Universität zu Köln

Foerster, Verena Elisabeth (2014). Late Quaternary climate variability in the source region of Homo sapiens. Dry-wet cycles in Chew Bahir, southern Ethiopia. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Climate change, as a key topic in our society, has far reaching implications for many aspects of our lives, in the past present and evermore in the future. Climatic variability and a rapidly changing environment are considered to have had a significant influence on human evolution, migration and cultural and technological innovation. However, to evaluate the impact that climatic shifts on different timescales might have had on the living conditions of prehistoric humans, an understanding and continuous reconstruction of these climatic fluctuations and their underlying driving mechanisms are essential. This work presents results from such a high resolution (up to 3 years) lake-sediment record from the palaeo-lake Chew Bahir, a newly invested climate archive in a tectonic-bound basin in south- ern Ethiopia. The record was obtained from six 9–18.8 m long cores along a 17 km NW-SE transect across the basin, today an extensive saline mudflat. The objective of this work is to understand and reconstruct the sensitive patterns and expressions of East Africa‘s highly variable climate, as the climatic context for important cultural transitions in the source region of Homo sapiens. Now, the multi-proxy analyses and interpretation being the heart piece of this thesis, provide the climatic history of the past ~60 ka cal BP and show that Chew Bahir responded sensitively with pronounced shifts in moisture availability towards climatic fluctuations on millennial to centennial timescales, and to the precessional cycle. The first part of this work concentrates on a) the reconstruction of the velocity and character of these late-Quaternary wet-dry transitions on different time scales (orbital, millennial–centennial and decadal) and b) a basic proxy concept for Chew Bahir for the last two insolation controlled wet-dry cycles. This concept comprises besides the deciphering of major intra-basin dynamics and mechanisms controlling the way from source to sink, an initial understanding of site-specific proxies: especially potassium as a sensitive indicator for aridity and chlorine as a humidity proxy. The records are based on a set of geochemical, physical and biological indicators as well as a suite of AMS radiocarbon dates. The Chew Bahir cores document a highly non-linear response to the last insolation controlled dry-wet cycle, the so-called African Humid Period (~15–5 ka BP) with a pronounced abrupt onset of humid conditions within <500 yrs and a disproportionally gradual decline of moisture availability, as compared to the decrease in insolation. Feedback mechanisms and a complex interrelationship with the monsoon circulation and the diverse topography of the East African Rift have been suggested as possible key factors. The AHP frames a sharply defined arid phase, corresponding to the Younger Dryas chronozone (~12.8–11.6 ka BP). During the overall arid phase of MIS 3, several oscillations to wetter conditions have been recorded, that resemble the high latitude Dansgaard-Oeschger cycles. Heinrich-events are suggested to be expressed in several episodes of extreme aridity. The full humid conditions of the Holocene wet period [AHP], are punctuated by several abrupt droughts on a centennial to millennial time-scale, the termination of the AHP is though gradual, a textbook example for climatic instability during a transition. A series of 20–80 yr long droughts modulate the 1,500 yr long shift from full wet to arid conditions. In a broader spatio-temporal context this Mid Holocene wet-dry transition in Chew Bahir is evaluated together with two other examples of a change from stable to unstable environmental conditions: the MIS 5–4 transition in the Naivasha basin (central Kenya rift) and thirdly, the Mid Pleistocene Transition in the Olorgesaille basin (Southern Kenya Rift). The concept of hominin speciation, dispersal and cultural innovation being possibly influenced by this transition from stable to unstable environmental conditions is tested on the three different timescales provided by the three records. As a contribution towards a better understanding of human-climate interaction, we compared the last 20 ka of the paleo-climate record from Chew Bahir with the settlement history of adjacent possible refugia in the Ethiopian highlands and around lake margins. Shifts in and out of favourable living conditions are