Refereed publications in so-called high-impact journals:

  1. Stute, M., Clement, A., Lohmann, G., 2001: Global climate models: Past, present, and future. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 98, Issue 19, 10529-10530. (pdf), (Abstract of the talk)
  2. Knorr, G., and G. Lohmann, 2003: Southern Ocean Origin for Resumption of Atlantic Thermohaline Circulation during Deglaciation. Nature, 424, 532-536. Abstract pdf , link , news and views
  3. Felis, T., G. Lohmann, H. Kuhnert, S. Lorenz, D. Scholz, J. Pätzold, S. A. Al-Rousan, S. M. Al-Moghrabi, 2004: Increased seasonality in Middle East temperatures during the last interglacial period. Nature 429, 164-168. link Nature-link Nature-highlight
  4. Drysdale, R.N., J.C. Hellstrom, G. Zanchetta, A.E. Fallick, M.F. Sánchez Gõni, I. Couchoud, J. McDonald, R. Maas, G. Lohmann & I. Isola, 2009: Evidence for obliquity forcing of glacial Termination II. Science 325, 1527-1531. DOI: 10.1126/science.1170371 (link) (pdf)
  5. Laepple, T., M. Werner, and G. Lohmann, 2011: Synchronicity of Antarctic temperatures and local solar insolation on orbital time-scales. Nature, 471, 91–94. doi:10.1038/nature09825 (link, nv) (press)
  6. Laepple, T., M. Werner, and G. Lohmann, 2011: Reply on "Antarctic accumulation seasonality". Brief communication arising. Nature 479, E2–E4. doi:10.1038/nature10614 (link) (pdf)
  7. Salzmann, U., A. M. Dolan, A. M. Haywood, W.-L. Chan, D. J. Hill, A. Abe-Ouchi, B. Otto-Bliesner, F. Bragg, M. A. Chandler, C. Contoux, A. Jost, Y. Kamae, G. Lohmann, D. J. Lunt, S. J. Pickering, M. J. Pound, G. Ramstein, N. A. Rosenbloom, L. Sohl, C. Stepanek, H. Ueda, Z. Zhang, 2013: Challenges in quantifying Pliocene terrestrial warming revealed by data-model discord. Nature Climate Change, 3, 969-974, doi:10.1038/nclimate2008 (link)
  8. Knorr, G., and G. Lohmann, 2014: A warming climate during the Antarctic ice sheet growth at the Middle Miocene transition. Nature Geoscience, 7, 376–381. doi: 10.1038/NGEO2119 (link) (press release AWI) (press release)
  9. Weber, M. E., Clark, P. U., Kuhn, G., Timmermann, A., Sprenk, D., Gladstone, R., Zhang, X., Lohmann, G., Menviel, L., Chikamoto, M. O., Friedrich, T., Ohlwein, C., 2014: Millennial-scale variability in Antarctic ice-sheet discharge during the last deglaciation. Nature 510, 134–138, doi:10.1038/nature13397
    10. (link) (news and views) (press release in German) (press release) (press release 2)
  10. Zhang, X., G. Lohmann, G. Knorr, C. Purcell, 2014: Abrupt glacial climate shifts controlled by ice sheet changes. Nature 512, 290–294, DOI: 10.1038/nature13592 (link) (press) (press2)
  11. Liu, Z., J. Zhu, Y. Rosenthal, X. Zhang, B. Otto-Bliesner, A. Timmermann, R.S. Smith, G. Lohmann, W. Zheng, O. E. Timm, 2014: The Holocene temperature conundrum. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 111 no. 34, 3501–3505, doi: 10.1073/pnas.1407229111 (link) (press)
  12. Mudelsee, M., T. Bickert, C. H. Lear, and G. Lohmann, 2014: Cenozoic climate changes: A review based on time series analysis of marine benthic δ18O records, Rev. Geophys., 52, 333-374, doi:10.1002/2013RG000440. (link) (link2) (data)
  13. Felis, T., C. Giry, D. Scholz, G. Lohmann, M. Pfeiffer, J. Pätzold, M. Kölling, S. R. Scheffers, 2015: Tropical Atlantic temperature seasonality at the end of the last interglacial. Nature Comm. 6:6159; DOI: 10.1038/ncomms7159 (link)
  14. Winter A., D. Zanchettin, T. Miller, Y. Kushnir, D. Black, G. Lohmann, A. Burnett, G. Haug, J. Estrella-Martínez, S. F.M. Breitenbach, L. Beaufort, A. Rubino, H. Cheng, 2015: Persistent drying in the tropics linked to natural forcing. Nature comm. 6:7627 doi: 10.1038/ncomms8627 (link)
  15. Abelmann, A., R. Gersonde, G. Knorr, X. Zhang, B. Chapligin, E. Maier, O. Esper, H. Friedrichsen, G. Lohmann, H. Meyer, and R. Tiedemann, 2015: The seasonal sea ice zone in the glacial Southern Ocean as a carbon sink. Nature comm. 6, 8136. DOI: 10.1038/ncomms9136 (link) (press release)
  16. Stein, R., K. Fahl, M. Schreck, G. Knorr, F. Niessen, M. Forwick, C. Gebhardt, L. Jensen, M. Kaminski, A. Kopf, J. Matthiessen, W. Jokat, and G. Lohmann, 2016: Evidence for ice-free summers in the late Miocene central Arctic Ocean. Nature comm. 7, 11148, doi:10.1038/ncomms11148 (link) ( press release) (German press release)
  17. Wassenburg, J. A., S. Dietrich, J. Fietzke, J. Fohlmeister, K. P. Jochum, D. Scholz, D. K. Richter, A. Sabaoui, C. Spötl, G. Lohmann, M. O. Andreae, A. Immenhauser, 2016: Major reorganization of the North Atlantic Oscillation during Early Holocene deglaciation. Nature Geo, 9, 602 - 605. doi:10.1038/ngeo2767 (link) (German press release) (press release)
  18. Staerz, M., W. Jokat, G. Knorr, G. Lohmann, 2017: Threshold in North Atlantic-Arctic Ocean circulation controlled by the subsidence of the Greenland-Scotland Ridge. Nature comm. 8, 15681. DOI: 10.1038/ncomms15681 (link) (press release) (press release German)
  19. Zhang, X., G. Knorr, G. Lohmann, S. Barker, 2017: Abrupt North Atlantic circulation changes in response to gradual CO2 forcing in a glacial climate state. Nature Geo. DOI: 10.1038/NGEO2974 (link) (press release) (press release German) (press release German 2) (press release Cardiff) (press release PalMod)
  20. Hasenclever, J., G. Knorr, L. Rüpke, P. Köhler, J. Morgan, K. Garofalo, S. Barker, G. Lohmann, I. R. Hall, 2017: Sea level fall during glaciation stabilized atmospheric CO2 by enhanced volcanic degassing. Nature comm. 8, 15867; doi:10.1038/ncomms15867 (link) (press release) (press release German)
  21. Stein, R., K. Fahl, P. Gierz, F. Niessen, and G. Lohmann, 2017: Arctic Ocean sea ice cover during the penultimate glacial and last interglacial. Nature comm. 8: 373. doi:10.1038/s41467-017-00552-1 (link) (press release) (press release German)
