““I GiovedI Giovedìì della cultura scientifica della cultura scientifica””CR Casaccia 19 Gennaio 2006CR Casaccia 19 Gennaio 2006

CRIOSFERA: CRIOSFERA: composizionecomposizionedelldell’’atmosfera atmosfera del del passato passato ee

cambiamenti climaticicambiamenti climatici

Massimo FrezzottiMassimo FrezzottiProgetto Speciale Progetto Speciale ““Clima GlobaleClima Globale””

Sezione Sezione CLIM-OSSCLIM-OSS

frezzotti@casacciafrezzotti@casaccia..eneaenea.it.it

1. I ghiacci polari come archivio naturale dellastoria del clima nell’ultimo milione di anni.

2. La criosfera come porzione rilevantedell'idrosfera terrestre e componenteessenziale nell'equilibrio ambientale delnostro pianeta.

3. Gli oceani polari come motore dellacircolazione oceanica e sorgente fredda delsistema termodinamico globale.

SommarioSommario

European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA)

I due siti di perforazione nella calotta antartica orientale:I due siti di perforazione nella calotta antartica orientale:

I ghiacci polari costituiscono lI ghiacci polari costituiscono l’’archivio naturale più dettagliato earchivio naturale più dettagliato ecompleto della storia del clima e dellcompleto della storia del clima e dell’’atmosfera terrestre nelle ultimeatmosfera terrestre nelle ultimedecine-centinaia di migliaia di anni.decine-centinaia di migliaia di anni.

Dronning Maud Dronning Maud Land Land ((Kohnen Kohnen Station Germania)Station Germania)Dome C Dome C ((Concordia Station Concordia Station Francia-ItaliaFrancia-Italia))

INCLUSIONI NEL GHIACCIO A 3270 m

EPICA DC 2004EPICA DC 20043270.2 m3270.2 m~~900.000 anni900.000 anni

EPICA DML 15/1/2006EPICA DML 15/1/20062775 m2775 m>>250.000 anni250.000 anni

European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA)

-460

-440

-420

-400

-380

-360

8006004002000

-500

-480

-460

-440

-420

-400

-62

-60

-58

-56

-54

-52

-50

-48

Dome F (Watanabe et al., 2003)

Vostok (Petit et al., 1999)

Dome C(EPICA community members, 2004)

11.3

9.3

18.4 20

k year BP

δδ OO1818

δδ DD

δδ DD

European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA)

Correlazioni Correlazioni cronostratigrafiche cronostratigrafiche tra le più antiche carote di ghiacciotra le più antiche carote di ghiaccioottenute mediante lottenute mediante l’’uso dei livelli di polveri vulcaniche uso dei livelli di polveri vulcaniche (Narcisi (Narcisi et et al.,al.,2005 EPSL).2005 EPSL).

EPICA

HoloceneHolocene

Last GlacialLast GlacialPeriodPeriod

EemianEemian

EPICA: Correlazione fra le carote di ghiaccio e le carote di sedimenti mariniCorrelazione fra le carote di ghiaccio e le carote di sedimenti marini

Le bolle dLe bolle d’’aria racchiuse nel ghiaccio sono vere e proprie capsule temporaliaria racchiuse nel ghiaccio sono vere e proprie capsule temporaliatmosferiche. Attraverso il campionamento del ghiaccio, latmosferiche. Attraverso il campionamento del ghiaccio, l’’analisi dei gasanalisi dei gascontenuti nelle bolle e il raffronto con i campioni di atmosfera attuale, ècontenuti nelle bolle e il raffronto con i campioni di atmosfera attuale, èpossibile tracciare lpossibile tracciare l’’evoluzione della composizione dellevoluzione della composizione dell’’atmosfera nel tempo.atmosfera nel tempo.

