De planktische en bentische δ18O signalen op locatie 1146 verschillen aanzienlijk in hun lange-en korte-termijntrends tussen 9 en 5 Ma, wat wijst op een ontkoppeling van regionale hydrologie en de evolutie van de Antarctische ijskap, die de belangrijkste component van de cryosfeer vormde tijdens het Midden-en late Mioceen (bijv. refs. 35,36). Gemengde laagtemperatuur en zeewater δ18o reconstructies op locatie 1146 ondersteunen bovendien dat aanzienlijke veranderingen in Zuidoost-Aziatische hydroklimaat plaatsvonden na ~8 Ma, die versneld op ~7 Ma, maar lijken niet nauw verbonden met het zuidelijk halfrond hoge breedtegraad klimaat (benthische δ18O) trends.

tussen 7,1 en 6,9 Ma documenteren de temperaturen boven de oceaan op locatie 1146 een aanhoudende koeling (~2 °C gemiddelde koeling), die tot ~5,7 Ma (Fig. 3b en 4a). Deze koeling ging gepaard met een langdurige toename van de gemiddelde en amplitude variabiliteit van zeewater δ18O (aanvullende Noot 3; aanvullende Fig. 9A, C), zoals blijkt uit een eerdere studie met lage resolutie 34. Deze trends wijzen op een verandering in de hoeveelheid en/of δ18O-samenstelling van neerslag en runoff, waarschijnlijk geassocieerd met veranderingen in de herkomst en/of seizoensgebondenheid van neerslag in de richting van een meer uitgesproken moessonale seizoensgebondenheid en een meer temperatuurgecontroleerde seizoensgebondenheid van regenwater δ18O (d.w.z. δ18O uitgeputte neerslag in de winter37). We schrijven deze hydrologische veranderingen in de noordelijke Zuid-Chinese Zee na ~7 Ma toe aan het koelen en drogen van de Aziatische landmassa en een daarmee samenhangende zuidwaartse verschuiving van de gemiddelde zomerpositie van de Intertropische convergentiezone (ITCZ), resulterend in verminderde invloed van tropische convectie en geïntensiveerde droge wintermoesson over Zuidoost-Azië. Het drogen en afkoelen op het Aziatische continent bij ~7 Ma worden ondersteund door onafhankelijke aanwijzingen, zoals verhoogde stofophoping in het noorden van China38, vegetatieverandering in het centrale China39 en een toename van de gemiddelde korrelgrootte van de terrestrische sedimentfractie op locatie 1146 40. Bovendien wijst het overwicht van een weekdiergroep die de voorkeur geeft aan koude droge omstandigheden in de löss-en paleosollagen van Centraal-China tussen 7,1 en 5,5 Ma op een overheersende wintermoessonregeling in deze periode41.

in tegenstelling tot deze belangrijke hydrologische veranderingen op het noordelijk halfrond suggereert de gemiddelde benthische δ18O slechts een relatief bescheiden, stapsgewijze uitzetting van de Antarctische ijskap en/of diepe waterkoeling bij ~7 Ma (Fig. 2c en 4f). Echter, de intensivering van de Zuidoost-Aziatische wintermoesson na ~7 Ma werd geassocieerd met een lange-termijn trend naar zwaardere benthische δ18O maxima, die culmineerde in de meest intense maxima (TG22, 20, 14, en 12 tussen 5,8 en 5,5 Ma) binnen het gehele late Mioceen, alvorens om te keren in het vroege Plioceen (Fig. 2c en 5f). Tijdens deze extreme gebeurtenissen zweefde de benthische δ18O dicht bij 3‰ (~0,4–0,6‰ toename), wat binnen het bereik ligt van de late Plioceenwaarden en van de tussenliggende waarden tussen piekholoceen-en glaciale niveaus op dezelfde plaats18. Een eerdere studie42 relateerde deze intense δ18O maxima aan episodes van Antarctische ijs volume toename. Uit de gegevens van Site 1146 blijkt echter dat de benthische δ18O maxima (TG22, 20, 14, 12, 4 en T8) samenvallen met de planktische δ18O maxima tussen 6,0 en 5.0 Ma, wat wijst op gelijktijdige variaties in diepwater δ18O en regionale hydrologie, die nauw verband houdt met extratropische klimaatveranderingen op het noordelijk halfrond (Fig. 5e, f). Gemengde laagtemperaturen vertonen bovendien gelijktijdige scherpe dalingen van 2-3 °C tijdens deze gebeurtenissen (Fig. 5a), wat inhoudt dat het noordelijk halfrond afkoelt tot subtropische breedtegraden. Het voorkomen van ijsgraft puin in North Pacific43 en North Atlantic44 sediment kernen wijst verder op noordelijke hemisfeer ijs buildups tussen 6 en 5 Ma. Uitbreiding van het Arctische zeeijs tijdens deze intense koude periodes zou de positieve Albedo feedback hebben verhoogd, waardoor de afkoeling werd versterkt en de ijsgroei werd bevorderd. Samen deze lijnen van bewijs ondersteunen de ontwikkeling van kortstondige noordelijke halfrond ijskappen (bijvoorbeeld Groenland, Alaska, Labrador) tussen 6,0 en 5,5 Ma die zeer gevoelig waren voor insolatie forcing.

