Due to their outstanding resolution and well-constrained chronologies, Greenland ice-core records provide a master record of past climatic changes throughout the Last Interglacial–Glacial cycle in the North Atlantic region. As part of the INTIMATE (INTegration of Ice-core, MArine and TErrestrial records) project, protocols have been proposed to ensure consistent and robust correlation between different records of past climate. A key element of these protocols has been the formal definition and ordinal numbering of the sequence of Greenland Stadials (GS) and Greenland Interstadials (GI) within the most recent glacial period. The GS and GI periods are the Greenland expressions of the characteristic Dansgaard–Oeschger events that represent cold and warm phases of the North Atlantic region, respectively. We present here a more detailed and extended GS/GI template for the whole of the Last Glacial period. It is based on a synchronization of the NGRIP, GRIP, and GISP2 ice-core records that allows the parallel analysis of all three records on a common time scale. The boundaries of the GS and GI periods are defined based on a combination of stable-oxygen isotope ratios of the ice (δ18O, reflecting mainly local temperature) and calcium ion concentrations (reflecting mainly atmospheric dust loading) measured in the ice. The data not only resolve the well-known sequence of Dansgaard–Oeschger events that were first defined and numbered in the ice-core records more than two decades ago, but also better resolve a number of short-lived climatic oscillations, some defined here for the first time. Using this revised scheme, we propose a consistent approach for discriminating and naming all the significant abrupt climatic events of the Last Glacial period that are represented in the Greenland ice records. The final product constitutes an extended and better resolved Greenland stratotype sequence, against which other proxy records can be compared and correlated. It also provides a more secure basis for investigating the dynamics and fundamental causes of these climatic perturbations.

Volcanic eruptions contribute to climate variability, but quantifying these contributions has been limited by inconsistencies in the timing of atmospheric volcanic aerosol loading determined from ice cores and subsequent cooling from climate proxies such as tree rings. Here we resolve these inconsistencies and show that large eruptions in the tropics and high latitudes were primary drivers of interannual-to-decadal temperature variability in the Northern Hemisphere during the past 2,500 years. Our results are based on new records of atmospheric aerosol loading developed from high-resolution, multi-parameter measurements from an array of Greenland and Antarctic ice cores as well as distinctive age markers to constrain chronologies. Overall, cooling was proportional to the magnitude of volcanic forcing and persisted for up to ten years after some of the largest eruptive episodes. Our revised timescale more firmly implicates volcanic eruptions as catalysts in the major sixth-century pandemics, famines, and socioeconomic disruptions in Eurasia and Mesoamerica while allowing multi-millennium quantification of climate response to volcanic forcing. Ice-core and tree-ring data show that large volcanic eruptions in the tropics and high latitudes were primary drivers of temperature variability in the Northern Hemisphere during the past 2,500 years, firmly implicating such eruptions as catalysts in major sixth-century pandemics, famines, and socioeconomic disruptions. Past research has suggested that volcanic eruptions influence climate, but it has proved difficult to match the chronologies of annually resolved and precisely dated tree rings to the chronologies of volcanic variability recorded in ice cores. Michael Sigl et al. use a spike in atmospheric 10Be — clearly linked to a cosmic-ray anomaly that left a unique atmospheric 14C fingerprint in tree rings across Europe in the year 775 — as a means of dating a similar spike observed in ice cores from Greenland and Antarctica. In making this connection the authors establish that the ice core record should be adjusted by seven years. The data confirm that large volcanic eruptions in the tropics and high latitudes were primary drivers of temperature variability in the Northern Hemisphere during the past 2,500 years, and implicate such eruptions as catalysts in major sixth-century pandemics, famines, and socioeconomic disruptions.

