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 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.

IL GREAT OXYGENATION EVENT (GOE) A ca. 2.4 Ga, l’attività fotosintetica dei cianobatteri permette l’afflusso di ossigeno all’atmosfera; sino ad allora l’ossigeno veniva sequestrato in ambiente subacqueo ad ossidare materia organica e ferro ( BIF).

IL GREAT OXYGENATION EVENT (GOE) L’effetto determinato dall’eccesso di ossigeno e dalla sua “fuga” nell’atmosfera è l’ossidazione rapida e massiva del metano atmosferico: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O Come gas serra, l’effetto combinato di CO2 e H2O 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).

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)

IL THERMAL MAXIMUM CRETACEO Il Cretaceo è considerato l’intervallo 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 dall’espansione dei fondali dell’Atlantico settentrionale. E’ il momento in cui si determina l’OAE 2, ossia la deposizione del Livello Bonarelli.

L’EVOLUZIONE CLIMATICA NEL CENOZOICO

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

PALEOGENE Southern Hemishpere Glaciation (SHG)

IPOTESI PER LA SHG Apertura del Passaggio di Drake: formazione della corrente circumpolare antartica “isolamento” termico dell’Antartide sviluppo di una calotta antartica prevalentemente aggradante (piuttosto che progradante), quindi con un margine “stabile” Eccesso di CO2 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 CO2 dagli oceani

APERTURA DEL PASSAGGIO DI DRAKE: FORMAZIONE DELLA CORRENTE CIRCUMPOLARE ANTARTICA ED “ISOLAMENTO” TERMICO DELL’ANTARTIDE Flusso attuale nel PdD: 130 milioni di m3/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

Modello su t=10 Myr con p(CO2) in diminuzione da 4PAL a 2PAL (DeConto & Pollard, 2003)

SVILUPPO DI UNA CALOTTA ANTARTICA AGGRADANTE Spessore della calotta antartica in tempi discreti su t0=0, tf=10 Myr e p(CO2) da 4PAL a 2PAL con PdD aperto (DeConto & Pollard, 2003).

ECCESSO DI CO2  SVILUPPO NEL TEMPO DI FEEDBACK CON EFFETTI A LUNGO TERMINE

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

MIOCENE Da notare: si sollevano le Ande (= +CO2, vulcanesimo), l’uplift dell’orogeno tibetano accelera (= -CO2), l’istmo di Panama si sta chiudendo (= ...?)

IL PLIO-PLEISTOCENE PLEISTOCENE PLIOCENE

IL “PLIOCENE CALDO” (5.3 – 3.2 Ma) L’intervallo 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 c’era calotta e il sea level era ca. 30 m più alto di oggi. La ciclicità climatica è controllata da periodi di ca. 40 kyr.

Northern Hemisphere Glaciation (NHG) CAMBIAMENTI CLIMATICI NEL PLIO-PLEISTOCENE Le curve del d18O 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 nell’Atlantico del primo IRD a “basse” latitudini (40-50°N). Ca. 3.2 Ma (inizio del “Pliocene glaciale”) si forma una calotta nell’emisfero nord: è un evento fondamentale che prende il nome di Northern Hemisphere Glaciation (NHG)

IPOTESI PER LA NHG Sollevamento dell’orogeno 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 CO2). Rallentamento dello spreading oceanico durante il Cenozoico  diminuzione di degassazione di CO2 dagli oceani Chiusura dell’istmo di Panama  riorganizzazione della circolazione oceanica, perturbazione nei processi di ridistribuzione dell’energia 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 CO2 Ulteriore possibile feedback: CO2 intrappolata nel ghiaccio

DINAMICHE DELLA CHIUSURA DELL’ISTMO DI PANAMA

POSSIBILI CONSEGUENZE DELLA CHIUSURA DELL’ISTMO DI PANAMA Da aggiungere: con il tempo, la pianura siberiana diventa “serbatoio” di CO2 sequestrato nelle torbiere e “sigillato” nel permafrost

GLACIAZIONE NELL’EMISFERO NORD (NHG) Fra 3.2 e ca. 1 Ma, nel 18O si osserva un aumento progressivo. Si sono espansi i ghiacciai, o è diminuita in modo drammatico T al fondo degli oceani? Nel nord Atlantico, l’incremento del 18O è associato a impulsi di IRD: si dimostra lo stabilizzarsi di una calotta nell’emisfero Nord (Groenlandia), le cui dimensioni variano ciclicamente nel tempo. La ciclicità climatica ha un periodo di 40 kyr, in aumento.

