) aus dem Norden Yucatans, Mexiko (23). (C) Huagapo-Höhle δ18O Zeitreihen (blaue Linie) aus den zentralperuanischen Anden (19). (D) Cariaco Basin Ti-Konzentrationsrekord (lila) (4). Beachten Sie, dass die Cariaco Ti-Achse den entgegengesetzten Feuchtigkeitstrend zeigt (nasses Oberteil). Die beste Übereinstimmung für die vollständige Aufzeichnung wird zwischen den beiden Regionen (C) erzielt, die sich am nördlichen und südlichen Rand des ITCZ ​​befinden. Die Korrelationsstatistiken in jedem Feld beziehen sich auf die angegebenen Zeitintervalle.

Wir vergleichen die YOK-G-Daten auch mit Aufzeichnungen aus der ITCZ-Domäne der südlichen Hemisphäre (Abb. 3B), die durch die Huagapo-Höhle und die Niederschlags-Proxy-Datensätze des Cariaco-Beckens (Abb. 3C) dargestellt werden. Die Huagapo-Höhlen-Speläothem-Aufzeichnung (Stalagmiten P00-H1 und P09-H2) (25) aus den zentralperuanischen Anden ist eine der am besten datierten hochauflösenden Aufzeichnungen der südamerikanischen Monsundynamik. Die in der Aufzeichnung beobachtete große Variabilität wurde zuvor teilweise auf Breitenverschiebungen in der atlantischen ITCZ-Position zurückgeführt (26). Eine signifikante positive Korrelation (r = 0,63, P. <0,001) existiert zwischen dem YOK-G δ13C und die Huagapo-Höhle δ18O Aufzeichnungen im gesamten CE (Abb. 3C). Dies ist bemerkenswert angesichts ihrer großen Trennung über den Äquator (Abb. 1). Der maximale LIA-Anstieg der südamerikanischen Monsunstärke, der durch die Aufzeichnung der Haugapo-Höhle impliziert wird, wurde an anderer Stelle beobachtet, beispielsweise beim gepaarten Mikroalgen- und Mangroven-Biomarker 2H /1H Aufzeichnung von den Galapagosinseln (Abb. 1) (6), was auf eine Verschiebung des ITCZ ​​nach Süden zurückzuführen war (6). In ähnlicher Weise wurde die Variabilität der Titan (Ti) -Konzentration im Cariaco-Becken zuvor auf Änderungen des Hydroklimas der Onshore-Wasserscheide zurückgeführt, die in das Becken abfließt, was auf meridionale Verschiebungen der ITCZ-Position zurückzuführen ist (4), wobei hohe Ti-Konzentrationen feuchter als normales Klima und niedrige Ti-Konzentrationen trockener als normale Klimabedingungen entsprechen. Die Cariaco Ti-Konzentrationsdaten korrelieren stark mit dem YOK-G δ13C-Daten (r = 0,72, P. <0,001, 42 Jahre Verzögerung) (Abb. 3D) nach ~ 1300 CE. Das Lead-Lag-Problem hängt wahrscheinlich mit den größeren Altersfehlern der nicht abgestimmten Ti-Zeitreihen zusammen. Der Trocknungstrend während der LIA in der Wasserscheide des Cariaco-Beckens wurde auf die Abwanderung des ITCZ ​​nach Süden zurückgeführt (4).

Es ist nicht möglich, diese sehr hochwertigen Hydroklimaaufzeichnungen von beiden Seiten des Äquators durch ausschließliche Berufung auf meridionale ITCZ-Verschiebungen in Einklang zu bringen. Wenn die LIA durch eine einfache Verschiebung des ITCZ ​​nach Süden gekennzeichnet war, hätte dies zu einer Austrocknung in unserem Untersuchungsgebiet führen müssen, was der beobachteten Verschiebung zu viel feuchteren Bedingungen widerspricht. Unsere Daten, die für sich allein betrachtet werden, deuten auf eine Verschiebung des ITCZ ​​nach Norden hin. Alle scheinbar widersprüchlichen kreuzäquatorialen Datensätze werden durch Aufrufen eines alternativen Modells miteinander in Einklang gebracht, bei dem sich das ITCZ ​​in global kalten Klimazonen meridional ausdehnt, in der zentralen äquatorialen Kernregion jedoch schwächer wird und sich in warmen Klimazonen meridional zusammenzieht, in der Kernregion jedoch verstärkt. Diese Erklärung wird durch aktuelle Modellierungsergebnisse gestützt (7) und moderne Niederschlagsdaten, die eine Verengung des pazifischen ITCZ ​​unter moderner Erwärmung aufzeigen (27).

