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18 O E PALEOCLIMA. Come abbiamo visto, in un mondo icehouse le curve isotopiche della calcite dei foraminiferi (in particolare bentonici) riflettono essenzialmente.

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1 18 O E PALEOCLIMA

2 Come abbiamo visto, in un mondo icehouse le curve isotopiche della calcite dei foraminiferi (in particolare bentonici) riflettono essenzialmente le dinamiche di waxing-waning delle calotte glaciali, quindi del CLIMA GLOBALE. Le oscillazioni isotopiche sono quindi utili per tracciare correlazioni, anche a grande distanza: serve però, come sempre, un linguaggio comune. δ 18 O E CLIMA GLOBALE

3 In tutte le curve isotopiche dei foraminiferi si riconoscono picchi glaciali ed interglaciali (molto marcati negli ultimi kyr) e oscillazioni minori, che marcano (con limiti definiti caso per caso) intervalli denominati Marine Isotope Stage (MIS). Questi vengono numerati a ritroso partendo dallinterglaciale attuale (MIS 1); anche le oscillazioni minori sono codificate numericamente (es. MIS 15.5, 15.3, 15.1). MARINE ISOTOPE STAGE (MIS)

4 glaciale 18 O +- interglaciale numero pari (es. 18) numero dispari (es. 17) Standard codation degli eventi isotopici Tempo MARINE ISOTOPE STAGE (MIS)

5 LA OXYGEN ISOTOPE STRATIGRAPHY ( OIS ) STRATIGRAFIA ISOTOPICA (OIS): suddivisione del record geologico in base ad una successione di eventi isotopici. Il principio della OIS funziona a scale molto diverse (da globale o strettamente locale; anche una singola sezione, se confrontata con uno standard). Curve come quella in figura rappresentano un esempio pioneristico di OIS: è uno stack storico (lo SPECMAP, dei primi anni 80).

6 UNA NUOVA SCALA DEL TEMPO GEOLOGICO Vincoli cronologici tradizionali: 1)Conosciamo (dai coralli) letà dellultimo picco interglaciale (MIS 5.5). 2)Nelle carote più espanse, il limite Matuyama/Brunhes cade in un picco interglaciale (MIS 19, che ha unetà nota dalla radiometria). Usando questi pochi vincoli, si è interpolata letà degli altri MIS per costruire una scala di riferimento del Tempo Geologico (non è stato semplice arrivare a un risultato decente!!!).

7 CORRELAZIONI

8 Correlazione fra la OIS e curve polliniche da laghi della Francia (sx) e della Colombia (dx) OIS: UNO STANDARD PER ALTRI RECORD

9 CREAZIONE DI UNO STACK ISOTOPICO 1 - RACCOLTA DI RECORD 2 - OVERLAPPING DEI RECORD 3 - FILTRAGGIO DEL SEGNALE

10 RISULTATO: LO STACK ISOTOPICO LR04 benthic (2005)

11 CHI E IL COLPEVOLE? Il clima attuale sembra controllato principalmente dai tenori di gas serra, che però sono una forzante second stage le cui dinamiche rispondono a processi non lineari. Non possiamo quindi imputare a variazioni dei tenori di CO 2 la variabilità climatica documentata nelle curve isotopiche, che è ciclica e periodica. Abbiamo sinora considerato costanti altre variabili, quali ad esempio linsolazione (S 0 =1.350 W/m 2 e S eff =1.000 W/m 2 ). Poichè la CO 2 amplifica leffetto delle forzanti primarie, è presumibile che al variare dei tassi di insolazione avvengano cambiamenti significativi nel clima terrestre.

12 CHI E IL COLPEVOLE? Qual è lo scenario con S 0 e S eff variabili nel tempo? Dobbiamo immaginare: a)una variazione periodica della emissione di RE dal Sole (per S 0 ); b)una variazione periodica nella albedo totale della Terra (per S eff ); c)una variazione periodica nella geometria del sistema Terra-Sole (per S eff ): Teoria Milankoviana

13 a) S 0 Lattività del Sole è irregolare, con cicli solari ad alta frequenza (11 e 22 anni). I cicli solari sembrano determinati da moti convettivi, che portano a variazioni del campo magnetico del Sole e alla comparsa sulla sua superficie di macchie (solar spots), alcune con T più alte (faculae) e altre più basse (maculae) rispetto al normale. Attenzione: nel concreto, leffetto di queste macchie è minimo, poichè determinano un S 0 << 1%.

14 a) S 0 Notate che T Terra = f( S 0 ) = ~0.03 °C! Tuttavia, esiste una correlazione fra cicli solari e variazioni di T Terra ; potrebbe essere un phase locking del sistema Terra-Sole. Sono segnalati anche cicli a durata maggiore (90, yr) che comunque abbisognano di altri feedback importanti. Tuttavia, sono documentati eventi intriganti quali il Minimo di Maunder e il Minimo di Spoerer.

