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I cambiamenti climatici studiati con la stratigrafia isotopica

Il seguente articolo, frutto di ricerche e studi su pubblicazioni scientifiche, richiama l'attenzione sui cambiamenti climatici del passato studiati con il metodo della stratigrafia isotopica, la relativa abbondanza dell'isotopo di un elemento in rocce sedimentarie.

La stratigrafia isotopica si basa sullo studio degli isotopi in particolare dell'ossigeno e del carbonio. Le tecniche sugli isotopi dell’Ossigeno sono state messe a punto a partire dagli anni ’50 da Cesare Emiliani e ora gli “oxygen isotope stages” sono molto usati come base per la stratigrafia del Terziario e del Quaternario.

La tecnica può essere usata per stimare variazioni di paleotemperature, paleosalinità e di volume delle masse di ghiaccio. L’Ossigeno ha due isotopi stabili: 16O e 18O. Sono calibrati con la media standard dell’acqua oceanica (SMOW: Standard Mean Oceanic Water). In media negli oceani attuali SMOW = 18O/16O = 1/500 = 0.2%; lo SMOW è costante in ogni parte del mondo

COMPOSIZIONE ISOTOPICA DELL’ACQUA OCEANICA
L’18O è più pesante dell’16O, quindi evapora maggiormente l’isotopo più leggero; analogamente “piove” più 16O che 18O. Il risultato di questo processo è che si registra un progressivo arricchimento di 16O alle alte latitudini e nella neve: l’acqua H216O si accumula preferenzialmente nelle calotte polari.
Gli isotopi del Carbonio sono stati studiati a partire dagli anni ’70 per ottenere una stratigrafia isotopica del Carbonio e per avere informazioni sulla storia della paleoproduttività degli oceani.

METODOLOGIA
L’analisi di un solo campione può fornire dati isotopici sia del Carbonio che dell’Ossigeno.
Si intende come delta (δ) rapporto tra l’isotopo più pesante e quello più leggero.

δ18O=18O/16O δ13C=13C/12C

Oltre al campione in studio viene analizzato un campione standard, in modo da poter confrontare analisi eseguite in tempi diversi o con attrezzature diverse.

EVOLUZIONE CLIMATICA NEL TERZIARIO
I dati ottenuti sia da foraminiferi planctonici che bentonici concordano su un generale aumento di 18O nel tempo.
A. Nel Paleocene i valori di δ18O sono bassi e suggeriscono che le acque profonde fossero relativamente calde con un
B. marcato “optimum climatico” nell’Eocene inferiore.
C. La rapida discesa del δ18O durante l’Eocene e il crollo delle temperature al limite Eocene-Oligocene sono attribuiti al calo globale delle temperature, anche se non si può escludere l’influenza del primo sviluppo della calotta Antartica.
D. durante l’Oligocene le temperature sono rimaste piuttosto fresche.
E. la divergenza nei valori a partire dal Miocene medio si spiega con la presenza di acque superficiali più calde e di acque profonde più fredde e/o con l’espansione di calotte glaciali, come quella Antartica.
F. La rapida caduta dei valori di δ18O in acque profonde indica la formazione di ghiacci diffusi nell’emisfero Nord.

LA “ICEHOUSE” DEL QUATERNARIO
Se si assume che la temperatura delle acque profonde resti stazionaria durante i cicli glaciali-interglaciali, si possono ottenere informazioni sul volume dei ghiacci in base al δ18O di piccoli foraminiferi bentonici. Gli stadi isotopici di Emiliani caratterizzati da numeri dispari indicano le fasi calde; i numeri pari i periodi glaciali. Si sono verificati due massimi glaciali circa 150 mila e 20 mila anni fa (fasi 6 e 2). Variazioni rapide verso condizioni interglaciali sono datate circa 122 mila e 10 mila anni fa (fasi 5e e 1). Temporanei aumenti del volume di ghiaccio sono registrati 103 mila (5c), 82 mila (5a) e 40 mila (3) anni fa. La ricostruzione è confermata da molti dati in tutto in mondo (terrazzi in Nuova Guinea, carote glaciali in Antartide, etc.).

