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I PACEMAKER DEL CLIMA TERRESTRE. CHI CONTROLLA IL CONTROLLORE Il clima attuale sembra controllato dalla CO 2, che però è una forzantesecond stage: varia.

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1 I PACEMAKER DEL CLIMA TERRESTRE

2 CHI CONTROLLA IL CONTROLLORE Il clima attuale sembra controllato dalla CO 2, che però è una forzantesecond stage: varia nel tempo, ma solo in funzione di altri processi (vulcanismo, respirazione, fotosintesi, etc.). Questo non spiega la ciclicità climatica documentata nelle curve isotopiche! Attenzione: abbiamo sempre escluso una variabilità delle forzanti primarie, come linsolazione: S 0 =1.350 W/m 2 e S eff =1.000 W/m.

3 CHI CONTROLLA IL CONTROLLORE Scenario con S 0 e S eff variabili nel tempo: possibili ipotesi - variazione periodica dellemissione di RE dal Sole (S 0 ); - variazione periodica nellalbedo totale della Terra (per S eff ); - variabilità nella geometria del sistema Terra-Sole-Luna (S eff ).

4 EMISSIONE DI RE Lattività del Sole è irregolare, con cicli ad alta frequenza (11 e 22 anni) che creano macchie solari (solar spots), alcune a T più alte (faculae), altre più basse (maculae). La variazione ( S 0 ) è però <<1%. Cicli solari più lunghi non sembrano influenzare il sistema climatico.

5 EMISSIONE DI RE La correlazione fra cicli solari e T Terra esiste: T Terra = f( S 0 ) = ~0.03 °C, ma potrebbe essere solo un phase locking. Tuttavia, eventi come il Minimo di Maunder sono molto sospetti.

6 Milutin Milankovič La teoria di Milankovitch si basa sul lavoro di Adhemar e Croll (1842, 1664), i primi a correlare i cicli glaciale/interglaciale con i parametri orbitali terrestri. TEORIA ASTRONOMICA DEL CLIMA, validata solo dagli anni 70: le variazioni nella configurazione orbitale del sistema Terra-Sole-Luna potrebbero provocare cambiamenti climatici a scala globale. LA TEORIA MILANKOVIANA

7 LE FORZANTI ORBITALI La configurazione orbitale del sistema Terra-Sole è principalmente controllata da: ECCENTRICITÀ dellorbita di rivoluzione terrestre OBLIQUITÀ dellasse di rotazione terrestre PRECESSIONE degli equinozi

8 ALTRE FORZANTI ORBITALI PERIODICITA DELLORBITA LUNARE prec=8 yr, interferenza con leclittica=18 yr INCLINAZIONE DEL PIANO DELLECLITTICA ca. 70 kyr INTERAZIONE CON LA FASCIA DEGLI ASTEROIDI > 400 kyr VARIAZIONI LUNGHE DELLORBITA TERRESTRE sino a 2.5 Myr

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10 ECCENTRICITA ( ) Periodi: 95 kyr 125 kyr 413 kyrgrande eccentricità Periodi: 95 kyr 125 kyr 413 kyrgrande eccentricità piccola eccentricità Orbita terrestre con =0 e =0.5 perielio afelio

11 PRECESSIONE (p) Periodi: 19 kyr precessione corta 22,24 kyr precessione lunga Periodi: 19 kyr precessione corta 22,24 kyr precessione lunga Cambiamento della direzione dellasse di rotazione terrestre rispetto alle stelle fisse. Movimento giroscopico, controllato da interazioni con Luna e Sole. Per interferenze con altri corpi celesti, p normale (26 kyr) viene compressa in cicli più brevi (da 24 a 19 kyr). Importante: Δp ha grandi effetti alle basse latitudini, meno alle alte. Perchè?

12 OBLIQUITA (T) Periodo: 41 kyr Linclinazione dellasse di rotazione terrestre rispetto al piano della eclittica (TILT) varia fra 22 e 24.5°. Un ciclo completo avviene in 41 kyr. Importante: T è determinante alle ALTE LATITUDINI: al crescere di T, linsolazione alle HL aumenta. Controllo sullalbedo anche in termini di angolo di incidenza.