CICLI GLACIALI: DA SIMMETRICI AD ASIMMETRICI

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 quest’intervallo che si verificano le Terminazioni; 4) la durata media di questi cicli è più lunga, nell’ordine 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”

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

IL MODELLO “CATASTROFISTA” 16 22 Ipotesi della Middle Pleistocene Revolution (MPT): trasformazione per passi (stepped) con “rotture” a ca. 0.95 e 0.6 Ma

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

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. 80 - 120 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 dell’albedo (feedback positivo). Molto meno immediato è spiegare la rapida deglaciazione (TERMINAZIONE).

LA FORMA A DENTE DI SEGA (SAWTOOTH) Nell’ultimo Myr circa, le curve isotopiche dell’ossigeno mostrano una tipica forma a “dente di sega”. Si osserva un lento e graduale (STEPPED) “appesantimento” del δ18O fino ai massimi glaciali, seguito da una rapidissima diminuzione a valori tipici dell’interglaciale  le calotte glaciali crescono lentamente, poi subiscono un veloce “collasso” (deglaciazione). Esempio: Consideriamo l’ultimo 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 C14, in meno di 10 kyr!

LE “TERMINAZIONI GLACIALI” 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: l’ultima deglaciazione, fra 20 e 10 Ka, è denominata T I, la penultima T II, etc. Evidentemente, le terminazioni riflettono qualche aspetto della dinamica glaciale.

ALCUNE IPOTESI PER LE TERMINAZIONI RAPIDE Copertura del ghiaccio da parte di polveri (diminuzione dell’albedo) Massimo di insolazione molto debole  eccesso di ghiaccio  overgrowth della calotta  rapido collasso Forcing da parte della CO2 Risposte non lineari del sistema climatico alle forzanti orbitali

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

FORCING DIRETTO DA PARTE DELLA CO2

PROBLEMA: IL TIMING DEI FEEDBACK

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

COME SPIEGARE I CICLI “ASIMMETRICI” DI 100 kyr? PUNTO DI PARTENZA: non possiamo negare il carattere “climatico” dei cicli di 100 kyr; ma, se il clima è controllato dall’insolazione, 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 l’obliquità (è l’unica forzante ben espressa sia nelle curve isotopiche che nell’insolazione), ma con questa ipotesi sorgono problemi.

CICLI DI n x 20 kyr? Secondo l’ipotesi 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 (=80-100-120 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 d18O, 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).

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

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

Volume iniziale della calotta (t=0) Ghiaccio residuo di t=1, AUMENTA L’ALBEDO Volume iniziale della calotta (t=0) Contrazione della calotta durante un MASSIMO di insolazione (t=2) 2 2

Estensione iniziale della calotta (t=0) Ghiaccio residuo di t=1, AUMENTA L’ALBEDO Estensione iniziale della calotta (t=0) Espansione della calotta durante un MINIMO di insolazione (t=3); > ALBEDO 3 3

Volume iniziale della calotta (t=0) Ghiaccio residuo di t=3, AUMENTA L’ALBEDO Volume iniziale della calotta (t=0) Contrazione della calotta durante un MASSIMO di insolazione (t=4) 4 4

Estensione iniziale della calotta (t=0) Ghiaccio residuo di t=3, AUMENTA L’ALBEDO Estensione iniziale della calotta (t=0) Espansione della calotta durante un MINIMO di insolazione (t=5); > ALBEDO 5 5

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

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

IL MIS 11 (ca. 400.000 anni fa) Interglaciale lunghissimo; forte contrasto con la glaciazione precedente; tassi di insolazione ridotti (come per l’Olocene) Dati NOAA

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

Cicli DANSGAARD-OESCHGER Porzione “calda” di oscillazioni climatiche ad alta frequenza (p=~1.475 yr) durante l’ultima glaciazione. Durante l’Olocene prendono il nome di “Cicli di Bond”

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

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

Il “Medieval Warm Period” (MWP, ca. 1.6 ka) Fase fredda fra l’800 ed il 1200 DC  Intensificazione del NAD?

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

IL CLIMA DEGLI ULTIMI 5 Myr: RIASSUNTO Gli isotopi dell’ossigeno raccontano che: Il Pliocene Inferiore (Zancleano) è più “caldo” dell’interglaciale attuale; A ca. 3.2 Ma (Piacenziano) inizia l’espansione 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 dell’emisfero nord è relativamente piccola durante il Gelasiano e il Pleistocene Inferiore, fino a ca. 0.95 Ma; A ca. 0.95 Ma, la calotta settentrionale si espande ulteriormente, con contrasti climatici fra glaciale e interglaciale molto più drammatici: è il “Pleistocene glaciale”; Prima di ca. 0.95 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).