Ein Wavelet-Leistungsspektrum (28, 29) Analyse unseres YOK-G δ13C-Daten, die mit einer konstanten Auflösung von 0,25 Jahren erneut abgetastet wurden (Abb. 4A), zeigen, dass der Teil der Spektren vor 1400 CE durch eine schwache multidekadale Variabilität gekennzeichnet ist, jedoch kein Signal im Jahresskala aufweist, während die Daten nach 1400 CE signifikant sind ( 95% -Konfidenzintervall in schwarz umrissen) Variabilität im Jahresmaßstab, die mit der dominierenden Rolle des modernen jährlichen ITCZ-Zyklus übereinstimmt. Im Allgemeinen bezeichnen wir die Zeit nach 1400 n. Chr. Als „ITCZ-Zeit“, in der der saisonale ITCZ-Ausflug das Hydroklima an unserem Standort dominiert. Obwohl ENSO einen starken Einfluss auf das tropische Hydroklima ausübt, zeigt unsere Wavelet-Analyse (Abb. 4A) keine (interannuellen) Periodizitäten vom ENSO-Typ, insbesondere während des ITCZ-Zeitraums. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Auswirkungen von ENSO auf die Niederschläge in Zentralamerika auf der karibischen Seite räumlich unterschiedlich sein können (17). Diese Beobachtung wird durch moderne Niederschlagsdaten gestützt; In unserem Untersuchungsgebiet besteht keine statistisch signifikante Korrelation zwischen ENSO und Niederschlag (Abb. S7). Unsere monatliche Skala δ13C-Niederschlags-Proxy-Daten ermöglichen die Rekonstruktion der Paläosaisonalität. Wir vergleichen zwei dekadische Intervalle, eines aus der Zeit vor der ITCZ ​​(842 bis 852 n. Chr.) (Abb. 4, B1) und eines aus der Zeit vor der ITCZ ​​(1742 bis 1842 n. Chr.) (Abb. 4, B2) 1,3-Monats-Auflösung. Die Daten vor der ITCZ-Periode (Abb. 4, B1) enthalten kein jährliches δ13C-Zyklen, während die ITCZ-Periodendaten (Abb. 4, B2) ein gut entwickeltes Jahressignal enthalten. In einem Regime, das wie derzeit vom jährlichen ITCZ-Zyklus dominiert wird, werden starke saisonale Niederschlagszyklen erwartet. Im Gegensatz dazu deuten die großen zwischenjährlichen Veränderungen und die sehr gedämpften (oder völlig fehlenden) saisonalen Veränderungen vor 1400 n. Chr. Darauf hin, dass das ITCZ ​​die Stelle der Yok Balum-Höhle vor ca. 2000 nicht erreicht hat. 1400 CE.

Abb. 4 Wavelet-Spektralanalyse von hochauflösendem YOK-G δ13C-Daten und detaillierter Blick auf die saisonale Niederschlagsvariabilität.

(EIN) Wavelet-Spektralausgang des hochauflösenden (0,25 Jahre Auflösung) YOK-G δ13C-Daten. (B.) Unterschied in der Niederschlagsvariabilität zwischen der Vor-ITCZ-Periode und der ITCZ-Periode. Beide Segmente waren Proben mit derselben zeitlichen Auflösung von ~ 1,3 Monaten (kleine gefüllte Kreise).

