The Southern Ocean's biological pump during the Last Glacial Maximum

Abstract

Ice core records from Antarctica show large (∼80 ppm) and regular climate-related changes in atmospheric CO2, with minimum values during glacial periods and maximum values during peak interglacials. The suggested role of the Southern Ocean in driving these changes is based on either the potential for increased utilization of surface nutrients or the potential for decreased ventilation of deep waters during glacial times. Several recent studies have invoked increased stratification of the Southern Ocean to explain lower glacial atmospheric CO2 levels in terms of reduced exchange of CO2 between the deep sea and the atmosphere. A northward displacement and/or substantial weakening of the westerly winds during glacial periods are implicit in the scenarios that invoke enhanced stratification. However, both circulation models and proxy results argue against a weakening of the westerlies. In fact, the mean flow of the Antarctic Circumpolar Current and wind-driven upwelling during the Last Glacial Maximum (LGM) are thought to be at least as vigorous as those which exist today. Given these boundary conditions, we offer two (competing) scenarios for ecosystem structure and export production of the glacial Southern Ocean. The first scenario satisfies all proxy records for nutrient utilization and phytoplankton growth rate, and requires increased (relative to today) nitrate utilization south of the Antarctic Polar Front (APF) by phytoplankton other than diatoms, together with a shift in the zone of maximum diatom growth from south (interglacials) to north (glacials) of the APF. The second scenario has reduced growth of all phytoplankton species south of the APF during glacials, and a shift in the zone of maximum export production to the north of the Polar Front. The principal weakness of the first scenario is that there is little sedimentary evidence to support the increased export of particulate organic carbon required by the inferred increase in nitrate utilization south of the APF. The principal weakness of the second scenario is that it requires a change in the isotopic fractionation of nitrogen by phytoplankton growing south of the Polar Front for reasons presently unknown. The Southern Ocean's biological pump at the LGM has yet to be characterized unequivocally. On observe dans les carottes de glace provenant du continent Antarctique des cycles de grandes amplitudes (∼80 ppm) dans la concentration atmosphérique du CO2, qui sont reliés aux cycles climatiques, avec des valeurs minimum durant les époques glaciaires, et des valeurs maximum durant les époques inter-glaciaires. Un rôle de l’océan austral dans ces cycles climatiques a été suggéré, compte tenu du grand surplus de nutriments dans les eaux de surface, et de la possibilité que les eaux profondes auraient été moins ventilées pendant les époques glaciaires. Dans les dernières années, plusieurs études ont associées les concentrations moins importantes de CO2 dans l’atmosphère durant les époques glaciaires à une stratification plus importante de l’océan austral, ce qui aurait réduit l’échange de CO2 entre l’atmosphère et l’océan profond. En même temps, on remarque un déplacement vers le nord, et/ou une réduction importante de la force des vents d’ouest durant les époques glaciaires. Cependant, des simulations numériques, ainsi que des données proxys, ne supportent pas l’hypothèse d’une réduction des vents d’ouest. Au contraire, pendant le Dernier Maximum Glaciaire (DMG), le forcage des vents auraient entrainé un courant antarctique circumpolaire (ACC), ainsi que des courants ascendants au moins aussi vigoureux que ceux d’aujourd’hui. En tenant compte de ces conditions aux bords, nous proposons deux scénarios possibles de l’écologie et de l’éxportation de carbone dans l’océan austral pendant la dernière époque glaciaire. Le premier scénario est en accord avec toutes les données proxys ayant attrait a l’utilisation des éléments nutritifs, ainsi que le taux de croissance des phytoplanctons. Ce scénario implique que l’utilisation de nitrate par les phytoplanctons non-diatomés est plus importante durant les époques glaciaires qu’aujourd’hui, et aussi que la zone préférée de diatomées soit au sud du Front Polaire Antarctique (FPA), durant les époques interglaciaires, et au nord du FPA durant les époques glaciaires. Le deuxième scénario, par contre, implique une réduction de la productivité de toutes les espèces de phytoplanctons au sud du FPA durant le DMG, ainsi qu’un déplacement de la zone maximale d’éxportation de carbone au nord du PFA. Le principal point faible du premier scénario est lié à l’absence de données suggérant une augmentation dans l’exportation de carbone organique particulaire, dans les sédiments au sud du PFA. Le principal point faible du deuxième scénario est qu’il requière un fractionnement isotopique de l’azote par les phytoplanctons, au sud du PFA, durant la dernière époque glaciaire qui est différent de celui d’aujourd’hui. Bref, on est toujours à la recherche d’une caracterisation non-équivoque de la “pompe biologique” dans l’océan austral durant le DMG.