.
Riassunto: la teoria di Milankovitch sugli effetti delle variazioni orbitali della Terra sull’insolazione rimane la spiegazione più popolare del ciclo glaciale dall’inizio degli anni ’70. Secondo i suoi sostenitori, il principale fattore che determina la fine di un periodo glaciale è l’elevata insolazione estiva a 65° N, mentre un ciclo di 100 anni di eccentricità induce una risposta non lineare che determina il ritmo degli interglaciali. Sulla base di questa teoria, alcuni autori propongono che l’attuale interglaciale sarà molto lungo a causa di un’evoluzione favorevole dell’insolazione estiva a 65°N. Le prove disponibili, tuttavia, confermano che il ritmo degli interglaciali è determinato dall’obliquità, che la distanza di 100 anni tra gli interglaciali non è reale e che la configurazione orbitale e l’evoluzione termica dell’Olocene non si discostano significativamente dalla media degli interglaciali degli ultimi 800.000 anni, per cui non c’è alcun supporto orbitale che giustifichi un lungo Olocene.
Introduzione
Comprendere i cambiamenti climatici del passato aiuta a mettere in prospettiva l’attuale riscaldamento globale o “cambiamento climatico”. Non considerare i bruschi cambiamenti climatici avvenuti in passato vuol dire avere un campione di dimensioni pari a un solo riscaldamento e può causare un errore statistico di tipo I. Quando il ragazzo del villaggio gridò al lupo, stava proponendo un’ipotesi alternativa agli abitanti del villaggio. L’ipotesi nulla era che il lupo non esistesse. Quando gli abitanti del villaggio hanno accettato l’ipotesi del ragazzo con un campione di una sola unità e senza prove sufficienti, hanno commesso un errore di tipo I, un falso positivo. Dato il rischio di commettere un simile errore con il cambiamento climatico, è importante studiare il clima del passato. Poiché esiste una sola realtà e un numero illimitato di ipotesi per spiegarla, ogni volta che ci si trova di fronte a una nuova affermazione, è ragionevole pensare che l’ipotesi nulla sia che essa non sia vera. Adottare questa posizione ragionevole significa essere scettici per default. Questo non rende una persona molto popolare nel villaggio, ma la rende giusta la maggior parte delle volte. Poiché le affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie, alziamo l’asticella delle prove e abbassiamo la possibilità di rifiutare l’ipotesi nulla. In questo modo riduciamo la possibilità di commettere un errore di tipo I (rifiutare l’ipotesi nulla quando è vera). Lo studio dei cambiamenti climatici del passato è quindi di grande importanza per lo studio dell’attuale riscaldamento globale. A priori dovremmo essere scettici riguardo alle affermazioni che “questa volta è diverso”, non perché sia falso, ma perché ogni volta è diverso. Ogni periodo interglaciale è diverso, ma questo non significa che non si possano trovare spiegazioni comuni, anche se a ciascuno di essi hanno contribuito fattori diversi. Dopo tutto, la scienza si basa molto di più sulla ricerca di elementi comuni a diverse osservazioni che sulla ricerca di spiegazioni specifiche per ogni osservazione.
In questa serie di articoli, , esamineremo i cambiamenti climatici più significativi avvenuti dopo l’evoluzione dell’umanità. Nel primo articolo esamineremo il ciclo glaciale. Il secondo articolo si concentrerà sui cambiamenti repentini, noti come eventi Dansgaard-Oeschger, che si sono verificati nell’ultimo periodo glaciale. In particolare, ci soffermeremo sul periodo compreso tra i 50 e i 15 kyr BP (migliaia di anni prima del 1950). I prossimi articoli della serie esamineranno alcune prove sui cicli millenari dell’Olocene e alcune speculazioni sul futuro. Spero che in questo modo potremo imparare abbastanza sui cambiamenti climatici da aggiungere qualche prospettiva a quelli attuali.
Per preparare il terreno dobbiamo sapere che la Terra ha trascorso il 90% del suo tempo negli ultimi milioni di anni nell’1% più freddo delle temperature registrate negli ultimi 500 milioni di anni. La Terra è bloccata in una fase molto fredda, nota come era glaciale quaternaria http://www.dandebat.dk/eng-klima5.htm . Le ragioni di questa situazione sono sconosciute. Un’era glaciale è definita come un periodo in cui ci sono estese distese di ghiaccio su vaste regioni terrestri, come quelle attuali. Poiché le ultime quattro ere glaciali si sono verificate a circa 150 milioni di anni di distanza l’una dall’altra, alcuni scienziati propendono per una spiegazione astronomica (cambiamenti nel Sole, nell’orbita della Terra o nel passaggio del sistema solare attraverso il piano galattico), mentre altri preferiscono una spiegazione terrestre (cambiamenti nella distribuzione dei continenti o nella concentrazione dei gas serra). Quindi, non sappiamo perché la Terra sia in un’era glaciale, ma almeno pensiamo di sapere perché il 10% delle volte la Terra ottiene una breve tregua dalle condizioni prevalentemente glaciali ed entra in una condizione più mite nota come interglaciale.
Il ciclo glaciale. La teoria di Milankovitch.
La teoria attualmente favorita sui cambiamenti climatici glaciali-interglaciali fu proposta per la prima volta nel 1864 da James Croll, un bidello autodidatta dell’Andersonian College in Scozia, a dimostrazione del fatto che chiunque può fare scienza. Nel 1867 gli fu offerto un posto di lavoro, fu in corrispondenza con Charles Lyell e Charles Darwin e gli fu conferita una laurea honoris causa. Ma le conoscenze scientifiche dell’epoca e i suoi limiti in matematica e astronomia portarono al rifiuto definitivo della teoria. Croll concluse erroneamente che l’eccentricità orbitale e la mancanza di insolazione invernale erano responsabili dei periodi glaciali e, sebbene fosse stato il primo a proporre un meccanismo di retroazione positiva ghiaccio-albedo, il suo modello prevedeva glaciazioni asincrone ai poli e tempi di glaciazione non supportati dalle prove allora disponibili (ma errate). Il genio serbo Milutin Milankovitch fu il primo a intraprendere, nel 1920, il lavoro di calcolo delle complessità dell’insolazione terrestre alle diverse latitudini a causa delle variazioni orbitali, in un’epoca priva di computer, e identificò subito l’insolazione estiva come un fattore chiave per spiegare i drastici cambiamenti climatici avvenuti in passato. La sua teoria non fu accettata fino al 1970, quando furono trovate prove geologiche di molteplici cicli glaciali-interglaciali, anche se la loro tempistica (100 kyr) era un po’ lontana rispetto alla teoria di Milankovitch. La corretta datazione delle glaciazioni degli ultimi 2,6 milioni di anni ha dimostrato che per la maggior parte si sono verificate a intervalli di 41,000 anni, un periodo più simile alla forzatura orbitale dell’insolazione. La teoria di Milankovitch è molto conosciuta, quindi non ha senso ripercorrerla in modo molto dettagliato. Basti dire che ci sono tre tipi di cambiamenti orbitali che influenzano l’insolazione della Terra nel lungo periodo
Eccentricità:
Se il sistema solare fosse composto solo dal Sole e dalla Terra, l’orbita ellittica della Terra avrebbe sempre la stessa eccentricità, ma poiché i movimenti degli altri pianeti, in particolare dei giganti più vicini, Giove e Saturno, introducono perturbazioni gravitazionali, l’orbita della Terra cambia leggermente la sua eccentricità. L’eccentricità cambia con un battito maggiore di 413.000 anni e due battiti minori di 95.000 e 125.000 anni. Le variazioni di eccentricità sono le uniche modifiche orbitali che alterano la quantità di energia solare che la Terra riceve al variare della sua distanza dal Sole. Poiché l’orbita della Terra è sempre abbastanza circolare (l’eccentricità varia da 0,005 a 0,06), la variazione dell’insolazione tra il perielio e l’afelio (ora a gennaio e a luglio) è piccola, attualmente circa il 6,4% (0,016 di eccentricità). Le variazioni di eccentricità producono anche un accorciamento e un allungamento delle stagioni, poiché la Terra accelera al Perielio e rallenta all’Afelio. Attualmente l’inverno dell’emisfero settentrionale (al perielio) è più breve di 4,6 giorni rispetto a quello dell’emisfero meridionale (all’afelio). La cosa importante da ricordare in termini di cambiamenti climatici è che, a causa della lunghezza del suo ciclo principale e della bassa eccentricità dell’orbita terrestre, il ciclo di eccentricità risulta in una forzatura estremamente ridotta. In altre parole, le variazioni di insolazione dovute all’eccentricità sono di per sé molto piccole. È solo attraverso il suo effetto sulla precessione e sull’obliquità che l’eccentricità diventa rilevante.
