PALEOCLIMA

Chapter 6Paleoclimate

Variazioni temperatura media globale dal 1861 al 2003rispetto alla media 1961-1990

WMO, 2003WMO, 2003

Il clima sta cambiando?

E’ già cambiato in questi ultimi anni, rispetto ai decenni passati?

Se è cambiato, si tratta di una oscillazione transitoria, nei limiti della variabilità climatica naturale?

Oppure si tratta di un fenomeno nuovo, in cui alle cause naturali si sommano cause dovute alle attività umane?

Per rispondere a queste domande occorre conoscere la variabilità climatica naturale e il funzionamento del sistema climatico nel tempo.

A questo scopo è determinante il contributo della geologia per l’analisi delle informazioni contenute negli archivi naturali del clima.

Variazioni temperatura media annua emisfero Nord ultimi 1000 anniRicostruite tramite:anelli degli albericorallicarote di ghiacciodocumenti storici (blu) dati strumentali (rosso)Media mobile (nero), intervallo di confidenza 2σ (grigio).

IPCC, 2001

Archivi naturali del clima

Pre-Quaternary climates

Successione schematica in Ma delle ere glaciali dall’Archeano al presente. I picchi maggiori indicano glaciazioni diffuse a scala globale, quelli minori attività glaciale a scala locale.

(da Hambrey, 1999)

SnowballSnowball

Esempio:

Pre-Quaternary climates

Atmospheric CO2 concentration can beinferred back to millions of years, with muchlower precision than ice cores.

B.P. Flower (1999)R.C.L.Wilson, S.A.Drury & J.L.Chapman (2000)

CURVE ISOTOPI OSSIGENO FORAMINIFERI

Barrett, 2003

Decline in average global temperature over the past 80 million years

Quaternary climates

Quaternary

sedimenti di mare profondo (Ionio)

varve lacustri (Pianico)Quaternary climate record

Williams, 1988

depositi loessici (Romania)

Quaternary climates

How are Past Climate Forcings Known?Time series of astronomically-driven insolation change arewell known and can be calculated from celestial mechanics.The methods behind reconstruction of past solar and volcanic forcing continue to improve, although important uncertainties still exist.

Cause astronomiche: cicli di Milankovitch

Obliquità 41 ka

Eccentricità 100 ka

Precessione equinozi 19/23 ka

Eccentricità Obliquità Data perielio

Distanza T-S in giugno

Insolazione estiva emisf. N

Precessione

How precisely can paleoclimate records be dated?

Lots of proxies have annual layers or bands (varves, tree rings, corals, cave deposits and some ice cores)

Radiometric dating (14C, U-Th, K-Ar, OSL are used in paleoclimatology)

From Bard et al., Science, 2004A better radiocarbon clock

How Can PalaeoclimaticProxy Methods Be Usedto Reconstruct Past ClimateDynamics?

many organisms alter their growth and/or population dynamics in response to changingclimate. Tree rings, ocean and lake plankton and pollen are some of the best-known and best-developed proxy sources of past climategoing back centuries and millennia.

Networks of tree ring chronologies: past temperature and moisture changes(based on calibration with temporallyoverlapping instrumental data).

Past distributions of pollen and planktonfrom sediment cores: past climate as temperature, salinity, precipitation, …

The chemistry of several biological and physical entities reflects well-understoodthermodynamic processes that can be transformed into estimates of climateparameters such as temperature.

Key examples include:

- oxygen (O) isotope ratios : coral and foraminiferal carbonate to infer past temperature and salinity;

- Mg/Ca and Sr/Ca ratios in carbonate for temperature estimates;

- alkenone saturation indices from marine organic molecules to inferpast sea surface temperature (SST);

- O and H isotopes and combined N and Ar isotope studies in ice coresto infer temperature and atmospheric transport.

Lastly, many physical systems (e.g., sediments and aeolian deposits) change in predictable ways that can be used to infer past climate change.

Ice cores and Quaternary climate

La neve che progressivamentesi accumula sulle calotte polari si

trasforma per compressione in nevato(firn) e successivamente in ghiaccio.

Questo processo provoca espulsione di aria, che rimane comunque

presente nel ghiaccio in forma di piccole bolle isolate

Il ghiaccio come archivio di storia climatica

Il ghiaccio conserva memoria delle condizioni climatiche al momento della deposizione nevosa e preserva campioni di atmosfera del passato.

Inoltre, può presentare preziosi depositi di materiale relativo ad avvenimenti geologici maggiori, come eruzioni vulcaniche o caduta di meteoriti.

>profondità = >tempo

Il ghiaccio come archivio di storia climatica

Il ghiaccio che si deposita negli strati più superficiali fluisce progressivamente verso la base e i margini della calotta

In superficie gli strati di ghiaccio sono più spessi, mentre alla base si assottigliano. In profondità, pochi metri di ghiaccio rappresentano un intervallo di tempo notevole.

