L’archivio naturale che ha dato l’impronta più importante alla moderna visione del clima, da cui deriva l’attuale concetto di forzatura antropogenica del clima, è il ghiaccio.

Diapositiva n. 29

I carotaggi (non solo di ghiaccio) restituiscono cilindri di materiale come mostrato in diapositiva 29. Quei cilindri vengono chiamati core.
Perché è così importante il ghiaccio?
Il ghiaccio sedimenta annualmente e nel momento iniziale (neve) cattura tutto ciò che è presente in atmosfera, come ad esempio la polvere derivante dall’attività ciclonica estiva o l’alter ego sodio per la fase invernale. Cattura anche le ceneri vulcaniche, nonché l’aria stessa sotto forma di bollicine.
Il tempo e la pressione determinata dello stratificarsi anno per anno (anche questa caratteristica è utilizzabile ai fini della datazione sino a certe profondità alla stregua degli anelli di accrescimento degli alberi), lo trasforma, ma ciò che in esso è contenuto rimane preservato. Il ghiaccio è una capsula del tempo da cui si possono eseguire misure dirette di ciò che fu presente in atmosfera all’epoca della sua genesi.
La storia dello studio del ghiaccio iniziò coi primi tentativi di trivellazioni poco profonde in Groenlandia attorno al 1935. Tuttavia, quelle campagne scientifiche non portarono a nulla. Fu negli anni 50-60 che la ricerca sul ghiaccio divenne efficace e a quell’epoca fu stabilito lo stretto legame tra i rapporti degli isotopi stabili dell’ossigeno e la temperatura. Il pioniere di queste ricerche fu il danese Willi Dansgaard (in particolare utilizzò le trivellazioni in Groenlandia del sito Dye3).

Dispositiva n. 30

Una pietra miliare dell’opera pionieristica di Dansgaard è il documento Stable Isotopes in precipitation del 1964, di cui è riportata la curva di calibrazione nella diapositiva n. 30.
Il principio consiste nell’idea secondo cui per gli isotopi dell’Ossigeno più pesanti (nella molecola del vapor acqueo) la probabilità d’esser presenti in atmosfera a causa dell’evaporazione aumenta con la temperatura.
Arriviamo dunque a tempi più prossimi ai giorni nostri e all’apertura dello scrigno del tempo con misure dirette dei principali gas serra (dopo il vapor acqueo) presenti nell’atmosfera su lungo periodo.
Qui si va nell’immenso continente dal cuore di ghiaccio; l’Antartico. Iniziamo con il Vostok ice core.

Diapositiva n. 31

In diapositiva n. 31 viene mostrato l’andamento nel tempo (profondità) dei vari elementi di cui abbiamo scritto poco fa ossia isotopi, polvere e sodio. Man mano si scende in profondità, è importante, al fine della corretta datazione del ghiaccio, introdurre gli elementi inerenti alla teoria della sua trasformazione e della dinamica dei suoi moti al trascorrere del tempo e dell’aumento di pressione. Nella diapositiva 31 è anche riportato uno schema delle campagne di trivellazione coi relativi tempi.
Col Vostok ice core si va a ritroso nel tempo sino a 400.000 anni, con una precisione temporale grossomodo inferiore all’1% sul tempo di datazione.
L’altro aspetto chiave fu l’analisi dei gas serra.

Diapositiva n. 32

L’analisi dell’andamento dell’anidride carbonica nel corso del tempo, è una delle prove regine a sostegno della tesi, secondo cui noi stiamo drogando la nostra atmosfera con le emissioni di CO2 derivanti dall’uso di combustibili fossili.
Gli attuali livelli di concentrazione dell’anidride carbonica, lo vedremo ancor meglio tra breve, nel campione della Vostok non si riscontrano negli ultimi 400000 anni.
Questa evidenza venne rafforzata ed estesa solo pochi anni dopo, in seguito alla pubblicazione dei dati relativi al progetto Europeo EPICA (iniziato sul finire degli anni ’90 e terminato nel 2005)

Diapositiva n. 33

Questo capolavoro di ricerca svoltosi sempre in Antartide nel luogo individuato come Dome C (Luogo particolarmente freddo e ad accumulo lento di ghiaccio), ci descrive come variarono in sincronia le condizioni della temperatura e del principale gas serra (l’anidride carbonica) negli ultimi 800000 anni. Anche in questo caso l’odierno livello di concentrazione di Anidride Carbonica non fu raggiunto negli ultimi 800000 anni.
Nei dati di EPICA sono evidenti ben 8 cicli glaciali ed interglaciali (ne parleremo tra breve).
Il progetto Epica non termina qui. È già attiva una nuova campagna di ricerca a Dome C, per tentare di spingersi sino a 1.5 Milioni di anni. Questo nuovo progetto probabilmente fornirà i suoi risultati definitivi nel 2025. La missione di ricerca prende in nome di Byond EPICA (oltre EPICA)

