Perché accadono le ere glaciali?

La domanda sul perché si verificano le ere glaciali è estremamente complessa e continua a essere un’area primaria di ricerca da parte degli scienziati del clima in una varietà di discipline. I ricercatori hanno identificato diversi processi che contribuiscono al cambiamento climatico globale su scale temporali drasticamente diverse – da decenni a milioni di anni – e sia i singoli processi che la loro intersezione a scale temporali variabili sembrano influenzare quando e come i cambiamenti climatici, nonché la velocità con cui cambia.

I processi che si verificano su scale temporali molto lunghe, come il movimento dei continenti intorno alla superficie terrestre, nonché il sollevamento continentale e la costruzione delle montagne, sembrano essere correlati ai cambiamenti a lungo termine tra i climi globali “casa calda” e “era glaciale”. Questi cambiamenti si verificano nel corso di decine, o addirittura centinaia, di milioni di anni. Le fluttuazioni relativamente più brevi dell’orbita terrestre attorno al sole, nonché i cambiamenti nei modelli di circolazione atmosferica e oceanica, le fluttuazioni della quantità di anidride carbonica atmosferica e persino il verificarsi di grandi eruzioni vulcaniche influiscono anche sui modelli climatici globali e contribuiscono a rapidi cambiamenti climatici, nell’ordine di centinaia o migliaia di anni, tra climi caldi e freddi. L’intersezione di questi numerosi processi ha portato a una storia climatica globale piuttosto complessa che si sta ancora chiarendo.

Processi su larga scala: tettonica a zolle

Nel corso del 20° secolo, gli scienziati hanno scoperto che la superficie della terra (la crosta) non è un singolo strato duro, come l’esterno di una palla, ma invece è costituito da diversi pezzi di grandi dimensioni, chiamati placche tettoniche (la litosfera), che galleggiano sopra uno strato semi-solido di roccia fusa (l’astenosfera) e si muovono attorno al pianeta. Le placche possono contenere crosta oceanica (la terra sotto gli oceani) o crosta continentale (la massa terrestre che forma i continenti) e la maggior parte delle placche attuali contengono entrambi. Si muovono molto lentamente, all’ordine dei centimetri ogni anno, ma continuamente, portando a una configurazione in continua evoluzione di continenti e oceani.

Inoltre, le placche si muovono a velocità diverse e si allontanano l’una dall’altra (confine divergente), scivolano sotto/sopra o si schiantano l’una sull’altra (confine convergente) o scivolano una accanto all’altra (trasformano confine), tutte cambiano le loro dimensioni e forme.

Le placche che si allontanano l’una dall’altra permettono alla terra di formarsi nella frattura, o crepa gigante, che li separa; attualmente ciò si verifica nel mezzo dell’oceano Atlantico, dove le placche nordamericane e africane si stanno lentamente allontanando l’una dall’altra in un processo iniziato circa 175 milioni di anni fa, creando una nuova crosta oceanica. D’altra parte, quando le piastre si scontrano tra loro (al ritmo relativamente rapido di diversi metri per secolo), una placca può essere forzata sotto l’altra, dove viene fusa e riciclata in nuovi materiali crostforming. Ciò si verifica in genere quando una placca oceanica viene forzata sotto una placca continentale e provoca il sollevamento della placca continentale e la formazione di montagne e un aumento dell’attività vulcanica. Un esempio moderno è la subduzione della placca di Nazca (Oceano Pacifico) sotto la placca sudamericana, che ha creato le Ande. Quando due continenti si scontrano su un confine convergente, nessuno dei due viene forzato sotto l’altro, e invece le terre emerse vengono fatte a pezzi e spinte verso l’alto, in modo simile a spremere insieme due pezzi di argilla. Ciò può creare nuove imponenti montagne e forme di terra sollevate, come le montagne dell’Himalaya, che iniziarono a formarsi circa 50 milioni di anni fa quando la placca indiana iniziò a scontrarsi con la placca eurasiatica. Tutti questi cambiamenti nella struttura della superficie terrestre avvengono nel corso di milioni di anni, ma possono avere impatti significativi e duraturi sul clima del nostro pianeta.