Obliquità:
Questo ciclo è dato dalle variazioni dell’inclinazione dell’asse terrestre, o tilt assiale, rispetto al piano orbitale della Terra. L’inclinazione assiale varia tra 22,1° e 24,3° nel corso di un ciclo che dura 41.000 anni. Attualmente l’inclinazione è di 23,44° e sta diminuendo. La variazione dell’inclinazione modifica la distribuzione dell’energia solare tra le stagioni e le latitudini. Maggiore è l’obliquità, maggiore è l’insolazione ai poli durante l’estate e minore quella ai poli durante l’inverno e nelle aree tropicali durante tutto l’anno. Un’obliquità elevata favorisce gli interglaciali, mentre un’obliquità più bassa è associata a periodi glaciali. Sebbene l’obliquità non modifichi la quantità di insolazione che la Terra riceve, cambia la quantità di insolazione che ogni latitudine riceve e la variazione è maggiore alle alte latitudini.
Precessione:
Esistono due movimenti di precessione. La precessione assiale è la lenta oscillazione della Terra che ruota sul suo asse a causa dell’attrazione gravitazionale esercitata sul suo equatore da altri corpi solari. L’asse terrestre descrive quindi un cerchio rispetto alle stelle fisse nel giro di 26.000 anni, quindi se ora punta su Polaris, 13.000 anni fa puntava su Vega. La precessione orbitale (o absidale o ellittica) è la lenta rotazione dell’orbita ellittica intorno al fuoco dell’ellisse più vicina al Sole in un periodo di 113.000 anni. La precessione combinata (degli equinozi) sposta progressivamente le stagioni intorno all’anno e intorno all’orbita, cosicché se ora l’inverno dell’emisfero settentrionale si svolge al perielio (il perigeo più vicino al Sole), tra circa 11.500 anni si svolgerà all’afelio (l’apogeo più lontano dal Sole). La precessione è quindi modulata dall’eccentricità, poiché l’angolo di precessione sarebbe irrilevante a eccentricità zero (orbita circolare). È importante notare che la precessione non modifica la quantità di insolazione che la Terra riceve o la quantità di insolazione che ogni latitudine riceve durante l’anno. Qualsiasi insolazione la precessione dia a una stagione, la sottrae alle altre stagioni, quindi la precessione è un importante contributo all’insolazione estiva e al gradiente latitudinale dell’insolazione. L’interazione delle varie componenti della precessione produce cicli a 19, 22 e 24 kyr con un periodo medio di circa 23.000 anni. Poiché l’estate dell’emisfero settentrionale si svolge ora all’afelio, siamo al minimo del ciclo precessionale dal punto di vista dell’insolazione estiva a 65°N.
Figura 1. Variazioni dell’orbita terrestre come base della teoria di Milankovitch. La variazione dell’eccentricità orbitale (verde) produce cambiamenti nella forma dell’orbita terrestre con periodi di 413 kyr e 100 kyr. L’inclinazione assiale (blu) cambia con periodi di obliquità di 41 kyr. La precessione orbitale (arancione) fa ruotare l’orbita attorno a uno dei fuochi ellittici, mentre la precessione assiale (gialla) fa oscillare la Terra. Entrambe insieme producono un periodo medio di 23 kyr. Fonte: Cyril Langlois
Secondo gli studiosi della teoria di Milankovitch, le fasi glaciali iniziano quando l’insolazione estiva a 65°N consente a un numero maggiore di ghiacci di sopravvivere all’estate di ogni anno. Questo dà inizio all’accumulo delle calotte glaciali della Laurentide, della Fennoscandia e della Siberia Laurentide, Fennoscandian and Siberian ice sheets. . Questo processo è alimentato da un feedback ghiaccio-albedo e da altri feedback e raffredda progressivamente la Terra con un contemporaneo abbassamento del livello del mare. Il periodo glaciale sopravvive a diversi cicli di aumento dell’insolazione estiva a 65°N e diventa progressivamente più freddo e il livello del mare si abbassa. Il successivo ciclo di eccentricità, tra i 95 e i 125 kyr dopo, induce una risposta non lineare sulla precessione tale che il successivo aumento dell’insolazione estiva a 65°N innesca una cessazione glaciale. Si tratta di un processo molto più rapido della glaciazione, favorito da effetti di retroazione come la riduzione dell’albedo di ghiaccio o l’accumulo di gas serra. I cicli glaciali costituiscono una sfida non facile da modellare con gli attuali modelli climatici, costruiti sulla base delle condizioni dell’Olocene. Le discussioni tra i difensori di Milankovitch vertono sul ruolo della CO2 nella terminazione dei ghiacciai (Shakun et al., 2012), su un modello a tre stadi con condizioni interglaciali, di glaciazione lieve e di glaciazione completa (Paillard, 1998), o su uno switch mare-ghiaccio per spiegare perché altri picchi di insolazione estiva a 65°N non riescono a far uscire il mondo da un glaciale fino a quando il ciclo di eccentricità non entra in gioco 100 kyr dopo (Gildor e Tziperman, 2000).
I problemi della teoria di Milankovitch
L’attuale teoria che spiega le glaciazioni attraverso l’insolazione estiva a 65°N, scandita dal ciclo di eccentricità di 100 anni, è sostenuta dalla comunità scientifica ed è presentata nei libri di testo. Tuttavia, presenta alcune importanti lacune che ne mettono in discussione la validità.
Il più importante è il problema dei 100 kyr. Fino a circa 1 milione di anni fa le glaciazioni avvenivano a intervalli di 41 kyr, indicando nell’obliquità il fattore principale. Da allora, invece, le glaciazioni avvengono a intervalli di 100 kyr (figura 2). Quando si scoprì questo fatto, il problema fu che la teoria di Milankovitch non riservava alcun posto speciale al ciclo dell’eccentricità, poiché il suo effetto è minimo. Così Hays, Imbrie e Shackleton nel loro articolo del 1976 proposero che l’eccentricità svolgesse il suo ruolo in modo non lineare. Il problema è aggravato dal fatto che il ciclo principale dell’eccentricità è di 413 kyr e che questo ciclo è ancora meno evidente nella documentazione, per cui si conclude che l’eccentricità produce un effetto moltiplicativo durante i suoi cicli minori, ma nessun effetto importante nel suo ciclo maggiore. Maslin e Ridgwell (2005) lo chiamano “il mito dell’eccentricità”. Inoltre, il passaggio dalle glaciazioni dell’inizio del Pleistocene di 41 anni a quelle del tardo Pleistocene di 100 anni è avvenuto senza alcuna variazione dell’insolazione, per cui la teoria di Milankovitch non è in grado di spiegarlo.
Figura 2. La transizione del Medio-Pleistocene. Due diversi proxy della temperatura, l’alkenone UK’37 nei sedimenti marini (rosso) e l’isotopo δ18O nelle carote bentoniche (blu), mostrano il progressivo raffreddamento della Terra nel Pliocene. All’inizio del Pleistocene le glaciazioni iniziano a verificarsi a intervalli di 41 kyr. Con l’avanzare del raffreddamento, questo intervallo si allunga fino a 100 kyr in quella che viene chiamata la transizione o rivoluzione del Pleistocene medio. Fonte: K.T. Lawrence, et al. 2006.
Il problema dei 100 kyr è meglio illustrato nella figura 3, dove si confronta la teoria di Milankovitch, attraverso la scomposizione dell’insolazione nelle sue componenti: eccentricità, obliquità e precessione (figura 3 A); con le evidenze dei record proxy di temperatura (figura 3 B), attraverso l’analisi della frequenza per rivelare le loro principali componenti cicliche. Si noti che raramente si vede l’eccentricità tracciata con la sua vera forzatura comparativa. La disparità è così evidente che l’attuale ipotesi di consenso sui cicli glaciali non può essere corretta.
