Constraining the pre-industrial and deglacial marine nitrogen cycle by combining models and observations

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1 Diss. ETH No Constraining the pre-industrial and deglacial marine nitrogen cycle by combining models and observations A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences (Dr. sc. ETH Zurich) presented by OLIVIER EUGSTER Dipl. Phys. born April 27th 1982 citizen of Speicher (AR) - Switzerland accepted on the recommendation of Prof. Dr. N. Gruber Guyan, examiner Prof. Dr. G. Haug, co-examiner Prof. Dr. C. Deutsch, co-examiner 2011

2 Abstract This thesis deals with the marine nitrogen (N) cycle. Two questions are addressed: Do pre-industrial estimates of rates of N-fixation and denitrification yield a balanced marine N- cycle? and: How did the marine N-cycle, and particularly the N inventory, evolve across the last glacial termination?. Observations and models are combined to address these questions. Tracers reflecting the N anomaly (N ) and stable N isotopes (δ 15 N) are used to constrain a newly developed geochemical multi-basin box model and the Biogeochemical Elemental Cycling (BEC) model. Two probabilistic box model approaches were developed to simultaneously estimate the preindustrial rates of N-fixation and denitrification, as well as to compute the marine N budget. The approaches yield rates of N-fixation of 118 TgN yr 1 and 134 TgN yr 1 and rates of denitrification in the water column and sediment of 51 TgN yr 1 and 81 TgN yr 1, respectively. These rate estimates plus updated estimates of atmospheric deposition and riverine input of N yield a marine N-cycle that is balanced to within 15 TgN yr 1. A N residence time of 4,500 yr is computed. This residence time being shorter than the time-scale of the last glacial termination, the question is raised as to whether and how much the marine N-cycle has contributed to the variations of atmospheric level of carbon dioxide (CO 2 ) on this time-scale, through changes in the global inventory of N. The change in the marine N inventory across the last glacial termination is evaluated using the box model developed for pre-industrial investigations. This is done by determining the temporal evolution of N-fixation and denitrification, which are affected by climate forcings. Deglaciation simulations are constrained by sediment δ 15 N records from several sites located in different ocean basins. A decrease of 26 to 48% in the global N inventory is simulated across the last deglaciation. This decrease is primarily a consequence of a 35% decrease in the global rate of N-fixation due to a strong iron forcing during the early deglaciation. A subsequent increase in N-fixation due to a strong internal N-feedback permits the global rate of N-fixation to remain nearly unchanged between the last glacial period and the Holocene. The decrease in the global inventory of N across the last deglaciation implies that global marine productivity possibly decreased, and hence the carbon sequestered in the deep ocean as well. This makes the marine N-cycle a potential candidate for explaining a part of the iii

3 increase in the atmospheric CO 2 level across the last glacial termination. Simulations using the BEC model embedded in the Community Climate System Model (CCSM) help to gain insight not only into the processes and dynamics of the marine N-cycle, but also into the coupling between the marine N- and carbon (C) cycles and the Earth s climate. Here, a complex N isotope model as well as a formulation of benthic denitrification are implemented in the BEC model. An initial model evaluation was carried out using the mean ocean and spatial distribution of δ 15 N of nitrate (NO 3 ), the global NO 3 budget and the global export flux of POC. Further investigations of the dynamics of the marine N-cycle under pre-industrial conditions and over abrupt climate events will be undertaken. These will help to better predict future variations in the N-cycle and the impacts of these variations on the C-cycle and the Earth s climate in a changing world affected by the ongoing anthropogenic perturbation. iv

4 Résumé Cette thèse traite du cycle océanique de l azote. Les deux questions suivantes sont abordées: Les estimations préindustrielles des taux de fixation d azote et de dénitrification correspondent-elles à un cycle océanique de l azote à l équilibre? et: Comment le cycle océanique de l azote, et en particulier le stock d azote, ont-ils évolué durant la dernière transition glaciaire-interglaciaire?. Des observations et des modèles sont combinés afin de répondre à ces questions. Des traceurs reflétant l anomalie de l azote (N ) et les isotopes stables de l azote (δ 15 N) sont utilisés pour contraindre un nouveau modèle géochimique en boîtes, lequel distingue différents bassins océaniques, ainsi que le modèle Biogeochemical Elemental Cycling (BEC). Deux approches probabilistiques ont été développées afin d estimer simultanément les taux préindustriels de fixation d azote et de dénitrification, ainsi que pour calculer le bilan du cycle océanique de l azote. Ces approches révèlent des taux de fixation d azote de 118 TgN yr 1 et de 134 TgN yr 1, et des taux de dénitrification dans la colonne d eau et dans les sédiments de respectivement 51 TgN yr 1 et 81 TgN yr 1. La combinaison de ces estimations de taux avec les estimations plus récentes des apports d azote par déposition atmosphérique et par les rivières indique un cycle océanique de l azote qui est à l équilibre à plus ou moins 15 TgN yr 1. Un temps de séjour de l azote de 4500 ans est calculé. Ce temps de séjour étant plus court que l échelle de temps de la dernière déglaciation, la question se pose si, et à quel point, le cycle océanique de l azote a contribué, au travers de changements du stock d azote, aux variations passées du taux de dioxyde de carbone (CO 2 ) dans l atmosphère. Le changement du stock océanique de l azote durant la dernière déglaciation est évalué à l aide du modèle en boîtes développé précédemment pour les études préindustrielles. L évaluation de ce changement est obtenue une fois les évolutions temporelles des taux de fixation d azote et de dénitrification déterminées, lesquelles sont influencées par des forçages climatiques. Les simulations glaciaires-interglaciaires sont contraintes par des reconstructions sédimentaires du δ 15 N provenant de plusieurs sites localisés dans différents bassins océaniques. Une diminution de 26 à 48% du stock global de l azote est calculée durant la dernière déglaciation. Cette diminution est principalement la conséquence d une réduction de 35% du taux global de fixation d azote en raison d un important forçage dû v

5 au fer actif au début de la déglaciation. Suit une augmentation de la fixation d azote en raison d une importante réaction interne du cycle de l azote, laquelle implique qu au final le taux global de fixation d azote n a pratiquement pas changé durant la dernière transition glaciaireinterglaciaire. La diminution du stock d azote implique que la productivité océanique a peutêtre globalement diminué, d où une possible diminution de la quantité de carbone isolée dans l océan profond. Le cycle océanique de l azote serait ainsi un candidat potentiel pour expliquer une partie de l augmentation du taux de CO 2 dans l atmosphère durant la dernière déglaciation. Des simulations du modèle BEC qui est inclus dans le Community Climate System Model (CCSM) permettent d acquérir des connaissances non seulement des processus et de la dynamique du cycle océanique de l azote, mais aussi du couplage entre les cycles océaniques de l azote et du carbone, et du climat. Ici, un modèle isotopique de l azote ainsi qu une paramétrisation pour la dénitrification dans les sédiments sont implémentés dans le modèle BEC. Une première évaluation du modèle, basée sur le δ 15 N du nitrate moyen de l océan et sur sa distribution, ainsi que sur le bilan global de nitrate et sur le flux total de POC exporté, a été effectuée. De plus amples analyses de la dynamique du cycle océanique de l azote soumis à des conditions préindustrielles et durant d abruptes événements climatiques seront effectuées. Ces analyses aideront à mieux prédire les futures variations du cycle de l azote et l impact de ces variations sur le cycle du carbone et sur le climat dans un monde soumis à la perturbation anthropogénique. vi