Die Kontraktion und Expansion des ITCZ ​​schließt relative hemisphärische Verschiebungen (die mittlere Position des ITCZ) als Reaktion auf die unterschiedliche Erwärmung und Abkühlung der Hemisphäre nicht aus, wie wir zuvor als Reaktion auf Aerosolinjektionen gezeigt haben (12). Sowohl Modellierungs- als auch Hemisphären-Niederschlagsdaten aus beiden Hemisphären unterstützen eine meridionale Verschiebung des ITCZ ​​ab Mitte des 20. Jahrhunderts (30, 31). Dieser Effekt ist jedoch gering im Vergleich zu der ausgeprägten Trocknung an beiden Peripherien der Tropen (Abb. 3) als Reaktion auf die rasche Erwärmung in beiden Hemisphären ab dem späten 19. Jahrhundert (32).

Ein hervorstechendes Merkmal unserer hochauflösenden Daten ist, dass die Region Mittelamerika schnell aus der sogenannten ITCZ-Periode hervorgeht, die um 1400 n. Chr. Begann (Abb. 2B). Die hier diskutierten bi-hemisphärischen Beziehungen legen nahe, dass eine zusätzliche zukünftige Erwärmung wahrscheinlich zu sehr trockenen Bedingungen führen wird, die zuletzt um 600 bis 800 n. Chr. Beobachtet wurden (Abb. 3). Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das ITCZ ​​kein wesentlicher Bestandteil des zentralamerikanischen Klimasystems ist, sondern ein vorübergehendes Merkmal, das seit etwa 1400 n. Chr. Die Region betrifft und dessen Einfluss seit Mitte des 19. Jahrhunderts allmählich nachlässt. Es ist denkbar, dass der beobachtete Rückgang der modernen Niederschläge der Vorläufer dafür sein könnte, dass das ITCZ ​​Mittelamerika in Zukunft vollständig aufgibt. Unsere Ergebnisse vereinbaren einen scheinbaren Widerspruch zwischen den Modellierungsergebnissen, die das trockenere Mittelamerika und die zukünftige Erwärmung zeigen (11) und Paläoklima-Daten vom südlichen Rand des ITCZ, was ein feuchteres Klima mit Erwärmung impliziert (6, 10). Zentralamerikanische Länder, die sich derzeit am nördlichen Rand des ITCZ ​​befinden, leiden unter einer wachsenden Ernährungsunsicherheit, die teilweise durch den Klimawandel verursacht wird (33), was zu sozialen Umwälzungen und Massenmigration führt (34). Unsere Ergebnisse scheinen darauf hinzudeuten, dass sich diese Bedingungen durch die zukünftige Erwärmung weiter verschärfen werden.