Sito di campionamento

Bedrock elevation colour scale (m) :

578.919 1689.055 514.280 1604.012 441.446 1644.380

Vertices coordinates

Easting Northing

515.430 1736.224

74°52'13.3'' S 125°42'34.9'' E75°38'53.4'' S 123°30'58.0'' E75°16'40.0'' S 120°56'07.8'' E74°27'47.3'' S 123°30'57.9'' E

UTM (Km)φ λ

Grid length (m)

Grid length (m)

Surface contour line interval 1m

DOME C

Bedrock contour line interval 25 m

Elev

atio

n (m

)

Tabacco et al., 1998

Le sequenze climatiche più lunghe sono fornite da carote di ghiaccio prelevate nelle regioni polari

(Antartide, Groenlandia) dove l’accumulo nevoso é

estremamente ridotto

1966 Camp Century U.S.A.1968 Byrd (2000 m, ca. 80.000 anni B.P.) U.S.A.

1957 Installazione stazione sovietica a Vostok

1970 Vostok (500 m) U.R.S.S. 1974 Vostok (950 m) U.R.S.S.

1978 Dome C (904 m, 40.000 anni B.P.) Francia 1982 Vostok (2000 m, 150.000 anni B.P.)

1988-1992 Groenlandia - Summit (250.000 anni B.P.)1988 Vostok (3623 m, 420.000 anni B.P.) Francia-U.S.A.-U.R.S.S.

Breve storia dei primi carotaggi polari:

Dome Fuji340.000 anni B.P. (Watanabe et al., 2003)

EPICA-Dome C(75° 06’S, 123° 21’E, 3233 m a.s.l.)800 .000 anni B.P. (EPICA Community, 2004)

Vostok (78° S, 106° E, 3480 m a.s.l. )>420.000 anni B.P.(Petit et al., 1999)

EPICA-DronningMaud Land75°00'S, 00°04'E(Epica Community, 2006)

Oggi le carote di ghiaccio che forniscono le sequenze climatiche più lunghe sono:

Dome C Tenda di perforazione

Taglio, processamento e stock carote

Zona notte

Zona giorno

Fase 1: estrazione delle carote

Fase 2: Taglio e prime analisi in situ delle carote

Stazione Vostok

A Vostok è stata registrata la temperatura più bassa del pianeta: -89.7 °C

198712031161300Law Dome66°43’ S, 113°12’ E

19982503335-582.730903810Dome F77°30’ S, 39°50’ E

1994554-4262374Taylor Dome77°48’ S, 158°43’ E

20033200800-542.533093233EPICA Dome C75°06’ S, 123°23’ E

1968216370-281621631530Byrd Station79°59’ S, 120°01’ W

197890540-532.834003240Dome C74°40’ S, 124°10’ E

19983623420-562.337003490Vostok78°28’ S, 106°48’ E

Altitudines.l.m.

m

Spessoreghiaccio

m

accumulog cm-2a-1

AnnoLungh.carota

m

Tempoka

Temperaturamedia annua

°C

Carotaggi in ghiaccio Carotaggi in ghiaccio -- ANTARTIDEANTARTIDE

DOME CDOME C

South PoleSouth PoleVOSTOKVOSTOK

DOME FUJIDOME FUJI

BYRDBYRDLAW DOMELAW DOME

TAYLOR DOMETAYLOR DOME

Carotaggi profondi in ghiaccio GROENLANDIACarotaggi profondi in ghiaccio GROENLANDIA

CAMP CENTURYCAMP CENTURY

RENLANDRENLANDGISP2 / GRIPGISP2 / GRIP

DYE 3DYE 3

NN--GRIPGRIP

200330851201930852919NGRIP75°17’ N, 42°19’ W

19933053100-312430533208GISP 272°58’ N, 38°48’ W

19923029100-322330403238GRIP72°34’ N, 37°47’ W

19813037100-205620372490Dye 365°11’ N, 43°50’ W

19661387100-243813871890Camp Century77°11’ N, 61°07’ W

Altitudinem

s.l.m

Spessoreghiaccio

m

Tasso diaccumulog cm-2a-1

AnnoLunghezza

carotam

Tempo

ka

Temperaturamedia annua

°C

Carotaggi in ghiaccio Carotaggi in ghiaccio -- GROENLANDIAGROENLANDIACAMP CENTURYCAMP CENTURY

RENLANDRENLANDGISP2/GRIPGISP2/GRIP

DYE 3DYE 3

NN--GRIPGRIP

δD, δ18Oice, 10Be,spessore livelli annuiPrecipitazioni

particolato atmosferico, isotopi Nd-SrProvenienza masse d’aria e circolazione atmosferica