A new ice core from West Antarctica shows that, during the last ice age, abrupt Northern Hemisphere climate variations were followed two centuries later by a response in Antarctica, suggesting an oceanic propagation of the climate signal to the Southern Hemisphere high latitudes. The bipolar seesaw theory explains certain abrupt episodes of climate change as a consequence of an interhemispheric redistribution of heat; when one polar region is warming, the other cools. So far, it has been unclear if the Northern Hemisphere is forcing the Southern Hemisphere or vice versa, and whether the seesaw operates via oceanic or atmospheric mechanisms. This study, synthesizing data from several climate laboratories, uses high-resolution data from the recently drilled WAIS Divide Antarctic ice core, combined with data from Greenland, to show that during much of the past 65,000 years, the north has led the south for both cooling and warming events. Abrupt Northern Hemisphere climate variations were followed two centuries later by a response in Antarctica, suggesting an oceanic propagation of the climate signal to the Southern Hemisphere high latitudes. The last glacial period exhibited abrupt Dansgaard–Oeschger climatic oscillations, evidence of which is preserved in a variety of Northern Hemisphere palaeoclimate archives1. Ice cores show that Antarctica cooled during the warm phases of the Greenland Dansgaard–Oeschger cycle and vice versa2,3, suggesting an interhemispheric redistribution of heat through a mechanism called the bipolar seesaw4,5,6. Variations in the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) strength are thought to have been important, but much uncertainty remains regarding the dynamics and trigger of these abrupt events7,8,9. Key information is contained in the relative phasing of hemispheric climate variations, yet the large, poorly constrained difference between gas age and ice age and the relatively low resolution of methane records from Antarctic ice cores have so far precluded methane-based synchronization at the required sub-centennial precision2,3,10. Here we use a recently drilled high-accumulation Antarctic ice core to show that, on average, abrupt Greenland warming leads the corresponding Antarctic cooling onset by 218 ± 92 years (2σ) for Dansgaard–Oeschger events, including the Bølling event; Greenland cooling leads the corresponding onset of Antarctic warming by 208 ± 96 years. Our results demonstrate a north-to-south directionality of the abrupt climatic signal, which is propagated to the Southern Hemisphere high latitudes by oceanic rather than atmospheric processes. The similar interpolar phasing of warming and cooling transitions suggests that the transfer time of the climatic signal is independent of the AMOC background state. Our findings confirm a central role for ocean circulation in the bipolar seesaw and provide clear criteria for assessing hypotheses and model simulations of Dansgaard–Oeschger dynamics.

Abstract. The West Antarctic Ice Sheet Divide (WAIS Divide, WD) ice core is a newly drilled, high-accumulation deep ice core that provides Antarctic climate records of the past ∼68 ka at unprecedented temporal resolution. The upper 2850 m (back to 31.2 ka BP) have been dated using annual-layer counting. Here we present a chronology for the deep part of the core (67.8–31.2 ka BP), which is based on stratigraphic matching to annual-layer-counted Greenland ice cores using globally well-mixed atmospheric methane. We calculate the WD gas age–ice age difference (Δage) using a combination of firn densification modeling, ice-flow modeling, and a data set of δ15N-N2, a proxy for past firn column thickness. The largest Δage at WD occurs during the Last Glacial Maximum, and is 525 ± 120 years. Internally consistent solutions can be found only when assuming little to no influence of impurity content on densification rates, contrary to a recently proposed hypothesis. We synchronize the WD chronology to a linearly scaled version of the layer-counted Greenland Ice Core Chronology (GICC05), which brings the age of Dansgaard–Oeschger (DO) events into agreement with the U/Th absolutely dated Hulu Cave speleothem record. The small Δage at WD provides valuable opportunities to investigate the timing of atmospheric greenhouse gas variations relative to Antarctic climate, as well as the interhemispheric phasing of the "bipolar seesaw".

