A Temperature-Dependent Positive Feedback on the Magnitude of Carbon Isotope Excursions

Seth Finnegan, David A. Fike, David Jones, Woodward W. Fischer

Abstract


The decrease in the average magnitude of carbon isotope excursions in marine carbonates over Phanerozoic time is a longstanding unresolved problem. In addition, carbon isotope excursions commonly co-occur with oxygen isotope excursions of the same sign, implying the existence of a longstanding link between organic carbon burial fluxes and temperature. It was proposed that this connection was provided by the thermodynamic relationship between temperature and microbial respiration rates – changes in temperature drive changes in organic carbon remineralization rate and organic carbon burial efficiency. Such a mechanism provides the logic for a positive feedback affecting the magnitude of both climate changes and carbon isotope excursions. Here, we employ feedback analysis to quantify the strength of this mechanism with modifications to a simple carbon isotope mass balance framework. We demonstrate that the potential strength of this feedback is large (perhaps several permil) for plausible ranges of historical climate change. Furthermore, our results highlight the importance of the surface temperature boundary condition on the magnitude of the expected carbon isotope excursion. Comparisons of our model predictions with data from the terminal Eocene and Late Ordovician (Hirnantian) greenhouse–icehouse climate transitions suggest that these excursions might be substantially explained by such a thermodynamic microbial respiration feedback. Consequently, we hypothesize that the observed pattern of decreasing excursion magnitude toward the present might be explained at least, in part, by a decrease in the mean temperature of environments of organic carbon burial driven by long-term climate and paleogeographic trends.

 

SOMMAIRE

La diminution de l'amplitude moyenne des excursions des isotopes du carbone dans les carbonates marins au fil du Phanérozoïque est une énigme de longue date.  On note en outre que les excursions des isotopes du carbone coexistent couramment avec des excursions isotopiques de même signe de l'oxygène, ce qui implique l'existence d'un lien de longue date entre les flux d’enfouissement du carbone organique et la température.  On a suggéré que ce lien découlait de la relation thermodynamique entre la température et les taux de respiration microbienne - les changements de température déterminent le taux de reminéralisation du carbone organique et l’efficacité de l’enfouissement du carbone organique.  Un tel mécanisme peut expliquer la rétroaction positive affectant à la fois l'ampleur des changements climatiques et les excursions des isotopes du carbone.  Dans le cas présent, nous utilisons l'analyse de la rétroaction pour quantifier la robustesse de ce mécanisme avec des modifications d’un simple bilan de masse des isotopes du carbone.  Nous démontrons que la robustesse potentielle de cette rétroaction est forte (peut-être plusieurs pour mille) dans les gammes plausibles du changement climatique historique.  De plus, nos résultats mettent en évidence l'importance de la condition aux limites de la température de surface sur l'ampleur de l'excursion isotopique du carbone attendue.  Les comparaisons des prédictions de notre modèle avec les données de la fin de l'Éocène et de la fin de l’Ordovicien (Hirnantien) des transitions climatiques à effet de serre-effet/de glaciation permettent de penser que ces excursions pourraient être correctement expliquées par une telle rétroaction de la thermodynamique de la respiration microbienne.  Par conséquent, nous émettons l'hypothèse que la tendance observée de diminution de l'ampleur de l’amplitude des excursions du passé vers le présent peut s'expliquer, au moins en partie, par une diminution de la température moyenne du milieu d'enfouissement du carbone organique engendrée par des tendances climatiques et paléogéographiques à long terme.


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DOI: http://dx.doi.org/10.12789/gs.v39i3.19395