GREENHOUSE CLIMATE - Dipartimento di Geoscienze

GREENHOUSE CLIMATE
Source images: Ruddiman, 2007 (Chapter 5)

IL MONDO 100 MILIONI DI ANNI FA
PALEOGEOGRAFIA:
(1) La maggior parte dei
continenti attuali erano già
separati
(2) Il livello del mare era
100 metri più alto rispetto
ad oggi.
PALEOCLIMA:
Piante e animali adattati a climi caldi
vivevano oltre il circolo polare artico.
I coralli che oggi vivono entro i 30° vivevano
fino a 40°, fuori dalla zona tropicale.
(Artocarpus altilis)
Albero del pane
Dinosauri

I MODELLI DI TEMPERATURA PER IL CRETACEO
adapted from Barron and Washington, 1985
MODEL vs TARGET SIGNAL
Target signal = Stima indipendente delle
temperature basata su dati geologici
Model 1 Geografia cretacea (boundary
condition). CO 2 = livelli preindustriali
Model 2 Geografia cretacea (boundary
condition). CO 2 = 4xlivelli preindustriali
MODEL vs PRESENT
Le temperature del Cretaceo
sono più alte delle temperature
attuali
adapted from Barron and Washington, 1985

DISCREPANZE TRA DATI E MODELLO - 1
PROBLEMI CON LE ASSUNZIONI DEL MODELLO
(1) Nel 1985, lo sviluppo dei modelli 0-GCMs erano ad uno stadio molto
primitivo e non prevedevano processi importanti come upwelling e
circolazione profonda.

DISCREPANZE TRA DATI E MODELLO - 2
(2) OCEAN HEAT TRANSPORT HYPOTHESIS
(Covey & Barron, 1988; Barron et al., 1993)
Alcuni scienziati proposero che la circolazione oceanica
cretacea fosse diversa dall’attuale, che prevede che il
calore venga trasportato per il 50% dalle acque
superficiali e per il 50% dall’atmosfera. Essi invece
ipotizzarono che l’oceano fosse in grado di trasportare
il doppio del calore verso i poli. Quest’assunzione
avrebbe spiegato perchè, secondo il modello costruito
sulla circolazione attuale, i poli risultassero più freddi e
l’equatore più caldo. Modelli più recenti hanno escluso
la possibilità di un trasporto maggiore in un clima più
caldo di quello attuale e con più alti gradienti
latitudinari.
atmosphere
OGGI GREENHOUSE
50%
HEAT FLOW
HEAT FLOW
atmosphere
50%
0° 50° 0°
50°
Ocean heat transport
Sloan et al., 1995

DISCREPANZE TRA DATI E MODELLO - 3
(3) Per spiegare la stessa
discordanza, altri scienziati
ipotizzarono che le acque si
formassero nelle regioni
subtropicali dell’emisfero
settentrionale (non ai poli) per
inabissamento di acque calde e
salate (37 ‰, dense per salinità).

DISCREPANZE TRA DATI E MODELLO - 4
ALTRI PROBLEMI
I dati geologici disponibili per le medie-alte latitudini (ad es., fossili di alberi
di palme) non si conciliano con il modello che prevede fasi di congelamento
nelle parti interne dei continenti durante l’inverno.
Anche imponendo, come boundary condition, temperature calde
nell’Oceano Artico il modello simula fasi di congelamento. La perdita di
calore nei continenti durante l’inverno è evidentemente troppo grande e
impossibile da compensare.
PROBLEMI CON I DATI RICAVATI DAL RECORD
GEOLOGICO
(1) I dati di temperatura ricavati da analisi isotopiche su foraminiferi
planctonici potrebbero avere un imprinting diagnetico (dissoluzione,
ricristallizzazione). Dati acquisiti da materiale non alterato restituiscono
valori di temperatura più alti alle basse latitudini.