de Site 1146 records tonen bovendien aan dat klimaatkoeling en intensivering van de wintermoesson bij ~7 Ma samenvielen met de laatste fase van een langdurige, globale benthische en planktische δ13C dalingen 27,28 (LMCIS, Fig. 2a en 4c, d). Deze belangrijke verschuiving van ~1‰, die bijna 7,8 Ma begon, is geïnterpreteerd als een wereldwijde afname van de δ13C van de opgeloste anorganische koolstofpool, hoewel de oorzaken ervan nog steeds worden besproken (bv. refs. 22,45,46). Een lang gekonkel onder de betwiste hypothesen is dat deze globale daling van δ13C verband hield met de late Mioceen verspreiding van C4 graslanden, die beter zijn aangepast aan lage pCO2 en aan verminderde seizoensgebonden neerslag. Deze grootschalige uitbreiding wordt verondersteld te hebben geresulteerd in een overdracht van 13C van de mariene naar de terrestrische koolstofpool47,48,49. Een afname van atmosferische pCO2, bijvoorbeeld gekoppeld aan langetermijnveranderingen in de Oceanische en/of terrestrische koolstofinventarissen, zou klimaatkoeling na ~7 Ma kunnen verklaren, geassocieerd met equatorward migratie van de ITCZ en krimp van het WPWP.

de gradiënt tussen benthisch en planktisch δ13C geeft bovendien inzicht in veranderingen in atmosferische pCO2, omdat deze wordt beïnvloed door twee belangrijke factoren: de sequestratie-efficiëntie van de biologische pomp en evenwichtsprocessen tussen de bovenste oceaan en de atmosfeer (aanvullende Noot 4; aanvullende Fig. 10). De equilibratietijd voor δ13C in de gemengde oppervlaktelaag van de oceaan vertoont een lineaire correlatie met de verhouding van opgeloste anorganische koolstof tot pCO2, wat leidt tot een langzame equilibratie en een verhoogde δ13C in de gemengde oceaanlaag ten opzichte van de atmosfeer onder lage pCO2. Recente modelsimulaties toonden aan dat een versnelde equilibratie onder verhoogde atmosferische pCO2 de isotopische onevenwichtigheid vermindert, leidt tot δ13C onder de bovenste oceaan en dus de gradiënt vermindert tussen δ13C van oppervlakte-en diepwatermassa50. Bijgevolg vertoont de verticale δ13C-gradiënt in de oceaan een zachtere helling onder hoge atmosferische pCO2 en steiler tijdens intervallen van dalende pCO2.

