I PACEMAKER DEL CLIMA TERRESTRE

CHI CONTROLLA IL CONTROLLORE Il clima attuale sembra controllato dalla CO2, che però è una forzante “second 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 l’insolazione: S0=1.350 W/m2 e Seff=1.000 W/m.

CHI CONTROLLA IL CONTROLLORE Scenario con S0 e Seff variabili nel tempo: possibili ipotesi - variazione periodica dell’emissione di RE dal Sole (S0); - variazione periodica nell’albedo totale della Terra (per Seff); - variabilità nella geometria del sistema Terra-Sole-Luna (Seff).

D EMISSIONE DI RE L’attività 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 (DS0) è però <<1%. Cicli solari più lunghi non sembrano influenzare il sistema climatico.

D EMISSIONE DI RE La correlazione fra cicli solari e TTerra esiste: DTTerra = f(DS0) = ~0.03 °C, ma potrebbe essere solo un phase locking. Tuttavia, eventi come il Minimo di Maunder sono molto sospetti.

LA TEORIA MILANKOVIANA 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. Milutin Milankovič 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.

LE FORZANTI ORBITALI La configurazione orbitale del sistema Terra-Sole è principalmente controllata da: ECCENTRICITÀ dell’orbita di rivoluzione terrestre OBLIQUITÀ dell’asse di rotazione terrestre PRECESSIONE degli equinozi

ALTRE FORZANTI ORBITALI PERIODICITA’ DELL’ORBITA LUNARE prec=8 yr, interferenza con l’eclittica=18 yr INCLINAZIONE DEL PIANO DELL’ECLITTICA ca. 70 kyr INTERAZIONE CON LA FASCIA DEGLI ASTEROIDI > 400 kyr VARIAZIONI “LUNGHE” DELL’ORBITA TERRESTRE sino a 2.5 Myr

ECCENTRICITA’ (e) Orbita terrestre con e=0 e e=0.5 perielio afelio Periodi: 95 kyr 125 kyr 413 kyr  “grande eccentricità” “piccola eccentricità” Orbita terrestre con e=0 e e=0.5

PRECESSIONE (p) Cambiamento della direzione dell’asse 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? Periodi: 19 kyr  “precessione corta” 22,24 kyr  “precessione lunga”

OBLIQUITA’ (T) L’inclinazione dell’asse 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, l’insolazione alle HL aumenta.  Controllo sull’albedo anche in termini di angolo di incidenza. Periodo: 41 kyr

~20 kyr ~40 kyr ~100 kyr 400 kyr 400 kyr 400 kyr (Media del mese di giugno, 65°N) Soluzioni parametriche modulate (Laskar, 2004) e insolazione per l’ultimo milione d’anni. La curva dell’insolazione evidenzia la gerarchia “annidata” dei parametri orbitali.

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

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

mer sab 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 l’estate (2 mesi).

Esempio 1 Nel periodogramma compare un picco molto forte ( supera di gran lunga il limite di confidenza del 95%, banda rossa) a f=0.143. Ricordiamo che f=1/p, quindi p=7. Dato che l’unità 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).

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=0.00274. 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!

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. L’interpretazione dei risultati è tuttavia MOLTO complessa, anche su serie-dati note.

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

ISOTOPI STABILI DELL’OSSIGENO DATI STRUMENTALI: ISOTOPI STABILI DELL’OSSIGENO

LR04 d18O Benthic Stack - Gli ultimi 5.3 Myr LOMB a 2 serie dati (t + d18O) LR04 d18O Benthic Stack - Gli ultimi 5.3 Myr L’analisi 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.

 p=1/f (attenzione alle unità di misura  p=1/f (attenzione alle unità di misura! Nei dati, t era espresso come kyr) f (E) = ca. 0.01  p = ca. 100 kyr  “piccola” ECCENTRICITA’ (103 kyr) f (O) = ca. 0.025  p = ca. 40 kyr  OBLIQUITA’ (41 kyr) f (P) = ca. 0.044  p = ca. 23 kyr  PRECESSIONE (19, 21 e 23 kyr)

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). L’analisi 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: L’ULTIMO MILIONE DI ANNI