Abstract. A stratigraphy-based chronology for the North Greenland Eemian Ice Drilling (NEEM) ice core has been derived by transferring the annual layer counted Greenland Ice Core Chronology 2005 (GICC05) and its model extension (GICC05modelext) from the NGRIP core to the NEEM core using 787 match points of mainly volcanic origin identified in the electrical conductivity measurement (ECM) and dielectrical profiling (DEP) records. Tephra horizons found in both the NEEM and NGRIP ice cores are used to test the matching based on ECM and DEP and provide five additional horizons used for the timescale transfer. A thinning function reflecting the accumulated strain along the core has been determined using a Dansgaard–Johnsen flow model and an isotope-dependent accumulation rate parameterization. Flow parameters are determined from Monte Carlo analysis constrained by the observed depth-age horizons. In order to construct a chronology for the gas phase, the ice age–gas age difference (Δage) has been reconstructed using a coupled firn densification-heat diffusion model. Temperature and accumulation inputs to the Δage model, initially derived from the water isotope proxies, have been adjusted to optimize the fit to timing constraints from δ15N of nitrogen and high-resolution methane data during the abrupt onset of Greenland interstadials. The ice and gas chronologies and the corresponding thinning function represent the first chronology for the NEEM core, named GICC05modelext-NEEM-1. Based on both the flow and firn modelling results, the accumulation history for the NEEM site has been reconstructed. Together, the timescale and accumulation reconstruction provide the necessary basis for further analysis of the records from NEEM.

Abstract. We present the WD2014 chronology for the upper part (0–2850 m; 31.2 ka BP) of the West Antarctic Ice Sheet (WAIS) Divide (WD) ice core. The chronology is based on counting of annual layers observed in the chemical, dust and electrical conductivity records. These layers are caused by seasonal changes in the source, transport, and deposition of aerosols. The measurements were interpreted manually and with the aid of two automated methods. We validated the chronology by comparing to two high-accuracy, absolutely dated chronologies. For the Holocene, the cosmogenic isotope records of 10Be from WAIS Divide and 14C for IntCal13 demonstrated that WD2014 was consistently accurate to better than 0.5 % of the age. For the glacial period, comparisons to the Hulu Cave chronology demonstrated that WD2014 had an accuracy of better than 1 % of the age at three abrupt climate change events between 27 and 31 ka. WD2014 has consistently younger ages than Greenland ice core chronologies during most of the Holocene. For the Younger Dryas–Preboreal transition (11.595 ka; 24 years younger) and the Bølling–Allerød Warming (14.621 ka; 7 years younger), WD2014 ages are within the combined uncertainties of the timescales. Given its high accuracy, WD2014 can become a reference chronology for the Southern Hemisphere, with synchronization to other chronologies feasible using high-quality proxies of volcanism, solar activity, atmospheric mineral dust, and atmospheric methane concentrations.

Abstract. Surface topography across the marginal zone of the Greenland Ice Sheet is constantly evolving in response to changing weather, season, climate, and ice dynamics. However, current digital elevation models (DEMs) for the ice sheet are usually based on data from a multi-year period, thus obscuring these changes over time. Here we present four 500 m resolution summer DEMs (PRODEMs) of the Greenland Ice Sheet marginal zone for 2019 through 2022. The PRODEMs cover the marginal zone from the ice edge to 50 km inland, hence capturing all Greenland outlet glaciers. Each PRODEM is based on data fusion of CryoSat-2 radar altimetry and ICESat-2 laser altimetry using regionally varying kriging of elevation anomalies relative to ArcticDEM. The PRODEMs are validated using leave-one-out cross-validation, and PRODEM19 is further validated against an external data set, showcasing their ability to correctly represent surface elevations within the associated spatially varying prediction uncertainties. We observe a general lowering of surface elevations during the 4-year PRODEM period, but the spatial pattern of change is highly complex and with annual changes superimposed. The PRODEMs enable detailed studies of the marginal ice sheet elevation changes. With their high spatio-temporal resolution, the PRODEMs will be of value to a wide range of researchers and users studying ice sheet dynamics and monitoring how the ice sheet responds to changing environmental conditions. PRODEMs from summer 2019 through 2022 are available at https://doi.org/10.22008/FK2/52WWHG (Winstrup, 2024), and we plan to annually update the product henceforth.