  22. Lembke-Jene, L., R. Tiedemann, D. Nürnberg, X. Gong, G. Lohmann, 2018: A rapid shift and millennial-scale variations in Holocene North Pacific Intermediate Water ventilation. Proc. Natl. Acad. Sci. 115 (21) 5365-5370. doi:10.1073/pnas.1714754115 (link). (press release German), (press release)
  23. Colleoni, F., L. De Santis, C. S. Siddoway, A. Bergamasco, N. Golledge, G. Lohmann, S. Passchier, and M. Siegert, 2018: Spatio-temporal variability of processes across Antarctic ice-bed-ocean interfaces. Nature comm. 9: 2289, DOI: 10.1038/s41467-018-04583-0 (link), (pdf), (pdf of the Review Article) (German)
  24. Maier, E., X. Zhang, A. Abelmann, R. Gersonde, S. Mulitza, M. Werner, M. Méheust, J. Ren, B. Chapligin, H. Meyer, R. Stein, R. Tiedemann, G. Lohmann, 2018: North Pacific freshwater events linked to glacial ocean circulation changes. Nature 559, 241–245. Doi:10.1038/s41586-018-0276-y (news and views) (link) (press release German), (press release)
  25. Werner, M., J. Jouzel, V. Masson-Delmotte, G. Lohmann, 2018: Reconciling glacial-interglacial changes of Antarctic water stable isotopes, ice sheet topography, and the isotopic paleothermometer. Nature comm. 9, 3537. DOI:10.1038/s41467-018-05430-y (link) (German)
  26. Gong, X., L. Lembke-Jene, G. Lohmann, G. Knorr, R. Tiedemann, J. Zou, X. Shi, 2019: Enhanced North Pacific deep-ocean stratification by stronger Intermediate water formation during the Heinrich Stadial 1. Nature comm., 10, 656. doi: 10.1038/s41467-019-08606-2 (link) (German)
  27. Klages, J.P., Salzmann, U., Bickert, T., Hillenbrand, C.-D., Gohl, K., Kuhn, G., Bohaty, S., Titschack, J., Müller, J., Frederichs, T., Bauersachs, T., Ehrmann, W., van de Flierdt, T., Simões Pereira, P., Larter, R.D., Lohmann, G., Niezgodzki, I., Uenzelmann-Neben, G., Zundel, M., Spiegel, C., Francis, J.E., Nehrke, G., Schwarz, F., Smith, J.A., Freudenthal, T., Esper, O., Pälike, H., Ronge, T., Dziadek, R., and the Science Team of Expedition PS104, 2020: Temperate rainforests near the South Pole during peak Cretaceous warmth. Nature, 580, 81–86. doi:10.1038/s41586-020-2148-5 (link) (cover) (data) (model output) (press)
  28. Wang, X., B. Carrapa, Y. Sun, D. Dettman, J. Chapman, J. C. Rugenstein, M. Clementz, P. DeCelles, M. Wang, J. Chen, J. Quade, F. Wang, Z. Li, I. Oimuhammadzoda, M. Gadoev, X. Zhang, G. Lohmann, and F. Chen, 2020: The role of the westerlies and orography on Asian hydroclimate since the Late Oligocene. Geology 48 (7), 728-732. doi:10.1130/G47400.1 (link)
  29. Gowan, E.J., X. Zhang, S. Khosravi, A. Rovere, P. Stocchi, A. L. C. Hughes, R. Gyllencreutz, J. Mangerud, J. I. Svendsen, G. Lohmann, 2021: A new global ice sheet reconstruction for the past 80,000 years. Nature comm. 12, 1199. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21469-w, data (press release German) (press release English)
  30. Zhang, X., S. Barker, G. Knorr, G. Lohmann, Y. Sun, R. Drysdale, D. Hodell, F. Chen, 2021: Direct astronomical influence on abrupt climate variability. Nature Geo. 14, pages 819–826. doi:10.1038/s41561-021-00846-6 (link) (pdf) (press)
  31. Knorr, G., S. Barker, X. Zhang, G. Lohmann, X. Gong, P. Gierz, C. Stepanek, L. Stap, 2021: A salty deep ocean as a prerequisite for glacial termination. Nature Geo, 14, 930–936. doi:10.1038/s41561-021-00857-3 (link) (press) (press German)
  32. Feng, R., T. Bhattacharya, B. Otto-Bliesner, E. Brady, A. Haywood , J. Tindall, S. Hunter, A. Abe-Ouchi, W-L Chan, C. Contoux, C. Guo, X. Li, G. Lohmann, C. Stepanek, N. Tan, Q. Zhang, Z. Zhang, Z.Han, J. R. Williams, D. J. Lunt, H. Dowsett, D. Chandan, W. R. Peltier, 2022: Past terrestrial hydroclimate sensitivity controlled by Earth System Feedbacks. Nature Communications. 13: 1306 https://doi.org/10.1038/s41467-022-28814-7
  33. Pontes, G., A. Taschetto, A. Sen Gupta, A. Santoso, I. Wainer, A. Haywood, W.-L. Chan, A. Abe-Ouchi, C. Stepanek, G. Lohmann, S. Hunter, J. Tindall, M. Chandler, L. Sohl, D. Peltier, D. Chandan, Y. Kamae, K. Nisancioglu, Z. Zhang, C. Contoux, N. Tan, Q. Zhang, B. Otto-Bliesner, E. Brady, R. Feng, A. von der Heydt, M. Baatsen, A. Oldemann, 2022: Northward ITCZ shift drives reduced ENSO activity in the Mid-Pliocene Warm Period. Nature Geoscience DOI:10.1038/s41561-022-00999-y https://www.nature.com/articles/s41561-022-00999-y (Info) (press)
  34. Dong, J., X. Shi, X. Gong, Astakhov, A.S., Hu, L., Liu, X., Yang, G., Wang, Y., Vasilenko, Y., Qiao, S., Bosin, A., G. Lohmann, 2022: Enhanced Arctic sea ice melting controlled by larger heat discharge of Holocene rivers. Nature comm. 13, 5368. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33106-1
  35. Gowan, E.J., X. Zhang, S. Khosravi, A. Rovere, P. Stocchi, A. L. C. Hughes, R. Gyllencreutz, J. Mangerud, J. I. Svendsen, G. Lohmann, 2022: Reply to: Towards solving the missing ice problem and the importance of rigorous model data comparisons. Nature comm. 13, 6264, doi:10.1038/s41467-022-33954-x
  36. Hörhold, M., Münch, T., Weißbach S., Kipfstuhl S., Freitag J., Sasgen I., Lohmann G., Vinther B. and T. Laepple, 2023: Exceptional temperatures in central-north Greenland ice cores. Nature, 613, 503–507. doi:10.1038/s41586-022-05517-z https://www.nature.com/articles/s41586-022-05517-z (press German) (press)
  37. Guo, D., H Wang, V Romanovsky, A Haywood, N Pepin, J Sun, Q Yan, Z Zhang, X Li, B Otto-Bliesner, R Feng, G Lohmann, C Stepanek, A Abe-Ouchi, W-L Chan, W. R. Peltier, D. Chandan, A. von der Heydt, C. Contoux, M. Chandler, N Tan, Q Zhang, S Hunter, Y Kamae 2023: Highly restricted near-surface permafrost extent during the mid-Pliocene warm period. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120 (36) e2301954120 doi:10.1073/pnas.2301954120 (press German) (press English)
  38. Jonkers, L., T. Laepple, M. C. Rillo, X. Shi, A. M. Dolman, G. Lohmann, A. Paul, A. Mix, and M. Kucera, 2023: Plankton biogeography shows strong meridional variation in ice age to modern ocean warming. Nat. Geosci., DOI: 10.1038/s41561-023-01328-7 (link) (news and views)
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Books:

  1. Lohmann, G., 1996: Stability of the thermohaline circulation in analytical and numerical models, Ph. D. Dissertation, University of Bremen (Germany), 128 pp. [ Reports on Polar Research 200, Alfred Wegener Institute Bremerhaven]. doi:10.2312/BzP_0200_1996 Abstract/Zusammenfassung
  2. Fischer, H., Kumke, T., Lohmann, G., Flöser, G., Miller, H., Storch, H.v., Negendank, J.F.W., 2004: Introduction to the KIHZ project, pp. v-vii. In: The climate in historical times: Toward a synthesis of Holocene proxy data and climate models, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York. Fischer, H.; Kumke, T.; Lohmann, G.; Flöser, G.; Miller, H.; Storch, H.v.; Negendank, J.F.W. (Eds.) link
  3. Lohmann, G., R. Treffeisen, A. Wagner, A. Kornmann, M. Weigelt, 2013a. Naturwissenschaftliche Perspektive der Klimawissenschaft 1, M12. Fernuniversität in Hagen. Umweltwissenschaften (infernum) der Fernuniversität Hagen link
  4. Lohmann, G., R. Treffeisen, A. Wagner, A. Kornmann, M. Weigelt, 2013b. Naturwissenschaftliche Perspektive der Klimawissenschaft 2, M12. Fernuniversität in Hagen. Umweltwissenschaften (infernum) der Fernuniversität Hagen link
  5. Lohmann, G., K. Grosfeld, D. Wolf-Gladrow, V. Unitan, J. Notholt, and A. Wegener (Eds.), 2013: "Earth System Science: Bridging the Gaps between Disciplines. Perspectives from a Multi-disciplinary Helmholtz Research School". Series: SpringerBriefs in Earth System Sciences, 2013, 138 p. 61 illus., 52 in color. ISBN: 978-3-642-32234-1 (Print) 978-3-642-32235-8 (Online) Springer, Heidelberg. doi: 10.1007/978-3-642-32235-8; link link2
  6. Chirila, D., and G. Lohmann, 2015: Introduction to Modern Fortran for Earth System Sciences. 2015, XXII, 250 pages. 15 illus., 10 illus. in color. ISBN: 978-3-642-37008-3; Springer, Berlin Heidelberg. link
  7. Lohmann, G., H. Meggers, V. Unnithan, D. Wolf-Gladrow, J. Notholt, A. Bracher (eds.), Towards an Interdisciplinary Approach in Earth System Science: Advances of a Helmholtz Research School. Springer Earth System Sciences, Heidelberg, Germany. 2015, X, 251 pages, 83 illus. in color. ISBN 978-3-319-13864-0. doi:10.1007/978-3-319-13865-7 (link)
  8. Lohmann, G., R. Treffeisen, K. Grosfeld, C. Danek, 2019a. Naturwissenschaftliche Perspektive der Klimawissenschaft 1, M12. Fernuniversität in Hagen. Umweltwissenschaften (infernum) der Fernuniversität Hagen ( link ) ( link FU Hagen)
  9. Lohmann, G., R. Treffeisen, K. Grosfeld, C. Danek, 2019b. Naturwissenschaftliche Perspektive der Klimawissenschaft 2, M12. Fernuniversität in Hagen. Umweltwissenschaften (infernum) der Fernuniversität Hagen link


