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Il riscaldamento globale del pianeta Terra è ormai un dato acquisito. La letteratura scientifica su questo punto è talmente vasta che conviene semplicemente citare a supporto l’ottima rassegna del Quarto Rapporto dell’IPCC, sia nei dettagli del capitolo 2 del Primo Gruppo di Lavoro che nella sintesi per i decisori politici, in cui si trova l’affermazione “Il riscaldamento del sistema climatico è inequivocabile”.
Del resto, ormai anche il pensiero negazionista ha ormai pressoché riconosciuto l’esistenza del riscaldamento globale (salvo alcuni irriducibili, una cui buona rappresentanza la si trova nell’elenco di coloro che sono in lizza per il premio “a qualcuno piace caldo”), e negli ultimi anni ha quasi del tutto abbandonato le (errate) contestazioni sulle isole di calore, o sulla debolezza della rete di misura, ecc. . Oggi le contestazioni si indirizzano prevalentemente su altri punti, ad esempio sull’atipicità dell’attuale riscaldamento globale, ossia se sia già occorso o meno nel passato, o sulle responsabilità (si indicano altri presunti colpevoli: sole, raggi cosmici, la rotazione della terra, ecc).
Per questo motivo si rimane stupiti nel sentire, seppur di sfuggita in una rassegna stampa alla radio, che, secondo un articolo pubblicato su un quotidiano, il clima è immutato, e le temperature sono le stesse di 200 anni or sono.
La fonte della notizia è l’articolo apparso sul Corriere della Sera dell’8 ottobre 2009 intitolato “Il diario di Cook svela che il clima è immutato”. L’occhiello recita “Londra usa le note degli esploratori e scopre che temperature e venti sono come 200 anni fa”.

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Nella prima parte di questo post abbiamo individuato i “mandanti” delle variazioni climatiche durante l’ultimo milione di anni (variazioni dei parametri orbitali). Cercheremo ora di analizzare le possibili dinamiche interne con cui avvengono questi cambiamenti climatici.

Le variazioni dell’albedo terrestre (l’energia solare riflessa dal pianeta) sono causate dall’espansione e dal ritiro delle grandi calotte di ghiaccio (superfici riflettenti fino al 90% dell’energia solare incidente) presenti nell’emisfero settentrionale durante i periodi glaciali, la calotta nordamericana della Laurentide (Fig. 1) e la calotta Scandinava, nonché dalle variazioni del livello dei mari (più scuri e quindi maggiormente assorbenti  rispetto alle terre emerse). La Groenlandia e l’Antartide non hanno invece giocato un ruolo determinante nella variazione dell’albedo terrestre in quanto le carote di ghiaccio hanno fornito prova diretta che ambedue le calotte di ghiaccio sono persistite durante il presente ed i passati periodi interglaciali, sfatando in questo modo anche il mito della “Groenlandia verde” medievale. Le variazioni di anidride carbonica in atmosfera nell’ultimo milione di anni sono avvenute invece in conseguenza del confinamento sul fondo degli oceani durante i periodi glaciali e del rilascio in atmosfera durante i periodi interglaciali. Le variazioni di metano invece si sono verificate in conseguenza dell’attività biologica più/meno intensa nelle zone umide della fascia intertropicale e boreale del pianeta durante i periodi caldi/freddi.

Fig. 1: Ritiro della calotta glaciale Nord Americana della Laurentide durante l’ultima deglaciazione.

Uno dei meccanismi classici che spiega le variazioni climatiche su scala orbitale suggerisce che variazioni dell’inclinazione e della direzione dell’asse terrestre avrebbero ridistribuito ciclicamente l’energia solare sull’emisfero nord in modo da indurre la formazione oppure la fusione delle grandi calotte di ghiaccio nordamericana e scandinava. Questo avrebbe causato una significativa variazione dell’albedo globale che avrebbe modificato mediante un’azione di feedback il bilancio energetico planetario e quindi la temperatura globale. Questa variazione di temperatura avrebbe a sua volta modificato i flussi di anidride carbonica e di metano dalle “sorgenti” (gli oceani e le zone umide) verso i “pozzi” (gli oceani ed i processi ossidativi di conversione), causando variazioni della loro concentrazione atmosferica che avrebbero amplificato la variazione iniziale di temperatura con un’ulteriore azione di feedback.