MATERIALEN UND METHODEN

Methoden der Uranreihe

Das 234U-230Die Chronologie (Uranreihe) wurde am Radiogenic Isotope Laboratory der University of New Mexico durchgeführt. Die U-Th-Trennungschemie wird von Asmerom beschrieben et al. (35). Ein Teil dieser Methode wurde von Ridley beschrieben et al. (12) für die Top 456 Jahre. Da YOK-G aus Aragonit besteht, weist es eine hohe Urankonzentration auf [6.5 parts per million (ppm), on average]; So konnten wir kleine Proben zwischen 20 und 120 mg verwenden, um eine genaue und genaue Alterskontrolle der Uranreihe pro Entfernung in Stalagmit YOK-G zu erhalten. Ein Aliquot von 233U-236U-229Die hochreine gemischte Dotierung wurde zu jeder Probe gegeben. U und Th wurden unter Verwendung von Anionenaustauscherharz mit 200 bis 400 mesh Chlorid getrennt. Die U- und Th-Isotope wurden mit einem induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometer mit Thermo-Neptun-Multikollektor gemessen. 233U, 236U und 232Sie wurden an Faraday-Bechern mit 10 gemessen12 ῼ Widerstände, während 235U und 238U wurden auch an Faraday-Bechern mit 10 gemessen11 ῼ und 1010 ῼ Widerstände. 234U und 230Diese wurden mit einem Sekundärelektronenvervielfacher (SEM) gemessen, der sich hinter einem Filter mit hoher Häufigkeit befindet. Alle Messungen wurden im statischen Modus durchgeführt. Standards NBL-112 und ein Inhouse 230Th-229Die Lösung wurde während der Laufsitzungen mehrmals analysiert, um die Verstärkung zwischen dem SEM- und dem Faraday-Becher genau zu bestimmen. Initiale 230Th /232Das Verhältnis wurde aus der Analyse von Tropfwasser und zwei Carbonatpulvern geschätzt, die 2004 und 2006 von der Spitze von YOK-G erhalten wurden. Wir konnten eine empirische Beziehung zwischen ableiten 230Th /232Das Atomverhältnis, so dass 230Th /232ThAtomverhältnis (ppm) = 322,67 × 232Thppb-0,269. Halbwertszeitwerte von (36) wurden zur Berechnung der Daten verwendet (Tabelle S1). Die Genauigkeit und Präzision des Alters der Uranreihe wurde von Ridley validiert et al. (12) für die Top 456 Jahre mit dem 14C-Bombensignal und jährliche Zählung von δ13C saisonale Schwingungen; das saisonale δ13C-Zyklen wurden als Hauptchronologie für diese Veröffentlichung verwendet. Für den hier diskutierten längeren Datensatz haben wir ein robustes Altersmodell unter Verwendung des Computeralgorithmus COPRA (COnstructing Proxy Records from Age Models) erstellt (37). Das COPRA-Modellalter und das jährlich aufgelöste Alter stimmen mit den Altersunsicherheiten des Modellalters überein. Wir haben die U-Th-Chronologie für die gesamte Aufzeichnung hier verwendet, einschließlich der besten 456 Jahre, um eine Kontinuität der Methode zu gewährleisten, aber die U-Th-Chronologie ist der saisonalen δ sehr ähnlich13Chronologie der C-Zykluszählung, obwohl letztere wahrscheinlich etwas genauer ist und in früheren Veröffentlichungen zu YOK-G verwendet wurde (12, 20).

Daten zur Urankonzentration

Daten zur Urankonzentration wurden im Radiogenic Isotope Laboratory der University of New Mexico erhalten. Proben zwischen 3 und 10 mg wurden in 3% iger Salpetersäure gelöst, verdünnt und mit versetzt 115Im. Die Proben und Standards wurden unter Verwendung eines induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometers der Thermo X-Serie II analysiert. Die analytische Genauigkeit (2σ) lag je nach Konzentration zwischen 0,2 und 6%.

Stabile Isotopenanalyse

Insgesamt wurden 7151 stabile Isotopenanalysen entlang der Wachstumsachse von YOK-G über einen Zeitraum zwischen 2006 und 404 CE mit einer durchschnittlichen Auflösung von 0,22 Jahren, jedoch mit einer höheren Auflösung als monatlich über bestimmte Intervalle gemessen. Um diese beispiellose Auflösung zu erhalten, wurde YOK-G kontinuierlich mit 0,1 mm über den größten Teil der Probe und mit 0,2 mm über einige Intervalle gemahlen. Eine stabile Isotopenanalyse für die ersten 456 Jahre wurde von Ridley berichtet et al. (12), und hier diskutieren wir die Aufzeichnung zurück zu 404 CE. Die meisten stabilen Isotopenanalysen wurden an der Durham University unter Verwendung eines Thermo MAT 253-Isotopenverhältnis-Massenspektrometers mit einem GasBench II-Online-Gasaufbereitungs- und -einführungssystem (externe Genauigkeit von etwa 0,05 bis 0,10 ‰) durchgeführt. Jede Probe (220 bis 250 & mgr; g groß) wurde mit 10 Tropfen Orthophosphorsäure (H) umgesetzt3PO4) unter einer Heliumatmosphäre (Grad 5). Die Lösung wurde 2 Stunden bei 50 ° C verdauen gelassen. Zusätzlich wurden 14 externe und interne Standards mit jeder Charge (50) von Proben durchgeführt. Insgesamt wurden 5644 stabile Isotopenproben in Durham durchgeführt, und die anderen wurden an der Yale University (1132 Proben) und der University of New Mexico (375 Proben) nach ähnlichen Verfahren wie in Durham erhalten. Interlab-Vergleiche wurden unter Verwendung von Wiederholungsproben, alternierenden Proben und Standards erleichtert. Zusätzliche Vergleichsanalysen wurden an einem automatisierten Carbonat-Präparationsgerät Kiel IV mittels Phosphorsäureaufschluss durchgeführt, das an ein Thermo Delta V Plus-Massenspektrometer im Las Vegas Isotope Science Laboratory der Universität von Nevada, Las Vegas, angeschlossen war. Das Replikat δ13C-Ergebnisse stimmten innerhalb ihrer jeweiligen internen Präzision überein (siehe Abb. S3).

