Programma del Corso:

- Il sistema climatico e i suoi componenti

- Gli Archivi e i Proxy del clima nel passato geologico

- Storia del clima nel passato geologico

PALEOCLIMATOLOGIA E PALEOCLIMATOLOGIA E PALEOCEANOGRAFIAPALEOCEANOGRAFIA

Prova di esame:Verifica orale (o scritta, su richiesta, per gli amanti del rischio)

Orario delle lezioni:

Lunedì h. 11.30-13.15 Aula 2L

Martedì h. 15.30-17.15 Aula 1C

Giovedì h. 14.30-15.15 Aula 2L

Prevista una parte pratica in Aula Informatica; possibile un’escursione sul campo (K/T, P/E)

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Materiale didattico:- Appunti e dispense (.pdf/.ppt, distribuiti alla conclusione di ogni “blocco” di lezioni)

Testi di consultazione:- R. Bradley - Paleoclimatology. Reconstructing climates of the Quaternary, Academic Press

- C. Cockell (ed.) - An introduction to the Earth-Life system, Cambridge Press

- W. Ruddiman - Earth’s climates: past and future, W.H. Freeman

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INTRODUZIONE

Tempo meteorologico (weather): insieme di eventi e

caratteri transitori che si sviluppano a scala locale, ma ripetibili infinite

volte in infiniti momenti e luoghi

Clima: proiezione, mediata a lungo termine, delle condizioni

meteorologiche previste in una specifica area geografica in un determinato

periodo dell’anno

DATO QUALITATIVO (=STIMA): caldo/freddo, asciutto/umido…

DATO QUANTITATIVO: T e P clima tropicale/subtropicale/temperato…

Climogramma P-T

Carta dei climi tipo Köppen-Geiger

Ciascuna “cella” climatica è un sistema aperto, e fa parte di una

rete di teleconnessioni che permettono (o inducono):

• flussi di energia: calore

• flussi di materia: fluidi (aria e acqua) e sospensione solida

•fenomeni migratori dei produttori primari (e, a cascata, dei

consumatori) migrazioni umane?

Obiettivo:

raggiungimento di un equilibrio a scala globale

entro il sistema climatico

IL SISTEMA CLIMATICO

E’ il risultato di complesse interazioni fra ATMOSFERA, IDROSFERA, CRIOSFERA, TERRA SOLIDA e BIOTA per mezzo di processi chimici, fisici, geologici e biologici

DINAMICHE DEL SISTEMA CLIMATICO

Il sistema climatico è il risultato di un processo input-output:

IN:FORZANTI (climate forcing) – permettono e favoriscono l’interazione fra le componenti del sistema climatico, sia in modo diretto che attraverso meccanismi di feedback;

OUT:RISPOSTE (climatic responses) – risultato dei processi interativi e autonomi fra le componenti del sistema climatico “prodotti” di singole componenti o del rapporto fra più componenti

La coesistenza di forzanti e risposte mantiene il sistema climaticoin permanenti condizioni di equilibrio instabile

FEEDBACK

Processo in cui i risultati di un evento recorsivo influenzano l’evento stesso nel futuro.

In climatologia, i meccanismi di feedback influenzano la velocità e l’ampiezza dei cambiamenti rispetto alle condizioni iniziali.

•Se il fenomeno coinvolto viene accelerato/amplificato, si parla di feedback positivo (o di retroazione positiva);

•Se il fenomeno viene rallentato/ridotto, si parla di feedback negativo (o di retroazione negativa).

SINERGIE

Oltre ai feedback, in cui l'effetto interagisce con la causa, esistono SINERGIE: un effetto maggiore della somma degli effetti che si ottengono agendo separatamente.

Esempio: i gas CFC distruggono l'ozono atmosferico e allo stesso tempo contribuiscono all'effetto serra

Gli effetti della sinergia aumentano:

meno ozono = più radiazioni ultraviolette a terra;più radiazioni ultraviolette a terra = danni alle alghe marine che fissano CO2;danni alle alghe marine che fissano CO2 = più CO2 accumulata nell'atmosfera;più CO2 accumulata nell'atmosfera = maggiore effetto serra.

