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COMPENDIO DI STORIA DEL CLIMA. IL CLIMA NEL PALEOZOICO E MESOZOICO Malgrado gli studi in corso, la storia antica del clima terrestre è ancora in gran.

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1 COMPENDIO DI STORIA DEL CLIMA

2 IL CLIMA NEL PALEOZOICO E MESOZOICO Malgrado gli studi in corso, la storia antica del clima terrestre è ancora in gran parte avvolta nel mistero (e, probabilmente, tale rimarrà): mano a mano che ci inoltriamo nel deep time, la nostra capacità di osservare e comprendere i fenomeni naturali diminuisce sino ad annullarsi. Le cause sono diverse: - Sistemi climatici a n componenti, mutabili e/o ignote; - Bassa risoluzione e/o discontinuità (X-Y) del segnale stratigrafico; - Problemi di riconoscimento e/o datazione degli eventi; - Difficoltà di taratura degli Archivi e dei Proxy.

3 IL GREAT OXYGENATION EVENT (GOE) A ca. 2.4 Ga, lattività fotosintetica dei cianobatteri permette lafflusso di ossigeno allatmosfera; sino ad allora lossigeno veniva sequestrato in ambiente subacqueo ad ossidare materia organica e ferro ( BIF).

4 IL GREAT OXYGENATION EVENT (GOE) Leffetto determinato dalleccesso di ossigeno e dalla sua fuga nellatmosfera è lossidazione rapida e massiva del metano atmosferico: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O Come gas serra, leffetto combinato di CO 2 e H 2 O è inferiore a quello del metano rapido calo delle temperature (forse accelerato da una diminuzione della degassazione vulcanica?) e onset della Glaciazione Huroniana (2.4 – 2.1 Ga).

5 LA SNOWBALL EARTH Secondo alcune ipotesi, fra 750 e 600 Ma la Terra entra in un regime glaciale. Per tre volte una gigantesca coltre di ghiaccio ricopre il globo in modo completo (ipotesi della Snowball Earth) o in gran parte (=Slushball Earth). I meccanismi di innesco sono ancora poco chiari (forse una gigantesca eruzione, o eccesso di weathering dei silicati in seguito a grosse orogenesi). La Snowball Earth è per noi importante perchè ha rappresentato un momento di forte pressione evolutiva (v. Esplosione cambriana)

6 IL THERMAL MAXIMUM CRETACEO Il Cretaceo è considerato lintervallo più caldo di tutta la storia della Terra. In assenza di calotte glaciali, e con tenori esagerati di gas serra, virtualmente non esistevano gradienti latitudinali di temperatura. La circolazione oceanica era di tipo ALOTERMICO, ossia controllata principalmente da gradienti di salinità (es. MAW-LIW). Poichè questo meccanismo è molto meno efficace di quello termoalino, la circolazione è costantemente difficoltosa (come testimoniato dalla presenza di eventi anossici oceanici, OAE). Il culmine del caldo cretaceo si verifica al limite Cenomaniano-Turoniano, forse in risposta alla degassazione indotta dallespansione dei fondali dellAtlantico settentrionale. E il momento in cui si determina lOAE 2, ossia la deposizione del Livello Bonarelli.

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8 MONDO GREENHOUSE: assenza di calotte glaciali persistenti MONDO DOUBTHOUSE: fase transizionale, crescita di coltri glaciali metastabili MONDO ICEHOUSE: Presenza costante di calotte glaciali ~persistenti ai poli

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10 Southern Hemishpere Glaciation (SHG) PALEOGENE

11 IPOTESI PER LA SHG - Apertura del Passaggio di Drake: - formazione della corrente circumpolare antartica - isolamento termico dellAntartide - sviluppo di una calotta antartica prevalentemente aggradante (piuttosto che progradante), quindi con un margine stabile - Eccesso di CO 2 atmosferica durante il mondo greenhouse sviluppo nel tempo di robusti feedback a favorire il sequestro di gas-serra, con effetti a lungo termine - Rallentamento dello spreading oceanico durante il Cenozoico diminuzione di degassazione di CO 2 dagli oceani