Bolle d’aria “fossile” racchiuse nel ghiaccio

Foto Foto l. l. SimionSimion

Aumento della concentrazione di CO2: ultimi 1000 anni

Le bolle dLe bolle d’’aria racchiuse nel ghiaccio permettono di individuare il bruscoaria racchiuse nel ghiaccio permettono di individuare il bruscoaumento di gas ad aumento di gas ad ““effetto serraeffetto serra”” nell nell’’atmosfera associato allatmosfera associato all’’impiego deiimpiego deicombustibili fossili da parte dellcombustibili fossili da parte dell’’uomo.uomo.Negli ultimi 1000 anni la concentrazione atmosferica di CO2 è aumentata di circa100 ppm (36%).

La carota di ghiaccio EPICA: Variazione di CO2 e CH4 negli ultimi 650.000 anni

Gli attuali contenuti di gasad effetto serra inatmosfera, come l’anidridecarbonica (CO2 380 ppm)ed il metano (CH4 1780ppb), non sono mai staticosì alti negli ultimi650.000 anni.

I valori di CO2 etemperatura mostrano lostesso trend con unosfasamento di circa 400anni.

2005: +30%380 ppm

massimo valore 300 ppm

minimo valore 180 ppm

massimo valore 770 ppb

minimo valore 350 ppb

2005: +130% 1780 ppb

Spahni et al. Science 2005; Siegenthaler et al. Science 2005.

+8°C -

La carota di ghiaccio EPICA: Variazione di CO2 e CH4 negli ultimi 650.000 anni

La temperatura sembraessere guidata dal forzanteastronomico e la CO2agisce da amplificatore conun processo di feedbackpositivo.

La velocità di crescita delcontenuto di CO2,dall’epoca pre-industrialead oggi, è assolutamenteeccezionale, circa 200 voltepiù rapida di quellaregistrata durante qualsiasivariazione climatica negliultimi 650.000 anni

2005: +30%380 ppm

massimo valore 300 ppm

minimo valore 180 ppm

massimo valore 770 ppb

minimo valore 350 ppb

2005: +130% 1780 ppb

Spahni et al. Science 2005; Siegenthaler et al. Science 2005.

+8°C -

EPICA DMLEPICA DML~~250 250 kaka,, 20062006

Dome Dome FujiFuji~~800 800 kaka,, 20062006

VostokVostok440 440 kaka

Law Law DomeDome120 120 kaka EPICA DCEPICA DC

~~900 900 kaka Taylor Taylor DomeDome130 130 kaka

Siple Siple DomeDome97 97 kaka

ByrdByrd70 ka70 ka

Berkner IslandBerkner Island>30 >30 kaka

Talos DomeTalos Dome~~150 150 kaka, , 20072007

WAISCOREWAISCORE~~100 100 kaka, , 20082008

NEW DRILLNEW DRILL

Le Le perforazioni perforazioni in in ghiaccioghiaccio: : passato, presente e futuropassato, presente e futuro

TALDICE

Project Name Talos Dome Ice Core ProjectNation: Italy, France, Swiss, Germany, UKPI: M. Frezzotti ENEA, Italy

Characteristics of the drill site:Location: ~157.5° W 73.5°SElevation: 2315 mThickness: ~1500 mAccumulation rate: ~ 80 mm/yrMean annual temperature:~ -41 °CAge of oldest ice: ~150 kyrs

2004/05 TALDICE2004/05 TALDICE

TALDICE: Progetto di perforazione a leadership italiana

I dati geologici degli ultimi 50 milioni di anni mostrano chiaramente chevariazioni della CO2 in atmosfera sono correlate con sostanziali variazioninel volume dei ghiacci e con variazioni del livello del mare.