steiling van de gradiënt tussen planktisch en bentisch δ13C na ~7 Ma op locatie 1146, wanneer de temperatuur van de gemengde lagen ook daalde (Fig. 3a, b), suggereert dat de pCO2-niveaus daalden en uiteindelijk niveaus bereikten die de vorming van voorbijgaande ijskappen op het noordelijk halfrond mogelijk maakten tussen 6,0 en 5,5 Ma. Deze steilere gradiënt duidt ook op een langdurig interval van aanzienlijk verbeterde mariene productiviteit en accumulatiesnelheden van biogene componenten (“biogene bloei” oorspronkelijk beschreven in ref. 51) op tal van locaties in de Stille Oceaan, Indische en Atlantische Oceaan (bijv., ref. 52 en verwijzingen daarin). In de oostelijke equatoriale Stille Oceaan bereikte de opaal-en carbonaatdepositie een maximum tussen 7,0 en 6,4 Ma tijdens de piek van de biogene bloei in de regio46. Een plausibel scenario is dus dat veranderingen in nutriëntenvoorziening en/of Routes De mariene productiviteit na ~7 Ma stimuleerden. Steiling van de evenaar naar Pool temperatuurgradiënt geassocieerd met globale koeling na ~7 Ma (Fig. 3a, b; ref. 2) bevorderde intensivering van de Hadley en Walker circulatie met gevolgen voor de wind-aangedreven circulatie en neerslag patronen (bijv., ref. 53). De versterking van de wind kan op zijn beurt hebben bevorderd upwelling en bemesting van de oceaan, helpen om intense biogene bloei door de Stille Oceaan, die verbeterde koolstofopslag en verminderde pCO2 in de oceaan in een positieve feedback lus.

eerder onderzoek toonde aan dat de amplitude van de LMCIS verschilt in oceaanbekkens (bijv. ref. 54). Uit een vergelijking van de benthische δ13C-profielen blijkt met name dat de gradiënt tussen de Stille Oceaan en de Atlantische Oceaan tijdens de laatste fase van de LMCIS is toegenomen (Fig. 6b; ref. 54). De steilere Inter-basinale gradiënt na ~7 Ma kan niet worden verklaard door een toename van de productie en zuidwaartse ontwikkeling van Noord-Atlantisch diep Water, aangezien deze relatief warme en / of verse (lichtere δ18O) en 13C-verrijkte watermassa zich niet lijkt te hebben verspreid naar de Zuid-Atlantische en Zuidelijke Oceaan, die beïnvloed bleef door koudere, dichtere (zwaardere δ18O) en δ13C uitgeputte watermassa ‘ s door het late Mioceen (Fig. 6a, b; ref. 54). Als alternatief kan de steilere interbasinale δ13C-gradiënt na ~7 Ma worden aangedreven door verhoogde uitvoer van met nutriënten verrijkt water met een lager voorgevormde δ13C van de Zuidelijke Oceaan naar de Stille Oceaan (bijv. ref. 54) en / of om de primaire productiviteit en de regeneratie van nutriënten in de Stille Oceaan op lage breedtegraad te verhogen.

vergelijking van late Mioceen interbasinale benthische δ18O-en δ13C-gradiënten. een verticale verdeling van δ13C in de oceanen van de wereld na een late verschuiving van δ13C in het Mioceen. Gemiddelde waarden over interval 7-5 Ma voor belangrijke locaties in de Stille Oceaan, Atlantische Oceaan, Indische en Zuidelijke oceanen samengesteld uit refs. 22,54,55,76, NADW: North Atlantic Deep Water, PCW: Pacific Central Water. B Late Mioceen evolution of inter-basinal benthic δ18O and δ13C gradients: comparison of Pacific ODP Site 1146 and Atlantic ODP site 926 and 99922,23 and equatorial Pacific IODP Site u133855 over interval 9-5 Ma. Stabiele isotopengegevens van Sites 926 en 999 zijn uitgezet op oorspronkelijk gepubliceerde leeftijdsmodellen. In het interval 8,2–7,5 Ma werd het U1338 leeftijdsmodel aangepast aan dat Van Site 1146 door het afstemmen van de δ13C records. Lila markeringen globale δ13C daling samenvallend met planktische δ18O stijging en hoge amplitude schuine modulatie van benthische δ18O. blauwe markeringen laatste fase van globale δ13C daling. Licht oranje schaduw markeert klimaatopwarming na 5,5 Ma. Gladde kromme in b uitgevoerd met behulp van lokaal gewogen least squared error (Lowess) methode