12 Flusso attuale nel PdD: 130 milioni di m 3 /sec. Con PdD aperto, diminuzione (stimata) di ca. il 20% del flusso totale di calore verso le alte latitudini meridionali: quota grande ma insufficiente, da sola, a innescare la SHG APERTURA DEL PASSAGGIO DI DRAKE: FORMAZIONE DELLA CORRENTE CIRCUMPOLARE ANTARTICA ED ISOLAMENTO TERMICO DELLANTARTIDE

13 Modello su t=10 Myr con p(CO 2 ) in diminuzione da 4PAL a 2PAL (DeConto & Pollard, 2003)

14 Spessore della calotta antartica in tempi discreti su t 0 =0, t f =10 Myr e p(CO 2 ) da 4PAL a 2PAL con PdD aperto (DeConto & Pollard, 2003). SVILUPPO DI UNA CALOTTA ANTARTICA AGGRADANTE

15 ECCESSO DI CO 2 SVILUPPO NEL TEMPO DI FEEDBACK CON EFFETTI A LUNGO TERMINE

16 Northern Hemisphere Glaciation (NHG) Southern Hemisphere Glaciation (SHG) NEOGENE

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18 MIOCENE Da notare: si sollevano le Ande (= +CO 2, vulcanesimo), luplift dellorogeno tibetano accelera (= -CO 2 ), listmo di Panama si sta chiudendo (=...?)

19 PLEISTOCENEPLIOCENE IL PLIO-PLEISTOCENE

20 IL PLIOCENE CALDO (5.3 – 3.2 Ma) Lintervallo fra 5.3 e ca. 3.2 Ma è noto come Pliocene warm period. Le SST alle alte latitudini erano fino a 7°C superiori a quelle attuali, in Groenlandia non cera calotta e il sea level era ca. 30 m più alto di oggi. La ciclicità climatica è controllata da periodi di ca. 40 kyr.

21 CAMBIAMENTI CLIMATICI NEL PLIO-PLEISTOCENE Le curve del 18 O indicano che la storia climatica degli ultimi 5 Myr è molto complessa, con: 1) un progressivo appesantimento dei valori isotopici nel tempo; 2) un salto a ca. 3 Ma, con valori isotopici rapidamente più pesanti e la comparsa di una chiara ciclicità; 3) a ca. 3 Ma, comparsa nellAtlantico del primo IRD a basse latitudini (40-50°N). Ca. 3.2 Ma (inizio del Pliocene glaciale) si forma una calotta nellemisfero nord: è un evento fondamentale che prende il nome di Northern Hemisphere Glaciation (NHG)

22 IPOTESI PER LA NHG - Sollevamento dellorogeno tibeto-himalayano, che determina: -Sviluppo di ghiacciai montani (maggiore albedo globale); -Modificazioni nella circolazione atmosferica, con intensificazione del monsone asiatico (+ umido a S, + arido a N) e maggiore penetrazione meridionale delle correnti fredde circumpolari; -Weathering (intenso sequestro di CO 2 ). - Rallentamento dello spreading oceanico durante il Cenozoico diminuzione di degassazione di CO 2 dagli oceani - Chiusura dellistmo di Panama riorganizzazione della circolazione oceanica, perturbazione nei processi di ridistribuzione dellenergia fra basse e alte latitudini e della salinità fra Pacifico ed Atlantico - Sollevamento di orogeni minori sviluppo di fitte foreste collinari e montane a discapito della vegetazione erbacea, incremento dei tassi di sequestro della CO 2 Ulteriore possibile feedback: CO 2 intrappolata nel ghiaccio