Inferenz der Wachstumsrate

Zusätzlich zu den Isotopen- und Elementarproxys kann die Stalagmitenwachstumsrate ein Indikator für das Hydroklima sein (12, 38), obwohl die Reaktion vom Feuchtigkeitsregime abhängt. In feuchtigkeitsbegrenzten Regimen korreliert die Wachstumsdicke häufig positiv mit der Niederschlagsmenge (38, 39), während in sehr feuchten Regimen die Korrelation umgekehrt sein kann (40). Infolgedessen kann die Reaktion der Wachstumsrate auf Niederschläge in kurzen Zeiträumen in Abhängigkeit von Änderungen der Ionenstärke des Tropfwassers erheblich variieren. Wir konnten aus den Abständen zwischen den mit COPRA erhaltenen Modellalterpunkten eine grobe Wachstumsrate ableiten (37), wie in Abb. S6. Im Fall von YOK-G bestehen signifikante negative Korrelationen zwischen δ13C und Wachstumsdicke (r = –0,64, P. <0,001) (Abb. S6), was darauf hindeutet, dass mehr Niederschlag dickere Schichten erzeugt. Bemerkenswerte Korrelationen zwischen unserem δ13C-Zeitreihen und andere hier diskutierte regionale und globale Klima-Proxys bieten zusätzliche starke Unterstützung für ihre Verwendung als Hydroklima-Proxys.

Altersmodell

Mit dem Programm COPRA wurde ein robustes Altersmodell mit vollständig propagierten Fehlern erstellt (37), die eine Monte-Carlo-Simulation und ein Übersetzungsverfahren verwendet, das die Berechnung von Proxy-Zeitreihen-Altersunsicherheiten aus radiometrischen Datumsunsicherheiten ermöglicht. Die jährliche geochemische Schichtzählung der oberen 365 mm (1550 bis 1983 CE) zeigt eine hervorragende Übereinstimmung mit dem Alter der Uranreihe (12). Obwohl die Chronologie für die früheren kürzeren Studien verwendet wurde (12, 20, 21) basierte auf der Anzahl der geochemischen Schichten. Hier verwendeten wir ausschließlich eine Chronologie der Uranreihe, um die gleiche Datierungstechnik während der gesamten erweiterten Aufzeichnung beizubehalten.

Datenbehandlung und Statistik

Glättung, Interpolation und Korrelation wurden in MATLAB durchgeführt. Das YOK-G δ13C-Daten haben eine mittlere Auflösung von 0,22 Jahren, während die Urankonzentrationsdaten eine mittlere Auflösung von ~ 3 Jahren haben. Einige andere Datensätze haben unterschiedliche Auflösungen. Für die Korrelationsarbeit wurden die Daten auf die niedrigeren Auflösungen von zwei Datensätzen interpoliert. Die Bedeutung der r Die Werte wurden zuerst bestimmt, indem für jeden Datensatz nach der Methode von Bretherton ein neuer effektiver Freiheitsgrad (EDOF) ermittelt wurde et al. (41), wie folgtEDOF=N.(1- -r1r2)(1+r1r2)(1)wo, N. ist die Länge der Zeitreihen und r1 und r2 sind die Lag-One-Autokorrelation. Mit dem neuen reduzierten Freiheitsgrad wird eine Reihe von t Werte wurden berechnet. Das P. Der Wert für jeden gezeigten Korrelationskoeffizienten ist kleiner als der angegebene Schwellenwert für zweiseitig t Werte. Somit ist a P. Wert zwischen 0,005 und 0,001 wird als angezeigt P. <0,005. Die Werte, die niedriger als 0,001 sind, unabhängig davon, wie niedrig sie sind, werden einfach als angezeigt P. <0,001.