Figura 3. Il problema dei 100 kyr. La teoria di Milankovitch, nella sua attuale forma di consenso, incontra problemi per spiegare la disparità tra previsioni e osservazioni. A. Il calcolo dell’insolazione estiva a 65°N mostra che l’intervallo previsto di 105 W/m2 è dovuto principalmente al contributo della precessione, seguita dall’obliquità con un’entità simile. Il contributo dell’eccentricità è invece molto ridotto. B. Analizzando gli spettri dei proxy di temperatura, la banda principale è una banda di 100 kyr, seguita in intensità da una banda di 41 kyr, mentre le bande di 23 e 19 kyr sono appena rilevabili. Quindi, il contributo più forte dà il segnale più debole, mentre il segnale più forte arriva alla frequenza di quello che dovrebbe essere un contributo trascurabile. Fonte: J. Imbrie et al. 1993. Modificato.
Il secondo per importanza è il problema della causalità, esemplificato nel “problema dello stadio 5”. Lo stadio isotopico marino 5 viene qui utilizzato come nome alternativo per il precedente interglaciale, noto anche come Eemiano in Nord America. In base all’insolazione, l’Eemiano o MIS 5 dovrebbe essere iniziato non prima di 135 kyr BP, ma i dati ricavati nel 1992 dai cristalli di una grotta del Nevada chiamata Devils Hole indicano che a quella data la terminazione glaciale era sostanzialmente terminata (Winograd et al., 1992; Ludwig et al., 1992; la terminazione glaciale è definita come il punto intermedio del livello del mare tra glaciale e interglaciale).Su questi dati è scoppiata una grande controversia in letteratura che da allora non si è mai placata. Ma i dati di Devils Hole non sono gli unici, poiché dati simili sono stati trovati nelle barriere coralline delle Bahamas (Gallup et al. 2002), delle Barbados e della Papua Nuova Guinea, nonché nei sedimenti del margine iberico e negli speleotemi delle grotte italiane (Drysdale et al. 2009), e tutti indicano che la terminazione era sostanzialmente completata entro 135 kyr BP. Una data in cui l’insolazione estiva a 65°N era ancora inferiore ai livelli del 70% dei 100 kyr precedenti (figura 4). Ulteriori dati indicano che il MIS 5 potrebbe non essere l’unica terminazione glaciale in cui l’effetto sembra precedere la causa. Il MIS 15c mostra la stessa situazione. Il problema è ulteriormente complicato dal fatto che l’insolazione estiva è stata utilizzata come criterio di definizione per datare l’inizio e la fine delle glaciazioni nei sedimenti della serie ufficiale SPECMAP sponsorizzata dalle Nazioni Unite. Ciò si traduce in un ragionamento circolare, poiché si presume che l’insolazione calcolata ritmi le glaciazioni e le cessazioni e che sia stata utilizzata per datarle.
Figura 4. Il problema della causalità. La freccia indica quando l’effetto ha avuto luogo prima della causa teorica. Secondo la teoria di Milankovitch, la terminazione glaciale II, che porta alla fase MI 5 o all’interglaciale Eemiano, non può essere iniziata prima di 135 kyr fa (linea tratteggiata grigia verticale) a causa della mancanza di forzante solare. Tuttavia, i dati della grotta Devils hole (linea grigia sottile) indicano un inizio molto più precoce, poiché la deglaciazione era già ben avviata a 140 kyr fa. I dati della serie SPECMAC (linea nera spessa) non sono di alcun aiuto poiché sono stati impostati per corrispondere all’insolazione estiva a 65°N, quindi la parte centrale di ogni aumento è impostata al massimo dell’insolazione (barre verticali grigie). I dati delle barriere coralline di Barbados (verde e giallo) confermano l’inizio precoce, poiché il campione NU-1471 indica che a 136 kyr fa, secondo i livelli del mare, la terminazione II era già completa all’80%. L’insolazione estiva a 65°N è in arancione. L’obliquità è in blu. Il ciclo di obliquità è iniziato 10 kyr prima, a 150 kyr fa. Fonte: C.D. Gallup et al. 2002. Obliquità aggiunta.
Un terzo problema è che i cicli glaciali sono simmetrici tra gli emisferi, in quanto entrambi si riscaldano o si raffreddano simultaneamente, mentre il forcing della precessione stagionale (e l’insolazione estiva a 65°N) è antisimmetrico. Cioè quando un emisfero si riscalda, l’altro si raffredda.
Un quarto problema, raramente discusso, è quello dei 41 kyr (Raymo e Nisancioglu, 2003). Se la teoria di Milankovitch fatica a spiegare il ciclo glaciale negli ultimi 0,8 milioni di anni, non ha meno problemi a spiegarlo tra 3-0,8 milioni di anni fa. In quel periodo le temperature e il volume globale dei ghiacci variavano quasi esclusivamente in corrispondenza dell’obliquità di 41 kyr, mentre l’insolazione estiva delle alte latitudini è sempre dominata dalla precessione. Raymo e Nisancioglu (2003) sostengono che questi interglaciali precedenti non possono essere compresi nell’attuale quadro dell’ipotesi Mylankovitch.
Prove che il ritmo degli interglaciali non segue un ciclo di 100 kyr
L’affermazione che gli interglaciali seguono un ciclo di 100 kyr è sorprendente. Secondo la carota di sedimento marino LR04 o la carota di ghiaccio antartico EPICA Dome C, nessun interglaciale degli ultimi 800.000 anni inizia 100.000 anni dopo il precedente (tabella 1). È inoltre difficile capire come l’ipotesi di un ciclo di 100 kyr possa essere sostenuta sulla base di 11 interglaciali negli ultimi 800 kyr che hanno una distanza media di 72,7 kyr, molto lontana da 100.
Tabella I. Interglaciali degli ultimi 800.000 anni. La data di inizio dell’interglaciale è stata determinata direttamente dai dati di temperatura di EPICA Dome C dai cambiamenti isotopici del δDeuterio. La distanza temporale tra gli interglaciali è stata calcolata tra i tempi di insorgenza. La distanza media è di 72,7 kyr, mentre la distanza più frequente è di quasi 82 kyr.
Per chiarire questo aspetto, ho tracciato la data di inizio dell’interglaciale in funzione della distanza dall’interglaciale precedente, seguendo Euan Mearns (The Alpine Journal, in press; comunicazione personale). Il risultato è riportato nella figura 5. I dati indicano in maniera decisa che la distanza tra gli interglaciali tende a cadere su multipli del ciclo di obliquità di 41.000 anni. Ci sono due interglaciali anomali: il MIS 11 è stato insolitamente lungo e il MIS 7e è stato insolitamente breve. Se la loro deviazione è dovuta a un inizio precoce nel primo caso e a un inizio tardivo nel secondo
Se la loro deviazione è dovuta a un inizio anticipato nel primo caso e a un inizio ritardato nel secondo, la distanza dall’interglaciale successivo potrebbe essere influenzata semplicemente dalla variazione della data di inizio. Correggendo per la data di inizio, la lunghezza dei due interglaciali pone ogni ciclo del grafico vicino alle linee di obliquità.
Figura 5. Il Mito dei 100 kyr. Grafico della data di inizio dell’interglaciale rispetto alla distanza dall’interglaciale precedente. La distanza degli interglaciali mostra una forte tendenza a cadere in multipli della distanza di obliquità (bande rosse). Anche gli interglaciali anomali MIS 11 e MIS 7e (stelle) possono essere spiegati dalla loro lunghezza anomala. Se si tenesse conto delle loro trasgressioni di lunghezza, ogni punto si troverebbe vicino alle bande rosse. In basso: Grafico della temperatura di EPICA Dome C. Linea continua grigia, obliquità. Linea grigia tratteggiata, eccentricità.