 

 


LE CAROTE DI GHIACCIO
Le carote di ghiaccio estratte dalle grandi calotte glaciali forniscono un record continuo e ad alta risoluzione dei cambiamenti climatici. Carote lunghe oltre 3 km sono state perforate in Groenlandia e in Antartide. Il ghiaccio dei ghiacciai è assimilabile a una roccia metamorfica formata da cristalli prodotti dalla deformazione provocata dal peso degli strati sovrastanti. Le precipitazioni nevose ricristallizzano sotto il peso degli accumuli successivi, trasformandosi in ghiaccio che intrappola al suo interno bolle gassose d’aria. Se si misurano gli isotopi dell’Ossigeno e la composizione delle bolle d’aria fossili, possiamo ricostruire le variazioni di temperatura e composizione dell’atmosfera del passato. In pratica si misurano le caratteristiche termiche e composizionali di campioni intatti dell’atmosfera del passato, imprigionata nei fiocchi di neve.
Negli anni ’90 del secolo scorso è stata perforata nei pressi della stazione antartica di Vostok una carota di ghiaccio profonda 3623 m, che comprende una sequenza temporale di 430 mila anni. I dati ottenuti sono fondamentali per capire le variazioni climatiche:
-vi è una correlazione molto stretta tra le variazioni della temperatura dell’aria antartica e i cambiamenti nella concentrazione nell’atmosfera dei gas serra (CO2 e NH4).
- I massimi e i minimi hanno un andamento ciclico regolare con una periodicità attorno a 100 mila anni.
- In tutti i quattro cicli documentati, le oscillazioni naturali ricadono entro limiti ben precisi. Le caratteristiche di queste curve uniformi e parallele sono tipiche di un sistema che ha capacità di autoregolarsi in modo da rendere il pianeta abitabile. La Terra avrebbe quindi capacità di mantenersi in equilibrio, riparando da solo eventuali danni.

 


ISOTOPI DEL CARBONIO
Il Carbonio non è solo un elemento fondamentale per la vita sulla Terra, ma regola il clima (tramite la CO2) e consente l’ossigenazione dell’atmosfera (tramite la fotosintesi). Sulla superficie terrestre il Carbonio si trova sia nei reservoir ossidanti (come CO2, HCO3- e minerali carbonatici), sia nei reservoir riducenti (materia organica, idrocarburi fossili e Carbonio nativo). Nei reservoir ossidanti la quantità di CO2 e HCO3- disciolta negli oceani è di gran lunga maggiore di quella presente come CO2 nell’atmosfera. Esistono due isotopi stabili del Carbonio: 12C (98.9%) e 13C (1.1%). Il rapporto 13C/12C nella CO2 gassosa nell’atmosfera (attualmente -7‰ PDB) è isotopicamente più leggero di quella di CO2 e HCO3- disciolti negli oceani (attualmente -7‰ PDB), ma un equilibrio isotopico è mantenuto a causa dell’effetto rimescolante di venti e onde.

LA POMPA CARBONICA DEL QUATERNARIO
Il ruolo della CO2 nelle variazioni climatiche è stato ipotizzato già dal XIX secolo, ma dimostrato solo nel 1983 da Shackleton et al.Infatti hanno provato che l’oscillazione del Δδ13C dei foraminiferi planctonici/bentonici negli ultimi 130000 anni è strettamente collegata alle variazioni del volume dei ghiacci desunta dai valori di δ18O. Δδ13C è maggiore durante le fasi glaciali e minore negli interglaciali. Ciò porta a supporre che la pressione della CO2 atmosferica fosse minore durante le fasi glaciali e maggiore nei periodi interglaciali, come confermato anche da misure dirette un carote di ghiaccio. Variazioni di Δδ13C possono anche indicare cambi sostanziali nella produttività primaria durante il ciclo climatico.

 

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