Schema semplificato delle dinamiche di riequilibrio climatico sotto la pressione di forzanti interne ed esterne

AA

BB

CC

DEVIAZIONI DALLO STATO DI EQUILIBRIO

La pressione delle forzanti può agire con tempi e intensità diversi, che danno origine a risposte diverse nel sistema climatico.

Se la pressione delle forzanti è eccessiva, il sistema climatico non riesce a mantenere l’equilibrio (steady-state) fra le sue componenti.

Ricerca dell’equilibrio tramite processi di attivazione - intensificazione - cambiamento dei feedback all’interno del sistema climatico

IMPORTANTE:

L’acquisizione di un nuovo stato di equilibrio NON IMPONEuna modificazione nel clima medio (misurato)!

MODIFICAZIONI SENSIBILI NEL CLIMA MEDIOVariazioni nella risposta del sistema climatico, non nella sue dinamiche

risposta diretta e proporzionale alla pressione delle forzanti

Variabilità climatica: scostamento naturale, periodico o quasi-periodico, rispetto al clima

locale medio (es. periodi ricorrenti più caldi o più piovosi) con possibili teleconnessioni a

grande scala (es. El Niño, le glaciazioni del Quaternario…)

Episodi climatici: perturbazioni del clima locale medio indipendenti dalla sua variabilità

naturale (per frequenza e/o ampiezza), con possibili teleconnessioni a grande scala

Time Time

CAMBIAMENTI NEL SISTEMA CLIMATICOPeriodi di riorganizzazione del sistema climatico

( delle sue dinamiche interne, non solo delle risposte) in seguito a:

pressione anomala da parte delle forzanti

riorganizzazione forzata dei processi di feedback

perturbazioni interne alle singole componenti del sistema (es. comparsa/scomparsa delle

calotte glaciali)

DETERMINANO:

• Eventi climatici: modificazioni transienti, che non apportano cioè modificazioni permanenti nel

sistema climatico;

• Transizioni/rivoluzioni climatiche: modificazioni ± graduali con effetti ± persistenti sui ritmi e

sull’ampiezza della variabilità climatica naturale

E’ possibile riconoscere solo a posteriori se una certa modificazione del clima è transiente o induce effetti a lungo termine

LE SOGLIE CLIMATICHELa “pressione” delle forzanti spinge il sistema a rompere il suo stato di equilibrio. In condizioni “normali” (steady-state), tali pressioni sono compensate (tramite feedback) dal sistema climatico, e non comportano cambiamenti maggiori “effetto tampone”

Il clima non cambia in modo significativo se non si supera una soglia.

Soglia climatica: limite virtuale oltre cui si attiva un cambiamento (potenzialmente reversibile) nelle interazioni interne e nelle risposte (output) del sistema climatico

Soglia climatica critica: limite virtuale oltre cui il cambiamento nelle interazioni interne e nelle risposte (output) del sistema climatico diventa “stabile”

A) Condizioni stepped steady-state:

Il sistema climatico riesce a mantenere lo stato originale di equilibrio fra le sue componenti.

Fasi di accelerazione nella pressione delle forzanti possono indurre step climatici, che non comportano cambiamenti significativi (effetto tampone) finchè il sistema rimane al di sotto della soglia climatica

Steady-state regime

Re-assessment via enhanced feedback processes

Forcing triggersdisequilibrium

Climatic threshold

Climatic threshold

Forcing triggersmajor

disequilibrium

Unstable (reversible) regime

Feedback processes restore pre-event conditions

Critical climatic threshold

Steady-state regime

Forcing triggers critical

disequilibrium

Feedback processes can not keep pace with critical forcing pressure

Climatic threshold

Steady-state regime

Time

B) Condizioni sopra-soglia:

Si instaura un regime climatico differente con diverse interazioni e risposte; tuttavia, il sistema è perturbato in modo reversibile e tende a ritornare alle condizioni precedenti (sotto soglia) tramite l’attivazione/intensificazione dei feedback fra le sue componenti, purchè la pressione delle forzanti non sia eccessiva (nel qual caso, il sistema passa ad un altro stato o si mantiene in disequilibrio forzato)

C) Condizioni sopra-soglia critica:

Cambia il ruolo delle diverse componenti del sistema ed il regime climatico risponde ad interazioni e risposte del tutto diverse nuovo stato di equilibrio. Il sistema oscilla attorno a diversi valori medi ed il ritorno alle condizioni (A) può avvenire solo in risposta ad una pressione inversa da parte delle forzanti

“L’EFFETTO PAPERELLA”Immaginiamo una vasca da bagno entro cui galleggia una paperella di gomma. La vasca rappresenta un SISTEMA, su cui agisce una FORZANTE esterna (il rubinetto). Questa stressa il sistema iniettandovi acqua, che interagisce con le COMPONENTI del sistema (tappo di scarico, foro del “troppo pieno”). La RISPOSTA del sistema (output) è il defusso di acqua attraverso lo scarico.

La situazione può essere considerata “tranquilla” quando il livello dell’acqua nella vasca rimane adeguatamente al di sotto del bordo, ma diventa allarmante se il livello aumenta e l’acqua rischia di traboccare.

In altre parole, noi consideriamo il sistema stabile se il bilancio fra l’input della forzante e l’output mantiene il sistema sotto la soglia critica; a livello di soglia (è il “troppo pieno”) la reattività del sistema alla pressione della forzante è massima.

INPUTINPUTForzante esterna al sistemaForzante esterna al sistema

SOGLIALimite interno al

sistema

SOGLIA CRITICACapacità massima del sistema

OUTPUTRisposta del sistema

OUTPUTRisposta del sistema

Scenario 1Vasca con scarico aperto, dove il flusso del rubinetto viene immediatamente e completamente espulso. La paperella non galleggia, e mantiene il suo stato di quiete.Steady-state in cui input ≤ output

Scenario 2Si chiuda lo scarico: il flusso dal rubinetto non viene espulso e la vasca gradualmente si riempie, rimanendo sotto soglia (può essere uno stepped steady-state). Il livello cresce liberamente a causa della minima reattività del sistema.Situazione in cui input >> output

SOGLIAL’acqua raggiunge il “troppo pieno” (=soglia), ma il flusso che arriva dal rubinetto viene smaltito e l’acqua non trabocca (la paperella rimane sotto-soglia). Massima reattività del sistema alla forzante.Situazione steady-state a livello di soglia in cui input = output

SOPRA LA SOGLIA CRITICAIl troppo pieno non riesce a scaricare l’acqua: la vasca è colma e inizia a traboccare; la paperella viene trascinata dalla corrente. Il sistema è passivo nei confronti della forzante.Situazione steady-state sopra soglia critica, dove input ≥ output

a) INTERVENTO SULLA FORZANTEChiudiamo il rubinetto: l’acqua ritorna lentamente a livello del troppo

pieno (livello di soglia)

b) INTERVENTO SULLA RISPOSTAApriamo lo scarico: se quest’ultimo è sufficientemente capace, l’acqua lentamente scende di livello (fino ad una determinata quota di equilibrio)Minimo output relativo

c) INTERVENTO SIA SULLA FORZANTE CHE SULLA RISPOSTAChiudiamo il rubinetto e apriamo lo scarico: la vasca ritorna rapidamente sotto-soglia fino a svuotarsiSistema a bilancio negativo

NESSUN INTERVENTO?Il sistema rimane sopra la soglia critica finchè la paperella cade sul pavimento, dove raggiunge un nuovo stato di equilibrio.

MODELLI vs. SISTEMI NATURALII sistemi naturali (fra cui il sistema climatico) sono formati da un numero sterminato di componenti, che interagiscono in modo complesso (e, spesso, a noi ignoto).