Um zu verstehen, wie das antarktische Eisschild auf die globale Erwärmung reagieren wird, muss man wissen, wie es sich in der Vergangenheit verhalten hat. Die Verwendung numerischer Modelle, die nur die Zukunft quantitativ vorhersagen können, wird durch die Begrenzung topografischer Daten sowohl in der Gegenwart als auch in der Vergangenheit und durch das Wissen um die Wechselwirkung von ozeanischen, glaziologischen und hydrologischen Prozessen unter der Oberfläche behindert. Die Einbeziehung der Vielfalt und des Zusammenspiels solcher Prozesse, die auf mehreren räumlich-zeitlichen Skalen ablaufen, ist für die Modellierung der Systementwicklung der Antarktis von entscheidender Bedeutung und erfordert direkte Beobachtungen an schwierigen Orten. Da diese Prozesse keine disziplinären Grenzen einhalten, gilt dies auch für unsere zukünftige Forschung.

Colleoni, F., L. De Santis, C. S. Siddoway, A. Bergamasco, N. Golledge, G. Lohmann, S. Passchier, and M. Siegert, 2018: Spatio-temporal variability of processes across Antarctic ice-bed-ocean interfaces. Nature comm. 9: 2289, DOI: 10.1038/s41467-018-04583-0 (link), (pdf), (pdf of the Review Article) (German)


In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftlern des Alfred-Wegener-Instituts zusammen mit französischen Partnern Temperaturänderungen in der Antarktis während der letzten Eiszeit neu abgeschätzt. Es zeigte sich anhand von Eisbohrkerndaten und Modellergebnissen, dass sich die Westantarktis deutlich stärker abgekühlt haben muss als die Ostantarktis. Außerdem konnte mit Hilfe dieser Studie neu abgeschätzt werden, wie stark sich die Eisdicke während dieser Zeit in beiden Regionen verändert hat.