Posizioni dei continenti

La posizione dei continenti rispetto ai poli è probabilmente uno dei fattori più importanti che controllano le fluttuazioni a lungo termine del clima globale. Si pensa che il movimento del Nord America e, infine, le placche eurasiatiche verso il polo nord abbiano contribuito in modo significativo all’avvio del lungo periodo di raffreddamento globale che ha innescato l’inizio dell’attuale era glaciale circa tre milioni di anni fa. La presenza di grandi masse terrestri ad alte latitudini sembra essere un prerequisito per lo sviluppo di vaste calotte glaciali, poiché i grandi accumuli di ghiaccio associati alle calotte polari non possono formarsi sull’oceano.

All’inizio dell’attuale era glaciale, non solo il Nord America e l’Europa erano situati alle latitudini più alte vicino al polo nord, ma l’Antartide si trovava al polo sud. Questa configurazione continentale ha portato a una vasta glaciazione sia del Nord America che dell’Eurasia, nonché a calotte di ghiaccio continentali complete che coprivano l’Antartide. Durante l’era glaciale avvenuta nel Pennsylvanian e Permiano (circa 300 milioni di anni fa), la parte meridionale del supercontinente Pangaea era al polo sud. Il risultato fu una vasta glaciazione di quella che oggi è l’Africa, il Sud America, l’India, l’Antartide, l’Australia e la penisola arabica. La posizione dei continenti durante la glaciazione criogenica (circa 700 milioni di anni fa) non è ben nota, sebbene si pensi che ampie porzioni del supercontinente, Rodinia, potrebbero essere state coperte dalla calotta polare meridionale.

La distribuzione dei continenti in tutto il pianeta influisce anche sui modelli di circolazione oceanica, che possono influire notevolmente sul sistema climatico globale. Gli oceani sono un grande dissipatore di calore nel sistema climatico globale perché assorbono grandi quantità di radiazione solare in entrata e la circolazione oceanica è un meccanismo primario per trasferire questo calore dall’equatore, dove è abbondante, ai poli, dove è più scarso. La capacità dell’oceano di trasportare calore alle latitiudini più alte (i poli) dipende in gran parte dal fatto che ci siano percorsi aperti per il passaggio dell’acqua. Man mano che le masse continentali si allontanano le une dalle altre, può essere aperta una porta che consente all’acqua dell’oceano di spostarsi all’interno o attraverso nuove aree, permettendo alle acque più calde e più fredde di mescolarsi e, quindi, trasportando il calore verso o lontano dalle masse terrestri. Un esempio importante di ciò è lo sviluppo della circonvallazione circum-antartica nel corso dell’Eocene (~ 55-34 milioni di anni fa) e dell’Oligocene (~ 34-22 milioni di anni fa), che isolò il continente antartico e permise sempre più acque fredde per circolare attraverso gli oceani meridionali. Questa via di mare iniziò a formarsi quando il continente australiano si separò dall’Antartide e si spostò verso nord nel primo Eocene, creando un nuovo oceano, ma una zona assottigliata e rotta della crosta continentale (l’Altopiano di Tasman meridionale) rimase tra i due continenti che sostanzialmente bloccarono in profondità la circolazione oceanica. Non si sviluppò in una via di mare aperta attorno all’Antartide fino a quando l’Altopiano del Sud Tasman non fu completamente separato dall’Antartide (~ 32-30 milioni di anni fa), permettendo alle acque oceaniche profonde di fluire tra i continenti, ed il passaggio di Drake si aprì tra la punta meridionale del Sud America e l’Antartide (~ 32-30 milioni di anni fa), creando un passaggio profondo senza restrizioni per far fluire l’acqua fredda dell’oceano nell’Antartide e fornire un mezzo per mescolare e scambiare acqua tra i principali oceani globali.

Allo stesso modo, quando le masse di terra si scontrano o la nuova terra viene sollevata, una porta esistente può essere chiusa, limitando così il flusso di acqua dell’oceano e lo scambio di calore da un’area all’altra. Quest’ultimo si è verificato di recente quando lo sviluppo dell’istmo di Panama circa 5 milioni di anni fa ha creato un ponte terrestre continuo tra il Nord e il Sud America, chiudendo la Seaway centroamericana che aveva collegato gli oceani Pacifico e Atlantico.