Record del d18O, bentonici (running average a 3 punti) Time (Ma) Record del d18O, bentonici (running average a 3 punti) Notate che gli spessori sono già trasformati in tempo: il gioco è molto più facile!

p=1/f (ultimo milione di anni, completo) Xx P1 p=1/f (ultimo milione di anni, completo) E1 = 1/8norm (My) = 125 kyr  ECCENTRICITA’ E2 = 1/11norm (My) = 90 kyr  ECCENTRICITA’ Xx = 1/18norm (My) = 55 kyr < 95% confidence (armonica) O1 = 1/25norm (My) = 40 kyr  OBLIQUITA’ P1 = 1/43norm (My) = 23 kyr  PRECESSIONE << 95% confidence

E1 E2 O1 Xx P1  p=1/f : da 1.0 a 0.6 Ma E1 = 1/8norm (My) = 125 kyr  ECCENTRICITA’ E2 = 1/12norm (My) = 90 kyr  ECCENTRICITA’ Xx = 1/18norm (My) = 55 kyr < 95% confidence (armonica) O1 = 1/24norm (My) = 41 kyr  OBLIQUITA’ P1 = 1/41norm (My) = 24 kyr  PRECESSIONE << 95% confidence

 p=1/f : ultimi 600 kyr E2 O1 E1 Xx P1 E1 = virtualmente assente E2 = 1/11norm (My) = 90 kyr XX = 1/18norm (My) = 55 kyr << 95% confidence (armonica) O1 = 1/25norm (My) = 40 kyr P1 = 1/43norm (My) = 23 kyr << 95% confidence

 p=1/f : ultimi 400 kyr E2 O1 Xx P1 E1 E1 = assente E2 = 1/10norm (My) = 100 kyr XX = bifida << 95% confidence (armonica) O1 = 1/25norm (My) = 40 kyr P1 = 1/44norm (My) = 23 kyr << 95% confidence

RIEPILOGO d18O Durante l’ultimo Myr, le ciclicità principali nella curva del d18O 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 dell’obliquità. L’effetto della precessione è trascurabile. Figure: Spettro del d18O fra 1 e 0.6 Ma Spettro del d18O fra 0.6 e 0.4 Ma Spettro del d18O fra 0.4 Ma e l’attuale a b c

FORZANTE: L’INSOLAZIONE

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

p=1/f: INSOLAZIONE, ultimo Myr completo p5 a,b p6 p4 p1 p2 p3 1 Myr p=1/f: INSOLAZIONE, ultimo Myr completo p1 , p2 = ECCENTRICITA’: assenti!!! p3 = assente p4 = 1/25norm (My) = 40 kyr  OBLIQUITA’ P5 a,b = (1/43 + 1/46)norm (My) = 23 + 21 kyr PRECESSIONE “LUNGA” p6 = 1/52norm (My) = 19 kyr  PRECESSIONE “CORTA”

p=1/f : da 1.0 a 0.6 Ma p5 a,b p6 p4 p1 p2 p3 p1 , p2 = assenti!!! p3 = assente p4 = 1/24norm (My) = 41 kyr P5 a,b = (1/41 + 1/46)norm (My) = 24 + 21 kyr p6 = 1/53norm (My) = 19 kyr

p=1/f : ultimi 600 kyr p5 a,b p6 p4 p1 p2 p3 p1 , p2 = assenti!!! p3 = assente p4 = 1/25norm (My) = 40 kyr P5 a,b = (1/43 + 1/46)norm (My) = 23 + 21 kyr p6 = 1/52norm (My) = 19 kyr

p=1/f : ultimi 400 kyr p5 p4 p6 p1 p2 p3 p1 , p2 = assenti!!! p3 = assente p4 = 1/25norm (My) = 40 kyr P5 = 1/43 norm (My) = 23 kyr p6 = 1/52norm (My) = 19 kyr

RIEPILOGO INSOLAZIONE Durante l’ultimo Myr, le ciclicità principali nella curva dell’insolazione 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: l’eccentricità non ha alcun effetto. Figure: Spettro del d18O fra 1 e 0.6 Ma Spettro del d18O fra 0.6 e 0.4 Ma Spettro del d18O fra 0.4 Ma e l’attuale