Werner, M., J. Jouzel, V. Masson-Delmotte, G. Lohmann, 2018: Reconciling glacial-interglacial changes of Antarctic water stable isotopes, ice sheet topography, and the isotopic paleothermometer. Nature comm. 9, 3537. DOI:10.1038/s41467-018-05430-y (link) (German)


Die Freisetzung von CO2 aus dem tiefen Nordpazifik am Ende der letzten Eiszeit ist ein ungelöste Rätzel. Es gibt widersprüchliche Hinweise der subarktischen Pazifiklüftung, insbesondere für das sogenannte Heinrich Stadial 1 (HS-1), in dem ein schneller atmosphärischer CO2-Anstieg auftritt. In unserem Zeitschriftenbeitrag verwenden wir ein komplexes Erdsystemmodell, um das Umkippen des Nordpazifiks und seine Kontrolle über die ozeanische Schichtung zu untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen eine verstärkte Schichtung des Ozeans in mittleren Tiefen während des HS-1, einhergehend mit einer stärkeren Bildung von nordpazifischem Zwischenwasser. Physikalisch verhindert dieser Prozess, dass die tieferen Gewässer des Nordpazifiks besser mit dem oberen Ozean kommunizieren, und verlängert somit die bestehende Isolation des Kohlenstoffs im tiefen Pazifik am Ende der letzten Eiszeit. Diese Befunde sind für Geowissenschaftler und Klimaforscher gleichermassen relevant: Die natürliche Variabilität der Ozeanzirkulation und die damit verbundenen biogeochemischen Stoffkreisläufe verhalten sich hochgradig nichtlinear.

Gong, X., L. Lembke-Jene, G. Lohmann, G. Knorr, R. Tiedemann, J. Zou, X. Shi, 2019: Enhanced North Pacific deep-ocean stratification by stronger Intermediate water formation during the Heinrich Stadial 1. Nature comm., 10, 656. doi: 10.1038/s41467-019-08606-2 (link) (German)


Slowly varying incoming solar radiation associated with Earth’s orbit can directly drive abrupt temperature change by more than 10 degrees Celsius within a few decades in Greenland, as indicated by scientists from China, Germany, UK and Australia. This new study is the first in a complex climate model to confirm that abrupt climate variability can be a function of change in Earth orbital parameters. These abrupt changes, referred to as Dansgaard-Oeschger events, have been observed in ice cores collected in Greenland. The results of the study have just been released in the journal Nature Geoscience. Late Pleistocene glacial periods were characterised by abrupt climate variability in the high latitudes of the Northern Hemisphere. For the cause of these abrupt events, previous studies mainly focus on forcing factors internal to climate system, while roles of external forcing, such as incoming solar radiation, remains unclear. “To answer this question, we performed a transient climate experiment in a fully coupled model by only applying orbital changes”, said by Xu Zhang, the first author of this study, now professor and former PhD and PostDoc at AWI, “this experiment reproduces several Dansgaard-Oeschger events consistent with reconstructions, confirming that gradual changes in Earth’s orbit alone can trigger rapid climate change”. Earth’s orbit consists of three parameters – eccentricity, obliquity and precession – of which periodicities are 100kyr and 400kyr, 40kyr and ~21kyr, respectively and which exert different effects on the temporospatial distribution of incoming solar radiation across the Earth. “Changes in either eccentricity-modulated precession or obliquity can stimulate these abrupt changes, but by different governing dynamics” said Gerrit Lohmann from AWI, “that is, precession via modulating tropical Atlantic-to-Pacific moisture export, while obliquity by influencing sea surface temperature and sea ice in the subpolar North Atlantic.” These findings – direct influence by orbital forcing on abrupt climate variability – complement the classic Milankovitch theory that indicates glacial-interglacial cycles are driven by changes in Earth’s orbit, shedding light on our understanding of millennial-scale climate variability during the Pleistocene.

