Probing links between Cenozoic geodynamics and climate changes

Paleoclimate archives allow the investigation of past climate changes, offering the unique chance to interpret and constrain future climate scenarios. Coupled carbon dioxide (CO2) and temperature (T) trends affect Earth’s system across time scales, resulting in non-linear interactions during Pleis- tocene glacial-interglacial cycles and Cenozoic climate. However, despite advances in constraining the absolute CO2 budget through proxy reconstructions, so far works have overlooked the implica- tions of underlying CO2 fluxes. To address this question, the present work implements a Bayesian algorithm to invert temporal changes of paleo-CO2 data to reconstruct continuous time histories of CO2 source and sink fluxes. Coupled with a general formulation of the geological carbon cycle which links temporal changes of CO2 to T trend, the algorithm is used in three different case studies. In the first study, the algorithm is validated through synthetic tests and applied to real case inversion of paleo CO2 data from the Antarctic ice core of Dome Fuji, encompassing the last ̃340 thousand years (kyrs). The study detects pulses of sources and sink fluxes during deglaciations and stability during glaciations. In the second study, the work extends the analysis to the last ̃800 kyrs by inverting the paleo temporal CO2 Antarctic ice core record of Dome C. The inversion reveals a shift in the carbon flux since ̃400 kyrs, potentially ascribed to the effect of the Mid-Brunhes Transition. Quantitative and qualitative analyses hint at a driving role of the Solid Earth behind the detected shift, involving the interaction between sea level change and mid-ocean ridge volcanism. The third, final work deals with the inversion of a recent multi-proxy CO2 reconstruction to reconstruct carbon flux time histories over the Cenozoic. The study detects high flux variability before ̃34 million years (Myrs), potentially due to evolving geodynamic context of the Neo-Tethyan closure, and a stabilization thereafter. We ascribe the shift in the flux variability to stronger ice-albedo feedbacks since the onset of a perennial Antarctic ice cap ̃34 million years ago (Ma). Finally, besides pro- viding a novel tool and flux estimates to be used for constraining numerical forward models, this work leads the way to a new theoretical approach to the problem of carbon flux estimation.

Gli archivi paleoclimatici permettono di indagare i cambiamenti climatici del passato, offrendo un’opportunit`a unica di interpretare e vincolare scenari climatici futuri. I trend accoppiati di anidride carbonica (CO2) e temperatura influenzano il sistema Terra su diverse scale temporali dando origine a interazioni non lineari, come nel caso dei cicli glaciali-interglaciali pleistocenici o dell’era Cenozoica. Tuttavia, nonostante i progressi nella ricostruzione del bilancio di CO2 tramite proxy paleoclimatiche, sono state finora trascurate le implicazioni legate ai flussi di CO2. Per colmare questa lacuna, il presente lavoro introduce l’implementazione di un algoritmo bayesiano per l’inversione delle derivate temporali di CO2 al fine di ricostruire serie temporali dei flussi di CO2 in entrata e in uscita dalla superficie terrestre. Congiuntamente a un modello generalizzato del ciclo geologico del carbonio, il quale lega le variazioni temporali di CO2 ai trend di temperatura, l’algoritmo viene qui applicato a tre diversi casi studio. Nel primo, l’algoritmo viene validato utilizzando test sintetici e successivamente applicato all’inversione reale dei dati di CO2 provenienti dalla carota di ghiaccio antartica di Dome Fuji, relativa agli ultimi 340 mila anni. Lo studio rileva impulsi nei flussi superficiali durante le deglaciazioni e una loro stabilizzazione durante i periodi glaciali. Nel secondo studio, l’analisi viene estesa agli ultimi 800 mila anni utilizzando i dati della carota di ghiaccio di Dome C. L’inversione rivela un cambiamento nei flussi di carbonio a partire da 400 mila anni fa, potenzialmente legato alla Mid-Brunhes Transition. Analisi qualitative e quantitative suggeriscono un ruolo determinante della geosfera, in particolare l’interazione tra le fluttuazioni del livello marino e il vulcanismo di dorsale oceanica. Il terzo e ultimo studio riguarda l’inversione di una recente ricostruzione multiproxy dei valori superficiali di CO2 per ottenere serie temporali dei flussi nel Cenozoico. L’analisi evidenzia un’elevata variabilit`a dei flussi prima di 34 milioni di anni fa, verosimilmente dovuta all’evoluzione del contesto geodinamico associato alla chiusura della Neo-Tetide, e una loro successiva stabilizzazione. Inoltre, la stabilizzazione dei flussi a partire da ̃34 milioni di anni fa `e probabilmente dovuto al rafforzamento dell’interazione negativa tra ghiaccio e albedo successivo alla formazione della calotta polare antartica. Infine, oltre a fornire un nuovo strumento per la stima dei flussi di carbonio in superficie, utile anche ai fini di una migliore impostazione di modelli numerici, questo lavoro propone un nuovo approccio teorico al problema in analisi.