13 Soluzioni parametriche modulate (Laskar, 2004) e insolazione per lultimo milione danni. La curva dellinsolazione evidenzia la gerarchia annidata dei parametri orbitali. 400 kyr

14 Per verificare in modo empirico la validità della teoria di Milankovitch, possiamo confrontare i trend dellinsolazione con la curva degli isotopi stabili dellossigeno (proxy del clima globale). Se le due serie combaciano, possiamo validare questa correlazione. Per questo scopo utilizziamo un metodo statistico automatizzato. INSOLAZIONE E CICLI CLIMATICI

15 Analisi spettrale che permette di evidenziare e pesare (per frequenza e intensità) i segnali iterativi contenuti in una determinata serie di dati. Il metodo è basato su una Trasformata di Fourier, che devolve la funzione iniziale (=segnale) in funzioni elementari (sinusoidali). PERIODOGRAMMI

16 I metodi sono differenti. Usiamo il PERIODOGRAMMA DI LOMB, che restituisce in forma semplice le frequenze caratteristiche (x) e lintensità spettrale (y) di una serie-dati. Attenzione: il metodo non tiene conto della variabilità dei segnali nel tempo/spazio appiattimento dei segnali in ununica frequenza. PERIODOGRAMMI

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18 Esempio 1: Sia n il numero di ore dedicato allo studio dello studente s, misurato giornalmente per un anno (qui un dettaglio, media a 3 punti). Si osserva che il massimo (relativo) cade il mercoledì, mentre i valori scendono al minimo nei weekend e durante lestate (2 mesi). mer sab

19 Esempio 1 Nel periodogramma compare un picco molto forte ( supera di gran lunga il limite di confidenza del 95%, banda rossa) a f= Ricordiamo che f=1/p, quindi p=7. Dato che lunità di misura è il giorno, si dimostra che lo studio di s, misurato su periodi brevi (1 anno), varia SOLO con recorsività settimanale; la pausa estiva non compare in quanto NON CICLICA (1 evento/anno).

20 Esempio 2: Misuriamo n di s per 3 anni. La pausa estiva, quando s non studia per due mesi, è quindi ripetuta 3 volte. Nel periodogramma compare un secondo picco a f= Dato che f=1/p, risulta che p=365. Si dimostra che lo studio di s, misurato su tempi lunghi (3 anni), varia con cadenza sia settimanale che annuale. Purtroppo, in geologia non conosciamo in anticipo il significato dei dati!

21 LE WAVELET Metodo più potente che mantiene le serie-dati in successione: permette di evidenziare le variazioni di intensità e frequenza del segnale nel tempo. Linterpretazione dei risultati è tuttavia MOLTO complessa, anche su serie- dati note.

22 Esempio 3: utilizziamo ancora la nostra serie-dati (3 anni = 1095 giorni: asse X, i). Per ricavare le periodicità si applica la formula p=2 n, dove n = Y. Quindi: n1 = 2.8 p = 7 settimana n2 = 8.5 p = 365 anno ESTATE n1 n2 A ?

23 DATI STRUMENTALI: ISOTOPI STABILI DELLOSSIGENO

24 LR04 18 O Benthic Stack - Gli ultimi 5.3 Myr Lanalisi spettrale mostra picchi significativi. Attenzione: il picco a x = ~0 non conta (è autocorrelazione). Per tradurre i valori in periodicità, si ricordi che p=1/f. LOMB a 2 serie dati (t + 18 O)

25 p=1/f (attenzione alle unità di misura! Nei dati, t era espresso come kyr) f (E) = ca p = ca. 100 kyr piccola ECCENTRICITA (103 kyr) f (O) = ca p = ca. 40 kyr OBLIQUITA (41 kyr) f (P) = ca p = ca. 23 kyr PRECESSIONE (19, 21 e 23 kyr)

26 E quindi facile evidenziare le ciclicità, se i loro periodi cadono entro bande note (es. cicli orbitali). E invece problematico quando compaiono frequenze inattese, come armoniche o frequenze di interferenza (es., cicli di 11 o 35 kyr). Lanalisi spettrale è utile per verificare la coerenza fra i dati sperimentali (es. isotopi) e le forzanti (es. insolazione), ossia i rapporti causa-effetto. Ricordate: possiamo definire un rapporto causa-effetto SOLO se si riconoscono, sia nella soluzione della forzante che nel dato strumentale, le stesse frequenze significative. INDAGHIAMO UN INTERVALLO DI TEMPO BREVE, MA BEN DOCUMENTATO E SIGNIFICATIVO: LULTIMO MILIONE DI ANNI

27 18 O Time (Ma) Record del 18 O, bentonici (running average a 3 punti) Notate che gli spessori sono già trasformati in tempo: il gioco è molto più facile!