Zhang, X., S. Barker, G. Knorr, G. Lohmann, Y. Sun, R. Drysdale, D. Hodell, F. Chen, 2021: Direct astronomical influence on abrupt climate variability. Nature Geo. doi:10.1038/s41561-021-00846-6 (link) (pdf) (press)


Transitions from glacial to interglacial conditions on Earth (the most recent of these ‘deglaciations’ was around 20 thousand years ago) are driven by gradual (thousands of years) changes in the Earth’s orbit around the Sun, but they are also accompanied by abrupt (tens to hundreds of years) changes in global ocean circulation. These abrupt changes are thought to amplify the more gradual external forcing by altering the exchange of heat and carbon dioxide between the ocean and atmosphere, thereby enabling deglaciation to proceed. However, so far it has been a mystery as to why similar interactions between gradual orbital changes and abrupt shifts in ocean circulation at other times do not lead to deglaciation. The outstanding question has been ‘what is so special about deglacial shifts in ocean circulation as opposed to those occurring earlier within a glacial cycle?’.
A new study by Knorr et al. study provides a solution to this problem. With the aid of climate model simulations Knorr et al. show that a build-up of relatively warm (although still cold) and salty waters in the abyssal ocean during full glacial conditions might be responsible for the exaggerated warming observed across Antarctica associated with deglacial shifts in ocean circulation. When Atlantic Ocean circulation weakens abruptly, cold abyssal waters around Antarctica are preferentially transported upwards towards the surface where they reduce the tendency for surface warming to occur in response to the weakened circulation and associated reduction in the northward oceanic heat transport. If the deep waters are warmer, then the cooling effect will be reduced, allowing a greater degree of warming to occur at the surface and across Antarctica. Crucially for this mechanism to work, glacial deep waters must also be saltier, in order to offset the loss of density due to their warmer temperature. According to the new results, the mechanism can produce a doubling in the net rate of warming across Antarctica on a multi-centennial timescale. The authors argue that this helps to explain the enhanced warming observed during deglacial transitions. Therefore, they argue, deglacial shifts in ocean circulation are special because they tap into deep waters that are on average warmer (relative to intermediate depths) and saltier than at any other time during a glacial cycle.
Figure

Temperature difference between the glacial and interglacial anomalies in response to an AMOC weakening. Shown are conditions between model years 100 and 200 as a 100 year mean, zonally averaged in the Atlantic sector (modified from Fig. 5 in Knorr et al., 2021).

Knorr, G., Barker, S., Zhang, X., Lohmann, G., Gong, G., Gierz, P., Stepanek, C., L. B. Stap: A salty deep ocean as a prerequisite for glacial termination. Nature Geoscience 14, 930–936 (2021). https://doi.org/10.1038/s41561-021-00857-3



Die großen Eisschilde über Nordamerika und Skandinavien zerfielen vor etwa 10.000-20.000 Jahren. Die Ursachen für den Übergang zwischen eiszeitlichen und warmen Bedingungen werden in langsamen Veränderungen der Umlaufbahn der Erde und ihrer Ausrichtung zur Sonne gesehen, die sich in tausenden von Jahren vollziehen. Die damit einhergehenden klimatischen Veränderungen werden durch abrupte Veränderungen der globalen Ozeanzirkulation begleitet, die vergleichsweise schnell -das heisst in Jahrzehnten bis Jahrhunderten- ablaufen. Es wird angenommen, dass diese abrupten Veränderungen den allmählicheren externen Einfluss verstärken, indem sie den Austausch von Wärme und Kohlendioxid zwischen dem Ozean und der Atmosphäre verändern. Es war bisher ein Rätsel, warum diese Wechselwirkungen zwischen allmählichen Orbitalveränderungen und abrupten Verschiebungen der Ozeanzirkulation nicht schon vorher zu einem Zerfall der Eisschilde geführt haben. Anders gesagt: Warum hat der Zerfall gerade in der Zeit ab 20.000 Jahren stattgefunden, nicht aber zu anderen Zeitpunkten, welche ganz ähnliche Voraussetzungen erfüllten? Was ist das Besondere an einer Änderung der Ozeanzirkulation, die dann zum Ende einer Eiszeit führt - im Gegensatz zu früheren Zirkulationsänderungen, die Eiszeit aber nicht beenden?

Eine neue Studie von Gregor Knorr vom Alfred Wegener Institut und einem internationalen Team bietet hierfür eine Erklärung an. Mit Hilfe von Klimasimulationen können die Autoren zeigen, dass der Grundzustand, insbesondere die Schichtung im Ozean während der Eiszeit ganz anders war als heute. Den neuen Ergebnissen zufolge können Meeresströmungen am Ende der letzten Eiszeit zu einer Verdoppelung der Nettoerwärmungsrate in der gesamten Antarktis führen. Die Autoren argumentieren, dass dies dann zu einer verstärkten globalen Erwärmung und Anstieg von Treibhausgasen führt, und damit den Zerfall der Eisschilde beschleuningt. „Verschiebungen in der Ozeanzirkulation in der letzten Eiszeit stellen insofern etwas Besonderes dar, weil sie tiefere Wassermassen anzapfen, die im Durchschnitt wärmer (im Vergleich zu mittleren Tiefen) und salziger als zu jedem anderen Zeitpunkt während eines Eiszeitzyklus sind“ betont Gregor Knorr, der Hauptautor der Studie.

Dies kann dann eine Erklärung dafür liefern, warum es vor etwa 40.000 Jahren trotz ähnlicher vorliegender Bedingungen nicht zu einer Beendigung der Eiszeit kam. Die Entschlüsselung der kritischen Ozeanprozesse in einer sich erwärmenden Erde ist für das Auffinden von Kippunkten im Klimasystem ganz entscheidend, ergänzt Gerrit Lohmann, Mitautor der Studie.