vergelijking van benthische δ13C-profielen van locatie U1338 in de abyssale equatoriale Stille Oceaan 55 en het ondiepere gebied 1146 in de noordwestelijke subtropische Stille Oceaan (Fig. 6b) laat zien dat de samenstelling van Pacifische watermassa ‘ s veranderde na 7,2 Ma. De convergentie van de δ13C-records na 7,2 Ma wijst op de expansie van een δ13C-uitgeputte centrale Diepwatermassa in de Stille Oceaan naar ondiepere dieptes tijdens de piek van de biogene bloei. De uitbreiding van een 12C-verrijkte diepwatermassa na 7,2 Ma houdt ook een verhoogde koolstofopslag in de diepe Stille Oceaan in, als deze voornamelijk wordt gedreven door een verhoogde productiviteit en nutriëntenregeneratie in de Stille Oceaan en de Indische Oceaan. De Globale efficiëntie van de biologische pomp weerspiegelt een evenwicht tussen regio ‘ s met een hoge en lage breedtegraad met verschillende sequestratie – efficientie56. Zo kan een verhoogde productiviteit en de export van organisch materiaal in de tropische en subtropische Oceaan de mondiale sequestratie-efficiëntie verhogen en de atmosferische pCO2 verlagen, zelfs wanneer diepwatervorming plaatsvindt in gebieden met een inefficiënte biologische pomp op hoge breedtegraden.

De geà ntegreerde benthische isotoopgegevens In locatie 1146 leveren de eerste continue, sterk opgeloste tijdreeksen van een enkele locatie die de laatste 16,4 Myr overspannen (Fig. 7a). Deze uitgebreide records volgen de overgang van een warmere Midden-Mioceen klimaatfase met een verminderde en zeer dynamische Antarctische ijsbedekking (tot ~14 Ma) naar een steeds koudere modus met meer permanente en stabiele ijskappen in het late Mioceen17. Deze gegevens stellen ons bovendien in staat om de lange termijn relatie tussen radiatieve forcering en de respons van de oceaan/het klimaat die is ingeprent op het benthische δ18O signaal te evalueren. Zo is de 41 kyr-schuine cyclus vooral prominent aanwezig in de benthische δ18O-serie tussen 7,7 en 7,2 Ma (Fig. 2c), tijdens een configuratie van de baan van de aarde, wanneer de variabiliteit van hoge amplitude in obliquity congruent is met de variabiliteit van extreem lage amplitude in korte excentriciteit (aanvullende Fig. 3, 4A, E). Het begin van de ~ 80 kyr lange positieve excursie in benthische δ18O gecentreerd op 7,2 Ma valt met name samen met minima in obliquity (41 kyr) en in excentricity (100 kyr, 400 kyr, en 2,4 Myr amplitudemodulatie) (Fig. 7b; aanvullende Fig. 3). Bij schuine en excentriciteit minima, lagere zomer insolatie op hoge breedtegraden remt smelten van sneeuw en ijs. Deze combinatie van klimatologische forceerfactoren bevorderde waarschijnlijk een aanhoudende koude fase in de hoge breedtegraden die twee opeenvolgende schuine cycli duurde, resulterend in een verlengde benthische δ18O positieve excursie. Hernieuwde variaties in excentriciteit en precessie in hoge amplitude samen met maximale amplitudevariabiliteit in obliquity dreven de opeenvolgende rebounds waarschijnlijk tussen 7,2 en 7,0 Ma.