28 p=1/f (ultimo milione di anni, completo) E 1 = 1/8 norm (My) = 125 kyr ECCENTRICITA E 2 = 1/11 norm (My) = 90 kyr ECCENTRICITA X x = 1/18 norm (My) = 55 kyr < 95% confidence (armonica) O 1 = 1/25 norm (My) = 40 kyr OBLIQUITA P 1 = 1/43 norm (My) = 23 kyr PRECESSIONE << 95% confidence XxXx E1E1 E2E2 O1O1 P1P1

29 p=1/f : da 1.0 a 0.6 Ma E 1 = 1/8 norm (My) = 125 kyr ECCENTRICITA E 2 = 1/12 norm (My) = 90 kyr ECCENTRICITA X x = 1/18 norm (My) = 55 kyr < 95% confidence (armonica) O 1 = 1/24 norm (My) = 41 kyr OBLIQUITA P 1 = 1/41 norm (My) = 24 kyr PRECESSIONE << 95% confidence XxXx E1E1 E2E2 O1O1 P1P1

30 p=1/f : ultimi 600 kyr E 1 = virtualmente assente E 2 = 1/11 norm (My) = 90 kyr X X = 1/18 norm (My) = 55 kyr << 95% confidence (armonica) O 1 = 1/25 norm (My) = 40 kyr P 1 = 1/43 norm (My) = 23 kyr << 95% confidence XxXx E1E1 E2E2 O1O1 P1P1

31 p=1/f : ultimi 400 kyr E 1 = assente E 2 = 1/10 norm (My) = 100 kyr X X = bifida << 95% confidence (armonica) O 1 = 1/25 norm (My) = 40 kyr P 1 = 1/44 norm (My) = 23 kyr << 95% confidence XxXx E1E1 E2E2 O1O1 P1P1

32 RIEPILOGO 18 O Durante lultimo Myr, le ciclicità principali nella curva del 18 O sono relative a periodi di ca. 100 e 40 kyr. Nella banda della precessione (ca. 20 kyr) il picco è molto debole, anche se cresce nel tempo. Conclusione suggerita dai dati: le variazioni di volume delle calotte glaciali e, quindi, del clima sono controllate da forzanti con frequenze nella banda della piccola eccentricità e dellobliquità. Leffetto della precessione è trascurabile. Figure: a)Spettro del 18 O fra 1 e 0.6 Ma b)Spettro del 18 O fra 0.6 e 0.4 Ma c)Spettro del 18 O fra 0.4 Ma e lattuale b a c

33 FORZANTE: LINSOLAZIONE

34 Soluzione delle curve di insolazione parametrica e totale a 65°N

35 p=1/f: INSOLAZIONE, ultimo Myr completo p 1, p 2 = ECCENTRICITA: assenti!!! p 3 = assente p 4 = 1/25 norm (My) = 40 kyr OBLIQUITA P 5 a,b = (1/43 + 1/46) norm (My) = kyr PRECESSIONE LUNGA p 6 = 1/52 norm (My) = 19 kyr PRECESSIONE CORTA p3p3 p 1 p 2 p4p4 p 5 a,b p6p6 1 Myr

36 p=1/f : da 1.0 a 0.6 Ma p 1, p 2 = assenti!!! p 3 = assente p 4 = 1/24 norm (My) = 41 kyr P 5 a,b = (1/41 + 1/46) norm (My) = kyr p 6 = 1/53 norm (My) = 19 kyr p3p3 p 1 p 2 p4p4 p 5 a,b p6p6

37 p=1/f : ultimi 600 kyr p 1, p 2 = assenti!!! p 3 = assente p 4 = 1/25 norm (My) = 40 kyr P 5 a,b = (1/43 + 1/46) norm (My) = kyr p 6 = 1/52 norm (My) = 19 kyr p3p3 p 1 p 2 p4p4 p 5 a,b p6p6 600 kyr

38 p=1/f : ultimi 400 kyr p 1, p 2 = assenti!!! p 3 = assente p 4 = 1/25 norm (My) = 40 kyr P 5 = 1/43 norm (My) = 23 kyr p 6 = 1/52 norm (My) = 19 kyr p3p3 p 1 p 2 p4p4 p5p5 p6p6 400 kyr

39 RIEPILOGO INSOLAZIONE Durante lultimo Myr, le ciclicità principali nella curva dellinsolazione sono relative a periodi di ca. 40 e 20 kyr. Nella banda della piccola eccentricità (ca. 100 kyr) non si riconosce MAI alcun picco. Conclusione suggerita dai dati: obliquità e precessione sono le uniche forzanti orbitali in grado di influenzare il clima terrestre: leccentricità non ha alcun effetto. Figure: a)Spettro del 18 O fra 1 e 0.6 Ma b)Spettro del 18 O fra 0.6 e 0.4 Ma c)Spettro del 18 O fra 0.4 Ma e lattuale


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