Modelling the global climate-carbon cycle across the Middle-Pleistocene Transition using the new Earth System Model DCESS II.
| dc.contributor.advisor | Pizarro Arriagada, Óscar | es |
| dc.contributor.advisor | Shaffer, Gary | es |
| dc.contributor.author | Fernández Villanueva, Esteban Javier | es |
| dc.date.accessioned | 2025-10-02T17:34:20Z | |
| dc.date.available | 2025-10-02T17:34:20Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description | Tesis presentada para optar al grado de Doctor/a en Oceanografía. | es |
| dc.description.abstract | Glacial-interglacial cycles increased in length from about 41 to 100 thousand years during the Middle Pleistocene Transition (MPT) about 1.5 to 0.8 million years ago without major changes in orbital forcing characteristics, pointing toward explanations in terms of Earth system properties and feedbacks. This took place in step with strong global cooling after several million years of weaker cooling. Such strong MPT cooling likely set the stage for longer ice age cycles by, for example, facilitating Northern Hemisphere ice sheet growth. Here simulations with a newly-developed Earth System model of Intermediate Complexity together with sea surface temperature reconstructions were used to evaluate possible causes of the MPT cooling. First, a new Earth system model of intermediate complexity, DCESS II, is presented that builds upon, improves and extends the Danish Center for Earth System Science (DCESS) Earth system model (DCESS I). DCESS II has considerably greater spatial resolution than DCESS I while retaining the fine, 100 m vertical resolution in the ocean. It contains modules for the atmosphere, ocean, ocean sediment, land biosphere and lithosphere and is designed to deal with global change simulations on scales of years to millions of years while using limited computational resources. Tracers of the atmospheric module are temperature, nitrous oxide, methane (12,13C isotopes), carbon dioxide (12,13,14C isotopes) and atmospheric oxygen. For the ocean module, tracers are conservative temperature, absolute salinity, water 18O, phosphate, dissolved inorganic carbon (12,13,14C isotopes), alkalinity and dissolved oxygen. Furthermore, the ocean module considers simplified dynamical schemes for large-scale meridional circulation and sea ice dynamics, stratification-dependent vertical diffusion, a gravity current approach to the formation of Antarctic Bottom Water, and improvements in ocean biogeochemistry. DCESS II has two hemispheres with six zonally averaged atmospheric boxes and 12 ocean sectors distributed across the Indian–Pacific, the Atlantic, the Arctic and the Southern oceans. A new extended land biosphere scheme is implemented that considers three different vegetation types whereby net primary production depends on sunlight and atmospheric carbon dioxide (CO2). The ocean sediment and lithosphere model formulations are adopted from DCESS I but now applied to the multiple ocean and land regions of the new model. Model calibration was carried out for the pre-industrial climate, and model steady-state solutions were compared against available modern-day observations. For the most part, calibration results agree well with observed data, including excellent agreement with ocean carbon species. This serves to demonstrate model utility for dealing with the global carbon cycle. Two idealized experiments were carried out in order to explore model performance. First, the model was forced by varying Ekman transport out of the model Southern Ocean, mimicking the effect of Southern Hemisphere westerly wind variations, and second, freshwater melting pulses from the Antarctic ice sheet on the model Southern Ocean shelf were imposed. Changes in ocean circulation and in the global carbon cycle found in these experiments are in line with results from much more complex models. Thus, we find DCESS II to be a useful and computationally friendly tool for simulations of past climates as well as for future Earth system projections. When the new Earth system model, DCESS II, is used to study the Middle Pleistocene Transition (MPT), four forcings are proposed in order to explain strong observed global cooling across the MPT: 1. Southern West Wind strength and position, 2. Sea ice and iceberg export from the Antarctic shelf, 3. Dust fertilization of the Southern Ocean and 4. Northern Hemisphere ice sheet extent. We find that weakened, equatorward-shifted Southern West Winds in combination with increased sea ice and iceberg exports from the Antarctic Shelf can explain much of the strong MPT cooling. Simulations suggest that these changes caused the cooling by decreasing heat and carbon exchange between the upper and deep Southern Ocean and by increasing recirculation in the deep ocean, leading to deep ocean isolation and carbon storage together with atmospheric CO2 drawdown. Dust-driven iron fertilization further enhanced this storage and drawdown while Northern Hemisphere ice sheet growth contributed mainly to regional cooling while promoting land biomass reduction that releases CO2 to the atmosphere. | en |