midden tot Laat Mioceen klimaatkoeling stappen samenvallen met ongewone congruentie van de baan van de aarde. een Mioceen tot Pleistoceen (16-0 Ma) bentische δ18O-en δ13C-records van ODP-Site 1146, samengesteld op basis van refs. 15,16,17,18 en dit werk. Blauwe pijlen markeren de belangrijkste fasen van glaciale expansie / diepe waterkoeling; 3 pt glad: 3 pt bewegend gemiddelde. Lilac arcering markeert globale δ13C daling samenvallend met planktische δ18O stijging en hoge amplitude schuine modulatie van benthische δ18O. Blauwe schaduw markeert de laatste fase van globale daling van δ13C. Licht oranje schaduw markeert klimaatopwarming na 5,5 Ma. B vergelijking van benthic (C. wuellerstorfi en/of C. mundulus) δ18O van ODP Site 1146 (15,16,17 en dit werk) met orbitale parameters (excentriciteit en obliquity van ref. 21) toont een vergelijkbare opeenvolging van klimatologische gebeurtenissen tijdens drie Mioceen koeling episodes met opvallend vergelijkbare achtergrond orbitale configuratie. Blauwe arcering markeert afkoeling episodes na een lange periode van hoge amplitude variabiliteit in obliquity congruent met lage variabiliteit in korte excentriciteit (grijze arcering). Lichtoranje markeert voorbijgaande opwarmingsepisodes die samenvallen met variabiliteit in hoge amplitude in korte excentriciteit

deze opeenvolging van klimatologische gebeurtenissen, evenals hun achtergrond orbitale configuratie waren opvallend vergelijkbaar tijdens twee eerdere Mioceen koelepisodes: de Midden-Mioceen klimaattransitie op ~13.9 Ma, wat resulteerde in een belangrijke uitbreiding van de Oost-Antarctische ijskap en de minder uitgesproken late Mioceen koelstap bij ~9,0 Ma (Fig. 7 ter). In alle drie de gevallen valt de 41 kyr-cyclus aanvankelijk op in het benthische δ18O-signaal gedurende een langdurige periode van variabiliteit in obliquititeit met hoge amplitude, congruent met lage variabiliteit in korte excentriciteit. Een duidelijke verrijking in benthische δ18O (0,2-0,3‰), die wijst op ijsgroei en/of diepe waterkoeling tegen het einde van dit interval, valt samen met verlengde minima in excentriciteit, met een duur van ~100-200 kyr. De daaropvolgende rebounds bij pieksolatie, gekoppeld aan veranderingen in excentrieke cadans (van 400 tot 100 kyr variabiliteit), wijzen op episodes van voorbijgaande ijsschotsafbraak en diepwateropwarming. Deze ongewone orbitale Congruentie lijkt gunstig voor koeling op hoge breedtegraad in het noordelijke en zuidelijke halfrond, hoewel de randvoorwaarden aanzienlijk verschilden tijdens deze drie intervallen van klimaatverandering. De middelste Mioceen koelstap vond plaats in een veel warmere klimaatfase, gekenmerkt door aanzienlijk lichtere gemiddelde benthische δ18O (Fig. 7a, b). Op dat moment was de minder uitgebreide ijsbedekking boven Antarctica waarschijnlijk dynamischer en zeer responsief op de zomerzonnering op het zuidelijk Halfrond57, 58, in tegenstelling tot de meer uitgebreide Antarctische ijskap tijdens het late Mioceen. Dit langetermijnperspectief illustreert de niet-lineaire respons van het oceaan/klimaatsysteem op orbitale forcering en de rol van interne feedbackprocessen zoals ijskaphysterese, latitudinale temperatuurgradiënten, oceaancirculatie en CO2-uitwisseling tussen terrestrische, atmosferische en oceanische reservoirs.