Prima della creazione di questo ponte di terra, le acque superficiali erano in grado di fluire dal Pacifico all’Atlantico, mescolando i due corpi idrici e bilanciando la loro salinità. Una volta chiusa la porta, questo scambio si interruppe e la salinità tra i due corpi d’acqua cambiò. Quando l’acqua evaporò dall’Atlantico tropicale, lasciò le acque oceaniche più salate e il vapore acqueo evaporato fu trasportato dagli alisei ad ovest, dove fu depositato come pioggia nell’oceano Pacifico e ridusse la salinità di quell’oceano. La barriera fisica tra i due oceani ha intensificato la Corrente del Golfo, che ha attirato le acque calde, e ora molto più salate, dell’Atlantico tropicale verso nord fino all’Atlantico settentrionale, portando calore e umidità alle latitudini più elevate. L’assorbimento di questo aumento di calore e umidità da parte dell’atmosfera ha lasciato l’acqua fredda, densa e salata per affondare nel fondo dell’oceano, dove è tornata nell’Oceano Antartico e infine negli oceani Indiano e Pacifico, prima di mescolarsi con acque più calde e tornare nell’Atlantico tropicale. Si ritiene che l’aumento dell’umidità nell’atmosfera settentrionale abbia portato a un aumento della pioggia e della neve nei continenti settentrionali e alla fine abbia portato a una maggiore quantità di acqua dolce nell’oceano artico che potrebbe essere utilizzata per la formazione del ghiaccio marino. Sia la formazione di ghiaccio marino sia la maggiore quantità di acqua fresca che ritorna nel Nord Atlantico avrebbe contribuito a contrastare gli effetti del calore trasportato dalla Corrente del Golfo, creando le condizioni per il raffreddamento dell’Artico e la crescita della calotta glaciale. È molto probabile che queste condizioni abbiano contribuito all’insorgenza della glaciazione dell’emisfero settentrionale a circa 2,7 milioni di anni fa e all’inizio dell’attuale era glaciale.

Elevazione e costruzione delle montagne

Alcuni scienziati ipotizzano che i cambiamenti climatici causati dall’elevazione tettonica siano fondamentali per lo sviluppo delle ere glaciali. I movimenti della placca causano il sollevamento di grandi blocchi continentali quando una placca si sposta su un’altra su un confine convergente o quando due lastre si scontrano e spingono verso l’alto. Tipicamente, le catene montuose si formano lungo questo confine convergente e, in casi estremi, i grandi blocchi continentali vengono sollevati per formare ampi altopiani attorno alle catene montuose. Ad esempio, la collisione delle piastre indiane ed eurasiatiche durante il cenozoico medio provocò il sollevamento dell’altopiano tibetano e delle montagne dell’Himalaya. Queste masse terrestri elevate possono influenzare i climi regionali e globali in diversi modi. In primo luogo, le catene montuose presentano ostacoli fisici ai modelli di circolazione atmosferica esistenti, costringendo il flusso d’aria a salire e/o intorno a loro, aumentando le velocità del vento e creando vortici di vento. A livello regionale, le montagne incidono sui modelli di precipitazione aumentando la quantità di precipitazione sul lato del vento (il lato da cui scorrono i venti) e creando un effetto pioggia-ombra (diminuzione delle precipitazioni e condizioni molto più secche) sul lato sottovento delle montagne .

