Paleoclimatologia

Climatologia

Dal greco klìma: «inclinazione». Il clima è funzione dell’inclinazione della superficie del pianeta dai poli all’equatore che determina l’inclinazione dei raggi solari sulla superficie della Terra al variare della latitudine. Secondo la World Meteorological Association, il clima corrisponde alle caratteristiche medie del tempo atmosferico (temperatura, precipitazioni, umidità, vento) rilevato nell’arco di almeno 30 anni. Nonostante variazioni stagionali o decadali, il clima quindi ha caratteristiche che tendono a mantenersi stabili nel corso degli anni. Il clima differisce quindi sostanzialmente dal “tempo meteorologico".

Fattori climatici

Fattori zonali

• Latitudine
• Circolazione atmosferica
• Effetto serra
• Albedo

Fattori geografici o locali

• Altitudine
• Presenza di catene montuose
• Distanza dal mare
• Correnti marine
• Vegetazione
• Attività antropiche

Fasce climatiche

La combinazione di elementi atmosferici (temperatura, umidità, precipitazione, pressione atmosferica, vento) e fattori climatici determinano l’esistenza delle fasce climatiche, che comprendono aree continentali e oceani con caratteristiche climatiche comuni. La combinazione delle condizioni climatiche, della flora e della fauna di una certa area geografica costituisce un bioma. I biomi hanno una certa stabilità, in relazione alle condizioni ambientali e la loro distribuzione è correlabile alle fasce climatiche secondo latitudine e altitudine. Temperatura costante nella fascia intertropicale (20°N - 20°S): 23,5°C di media. Oltre i 30° di latitudine, la temperatura diminuisce rapidamente di circa 1°C per ogni grado di latitudine. La Temperatura Media Annuale della Terra è di circa 14.5°C, ed è aumentata di circa 1°C dai tempi della Rivoluzione Industriale.

Albedo ed effetto serra

Variazioni della temperatura media della Terra possono portare a cambiamenti climatici a livello globale. La Terra si scalda assorbendo il calore del Sole. Una parte della luce solare viene però riflessa dall’atmosfera e dalla superficie terrestre. In particolare, l’albedo (frazione di energia solare riflessa, 1 per oggetti bianchi, 0.9 per neve fresca, 0.5-0.8 per le nubi) svolge un ruolo fondamentale nel determinare la quantità di calore che viene riflesso. La presenza di aree ricoperte di ghiaccio e la variazione della loro entità determina il potenziale raffreddamento o riscaldamento del pianeta. La presenza nell’atmosfera di nubi e gas serra produce un costante effetto serra che induce l’assorbimento di calore della superficie terrestre.

Greenhouse world

Pianeta in cui i poli sono privi di ghiaccio. Nel passato, piante ed animali che oggi si trovano a latitudini tropicali (es. mangrovie, palme) vivevano vicino al circolo polare.

Icehouse world

Pianeta in cui sono presenti spesse calotte di ghiaccio in entrambi i poli.

Forzanti climatiche

I diversi componenti del sistema climatico (atmosfera, idrosfera, criosfera, geosfera, idrosfera) interagiscono tra loro in maniera complessa e dinamica. I tempi di risposta delle varie componenti del sistema climatico sono diversi: infatti l’atmosfera ha tempi di risposta rapidi (anche poche ore, es. cicli giornalieri di riscaldamento e raffreddamento); La superficie terrestre ha tempi di risposta più lenti dell’area (ore, giorni, settimane); I laghi e la superficie oceanica ci impiegano settimane o mesi; Gli oceani profondi ci mettono da decenni a secoli.

Principali forzanti climatici naturali

1. Processi tettonici: si sviluppano nel corso di milioni di anni. Meccanismi associati alla tettonica a placche alterano la geografia della superficie della Terra, cambiando la posizione e dimensione delle aree continentali, portando alla formazione di catene montuose e la formazione di bacini oceanici. I processi tettonici influenzano la composizione dell’atmosfera attraverso l’attività di vulcani, dorsali oceaniche, sorgenti idrotermali che immettono vapore d’acqua, gas (CO₂, CH₄, H₂S, SO₂) e altri composti che possono alterare il clima nell’atmosfera.
2. Parametri orbitali: le variazioni cicliche dei parametri orbitali (Eccentricità dell’orbita, obliquità dell’asse di rotazione, precessione degli equinozi: CICLI DI MILANKOVITCH) agiscono su periodi di decine o centinaia di migliaia di anni. Agiscono sul clima in quanto alterano la quantità di radiazione solare ricevuta dalla superficie terrestre a seconda della stagione e della latitudine.
3. Attività del sole: i cambiamenti dell’attività del Sole influenzano l’attività di radiazione solare che arriva sulla Terra. Si tratta di variazioni dell’ordine di anni o decine di anni.
4. Attività antropica: forzante climatico non naturale, in atto che produce alterazioni della superficie terrestre immettendo CO₂ e altri gas serra nell’atmosfera.

Meccanismi di feedback

I cambiamenti del sistema climatico possono agire secondo processi di retroazione (feedback) che possono amplificare (feedback positivi) o mitigare (feedback negativi) il cambiamento.

Esempio di feedback positivo: durante una fase di riscaldamento lo scioglimento dei ghiacci diminuisce l’albedo, aumentando la quantità di calore assorbito dalla terra, che favorisce quindi lo scioglimento dei ghiacci.

L’alterazione meteorica chimica delle rocce (weathering) provoca feedback negativi sia in casi di riscaldamento che di raffreddamento climatico. Clima caldo-umido: aumento dell’alterazione chimica, maggiore rimozione di CO₂ dall’atmosfera, riduzione del riscaldamento iniziale. Clima freddo-secco: diminuzione dell’alterazione chimica superficiale, minore CO₂ sottratta all’atmosfera, riduzione del raffreddamento iniziale.

Paleoclimatologia

La paleoclimatologia studia le variazioni climatiche avvenute nella storia della Terra e cerca di identificare i meccanismi che le hanno prodotte. Utilizza quindi archivi naturali (sedimenti, coralli, alberi, ghiacciai...) per ricostruire i climi e gli ambienti del passato. Gli archivi naturali contengono informazioni indirette (proxy = sostituti) che consentono di ricostruire la variabilità climatica, non avendo a disposizione misurazioni dirette. I proxy possono essere elementi biotici (ad esempio resti vegetali) o elementi abiotici (geologici, geochimici, glaciologici).

Le rocce sedimentarie rappresentano l’archivio geologico più completo per ricostruire il clima della Terra per tutta la sua storia. I sedimenti oceanici pelagici forniscono una registrazione continua del clima per periodi prolungati (milioni di anni) anche se a causa dei bassi tassi di sedimentazione in mare profondo, la risoluzione del dato non è alta (10³ -10⁶ anni). I vari programmi di perforazioni oceaniche (es. Integrated Ocean Drilling Program) hanno permesso di recuperare carote fino ad un’età di circa 170 Ma. Tali dati sono integrati con studi di sezioni stratigrafiche per le rocce più antiche.

Le carote di ghiaccio contengono bolle d’aria antiche che hanno conservato i cambiamenti delle concentrazioni di gas serra nell’atmosfera con alta risoluzione temporale. Le carote di ghiaccio della Groenlandia permettono di ricostruire le variazioni climatiche degli ultimi 140.000 anni. Le carote dell’Antartide invece permettono ricostruzioni fino a 1 Ma fa. Proxy ottenibili: variazione dello spessore della neve, particolato trasportato dai venti, isotopi stabili di C e O.