Diapositiva n. 34

Cosa si spera di scoprire dai dati di Beyond EPICA?
Ricerche svolte sui sedimenti marini (diapositiva n. 40), suggeriscono che il ritmo dei cicli glaciali sia radicalmente cambiato nel solo arco di 300000 mila anni, passando da un periodo di 41000 anni all’attuale periodo di 100000 anni.
Ciò dovrebbe essere avvenuto tra 900000 e 1200000 anni fa.
Beyond Epica si propone d’esplorare quell’epocale evento, per capire che legame possa avere coi principali gas serra e più in generale per approfondire sempre meglio il funzionamento della macchina climatica del nostro pianeta.
Di cose da comprendere ve ne sono tantissime. Come abbiamo potuto apprezzare (e dichiarato all’inizio), stiamo vivendo in prima persona l’epopea di una disciplina parecchio giovane.
Prima di continuare nel nostro percorso (e approfondire ciò che ora accennerò), chiudiamo questa parentesi con la dispositiva n.35, che riporta la concentrazione dei gas Serra e una ricostruzione proxy delle anomalie di temperatura ad alta risoluzione (20 anni di precisione) degli ultimi 10000 anni (ultimo periodo interglaciale). Notate la scalata termica nella nostra epoca (segmento nero) e il repentino aumento della CO2 nell’era dei combustibili fossili raffrontata ai dati di EPICA. Notate anche come (ma non solo da questo) l’optimum climatico del corrente periodo interglaciale, al momento, lo si raggiunse attorno al 6000 a.C.
Ma ora facciamo un passo indietro e ripartiamo dai dati di EPICA.

Diapositiva n. 35

Dall’analisi degli ice core emergono otto sequenze glaciali, il cui termine (terminazioni) sono indicate nella diapositiva n. 36. La curva del deuterio (temperatura) vede fasi di depressione (fasi glaciali) e fasi di di picco (interglaciali). Andando a ritroso sino a 400.000 anni, i periodi interglaciali (fasi calde – picco di deuterio) sono ben distinti e più brevi rispetto alle fasi glaciali. Se si procede ancor più a ritroso nel tempo, le fasi glaciali divengono un po’ più contratte in termini temporali e i picchi interglaciali assumono valori massimi decisamente meno pronunciati rispetto al periodo più prossimo alla nostra epoca.
Il cambiamento lo si ebbe per l’appunto al MIS 11 ( l’interglaciale più lungo della serie oggi disponibile). Lo spettro di potenza riportato nella diapositiva 36 certifica questa situazione.
Nel corso degli ultimi 800.000 anni la ciclicità dominante, che guida le fasi glaciali (osservate le terminazioni), è comunque di circa 100000 anni. Vi sono anche ciclicità minori, ma il ciclo dominante è quello dei 100000 anni.
Qual’è dunque la causa di questo periodismo ?

Diapositiva n. 36

I fattori determinanti le periodicità delle fasi gaciali/interglaciali sono di natura astronomica.
Per un certo periodo si pensò a qualche cambiamento nella variazione dell’energia emessa dalla nostra stella, ma ciò non venne sostenuto da dati. La teoria che spiega questa dinamica fu formulata dal Croll-Milanckovic e mette in gioco le modifiche d’orbita e d’inclinazione d’asse del nostro pianeta.
Si trattò di una lunga gestazione, ma alla fine (anni ’70) fu accolta poiché sempre più dati supportarono quella teoria.
La Terra subisce nel corso di circa 100000 anni una variazione dell’eccentricità dell’orbita (da 0.05 a 0.6), in poco più di 40000 anni una variazione dell’inclinazione dell’asse tra 22 e circa 25°, ed infine l’asse polare terrestre esegue un cono nello spazio (in verità si tratterebbe di un cono se l’asse mantenesse un angolo fisso, quindi la figura è una curva conoidale più complessa) in circa 26000 anni (precessione). Questi valori sono ben fissati nello spettro di potenza degli isotopi dei sedimenti marini proposto nella dispositiva n. 37. Nella medesima diapositiva sono anche riportate le curve di variazione nel tempo dei tre parametri ora citati.
L’effetto della precessione è di invertire il solstizio estivo per l’emisfero Nord (o invernale per l’emisfero Sud) dal punto di afelio (punto più distante dal Sole) a quello di perielio (punto più vicino al Sole) del Sole ogni 13000 anni

