Clima e Paleoclima

Cos’è il clima?

Il clima è la variabilità media del tempo meteorologico, su un lasso di tempo compreso fra i mesi e le migliaia,  fino ai milioni di anni.

Che differenza c’è fra tempo meteorologico e clima?

Il tempo meteorologico è lo stato dell’atmosfera in un particolare momento, in un determinato luogo, definito da temperatura, precipitazione, vento.

Il clima è la variabilità media del tempo meteorologico, su un lasso di tempo compreso fra i mesi e le migliaia,  fino ai milioni di anni.

Come funziona il clima?

Il sistema climatico terrestre è alimentato dal Sole come una macchina ad energia solare. L’equilibrio energetico è mantenuto attraverso il trasferimento di calore dalle basse latitudini alle alte latitudini attraverso i venti e le correnti marine.

 

massearia
Circolazione delle masse d’aria (elaborazione grafica: Patrizia Pantani)
oceani
Circolazione oceanica superficiale (elaborazione grafica: Patrizia Pantani)

Quali sono i fattori che influenzano il clima?

Variazioni dell’attività solare    
sole
Elaborazione grafica: Patrizia Pantani
Variazione dei parametri orbitali

Eccentricità – L’energia che la Terra riceve dal sole varia maggiormente quanto più la sua orbita intorno al sole è allungata.

eccentricita

 

Inclinazione dell’asse – L’asse terrestre oscilla tra 22.2° e 24.5°. Maggiore è l’angolo di oscillazione e maggiore è la quantità di energia solare ricevuta dai poli.

inclin

 

Precessione – L’orientazione dell’asse terrestre cambia gradualmente influenzando l’eccentricità dell’orbita e l’inclinazione dell’asse terrestre.

precessione

Variazione della posizione relativa dei continenti

continenti.png
Ricostruzione della posizione dei continenti  300 milioni di anni fa

Attività dell’uomo  (agricoltura e industria)

agricoltura

industria

Cos’è il paleoclima?

Per paleoclima si intende il clima di periodi geologici e storici precedenti lo sviluppo degli strumenti di misura delle componenti del clima e del tempo atmosferico Prima quindi del 1600 anno in cui Galileo e Torricelli inventarono il termometro ed il barometro.

Cos’è la paleoclimatologia?

La paleoclimatologia è la disciplina scientifica che  studia  il clima della Terra e le sue variazioni nel corso della lunga storia del nostro pianeta. La ricerca paleoclimatica utilizza le testimonianze geologiche  e biologiche (indicatori climatici) conservate nei sedimenti, rocce, concrezioni di grotta,  anelli di crescita degli alberi, ghiaccio e altri archivi paleoclimatici per ricostruire il clima del passato. Le ricostruzioni paleoclimatiche  forniscono indicazioni sulla variabilità del clima e dell’ambiente prima dell’avvento degli strumenti per misurare le componenti del clima.

Quanto indietro nella storia della Terra si può ricostruire il paleoclima?

Le ricerche paleoclimatiche coprono l’intera storia della Terra. Gli studi che riguardano gli ultimi secoli e millenni producono ricostruzioni ad alta risoluzione temporale delle variazioni delle temperature e delle precipitazioni, che costituiscono la base per quantificare e comprendere la variabilità naturale del clima. Gli studi sulle ultime decine di migliaia, milioni o centinaia di milioni  di anni rivelano cambiamenti climatici legati alla posizione reciproca di  Sole e  Terra, a variazioni delle quantità di gas serra in atmosfera, che hanno  controllato l’avvento e la fine delle ere glaciali, a cambiamenti della circolazione oceanica, e a processi geologici come il sollevamento delle montagne e la deriva dei continenti.

storia
Variazione della temperatura negli ultimi 400.000 anni derivata dall’analisi della carota di ghiaccio antartico EPICA (arancione) e da una carota di sedimenti marini MD012443 (verde) campionata sul margine Iberico (elaborazione Ilaria Isola)

Come si ricostruisce il clima del passato?

Il clima del passato viene ricostruito attraverso lo studio di diversi archivi paleoclimatici come: sedimenti marini e lacustri, carote di ghiaccio, speleotemi (concrezioni di grotta), anelli di crescita degli alberi, coralli. Questi contengono gli indicatori climatici fisici, chimici o biologici, che forniscono informazioni  sulle variazioni del clima e dell’ambiente del passato (come livello del mare, temperatura dell’aria e dell’oceano, composizione dell’atmosfera e precipitazioni).

Come facciamo a sapere l’età di un evento paleoclimatico?

Per determinare l’inizio e la fine di un evento paleoclimatico e stabilirne la durata, si utilizzano i tempi di decadimento degli isotopi radioattivi (ad esempio, carbonio14, uranio-torio, uranio-piombo), che forniscono una stima numerica dell’età dell’archivio studiato (decine, migliaia,  milioni di anni). A queste tecniche radiometriche possono essere associati altri metodi di datazione come la biostratigrafia (che usa il contenuto di fossili del campione per stabilirne l’età relativa), o come il conteggio degli anelli di crescita degli alberi e degli strati annuali dei sedimenti  lacustri.

Cosa è un evento paleoclimatico?

Per evento paleoclimatico si intende una variazione dello stato del clima passato in cui una o alcune delle variabili climatiche (temperatura, precipitazioni, ecc.) hanno valori differenti da quelli medi (più bassi o più alti).

Come gli studi paleoclimatici aiutano a capire meglio le potenziali conseguenze dei futuri cambiamenti climatici?