In secondo luogo, le temperature più fredde, e spesso le condizioni più umide, riscontrate nelle quote più elevate delle aree montuose offrono condizioni favorevoli per lo sviluppo di ghiacciai e calotte glaciali. Questo, a sua volta, può indurre il meccanismo di feedback dell’albedo di ghiaccio (vedi sotto), in cui grandi quantità di radiazione solare in arrivo vengono riflesse nello spazio, portando a temperature più basse e aumento di neve e ghiaccio.
In terzo luogo, il processo di sollevamento tettonico e la creazione di aree montuose espongono le nuove superfici rocciose di silicato agli agenti atmosferici, un processo che scompone la roccia in pezzi fisicamente più piccoli e/o altera chimicamente i minerali in una roccia per formare nuovi minerali. L’erosione chimica delle rocce di silicato si verifica quando l’anidride carbonica (CO₂) atmosferica si combina con l’acqua piovana per formare acido carbonico e l’acido reagisce con i silicati per creare nuovi minerali. Il carbonio atmosferico disciolto viene quindi trasportato dai fiumi negli oceani, dove viene intrappolato nelle acque oceaniche profonde per migliaia di anni o immagazzinato in sedimenti marini o coralli per periodi di tempo ancora più lunghi. Questo processo rimuove grandi quantità di CO₂ atmosferica, riducendo efficacemente le concentrazioni complessive di questo gas serra nell’atmosfera. Una riduzione generale della quantità di anidride carbonica nell’atmosfera può contribuire allo sviluppo delle ere glaciali abbassando le temperature globali, sebbene sia improbabile che le concentrazioni di CO₂ da sole possano effettivamente innescare un’era glaciale.
Sebbene gli scienziati discutano ancora del ruolo che il sollevamento dell’Himalaya ha avuto all’inizio della tarda era glaciale cenozoica, la maggior parte dei ricercatori concorda sul fatto che questo grande evento abbia contribuito in qualche modo all’iniziare l’attuale periodo di raffreddamento.

Processi su scala ridotta: cambiamenti orbitali e cicli di Milankovitch

Gli scienziati comprendono di più sul motivo per cui si verifica il ciclo glaciale/interglaciale durante un periodo freddo piuttosto che sul perché in primo luogo si verificano periodi di raffreddamento su larga scala. Ciò è dovuto in gran parte alle enormi quantità di dati che gli scienziati hanno raccolto sull’attuale era glaciale. La variazione dell’orbita terrestre nel tempo provoca cambiamenti nella quantità e nella distribuzione della luce solare (e di altre radiazioni solari) che raggiungono la superficie terrestre. Si ritiene che questi cambiamenti influenzino lo sviluppo delle calotte glaciali. Sebbene l’idea che la variazione dell’orbita terrestre causi cicli glaciali-interglaciali abbia avuto origine a metà del 1800, Milutin Milankovitch l’ha resa popolare per la prima volta intorno al 1920. Sebbene l’ipotesi di Milankovitch non sia stata ampiamente accettata inizialmente, i dati raccolti durante gli anni ’70 ne hanno ampiamente supportato. Tre parametri orbitali sono particolarmente importanti nel causare la calatura e la calata della calotta glaciale:

1. Cambiamenti nell’eccentricità dell’orbita terrestre
2. Cambiamenti nell’inclinazione dell’asse terrestre
3. La precessione degli equinozi.

In combinazione, questi fattori influenzano la quantità e la distribuzione della radiazione solare che raggiunge la Terra (insolazione). A causa delle diverse periodicità di variazione dei tre fattori, le variazioni composite della radiazione solare sono molto complesse. Questo grafico mostra la radiazione solare in arrivo negli ultimi 600.000 anni per l’estate a 65 gradi di latitudine nord. Nota i cambiamenti complessi che si verificano nella curva. La curva è stata derivata usando i valori variabili dell’eccentricità dell’orbita, dell’inclinazione dell’asse e della precessione degli equinozi. Sebbene le connessioni non siano ovvie e dirette, si ritiene che i cambiamenti nella quantità di radiazione solare guidino la crescita e lo scioglimento dei principali strati di ghiaccio. Negli ultimi 750.000 anni le calotte glaciali si sono espanse negli Stati Uniti del Midwest almeno otto volte importanti.

Eccentricità

L’orbita terrestre attorno al sole non è un cerchio, ma piuttosto un’ellisse. La forma dell’orbita ellittica, misurata dalla sua eccentricità, varia tra l’uno e il cinque percento nel tempo. L’eccentricità influisce sulla differenza nelle quantità di radiazione che la superficie terrestre riceve all’afelio, il punto sulla sua orbita in corrispondenza del quale la Terra è più lontana dal sole e al perielio, il punto sulla sua orbita in corrispondenza del quale la Terra è più vicina al sole.