Im Gegensatz zu YOK-G und JUX-MX befindet sich die Tzabnah-Höhle (Chaac) im Norden von Yucatan, Mexiko (23) besteht aus kalzitarmem Urit, und folglich weist das Alter große Fehler auf, die mit Unsicherheiten in der Anfangszeit verbunden sind 230Th /232Die Verhältnisse. Das Alter für die Tzabnah-Höhle wurde innerhalb der Altersunsicherheiten unter Verwendung des genauen und präzisen YOK-G-Altersmodells eingestellt. Das Alter der Uranreihen für die drei in Abb. 3 (A und B) verglichenen Speläotheme (YOK-G, JUX-MX und Tzabnah-Höhle) wurde im Labor des Erstautors durchgeführt. Die Daten wurden innerhalb der Altersunsicherheiten unter Verwendung des genauen und präzisen YOK-G-Altersmodells (in 3B gezeigt) abgestimmt. Die Wavelet-Analyse wurde mit einem MATLAB-Programm von Grinsted durchgeführt et al. (28) nach der ursprünglichen Formulierung von Torrence und Compo (29).

ZUSATZMATERIALIEN

Ergänzendes Material zu diesem Artikel finden Sie unter http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/7/eaax3644/DC1

Abb. S1. Landkarte.

Abb. S2. Daten zu Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit.

Abb. S3. Ergebnisse von Doppelanalysen mit Kiel- und GasBench-Einlasssystemen.

Abb. S4. δ13Niederschlagsdaten C gegen Regenzeit (Juni bis Oktober).

Abb. S5. Vergleich zwischen Isotopendaten und Wachstumsrate.

Abb. S6. δ18O- und U-Konzentrationsdaten für YOK-G.

Abb. S7. Jährlicher Oceanic Nino Index versus monatliche durchschnittliche Niederschlagsdaten der Regenzeit.

Tabelle S1. Chronologiedaten der Uranreihe.

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Danksagung: Wir danken dem Belize Institute of Archaeology für die Forschungserlaubnis (2006-2008) an K.M.P. und Zugang zur Höhle durch den Landbesitzer, das Dorf Santa Cruz und die UKAA. Finanzierung: Diese Forschung wurde durch Zuschüsse des NSF unterstützt: NSF-BCS 0620445 (an K.M.P.), NSF-HSD 0827305 (an K.M.P. und Y.A.), NSF-EAR-0326902 (an Y.A.), NSF-HSD 0827312 (an D.J.K.); und die Alphawood Foundation (2009-2014 an K.M.P.); und der Europäische Forschungsrat (ERC240167 an J.U.L.B.). Meteorologische Aufzeichnungen mit freundlicher Genehmigung von HYDROMET, Regierung von Belize. Autorenbeiträge: Y.A. schrieb den Entwurf; V.J.P., Y.A. und V.V.A. waren verantwortlich für die Chronologie der Uranreihen; Y.A. und V.J.P. waren für die Spurenelementarbeit verantwortlich; und J.U.L.B., H.E.R. und C.G.M. waren für die Stabilisotopenanalyse verantwortlich. Y.A. hat die statistische und spektrale Analyse durchgeführt. D.J.K., K.M.P., Y.A. und S.F.M.B. konzipierte das ursprüngliche Projekt. K.M.P., S.F.M.B., J.U.L.B. und H.E.R. waren verantwortlich für die Feldarbeit und Logistik. Alle Autoren haben zur Verfeinerung des Manuskripts beigetragen. Konkurrierende Interessen: Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben. Daten- und Materialverfügbarkeit: Alle Daten, die zur Bewertung der Schlussfolgerungen im Papier benötigt werden, sind im Papier und / oder in den ergänzenden Materialien enthalten. Zusätzliche Daten zu diesem Artikel können von den Autoren angefordert werden.

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