Un’altra osservazione è la presenza di due interglaciali separati da un solo ciclo di obliquità (41 kyr) in periodi di eccentricità molto elevata (figura 5). Ciò suggerisce l’esistenza di uno schema ripetitivo che segue il ciclo di eccentricità di 413 kyr, dove la lunghezza di un’unità è data dalla distanza tra il MIS 15a e il MIS 7c, 365.000 anni, o nove cicli di obliquità, durante i quali hanno luogo cinque interglaciali, quattro dei quali separati da 82 kyr e uno da 41 kyr. La distanza media tra gli interglaciali sarebbe quindi di 73 kyr, molto vicina al valore medio di 72,7 kyr per l’intera serie. Gli interglaciali si verificherebbero ogni 1,8 cicli di obliquità, anche se il ciclo è irregolare, come dimostrano l’esistenza di interglaciali brevi e lunghi e il passato periodo glaciale durato tre cicli di obliquità.
Prove che l’obliquità e non l’insolazione determinano il ritmo degli interglaciali
Le prove che l’obliquità determina il ritmo degli interglaciali sono abbondanti e chiare; sono molto sorpreso dall’incapacità generale di riconoscerle, anche da parte di scienziati e persone che hanno esaminato i dati in dettaglio. Da quando Milankovitch ha proposto che il ritmo degli interglaciali fosse determinato dalle variazioni dell’insolazione causate dalle variazioni orbitali, la convinzione che le variazioni dell’insolazione estiva a 65°N abbiano un effetto climatico è profondamente radicata. È messa in discussione da pochi e ci ricorda altre ipotesi che vengono prese come dati di fatto senza prove solide. Esaminiamo le prove a favore dell’obliquità:
a) I cicli glaciali per la maggior parte dell’era glaciale del Quaternario, prima della transizione verso la metà del Pleistocene, sono stati effettivamente governati dal ciclo dell’obliquità di 41 kyr (figure 2 e 6), mentre i cicli di 23 kyr e 100 kyr non erano presenti in quel periodo. La spiegazione più semplice del “Occam’s razor” è che l’obliquità fa il suo lavoro.
b) Nel corso del Pleistocene, la Terra si è progressivamente raffreddata (figura 2). Il raffreddamento del pianeta ha raggiunto un punto intorno a 5 milioni di anni fa, quando alcuni interglaciali hanno iniziato a risentirne e non hanno raggiunto le temperature che noi consideriamo interglaciali, per cui non li consideriamo interglaciali e non assegniamo loro un numero nella sequenza MIS (figura 6, asterischi). Tuttavia, la transizione medio-pleistocenica non ha comportato alcun cambiamento nell’insolazione o nei cicli orbitali, quindi i sostenitori dell’ipotesi Milankovitch dell’insolazione di 100 kyr non riescono a spiegare come un ciclo di obliquità si sia trasformato in un ciclo di eccentricità.
Figura 6. Dati proxy della temperatura del Pleistocene. Il record isotopico δ18O proveniente dal campione LR04 di 53 carote bentoniche provenienti da tutto il mondo mostra che a partire da circa 1,5 milioni di anni fa alcuni interglaciali hanno continuato a raggiungere la temperatura media precedente (linea rossa), mentre altri mostrano una tendenza alla diminuzione della temperatura media interglaciale (linea blu) e non sono considerati interglaciali. Ai periodi di temperatura più recente del MIS 23 che non hanno raggiunto i livelli interglaciali non viene solitamente assegnato un numero MIS (asterischi). Fonte: Lisiecky e Raymo, 2005.
La domanda più interessante da porsi è non tanto perché alcuni periodi di riscaldamento indotti dall’obliquità non riescano a raggiungere quelle che noi consideriamo temperature interglaciali, ma perché alcuni riescano comunque a raggiungerle dato il raffreddamento del pianeta.
c) Sebbene i cambiamenti precessionali influenzino notevolmente la quantità di insolazione durante un periodo di tre mesi, tale cambiamento viene rapidamente mediato nei tre mesi successivi, lasciando invariata la radiazione totale annuale. Al contrario, i cambiamenti di obliquità aggiungono una quantità significativa di riscaldamento alle alte latitudini, anno dopo anno, per un periodo di migliaia di anni e possono avere un enorme effetto cumulativo (figura 7). La registrazione dei proxy di temperatura mostra chiaramente che le temperature diminuiscono durante i periodi di bassa obliquità (giallo alle medie latitudini nella figura 7) e aumentano durante i periodi di alta obliquità (blu alle medie latitudini nella figura 7).
Figura 7. Variazioni dell’insolazione annuale alle alte latitudini e problema della simmetria. Le variazioni dell’insolazione annuale per latitudine e tempo sono mostrate in una scala colorata. Sono essenzialmente dovute a variazioni dell’obliquità (curva sinusoidale blu), poiché le variazioni dell’insolazione per precessione sono mediate tra le stagioni all’interno dello stesso anno. Le variazioni persistenti dell’insolazione alle alte latitudini durano migliaia di anni e corrispondono abbastanza bene alle variazioni di temperatura in Antartide, mostrate come una linea blu sovrapposta. I cicli glaciali-interglaciali mostrano risposte simmetriche della temperatura in entrambi gli emisferi. Come si può vedere, le temperature antartiche rispondono con un riscaldamento nonostante gli aumenti dell’insolazione estiva a 65°N corrispondano a diminuzioni dell’insolazione estiva a 65°S. Fonte: Steve Carson. The science of Doom.
d) L’insolazione estiva è dominata dal ciclo di precessione di 23 kyr. Quando si esegue un’analisi di frequenza sia sui dati calcolati dell’insolazione sia sui dati proxy della temperatura, si rileva solo una risposta molto ridotta delle temperature all’insolazione (figura 8). L’unica risposta coerente tra i dati dell’insolazione e quelli della temperatura è data da Non solo non c’è un segnale significativo per un ciclo di 23 kyr nei dati, ma se l’insolazione estiva a 65°N è così importante diventa difficile spiegare perché a volte ha un effetto enorme sulle temperature e in altri momenti non ha quasi alcun effetto.
Figura 8. Discrepanza tra i calcoli della teoria di Milankovitch e i dati delle osservazioni. La trasformata di Gabor è un’analisi di Fourier in tempo-frequenza con finestre. Applicata ai calcoli dell’insolazione estiva a 65°N, ricavati dall’orbita terrestre durante gli ultimi 800 kyr, mostra i principali fattori che contribuiscono al segnale ritenuto responsabile della fine dei ghiacciai. Il principale contributore è il periodo di 23 kyr, seguito da quello di 18 kyr, entrambi dovuti ai cicli di precessione, e da quello meno intenso di 41 kyr, dovuto ai cicli di obliquità. Se si esegue la stessa analisi sui dati di temperatura provenienti dalle osservazioni (record della carota di ghiaccio Epica Dome C), si può notare che la temperatura della Terra risponde a malapena alla precessione, poiché la banda a 23 kyr è molto tenue. Si notano invece bande di obliquità a 41 e 83 kyr (doppia armonica) e la banda prominente a 100 kyr, che non può essere l’eccentricità, poiché manca quella che dovrebbe essere una banda ancora più forte a 413 kyr. Fonte: Giovanni Baez.
e) Se si allineano in base alla temperatura sei interglaciali degli ultimi 800 kyr che presentano una durata simile, oltre all’Olocene, anche i loro grafici di obliquità si allineano (figura 9). La variazione dell’obliquità e delle temperature è in fase con un ritardo. Tuttavia, lo stesso non vale per l’andamento dell’insolazione, che presenta una maggiore variabilità (figura 10). Questa variabilità sottolinea che per MIS 7c, MIS 5 e MIS 15c l’insolazione non può aver guidato la fine del glaciale. Nel primo interglaciale l’insolazione è stata troppo precoce e negli ultimi due troppo tardiva (si veda il problema dello stadio 5).
Figura 9. Allineamento interglaciale con l’obliquità. Gli interglaciali MIS 1, 5, 7c, 9, 15a, 15c e 19 sono stati allineati dalla temperatura. Anche le loro obliquità mostrano un grado significativo di sincronizzazione. L’obliquità tocca il fondo da 20 a 15.000 anni prima dell’inizio dell’interglaciale. Il riscaldamento dell’Antartide inizia circa 10.000 anni dopo e procede così rapidamente che le temperature medie interglaciali vengono raggiunte quando l’obliquità raggiunge il suo picco, circa 19.000 anni dopo aver iniziato a salire. L’interglaciale termina con un ritardo di circa 5.000 anni rispetto al calo dell’obliquità. Fonti: EPICA Dome C, Jouzel, J., et al. 2007. Dati astronomici, Laskar, J., et al. 2004.
