I PACEMAKER DELCLIMA TERRESTRE

CHI CONTROLLA IL CONTROLLORE

Il clima attuale sembra controllato dalla CO2, che però è una forzante

“second stage”: varia nel tempo, ma solo in funzione di altri processi

(vulcanismo, respirazione, fotosintesi, etc.). Questo non spiega la

ciclicità climatica documentata nelle curve isotopiche!

Attenzione: abbiamo sempre escluso una variabilità delle forzanti

primarie, come l’insolazione: S0=1.350 W/m2 e Seff=1.000 W/m.

CHI CONTROLLA IL CONTROLLORE

Scenario con S0 e Seff variabili nel tempo: possibili ipotesi

- variazione periodica dell’emissione di RE dal Sole (S0);

- variazione periodica nell’albedo totale della Terra (per Seff);

- variabilità nella geometria del sistema Terra-Sole-Luna (Seff).

EMISSIONE DI REL’attività del Sole è irregolare, con cicli ad alta frequenza (11 e 22

anni) che creano macchie solari (solar spots), alcune a T più alte

(faculae), altre più basse (maculae). La variazione (S0) è però <<1%.

Cicli solari più lunghi non sembrano influenzare il sistema climatico.

EMISSIONE DI RE

La correlazione fra cicli solari e TTerra esiste: TTerra = f(S0) = ~0.03 °C,

ma potrebbe essere solo un phase locking.

Tuttavia, eventi come il Minimo di Maunder sono molto sospetti.

Milutin Milankovič

La teoria di Milankovitch si basa sul lavoro di

Adhemar e Croll (1842, 1664), i primi a correlare i cicli

glaciale/interglaciale con i parametri orbitali terrestri.

TEORIA ASTRONOMICA DEL CLIMA, validata solo dagli anni ’70:

le variazioni nella configurazione orbitale del sistema Terra-Sole-Luna

potrebbero provocare cambiamenti climatici a scala globale.

LA TEORIA MILANKOVIANA

LE FORZANTI ORBITALILa configurazione orbitale del sistema Terra-Sole è

principalmente controllata da:

• ECCENTRICITÀ dell’orbita di rivoluzione terrestre

• OBLIQUITÀ dell’asse di rotazione terrestre

• PRECESSIONE degli equinozi

ALTRE FORZANTI ORBITALI

PERIODICITA’ DELL’ORBITA LUNAREprec=8 yr, interferenza con l’eclittica=18 yr

INCLINAZIONE DEL PIANO DELL’ECLITTICAca. 70 kyr

INTERAZIONE CON LA FASCIA DEGLI ASTEROIDI> 400 kyr

VARIAZIONI “LUNGHE” DELL’ORBITA TERRESTREsino a 2.5 Myr

ECCENTRICITA’ ()

Orbita terrestre con =0 e =0.5

perielio

afelio

PRECESSIONE (p)

Periodi:19 kyr “precessione corta”22,24 kyr “precessione lunga”

Periodi:19 kyr “precessione corta”22,24 kyr “precessione lunga”

Cambiamento della direzione dell’asse di rotazione terrestre rispetto alle stelle fisse.Movimento giroscopico, controllato da interazioni con Luna e Sole.Per interferenze con altri corpi celesti, p “normale” (26 kyr) viene “compressa” in cicli più brevi (da 24 a 19 kyr).

Importante: Δp ha grandi effetti alle basse latitudini, meno alle alte.

Perchè?

OBLIQUITA’ (T)

Periodo: 41 kyrPeriodo: 41 kyr

L’inclinazione dell’asse di rotazione terrestre rispetto al piano della eclittica (TILT) varia fra 22 e 24.5°.

Un ciclo completo avviene in 41 kyr.

Importante: T è determinante alle ALTE LATITUDINI: al crescere di T, l’insolazione alle HL aumenta.

Controllo sull’albedo anche in termini di angolo di incidenza.

Soluzioni parametriche modulate (Laskar, 2004) e insolazione per l’ultimo milione d’anni.La curva dell’insolazione evidenzia la gerarchia “annidata” dei parametri orbitali.

400 kyr

400 kyr

400 kyr

Per verificare in modo empirico la validità della teoria di

Milankovitch, possiamo confrontare i trend dell’insolazione con la

curva degli isotopi stabili dell’ossigeno (proxy del clima globale).

Se le due serie combaciano, possiamo validare questa correlazione.

Per questo scopo utilizziamo un metodo statistico automatizzato.