23 DINAMICHE DELLA CHIUSURA DELLISTMO DI PANAMA

24 POSSIBILI CONSEGUENZE DELLA CHIUSURA DELLISTMO DI PANAMA Da aggiungere: con il tempo, la pianura siberiana diventa serbatoio di CO 2 sequestrato nelle torbiere e sigillato nel permafrost

25 GLACIAZIONE NELLEMISFERO NORD (NHG) Fra 3.2 e ca. 1 Ma, nel 18 O si osserva un aumento progressivo. Si sono espansi i ghiacciai, o è diminuita in modo drammatico T al fondo degli oceani? Nel nord Atlantico, lincremento del 18 O è associato a impulsi di IRD: si dimostra lo stabilizzarsi di una calotta nellemisfero Nord (Groenlandia), le cui dimensioni variano ciclicamente nel tempo. La ciclicità climatica ha un periodo di 40 kyr, in aumento.

26 CICLI GLACIALI: DA SIMMETRICI AD ASIMMETRICI

27 CICLICITA CLIMATICA NEL P/P 1) Sino a ca. 0.9 Ma, i cicli climatici sono evidenti ma poco contrastati; 2) La periodicità di questi cicli è di ca. 40 kyr; 3) I cicli più recenti di ca. 0.9 Ma sono molto più contrastati, grazie a valori glaciali molto più pesanti; inoltre, è in questintervallo che si verificano le Terminazioni; 4) la durata media di questi cicli è più lunga, nellordine dei 100 ky. Per indicare questa trasformazione, che si verifica nella parte mediana del Pleistocene, si parla di RIVOLUZIONE CLIMATICA o di TRANSIZIONE CLIMATICA. Sono due concetti contrapposti, che comunque mirano a distiguere un Pleistocene preglaciale ed un Pleistocene glaciale. NOTA: quasi sicuramente, le grandi glaciazioni alpine si sono impostate durante il Pleistocene glaciale

28 Consideriamo gli ultimi 1.6 Myr. Si osserva una transizione (graduale? non graduale?) nellampiezza dei cicli glaciale-interglaciale. E il risultato ultimo della crescita di una calotta nellemisfero settentrionale, che però non spiega in modo diretto il cambiamento nella frequenza dei cicli. DIVERSI REGIMI GLACIALI?

29 IL MODELLO CATASTROFISTA Ipotesi della Middle Pleistocene Revolution (MPT): trasformazione per passi (stepped) con rotture a ca e 0.6 Ma 1622

30 Ipotesi della mid-Pleistocene Transition (MPT): passaggio graduale e senza rotture con culmine fra ca. 1.2 e 0.6 Ma IL MODELLO GRADUALISTA

31 DINAMICA GLACIALE Broecker e Van Donk introdussero due concetti cruciali: 1) le glaciazioni crescono gradualmente e terminano in modo brutale (il pattern "sawtooth" della curva isotopica); 2) la durata dei grandi cicli climatici del Pleistocene è ca Kyr. Quindi, il cambiamento climatico più brutale avviene durante la deglaciazione, non durante la crescita glaciale (come aveva ipotizzato, fra gli altri, Louis Agassiz, lo scopritore delle Ere glaciali). Una crescita lenta dei ghiacciai è ovvia (col senno di poi): una successione anomala di estati più fresche del normale alle alte latitudini ( 60-65°N) causa un minore scioglimento delle nevi invernali ampliamento della copertura nevosa aumento dellalbedo (feedback positivo). Molto meno immediato è spiegare la rapida deglaciazione (TERMINAZIONE).

32 LA FORMA A DENTE DI SEGA (SAWTOOTH) Nellultimo Myr circa, le curve isotopiche dellossigeno mostrano una tipica forma a dente di sega. Si osserva un lento e graduale (STEPPED) appesantimento del δ 18 O fino ai massimi glaciali, seguito da una rapidissima diminuzione a valori tipici dellinterglaciale le calotte glaciali crescono lentamente, poi subiscono un veloce collasso (deglaciazione). Esempio: Consideriamo lultimo interglaciale (MIS 5.5), a circa 125 Ka e il successivo glaciale wurmiano (Last Glacial Maximum, LGM), a circa 20 ka: la transizione ha richiesto quindi circa 100 kyr. La deglaciazione olocenica è avvenuta, in base a datazioni C 14, in meno di 10 kyr!