Figura 10. Allineamento interglaciale con insolazione estiva a 65° N. Come la figura 9 per l’insolazione estiva settentrionale. Sebbene anche l’insolazione tenda ad allinearsi, indicando che gli interglaciali non possono aver luogo se l’insolazione lavora in direzione opposta, la dispersione è chiaramente maggiore in questo caso. L’insolazione per il MIS 7c è arrivata troppo presto e per il MIS 15c e il MIS 5 troppo tardi per essere ritenuta responsabile del riscaldamento interglaciale.
f) La durata media degli interglaciali MIS 5, 7c, 9, 15a, 15c e 19 misurata all’anomalia di -3° C nei dati EPICA è di circa 18.000 anni. La durata media dell’oscillazione verso l’alto del ciclo di obliquità a 23,5° è di ~18.000 anni. La durata media del ciclo dell’insolazione estiva settentrionale a 500 W/m2 è di circa 11.000 anni.
Gli interglaciali tendono ad avere la stessa durata del ciclo di obliquità, ma spostati di 4-6.000 anni a causa dell’inerzia termica della Terra. È lo stesso motivo per cui il ciclo annuale della temperatura segue il ciclo stagionale dell’insolazione con un ritardo di circa 1,5 mesi.
L’evidenza del ritmo interglaciale, della risposta della temperatura all’obliquità, dell’allineamento temperatura-obliquità e della durata media degli interglaciali indica chiaramente che, in generale, gli interglaciali rispondono principalmente al ciclo dell’obliquità come hanno sempre fatto e continuano a fare. Nonostante un consenso generale che ignora ciò che i dati indicano chiaramente, alcuni autori si sono resi conto di questo fatto e propongono ipotesi in cui l’obliquità è responsabile del ciclo glaciale (figura 11. Huybers e Wunch, 2005; Huybers, 2007; Liu et al., 2008).
Figura 11. Un semplice modello stocastico dei cicli glaciali-interglaciali basato sull’obliquità. Huybers e Wunch, 2005, non sono riusciti a scartare statisticamente l’ipotesi nulla che le terminazioni glaciali non siano causate dalla precessione o dall’eccentricità, ma hanno scartato l’ipotesi che non siano causate dall’obliquità. Hanno sviluppato un modello basato solo sull’obliquità che ha riprodotto il pacing osservato. A sinistra, un’esecuzione del modello. A destra, istogramma di frequenza della durata glaciale di più esecuzioni del modello che mostra la durata degli ultimi 6 periodi glaciali sotto forma di triangoli neri. Fonte: Huybers e Wunch, 2005: Huybers e Wunch, 2005.
L’ipotesi che l’obliquità guidi il ciclo glaciale risolve la maggior parte dei problemi della teoria di Milankovitch. Il problema dei 100 kyr è risolto perché non esiste un ciclo di 100 kyr, ma solo un ciclo di 41 kyr che salta uno o due battiti. E risolve il problema dei 41 kyr per ragioni analoghe. Risolve il problema della causalità perché ora le terminazioni glaciali iniziano di solito alla fine del ciclo di obliquità e quindi la terminazione del MIS 5 è ben avviata a 135 kyr BP quando l’insolazione estiva a 65°N è ancora troppo bassa. Risolve anche la mancanza di asimmetria nella risposta polare, poiché il ciclo di obliquità è simmetrico in entrambi i poli.
Determinazione interglaciale nel tardo Pleistocene
Sapendo che l’obliquità è il fattore principale che ha permesso e favorito gli interglaciali anche nel Tardo Pleistocene, possiamo analizzare i dati per vedere quali altri fattori contribuiscono a determinare quando dovrebbe iniziare un interglaciale. Gli interglaciali si verificano dopo un periodo di aumento dell’obliquità e negli ultimi milioni di anni si sono verificate 24 finestre di opportunità di questo tipo, producendo 13 interglaciali e 11 cicli di obliquità senza interglaciale. La Figura 12 mostra queste finestre di opportunità (numeri in alto) con le barre rosse per quelle di successo e le barre blu per quelle di insuccesso. Due fattori possono essere identificati come importanti. Il primo è l’insolazione estiva a 65°N superiore a 520 W/m2 nella seconda metà della finestra di opportunità (al di sopra della linea rossa, cerchi rossi e verdi nel riquadro dell’insolazione della figura 12), e il secondo sono le temperature pari o inferiori a quelle equivalenti a 4,55 ‰ δ18O o superiori nella prima metà della finestra di opportunità (al di sotto della linea blu, cerchi rossi nel riquadro della temperatura della figura 12).
Quando le temperature raggiungono livelli elevati all’inizio della finestra di opportunità e l’insolazione non raggiunge i 520 W/m2 verso la fine, l’interglaciale non ha luogo nonostante l’aumento dell’obliquità. Quando una delle due condizioni è corretta ma l’altra no, la migliore previsione è data dalla condizione di bassa temperatura, poiché il più delle volte una temperatura sufficientemente bassa all’inizio dell’aumento dell’obliquità determina un interglaciale anche se l’insolazione non è elevata verso la fine dell’aumento dell’obliquità. L’insolazione elevata alla fine della finestra di obliquità da sola non provoca un interglaciale, a meno che non sia estremamente elevata, superiore a 550 W/m2, e questo accade solo quando l’eccentricità è molto alta, 200, 600 e 1000 kyr fa (cerchi verdi e numeri verdi nella figura 12). Questo è il probabile motivo per cui gli interglaciali hanno una spaziatura ridotta di un ciclo di obliquità (41 kyr) nei periodi di massima eccentricità, come nel caso di MIS 15a/MIS 15c e MIS 7c/MIS 7e.
Figura 12. Un semplice modello di determinazione dell’interglaciale basato su obliquità, insolazione e temperature. In alto, ogni volta che l’obliquità aumenta si verifica una finestra di opportunità, contrassegnata da una barra colorata, rossa quando si verifica un interglaciale e blu in caso contrario. Al centro, si propone che l’insolazione promuova condizioni interglaciali quando è superiore alla linea rossa tratteggiata a 520 Wm2, durante la seconda metà della finestra (cerchi rossi), o che provochi direttamente un interglaciale quando è superiore alla linea verde tratteggiata a 550 W/m2 (cerchi verdi). In basso, si propone che le basse temperature favoriscano condizioni interglaciali quando sono inferiori alla linea tratteggiata blu a 4,55 ‰ δ18O durante la prima metà della finestra di obliquità (cerchi rossi). I numeri in alto rappresentano i periodi di crescente obliquità: i numeri rossi indicano un interglaciale prodotto da condizioni favorevoli (cerchi rossi), i numeri blu indicano che un interglaciale non si è prodotto a causa di condizioni sfavorevoli (cerchi blu) e i numeri verdi indicano interglaciali prodotti da un’insolazione molto elevata nonostante temperature sfavorevoli (cerchi verdi). Il MIS 13 (finestra 13) non può essere spiegato da questo modello, quindi il punto interrogativo.
Il MIS 13 non può essere spiegato in termini di condizioni di insolazione e di temperatura iniziale come il resto degli interglaciali. Si tratta di un interglaciale molto atipico. Le temperature erano molto elevate all’inizio dell’aumento dell’obliquità, quindi invece di un rapido riscaldamento guidato da forti feedback, il suo riscaldamento è progressivo e relativamente lento. Non si allinea con gli altri a causa del suo insolito profilo di temperatura, complicando la nostra analisi. Sembra un interglaciale fallito con un grande picco di temperatura verso la fine.