deducted from the climatic history, which shows besides orbitally driven long-term transitions several short abrupt climate events. These are expressed as shifts to pronounced aridity, suggesting phases of climatic stress. Comparing the frequency of archaeological findings as a parameter for human occupation in refugia to this close-by climate record, allows us to outline how complex the interplay between humans and environment during the last 20 ka really was. The results comprised in this work represent an important pre- requisite for the ICDP “Hominid Sites and Paleolakes Drilling Project” and for the CRC-806 programme “Our Way to Europe”, which aim to determine climatic and environmental context of hu- man evolution and dispersal. The potential of this deep terrestrial climate archive has been evaluated herein and proved that the sediment deposits are suitable to provide a longer climate history, to be precise to cover with a 400 m core the climatic history of >500,000 yrs in the source region of modern humans.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Spätquartäre Klimavariabilität in der Ursprungsregion des Homo sapiens. Feucht-Trocken Zyklen in Chew Bahir, Südäthiopien German
Translated abstract:	Abstract Language Klimaveränderungen, ein Schlüsselthema unserer Gesellschaft, haben weitreichende Auswirkungen auf zahlreiche Aspekte unseres Lebens. Das betrifft Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Man geht davon aus, dass Klimaschwankungen und eine sich rasch verändernde Umwelt erheblichen Einfluss hatten auf die menschliche Evolution, Wanderungsbewegungen, und kulturelle als auch technische Entwicklungen. Um den möglichen Einfluss evaluieren zu können, ist jedoch das Verständnis und die kontinuierliche Rekonstruktion dieser Fluktuationen und deren zugrundeliegenden Antriebsmechanismen Grundvoraussetzung. Diese Arbeit stellt die Ergebnisse eines hoch auflösenden (bis 3 Jahre) Klimadatensatzes dar. Dieser basiert auf einem See-Sedimentkern aus dem Paläosee Chew Bahir. Hierbei handelt es sich um ein erst kürzlich erschlossenes Klimaarchiv das in einem tektonischen Becken in Südäthiopien liegt. Der Klimadatensatz stammt aus sechs 9–18,8m langen Kernen die entlang eines 17km Transekts quer durch das Becken, heute eine ausgedehnte Salztonebene, verlaufen. Ziel dieser Arbeit ist es, die sensiblen Muster und Formen des Klimawandels in Afrika zu entschlüsseln und detailliert zu rekonstruieren, um einen klimatischen Bezugsrahmen für maßgebliche kulturelle Entwicklungen in der Ursprungsregion des Menschen zu schaffen. Die Multi-proxy Analysen und deren Interpretation, das Herzstück der Arbeit, stellen die Klimageschichte der letzten ~60.000 Jahre bereit und zeigen, dass Chew Bahir empfindlich auf die ausgeprägten Klimaschwankungen reagiert hat. Diese spiegeln sich in erheblichen Veränderungen des Feuchtigkeitshaushalts wider und zwar auf tausendjährigen bis hundertjährigen Zeitskalen sowie in orbitalen Zyklen. Der erste Teil der Arbeit konzentriert sich auf a) die Rekonstruktion der Terminierung der Art und der Geschwindigkeit dieser feucht-trocken Wechsel im Spätquartär auf verschiedenen Zeitskalen (orbital, tausend–hundertjährig und dekadisch); b) ein grundliegendes Proxy-Konzept für Chew Bahir für die letzten zwei durch Einstrahlungsenergie gesteuerten Feucht-Trocken Zyklen. Dieses Konzept umfasst Erkenntnisse über grundliegende Dynamiken innerhalb des Beckens sowie der Mechanismen die den Weg vom Ursprung zur letztendlichen Sedimentation steuern. Außerdem wird ein erstes Verständnis der lokations-spezifischen Stellvertreterdaten konzipiert, die dazu dienen die Ergebnisse zu entschlüsseln. Insbesondere der Kalium Gehalt konnte als sensibler Indikator für Trockenheit herausgearbeitet werden, wohingegen Chlor als ein Feuchtigkeits-Proxy etabliert werden konnte. Der Datensatz basiert auf einer Reihe geochemischer, physikalischer und biologischer Indikatoren, sowie einem Satz von AMS Radiokarbonalter. Die Chew Bahir Kerne dokumentieren eine höchst nicht-lineare Reaktion auf den letzten Insolations gesteuerten Feucht-trocken Zyklus, die so genannte Afrikanische Feuchtphase (AHP; ~15.000–5000 Jahre vor heute). Diese zeigt einen ausgesprochen abrupten Einsatz von feuchteren Bedingungen von innerhalb weniger als 500 Jahren und eine im Verhältnis zur Abnahme der Einstrahlung unverhältnismäßig graduelles Ende (~zwischen 6.5–5 ka BP). Als mögliche Schlüsselfaktoren dafür werden Rückkopplungsmechanismen und komplexe Verknüpfungen mit der Monsun Zirkulation und der hoch diversen Topographie des Ostafrikanischen Rifts