Knorr, G., Barker, S., Zhang, X., Lohmann, G., Gong, G., Gierz, P., Stepanek, C., L. B. Stap: A salty deep ocean as a prerequisite for glacial termination. Nature Geoscience 14, 930–936 (2021). https://doi.org/10.1038/s41561-021-00857-3



Die letzte 'Entgletscherung' der Erde erfolgte vor etwa 20.000 Jahren. Die Ursachen für den Übergang zwischen eiszeitlichen und interglazialen Bedingungen werden in langsamen Veränderungen der Umlaufbahn der Erde und ihrer Ausrichtung zur Sonne (sogenannte Orbitalparameter) gesehen, welche sich in tausenden von Jahren vollziehen. Die damit einhergehenden klimatischen Veränderungen werden aber auch durch abrupte Veränderungen der globalen Ozeanzirkulation begleitet, die vergleichsweise schnell, das heisst im Zeitraum von Dekaden bis Jahrhunderten, ablaufen. Es wird angenommen, dass diese abrupten Veränderungen den allmählicheren externen Einfluss der durch veränderte Orbitalparameter modifizierten Sonneneinstrahlung verstärken - indem sie den Austausch von Wärme und Kohlendioxid zwischen dem Ozean und der Atmosphäre verändern. In der Konsequenz führt das dazu, dass eine Enteisung der Erde fortschreiten kann, obwohl die ursprünglichen äußeren Änderungen der Sonneneinstrahlung relativ schwach sind. Es war jedoch bisher ein Rätsel, warum diese Wechselwirkungen zwischen allmählichen Orbitalveränderungen und abrupten Verschiebungen der Ozeanzirkulation nicht regelmäßig diese Auswirkung haben, d.h. nicht immer zu einer Deglaziation führen. Anders gesagt: Warum hat eine Deglaziation gerade vor 20.000 Jahren stattgefunden, nicht aber zu anderen Zeitpunkten der Glazialzyklen welche ganz ähnliche Voraussetzungen erfüllten? Was ist das Besondere an einer deglazialen Änderung der Ozeanzirkulation, die dann zum Ende einer Eiszeit führt - im Gegensatz zu jenen Zirkulationsänderungen, die früher innerhalb eines Glazialzyklus auftreten, die Eiszeit aber nicht beenden?“.

Eine neue Studie von Knorr et al. bietet eine Erklärung hierfür an. Mit Hilfe von Klimamodellsimulationen konnten die Autoren zeigen, dass eine Ansammlung von relativ warmem (wenn auch immer noch kaltem) und salzigem Wasser im tiefen Ozean während hochglazialer Bedingungen für die übermäßige Erwärmung in der Antarktis verantwortlich sein könnte, welche mit der deglazialen Veränderung der Ozeanzirkulation einhergeht. Schwächt sich die atlantische Zirkulation abrupt ab, dann führt das im Allgemeinen dazu, dass kaltes Tiefenwasser um die Antarktis herum bevorzugt zur Oberfläche transportiert wird. Dort reduziert dieses das Potential zur Erwärmung der Meeresoberfläche, die als Folge solcher Änderungen der meridionalen Umwälzung (AMOC), und aufgrund einer Besonderheit des Atlantischen Ozeans, eintritt: Der Wärmetransport ist im Atlantischen Becken über alle Breitengrade nordwärts gerichtet. Eine Verringerung des nordwärtigen Wärmetransports aufgrund abgeschwächter Ozeanzirkulation führt daher normalerweise zu einer Ansammlung von Wärme im Süden, welcher durch aufsteigendes kaltes Wasser entgegengewirkt wird. Ist das Tiefenwasser jedoch vergleichsweise wärmer, dann wird dieser eben beschriebene Kühleffekt abgeschwächt, wodurch es zu einer stärkeren Erwärmung an der Oberfläche in der gesamten Antarktis kommen kann. Damit dieser Mechanismus so funktioniert, muss das vergleichsweise warme Tiefenwasser im Glazial zwingend auch salzhaltiger sein. Denn der Dichteverlust durch die wärmeren Wassertemperaturen muss durch einen höheren Salzanteil ausgeglichen werden um ein verfrühtes Aufsteigen des Wassers zur Oberfläche zu verhindern, und damit die Bildung eines Wärmereservoirs in der Tiefe zu ermöglichen.