Il fattore di bassa temperatura presente all’ inizio dell’aumento dell’obliquità è chiaramente un proxy di forti fattori di retroazione che operano più energicamente quando le temperature sono molto basse. Tra i fattori noti vi sono:
- Riduzione dell’albedo del ghiaccio
- Aumento dello scioglimento dei ghiacci
- Aumento del livello del mare
- Aumento delle polveri
- Aumento dei gas serra
L’effetto della diminuzione della temperatura durante un periodo glaciale prima del successivo ciclo di obliquità ha lo stesso effetto della trazione di una molla. Quanto più forte viene tirata, tanto più forte e veloce andrà nella direzione opposta quando viene rilasciata. Questa molla agisce come un feedback negativo per un ulteriore raffreddamento e la sua esistenza può essere dedotta dalla stretta regolazione termica del pianeta durante almeno gli ultimi 560 milioni di anni. È ciò che permette agli interglaciali di avere luogo durante questo periodo molto freddo del pianeta, perché altrimenti per gli ultimi 1,5 milioni di anni il pianeta sarebbe stato bloccato in un periodo glaciale permanente interrotto solo da interglaciali ogni 400 kyr, al picco di eccentricità. Il pianeta potrebbe non aver avuto alcuna presenza umana, in quanto già all’apice dell’era glaciale era prossimo alla morte per fame di CO2 per le piante. L’occasionale periodo interglaciale impedisce un ulteriore raffreddamento.
Quando l’obliquità inizia a salire nel corso di un periodo glaciale, inizia a spostare poco a poco l’energia dalle aree tropicali a quelle polari. I suoi effetti sulle temperature medie globali non si notano per molte migliaia di anni. Se il pianeta è molto freddo, con gran parte dell’acqua conservata in enormi lastre di ghiaccio sopra i continenti e le piattaforme continentali, inizieranno potenti feedback. Le temperature aumenteranno dopo circa 10.000 anni di crescente trasferimento di energia alle latitudini più alte e il riscaldamento accelererà. È più o meno in questo periodo che l’aumento dell’insolazione precessionale durante l’estate nell’emisfero settentrionale inizierà a contribuire allo scioglimento in corso delle calotte glaciali settentrionali. Il contributo dei fattori di retroazione e dell’insolazione estiva settentrionale è ciò che permette alla Terra, ogni 1,8 cicli di obliquità, di superare l’inerzia fredda del pianeta. Si tratta di un processo additivo, in cui l’obliquità stabilisce il ritmo ed è aiutata da fattori di retroazione e dall’insolazione estiva settentrionale. Se uno di questi due fattori è abbastanza forte, l’altro può essere eliminato. Il risultato è che ogni interglaciale è diverso. È la risposta a forze che si assemblano e si separano in tempi diversi e con intensità diverse.
Un interglaciale può quindi essere previsto conoscendo la temperatura all’inizio dell’aumento del ciclo di obliquità e le condizioni di insolazione durante la seconda metà dell’aumento di obliquità. Poiché le temperature richiedono di solito più di un ciclo di obliquità per diventare sufficientemente basse, questa è la probabile ragione per cui la distanza tra gli interglaciali è vicina a due cicli di obliquità. È quindi molto improbabile che si verifichi un nuovo interglaciale tra 30.000 anni, mentre è più probabile che si verifichi tra 70.000 anni. In realtà, un interglaciale sarebbe dovuto iniziare 50.000 anni fa e non dovremmo trovarci in un interglaciale ora, ma nonostante le temperature abbastanza basse (figura 12 numero 2), l’insolazione era molto bassa all’epoca e ha iniziato a diminuire quando l’obliquità stava ancora aumentando.
Interglaciali di durata atipica e la probabile durata dell’Olocene
Sei degli ultimi dieci interglaciali degli ultimi 800 kyr presentano un profilo di temperatura molto simile nelle registrazioni EPICA dell’Antartide (MIS 5, 7c, 9, 15a, 15c, 19). Essi mostrano un rapido aumento delle temperature per 5-7.000 anni, seguito da una stabilizzazione della temperatura per altri 5.000 anni circa, e poi un lento declino della temperatura che accelera nel tempo per i successivi 10-12.000 anni, durante i quali si perdono due terzi o più della temperatura guadagnata dal massimo glaciale all’inizio dell’interglaciale. Durante il periodo di alte temperature (anomalia superiore a -2° C), che dura circa 15.000 anni, ogni interglaciale presenta un profilo di temperatura diverso, evidenziando l’unicità interglaciale.
Dopo averli allineati, ho calcolato la media delle temperature e dell’obliquità di questi sei interglaciali e il profilo di insolazione di cinque di essi. Il MIS 7c presenta un profilo di insolazione molto diverso che altererebbe in modo significativo la media degli altri, quindi non è stato incluso. Il risultato è un interglaciale medio che possiamo confrontare con i due interglaciali che presentano una durata molto diversa, l’interglaciale breve MIS 7e 244 kyr fa e l’interglaciale lungo MIS 11 425 kyr fa (figura 13).
Figura 13. Confronto tra gli interglaciali atipici e l’interglaciale medio. Un interglaciale medio (curva grigia e bande grigie 1σ) è stato costruito a partire dagli interglaciali MIS 5, 7c, 9, 15a, 15c e 19, dopo averli allineati alla data specificata per ciascuno di essi. Sono state inoltre mediate l’obliquità per tutti gli interglaciali (linea continua sinusoidale grigia) e le curve di insolazione a 65° N 21 giugno per tutti gli interglaciali tranne il MIS 7c (linea grigia tratteggiata). I dati relativi alla temperatura, all’obliquità e all’insolazione del MIS 7e sono rappresentati in blu, mentre quelli del MIS 11 in rosso. Fonti: EPICA Dome C, Jouzel, J., et al. 2007. Dati astronomici, Laskar, J., et al. 2004.
Il MIS 7e è iniziato molto tardi nel ciclo dell’obliquità perché per la maggior parte del tempo, quando l’obliquità aumentava, l’insolazione estiva settentrionale diminuiva (figura 13). In circostanze normali il MIS 7e sarebbe stato un ciclo senza interglaciale, ma 250 kyr fa l’eccentricità era molto alta e in rapido aumento (figura 5), e quando al massimo dell’obliquità l’insolazione ha iniziato ad aumentare fortemente, le temperature hanno risposto innescando un interglaciale ritardato. Ma non appena l’insolazione ha raggiunto il suo picco 242 kyr fa, la caduta simultanea dell’obliquità e dell’insolazione non ha potuto sostenere l’interglaciale. Il MIS 7e è iniziato in ritardo perché è stato innescato dal ciclo dell’insolazione a causa dell’elevata precessione, ma è terminato nei tempi previsti dal ciclo dell’obliquità ed è diventato un interglaciale ridotto.
Anche il MIS 11 ha avuto inizio a causa dell’insolazione precessionale prima che l’obliquità avesse la possibilità di aumentare, diventando un interglaciale precoce (figura 13). Ma la ragione non è la stessa del MIS 7e, poiché la precessione era in realtà molto bassa 430 kyr fa. Se l’aumento relativamente piccolo dell’insolazione ha fornito il segnale per la fine del glaciale, la forza del riscaldamento precoce del MIS 11 sembra essere stata fornita da fattori di feedback molto forti, poiché le temperature prima del MIS 11 sembrano essere state estremamente basse, le seconde più basse dell’intero proxy di pila bentonica LR04 di 5 milioni di anni (figura 12). Il MIS 11 è diventato un interglaciale così lungo perché ha aumentato le temperature in tre fasi. La prima fase, innescata dall’aumento dell’insolazione e dalla forte risposta di feedback, si è conclusa presto, quando l’insolazione ha raggiunto il picco massimo 244 kyr fa. Ma poi l’aumento dell’obliquità ha dato l’impulso per un secondo periodo di riscaldamento, dato che l’insolazione non è diminuita molto, che si è concluso 235 kyr fa, quando l’obliquità ha raggiunto il suo picco. Poi si è verificata una terza fase di riscaldamento, causata da un secondo picco di insolazione 226 kyr fa. Le tre fasi di riscaldamento, responsabili della straordinaria durata del MIS 11, sono chiaramente rilevate nel record di temperatura (vedi figure 5 e 13) e conferiscono al MIS 11 un profilo di temperatura opposto a quello della maggior parte degli interglaciali, poiché si evolve da temperature più basse a temperature più elevate. È l’interglaciale con le temperature più alte per il periodo più lungo, nonostante si sia verificato in un periodo di bassa eccentricità. Dato l’elevato aumento di energia e la normale inerzia termica del pianeta, anche il suo declino è stato molto lungo, pur essendo più pronunciato del declino medio (figura 13).