INSOLAZIONE E CICLI CLIMATICI

Analisi spettrale che permette di evidenziare e “pesare” (per

frequenza e intensità) i segnali iterativi contenuti in una determinata

serie di dati.

Il metodo è basato su una Trasformata di Fourier, che “devolve” la

funzione iniziale (=segnale) in funzioni elementari (sinusoidali).

PERIODOGRAMMI

I metodi sono differenti. Usiamo il PERIODOGRAMMA DI LOMB, che

restituisce in forma semplice le frequenze caratteristiche (x) e

l’intensità spettrale (y) di una serie-dati.

Attenzione: il metodo non tiene conto della variabilità dei segnali nel

tempo/spazio “appiattimento” dei segnali in un’unica frequenza.

PERIODOGRAMMI

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700A

-2

-1,6

-1,2

-0,8

-0,4

0

0,4

0,8

1,2

1,6

B

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009Frequency

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Power

Esempio 1:Sia n il numero di ore dedicato allo studio dello studente s, misurato giornalmente per un anno (qui un dettaglio, media a 3 punti). Si osserva che il massimo (relativo) cade il mercoledì, mentre i valori scendono al minimo nei weekend e durante l’estate (2 mesi).

mer

sab

Esempio 1Nel periodogramma compare un picco molto forte ( supera di gran lunga il limite di confidenza del 95%, banda rossa) a f=0.143. Ricordiamo che f=1/p, quindi p=7. Dato che l’unità di misura è il giorno, si dimostra che lo studio di s, misurato su periodi brevi (1 anno), varia SOLO con recorsività settimanale; la pausa estiva non compare in quanto NON CICLICA (1 evento/anno).

Esempio 2:Misuriamo n di s per 3 anni. La pausa estiva, quando s non studia per due mesi, è quindi ripetuta 3 volte. Nel periodogramma compare un secondo picco a f=0.00274.Dato che f=1/p, risulta che p=365. Si dimostra che lo studio di s, misurato su tempi lunghi (3 anni), varia con cadenza sia settimanale che annuale.

Purtroppo, in geologia non conosciamo in anticipo il significato dei dati!

LE WAVELETMetodo più “potente” che mantiene le serie-dati in successione: permette di evidenziare le variazioni di intensità e frequenza del segnale nel tempo. L’interpretazione dei risultati è tuttavia MOLTO complessa, anche su serie-dati note.

Esempio 3:utilizziamo ancora la nostra serie-dati (3 anni = 1095 giorni: asse X, i). Per ricavare le

periodicità si applica la formula p=2n, dove n = Y. Quindi:

n1 = 2.8 p = 7 settimanan2 = 8.5 p = 365 anno

ESTATEn1

n2

A ?

DATI STRUMENTALI:

ISOTOPI STABILI DELL’OSSIGENO

LR04 18O Benthic Stack - Gli ultimi 5.3 MyrL’analisi spettrale mostra picchi significativi. Attenzione: il picco a x = ~0 non conta (è autocorrelazione). Per “tradurre” i valori in periodicità, si ricordi che p=1/f.

p=1/f (attenzione alle unità di misura! Nei dati, t era espresso come kyr)

f (E) = ca. 0.01 p = ca. 100 kyr “piccola” ECCENTRICITA’ (103 kyr)f (O) = ca. 0.025 p = ca. 40 kyr OBLIQUITA’ (41 kyr)f (P) = ca. 0.044 p = ca. 23 kyr PRECESSIONE (19, 21 e 23 kyr)

E’ quindi facile evidenziare le ciclicità, se i loro periodi cadono entro bande note (es. cicli orbitali). E’ invece problematico quando compaiono frequenze inattese, come armoniche o frequenze di interferenza (es., cicli di 11 o 35 kyr).

L’analisi spettrale è utile per verificare la coerenza fra i dati sperimentali (es. isotopi) e le forzanti (es. insolazione), ossia i rapporti causa-effetto.

Ricordate: possiamo definire un rapporto causa-effetto SOLO se si riconoscono, sia nella soluzione della forzante che nel dato

strumentale, le stesse frequenze significative.