CRETACEO ANALOGO DEL PRESENTE – sensitività
GCM sensitivity test sulla CO 2
Sono state fatte una serie di simulazioni
per CO 2 crescente (100-1000ppm)
Boundary condition geografia attuale
Al crescere della CO 2 cresce anche la
temperatura, ma la loro dipendenza non è
lineare. La temperatura varia molto
quando la CO 2 è più bassa (pCO 2
doubling).
Sensitivity test: si modifica solo una delle
condizioni (pCO 2 )
PERCHE’?
(1)Il feedback positivo creato dall’albedo
Con valori di CO 2 < al 200ppm la neve è relativamente abbondante. Piccoli
cambiamenti nella CO 2 producono grosse variazioni della copertura nevosa.
Con valori alti di CO 2 (1000ppm) la neve è virtualmente assente e quindi
anche l’effetto albedo è ridotto e questo diminuisce la sensitività del
sistema.

CRETACEO ANALOGO DEL PRESENTE – sensitività
(2) La Saturazione della banda
della CO 2. Se la concentrazione di
CO 2 sale l’atmosfera raggiunge un
punto di saturazione per cui un
ulteriore aumento di CO 2 non è
più così efficace nell’intrappolare
la radiazione emessa dalla Terra
verso lo spazio. Diminuisce
“relativamente” l’effetto-serra.
Spettro di emissione di un corpo nero a confrontro con lo
spettro di emissione del pianeta Terra con differenti pCO 2
Corpo nero è un oggetto (ideale) che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente e quindi né
riflette né trasmette alcuna energia apparendo in prima approssimazione nero. Non riflettendo il corpo
nero assorbe dunque tutta l'energia incidente e, per la conservazione dell'energia, re-irradia tutta la
quantità di energia assorbita. Lo spettro della radiazione emessa in funzione della lunghezza d'onda da
un corpo nero (caratteristica forma a 'campana' ) è dipendente unicamente dalla sua temperatura T.

CRETACEO ANALOGO DEL PRESENTE – sensitività
In direzione contraria agisce
(3) Il feedback positivo del vapore acqueo. Alti tenori di CO 2 consentono una
maggiore concentrazione di vapore acqueo nell’atmosfera. Il vapor acqueo
aumenta l’effetto serra e quindi la temperatura.
……IN FUTURO
I modelli prevedono che nei prossimi 200 anni la concetrazione di CO 2 arriverà
a valori di 550-1000ppm, compatibili con quelli stimati per il Cretaceo.

LE VARIAZIONI DEL LIVELLO DEL MARE
NEL CRETACEO
Possibili rapporti con le variazioni
climatiche

VARIAZIONI DI LIVELLO DEL MARE E CLIMA - 1
Alla scala tettonica, le variazioni del livello
del mare sono dell’ordine di ca. 100m.
Queste variazioni, REGRESSIONI e
TRASGRESSIONI, possono causare
esposizione o annegamento delle aree più
marginali.
Fattori tettonici locali (subsidenza, uplift)
possono attenuare/accentuare le
VARIAZIONI EUSTATICHE GLOBALI.
Le ricostruzioni del livello marino si
basano sulla deposizione di sedimenti
marini nei margini continentali: le
paleolinee di costa.
REGRESSION
TRANSGRESSION

VARIAZIONI DI LIVELLO DEL MARE E CLIMA - 2
Il livello del mare 100 Myr di anni fa era più alto rispetto all’attuale (100-
300m). Una stima precisa è difficile perchè i sedimenti si sono compattati e le
rocce sottostanti hanno subito subsidenza.
Le aree annegate erano piuttosto estese (Aree costiere, Europa meridionale,
Nord America, Oceano Artico, …)

CAUSE DELLE VARIAZIONI DEL LIVELLO
DEL MARE
Il livello marino è controllato da due ordini di fattori:
TETTONICI legati ai cambiamenti nel volume dei bacini oceanici,
portano ad una variazione della capacità del bacino stesso.
CLIMATICI legati a cambiamenti nel volume dell’acqua contenuta
nei bacini oceanici.

