“I Giovedì della cultura scientifica”
CR Casaccia 19 Gennaio 2006
CRIOSFERA: composizione
dell’atmosfera del passato e
cambiamenti climatici
Massimo Frezzotti
Progetto Speciale “Clima Globale”
Globale”
Sezione CLIM-OSS
[email protected]
Sommario
1. I ghiacci polari come archivio naturale della
storia del clima nell’ultimo milione di anni.
2. La criosfera come porzione rilevante
dell'idrosfera terrestre e componente
essenziale nell'equilibrio ambientale del
nostro pianeta.
3. Gli oceani polari come motore della
circolazione oceanica e sorgente fredda del
sistema termodinamico globale.
European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA)
I ghiacci polari costituiscono l’archivio naturale più dettagliato e
completo della storia del clima e dell’atmosfera terrestre nelle ultime
decine-centinaia di migliaia di anni.
I due siti di perforazione nella calotta antartica orientale:
Dome C (Concordia Station Francia-Italia)
Francia-Italia)
Dronning Maud Land (Kohnen Station Germania)
European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA)
EPICA DC 2004
3270.2 m
~900.000 anni
EPICA DML 15/1/2006
2775 m
>250.000 anni
INCLUSIONI NEL GHIACCIO A 3270 m
European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA)
-48
9.3
-50
-54
Dome F (Watanabe et al., 2003)
-56
-58
-400
-60
11.3
-420
-62
Vostok (Petit et al., 1999)
-440
-460
-360
Dome C
(EPICA community members, 2004)
δD
-380
-400
-420
-440
18.4
20
-460
0
200
400
k year BP
600
800
-480
-500
δD
δO18
-52
EPICA: Correlazione fra le carote di ghiaccio e le carote di sedimenti marini
Holocene
EPICA
Last Glacial
Period
Eemian
Correlazioni cronostratigrafiche tra le più antiche carote di ghiaccio
ottenute mediante l’
l’uso dei livelli di polveri vulcaniche (Narcisi et al.,
2005 EPSL).
Bolle d’aria “fossile” racchiuse nel ghiaccio
Le bolle d’
d’aria racchiuse nel ghiaccio sono vere e proprie capsule temporali
atmosferiche. Attraverso il campionamento del ghiaccio, l’
l’analisi dei gas
contenuti nelle bolle e il raffronto con i campioni di atmosfera attuale, è
possibile tracciare l’
l’evoluzione della composizione dell’
dell’atmosfera nel tempo.
Foto l. Simion
Aumento della concentrazione di CO2: ultimi 1000 anni
Le bolle d’aria racchiuse nel ghiaccio permettono di individuare il brusco
aumento di gas ad “effetto serra” nell’atmosfera associato all’impiego dei
combustibili fossili da parte dell’uomo.
Negli ultimi 1000 anni la concentrazione atmosferica di CO2 è aumentata di circa
100 ppm (36%).
La carota di ghiaccio EPICA: Variazione di CO2 e CH4 negli ultimi 650.000 anni
Gli attuali contenuti di gas
ad
effetto
serra
in
atmosfera, come l’anidride
carbonica (CO2 380 ppm)
ed il metano (CH4 1780
ppb), non sono mai stati
così alti negli ultimi
650.000 anni.
2005: +130% 1780 ppb
massimo valore 770 ppb
2005: +30%
380 ppm
minimo valore 350 ppb
massimo valore 300 ppm
minimo valore 180 ppm
I
valori
di
CO2
e
temperatura mostrano lo
stesso trend con uno
sfasamento di circa 400
anni.
+
8°C
-
Spahni et al. Science 2005; Siegenthaler et al. Science 2005.
La carota di ghiaccio EPICA: Variazione di CO2 e CH4 negli ultimi 650.000 anni
La temperatura sembra
essere guidata dal forzante
astronomico e la CO2
agisce da amplificatore con
un processo di feedback
positivo.
La velocità di crescita del
contenuto
di
CO2,
dall’epoca
pre-industriale
ad oggi, è assolutamente
eccezionale, circa 200 volte
più
rapida
di
quella
registrata durante qualsiasi
variazione climatica negli
ultimi 650.000 anni
2005: +130% 1780 ppb
massimo valore 770 ppb
2005: +30%
380 ppm
minimo valore 350 ppb
massimo valore 300 ppm
minimo valore 180 ppm
+
8°C
-
Spahni et al. Science 2005; Siegenthaler et al. Science 2005.