O2, N2, CO, CO2, CH4, N2O, δ18OatmGas: naturali e prodotti dall’uomo

ECM, DEP, Al, Ca2+, Na+, SO42-, NO3-, pulviscolo atmosferico, picchi di acidità (ECM, DEP, SO4

2-), ceneri vulcaniche

SO42-, NO3-, Pb, metalli in tracce, fallout radioattivo, composti organici

Aerosolnaturali

prodotti dall’uomo

eccesso di deuterioAree sorgenti umidità

δD, δ18Oice , profilo di temperatura in pozzo,ecc.Temperatura

Parametri climatici e corrispondenti indicatori nelle Parametri climatici e corrispondenti indicatori nelle carote di ghiacciocarote di ghiaccio

Atmosfera Carote di ghiaccio

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-55 -45 -35 -25 -15-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

δD = 6.04T(°C) - 51

δ18O = 0.67T(°C) –13.7

Antartide

Groenlandia

da: Lorius & Merlivat (1977), Johnsen et al. (1989).

Relazioni tra rapporti isotopici e temperatura

Metodi di datazione e correlazione Metodi di datazione e correlazione nelle carote di ghiaccionelle carote di ghiaccio

Stratigrafia: orizzonti di riferimento di età notafallout atomicoceneri vulcanichepicchi di acidità vulcanica

Variazioni stagionalistratigrafia, densità, cristallografia, livelli di polveriacidità (ECM)microparticelleisotopi stabili

Modelli di flusso glaciale

Stratigrafia isotopicaMetanoδ18Oatm

Concentrazione di Trizio

– test atomici in atmosfera

Concentrazione di Trizio

– test atomici in atmosfera

Dep

th (m

)

Tritium units

Victoria Land

Flora et al., 2000

Pinatubo Pinatubo 19911991

Depth (m)11,5 12 13 13,5 Frezzotti et al., 2000

Talos Dome

Dep

th (m

)

nss sulphates

Historical volcanic eruption

(Udisti et al., 2000)

eruzione eruzione TamboraTambora 18151815

VostokVostok: cicli climatici maggiori : cicli climatici maggiori

CO2

Petit et al., 1999

Temp. °C

CH4

Ins. 65° N

δ18Oatm

Watanabe et Watanabe et al., 2003al., 2003

Temperature isotopiche ed eccesso di deuterionelle carote di Vostok e di Dome Fuji

Durata relativa delle condizioni interglaciali Durata relativa delle condizioni interglaciali negli ultimi 400.000 anni negli ultimi 400.000 anni

Petit et al., 1999

40%

Temp. °C

10%

I gas serra (CO2, metano) variano in fase con la temperatura

Le ultime quattro terminazioni nella carota di Le ultime quattro terminazioni nella carota di Vostok Vostok

Petit et al., 1999

Mid-Brunhes event (MBE)

EPICA-Dome C (75° 06’S, 123° 21’E, 3233 m a.s.l.)

(Jouzel et al., 2007; EPICA Community Members, 2004, modidfied)

EPICA-Dome C ice core has extended the climate sequence back to MIS 20.2(>800 kyr B.P.)

-460

-440

-420

-400

-380

-360

Age (kyrs B.P.)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

δ D °

/ oo

-3

-2

-1

0

1

2

3

δ18O

°/o

o

5.5

7.3

7.5

9.3

11.3

15.1

15.5

12.4

1816

14.4

14.2

13

12.210

.410

.2

8.27.4

6.66.2

4.2

3.3

2.2

Hol

ocen

e

0 100 200 300 400 500 600 700 800

-500

-480

-460

-440

-420

-400

5.5

7.3

7.5 9.3

11.3

3.3

Hol

ocen

e

17

1920

The EDC core has allowedextension of the climaticrecord

Mid-Brunhes event (MBE)Glacial-Interglacialtemperature (δD per mil) variations show higheramplitude after the MBE

G/I climate variability reducedin the older part of the record

(Jouzel et al., 2007; EPICA Community 2004, modidfied)

Prima del MBE gli interglaciali erano meno caldi e più lunghi rispetto alla prozione più

recente del record.

Il forcing orbitale tuttavia era molto simile al periodo più recente: si osserva solo un leggero

aumento dell’ampiezza delle variazioni legate all’obliquità dell’asse terrestre, che influenza la

distribuzione locale dell’insolazione annua.

