Investigation of the Natural Carbon Cycle since 6000 BC using an Intermediate Complexity Model: The Role of Southern Ocean Ventilation and Marine Ice Shelves

Abstract

The mechanisms behind the 20 ppm pre-industrial rise in atmospheric CO2 since 6000 BC have been the focus of considerable debate in recent years. Some studies suggest that natural processes, such as a decline in global forests, calcite compensation, and warming ocean temperatures, can explain the increase in CO2. Others have argued that, because the CO2 increase did not occur during previous interglacial periods, it is an indication of an early human influence on the climate. In this paper, we investigate several facets of the natural carbon cycle of the past 8000 years related to ocean circulation patterns and ice shelf configuration using the University of Victoria Earth System Climate Model (v. 2.9), which includes a representation of the climate system with dynamic vegetation and an interactive carbon cycle. The fully simulated earth system for various freely evolving atmospheric carbon scenarios since 6000 BC failed to recreate the observed rise in CO2 and consistently produced a decline in CO2 throughout the Holocene, in keeping with projections related to previous interglacial periods. However, the extent and timing of the decline was strongly dependent on the initial state of the ocean's meridional overturning circulation and the location of marine ice shelves off the coast of Antarctica. For simulations with ice shelves, carbon-poor North Atlantic Deep Water (NADW) dominated the deep Atlantic basin, with less production of (relatively) carbon-rich deep water from the Southern Ocean. This setup led to lower net ocean carbon storage and thus elevated atmospheric CO2 levels. These deep water distributions, which are relatively independent of orbital forcing and CO2 concentrations but strongly dependent on Antarctic marine ice shelves, suggest that greater ice shelf extent during the Holocene relative to previous interglacial periods (Pollard & DeConto, 2009) may have contributed 5–6 ppm CO2 to the atmosphere. The results from this study also indicate that multi-centennial scale changes in the meridional overturning circulation on the order of 2–3 Sv may lead to quasi-periodic increased atmospheric CO2 concentrations (approximately 6 ppm) through enhanced ventilation of Pacific deep waters. RÉSUMÉ [Traduit par la redaction] Depuis quelques années, les mécanismes qui sont intervenus dans l'augmentation du CO2 atmosphérique de l'ordre de 20 ppm, survenue à l'ère préindustrielle font l'objet d'un vaste débat. Selon certaines études, ce phénomène serait attribuable à des processus naturels, comme le recul des forêts dans le monde, la compensation du calcite et le réchauffement de la température des océans. D'après d'autres études, en l'absence d'augmentation de la concentration de CO2 pendant les périodes interglaciaires précédentes, il marquerait le début de l'influence des activités humaines sur le climat. Nous explorons ici plusieurs facettes du cycle naturel du carbone des 8000 dernières années dans la perspective de la configuration de la circulation océanique et de celle des plates-formes de glace flottante au moyen du modèle du système climatique de la Terre (version 2.9), qui comprend une représentation des systèmes climatiques avec une végétation dynamique et un cycle du carbone interactif. Le système terrestre entièrement simulé pour différents scénarios de carbone atmosphérique à évolution libre depuis 6000 ans avant Jésus-Christ n'a pas permis de recréer l'augmentation de la concentration de CO2 observée; il a plutôt produit systématiquement une diminution du CO2 pendant l'Holocène, ce qui va dans le sens des projections se rapportant aux périodes interglaciaires précédentes. Cependant, l'ampleur de la baisse et le moment où le phénomène s'est produit dépendaient fortement de l'état initial de la circulation méridienne de retournement de l'océan ainsi que de l'emplacement des plates-formes de glace flottante au large de la côte de l'Antarctique. Dans le cas des simulations avec des plates-formes de glace flottante, l'Eau profonde de l'Atlantique Nord (NADW) pauvre en carbone prédominait dans les eaux des grands fonds du bassin de l'Atlantique, la production d'eaux des grands fonds (relativement) riches en carbone en provenance de l'océan Austral étant réduite. Dans le cas de cette configuration, le stockage net de carbone dans les océans diminuait, ce qui augmentait la concentration de CO2 dans l'atmosphère. D'après la répartition des eaux profondes, qui est relativement indépendante du forçage orbital et des concentrations de CO2, mais qui dépend énormément des plates-formes de glace flottante dans l'Antarctique, le fait que les plates-formes de glace flottante étaient plus étendues pendant l'Holocène que durant les périodes interglaciaires précédentes (Pollard & DeConto, 2009) expliquerait peut-être un apport de 5 ou 6 ppm de CO2 dans l'atmosphère. L’étude nous apprend également que des changements à l’échelle pluricentennale dans la circulation méridienne de retournement de l'ordre de 2 à 3 Sv peuvent se traduire par des augmentations presque systématiques des concentrations de CO2 atmosphérique (de l'ordre d'environ 6 ppm) grâce à une meilleure ventilation des eaux profondes du Pacifique.