Over the last 800 ky the Earth’s climate system has been triggered by orbitally- forced oscillations, referred to as glacial- interglacial cycles. However, the detailed dynamics of these cycles, specifically the transition between glacial into interglacial phase, are still to be completely understood. An interesting feature of these phases is that atmospheric CO2 and CH4 concentrations are better correlated with Antarctica and Greenland rather than with North Hemisphere temperatures, and this suggests the hypothesis that greenhouse gases are important amplifiers of the orbital forcing in the glacial-interglacial cycles. The cyclicity of biological marine productivity on glacial-interglacial scale observed both in the Pacific and further supports the idea that climate changes are cyclic and control the global carbon dynamics. Here, we investigate the role played by coccolithophores, a group of calcifying phytoplankton tightly connected to the global climate through the carbon cycle, during the last deglaciation in the Southern Ocean and Eastern Equatorial Pacific. The present thesis focuses on Termination I (TI), the latest warming event that the Earth has experienced, with the final aim to provide new insights on climate dynamics that are not still completely understood. In this PhD thesis, the response of calcareous phytoplankton to increased temperatures (global warming), shifts in the carbonate system (ocean acidification) and enhanced water column stratification (as a response to the increase in temperatures) have been analyzed. Our results are based on sediment samples recovered from two sites located in the South Atlantic area of the Southern Ocean (ODP1089 and PS2498-1; Chapters 2,3,4) and one in the Eastern Equatorial Pacific Ocean, off the coast of Ecuador (Site ODP1238; Chapter 5). These three case studies allowed an evaluation of the repeatability of our analyses (Chapter 2) and, more importantly, a better comprehension on several aspects related to coccolithophore community evolution and coccolith carbonate production such as: 1) the coccolith absolute abundances, 2)the components of the nannoplankton assemblages, the changes in coccolith mass and calcification dynamics of Emiliania huxleyi and 3) the main morphological / environmental control factors at high latitudes (Chapter 3 and 4) and low latitudes (Chapter 5). Overall, the results presented in this thesis suggest that coccolith assemblages at high latitudes are mainly composed by Emiliania huxleyi and Calcidiscus leptoporus. We propose an enhanced carbonate counter pump as a trigger mechanism increasing the deep ocean alkalinity in the last glacial at Site ODP1089, and increased pCO2sw during the interglacial at Site PS2498-1. At low latitudes (Site ODP1238), we have observed an increase in calcification is more active in compared to photosynthesis activity during the deglaciation. Finally, the mass and calcification of E. huxleyi seem to be controlled by the carbonate system of the entire water column.