Le carote di ghiaccio dell’Antartide evidenziano il legame strettissimo che esiste tra le variazioni di temperatura e dei gas serra (Fig. 2 post precedente). Tuttavia, come abbiamo visto, analizzando nel dettaglio questi record si è notato che le variazioni di temperatura precedono di 800 ± 600 anni le variazioni di concentrazione di anidride carbonica durante l’ultima fase di deglaciazione. Questo fatto viene spesso erroneamente indicato come un “alibi” sufficiente per scagionare l’anidride carbonica dal suo ruolo di “killer” nel produrre i cambiamenti climatici su scala orbitale (come discusso su Climalteranti anche qui). Tuttavia questo ritardo sarebbe in accordo col meccanismo classico secondo il quale le variazioni di concentrazione dell’anidride carbonica in atmosfera seguirebbero le variazioni di temperatura indotte dalle variazioni dell’albedo e con il fatto che il rilascio dagli oceani dell’anidride carbonica avverrebbe su tempi dell’ordine delle diverse centinaia di anni.

Se ci sono ormai pochi dubbi su quali siano i “mandanti” ed i “killer” su una scala temporale orbitale, esistono però molti punti di domanda relativi alla dinamica e alla successione dei fatti. Una pecca emergente del meccanismo classico illustrato è che, osservando diversi record climatici, si desumerebbe che alla fine dell’ultima epoca glaciale (20 mila anni fa), l’Antartide avrebbe cominciato a riscaldarsi prima della Groenlandia mettendo in crisi il ruolo di guida dell’emisfero nord. Oggi si stanno valutando dei meccanismi alternativi tra i quali alcuni punterebbero l’attenzione su una ridistribuzione orbitale del flusso dell’energia solare alle basse latitudini, il quale avrebbe causato uno spostamento delle fasce tropicali e temperate. Una dislocazione verso nord avrebbe accresciuto il sollevamento delle polveri continentali ed il loro fallout nell’Oceano Meridionale. Questo, fertilizzato, avrebbe visto incrementare i processi fotosintetici assorbendo in questo modo più anidride carbonica dall’atmosfera con una conseguente diminuzione della temperatura terrestre (iron hypothesis). Secondo una recentissima ipotesi una dislocazione opposta delle fasce tropicali e temperate verso sud avrebbe invece interrotto il fallout di polveri continentali e indotto, attraverso l’azione dei venti occidentali, un processo di upwelling delle acque profonde circolanti attorno all’Antartide, le quali avrebbero rilasciato in atmosfera l’eccesso di anidride carbonica conservata nelle profondità oceaniche durante i periodi glaciali, causando quindi un aumento di temperatura. Ambedue questi processi potrebbero poi essere stati amplificati da successive variazioni dell’albedo.

In conclusione, solo la combinazione delle azioni di feedback (indotte dalle variazioni orbitali) dell’albedo e ai gas serra riesce a spiegare le più importanti variazioni di temperatura avvenute durante gli ultimi cicli climatici ma la successione degli eventi ed i meccanismi con cui questo è avvenuto sono ancora da chiarire. Oggi l’anidride carbonica ed il metano hanno raggiunto dei livelli di concentrazione in atmosfera che non sono mai stati riscontrati durante gli ultimi 800 mila anni nelle carote di ghiaccio dell’Antartide (Fig. 2, post precedente). Le analisi isotopiche dei gas serra presenti in atmosfera e nelle carote di ghiaccio indicano in maniera inequivocabile che l’uomo è il responsabile di questa anomalia.