| dc.description.abstract | Ciclos glaciales-interglaciales incrementaron duración de 41 a 100 mil años durante la Transición del Pleistoceno Medio (MPT) alrededor de 1.5 a 0.8 millones de años atrás sin mayores cambios en el forzamiento orbital característico. apuntando a explicaciones en términos de propiedades y retroalimentaciones del sistema Tierra. Esto ocurrió junto con un fuerte enfriamiento global después de varios millones de años de enfriamiento más débil. Tal enfriamiento durante MPT probablemente sentó las bases para ciclos glaciales más largos, por ejemplo, favoreciendo el crecimiento de mantos de hielo en el Hemisferio Norte (HN). Aquí, se usaron simulaciones con un nuevo modelo del Sistema Tierra de complejidad intermedia junto con reconstrucciones de temperatura superficial del mar para evaluar posibles causas del enfriamiento durante MPT. En primer lugar, se presenta un nuevo modelo del Sistema Tierra de complejidad intermedia, DCESS II, que se basa, mejora y amplía el modelo llamado Danish Center for Earth System Science (DCESS I). DCESS II tiene una resolución espacial considerablemente mayor que DCESS I, al tiempo que mantiene la resolución vertical de 100 m en el océano. Contiene módulos para la atmósfera, el océano, los sedimentos marinos, la biósfera terrestre y la litósfera, y está diseñado para llevar cabo simulaciones de cambio global en escalas de años a millones de años sin la utilización de grandes recursos computacionales. Los trazadores del módulo atmosférico son temperatura, óxido nitroso, metano (con isótopos 12,13C), dióxido de carbono (con isótopos 12,13,14C) y oxígeno atmosférico. Para el módulo oceánico, los trazadores son temperatura conservativa, salinidad absoluta, 18O del agua de mar, fosfato, carbono inorgánico disuelto (con isótopos 12,13,14C), alcalinidad y oxígeno disuelto. Además, el módulo de océano considera un esquema dinámico simplificado para la circulación meridional de gran escala y la dinámica del hielo marino, la difusión vertical es dependiente de la estratificación, un enfoque de corriente de gravedad para la formación del agua de fondo Antártica y mejoras en la biogeoquímica del océano. DCESS II tiene 2 hemisferios con seis sectores atmosféricos promediadas zonalmente y 12 sectores oceánicos distribuidos entre el Océano Índico-Pacífico, Atlántico, Ártico y Austral. Se ha implementado un nuevo esquema ampliado de la biósfera terrestre que considera tres tipos diferentes de vegetación, en el que la producción primaria neta depende de la luz solar y el dióxido de carbono atmosférico (CO2). Las formulaciones del modelo de sedimento y litósfera se adoptan de DCESS I, pero ahora aplicados a las múltiples regiones oceánicas y terrestres del nuevo modelo. La calibración del modelo se llevó a cabo para el clima del pre-industrial y se compararon las soluciones del modelo en estado estacionario con las observaciones modernas disponibles. En su mayor parte, los resultados de la calibración concuerdan bien con los datos observados, incluyendo una excelente concordancia con variables asociadas al ciclo del carbono en el océano. Se llevaron a cabo 2 experimentos idealizados con el fin de explorar el rendimiento del modelo. Primero, se forzó el modelo variando el transporte de Ekman en el Océano Austral, imitando el efecto de las variaciones de los vientos del oeste del Hemisferio Sur (HS), y segundo, se impusieron pulsos de derretimiento de agua dulce de Antártica sobre la plataforma continental del Océano Austral. Los cambios en la circulación oceánica y en el ciclo global del carbono coinciden con resultados de modelos mucho más complejos. Por lo tanto, consideramos que DCESS II es una herramienta útil y fácil de usar para realizar simulaciones de climas pasado, así como también para proyecciones del sistema terrestre. Cuando el nuevo modelo de Sistema Tierra, DCESS II, es usado para estudiar la Transición del Pleistoceno Medio (MPT), se proponen cuatro forzamientos de manera de explicar el fuerte enfriamiento global observado a través de MPT: 1. Intensidad y posición de los vientos del oeste en el HS, 2. Exporte de hielo marino y icebergs desde la plataforma Antártica, 3. Fertilización del Océano Austral por polvo y 4. Avance de los mantos de hielo continental en el HN. Encontramos que el debilitamiento y desplazamiento hacia el ecuador de los vientos del oeste en el HS y el incremento en el exporte de hielo marino y icebergs desde la plataforma Antártica, pueden explicar gran parte del fuerte enfriamiento durante MPT. Las simulaciones sugieren que estos cambios provocaron el enfriamiento al reducir el intercambio de calor y de carbono entre las capas superiores y profundas del Océano Austral, y por medio del aumento de la recirculación en el océano profundo, lo que condujo al aislamiento de éste, al almacenamiento de carbono y a la disminución de CO2 en la atmósfera. La fertilización con hierro impulsada por el polvo reforzó aún más este almacenamiento y reducción, mientras que el crecimiento de la capa de hielo en el HN contribuyó principalmente al enfriamiento regional, al tiempo que promovió la reducción de la biomasa terrestre que libera CO2 a la atmósfera. | es |
| dc.description.campus | Concepción | es |
| dc.description.departamento | Departamento de Oceanografía | es |
| dc.description.facultad | Facultad de Ciencias Naturales y Oceanográficas | es |
| dc.description.sponsorship | ANID, Beca doctorado nacional 2017-21171747 | es |
| dc.description.sponsorship | ANID, Proyecto Fondecyt N° 1190230 | es |
| dc.description.sponsorship | ANID, Proyecto Fondecyt N° 1230534 | es |
| dc.description.sponsorship | Instituto Milenio de Oceanografía AIM23-0003 | es |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.udec.cl/handle/11594/13159 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.publisher | Universidad de Concepción | es |
| dc.rights | CC BY-NC-ND 4.0 DEED Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject | Geology | en |
| dc.subject | Stratigraphic Pleistocene | en |
| dc.subject | Paleoclimatology | en |
| dc.subject | Oceanography | en |
| dc.title | Modelling the global climate-carbon cycle across the Middle-Pleistocene Transition using the new Earth System Model DCESS II. | en |
| dc.title.alternative | Modelación del ciclo global del carbono a través de la Transición del Pleistoceno Medio utilizando el nuevo Modelo del Sistema Tierra DCESS II. | es |
| dc.type | Thesis | en |