CAMBIAMENTI NEL VOLUME DEI BACINI – tettonici - 1
(1) Δ nei volumi delle dorsali oceaniche
Rigde depth = 2500m + 350 (crustal age) 1/2
(in meters) (at O age) (in Myr)
Velocità di espansione alta high sea level
Velocità di espansione bassa low sea level
Le stime delle velocità di espansione media tra 80
e 100 Myr di anni fa sono più alte rispetto alle
attuali (2-3 cm/anno), ma molto incerte.
Perché quest’incertezza?
- Non tutti i paleobacini (ad esempio la Tetide)
sono a disposizione
-Alcune stime sono state rivisitate e abbassate.
P.S. Nonostante molti pensino che la variazione
dell’espansione oceanica abbia potuto alzare il
livello del mare fino a 200m, altri tendono a
limitare/annullare le variazioni di espansione e
quindi le variazioni del livello del mare.

CAMBIAMENTI NEL VOLUME DEI BACINI – tettonici - 2
(2) Collisione dei continenti
La formazione (nelle dorsali) e la distruzione (nelle fosse) non produce
variazioni nette dei bacini oceani.
La collisione continentale altera invece l’area dei bacini oceanici.
La crosta continentale è leggera e tende a fluttuare. Quando 2 continenti
collidono si forma un “alto” plateau con radici profonde (70Km), che
diminuisce l’area occupata dai continenti a favore dei bacini oceanici. Questo
processo produce un abbassamento del livello del mare.
La collisione (avvenuta negli ultimi 100Myr) tra India e Asia potrebbe aver
prodotto un abbassamento di ca. 10m.
INDIA
ASIA
COLLISIONE
abbassamento del livello del mare

CAMBIAMENTI NEL VOLUME DEI BACINI – climatici
Δ DEL VOLUME DELLE ACQUE
INTRAPPOLATE NELLE CALOTTE GLACIALI
Le calotte di ghiaccio hanno estensioni di migliaia
di Km e spessori di alcuni Km.
Quindi un enorme quantità di H 2O può essere
temporaneamente immagazzinata nelle calotte.
Durante il Cretaceo non vi è evidenza di calotte
permanenti ai poli, ma negli ultimi 35Myr, prima
in Antartide e poi in Groenlandia, sono stati
intrappolati l’equivalente di 66 +6 m di livello
marino (-72m).
CONTRAZIONE TERMICA DELL’ACQUA MARINA
L’acqua si contrae al variare della temperatura. Il coefficente termico di
espansione dell’acqua = 1/7000 per 1°C.
Il raffredamento avvenuto dal Cretaceo ad oggi ha quindi prodotto una
diminuizione del volume delle acque. (-7 m di livello marino)

ALTRE COMPLICAZIONI
L’acqua che viene trasportata dai continenti agli oceani (e
viceversa) rappresenta un peso aggiunto (o rimosso) alla roccia /
sedimento che si trova sui fondali.
La risposta della bedrock attenua il cambiamento nella variazione
del livello del mare. Esempio: Se aggiungiamo acqua negli oceani,
aumentiamo il livello del mare, la roccia sottostante è sottoposta
ad un carico che la deprime. Circa il 30% dell’aumento del livello
del mare dovuto all’immissione di acqua dalle calotte è cancellato
dal carico isostatico dovuto all’acqua.
Variabilità dei profili dei margini degli oceani
La complessità e variabilità dei margini degli
oceani fa si che un’immissione di acqua possa
risultare in variazioni del livello del mare (diverse)
proprio in considerazione dell’etrema variabilità
dei profili costieri. Mentre oggi queste
ricostruzioni sono possibili ed estremamente
precise, nelle ricostruzioni del passato questo
elemento è difficilmente calcolabile.
1a
2
0
2, 7
0
-0,3
2a
1b 2b
+1m

RECORD CRETACEO E MODELLI FISICO
Tutti i fattori che abbiamo analizzato cercando di comprenderne i
fenomeni fisici innescanti fino ad ora portano a una variazione del
livello del mare che va da +120 a +220. Questa variazione è
consistente con quello che è stato ricavato dal record geologico
cretaceo.
Factors Contributing to Higher Sea Levels 100 to 80 Million Years ago
Cause of sea level change Estimated changes (meters)
Decrease in ocean ridge volume +50 to +150
Collision of India and Asia +10
Water stored in ice sheet +50
Thermal contraction of seawater +10
All factors +120 to +220