L’effetto della variazione di radiazione è di modificare il contrasto stagionale negli emisferi nord e sud. Ad esempio, quando l’orbita è altamente ellittica, un emisfero avrà estati calde e inverni freddi; l’altro emisfero avrà estati calde e inverni freddi. Quando l’orbita è quasi circolare, entrambi gli emisferi avranno contrasti stagionali simili nella temperatura. Sebbene la quantità di cambiamento nelle radiazioni sia molto piccola (inferiore allo 0,2%), è apparentemente estremamente importante nell’espansione e nello scioglimento delle calotte glaciali. L’eccentricità dell’orbita terrestre varia in modo periodico.
La periodicità primaria è di circa 100.000 anni.

L’asse terrestre è inclinato rispetto alla sua orbita attorno al sole. Oggi l’inclinazione è di circa 23,5 gradi. L’inclinazione varia da 21,6 a 24,5 gradi in modo periodico. Un grafico dell’inclinazione negli ultimi 750.000 anni mostra che il periodo dominante di questa variazione è di circa 41.000 anni. I cambiamenti nell’inclinazione dell’asse terrestre causano grandi cambiamenti nella distribuzione stagionale delle radiazioni alle alte latitudini e nella lunghezza del periodo buio invernale ai poli. Le variazioni di inclinazione hanno un effetto molto limitato sulle basse latitudini. Gli effetti dell’inclinazione sulla quantità di radiazione solare che raggiunge la Terra sono strettamente collegati agli effetti della precessione. La variazione di questi due fattori provoca variazioni delle radiazioni fino al 15% ad alte latitudini. La variazione di radiazione di questa entità influenza notevolmente la crescita e lo scioglimento delle calotte glaciali.

Precessione degli equinozi

Due volte l’anno, gli equinozi, il sole è posizionato direttamente sull’equatore. Attualmente gli equinozi si verificano circa il 21 marzo e il 21 settembre. Tuttavia, poiché l’asse di rotazione della Terra “oscilla” (come una trottola), i tempi degli equinozi cambiano. Il cambiamento nei tempi degli equinozi è noto come precessione. Sebbene i tempi degli equinozi non siano di per sé importanti nel determinare il clima, anche i tempi dell’afelio e del perielio terrestri cambiano. Come i tempi degli equinozi, anche i tempi dell’afelio e del perielio sono influenzati dall’oscillazione dell’asse di rotazione.

Il cambiamento di afelio e perielio è importante per il clima perché influenza l’equilibrio stagionale delle radiazioni. Ad esempio, quando il perielio cade a gennaio, l’inverno dell’emisfero settentrionale e l’estate dell’emisfero meridionale sono leggermente più caldi rispetto alle stagioni corrispondenti negli emisferi opposti. L’afelio e il perielio cambiano posizione sull’orbita attraverso un ciclo di 360 gradi. Il ciclo ha due periodi di circa 19.000 e 23.000 anni. Insieme, si combinano per produrre una periodicità generalizzata di circa 22.000 anni. Il grafico sopra illustra la precessione dell’equinozio negli ultimi 750.000 anni. La precessione è espressa come la longitudine del perielio dall’equinozio di primavera. La linea blu traccia la precessione; la linea rossa mostra il valore odierno per il confronto. Gli effetti della precessione sulla quantità di radiazione solare che raggiunge la Terra sono strettamente collegati agli effetti dell’inclinazione. La variazione di questi due fattori provoca variazioni delle radiazioni fino al 15% ad alte latitudini.
La variazione di radiazione di questa entità influenza notevolmente la crescita e lo scioglimento delle calotte glaciali.