Fig. 2: L’entrata del passaggio di Nord Ovest libera dai ghiacci nell’agosto del 2006.

Citando Stefano Caserini, se A qualcuno (non) piace(sse) caldo ma…. caldissimo, la storia climatica del nostro pianeta suggerisce che avremmo perfino un altro modo per scaldare ulteriormente il pianeta. Virtualmente si potrebbe pensare di liberare il mare Artico dai ghiacci in modo da diminuire l’albedo del pianeta, aumentando l’assorbimento dell’energia solare e quindi la temperatura globale. Ecco quindi come un processo tipicamente di feedback rispondente ad una causa primaria orbitale diverrebbe una causa primaria di origine antropogenica. Meglio probabilmente continuare ad emettere anidride carbonica attraverso la combustione dei gas fossili: un meccanismo che sembra garantire il massimo risultato con il minimo sforzo.

Testo di Paolo Gabrielli.

Il luogo climaticamente più ostile del pianeta è probabilmente l’Antartide Orientale. Qui le temperature medie annuali sono dell’ordine di -55 ºC e le precipitazioni di circa 2-3 cm di acqua equivalente all’anno. Nonostante l’Antartide sia un vero e proprio deserto, in diversi milioni di anni si è sviluppata una calotta di ghiaccio che è spessa fino a 4 km.

Le scarse precipitazioni nevose, accumulandosi anno dopo anno, si sono trasformate in ghiaccio conservando memoria delle caratteristiche dell’atmosfera al momento della loro deposizione. Le carote di ghiaccio estratte dalla calotta antartica sono dei cilindri di circa 10 cm di diametro e lunghi fino ad oltre 3 km. Queste costituiscono un vero e proprio archivio di informazioni climatiche ed ambientali fino a circa 1 milione di anni fa.

Nel ghiaccio dell’Antartide, la temperatura locale nelle epoche passate è ricavabile dalla misura degli isotopi stabili di ossigeno e idrogeno; le condizioni idrologiche nei vicini continenti nonché l’intensità della circolazione atmosferica dalle polveri eoliche intrappolate; le caratteristiche degli altri aerosol dagli ioni maggiori e dagli elementi in traccia. Tuttavia le informazioni più peculiari fornite dalle carote sono conservate in bollicine d’aria intrappolate nel ghiaccio nelle quali si possono determinare le concentrazioni dei gas serra, tra cui l’anidride carbonica ed il metano, nell’atmosfera del passato.

Fig. 1 Dome C, Antartide Orientale. Posto a 3200 m di quota, questo sito è stato teatro del progetto europeo di perforazione della calotta antartica (EPICA) grazie anche al supporto del Progetto Nazionale per le Ricerche in Antartide (PNRA).

I gas serra rimangono intrappolati nel ghiaccio in maniera particolare in quanto penetrano lo strato superficiale di firn (neve trasformata caratterizzata da alta porosità) e attraverso complessi processi di diffusione giungono fino al cosiddetto punto di “close off” (a circa 50-120 m di profondità in questi ghiacci), ove in seguito alla quasi completata trasformazione in ghiaccio, i pori di firn si occludono intrappolando le bolle d’aria e con loro i gas serra. Ne segue che il ghiaccio nel quale si misurano gli isotopi stabili, indicatori della temperatura, è più vecchio dei gas serra anche di diverse migliaia di anni.

A causa di questa differenza di età, l’età dei gas è soggetta ad una correzione che comporta un’incertezza di circa 600 anni che, come vedremo, é quasi pari al reale ritardo del record dell’anidride carbonica rispetto a quello della temperatura pari a 800 anni. Uno studio recente mostra tuttavia come in realtà un ritardo di 800 anni sia con ogni probabilità sovrastimato. La questione è ancora da dirimere completamente ma, se da una parte si esclude che le variazioni dei gas serra anticipino quelle di temperatura, a questo punto non si può escludere che queste siano in realtà sostanzialmente sincrone.