Diapositiva n. 37

Cerchiamo di comprendere un po’ meglio gli effetti dei moti ora citati.
Dato un ipotetico raggio solare, la variazione dell’inclinazione modifica la superficie su cui si “spalma” l’energia del Sole. Più l’area è ampia, più la densità d’energia cala e quindi cala l’energia che ogni elemento di superficie riceve. Vale anche il viceversa. Quindi all’aumentare dell’ inclinazione dell’asse, si accentua lo scarto termico tra il semestre freddo e il semestre caldo. Viceversa il calo dell’inclinazione diminuisce lo scarto termico tra inverno ed estate. L’immagine relativa alla precessione nella diapositiva n. 38 riprende ciò che si diceva poc’anzi, ossia l’inversione dei solstizi nei rispettivi emisferi in riferimento alla posizione della Terra rispetto alla distanza dal Sole. Infine, l’effetto dovuto alla variazione dell’eccentricità dell’orbita altera l’intensità d’energia col quadrato della distanza della Terra dal Sole. Nella diapositiva n. 38 viene proposto anche l’attuale grado d’insolazione giornaliera per latitudine e data di calendario.
Come combinare questi elementi per dar conto delle fasi glaciali misurate negli ice core?
Il primo scienziato che intuì l’importanza della composizione di questi moti per spiegare le fasi glaciali fu Croll, ma ne sbagliò l’utilizzo, poiché legò l’innesco delle fasi glaciali al semestre freddo.
Questi moti cambiano l’energia solare in arrivo sul nostro pianeta, ma ciò non sarebbe sufficiente a definire le curve isotopiche (traccianti termici) individuate nel ghiaccio e nei core dei sedimenti marini.
Si rese necessario individuare un meccanismo di rinforzo e qui si incastona l’intuizione di Milankovic; la chiave dell’innesco della fase glaciale non è l’inverno bensì l’estate.
E’ difatti in estate che avviene l’ablazione del ghiaccio e il ghiaccio, cambiano l’albedo del suolo, è il rinforzo necessario al fattore astronomico per l’innesco della fase glaciale. L’inverno, seppur mite, non lo è mai abbastanza per non far cadere la neve alle alte latitudini e quindi le estati fresche permettono la graduale estensione della copertura glaciale.

Diapositiva n. 38

Per ottenere questo risultato Milankovic propose la seguente combinazione di fattori per l’avvio della fase glaciale: minimo di obliquità, massima eccentricità ed estate boreale in posizione d’afelio Solare.
Il mimino di obliquità favorisce le estati più fresche e nell’emisfero boreale vi è molta terra emersa (l’emisfero australe è dominato dall’oceano e da un continente su cui il ghiaccio è una costante) e ciò è il fattore chiave per avere il cambio d’albedo in caso di persistenza di neve al suolo.
Milankovic si concentrò sulla latitudine 65°C e creò la curva d’insolazione al solstizio estivo nonché la curva d’insolazione equivalente alla latitudine di 65 °, che possiamo analizzare nella prossima diapositiva (qui rivisitate da due gruppi di lavoro differenti).

Diapositiva n. 39

La coincidenza con le fasi glaciali è davvero buona nel corso degli ultimi 800.000 anni.
Quindi tutto risolto e definito?
Non proprio. Come detto la curva d’insolazione di Milankovic è il sottotraccia che mappa benone le fasi glaciali, ma la natura di questi eventi è complessa e probabilmente altri fattori entrano in gioco, fattori che ancora non vengono maneggiati a dovere.

Diapositva n. 40

Tra le varie incertezze ho già citato il problema sul lungo interglaciale MIS 11, nel quale probabilmente l’anidride carbonica era inferiore al MIS 9 e i parametri orbitali non sono compatibili per la modellazione di questo interglaciale. Il MIS 11 divide i due differenti andamenti termici di pre e post 400 Kyr.
Non compreso è anche il significativo sfasamento temporale tra l’insolazione e la fine dell’episodio glaciale avvenuto alla terminazione II e, cosa clamorosa di cui abbiamo detto a proposito di Beyond EPICA, il cambio di passo delle fasi glaciali avvenuto probabilmente tra i 900.000 e il 1.2 Myr di anni fa.
Studiare cosa avvenne tra 900Ky e 1.2My è di enorme interesse, ma dai dati estratti dai sedimenti marini non si possono avere ulteriori informazioni riguardo alla composizione dell’atmosfera dell’epoca.
Qui entra in gioco, come ampiamente sottolineato, Beyond EPICA, i cui risultati speriamo facciamo luce sull’accaduto e se in quello scenario a modificare le cose fu l’anidride carbonica (o altro gas serra come il Metano).I risultati di Beyon Epica potrebbero essere la vera chiave di lettura del legame tra i gas serra e il clima, poiché un dubbio sorge spontaneo: se si riscontrasse una concentrazione di anidride carbonica molto alta prima della transizione temporale della durata dei periodi glaciali, a quale causa naturale la si potrebbe attribuire?
Se ciò che abbiamo sin qui visto è un canone di lunghissimo periodo dell’andamento climatico, poiché la macchina climatica è assai complessa, ora vedremo alcune variazioni a corredo di questo canone.
Si tratta di eventi che accadono su scale temporali brevi rispetto alle fasi cicliche principali, ma meglio chiariscono la dinamicità del clima.