Meccanismi di feedback

Mentre i cambiamenti climatici globali, verso il riscaldamento o il raffreddamento, variano le risposte all’interno del sistema possono agire per rafforzare o indebolire la direzione del cambiamento influenzando i processi che guidano quel cambiamento. Quando una risposta lavora per amplificare i disturbi al sistema climatico, aumentando la destabilizzazione del clima prevalente, viene chiamato un meccanismo di feedback positivo. I meccanismi di feedback negativo funzionano per smorzare gli effetti di un disturbo e fornire un’influenza stabilizzante sul sistema più grande. Ad esempio, quando le calotte glaciali iniziano a formarsi in un clima globale di raffreddamento, aumentano la quantità di radiazione solare (insolazione) che viene riflessa nello spazio (albedo), piuttosto che assorbita dal suolo e dalla vegetazione, con conseguenti temperature più basse e più favorevoli condizioni per la continua crescita della calotta glaciale. Pertanto, la formazione stessa delle calotte glaciali durante uno spostamento verso un clima più freddo istituisce un meccanismo di feedback positivo per il continuo cambiamento globale in un clima “casa fredda”. La crescita delle calotte glaciali potrebbe non aver causato il cambiamento iniziale verso un clima più fresco, ma supportano e amplificano tale cambiamento. Allo stesso modo, con l’aumentare della temperatura globale e con lo scioglimento delle calotte glaciali, l’albedo superficiale della Terra (riflettività) si riduce, consentendo una maggiore insolazione da assorbire dal suolo, dalla vegetazione e dagli oceani. Questo a sua volta riscalda la superficie terrestre, il che porta a una maggiore fusione, e così via, in un ciclo autorinforzante. In entrambi i casi, i cambiamenti nell’albedo di superficie servono ad amplificare i cambiamenti nel sistema, creando un circuito di feedback positivo per la direzione prevalente del cambiamento climatico.

Allo stesso modo, il vapore acqueo atmosferico funge da amplificatore a feedback positivo per i cambiamenti climatici indotti da altri gas serra, come CO₂ e metano. Man mano che l’atmosfera si riscalda, viene evaporata una maggiore quantità di acqua superficiale e aumenta la quantità di vapore acqueo nell’atmosfera. L’aumento del vapore acqueo atmosferico assorbe quindi più calore infrarosso termico riflesso dalla terra, che a sua volta riscalda ulteriormente l’atmosfera e aumenta i tassi di evaporazione.
Fortunatamente, esistono feedback negativi per evitare che questo processo diventi un ciclo di fuga. Ad esempio, un aumento del vapore acqueo atmosferico porta ad un aumento della formazione di nuvole, che aiuta a ridurre le temperature globali riflettendo più radiazioni solari in entrata prima che raggiungano la superficie.

Al contrario, gli agenti chimici tendono ad agire come un meccanismo di feedback negativo debole sul sistema climatico globale. Come discusso in precedenza, le intemperie chimiche si verificano quando l’anidride carbonica atmosferica si dissolve nell’acqua piovana per formare un acido debole e questo acido scompone le superfici rocciose esposte in ioni chimici che vengono trasportati nell’oceano attraverso le acque sotterranee e il deflusso superficiale. L’erosione delle rocce di silicato in questo modo crea ioni bicarbonato (HCO₃-) che alla fine vengono incorporati nella calcite (conchiglie marine) e immagazzinati in modo più permanente nei sedimenti marini e nelle rocce carbonatiche (ad es. Calcare). In questo modo, l’erosione chimica delle rocce di silicato agisce come un pozzo di carbonio atmosferico, poiché estrae il carbonio dall’atmosfera e lo converte attraverso reazioni chimiche in una forma che può essere bloccata per migliaia di anni o più. Gli agenti atmosferici chimici hanno un effetto di feedback negativo sui sistemi climatici globali perché i tassi di agenti atmosferici dipendono dalla temperatura. Man mano che le temperature globali aumentano, si verificano più agenti atmosferici, con conseguente riduzione delle quantità di carbonio atmosferico e diminuzione delle temperature atmosferiche, e successivamente tassi più bassi di agenti atmosferici.

Referenze:
William W. Hay · Emanuel Soeding, Robert M. DeConto · Christopher N. Wold. 2002. The Late Cenozoic uplift – climate change paradox. International Journal of Earth Science 91:746–774.

Fai clic per accedere a hayetal.pdf