>35 milioni di anni faCO2 1250±250 ppmLivello mare +73 m

Circa 32 milioni di anni fa CO2 500±150 ppmLivello mare +45±5 m

PreindustrialeCO2 280 ppmLivello mare 0 m

LGM 21 mila anni faCO2 185 ppmLivello mare -130±10 m

(Alley et al., Science 2005)

Variazione di CO2 e del livello del mare

Durante l’ultimo secolo il livello deglioceani è risalito di 1.7 ± 0.3 mm a 1 conuna accelerazione nell’ultima parte delsecolo di 0.013 ± 0.006 mm a 2 (Church &White, 2006, GRL). L’aumento di volumedegli oceani è dovuto all’espansionetermica degli strati superficiali (stimata in0.5±02 mm a 1) e principalmente allafusione dei ghiacci continentali. Lamaggiore incertezza sulla futura risalitadegli oceani è legata al comportamentodelle Calotte di Ghiaccio della Groenlandiae dell’Antartide.

Risalita del livello del mare nel XX Secolo

Sea

leve

l ( m

m)

Year

2003: Record negativo nel bilancio di massa dei ghiacciai Alpini

A causa dell’innalzamento dell’isoterma di 0°C al di sopra dei 4000 m per numerosigiorni, la stagione di fusione ha avuto una durata record di 93 giorni (media degliultimi 20 anni 45 giorni), causando una forte riduzione dei ghiacciai alpini.

Ritiro dei ghiacciai delle Alpi, Europa

McCall Glacier, Brooks Range, Alaska

1958 (Austin Post) 2003 ( Matt Nolan)

Ritiro dei ghiacciai delle Montagne Rocciose, Nord America

Kilimanjaro,Africa

Source: E. Oehler, Kilimanjaro, 1912

Ritiro dei ghiacciai del Kilimanjaro, Africa

Ghiacciaio UPSALA, ArgentinaRitiro dei ghiacciai della Patagonia, Sud America

Le calotte polari sono il più grande serbatoio di acqua dolce del globo, 30 milioni di km3 dighiaccio. Se, per assurdo, la totalità dei ghiacci fondesse, il livello del mare salirebbe dioltre 68 metri (61,1 m Antartide, 7,2 m Groenlandia).

Le calotte polari e il livello del mare

Nella Penisola Antartica si è registrato un aumento record della temperatura media annuaNella Penisola Antartica si è registrato un aumento record della temperatura media annuadi 2,3°C negli ultimi 50 anni raggiungendo il massimo valore nella stazionedi 2,3°C negli ultimi 50 anni raggiungendo il massimo valore nella stazione Faraday(Penisola Antartica) con un aumento della temperatura media annuale di 0,056 °Call’anno e 0,11 °C all’anno durante la stagione invernale (Turner et al., Int. J. Clim. 2005).

Antartide: la variazione della temperatura negli ultimi 50 anni

The Antarctic Peninsula

In Penisola Antartica e neighiacciai che defluiscononell’Amundsen Sea, fra il1989 e il 2005, si sonodisintegrate e ridottedrasticamente moltepiattaforme di ghiacciogalleggiante e si èverificato un anomalodistacco di iceberg.

after Kaiser (2002)

(Doake & Vaughan, 1991, de Angelis & Skvarca, 2003; Cook et al., 2005)

Antartide: il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggiante

Queste piattaforme dighiaccio galleggiante sierano formate alla finedell’ultima glaciazione(10.000 anni fa), e non sierano mai ridotte allepresenti condizioni almenonegli ultimi 100.000 anni(Domack et al., Nature 2005)

after Kaiser (2002)

Antartide: il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggiante

after Kaiser (2002)

Il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggianti ha innescato un aumento dellavelocità dei ghiacciai passando da 500-600 m a-1 (1996) a quasi 2000 m a-1 (1999);producendo quindi un bilancio negativo delle calotte di ghiaccio con un innalzamentodel livello del mare.

Rott et al., 2002002)

Antartide: il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggiante

La corretta valutazione della variabilità spaziale e temporale dell’accumulo nevoso è la maggioreincognita nella stima del contributo dell’Antartide all’innalzamento del livello del mare (Frezzotti et al.,2005).