Es., le principali forzanti conosciute:sono solo 3 (esterne alla Terra: Sole; interne: gas serra, tettonica), ma riescono a determinare “risposte” infinitamente complesse.

Il sistema climatico non è riproducibile da modelli artificiali (se non in modo elementare), e produce quindi risposte per gran parte imprevedibili.

Come verificarne la validità? Non certo in provetta...

IL PASSATO È LA CHIAVE PER CAPIRE IL FUTURO!STUDIO DEL RECORD “FOSSILE”: PALEOCLIMATOLOGIA

Tuttavia, riducendo il numero di variabili è possibile sviluppare modelli matematici molto precisi. Problema...

PALEOCLIMATOLOGIA

E’ lo studio dei cambiamenti del clima terrestre verificatisi nel corso del passato

geologico.

La disciplina si avvale di numerosi proxy, sia biotici che abiotici, che forniscono

informazioni da archivi differenziati quali rocce, coltri glaciali, tronchi d’albero,

coralli, fossili, etc.

A differenza della Climatologia, la Paleoclimatologia si avvale di deduzioni e

non di osservazioni strumentali (è il drammatico limite del metodo)

Storicamente, la Paleoclimatologia è una disciplina di competenza dei geologi

perchè:

a)è indispensabile inquadrare gli eventi nel tempo in base ad una CRONOLOGIA

dettagliata; biologi ed ecologi non concepiscono il Deep Time!

b)i geologi riescono a “leggere” nel paesaggio e nelle rocce informazioni basilari

che altri specialisti non sanno raccogliere ne’ interpretare.

GEOLOGIA E PALEOCLIMA

PALEOCLIMATOLOGIA “TRADIZIONALE”:qualche esempio

Masso erraticoYosemite Park, USA

Cordoni moreniciLago della Bargetana, Appennino reggiano

IL PAESAGGIO mostra “cicatrici” dell’azione di ghiacciai in aree attualmente caratterizzate da clima mite.Nella prima metà dell’800, il naturalista svizzero Louis Agassiz ipotizzò (suscitando infinite polemiche) che la Terra fosse stata interessata, in tempi recenti, da una grande glaciazione con ghiacciai alpini sino alle pianure

Arctica islandicaPleistocene inferiore della Sicilia

Strombus buboniusPleistocene medio della Puglia

IL RECORD BIOTICO - 1Già nel XIX secolo si riconosceva la presenza anomala, nei sedimenti quaternari del Mediterraneo, di fossili “esotici” (tipici di ambienti tropicali o subpolari)

IL RECORD BIOTICO - 2Si rinvengono fossili di grossi rettili e di piante megaterme in aree oggi proibitive, o quantomeno difficili, anche per forme microterme e/o adattate a condizioni estreme

Champsosaurus sp., rinvenuto nelle rocce cretacee della Axel Heiberg Island (Mar Artico del Canada,

oltre 70° N)

VITA E (PALEO)CLIMA

Evidenza: Il clima controlla la composizione e la distribuzione del biota.

Tesi: il biota è soggetto a processi evolutivi (in modo complesso) Possono i cambiamenti climatici indurre evoluzione nel biota?

...è altrettanto vero che il biota infuenza pesantemente il clima!

Ipotesi difficile da verificare: è il principio dell’uovo e della gallina

1) L’IPOTESI DELLA RED QUEEN

L. van Valen (1973): “for an evolutionary system, continuing development is needed just in order to maintain its fitness relative to the systems it is co-evolving with”.

Quindi: la continua competizione (o cooperazione) fra le specie è il motore principale dell’evoluzione nel tempo geologico (“deep time”).

Esempi:-la Mesozoic Marine Revolution ( aumento di biodiversità nei mari Mesozoici, Cretaceo in particolare) viene interpretata come risultato dell’interazione predatore-preda (a migliorati metodi di attacco, migliori sistemi di difesa);

-la diversificazione sulle terre emerse nel Cretaceo è interpretabile come risultato delle interazioni evolutive fra le “nuove” angiosperme e gli insetti.

