La registrazione ad alta fedeltà della storia climatica della Terra

Per la prima volta, gli scienziati del clima hanno compilato una registrazione continua e ad alta fedeltà delle variazioni del clima terrestre che si estende per 66 milioni di anni nel passato. Il record rivela quattro stati climatici distintivi, che i ricercatori hanno soprannominato Hothouse, Warmhouse, Coolhouse e Icehouse.

La registrazione ad alta fedeltà della storia climatica della Terra

La registrazione ad alta fedeltà della storia climatica della Terra mette nel contesto i cambiamenti attuali

Per la prima volta, gli scienziati del clima hanno compilato una registrazione continua e ad alta fedeltà delle variazioni del clima terrestre che si estende per 66 milioni di anni nel passato. Il record rivela quattro stati climatici distintivi, che i ricercatori hanno soprannominato Hothouse, Warmhouse, Coolhouse e Icehouse.

Questi principali stati climatici persistettero per milioni e talvolta decine di milioni di anni, e all'interno di ciascuno il clima mostra variazioni ritmiche corrispondenti ai cambiamenti nell'orbita terrestre intorno al sole. Ma ogni stato climatico ha una risposta distintiva alle variazioni orbitali, che determinano cambiamenti relativamente piccoli nelle temperature globali rispetto ai drammatici cambiamenti tra i diversi stati climatici.

Le nuove scoperte, pubblicate il 10 settembre su Science , sono il risultato di decenni di lavoro e di un'ampia collaborazione internazionale. La sfida consisteva nel determinare le variazioni climatiche del passato su una scala temporale abbastanza fine da vedere la variabilità attribuibile alle variazioni orbitali (nell'eccentricità dell'orbita terrestre attorno al sole e nella precessione e inclinazione del suo asse di rotazione).

"Sappiamo da molto tempo che i cicli glaciale-interglaciale sono stimolati dai cambiamenti nell'orbita terrestre, che alterano la quantità di energia solare che raggiunge la superficie terrestre, e gli astronomi hanno calcolato queste variazioni orbitali indietro nel tempo", ha spiegato il coautore James Zachos, illustre professore di scienze della Terra e planetarie e Ida Benson Lynn Professore di Ocean Health presso l'UC Santa Cruz.

"Mentre ricostruivamo i climi del passato, potevamo vedere abbastanza bene cambiamenti grossolani a lungo termine. Sapevamo anche che doveva esserci una variabilità ritmica su scala più fine a causa delle variazioni orbitali, ma per molto tempo è stato considerato impossibile recuperare quel segnale", Zachos disse. "Ora che siamo riusciti a catturare la variabilità naturale del clima, possiamo vedere che il riscaldamento antropogenico previsto sarà molto maggiore di quello".

Negli ultimi 3 milioni di anni, il clima della Terra è stato in uno stato di ghiacciaia caratterizzato da periodi glaciali e interglaciali alternati. Gli esseri umani moderni si sono evoluti durante questo periodo, ma le emissioni di gas serra e altre attività umane stanno ora guidando il pianeta verso gli stati climatici di Warmhouse e Hothouse che non si vedevano dall'epoca dell'Eocene, terminata circa 34 milioni di anni fa. Durante il primo Eocene, non c'erano calotte polari e le temperature medie globali erano da 9 a 14 gradi Celsius più alte di oggi.

"Le proiezioni IPCC per il 2300 nello scenario" business as usual "porteranno potenzialmente la temperatura globale a un livello che il pianeta non ha visto in 50 milioni di anni", ha detto Zachos.

Fondamentale per la compilazione del nuovo record climatico è stato ottenere carote di sedimenti di alta qualità dai bacini oceanici profondi attraverso il programma internazionale di perforazione oceanica (ODP, in seguito programma di perforazione oceanica integrato, IODP, sostituito nel 2013 dall'International Ocean Discovery Program). Le tracce dei climi passati sono registrate nei gusci di plancton microscopico (chiamato foraminiferi) conservato nei sedimenti del fondo marino. Dopo aver analizzato i nuclei dei sedimenti, i ricercatori hanno dovuto sviluppare una "astrocronologia" facendo corrispondere le variazioni climatiche registrate negli strati di sedimenti con le variazioni dell'orbita terrestre (noti come cicli di Milankovitch).