L'evoluzione del clima terrestre, durante gli ultimi 800.000 anni è caratterizzata dacicli climatici glaciale - interglaciale (freddo/caldo) forzati da oscillazioni dei parametri orbitali. Tuttavia, la dinamica della transizione tra la fase glaciale e la fase interglaciale rimane non è ancora completamente chiara. Un’importante peculiarità riguardante queste specifiche fasi di transizione è che le concentrazioni atmosferiche di anidride carbonica e metano sono correlate con le temperature registrate in Antartide e Groenlandia piuttosto che con quelle dell’emisfero settentrionale. Questa osservazione supporta l’ ipotesi che i gas serra possano giocare un ruolo fondamentale come amplificatori della forzante orbitale per il sistema climatico. A favore di questa ciclicità climatica esistono evidenze legate alla variazioni di produttività osservate sia in Atlantico che Pacifico. In questa tesi di dottorato abbiamo investigato il ruolo dei coccolitoforidi, un gruppo di alghe unicellulari che influenzano il clima attraverso il ciclo globale del carbonio, durante l’ultima deglaciazione nell’Oceano Meridionale e Oceano Pacifico equatoriale orientale. Questo studio si è concentrato sull’ultima Terminazione (TI), che rappresenta l’ultimo evento di riscaldamento climatico che la Terra abbia sperimentato, con lo scopo di cercare di fornire maggiori informazioni sulle possibili dinamiche che si attivano alla transizione tra glaciale e interglaciale.è. Si è quindi considerato questo intervallo per analizzare le possibili risposte del fitoplancton ai processi quali l’ aumento delle temperature (riscaldamento globale), la variazione degli equilibri nel sistema carbonatico (acidificazione delle acque) e l’incremento della stratificazione delle acque (come risposta all’aumento di temperature delle acque). I nostri risultati si basano su campioni di sedimento provenienti da due siti localizzati nell’area del sud Atlantico nell’Oceano Meridionale (ODP1089 e PS2498-1; Capitoli 2,3,4) e uno nell’area dell’Oceano Pacifico equatoriale orientale, a largo dell’ Ecuador (Capitolo 5). Questi tre casi studio ci hanno permesso di valutare la ripetibilità dei nostri risultati (Capitolo 2) e, sopratutto, di comprendere molteplici aspetti della comunità a coccolitoforidi e delle dinamiche di questo gruppo nella produzione carbonatica, come ad esempio: 1) le abbondanze assolute dei coccoliti, 2) le loro abboandanze relative, 3) le dinamiche della massa e della calcificazione di Emiliania huxleyi e 4) i principali controlli morfologici/ ambientali alle alte latitudini (Capitoli 3 e 4) e basse latitudini (Capitolo 5). In generale, i risultati presentati in questa tesi suggeriscono che l’associazione a coccoliti alle alte latitudini risulta principalmente composta da E. huxleyi e Calcidiscus leptoporus. Inoltre, si ipotizza che la pompa carbonatica abbia funzionato come fattore d’innesco per aumento di alcalinità della parte piu profonda dell’oceano durante l’ ultimo glaciale (ODP1089), e abbia prodotto un aumento della pressione dell’anidride carbonica discolta in acqua durante la fase interglaciale (PS2498-1). Alle basse latitudini (ODP1238), abbiamo osservato un aumento dell’attività di calcificazione rispetto a quella fotosintetica durante la deglaciazione. Infine, l’analisi della massa e del grado di calcificazione di E. huxleyi sembra indicare questi due parametri sono controllati dalla chimica delle acque superficiali e profonde.

Coccolithophore Carbonate and Calcification Dynamics in the Southern and Eastern Equatorial Pacific Oceans, during the Last Deglaciation / Balestrieri, Chiara. - (2018 Nov 29).

Coccolithophore Carbonate and Calcification Dynamics in the Southern and Eastern Equatorial Pacific Oceans, during the Last Deglaciation