Den neuen Ergebnissen zufolge kann der beschriebene Mechanismus auf einer Zeitskala von mehreren Jahrhunderten zu einer Verdoppelung der Nettoerwärmungsrate in der gesamten Antarktis führen. Die Autoren argumentieren, dass dies dann dazu beiträgt eine verstärkte Erwärmung herbeizuführen, die dann zu einer Deglaziation führt. Sie legen dar, dass deglaziale Verschiebungen in der Ozeanzirkulation insofern etwas Besonderes sind, als dass sie tiefe Wassermassen anzapfen, die im Durchschnitt wärmer (relativ zu mittleren Tiefen) und salziger sind, als dies zu jedem anderen Zeitpunkt während eines Eiszeitzyklus der Fall ist. Dies kann dann eine Erklärung dafür liefern, warum es während subglazialer Bedingungen (z. B. MIS3, vor etwa 40.000 Jahren) trotz ähnlicher vorliegender Bedingungen nicht zu einer Beendigung der Eiszeit kam.

Abbildung

Differenz zwischen glazialen und interglazialen Temperatur-Anomalien die als Reaktion auf eine Abschwächung der AMOC im Ozean auftreten. Gezeigt werden hier Bedingungen zwischen den Modelljahren 100 und 200 als Mittel über 100 Jahre, zonal gemittelt über den atlantischen Sektor (angepasste Version der Abbildung 5 des Artikels von Knorr et al., 2021).

Knorr, G., Barker, S., Zhang, X., Lohmann, G., Gong, G., Gierz, P., Stepanek, C., L. B. Stap: A salty deep ocean as a prerequisite for glacial termination. Nature Geoscience 14, 930–936 (2021). https://doi.org/10.1038/s41561-021-00857-3




Die warmen (El Niño) und kalten (La Niña) Ereignisse verursachen erhebliche Veränderungen der Wettermuster und der Ozeanzirkulation, was sich auf die Landwirtschaft, die Fischerei, und eine Vielzahl anderer Phänomene auswirkt. Angesichts seiner ausgeprägten sozioökonomischen Auswirkungen und der potenziellen Vorhersagbarkeit wird El Niño - Southern Oscillation (ENSO) intensiv erforscht. Ob und wie sich ENSO in Abhängigkeit von Treibhausgasen und anderen Einflüsse verändert, kann durch die Untersuchung des vergangenen, gegenwärtigen und zukünftigen Klimas mit Hilfe von Paläo-Rekonstruktionen, instrumentellen Aufzeichnungen, Theorie und numerischen Simulationen untersucht werden.

Speziell geht um die Frage der Eigenschaften von ENSO in einem wärmeren Klima, dem mittleren Pliozän, welches als ein potentielles Analogon für zukünftige warme Klimata betrachtet werden kann. Dieses wird in einem internationalen Modellvergleichsprojekt, bei dem das AWI seit Jahren aktiv beteiligt ist, untersucht. Die Modelle zeigen, dass ENSO im wärmeren Klima schwächer ist, und dass zur Erklärung dieses Verhaltens die nordwärtige Verschiebung der Inner-Tropischen Konvergenz Zone (engl. ITCZ) berücksichtigt werden muss. Vergangene und zukünftige Änderungen in ENSO stehen in direktem Zusammenhang mit der klimatologischen Position der ITCZ.

Pontes, G., A. Taschetto, A. Sen Gupta, A. Santoso, I. Wainer, A. Haywood, W.-L. Chan, A. Abe-Ouchi, C. Stepanek, G. Lohmann, S. Hunter, J. Tindall, M. Chandler, L. Sohl, D. Peltier, D. Chandan, Y. Kamae, K. Nisancioglu, Z. Zhang, C. Contoux, N. Tan, Q. Zhang, B. Otto-Bliesner, E. Brady, R. Feng, A. von der Heydt, M. Baatsen, A. Oldemann, 2022: Northward ITCZ shift drives reduced ENSO activity in the Mid-Pliocene Warm Period. Nature Geoscience DOI:10.1038/s41561-022-00999-y https://www.nature.com/articles/s41561-022-00999-y

Zahlen aus epic für Topic 2: 422
  • ST2.1 publ ST2.1 WARMING CLIMATES 268
  • ST2.2 publ ST2.2 VARIABILITY AND EXTREMES 89
  • ST2.3 publ ST2.3: SEA LEVEL CHANGE 85
  • ST2.4 publ ST2.4: ADVANCED RESEARCH TECHNOLOGIES FOR TOMORROW 100
  • Topic 1: THE ATMOSPHERE IN GLOBAL CHANGE: 27
  • Topic 2: OCEAN AND CRYOSPHERE IN CLIMATE: 422
  • Topic 4: COASTAL TRANSITION ZONES UNDER NATURAL AND HUMAN PRESSURE: 139
  • Topic 5: DYNAMICS OF THE TERRESTRIAL ENVIRONMENT AND FRESHWATER RESOURCES UNDER GLOBAL AND CLIMATE CHANGE: 142
  • Topic 6: MARINE AND POLAR LIFE: SUSTAINING BIODIVERSITY, BIOTIC INTERACTIONS, BIOGEOCHEMICAL FUNCTIONS: 284
  • Topic 7: TOWARDS A SUSTAINABLE BIOECONOMY - FROM RESOURCES TO PRODUCTS: 8 https://spaces.awi.de/display/POF/Spokespersons+and+representatives