"La comunità ha capito come estendere questa strategia a intervalli di tempo più vecchi a metà degli anni '90", ha detto Zachos, che ha condotto uno studio pubblicato nel 2001 su Science che ha mostrato la risposta climatica alle variazioni orbitali per un periodo di 5 milioni di anni che copre il passaggio dall'epoca dell'Oligocene al Miocene, circa 25 milioni di anni fa.

"Questo ha cambiato tutto, perché se avessimo potuto farlo, sapevamo di poter tornare indietro a forse 66 milioni di anni fa e mettere questi eventi transitori e le principali transizioni nel clima terrestre nel contesto delle variazioni su scala orbitale", ha detto. .

Zachos ha collaborato per anni con l'autore principale Thomas Westerhold presso il Centro di scienze ambientali marine (MARUM) dell'Università di Brema in Germania, che ospita un vasto deposito di carote di sedimenti. Il laboratorio di Brema insieme al gruppo di Zachos presso l'UCSC ha generato gran parte dei nuovi dati per la parte più vecchia del record.

Westerhold ha supervisionato un passaggio critico, unendo insieme segmenti sovrapposti del record climatico ottenuto da carote di sedimenti provenienti da diverse parti del mondo. "È un processo noioso assemblare questo lungo megasplice di record climatici, e volevamo anche replicare i record con nuclei di sedimenti separati per verificare i segnali, quindi questo è stato un grande sforzo della comunità internazionale che ha lavorato insieme", ha detto Zachos.

Ora che hanno compilato un record climatico continuo e astronomicamente datato degli ultimi 66 milioni di anni, i ricercatori possono vedere che la risposta del clima alle variazioni orbitali dipende da fattori come i livelli di gas serra e l'estensione delle calotte polari.

"In un mondo serra estremo senza ghiaccio, non ci saranno feedback che coinvolgono le calotte glaciali, e questo cambia le dinamiche del clima", ha spiegato Zachos.

La maggior parte delle principali transizioni climatiche negli ultimi 66 milioni di anni sono state associate a cambiamenti nei livelli di gas serra. Zachos ha svolto ricerche approfondite sul Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM), ad esempio, dimostrando che questo episodio di rapido riscaldamento globale, che ha portato il clima in uno stato di serra, è stato associato a un massiccio rilascio di carbonio nell'atmosfera. Allo stesso modo, nel tardo Eocene, quando i livelli di anidride carbonica nell'atmosfera stavano diminuendo, le calotte glaciali iniziarono a formarsi in Antartide e il clima passò allo stato di Coolhouse.

"Il clima può diventare instabile quando si avvicina a una di queste transizioni e vediamo risposte più deterministiche alla forzatura orbitale, quindi è qualcosa che vorremmo capire meglio", ha detto Zachos.

Il nuovo record climatico fornisce un quadro prezioso per molte aree di ricerca, ha aggiunto. Non è solo utile per testare i modelli climatici, ma anche per i geofisici che studiano diversi aspetti delle dinamiche terrestri e per i paleontologi che studiano come i cambiamenti degli ambienti guidano l'evoluzione delle specie.

I coautori Steven Bohaty, ora all'Università di Southampton, e Kate Littler, ora all'Università di Exeter, hanno entrambi lavorato con Zachos all'UC Santa Cruz. I coautori del documento includono anche ricercatori di più di una dozzina di istituzioni in tutto il mondo. Questo lavoro è stato finanziato dalla German Research Foundation (DFG), dal Natural Environmental Research Council (NERC), dal programma Horizon 2020 dell'Unione europea, dalla National Science Foundation of China, dal Netherlands Earth System Science Center e dalla US National Science Foundation.