De onzekerheid van de CO2-forcering tijdens het Mioceen blijft een grote uitdaging voor het bepalen van de kenmerken en dynamiek van warmere klimaattoestanden. Hoewel de huidige pCO2-reconstructies geen significante verandering vertonen door het late Mioceen, met niveaus die dicht bij of iets boven pre-industriële niveaus blijven, onzekerheden van meer dan 200 p. p .m. (zie compilaties in refs. 9,59,60) de beoordeling van variabiliteit en gevoeligheid voor CO2-forcering binnen het kritieke pre-industriële tot moderne bereik uitsluiten. Om de gevoeligheid van outputs voor pCO2 onzekerheden te testen, hebben sommige simulaties van Laat Mioceen klimaat met behulp van gekoppelde atmosfeer–Oceaan circulatiemodellen atmosferische pCO2 concentraties toegepast in het pre-industriële bereik (~280 p. p. m.), evenals meer verhoogde niveaus van 400-450 p.p. m. (bijv. refs. 60,61). Deze studies wezen op belangrijke veranderingen in de vegetatiedistributie60 en de zeeijsbedekk61 in het noordelijk halfrond onder deze verschillende pCO2-Staten. Met name de bosgebieden namen af en de albedo van de Euraziatische en Noord-Amerikaanse landmassa nam toe onder lagere pCO2, als gevolg van de aanzienlijk lagere (met 4-10 °C) gemiddelde luchttemperaturen en verminderde neerslag tijdens de boreale winter60. Deze bevindingen zijn in overeenstemming met een eerdere modelleringsstudie62, die aantoonde dat vegetatieveranderingen belangrijker waren dan paleogeografie bij het bepalen van het late Mioceen klimaat. Gesimuleerde gemiddelde zomer-SST-en zeeijsconcentraties in de noordelijke Ijszee61 toonden ook aan dat de regio zeer gevoelig is voor relatief kleine veranderingen in pCO2, aangezien in de centrale Noordelijke IJszee het hele jaar door een zee-ijsbedekking heerst op pre-industriële niveaus, terwijl de zomeromstandigheden ijsvrij zijn bij concentraties van 450 p.p.m. Dit verschil in seizoensgebonden ijsbedekking is van cruciaal belang omdat dit zeer verschillende terugkoppelingen in termen van albedo en warmte-uitwisseling met verstrekkende gevolgen voor het mondiale klimaat61 impliceert. Recente model simulaties van Plioceen warmte bovendien gewezen op het belang van feedback geassocieerd met wolk Albedo en Oceaan mengen in het besturen van veranderingen in meridionale en zonale temperatuurgradiënten, ondanks relatief bescheiden veranderingen in pCO263,64,65,66.

gegevens uit deze studie ondersteunen dat subtropische klimaatkoeling en intensivering van de Zuidoost-Aziatische wintermoesson na ~7 Ma synchroon waren met afnemende pCO2 (Fig. 3a en 4b) in een globale context van steile meridionale thermische gradiënten2. We speculeren dat deze late Mioceen klimaatverschuiving werd geassocieerd met een relatief kleine daling van pCO2, die werd versterkt door een combinatie van positieve feedback. Variaties in het noordelijke halfrond zee–ijsbedekking en vegetatie in samenhang met veranderingen in de oceaanatmosfeer circulatie waren waarschijnlijk instrumenteel in het besturen van het late Mioceen klimaat, zoals geïllustreerd door recente modellering simulaties van het late Mioceen klimaat60,61,62. Het dynamische gedrag van het oceaanklimaatsysteem tussen 9 en 5 Ma suggereert een nauwe koppeling tussen koolstofcyclus variaties en lage breedtegraad klimaatevolutie. In het bijzonder tonen onze resultaten aan dat veranderingen in het Antarctische ijsvolume niet de primaire motor waren van de late Mioceen klimaatontwikkeling en dat processen met lage breedtegraad, waaronder moessoonse windwerking van de circulatie en productiviteit van de bovenzee, een sterke invloed hadden op de klimaat-koolstofcyclusdynamiek. Aanvang van koudere klimaatomstandigheden op ~7 Ma tijdens de laatste fase van de LMCIS viel samen met intensivering van de Aziatische wintermoesson en versterking van de biologische pomp van de Stille Oceaan, die bleef tot ~5,5 Ma. Dit suggereert dat veranderingen in de Globale koolstofcyclus de overdracht van aardse koolstof in een koelend, droog klimaat impliceerden, evenals schommelingen in de koolstofopslagcapaciteit van de diepe oceaan en de sedimentaire koolstofputten. Tijdelijke Noordelijk Halfrond glaciations tussen 6,0 5,5 Ma daarnaast geven aan dat de atmosferische pCO2 niveaus zweefde dicht bij en af en toe de drempel noodzakelijk is voor het Noordelijk Halfrond ijskap groei in deze periode.