angenommen. Die AHP umrahmt eine scharf definierte Trockenphase, die zeitlich mit der Jüngeren Dryas einhergeht (~12.8–11.6 ka BP). Die generell trockenen Phase des MIS 3, wird durch mehrere Oszilationen zu feuchteren Bedingungen unterbrochen. Diese zeigen eine hohe Ähnlichkeit mit den markanten Dansgaard-Oeschger Zyklen aus den höheren Breiten. Einige Umschwünge zu extremer Trockenheit könnten als Auswirkungen der so-genannten Heinrich-Ereignisse interpretiert werden. Die voll humiden Bedingungen während der holozänen Feuchtphase [AHP], werden von mehreren abrupten Dürreperioden (100 – 1000 Jahre) unterbrochen. Das Ende der AHP -obwohl ausgesprochen graduell- stellt nahezu ein Lehrbuchbeispiel für klimatische Instabilität während eines Übergangs dar. Eine Reihe von 20–80 Jahre andauernder Dürren bestimmt diesen 1.500 Jahre langen Übergang von Feucht zu Trocken. Dieser Mittel-Holozäne Übergang wird dann in einem breiteren raum-zeitlichen Kontext evaluiert, zusammen mit zwei weiteren Beispielen für den Wandel von stabilen zu instabilen Umweltbedingungen: der MIS 5–4 Übergang im Naivasha Becken (zentrales Kenia Rift) und der Mittel-Pleistozäne Übergang im Olorgesaille Becken (südliches Kenia Rift). Die Hypothese, dass menschliche Artenbildung, räumliche Verbreitung, und kulturelle Entwicklung möglicherweise von diesen stabil-instabil Übergängen beeinflusst sein könnten, wird getestet anhand der drei Zeitscheiben, die diese drei Klimadatensätze zur Verfügung stellen. Als einen Beitrag zur Verbesserung des Verständnisses von Mensch-Klima Wechselwirkungen, haben wir einen Vergleich zwischen der Klimageschichte aus Chew Bahir (die letzten 20.000 Jahre) und der Besiedlungsgeschichte in angrenzenden Refugien unternommen. Diese Refugien werden zeitweilig für das Südwestliche Hochland in Äthiopien als auch für die Randbereiche um die großen Seen angenommen. Aus der Klimageschichte werden unterschiedliche Wechsel zwischen günstigen und ungünstigen Lebensbedingungen für den Menschen abgeleitet. Die Klimageschichte zeigt neben den orbital gesteuerten Langzeit-Wechseln auch einige kurze und äußerst abrupt auftretende Klimaereignisse. Diese letzteren sind meist Wechsel zu extremen Dürreperioden, mit denen für Menschen klimatische Stresssituationen in Verbindung gebracht werden. Der Vergleich dieser Klimaereignisse aus dem nahe gelegenen Klimaarchiv mit der Häufigkeit archäologischer Funde als Anzeiger für menschliche Besiedlung des Refugiums, ermöglicht es uns zu umreißen, wie komplex die Wechselwirkung zwischen Mensch und Umwelt während der letzten 20.000 Jahre tatsächlich einmal gewesen sein mag. Die Ergebnisse, die in dieser Arbeit gezeigt werden, stellen eine wichtige Voraussetzung für das “Hominid Sites and Paleolakes Drilling Project” und den Sonderforschungs Bereich 806 “Our way to Europe“ dar. Diese Projekte wollen eben jenen klimatischen Kontext der menschlichen Evolution und Verbreitung untersuchen. Das Potential dieses tiefen terrestrischen Klimaarchivs wurde hier geprüft und die gezeigten Ergebnisse legen dar, dass die sedimentären Ablagerungen sich tatsächlich eignen um Klimageschichte auch über grössere Zeitfenster hinaus rekonstruieren zu können. Genau genommen, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass mit einem 400 m langen Sedimentkern die Klimageschichte der letzten >500.000 Jahre in der Ursprungsregion des Menschen rekonstruiert werden könnte. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Foerster, Verena Elisabeth V.Foerster@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-61094
Date:	31 March 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Mathematics and Science Education > Institute of Geography Education
Subjects:	Natural sciences and mathematics Earth sciences Geography and travel History of ancient world
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Climate reconstruction, paleolimnology, Climate fluctuations, Wet-dry cycle, orbital forcing, nonlinear feedback, potassium, African Humid Period, Ethiopia, Chew Bahir, Our Way to Europe, Climate-evolution linkages, Climate-migration/expansion linkages, climate-technical innovation linkages, climate archive, deep drilling English Klimarekonstruktion, Seesedimente, Feucht-Trocken Zyklen, Ostafrika, Chew Bahir, Äthiopien, Verbreitung des Menschen, Klimaarchiv, Tiefbohrung, Klimavariabilität, Ursprungsregion des modernen Menschen, Holozän, Quartär, Afrikanische Feuchtphase German
Date of oral exam:	20 May 2014
Referee:	Name Academic Title Schäbitz, Frank Prof. Dr. Bubenzer, Olaf Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6109