INDAGHIAMO UN INTERVALLO DI TEMPO BREVE, MA BEN DOCUMENTATO E SIGNIFICATIVO: L’ULTIMO MILIONE DI ANNI

18O

Time (Ma)

Record del 18O, bentonici (running average a 3 punti)

Notate che gli spessori sono già trasformati in tempo: il gioco è molto più facile!

p=1/f (ultimo milione di anni, completo)E1 = 1/8norm (My) = 125 kyr ECCENTRICITA’E2 = 1/11norm (My) = 90 kyr ECCENTRICITA’Xx = 1/18norm (My) = 55 kyr < 95% confidence (armonica) O1 = 1/25norm (My) = 40 kyr OBLIQUITA’P1 = 1/43norm (My) = 23 kyr PRECESSIONE << 95% confidence

Xx

E1 E2

O1

P1

p=1/f : da 1.0 a 0.6 MaE1 = 1/8norm (My) = 125 kyr ECCENTRICITA’E2 = 1/12norm (My) = 90 kyr ECCENTRICITA’Xx = 1/18norm (My) = 55 kyr < 95% confidence (armonica) O1 = 1/24norm (My) = 41 kyr OBLIQUITA’P1 = 1/41norm (My) = 24 kyr PRECESSIONE << 95% confidence

Xx

E1

E2O1

P1

p=1/f : ultimi 600 kyrE1 = virtualmente assenteE2 = 1/11norm (My) = 90 kyrXX = 1/18norm (My) = 55 kyr << 95% confidence (armonica) O1 = 1/25norm (My) = 40 kyrP1 = 1/43norm (My) = 23 kyr << 95% confidence

Xx

E1

E2

O1

P1

p=1/f : ultimi 400 kyrE1 = assenteE2 = 1/10norm (My) = 100 kyrXX = bifida << 95% confidence (armonica) O1 = 1/25norm (My) = 40 kyrP1 = 1/44norm (My) = 23 kyr << 95% confidence

Xx

E1

E2

O1

P1

RIEPILOGO 18ODurante l’ultimo Myr, le ciclicità principali nella curva del 18O sono relative a periodi di ca. 100 e 40 kyr.Nella banda della precessione (ca. 20 kyr) il picco è molto debole, anche se cresce nel tempo.

Conclusione suggerita dai dati: le variazioni di volume delle calotte glaciali e, quindi, del clima sono controllate da forzanti con frequenze nella banda della “piccola” eccentricità e dell’obliquità. L’effetto della precessione è trascurabile.

Figure:

a)Spettro del 18O fra 1 e 0.6 Ma

b)Spettro del 18O fra 0.6 e 0.4 Ma

c)Spettro del 18O fra 0.4 Ma e l’attuale

b

a

c

FORZANTE:

L’INSOLAZIONE

Soluzione delle curve di insolazione parametrica e totale a 65°N

p=1/f: INSOLAZIONE, ultimo Myr completop1 , p2 = ECCENTRICITA’: assenti!!!p3 = assentep4 = 1/25norm (My) = 40 kyr OBLIQUITA’P5 a,b = (1/43 + 1/46)norm (My) = 23 + 21 kyr PRECESSIONE “LUNGA”p6 = 1/52norm (My) = 19 kyr PRECESSIONE “CORTA”

p3p1 p2

p4

p5 a,b

p6

1 Myr

p=1/f : da 1.0 a 0.6 Map1 , p2 = assenti!!!p3 = assentep4 = 1/24norm (My) = 41 kyrP5 a,b = (1/41 + 1/46)norm (My) = 24 + 21 kyrp6 = 1/53norm (My) = 19 kyr

p3p1 p2p4

p5 a,b p6

p=1/f : ultimi 600 kyrp1 , p2 = assenti!!!p3 = assentep4 = 1/25norm (My) = 40 kyrP5 a,b = (1/43 + 1/46)norm (My) = 23 + 21 kyrp6 = 1/52norm (My) = 19 kyr

p3p1 p2

p4

p5 a,b

p6

600 kyr

p=1/f : ultimi 400 kyrp1 , p2 = assenti!!!p3 = assentep4 = 1/25norm (My) = 40 kyrP5 = 1/43 norm (My) = 23 kyrp6 = 1/52norm (My) = 19 kyr

p3p1 p2

p4

p5

p6

400 kyr

RIEPILOGO INSOLAZIONEDurante l’ultimo Myr, le ciclicità principali nella curva dell’insolazione sono relative a periodi di ca. 40 e 20 kyr.Nella banda della “piccola” eccentricità (ca. 100 kyr) non si riconosce MAI alcun picco.

Conclusione suggerita dai dati: obliquità e precessione sono le uniche forzanti orbitali in grado di influenzare il clima terrestre: l’eccentricità non ha alcun effetto.

Figure:

a)Spettro del 18O fra 1 e 0.6 Ma

b)Spettro del 18O fra 0.6 e 0.4 Ma

c)Spettro del 18O fra 0.4 Ma e l’attuale