Abstract. CO2 emissions are leading to an acidification of the oceans. Predicting marine community vulnerability towards acidification is difficult, as adaptation processes cannot be accounted for in most experimental studies. Naturally CO2 enriched sites thus can serve as valuable proxies for future changes in community structure. Here we describe a natural analogue site in the Western Baltic Sea. Seawater pCO2 in Kiel Fjord is elevated for large parts of the year due to upwelling of CO2 rich waters. Peak pCO2 values of >230 Pa (>2300 μatm) and pHNBS values of <7.5 are encountered during summer and autumn, average pCO2 values are ~70 Pa (~700 μatm). In contrast to previously described naturally CO2 enriched sites that have suggested a progressive displacement of calcifying auto- and heterotrophic species, the macrobenthic community in Kiel Fjord is dominated by calcifying invertebrates. We show that blue mussels from Kiel Fjord can maintain control rates of somatic and shell growth at a pCO2 of 142 Pa (1400 μatm, pHNBS = 7.7). Juvenile mussel recruitment peaks during the summer months, when high water pCO2 values of ~100 Pa (~1000 μatm) prevail. Our findings indicate that calcifying keystone species may be able to cope with surface ocean pHNBS values projected for the end of this century when food supply is sufficient. However, owing to non-linear synergistic effects of future acidification and upwelling of corrosive water, peak seawater pCO2 in Kiel Fjord and many other productive estuarine habitats could increase to values >400 Pa (>4000 μatm). These changes will most likely affect calcification and recruitment, and increase external shell dissolution.

Abstract Mesopelagic fishes are an important element of marine food webs, a huge, still mostly untapped food resource, and great contributors to the biological carbon pump, whose future under climate change scenarios are unknown. The shrinking of commercial fishes within decades has been an alarming observation, but its causes remain contended. Here, we investigate the effect of warming climate on mesopelagic fish size in the eastern Mediterranean Sea during a glacial–interglacial–glacial transition of the Middle Pleistocene (marine isotope stages 20–18; 814–712 Kyr B.P.), which included a 4 °C increase of global seawater temperature. Our results based on fossil otoliths show that the median size of lanternfishes, one of the most abundant groups of mesopelagic fishes in fossil and modern assemblages, declined by ~35% with climate warming at the community level. However, individual mesopelagic species showed different and often opposing trends in size across the studied time interval, suggesting that climate warming in the interglacial resulted in an ecological shift toward increased relative abundance of smaller-sized mesopelagic fishes due to geographic and/or bathymetric distribution range shifts, and the size-dependent effects of warming.

Since the initial discovery of the non-exponential mass fractionation (non-EMF) of Nd isotopes analysis in 2002, similar deviations from an EMF pattern have been reported for measurements of a number of isotope systems (e.g., Si, Ge, Sr, Sn, Ba, Yb, W, Os, Hg and Pb) with MC-ICP-MS. However, the previous controversial reports on the magnitude of the deviations from EMF suggest that instrumental mass bias behaviour of MC-ICP-MS is neither fully understood nor well-characterised. Consequently, the standard approach of using a mass dependent fractionation (MDF) correction model (e.g., exponential law) may lead to both inaccurate and imprecise results. In this study, we systematically characterise the instrumental mass fractionation of MC-ICP-MS using Nd isotope measurements carried out under different plasma conditions, quantified using the normalised argon index (NAI) as an estimate of plasma temperature. Our results indicate that the mass bias of MC-ICP-MS is not always a simple exponential function of mass but shows systematic deviations from an EMF behaviour, which are closely associated with decreased NAIs. As a result, the conventional exponential correction yields a 143Nd/144Nd value of 0.512257 for the reference material BHVO-2 when the NAI is low, which is 722 ppm lower than the reported value of 0.512979. By tuning the plasma to higher NAIs (higher plasma temperatures), the deviations from the EMF array are systematically attenuated and the exponential correction is able to correct for the instrumental mass bias under high NAIs. In contrast, a regression correction model for Nd isotopes is developed to account for the observed mass fractionation behaviour that does not follow EMF under low NAIs, given that the regression correction relies on the observed loglinear fractionation of different isotope pairs and does not require both isotope ratios to undergo EMF. We expect that the analytical protocol and fundamental insights gained in this study are applicable to a wide range of other isotope measurements with MC-ICP-MS.

Abstract Robust chronologies and time equivalent tephra markers are essential to better understand spatial palaeoenvironmental response to past abrupt climatic changes. Identification of well-dated and widely dispersed volcanic ash by tephra and cryptotephra (microscopic volcanic ash) provides time synchronous tie-points and strongly reduces chronological uncertainties. Here, we present the major, minor and trace element analyses of cryptotephra shards in the Dead Sea Deep Drilling sedimentary record (DSDDP 5017-1A) matching the Campanian Ignimbrite (CI). This geochemical identification expands the known dispersal range of the CI to the southeastern Mediterranean, over 2300 km from the volcanic source. Due to the CI eruption occurring near-synchronous with North Atlantic ice surge of Heinrich Event 4 (HE4), this tephra provides insights into regional responses to large-scale climatic change in the Mediterranean. In the Dead Sea, the CI layer is associated with wetter climatic conditions. This contrasts with the contemporaneous occurrence of the CI deposition and dry conditions in the central and eastern Mediterranean suggesting a possible climate time-transgressive expansion of HE4. Our finding underscores the temporal and spatial complexity of regional climate responses and emphasises the importance of tephra as a time marker for studying large-scale climatic changes verses regional variations.

Abstract The Antarctic Circumpolar Current (ACC) is Earth's largest current flowing around Antarctica at all depths and connecting major ocean basins, thus representing an important component of Earth's climate. However, the timing and key controls determining ACC flow path and its strength as a function of past climatic boundary conditions that ultimately resulted in its modern configuration remain unclear due to major uncertainties in paleoceanographic and tectonic reconstructions. Here we present a unique high‐resolution laser ablation‐derived late Cenozoic seawater lead isotope record obtained from a hydrogenetic ferromanganese crust from the Pacific sector of the Southern Ocean. Our Pb isotope data reveal that the ACC has experienced five stable circulation states since the early Miocene which were separated by four major transitions observed at 17.5‐14.6, 12, 10 and 5 Ma. We suggest that the relatively abrupt transitions between ACC circulation state were mainly induced by tectonic changes, whereas the impact of climatic changes was of secondary importance. According to our data the modern ACC configuration formed 5 million years ago, likely in response to the closure of the Panama Seaway. Since the Drake Passage (DP) has already been an open seaway since at least the late Miocene, our results demonstrate that DP opening was not the only factor affecting past ACC circulation. Our data also show that changes in the latitudinal position of the ACC were linked to the middle Miocene waxing and waning of the Antarctic ice sheets, which emphasizes the ACC's critical role as a key control of Antarctic glaciation.