Comparando gli andamenti della temperatura e dei gas serra su una scala temporale dell’ordine delle diverse centinaia di migliaia di anni, quello che salta subito all’occhio (Fig. 2) è la loro grande variabilità e nello stesso tempo la loro marcata correlazione. In questi record si alternano cicli della durata di circa 100 mila anni composti da una modalità standard più fredda (periodi glaciali, 70-90 mila anni ) e di un’altra breve e più calda (periodi interglaciali, 10-30 mila anni). Facendo un’analisi delle frequenze principali che compongono questi andamenti si trova che sono costituiti sostanzialmente dalla combinazione di tre cicli di circa 100, 40 e 20 mila anni. Questi cicli, previsti da Milankovitch fin dal 1930, corrispondo a delle variazioni orbitali estremamente regolari e prevedibili a cui è soggetto il nostro pianeta, dovute ad interazioni gravitazionali con gli altri pianeti (rispettivamente, la variazione dell’eccentricità dell’orbita terrestre, dell’inclinazione e della direzione dell’asse terrestre nello spazio). Queste variazioni orbitali costituiscono la causa prima delle variazioni climatiche su questa scala temporale, definita per l’appunto orbitale.

Fig. 2 – Il progetto EPICA ha ricostruito le variazioni di temperatura dell’Antartide e delle concentrazioni di anidride carbonica (in parti per milione) e di metano (in parti per miliardo) in atmosfera fino a quasi un milione di anni fa.

Nonostante le variazioni di temperatura registrate durante gli ultimi cicli climatici (non solo nelle carote di ghiaccio polari ma anche in molti altri archivi climatici estratti a diverse latitudini) siano molto ampie, queste possono essere state influenzate solo in minima parte dalle variazioni dell’energia solare entrante nel sistema terrestre. I cicli di 40 e 20 mila anni relativi all’inclinazione e alla direzione dell’asse terrestre non possono infatti influenzare l’input globale di energia solare ma ne ridistribuiscono unicamente il flusso in funzione della latitudine. Solamente il ciclo di 100 mila anni legato all’eccentricità è in grado di produrre una piccola variazione dell’energia solare intercettata dal nostra pianeta. Tuttavia questa non è in grado di spiegare la larga oscillazione di temperatura (6 ºC circa a livello globale) registrata ogni 100 mila anni al termine dei periodi glaciali. Curiosamente il ciclo climatico di 100 mila anni ha fatto misteriosamente la sua comparsa solamente 1 milione di anni fa (Mid-Pleistocene revolution). Questo ciclo non costituisce dunque una modalità standard nella storia climatica del nostro pianeta, a differenza dei cicli di 40 e 20 mila anni che hanno invece caratterizzato il clima terrestre per diversi milioni di anni.

Se le variazioni dell’energia solare in entrata nel sistema terrestre non sono in grado di spiegare l’ampiezza delle fluttuazioni globali di temperatura ricorrenti ogni 100 mila anni, ne possono essere collegate ai cicli di 40 e 20 mila anni, le cause principali della variabilità climatica su scala orbitale, vanno ricercate nelle variazioni dell’energia in uscita dal nostro pianeta. Ecco allora che entrano in azione delle componenti interne al sistema terrestre che, sollecitate dalle tre cause primarie orbitali evidenziate, sono in grado di influenzarne il bilancio energetico globale mediante le cosiddette azioni di feedback. Le componenti interne più importanti sono le variazioni dell’albedo (l’energia solare riflessa dal pianeta) e delle concentrazioni dei gas serra in atmosfera.

Dopo aver individuato i “mandanti” orbitali delle variazioni climatiche durante l’ultimo milione di anni, nella seconda parte di questo post cercheremo di ricostruire le possibili dinamiche di questi cambiamenti.

Testo di Paolo Gabrielli.