15 Milutin Milankovič Lidea di Milutin Milankovitch: Se il semplice contrasto giorno/notte è tanto marcato, come possono le variazioni orbitali (che determinano variazioni di insolazione media enormemente superiori!) non influire sul clima globale? TEORIA ASTRONOMICA DEL CLIMA Validata solo dagli anni 70: le variazioni di configurazione orbitale potrebbero determinare cambiamenti climatici globali. c) LA TEORIA MILANKOVIANA

16 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

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

18 ECCENTRICITA ( ) Periodi: 95 kyr 125 kyr 413 kyrgrande eccentricità Periodi: 95 kyr 125 kyr 413 kyrgrande eccentricità piccola eccentricità Sopra: Orbita terrestre rispetto al Sole con =0 (sx) e =0.5 (dx) perielio afelio

19 OBLIQUITA (T) Periodo: 41 kyr Lobliquità dellasse terrestre rispetto al piano delleclittica (TILTING, da cui labbreviazione T) varia periodicamente da 22 a 24.5°, e viceversa. Un ciclo completo andata/ritorno si completa in 41 kyr. Importante: T è un valore determinante alle ALTE LATITUDINI. Al crescere di T, linsolazione alle HL aumenta ma diminuisce alle BASSE LATITUDINI. Controllo sullalbedo anche in termini di angolo di incidenza.

20 PRECESSIONE (p) Periodi: 19 kyr precessione corta 22,24 kyr precessione lunga Periodi: 19 kyr precessione corta 22,24 kyr precessione lunga Definita come cambiamento di direzione dellasse di rotazione terrestre rispetto alle stelle fisse; è un movimento giroscopico controllato da interazioni gravitazionali con Luna e Sole (in modo equivalente). Causa interferenze con altri corpi celesti, la p normale (periodo di 26 kyr) viene compressa in cicli più brevi (da 24 a 19 kyr). Importante: p ha effetti enormi alle basse latitudini, molto meno alle alte. Perchè? Qual è leffetto di p sul clima terrestre attuale?

21 Soluzioni parametriche modulate (Laskar, 2004) e insolazione per lultimo milione danni. Linsolazione evidenzia la gerarchia annidata (come una Matrioska) dei parametri orbitali 400 kyr

22 Per verificare la validità della teoria di Milankovitch, confrontiamo in modo puntuale leffetto dellinsolazione e della sua variabilità nel tempo con uno dei principali proxy paleoclimatici, la curva degli isotopi stabili dellossigeno. A questo scopo applichiamo, in modo elementare, un metodo di indagine statistica specifico: lanalisi spettrale. INSOLAZIONE E CICLI CLIMATICI

23 Analisi spettrale su serie-dati: sviluppo di una serie di Fourier, che permette di scomporre un segnale complesso e spurio (es. dati sperimentali) in sinusoidi elementari pesandone leffetto (=frequenza e intensità). ANALISI SPETTRALE Vantaggi: metodo semplice e veloce (esistono numerosi programmi appositi); Svantaggi: non è possibile analizzare levoluzione dei segnali nel tempo; serve molta cautela per discriminare il rumore dal segnale primario.

24 Useremo il PERIODOGRAMMA DI LOMB, un metodo in grado di restituire in forma semplice le frequenze caratteristiche (x) e la relativa intensità spettrale (y) di una serie-dati. Il PL ermette di identificare segnali ripetitivi in una qualsiasi serie di dati. PERIODOGRAMMI

25 y = sin (x)

26 y = sin (x 2 )

27 Esempio pratico

28 Esempio 1: Sia n il numero di ore dedicate allo studio da parte dello studente s, misurata giornalmente per un anno (qui un dettaglio, media a 3 punti). Il massimo (relativo) cade il mercoledì, mentre il minimo corrisponde a weekend e periodo estivo (2 mesi). mer sab

29 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 matematicamente le ore di studio di s, misurate su periodi brevi (1 anno), variano SOLO con recorsività settimanale; la pausa estiva non compare, in quanto NON CICLICA (1 evento/anno).

30 Esempio 2: Misuriamo n di s per 3 anni. Il periodo estivo, quando lo studente non studia (n=0 per due mesi), diventa quindi un evento ripetuto 3 volte. Nel periodogramma compare un secondo picco (debole, ma supera il limite del 95%) a f= Dato che f=1/p, risulta che p=365. Lunità di misura è ancora il giorno, quindi si dimostra che la voglia di studiare di s, misurata su tempi medio-lunghi (3 anni), varia con recorsività SIA settimanale che annuale. Purtroppo, in geologia non conosciamo in anticipo il significato dei dati!