Le perforazioni in ghiaccio: passato, presente e futuro
EPICA DML
~250 ka, 2006
Berkner Island
>30 ka
Dome Fuji
~800 ka, 2006
Byrd
70 ka
WAISCORE
~100 ka, 2008
NEW DRILL
Siple Dome
97 ka
Taylor Dome
130 ka
Vostok
440 ka
EPICA DC
~900 ka
Talos Dome
~150 ka, 2007
Law Dome
120 ka
TALDICE: Progetto di perforazione a leadership italiana
2004/05 TALDICE
TALDICE
Project Name Talos Dome Ice Core Project
Nation: Italy, France, Swiss, Germany, UK
PI: M. Frezzotti ENEA, Italy
Characteristics of the drill site:
Location: ~157.5° W 73.5°S
Elevation: 2315 m
Thickness: ~1500 m
Accumulation rate: ~ 80 mm/yr
Mean annual temperature:~ -41 °C
Age of oldest ice: ~150 kyrs
Variazione di CO2 e del livello del mare
>35 milioni di anni fa
CO2 1250±250 ppm
Livello mare +73 m
Circa 32 milioni di anni fa
CO2 500±150 ppm
Livello mare +45±5 m
Preindustriale
CO2 280 ppm
Livello mare 0 m
LGM 21 mila anni fa
CO2 185 ppm
Livello mare -130±10 m
I dati geologici degli ultimi 50 milioni di anni mostrano chiaramente che
variazioni della CO2 in atmosfera sono correlate con sostanziali variazioni
nel volume dei ghiacci e con variazioni del livello del mare.
(Alley et al., Science 2005)
Risalita del livello del mare nel XX Secolo
Sea level ( mm)
Durante l’ultimo secolo il livello degli
oceani è risalito di 1.7 ± 0.3 mm a䌝1 con
una accelerazione nell’ultima parte del
secolo di 0.013 ± 0.006 mm a䌝2 (Church &
White, 2006, GRL). L’aumento di volume
degli oceani è dovuto all’espansione
termica degli strati superficiali (stimata in
0.5±02 mm a䌝1 ) e principalmente alla
fusione dei ghiacci continentali. La
maggiore incertezza sulla futura risalita
degli oceani è legata al comportamento
delle Calotte di Ghiaccio della Groenlandia
e dell’Antartide.
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 numerosi
giorni, la stagione di fusione ha avuto una durata record di 93 giorni (media degli
ultimi 20 anni 45 giorni), causando una forte riduzione dei ghiacciai alpini.
Ritiro dei ghiacciai delle Alpi, Europa
Ritiro dei ghiacciai delle Montagne Rocciose, Nord America
McCall Glacier, Brooks Range, Alaska
1958 (Austin Post)
2003 ( Matt Nolan)
Ritiro dei ghiacciai del Kilimanjaro, Africa
Kilimanjaro,
Africa
Source: E. Oehler, Kilimanjaro, 1912
Ritiro dei ghiacciai della Patagonia, Sud America
Ghiacciaio UPSALA, Argentina
Le calotte polari e il livello del mare
Le calotte polari sono il più grande serbatoio di acqua dolce del globo, 30 milioni di km3 di
ghiaccio. Se, per assurdo, la totalità dei ghiacci fondesse, il livello del mare salirebbe di
oltre 68 metri (61,1 m Antartide, 7,2 m Groenlandia).
Antartide: la variazione della temperatura negli ultimi 50 anni
Nella Penisola Antartica si è registrato un aumento record della temperatura media annua
di 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 °C
all’anno e 0,11 °C all’anno durante la stagione invernale (Turner et al., Int. J. Clim. 2005).
Antartide: il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggiante
In Penisola Antartica e nei
ghiacciai che defluiscono
nell’Amundsen Sea, fra il
1989 e il 2005, si sono
disintegrate
e
ridotte
drasticamente
molte
piattaforme di ghiaccio
galleggiante
e
si
è
verificato un anomalo
distacco di iceberg.