“The Red Queen said, ‘It takes all the running you can do, to keep in the same place’ ”L. Carrol, Through the looking glass

Il clima NON controlla l’evoluzione

Teoria sviluppata da C.H. Smith (1984), nota anche come“just good luck” o “being in the right place at the right time”

…le estinzioni (di massa e minori) sono legate a variazioni climatiche e/o ambientali. Esse sterminano le specie, non importa quanto queste siano adattate all’ambiente, liberando conseguentemente nicchie ecologiche (creandone eventualmente di nuove) entro cui si possono espandere i fortunati sopravvissuti.

2) IL MODELLO STAZIONARIO

Il clima è uno dei principali ‘motori’ dell’evoluzione

LA GRANDE DOMANDA IRRISOLTA:COS’E’ PIU’ IMPORTANTE?

Competizione o cambiamenti climatico-ambientali?

Sostanzialmente... non lo sappiamo, anche se i rapidi aumenti di diversità (legati alla competizione) sembrerebbero il processo dominante.

...e se questi due processi fossero invece parte di un “sistema” integrato?

Ipotesi di Gaia

L’IPOTESI DI GAIAJ. Lovelock & L. Margulis, 1974 - Atmospheric homeostasis by and for the biosphere: the Gaia Hypothesis

J. Lovelock, 1979 - Gaia. A New Look at Life on Earth

“la Vita, o Biosfera, regola e mantiene il clima e la composizione atmosferica ad uno stato per sé ottimale”

Il Pianeta Terra viene visto come un “super-organismo”(cf. Hutton): una novità in tempi di deriva specialistica.

E’ una Weltanschauung OLISTICA (=di sistema) che si oppone al metodo RIDUZIONISTA (teoria dei piccoli ecosistemi):

i processi evolutivi non riguardano solo gli organismi o l'ambiente naturale, ma l'intera Gaia.

IL SISTEMA GAIA

non è sinonimo di biosfera ne’ di biota, che sono solo due degli elementi che lo compongono. Comprende invece:

Fattori limitanti, che stabiliscono i limiti superiori ed inferiori della vita (temperatura, salinità, etc.);

Organismi che crescono e si riproducono sfruttando ogni possibilità che l'ambiente concede loro;

Organismi soggetti alle leggi della selezione naturale darwiniana;

Organismi che modificano costantemente il loro ambiente per effetto di processi biologici (respirazione, fotosintesi, etc.).

Entro Gaia, i parametri chimico-fisici non rimangono costanti nel tempo

si mutuano i concetti di OMEOSTASI, OMEORRESI e AUTOPOIESI

AUTOPOIESI (Maturana & Varela, 1972 – Autopoiesis: the realization of the living)

Tutte le componenti biotiche del “Sistema Terra” lavorano al mantenimento di condizioni idonee alla propria esistenza grazie a feedback attivi, autonomi e INCONSAPEVOLI.

OMEOSTASIProcesso in cui le componenti di un sistema (es. Gaia) instaurano e mantengono una relazione di stazionarietà mediante loop di feedback negativi. Le risposte sono tese a mantenere il sistema alle sue condizioni iniziali (es. termostato).

OMEORRESISistema di tipo omeostatico in cui si attivano loop di feedback positivi in grado di spostare in modo irreversibile lo stato stazionario del sistema (es. iniezione di ossigeno nella protoatmosfera).

Nelle situazioni di non-equilibrio, i predatori prosperano se le prede sono abbondanti, e viceversa. Questa dinamica, controllata da feedback, continua con un andamento ciclico di crescita-decrescita.

EQUAZIONE DI LOTKA-VOLTERRA, O PREDA-PREDATORE

DAISYWORLD

Come può il Biota intervenire sulle dinamiche di Gaia modificando, ad esempio, il clima terrestre?

“Faint sun”

Terra “fredda”

Terra “bollente”

Terra “fresca”

Terra “in equilibrio”