Deciphering Past Warming Periods in the Ross Sea: Insights from Multi-Proxy Reconstructions of Sediment Archives in the JOIDES Basin and Northern Victoria Land

This thesis investigate sedimentary archives under a multi-proxy approach in two different settings of the Ross Sea, to understand how ocean-cryosphere-atmosphere dynamics coevolve during past warming periods. Paleoenvironmental reconstructions are crucial to study Antarctica responses to climate change. Ice shelves and coastal ice are highly sensitive to ocean warming. A particular concern lies in the role of circumpolar deep water (CDW), which can intrude onto continental shelves causing basal melting and ice-sheet retreat, and ultimately destabilize inland ice. A sediment core from the western Ross sea (JOIDES trough) provides crucial insights regarding the role of CDW during the last deglaciation. By employing a multiproxy approach and sedimentology, the results highlight that CDW caused the retreat of the ancient Ross Ice shelf during the last deglaciation. The timing of this persistent intrusion aligns with a poleward shift of westerly winds, which ultimately may have enhanced CDW upwelling onto the continental shelf. As a warm, nutrient rich water mass, CDW intrusion further causes ecological shifts, which can be traced in sedimentary records by diatom assemblages and organic proxies, enabling reconstructions of paleotemperatures and nutrients dynamics. Part of this study focused on developing a new toolkit to fingerprint CDW in sedimentary records, enabling more precise reconstructions in other settings of Antarctica. While ice shelves and coastal ice are highly sensitive to ocean warming, thin sea ice is largely influenced by atmospheric and solar forcing. Fast-ice, the sea ice tethered along ice shelves and coastal margins, plays a crucial role in stabilizing ice masses: however it remains unrepresented in climate models. This study also aimed to assess the long-term variability of fast ice during the late Holocene using a high-resolution laminated sediment core retrieved from a coastal fjord in the western Ross Sea (Edisto Inlet). The biogeochemical fingerprint of the lamina couplets was first determined, followed by image and spectral analysis, which revealed the periodicity of fast-ice breakup. This pattern aligns with solar Gleissberg and Suess de Vries cycles, further supported by CMIP6 experiments. Reconstructions from a second sediment archive retrieved in the outer fjord focused on fast-ice variability during Holocene climate oscillations. Sedimentological units, fast-ice proxies, and primary productivity indicators were analyzed to distinguish different depositional environments and associated ice-marine dynamics. The results indicate fast-ice retreat during major Holocene warming phases (Early Holocene warming, Mid-Holocene Hypsithermal) and expansion following the deglaciation of the Ross Sea, possibly driven by increased meltwater input. Overall, the variability of fast-ice appears to be governed by both positive and negative feedback mechanisms driven by atmospheric warming. Collectively, this thesis project improves our understanding of Antarctic atmospheric-cryospheric-oceanic dynamics during past warming periods, contributing to refine climate models and enhancing predictions of future ice stability and sea-level rise.

Questa tesi indaga archivi sedimentari attraverso un approccio multi-proxy in due ambienti differenti del Mare di Ross, al fine di comprendere come le dinamiche oceano-criosfera-atmosfera siano coevolute durante i periodi di riscaldamento del passato. Le ricostruzioni paleoambientali sono fondamentali per studiare le risposte dell’Antartide ai cambiamenti climatici. La criosfera marina è altamente sensibile al riscaldamento oceanico. L’intrusione di Acqua Profonda Circumpolare (CDW) sulle piattaforme continentali, causa la fusione delle piattaforme di ghiaccio galleggiante, portando alla destabilizzazione delle calotte di ghiaccio continentale. In questo progetto, un archivio sedimentario proveniente dal Mare di Ross occidentale (JOIDES trough) fornisce informazioni cruciali sul ruolo della CDW durante l’ultima deglaciazione. Attraverso un approccio multiproxy e analisi sedimentologiche, i risultati evidenziano che l’intrusione della CDW ha determinato il ritiro dell’antica piattaforma di Ross. La tempistica di questa persistente intrusione coincide con una migrazione verso il polo dei venti occidentali, che potrebbero averne potenziato la risalita sulla piattaforma continentale. La CDW è una massa d’acqua calda e ricca di nutrienti, in grado di provocare cambiamenti nella temperatura e nell’ecologia marina. È stato sviluppato un metodo per identificare la CDW, tramite associazioni a diatomee e nuovi proxy organici, che permette di tracciare questa massa d’acqua negli archivi sedimentari. Lo scopo finale è quello di fornire ricostruzioni precise, sia nel mare di Ross, e in altre regioni antartiche. Il riscaldamento atmosferico agisce sulla criosfera terrestre e marina, specialmente sul ghiaccio marino, più sottile e sensibile ai cambiamenti climatici. Il fast-ice, o ghiaccio marino ancorato alle piattaforme di ghiaccio e alle coste, svolge un ruolo cruciale nella stabilizzazione delle masse glaciali, ma ad oggi rimane assente come variabile nei modelli climatici. È stata valutata la variabilità del fast-ice durante il tardo Olocene, attraverso l’analisi di un archivio sedimentario laminato, prelevato da un fiordo costiero del Mare di Ross occidentale (Edisto Inlet). Dopo aver determinato l’impronta biogeochimica delle lamine, è stata ricostruita la periodicità di rottura del fast-ice, grazie a una analisi spettrale. La periodicità corrisponde ai cicli solari di Gleissberg e Suess de Vries, rimarcando il ruolo della forzante solare nel governare l’estensione del fast-ice. Su un secondo archivio sedimentario prelevato nella parte più esterna del fiordo, è stato ampliato il range di osservazione temporale. È stata quindi ricostruita la variabilità del fast-ice durante l’intero Olocene. L’analisi delle unità sedimentologiche, e dei proxy biogeochimici ha permesso di ricostruire le dinamiche marine e glaciali. I risultati mostrano che il ritiro del fast-ice è sincrono alle principali fasi di riscaldamento dell’Olocene (Early Holocene warming, Mid-Holocene Hypsithermal). L’espansione di fast-ice, sembra essere guidata dall’apporto di acqua di fusione prodotta a seguito della deglaciazione del Mare di Ross. Questi risultati mostrano che il fast-ice risponde in maniera complessa al riscaldamento atmosferico, con feedback sia positivi che negativi. Questo progetto di tesi fornisce una migliore comprensione delle dinamiche atmosferiche, glaciali e oceaniche dell’Antartide durante i periodi di riscaldamento del passato, contribuendo al perfezionamento dei modelli climatici e al miglioramento delle previsioni future sulla stabilità dei ghiacci e sull’innalzamento del livello del mare.