Balestrieri, Chiara
2018

Abstract

L'evoluzione del clima terrestre, durante gli ultimi 800.000 anni è caratterizzata dacicli climatici glaciale - interglaciale (freddo/caldo) forzati da oscillazioni dei parametri orbitali. Tuttavia, la dinamica della transizione tra la fase glaciale e la fase interglaciale rimane non è ancora completamente chiara. Un’importante peculiarità riguardante queste specifiche fasi di transizione è che le concentrazioni atmosferiche di anidride carbonica e metano sono correlate con le temperature registrate in Antartide e Groenlandia piuttosto che con quelle dell’emisfero settentrionale. Questa osservazione supporta l’ ipotesi che i gas serra possano giocare un ruolo fondamentale come amplificatori della forzante orbitale per il sistema climatico. A favore di questa ciclicità climatica esistono evidenze legate alla variazioni di produttività osservate sia in Atlantico che Pacifico. In questa tesi di dottorato abbiamo investigato il ruolo dei coccolitoforidi, un gruppo di alghe unicellulari che influenzano il clima attraverso il ciclo globale del carbonio, durante l’ultima deglaciazione nell’Oceano Meridionale e Oceano Pacifico equatoriale orientale. Questo studio si è concentrato sull’ultima Terminazione (TI), che rappresenta l’ultimo evento di riscaldamento climatico che la Terra abbia sperimentato, con lo scopo di cercare di fornire maggiori informazioni sulle possibili dinamiche che si attivano alla transizione tra glaciale e interglaciale.è. Si è quindi considerato questo intervallo per analizzare le possibili risposte del fitoplancton ai processi quali l’ aumento delle temperature (riscaldamento globale), la variazione degli equilibri nel sistema carbonatico (acidificazione delle acque) e l’incremento della stratificazione delle acque (come risposta all’aumento di temperature delle acque). I nostri risultati si basano su campioni di sedimento provenienti da due siti localizzati nell’area del sud Atlantico nell’Oceano Meridionale (ODP1089 e PS2498-1; Capitoli 2,3,4) e uno nell’area dell’Oceano Pacifico equatoriale orientale, a largo dell’ Ecuador (Capitolo 5). Questi tre casi studio ci hanno permesso di valutare la ripetibilità dei nostri risultati (Capitolo 2) e, sopratutto, di comprendere molteplici aspetti della comunità a coccolitoforidi e delle dinamiche di questo gruppo nella produzione carbonatica, come ad esempio: 1) le abbondanze assolute dei coccoliti, 2) le loro abboandanze relative, 3) le dinamiche della massa e della calcificazione di Emiliania huxleyi e 4) i principali controlli morfologici/ ambientali alle alte latitudini (Capitoli 3 e 4) e basse latitudini (Capitolo 5). In generale, i risultati presentati in questa tesi suggeriscono che l’associazione a coccoliti alle alte latitudini risulta principalmente composta da E. huxleyi e Calcidiscus leptoporus. Inoltre, si ipotizza che la pompa carbonatica abbia funzionato come fattore d’innesco per aumento di alcalinità della parte piu profonda dell’oceano durante l’ ultimo glaciale (ODP1089), e abbia prodotto un aumento della pressione dell’anidride carbonica discolta in acqua durante la fase interglaciale (PS2498-1). Alle basse latitudini (ODP1238), abbiamo osservato un aumento dell’attività di calcificazione rispetto a quella fotosintetica durante la deglaciazione. Infine, l’analisi della massa e del grado di calcificazione di E. huxleyi sembra indicare questi due parametri sono controllati dalla chimica delle acque superficiali e profonde.
29-nov-2018
Over the last 800 ky the Earth’s climate system has been triggered by orbitally- forced oscillations, referred to as glacial- interglacial cycles. However, the detailed dynamics of these cycles, specifically the transition between glacial into interglacial phase, are still to be completely understood. An interesting feature of these phases is that atmospheric CO2 and CH4 concentrations are better correlated with Antarctica and Greenland rather than with North Hemisphere temperatures, and this suggests the hypothesis that greenhouse gases are important amplifiers of the orbital forcing in the glacial-interglacial cycles. The cyclicity of biological marine productivity on glacial-interglacial scale observed both in the Pacific and further supports the idea that climate changes are cyclic and control the global carbon dynamics. Here, we investigate the role played by coccolithophores, a group of calcifying phytoplankton tightly connected to the global climate through the carbon cycle, during the last deglaciation in the Southern Ocean and Eastern Equatorial Pacific. The present thesis focuses on Termination I (TI), the latest warming event that the Earth has experienced, with the final aim to provide new insights on climate dynamics that are not still completely understood. In this PhD thesis, the response of calcareous phytoplankton to increased temperatures (global warming), shifts in the carbonate system (ocean acidification) and enhanced water column stratification (as a response to the increase in temperatures) have been analyzed. Our results are based on sediment samples recovered from two sites located in the South Atlantic area of the Southern Ocean (ODP1089 and PS2498-1; Chapters 2,3,4) and one in the Eastern Equatorial Pacific Ocean, off the coast of Ecuador (Site ODP1238; Chapter 5). These three case studies allowed an evaluation of the repeatability of our analyses (Chapter 2) and, more importantly, a better comprehension on several aspects related to coccolithophore community evolution and coccolith carbonate production such as: 1) the coccolith absolute abundances, 2)the components of the nannoplankton assemblages, the changes in coccolith mass and calcification dynamics of Emiliania huxleyi and 3) the main morphological / environmental control factors at high latitudes (Chapter 3 and 4) and low latitudes (Chapter 5). Overall, the results presented in this thesis suggest that coccolith assemblages at high latitudes are mainly composed by Emiliania huxleyi and Calcidiscus leptoporus. We propose an enhanced carbonate counter pump as a trigger mechanism increasing the deep ocean alkalinity in the last glacial at Site ODP1089, and increased pCO2sw during the interglacial at Site PS2498-1. At low latitudes (Site ODP1238), we have observed an increase in calcification is more active in compared to photosynthesis activity during the deglaciation. Finally, the mass and calcification of E. huxleyi seem to be controlled by the carbonate system of the entire water column.
Paleoceanography, Micropaleontology, Coccolithophores, Southern Ocean, Eastern Equatorial Pacific Ocean, last deglaciation, carbonate system.
Coccolithophore Carbonate and Calcification Dynamics in the Southern and Eastern Equatorial Pacific Oceans, during the Last Deglaciation / Balestrieri, Chiara. - (2018 Nov 29).
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