EFFETTI DELLE VARIAZIONI DEL LIVELLO
DEL MARE SUL CLIMA
Il principale effetto delle variazioni dl livello marino è legato alle differenti
risposte termiche di oceani (acqua) e continenti (terra). L’acqua ha una
maggiore capacità termica.
Se il livello marino cresce, si avranno annegamenti di vaste aree prima occupate
da terre emerse questo produrrà
ATTENUAZIONE DEGLI ESTREMI CLIMATICI
(ESTATI + FREDDE, INVERNI + CALDI)
LE VARIAZIONI EUSTATICHE POSSONO ESSERE LA CAUSA DEL PASSAGGIO DA
UN REGIME GREENHOUSE AD UN REGIME ICEHOUSE?

COSA NON VA?
LA TEORIA
Il problema principale di questa teoria risiede nel fatto che il fattore
fondamentale per l’espasione/ritiro delle calotte è legato allo scioglimento
estivo delle calotte glaciali, NON alle temperature invernali.
Livelli del mare basso, fanno ritirare le acque dai mari interni e producono estati
molto calde e inverni freddi. Di fatto, anche se un inverno è molto rigido,
un’estate calda sarà in grado di sciogliere tutta la neve accumulata.
CALOTTE GLACIALI ASSENTI
Livelli di mare alto, produrrano invece estati più fresche e inverni più miti che
stimoleranno la PRESENZA DI CALOTTE POLARI.
RECORD GEOLOGICO
A livelli del mare alti (Cretaceo) non corrispondono fasi di glaciazione.
CONCLUSIONE
Una glaciazione causa/produce un abbassamento del livello del mare,
un livello del mare basso non potrà produrre una glaciazione.

IL MONDO GREENHOUSE:
EVENTI A BREVE TERMINE

EFFETTI SUL CLIMA
EFFETTI ISTANTANEI
L’asteroide ha creato una serie di onde da
impatto paragonabili a un terremoto di 11°
gradio sulla Scala Ricther.
Incendi da impatto
immissione di cenere e fuliggine in atmosfera.
Presenza di ceneri nella stratosfera
Acidificazione per piogge acide
NO 2+O 3 O 2+NO 3
NO 3+NO 2 N 2O 5 (anidride nitrica)
N 2O 5 +H 2O 2HNO 3 (acido nitrico)
EFFETTI ALLA SCALA DEI 10-10 3 anni
Il C org (bruciato negli incendi) viene rilasciato
lentamente in atmosfera: La CO 2 aumenta. La
vegetazione distrutta dall’evento non fu in
grado di tamponare l’aumento di CO 2 per un
lungo intervallo di tempo.
PROBLEMI
La risoluzione annuale o decennale
critica per la comprensione
dell’evento è difficilmente ottenibile
nel record geologico per via della
bioturbazione.
La variazione climatica dovuta
all’evento si aggiunge a quella già in
atto prima dell’evento. Diventa
difficile scindere le due componenti.

EFFETTI SUL CLIMA: IL PETM
Durata dell’evento: ca. 200Kyr
EFFETTI
Aumento di temperatura: 5-8°C
Acidificazione delle acque (shallowing CCD dissoluzione CaCO 3 al fondo)
Estinzione 50% foraminiferi bentonici profondi
Escursione negativa del δ 13 C (methane release?)
RECUPERO
Chemical weathering
LEZIONE DAL PASSATO
Il PETM ha immesso n10 x 10 18 (trilioni) di C in 10 3 anni.
L’uomo ha immesso n10 2 x 10 12 (bilioni) di C in 2x10 2 anni.
Nei prossimi 2-300 anni immetteremo 10 3 x 10 12 di C.
Il risultato è che produrremo un riscaldamento inferiore rispetto al PETM
ma in tempi molto rapidi.