33 LE TERMINAZIONI GLACIALI TERMINAZIONE Questo pattern delle curve isotopiche venne messo in evidenza nel 1970 da Broecker e Van Donk, che denominarono TERMINAZIONE la transizione, se molto rapida, dalle condizioni di massimo glaciale a quelle interglaciali. Si riconoscono 5 vere terminazioni, riferite agli ultimi cicli climatici (ca. 400 ky) che durano fra ca 80 e 120 ky ciascuno. Attenzione! NON TUTTE le deglaciazioni sono Terminazioni! Es., non si può parlare di Terminazioni nel Pliocene, o nel Pleistocene Inferiore. Le terminazioni vengono indicate (a ritroso) con numeri romani: lultima deglaciazione, fra 20 e 10 Ka, è denominata T I, la penultima T II, etc. Evidentemente, le terminazioni riflettono qualche aspetto della dinamica glaciale.

34 ALCUNE IPOTESI PER LE TERMINAZIONI RAPIDE Copertura del ghiaccio da parte di polveri (diminuzione dellalbedo) Massimo di insolazione molto debole eccesso di ghiaccio overgrowth della calotta rapido collasso Forcing da parte della CO 2 Risposte non lineari del sistema climatico alle forzanti orbitali

35 MASSIMO DI INSOLAZIONE MOLTO DEBOLE ECCESSO DI GHIACCIO OVERGROWTH DELLA CALOTTA RAPIDO COLLASSO

36 FORCING DIRETTO DA PARTE DELLA CO 2

37 PROBLEMA: IL TIMING DEI FEEDBACK

38 RISPOSTE NON LINEARI: SISTEMA CAOTICO Simulazione su t=2 Myr con =40 kyr (neutro) e 100 kyr (fase)

39 PUNTO DI PARTENZA: non possiamo negare il carattere climatico dei cicli di 100 kyr; ma, se il clima è controllato dallinsolazione, anche i cicli di 100 kyr lo sono. TEORIA: i cicli di 100 kyr potrebbero essere originati da una variabilità ad alta frequenza (v. frequenze armoniche) ripetuta nel tempo ( risonanza). IPOTESI: il clima terrestre è un sistema controllato dalla precessione (cicli di 20 kyr) tramite feedback residuali. N.B.: alcuni propongono modelli differenti, invocando lobliquità (è lunica forzante ben espressa sia nelle curve isotopiche che nellinsolazione), ma con questa ipotesi sorgono problemi. COME SPIEGARE I CICLI ASIMMETRICI DI 100 kyr?

40 Secondo lipotesi dei feedback residuali (Ridgewell e Maslin, 2005), la precessione sarebbe il forcing dominante durante il Pleistocene glaciale. Il meccanismo prevede che il ghiaccio accumulatosi durante i minimi di insolazione non riesca a sciogliersi totalmente durante la successivo fase di massimo precessionale. In corrispondenza al 4°-5°-6° ciclo di precessione (= kyr), i margini delle calotte si troverebbero in condizioni di instabilità rapido collasso. Questo modello spiega anche la caratteristica forma a dente di sega delle curve del 18 O, caratterizzate da una rapida transizione (pochi kyr) al massimo interglaciale e da una chiara articolazione interna in cicli a più alta frequenza (guarda caso, 20 kyr). CICLI DI n x 20 kyr?

