Variazioni astronomiche CLIMATOLOGIA Prof. Carlo Bisci Variazioni astronomiche

Cicli di Milankovitch - Oscillazioni dell’eccentricità dell’eclittica - Variazioni dell’inclinazione dell’asse di rotazione terrestre - Precessione degli equinozi

Eccentricità dell’eclittica L’eccentricità dell’eclittica varia da 0.005 a 0.058 (attualmente 0.017). Questa variazione dipende dall’attrazione gravitazionale tra la Terra ed i pianeti più grandi e avviene seguendo oscillazioni aventi come periodo circa 413’000, 95’000 e 136’000 anni. Quando l’eccentricità cresce, aumenta la distanza tra Terra e Sole al perielio e, quindi, l’insolazione che da un valore quasi uguale a quello registrabile in afelio (costante) può arrivare a superarlo di circa il 23% (ora, del 6.8%).

Per le leggi di Keplero, la durata delle stagioni deve essere proporzionale alle aree dei quadranti stagionali; quindi, quando l'eccentricità è massima le stagioni che si hanno sul lato dell'orbita più lontano dal Sole saranno più lunghe. Quando il perielio cade in autunno e inverno, come avviene attualmente nel nostro emisfero, il moto della Terra ha la sua massima velocità e quindi queste stagioni sono leggermente più corte rispetto a primavera ed estate. Attualmente, nell'emisfero boreale, l'estate è 4.66 giorni più lunga dell'inverno e la primavera è 2.9 giorni più lunga dell'autunno.

Inclinazione dell’asse terrestre L’asse di rotazione terrestre può variare il proprio angolo rispetto al piano dell’eclittica da 33.1° a 24.5° (ora, 23.5°) Il periodo dell’oscillazione è di circa 40’000 anni. All’aumentare dell’angolo aumentano i contrasti stagionali alle medie e alte latitudini. Si ritiene che angoli più bassi favoriscano invece l’instaurarsi di fasi glaciali.

Precessione degli equinozi Si chiama precessione degli equinozi la variazione della direzione dell'asse terrestre rispetto al Sole in perielio e in afelio, che ha un periodo di circa 21’000 anni. Il fenomeno dipende soprattutto dal fatto che l'asse terrestre ruota attorno ad una retta perpendicolare al piano orbitale, con un periodo di circa 26’000 anni, a causa delle forze di marea lunisolari; poiché anche l’ellisse orbitale è soggetta a precessione di verso opposto, principalmente a causa delle interazioni con Giove e Saturno, il periodo di precessione degli equinozi, rispetto al perielio scende da 26’000 a 21’000 anni. L’emisfero in cui l'asse è punta verso il Sole al perielio avrà un maggiore contrasto stagionale, mentre l'altro avrà stagioni più miti. Quando l'asse terrestre è tale che gli equinozi cadano vicino ad afelio e perielio, i due emisferi avranno differenze climatiche simili tra le stagioni. Attualmente, il passaggio al perielio avviene durante l'estate dell’emisfero australe, quello all'afelio durante l'inverno; l'emisfero australe quindi tende ad avere stagioni più estreme.

Cicli di Milankovitch e Glaciazioni Forcing solare

Problemi sui rapporti tra cicli astronomici e Glaciazioni Problema dei 100’000 anni Problema dei 400’000 anni Problema dello stadio 5 Problema del picco unico Problema della transizione Problema cause/effetti

Problema dei 100’000 anni Le variazioni dell'eccentricità orbitale hanno un impatto sul forcing solare significativamente minore rispetto alla precessione degli equinozi all’oscillazione dell’inclinazione assiale, per cui dovrebbe produrre effetti minori. Ma le osservazioni per l'ultimo milione di anni mostrano che il segnale climatico di maggiore entità è proprio il ciclo dei 100 000 anni. Inoltre, nonostante sia una scala temporale relativamente grande, alcuni hanno sostenuto che la lunghezza del periodo sia insufficiente per stabilire una relazione statisticamente significativa tra il clima e le variazioni dell'eccentricità. 

Inclinazione orbitale Anche l’angolo formato dal piano dell’eclittica con un piano fisso (ad esempio quello ortogonale al vettore del momento angolare del sistema solare) oscilla ciclicamente con un periodo di circa 100’000 anni. La presenza di un disco di polvere e detriti lungo il piano fisso può ridurre l’irraggiamento solare.

Problema dei 400’000 anni Le variazioni dell'eccentricità sono caratterizzate da un ciclo di 400’000 anni di notevole entità, che però è presente solamente nelle registrazioni climatiche antecedenti l'ultimo milione di anni. Poiché le variazioni sui 100’000 anni sono particolarmente notevoli, dovrebbero essere evidenti anche le variazioni sui 400’000; questa discrepanza è conosciuta anche come ”Problema dello stadio 11”, dato che l’interglaciale dello stadio isotopico marino 11 non sarebbe dovuto avvenire se il ciclo dell'eccentricità sui 400 000 anni avesse un impatto significativo sul clima. L’assenza di questa periodicità nelle registrazioni isotopiche marine può essere causata, almeno in parte, dai tempi di risposta dei componenti coinvolti del sistema climatico, e in particolare del ciclo del carbonio.

Problema dello stadio 5 Il problema dello stadio 5 si riferisce al periodo della penultima fase interglaciale (nello stadio isotopico marino 5) che appare essere iniziata con circa 10’000 di anni di anticipo rispetto al forcing solare che si ipotizza avrebbe dovuto esserne la causa. È chiamato anche ”problema della causalità”.

Problema del picco unico Il problema del picco unico si riferisce al fatto che l‘oscillazione dell’eccentricità dell’orbita terrestre ha variazioni ben determinate per entrambe le frequenze di 95 e 125 migliaia di anni. Una registrazione del cambiamento climatico sufficientemente lunga e affidabile dovrebbe quindi essere in grado di determinare entrambe le frequenze, ma alcuni ricercatori interpretano le registrazioni climatiche dell'ultimo milione di anni facendo risultare dallo spettro un singolo picco di periodicità di 100’000 anni. È argomento di dibattito se la qualità dei dati esistenti sia sufficiente o meno a determinare entrambe le frequenze negli ultimi milioni di anni.

Problema della transizione Il problema della transizione si riferisce alla variazione delle frequenze dei cambiamenti climatici risalente ad un milione di anni fa. Da uno a tre milioni di anni fa, il cambiamento climatico seguiva una variazione dominante coincidente con il ciclo di 41’000 anni dell‘oscillazione dell’inclinazione assiale. Da un milione di anni fa in poi, la variazione coincide con il ciclo di 100’000 anni dell'oscillazione dell'eccentricità orbitale.

Problemi cause/effetti Gli effetti delle diverse oscillazioni dei moti terrestri sono supposti essere causati dalle conseguenti variazioni d'intensità della radiazione solare distribuita sulle varie parti del globo. Le osservazioni rivelano però che la risposta climatica è molto più intensa rispetto alle variazioni calcolate. Si presume che varie caratteristiche interne dei sistemi climatici siano sensibili alle variazioni dell’insolazione, causando in situazioni diverse fenomeni di amplificazione (feedback positivo) o attenuazione (feedback negativo).