Poiché sia il MIS 7e che il MIS 11 sono stati interglaciali atipici e frutto di circostanze molto particolari, è chiaro che gli scienziati che sostengono che il MIS 11 sia una buona analogia per l’Olocene non hanno esaminato attentamente i dati e stanno cercando di fare di una regola un’eccezione. L’allineamento del MIS 1 con l’interglaciale medio mostra che l’Olocene è solo un altro interglaciale medio (figura 14). Il profilo di temperatura dell’Olocene rientra in una deviazione standard della media. Il suo profilo di obliquità corrisponde esattamente al profilo di obliquità medio e il suo profilo di insolazione è leggermente in anticipo rispetto alla media, ma ben all’interno della variabilità di questo parametro. Le caratteristiche dell’Olocene sono un punto di partenza più freddo, perché il periodo glaciale che lo ha preceduto è stato il più lungo mai registrato, e la presenza del Dryas Giovane, un intoppo nella fase di riscaldamento rapido di origine sconosciuta. Anche se di recente ho proposto che un minimo nel ciclo solare di Bray di circa 2400 anni, in un momento delicato, potrebbe avervi contribuito (Javier, 2016). L’inizio più freddo, l’aumento leggermente anticipato dell’insolazione estiva settentrionale e il Dryas minore spiegano perché l’Olocene non sia stato così caldo come l’Eemiano.
Figura 14. Comparazione dell’Olocene con l’interglaciale medio. L’interglaciale medio descritto nella figura 13 (curva grigia e bande grigie 1σ) e l’obliquità media (linea continua sinusoidale grigia) e l’insolazione a 65°N il 21 giugno (linea tratteggiata grigia) sono confrontati con la temperatura dell’Olocene (smussata, curva nera), l’obliquità (linea continua sinusoidale nera) e l’insolazione (linea tratteggiata nera).
Le conclusioni tratte dal confronto tra l’Olocene e l’interglaciale medio sono le stesse ottenute dal confronto con il suo analogo astronomico più vicino, il MIS 19 (Pol et al., 2010; Tzedakis et al., 2012). Il MIS 19 è stato un interglaciale che si trovava nello stesso “punto Milankovitch” del nostro interglaciale olocenico, 777 kyr fa. Ha una firma astronomica quasi identica (figura 15), con la stessa bassa eccentricità e con gli stessi picchi di precessione e obliquità coincidenti. Il confronto suggerisce che la discesa verso il prossimo glaciale dovrebbe iniziare tra circa 1.500 anni (Tzedakis et al., 2012). Da notare anche gli eventi di riscaldamento naturale, noti come AIM (Massimi isotopici antartici), che si sono verificati su scala millenaria.
Figura 15. Confronto dettagliato tra l’Olocene e il MIS 19. a) Proxy di temperatura δD (‰) dell’Olocene (rosso); b) Segnale medio δD (‰) del MIS 19 (nero). Nei pannelli a) e b) le sottili linee orizzontali tratteggiate corrispondono ai livelli di δD attuali (media dell’ultimo millennio); e) eccentricità (tratteggiata, asse destro) e insolazione del 21 giugno dell’emisfero nord (solida, asse sinistro); f) parametro di precessione climatica (tratteggiata, asse destro), invertito, e infine obliquità (°, solida, asse sinistro). AIM, Massima isotopica antartica, un evento caldo. ACR, inversione del freddo antartico. Fonte: Pol, K. et al., 2010.
Una volta terminato l’attuale breve intervallo di riscaldamento, l’Olocene dovrebbe continuare la sua discesa di temperatura e un aumento dell’insolazione estiva settentrionale nelle prossime migliaia di anni non dovrebbe alterare significativamente questo declino, come non ha fatto in passato (figura 10). A mia conoscenza, nessun interglaciale in declino è stato riattivato a questo punto del ciclo di obliquità, indipendentemente dalla quantità di insolazione estiva settentrionale. Pertanto, non vi è alcuna ragione astronomica per aspettarsi che l’Olocene sia un lungo interglaciale e l’umanità deve aspettare un altro ciclo di obliquità, probabilmente quello successivo, tra 70.000 anni, per avere un’altra possibilità di essere spaventata dal riscaldamento globale.
Il ruolo dell’obliquità nel ciclo glaciale
La maggior parte degli autori scientifici che pubblicano articoli sul ciclo glaciale si sono concentrati sulle condizioni locali per cercare di spiegarlo. Si suppone che l’insolazione, i cambiamenti di albedo e la deposizione di polvere agiscano al massimo a una certa latitudine, ai margini della calotta glaciale. La soluzione del ciclo glaciale, tuttavia, potrebbe richiedere una riflessione fuori dagli schemi. Raymo e Nisancioglu (2003) hanno proposto una “ipotesi del gradiente” per spiegare il ruolo dell’obliquità durante il primo Pleistocene. I dati orbitali indicano che anche il gradiente di insolazione cambia in controfase con l’obliquità (figura 16). Il gradiente di insolazione è in gran parte responsabile del gradiente termico equato-polare, che si ritiene sia il motore del trasporto di calore e umidità dall’equatore ai poli attraverso le correnti oceaniche e la circolazione atmosferica.
Figura 16. Confronto tra l’obliquità e il gradiente di insolazione. La curva del gradiente di insolazione (in rosso) è la differenza di insolazione estiva semestrale tra 25° e 70°N. I minimi del gradiente di insolazione corrispondono alla massima obliquità (nero). Fonte: M. E. Raymo & K. Nisancioglu, 2003.
L’ipotesi del gradiente suggerisce che, con l’aumento dell’obliquità e dell’insolazione polare, il gradiente di insolazione diminuisce (figura 16). Ciò avrebbe il duplice effetto di impedire che una maggiore quantità di calore nel pianeta venga dispersa ai poli attraverso la radiazione e di ridurre il trasporto di umidità verso il polo che alimenta le calotte glaciali. L’effetto opposto si avrebbe quando l’obliquità diminuisce alla fine di un interglaciale. Secondo questa ipotesi, i tropici, con la loro enorme capacità termica e di umidità, diventano gli agenti principali nella formazione e nel declino delle calotte glaciali orchestrate dai cambiamenti di obliquità, mentre i fattori locali come l’insolazione latitudinale, l’albedo e la polvere sono importanti attori secondari che talvolta diventano decisivi.
Raymo e Nisancioglu (2003) non sono riusciti a estendere la loro ipotesi al tardo Pleistocene, ma non c’è motivo per cui i meccanismi coinvolti debbano essere cambiati nella transizione medio-pleistocenica.
Il ruolo della CO2 nel ciclo glaciale
Come dimostra l’evidenza, gli autori che prevedono un interglaciale insolitamente lungo, che si protrarrà per 20-50 kyr (Loutre e Berger, 2000), sulla base dell’insolazione estiva a 65°N, si sbagliano. I dati astronomici non supportano un lungo interglaciale. Il MIS 11 è l’unico esempio di interglaciale lungo avvenuto nel Tardo Pleistocene (ultimi 800 kyr) e presenta una configurazione astronomica unica, come mostrato sopra (figura 13).Altri autori propongono invece un lungo interglaciale di 500 kyr (Archer e Ganopolski, 2005), che in un articolo successivo viene mitigato a soli 100 kyr (Ganopolski et al., 2016), sulla base dei livelli di CO2. La differenza di mezzo ordine di grandezza nei loro calcoli attesta il livello di incertezza delle loro stime. Domani potrebbe essere la data del prossimo inizio del glaciale, in quanto rientra nei limiti di incertezza. Ma la prima cosa che devono fare è dimostrare che la CO2 gioca un ruolo significativo nel ciclo glaciale.
