The importance of terrestrial rock weathering as a negative feedback mechanism on the global carbon cycle and climate: a modeling perspective

This thesis presents a set of model studies of climate interactions with terrestrial rock weathering using the University of Victoria Earth System Climate Model (UVic ESCM); several different sets of weathering parameterizations are investigated within the context of two very important periods of Earth's climatic history. Firstly, we examine the importance of the rock weathering feedback mechanism during the last deglacial period (ca. 16,000 – 4,000 BCE) with four box-model parameterizations of terrestrial weathering. The deglacial climate change in the model was driven by changes in orbital parameters, prescribed atmospheric CO2 variability, and prescribed removal of continental ice sheets. Over the course of the 12,000-year simulation period, increases in weathering provided a mechanism that slowly removes CO2 from the atmosphere, in opposition to the observed atmospheric CO2 increase during this period. These processes were found to transfer both carbon and alkalinity to the ocean, the combination of which resulted in as much as a 1000 Pg C increase in total ocean carbon, relative to a control simulation with constant weathering. However, the rapid expansion of northern Hemisphere vegetation introduced a significant uncertainty among the weathering parameterizations. Further experiments to test the individual impacts of weathering dissolved inorganic carbon and alkalinity fluxes on ocean biogeochemistry suggested that the worldwide distribution of rock types and the ratio of carbonate to silicate weathering may be crucially important in obtaining an accurate estimate of changes in global weathering rates.Secondly, we describe the development and application of a new spatially-explicit weathering scheme. We integrated a dataset of modern-day lithology with a number of previously devised parameterizations for weathering dependency on temperature, primary productivity, and runoff. We tested the model with simulations of future carbon cycle perturbations, comparing a number of emission scenarios and model versions with each other and with zero-dimensional equivalents of each experiment. Overall, we found that our two-dimensional weathering model versions were more efficient in restoring the carbon cycle to its pre-industrial state following the pulse emissions than their zero-dimensional counterparts; however, the effect of this weathering negative feedback on the global carbon cycle was small on timescales of less than 1000 years. According to model results, the largest contribution to future changes in weathering rates came from the expansion of tropical and mid-latitude vegetation in grid cells dominated by weathering-vulnerable rock types; changes in temperature and river runoff had a more modest direct effect. Our results also confirmed that silicate weathering is the only mechanism that can lead to a full recovery of the carbon cycle to pre-industrial levels on multi-millennial timescales.Thirdly, we apply the new weathering parameterization once again to the investigation of future climate changes, but this time following scenarios of representative carbon pathways as presented in the latest IPCC reports. Following on an earlier study which examined the millennial implications of global warming on sea level rise, we come up with a revised assessment of sea level rise taking into account the effect of increased weathering rates on global climate recovery. Based on our model results and interpretation of the impact of temperature on ice sheet melting and sea level rise, we surmise that the impact of rock weathering will not be fast enough to prevent excessive melting of polar ice caps during the next several millennia despite bringing about a much quicker recovery of atmospheric CO2 levels and surface air temperature to pre-industrial levels.Cette thèse présente une série d'études de modélisation climatique portant sur l'interaction entre le climat et l'altération chimique. Le modèle de complexité intermédiaire de l'Université de Victoria (UVic ESCM) est employé pour simuler les variations climatiques, et il est couplé à plusieurs séries de paramétrages de l'altération chimique. Deux périodes importantes de l'histoire climatique de la Terre sont étudiées dans le but d'examiner l'importance du mécanisme de rétroaction de l'altération chimique sur le climat. Premièrement, nous nous tournons vers la plus récente période de fonte glaciaire (approx. 16 000 – 4000 AEC) avec quatre différents paramétrages de l'altération chimique. Le changement climatique déglaciaire dans le modèle est porté par les changements de paramètres orbitaux, de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, ainsi que la fonte des glaciers continentaux. Durant les quelque 12 000 ans de la simulation, l'augmentation du taux d'altération chimique fournit un mécanisme qui réduit lentement mais sûrement la concentration de CO2 dans l'atmosphère. Ces processus auraient transféré à la fois du carbone de de l'alcalinité aux océans, dont l'effet combiné aurait été d'augmenter la quantité de carbone dans l'océan de près de 1000 Pg C. L'expansion rapide de la végétation dans l'hémisphère nord introduit une certaine incertitude quant aux paramétrages de l'altération chimique.Deuxièmement, nous décrivons le développement et l'application d'un nouveau modèle bidimensionnel de l'altération chimique, toujours avec l'UVic ESCM. Ce modèle intègre une base de données moderne de la distribution lithologique sur la surface de la Terre, et l'impact des propriétés physiques et chimiques des différents types de roches sur le taux d'altération chimique permet de définir celle-ci localement sur toutes les unités spatiales du modèle. Notre paramétrage 2-D inclut également une dépendance sur la température, la productivité primaire de la végétation, ainsi que le taux d'écoulement des rivières. Ce modèle est testé avec des simulations de perturbations futures du cycle du carbone (causées par l'activité humaine présente et future), alors que nous comparons plusieurs scénarios d'émissions anthropogéniques entre notre version 2-D et l'équivalent 0-D de chaque paramétrage. En général, le modèle d'altération chimique 2-D s'avère plus efficace à réduire le montant de carbone dans l'atmosphère que la version 0-D du modèle. Cependant, il demeure que le mécanisme de rétroaction de l'altération chimique a très peu d'effets sur une échelle temporelle de 1000 ans ou moins. Selon les résultats du modèle, les changements les plus importants à l'altération chimique proviennent de changements à la végétation terrestre dans les régions tropicales et tempérées dont le sol rocheux est composé principalement de types rocheux plus vulnérables à l'érosion et l'altération chimique. Nos résultats confirment également que seuls les augmentations du taux d'altération chimique des roches silicates peuvent permettre à la Terre de pleinement retrouver les conditions préindustrielles