Ogni componente del sistema Terra influenza o è influenzato dal clima. Gli ecosistemi, la disponibilità di acqua, il ciclo del carbonio, la variazione del livello del mare, la circolazione oceanica e l’acidificazione dell’oceano, tutti interagiscono con il clima e rispondono ai cambiamenti climatici. Gli studi paleoclimatici forniscono una prospettiva fondamentale per valutare l’impatto che avranno i cambiamenti climatici futuri sull’ecosistema e sulle attività umane.

Come le ricerche paleoclimatiche sono utili alle politiche e alla gestione delle risorse?

Conoscere l’entità e la frequenza delle variazioni dei fenomeni climatici naturali nel passato, fornisce un quadro per mettere in atto politiche di gestione e mitigazione dell’impatto dei cambiamenti climatici futuri sull’ambiente e sulle attività umane.

Quali sono gli archivi paleoclimatici?

Gli archivi paleoclimatici possono essere materiale geologico (sedimenti, rocce, speleotemi),  biologico (anelli di crescita degli alberi, coralli)  e ghiaccio. Essi contengono elementi  o caratteristiche (indicatori climatici) che possono essere campionati  e analizzati usando diversi metodi chimici e fisici.

Sedimenti
sedimenti
(Foto:Antonio Cascella)

Le rocce sedimentarie (le più antiche risalgono a circa 4 miliardi di anni fa) rappresentano l’archivio paleoclimatico più studiato e  costituiscono il mezzo per studiare il clima della terra lungo tutta la sua storia. La loro struttura e il contenuto fossilifero sono utilizzati come indicatori paleoclimatici.

Carote di ghiaccio

Il ghiaccio preserva al suo interno campioni di atmosfera del passato sotto forma di polveri, aerosol, isotopi e bolle d’aria, conservando così  memoria delle condizioni climatiche presenti al momento della deposizione nevosa.  Gli scienziati prelevano carote di ghiaccio per studiare i cambiamenti annuali della temperatura, precipitazione e composizione dell’atmosfera.

carota

Speleotemi

Gli speleotemi sono depositi chimici ipogei (concrezioni di grotta come stalagmiti e colate) che, grazie ad un’elevata sensibilità ai mutamenti climatici, sono diventati uno strumento essenziale nelle ricostruzioni paleoclimatiche.
Nei diversi strati di crescita delle concrezioni posso essere registrate le variazioni di temperatura e piovosità esterne, lo sviluppo dei suoli e della vegetazione, fino ad una cadenza annuale. Le grotte in cui si sviluppano possono consentirne la crescita continua per lunghi periodi e conservarli inalterati per milioni di anni. In ultimo, ma non meno importante sono facilmente databili con la serie di decadimento dell’Uranio.

speleo
(Foto: Ilaria Isola)
Anelli di accrescimento degli alberi

Gli anelli di accrescimento degli  alberi possono essere usati  per determinarne le età. Lo spessore di ogni anello dipende dalle variazioni di temperatura e precipitazione verificatesi durante la sua crescita. Utilizzando questa caratteristica i paleoclimatologi hanno ricostruito la variabilità annuale della piovosità e della temperatura degli ultimi 14000 anni. Inoltre, possono registrare eventi di diversa natura come incendi, attacchi di insetti e terremoti.

albero

Quali sono gli indicatori climatici?

Gli indicatori climatici sono quegli elementi fisici, chimici e biologici conservati all’interno degli archivi paleoclimatici, che possono essere analizzati e correlati con i parametri climatici e ambientali misurati attualmente.

Indicatori fisici

Questi indicatori includono le caratteristiche fisiche di un sedimento come la composizione, la struttura, il colore, la densità e le proprietà magnetiche, che variano con il variare delle condizioni climatiche presenti al momento della deposizione.

indicatori

Indicatori biologici

Gli indicatori biologici più comunemente utilizzati per studi paleoclimatici includono resti di microrganismi unicellulari (foraminiferi, diatomee, nannoplancton calcareo) e di organismi pluricellulari (ostracodi, pollini, ecc.), che si ritrovano abbondanti nei sedimenti marini e lacustri. Poiché la loro distribuzione è controllata dalla temperatura, salinità, quantità di luce e di nutrienti della colonna d’acqua in cui vivevano, la loro presenza nei campioni di sedimento analizzati permette di dedurre le condizioni climatiche e ambientali presenti al tempo della loro deposizione.

nannoplancton
Nannoplancton calcareo. Foto: Antonio Cascella
Indicatori chimici

La composizione chimica dei  gusci degli organismi marini è un ottimo indicatore di temperatura ed umidità, essendo influenzata dalla composizione dell’acqua in cui vivevano. Per esempio, i foraminiferi utilizzano l’ossigeno presente nell’acqua di mare per costruire il loro guscio calcareo (CaCO3 ). L’ossigeno nell’acqua di mare è presente principalmente in due diversi tipi (isotopi): leggero e pesante (16O e 18O), in quantità variabile in funzione della temperatura.  Il rapporto tra questi tipi di isotopi nel guscio ci può dire quanto fosse freddo l’oceano al tempo della sua costruzione. In generale maggiore è il contenuto di ossigeno pesante (18O) nel guscio, minore era la temperatura dell’acqua. Altri indicatori climatici di tipo chimico sono i biomarker: composti organici derivati dall’attività di organismi viventi  che possono fornire indicazioni sulla temperatura, pH, salinità ecc.

chimici
Immagine: Patrizia Pantani
Annunci