MBE

Nella porzione più antica del record prevalgono condizioni climatiche “intermedie”

(Lambert et al., Nature,2008)

EPICA-Dome C dust record back to MIS 20.2

(Jouzel et al., 2007)

Good correlation with benthicδ18O (global ice volume)

and with Loess/paleosolsequences from China

The EDC dust record reflectsthe major global climatechanges at G/I timescale

According to Lambert et al., in press, the average G/I dustvariability corresponds to a factor~50:

1-accumulation rate (factor 2)

2-atmospheric dust lifetime and hydrological cycle (factor 5)

3-changes in the dust “soucestrength” (factor 5)

IPCC, 2007

IPCC, 2007

Mauna Loa CO2 record

Tom Rees, 2002

Variazioni della temperatura media annua globale e della concentrazione della CO2 negli ultimi 1000 anni

Cambiamenti globali Cambiamenti globali nell’Antropocene nell’Antropocene ((Crutzen Crutzen & & SteffenSteffen, 2003), 2003)

Popolazione Popolazione (10(1099))

Veicoli a motore Veicoli a motore (10(1066))

PIL totale PIL totale (10(101212)) Popolazione urbana Popolazione urbana (10(1099))

COCO22 ((ppmppm)) NN22O (O (ppbppb))

Pescato Pescato (% risorse) (% risorse) Perdita foreste Perdita foreste troptrop. . (% dal 1700) (% dal 1700) Specie estinte Specie estinte (10(1033) )

Perforazione GRIP: curva Perforazione GRIP: curva δδ1818OO

Blunier & Brook, 2001

Evidenza di frequenti ampie variazioni climatiche di breve durata: instabilità climatica alla scala del millennio durante

l’ultima Glaciazione (tra 90.000 e 10.000 anni fa)

EPICA Community, 2006

Curve isotopiche e del metano in Groenlandia e Antartide. L’instabilità climatica alla scala del millennio è più accentuata nell’emisfero Nord

Blunier & Brook, 2001

La circolazione oceanica termoalina e il “nastro trasportatore”

Altalena bipolare

Stocker, 2003

Modello termodinamico dell’ “altalena bipolare”

Stocker & Johnsen, 2003

From Stuiver et al., 1995

Ultima deglaciazione: curva δ18O (GISP2).Esempi di radicali cambiamenti climatici repentini,

realizzatisi in pochi decenni.

Monin et al., 2001

Greenhouse gases at the last termination

CO2Taylor Dome

and Law Dome ice cores

Indermuehle et al., 1999Law Dome

Taylor Dome

1- Insolazione mese di luglio a 65° N2- δ18O (Renland)3- δ18O (GISP2)4- accumulo annuo (GISP2)5- concentrazione metano (GRIP)

L’Olocene (ultimi 11.700 anni circa):

interglaciale termicamente stabile ma con importanti variazioni climatiche nella distribuzione delle piogge

1

2

3

4

5

Probabile (66-90%) in alcune aree

Aumento intensità precipitazioni cicloni tropicali

Dati insufficienti

Probabile (66-90%) in alcune aree

Aumento intensità del vento nei cicloni tropicali

Non osservato nelle analisi disponibili

Probabile (66-90%) in molte aree continentali interne medie latitudini

Aumento periodi siccitosi estiviAttendibile in alcune aree

Molto probabile (90-99%) in molte aree

Precipitazioni intense più frequentiAttendibile medie/alte latitudini emisfero Nord

Molto probabile (90-99%)Aumento dell’indice di caloreAttendibile

Molto probabile (90-99%)Escursione termica diurna più ridottaMolto attendibile

Molto probabile (90-99%)Temperature minime più elevate e minor numero di giorni di gelo

Molto attendibile

Molto probabile (90-99%)Temperature massime più elevate e maggior numero di giorni torridi

Attendibile

Cambiamenti previsti XXI sec. (probabilità)

Cambiamenti climatici

IPCC, 2001

Cambiamenti osservati seconda metà XX sec. (attendibilità)

Aumento rischi perdita vite umane, epidemie infettiveAumento erosione costiera e danni a edifici e infrastruttureAumento danni a ecosistemi costieri (scogliere coralline, mangrovie)

Aumento intensità del vento/ precipitazioni nei cicloni tropicali (probabile)

Diminuzione produzione agricolaRiduzione quantità/qualità risorse idricheAumento rischio incendi boschivi

Aumento periodi siccitosi estivi (probabile)

Aumento frequenza alluvioni, frane, valangheAumento erosione del suoloPossibile rimpinguamento falde acquifereMaggior pressione sui sistemi assicurativi pubblici e privati

Precipitazioni intense più frequenti (Molto probabile)

Diminuzione morbilità e mortalità umana dovuta al freddoAmpliamento delle aree endemiche di vettori di malattie infettiveRiduzione domanda energetica per riscaldamento

Temperature minime più elevate e minor numero di giorni di gelo (Molto probabile)

Aumento mortalità negli anziani/indigenti nelle cittàAumento stress termico nel bestiame di allevamentoCambiamenti nei flussi turisticiAumento consumi energia elettrica per condizionatori e rischi connessi

Temperature massime più elevate e maggior numero di giorni torridi (Molto probabile) Aumento dell’indice di calore (Molto probabile)

Effetti previsti (alcuni esempi) IPCC, 2001Cambiamenti climatici