31 LE WAVELET Analisi spettrale più potente ma anche molto più complessa. Rispetto ai periodogrammi, mantiene i dati in successione seriata misurando in modo continuo le variazioni di intensità e frequenza del segnale. Vantaggi: metodo che permette di valutare la distribuzione di ogni periodicità nello spazio e/o nel tempo Svantaggi: interpretazione MOLTO complessa; su serie tempo incognite è necessario laiuto di specialisti

32 Esempio 3: utilizziamo ancora la serie dello studente (3 anni, 1095 giorni; asse X, i). Per ricavare le periodicità, bisogna applicare la formula p=2 n, dove n=y. Quindi: n1 = 2.8 p = 7 settimana n2 = 8.5 p = 365 anno ESTATE n1 n2 ? ? ? ?

33 Finora tutto molto semplice poichè, come già detto, già conosciamo in anticipo la distribuzione e il significato delle informazioni date in pasto al programma. La questione si complica nel caso di dati strumentali, dove sono presenti errori di misurazione, falsi positivi, etc. e compaiono frequenze (armoniche o di interferenza) apparentemente ingiustificate (es., i misteriosi cicli di 11 o 35 kyr). Al di là di questi problemi, lanalisi spettrale ci permette di confrontare la coerenza (rapporto causa-effetto) fra il segnale climatico (=isotopi) e le forzanti (=insolazione). In estrema sintesi: possiamo validare la teoria di Milankovitch SOLO se riconosciamo le stesse frequenze significative, e con intensità compatibile, sia nella forzante che nei dati strumentali. ANALISI SPETTRALE E PALEOCLIMA

34 a) DATI STRUMENTALI: ISOTOPI STABILI DELLOSSIGENO

35 LR04 18 O Benthic Stack: gli ultimi 5.3 Myr Lanalisi spettrale mostra alcuni picchi significativi; attenzione, il primo picco (a x=~0) va trascurato ( autocorrelazione). Per tradurre i valori in periodicità, si ricordi che p=1/f. LOMB a 2 serie dati (t + 18 O)

36 p=1/f (attenti 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)

37 INDAGHIAMO UN INTERVALLO DI TEMPO BREVE, MA SIGNIFICATIVO E BEN DOCUMENTATO: LULTIMO MILIONE DI ANNI

38 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!

39 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

40 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

41 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

42 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

43 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. Apparentemente, le variazioni di volume delle calotte glaciali sono controllate da forzanti con f 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

44 b) FORZANTE: LINSOLAZIONE

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

46 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

47 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

48 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

49 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

50 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, mentre 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

51 Esistono piccoli (ma determinanti) problemi nel trattare come causa-effetto linsolazione e la variabilità climatica registrata nel 18 O. Ad esempio: a)è necessario invocare una risposta non lineare del sistema climatico al forcing astronomico (per quanto grande, leffetto è sproporzionato rispetto alla causa). Potrebbe dipendere da feedback interni al sistema, ma… quali? b)il modello prevede la quasi simultaneità di forcing e risposta climatica, che implica lassenza di lag temporale fra i due processi (mentre, nel caso del ghiaccio, questo intervallo è significativo); c)come abbiamo appena visto, i cicli climatici di 100 kyr non possono essere originati da variazioni nelleccentricità dellorbita terrestre. E il cosiddetto problema dei 100 kyr: ci sono, ma non dovrebbero esistere (un po come il volo del calabrone). PROBLEMI GENERALI RELATIVI ALLA TEORIA DI MILANKOVITCH

52 Considerazioni e domande: a)Le variazioni di (p = ~100 kyr) determinano variazioni di insolazione inferiori al 2% rispetto alleffetto combinato di T e P (labbiamo appena verificato, pur senza misurarlo in modo quantitativo); b)I cosiddetti 100-kyr cycles hanno in realtà durate variabili (80, 90, 100, 120 kyr); c)i cicli di 100 kyr sono presenti (e in fase) sia nel 18 O dei foraminiferi (record oceanico) che nei tenori di CO 2 delle carote di ghiaccio (segnale atmosferico): quali sono i veri rapporti fra CO 2 e insolazione? Leffetto delleccentricità è quindi 1) insignificante o 2) indiretto. IL PROBLEMA DEI CICLI DI 100 kyr

53 Se è insignificante: - precessione delleclittica rispetto al piano invariabile del sistema solare (periodo di 100 kyr) + fascia ? - effetto combinato/esclusivo di P e/o T, con casuale cadenza di 100 kyr? - nessun ruolo da parte dellinsolazione nei cicli di 100 kyr? Se leffetto di è indiretto: - phase locking di nei confronti di P e/o T? - overbrink di insolazione dato da ogni 4-5 cicli di P o 2-3 cicli di T? ORIGINE DEI CICLI DI 100 kyr


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