Una grande incertezza riguarda il modo in cui le calotte di ghiaccio, in particolare quelle parti chepoggiano al di sotto del livello del mare (Calotta Occidentale, Wilkes Basin), evolveranno nei prossimisecoli. E’ stata formulata l’ipotesi che un innalzamento della temperatura legato all’aumento dei gas adeffetto serra potrebbe determinare un repentino incremento della velocità dei ghiacciai antartici nel XXIsecolo. Ciò causerebbe il collasso della Calotta Occidentale, con conseguente rapida risalita del livellodel mare.

BEDMAP, 2000

Budd et al., 1998

Antartide e il livello del mare

Groenlandia: ritiro dei ghiacciai e aumento della velocità

Negli ultimi anni si è osservato un drastico ritiro dei ghiacci chesboccano lungo la costa della Groenlandia Orientale. Tale ritiro èaccompagnato da un aumento della velocità dei ghiacciai (11.000m a-1) ed un assottigliamento delle loro parti terminali (>40 m). Talefenomeno è collegabile con un aumento della temperatura e dellafusione.

Helhein Glacier, Est East Grenland (Howat et al., 2005, GRL)Jakobshavn Glacier, Est East Greenland (Joughin et al., 2004, Nature)

2005: Massima fusione dei ghiacci della Groenlandia

La fusione della calotta di ghiaccioGroenlandese è aumentata a causadell’incremento della temperatura,raggiungendo nel Settembre 2005 lamassima estensione e la massima duratanel tempo.

2005: Minima estensione della banchisa Artica

Settembre Settembre 19791979 Settembre Settembre 20052005

L’estensione del ghiacciomarino è in diminuzionea partire dagli anni ‘60del XX secolo.Nel Settembre 2005 èstata rilevata la minimaestensione del ghiacciomarino in Artide.

2005

2090: Scomparsa della banchisa artica

Le simulazione climatiche ipotizzanoentro la fine di questo secolo unaulteriore riduzione del 50%nell’estensione del ghiaccio marino,un aumento della temperatura da3°C a 5°C sulle terre emerse e di7°C sull’oceano.

La variazione dell’albedo nell’Artide,causato della riduzione dellacopertura nevosa e del ghiacciomarino, ha contribuitosostanzialmente al riscaldamento: sivaluta un aumento di circa 3 wattsm2 per decade. Questo valore èparagonabile al riscaldamentodovuto al raddoppio della CO2 inatmosfera.

Chapin et al., Science 2005

Artide: variazione dell’albedo

1995-2000: Riduzione della salinità del Nord Atlantico

L’aumento della temperatura in Artide stacausando la riduzione dei ghiacci marini,l’aumento della fusione dei ghiacci continentalie del permafrost: questi fenomeni produconouna riduzione della salinità delle acquedell’oceano nord Atlantico.

Gli oceani polari sono il motore della circolazione delle correnti oceaniche che a lorovolta hanno una notevole influenza sul clima, in quanto trasportano il calore dai tropiciverso i poli.Le aree polari costituiscono la sorgente fredda del sistema termodinamico globaleregolando il bilancio termico della Terra: rappresentano quindi una componente difondamentale importanza nell'equilibrio ambientale del nostro pianeta.

Gli oceani polari: motori del clima

Variazione di CO2 nel tempo

2005: 380 ppm

Massima concentazione di CO2 raggiunta nell’ulimi 650.000 anni

1750: 280 ppm

Senza nessuna variazione nell’utilizzo deicombustibili fossili, i nostri figli vedranno laCO2 andare oltre questa pagina, eprobabilmente anche noi potremmo vederequesto “fantastico esperimentofantastico esperimento” noncontrollato nella “provettaprovetta” chiamata“pianeta pianeta terraterra””..

??

Minima concentazione di CO2 raggiunta nell’ulimi 650.000 anni

300

180

2050: 550 ppm

2100:2100: ~~ 1100 1100 ppmppm

Grazie per la Grazie per la vostra attenzionevostra attenzione

Prosegue Prosegue con con gli Oceani dopo il Caffègli Oceani dopo il Caffè!!!!

Foto Foto l. l. SimionSimion