41 0 Estensione iniziale della calotta (t=0) Espansione della calotta durante un MINIMO di insolazione (t=1) 0 MODELLO DEL FEEDBACK RESIDUALE

42 1 Estensione iniziale della calotta (t=0) Espansione della calotta durante un MINIMO di insolazione (t=1) 1 MODELLO DEL FEEDBACK RESIDUALE

43 Volume iniziale della calotta (t=0) Contrazione della calotta durante un MASSIMO di insolazione (t=2) 2 Ghiaccio residuo di t=1, AUMENTA LALBEDO 2

44 Estensione iniziale della calotta (t=0) Espansione della calotta durante un MINIMO di insolazione (t=3); > ALBEDO 3 3 Ghiaccio residuo di t=1, AUMENTA LALBEDO

45 Volume iniziale della calotta (t=0) Contrazione della calotta durante un MASSIMO di insolazione (t=4) 4 Ghiaccio residuo di t=3, AUMENTA LALBEDO 4

46 Espansione della calotta durante un MINIMO di insolazione (t=5); > ALBEDO 5 5 Ghiaccio residuo di t=3, AUMENTA LALBEDO Estensione iniziale della calotta (t=0)

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48 Se la curva del d18O è modellata dalla precessione, allora possiamo affiancare la curva dellinsolazione (dominata da p) e la curva isotopica correlando i picchi fra le due serie. Questa procedura prende il nome di TUNING ASTRONOMICO

49 LE SORPRESE CLIMATICHE Sono aberrazioni del trend climatico prevedibile. Sicuramente presenti in tutto il record geologico, sono ben documentate nella parte più recente, grazie a: - Carote di ghiaccio - Carote ODP - Alta risoluzione dei dati - Prevedibilità delle dinamiche a medio-lungo termine

50 IL MIS 11 (ca anni fa) Interglaciale lunghissimo; forte contrasto con la glaciazione precedente; tassi di insolazione ridotti (come per lOlocene) Dati NOAA

51 CICLI DANSGAARD-OESCHGER CICLI DI BOND HEINRICH EVENTS Oscillazioni climatiche ad alta frequenza che caratterizzano LGM e Olocene

52 Cicli DANSGAARD-OESCHGER Porzione calda di oscillazioni climatiche ad alta frequenza (p=~1.475 yr) durante lultima glaciazione. Durante lOlocene prendono il nome di Cicli di Bond

53 HEINRICH EVENTS Controparte fredda dei Cicli Dansgaard-Oeschger (Iceberg armada)

54 YOUNGER DRYAS (ca. 13 ka) Evento transiente durante lultima deglaciazione: ritorno a condizioni quasi-glaciali per più di 1000 anni breakdown del sistema di circolazione termoalina

55 Il Medieval Warm Period (MWP, ca. 1.6 ka) Fase fredda fra l800 ed il 1200 DC Intensificazione del NAD?

56 La Little Ice Age (LIA, ca. 1.6 ka) Fase fredda fra il 1400 ed il 1800 Collasso della NADW? La laguna di Venezia gelata (1703), di G. Bella

57 Gli isotopi dellossigeno raccontano che: Il Pliocene Inferiore (Zancleano) è più caldo dellinterglaciale attuale; A ca. 3.2 Ma (Piacenziano) inizia lespansione della calotta glaciale settentrionale; A ca. 2.5 Ma (limite Gauss-Matuyama = limite Piacenziano-Gelasiano), la calotta glaciale settentrionale si stabilisce in modo definitivo: è un cambiamento climatico maggiore, con implicazioni a scala globale; La calotta dellemisfero nord è relativamente piccola durante il Gelasiano e il Pleistocene Inferiore, fino a ca Ma; A ca Ma, la calotta settentrionale si espande ulteriormente, con contrasti climatici fra glaciale e interglaciale molto più drammatici: è il Pleistocene glaciale; Prima di ca Ma, i cicli climatici sono brevi (durano in media 41 Kyr), mentre quelli successivi (Pleistocene glaciale) sono più articolati (con Terminazioni molto evidenti) e durano di più (in media 100 kyr). IL CLIMA DEGLI ULTIMI 5 Myr: RIASSUNTO


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