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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
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
Pre-Quaternary climates
Atmospheric CO2 concentration can beinferred back to millions of years, with muchlower precision than ice cores.
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.
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
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%
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”
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)
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
From Stuiver et al., 1995
Ultima deglaciazione: curva δ18O (GISP2).Esempi di radicali cambiamenti climatici repentini,
realizzatisi in pochi decenni.
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