La CO2 è senza dubbio una delle tante retroazioni che devono agire sul ciclo glaciale, poiché i livelli di CO2 aumentano quando le terminazioni dei ghiacciai si riscaldano e diminuiscono quando le aperture dei ghiacciai si raffreddano. Tuttavia, dobbiamo ricordare che la CO2 è un feedback positivo, in quanto agisce nella direzione del cambiamento di temperatura. Il ciclo glaciale è chiaramente dominato da feedback negativi che limitano le variazioni di temperatura e, come abbiamo visto, il riscaldamento è più rapido con una temperatura iniziale più fredda. Questo effetto è chiaramente illustrato nella Figura 12, dove le maggiori risposte di riscaldamento appartengono ai punti di partenza più freddi, piuttosto che essere proporzionali alla quantità di aumento dell’insolazione. Per quanto riguarda la CO2, ci troviamo di fronte a un interessante paradosso. Sappiamo dalle misurazioni delle carote di ghiaccio che la Glacial Termination I (più vicina a noi 15 kyr fa) ha portato a un cambiamento nelle concentrazioni di CO2 atmosferica da 190 ppm a 265 ppm, con un aumento di 75 ppm. Allo stesso tempo, la temperatura è aumentata globalmente di circa 4-5°C (von Deimling et al., 2006; Annan e Hargreaves 2013). I difensori della CO2 come fattore principale del cambiamento climatico hanno sviluppato l’ipotesi che la CO2 sia stata in gran parte responsabile del riscaldamento alla fine dei periodi glaciali, una volta che il segnale astronomico ha dato il via al riscaldamento. Tuttavia, se la CO2 ha contribuito alla maggior parte del riscaldamento, significa che almeno più di 2°C del riscaldamento sono stati causati dall’aumento della CO2.
Un semplice calcolo ci dice che l’aumento da 190 a 265 ppm è pari al 48% di un raddoppio dell’effetto della temperatura. Questo è vero perché abbiamo a che fare con una scala logaritmica, (ln(265)-ln(190))/(ln(190×2)-ln(190))=0,48). Quindi il 48% di un raddoppio ha prodotto almeno 2°C di riscaldamento tra 15-10 kyr fa. L’aumento dai livelli preindustriali a quelli attuali di CO2 (da 280 a 400 ppm, o 120 ppm) costituisce il 51% di un raddoppio dell’effetto della temperatura. Vale a dire (ln(400)-ln(280))/(ln(280×2)-ln(280))=0,51. Eppure, se la CO2 è responsabile del 100% del riscaldamento moderno, perché ha prodotto solo un aumento di 0,8°C (HadCRUT4 1850-2014)? C’è qualcosa che non quadra. 15 anni fa un mezzo raddoppio della CO2 avrebbe prodotto almeno la metà di 4-5°C di riscaldamento globale, ma ora produce solo 0,8°C di riscaldamento? Quindi, se la nostra conoscenza dei livelli di CO2 del passato è corretta, e se l’ipotesi che la CO2 sia stata responsabile della maggior parte del riscaldamento al termine del glaciale è corretta, 15 anni fa la CO2 era tre volte più potente di adesso.
Non c’è modo di conciliare la disparità che era già stata notata dal compianto Marcel Leroux nel suo libro del 2005 “Global Warming – Myth or Reality?: The Erring Ways of Climatology”. Quindi, o accettiamo, sulla base dei dati attuali, che la CO2 ha avuto un ruolo molto minore durante l’era glaciale, responsabile al massimo di un sesto del riscaldamento al termine, e quindi concludiamo che la CO2 non è l’importante fattore climatico che molti pensano, oppure iniziamo a pensare, sulla base dei dati delle carote di ghiaccio, che negli ultimi 60 anni il mondo è precipitato in una precipitosa caduta in condizioni glaciali, ma il grave raffreddamento è stato impedito dalla nostra tempestiva produzione di CO2. Alcuni potrebbero preferire ignorare le prove disponibili e dichiarare che l’attuale aumento di CO2 sarà potente come quello di 15 anni fa. Potrebbero sostenere che l’effetto riscaldante della CO2 si verificherà nei prossimi secoli e che quindi i nostri attuali livelli di CO2 produrranno non meno di 1,7°C di riscaldamento (cioè una sensibilità climatica di equilibrio di ~ 5). Non ci sono prove a sostegno di questa convinzione. Anzi, ci sono numerose prove contrarie:
- La continua rimozione della CO2 antropogenica attraverso pozzi di assorbimento del carbonio sempre più robusti. Più produciamo, più veniamo rimossi dall’atmosfera. Un tasso di rimozione crescente è in contrasto con un impegno di riscaldamento elevato ipotizzato dagli attuali livelli di CO2.
- La mancanza di prove di una sensibilità climatica pari a 5. La maggior parte dei valori dedotti sperimentalmente per la sensibilità climatica di equilibrio sono compresi tra 1,5 e 2,5, meno della metà del tasso richiesto per il presunto ruolo della CO2 nella deglaciazione.
- La mancanza di un aumento significativo del tasso di riscaldamento nell’ultimo secolo. Se avessimo effettivamente aumentato il riscaldamento impegnato in modo significativo, il tasso di riscaldamento sarebbe dovuto aumentare proporzionalmente, ma questo non è quanto è stato osservato (figura 17).
Figura 17. Misura del tasso di riscaldamento. Nonostante il grande aumento della quantità di CO2 rilasciata dall’umanità nell’atmosfera a partire dagli anni ’50, il tasso di riscaldamento non mostra un aumento significativo negli ultimi 120 anni. Questa è una prova piuttosto forte del fatto che non ci può essere un riscaldamento impegnato che si accumula ogni anno negli ultimi sette decenni, poiché il suo effetto cumulativo non si nota nel tasso di riscaldamento. Fonte: Met Office del Regno Unito attraverso la BBC. BBC.
- L’esistenza di lunghi periodi (decenni) caratterizzati da un riscaldamento minimo o nullo dovrebbe essere altamente improbabile se avessimo effettivamente accumulato un’enorme quantità di riscaldamento commisurato.
- L’unico modo ragionevole per riconciliare la disparità degli aumenti di CO2 e di temperatura tra la fine del glaciale I e il riscaldamento attuale è concludere che la CO2 ha avuto un ruolo minore nella fine del glaciale. Inoltre, è ragionevole aspettarsi che avrà un ruolo minore nel prossimo inizio glaciale. La teoria dell’effetto serra della paleoclimatologia subisce un duro colpo, insieme alla nostra fiducia che alti livelli di CO2 possano proteggere l’umanità dall’inizio di un nuovo periodo glaciale.
Conclusioni
1) L’obliquità è il fattore principale che guida il ciclo glaciale-interglaciale. La precessione, l’eccentricità e l’insolazione estiva a 65°N svolgono un ruolo secondario. Non esiste un ciclo di 100 kyr. La teoria di Milankovitch non è corretta.
2) L’attuale ritmo dei periodi interglaciali è la conseguenza del fatto che la Terra si trova in uno stato molto freddo che impedisce a quasi la metà dei cicli di obliquità di uscire con successo dalle condizioni glaciali. Il tasso dell’ultimo milione di anni è stato di 72,7 kyr/interglaciale, ovvero 1,8 cicli di obliquità tra gli interglaciali. Questo può essere descritto in generale come un interglaciale ogni due cicli di obliquità, tranne che in prossimità dei picchi di eccentricità di 413 kyr, quando gli interglaciali hanno luogo a ogni ciclo di obliquità.
3) Le terminazioni glaciali richiedono, oltre all’aumento dell’obliquità, l’esistenza di fattori di retroazione molto forti che si manifestano con temperature massime glaciali molto basse. L’elevata insolazione estiva settentrionale nella seconda metà del periodo di aumento dell’obliquità è un fattore positivo e, se sufficientemente elevata durante i picchi di eccentricità, può guidare il processo di terminazione.
4) La CO2 può produrre solo un effetto minore nelle terminazioni glaciali, poiché la variazione misurata della concentrazione (circa un terzo di un raddoppio, che rappresenta la metà dell’effetto di riscaldamento di un raddoppio) è troppo piccola per rappresentare un contributo importante alle grandi variazioni di temperatura osservate.
5) Poiché il ciclo di precessione ha toccato il fondo e il ciclo di obliquità è a metà strada, dovremmo aspettarci che il prossimo inizio glaciale avvenga entro i prossimi due millenni.
Ringraziamenti. Ringrazio Andy May per aver letto il manoscritto e averne migliorato l’inglese e Euan Mearns per aver fornito una figura da una pubblicazione in corso di stampa che è stata la base per la figura 5.
Bibliography. Link to [references].
Methods and Data. Link to [methods-data]