The Antarctic Peninsula
after Kaiser (2002)
(Doake & Vaughan, 1991, de Angelis & Skvarca, 2003; Cook et al., 2005)
Antartide: il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggiante
Queste piattaforme di
ghiaccio galleggiante si
erano formate alla fine
dell’ultima
glaciazione
(10.000 anni fa), e non si
erano mai ridotte alle
presenti condizioni almeno
negli ultimi 100.000 anni
(Domack et al., Nature 2005)
after Kaiser (2002)
Antartide: il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggiante
Il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggianti ha innescato un aumento della
velocità 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 innalzamento
del livello del mare.
after Kaiser (2002)
Rott et al., 2002002)
Antartide e il livello del mare
La corretta valutazione della variabilità spaziale e temporale dell’accumulo nevoso è la maggiore
incognita 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 che
poggiano al di sotto del livello del mare (Calotta Occidentale, Wilkes Basin), evolveranno nei prossimi
secoli. E’ stata formulata l’ipotesi che un innalzamento della temperatura legato all’aumento dei gas ad
effetto serra potrebbe determinare un repentino incremento della velocità dei ghiacciai antartici nel XXI
secolo. Ciò causerebbe il collasso della Calotta Occidentale, con conseguente rapida risalita del livello
del mare.
Budd et al., 1998
BEDMAP, 2000
Groenlandia: ritiro dei ghiacciai e aumento della velocità
Negli ultimi anni si è osservato un drastico ritiro dei ghiacci che
sboccano lungo la costa della Groenlandia Orientale. Tale ritiro è
accompagnato da un aumento della velocità dei ghiacciai (11.000
m a-1) ed un assottigliamento delle loro parti terminali (>40 m). Tale
fenomeno è collegabile con un aumento della temperatura e della
fusione.
Jakobshavn Glacier, Est East Greenland (Joughin et al., 2004, Nature)
Helhein Glacier, Est East Grenland (Howat et al., 2005, GRL)
2005: Massima fusione dei ghiacci della Groenlandia
La fusione della calotta di ghiaccio
Groenlandese è aumentata a causa
dell’incremento
della
temperatura,
raggiungendo nel Settembre 2005 la
massima estensione e la massima durata
nel tempo.
2005: Minima estensione della banchisa Artica
L’estensione del ghiaccio
marino è in diminuzione
a partire dagli anni ‘60
del XX secolo.
Nel Settembre 2005 è
stata rilevata la minima
estensione del ghiaccio
marino in Artide.
Settembre 1979
Settembre 2005
2005
2090: Scomparsa della banchisa artica
Le simulazione climatiche ipotizzano
entro la fine di questo secolo una
ulteriore
riduzione
del
50%
nell’estensione del ghiaccio marino,
un aumento della temperatura da
3°C a 5°C sulle terre emerse e di
7°C sull’oceano.
Artide: variazione dell’albedo
La variazione dell’albedo nell’Artide,
causato della riduzione della
copertura nevosa e del ghiaccio
marino,
ha
contribuito
sostanzialmente al riscaldamento: si
valuta un aumento di circa 3 watts
m2 per decade. Questo valore è
paragonabile
al
riscaldamento
dovuto al raddoppio della CO2 in
atmosfera.
Chapin et al., Science 2005
1995-2000: Riduzione della salinità del Nord Atlantico
L’aumento della temperatura in Artide sta
causando la riduzione dei ghiacci marini,
l’aumento della fusione dei ghiacci continentali
e del permafrost: questi fenomeni producono
una riduzione della salinità delle acque
dell’oceano nord Atlantico.
Gli oceani polari: motori del clima
Gli oceani polari sono il motore della circolazione delle correnti oceaniche che a loro
volta hanno una notevole influenza sul clima, in quanto trasportano il calore dai tropici
verso i poli.
Le aree polari costituiscono la sorgente fredda del sistema termodinamico globale
regolando il bilancio termico della Terra: rappresentano quindi una componente di
fondamentale importanza nell'equilibrio ambientale del nostro pianeta.
2100: ~ 1100 ppm??
Variazione di CO2 nel tempo
2050: 550 ppm
2005: 380 ppm
Senza nessuna variazione nell’utilizzo dei
combustibili fossili, i nostri figli vedranno la
CO2
andare
oltre
questa
pagina,
e
probabilmente anche noi potremmo vedere
questo
“fantastico
esperimento” non
controllato
nella
“provetta”
chiamata
“pianeta terra”.
Massima concentazione di CO2 raggiunta nell’ulimi 650.000 anni
300
1750: 280 ppm
Minima concentazione di CO2 raggiunta nell’ulimi 650.000 anni
180
Grazie per la vostra attenzione
Prosegue con gli Oceani dopo il Caffè!!
Foto l. Simion
