La ricostruzione
dei climi del passato

1. Introduzione

Fig. 1

L'argomento principale dell'attuale ricerca climatica è la previsione dell'andamento del clima nel prossimo secolo, soprattutto in relazione alle modifiche che potrebbero derivare dal potenziamento antropico dell'effetto serra (fig. 1).

Gli studi in proposito vengono sviluppati secondo due direzioni: i) messa a punto di modelli di scenario climatico e ii) ricostruzione della storia del clima nel corso della evoluzione geologica del Pianeta.

Per quanto riguarda il primo aspetto gli studi procedono attraverso le simulazioni effettuate con modelli matematici. Questi ultimi sono in genere modelli di circolazione generale dell'atmosfera (General Circulation Model o GCM) i quali, una volta simulata l'attuale situazione climatica (distribuzione delle temperature, delle piogge, della circolazione atmosferica...) vengono adattati in modo da prevedere il futuro andamento dei diversi parametri che definiscono il clima, sulla base della modifica del bilancio di energia del Pianeta derivante dall'aumento della concentrazione in atmosfera dei cosiddetti gas-serra. Una volta definito come sarà il nuovo clima, si valutano gli impatti sugli ecosistemi, sul livello del mare, sull'estensione dei ghiacciai, sull'ambiente fisico in generale e le possibili conseguenze sul piano economico e sociale. Come è ben noto, le simulazioni, prodotte in diversi centri di ricerca, sono concordi nell'indicare per la metà del secolo entrante un innalzamento della temperatura media planetaria compreso tra 1,5·C e 3,5·C. In conseguenza si avrebbe il parziale scioglimento dei ghiacci polari, l'innalzamento del livello del mare di circa 50÷60 cm, la modifica della circolazione generale dell'atmosfera e del ciclo idrologico, lo spostamento verso Nord delle foreste, la distruzione di molti ecosistemi, con danni non facilmente valutabili sull'ambiente naturale, su quello antropizzato e sulle attività produttive (agricoltura, industria, pesca, turismo, trasporti,....). Tuttavia questi risultati non debbono essere accolti acriticamente, poiché i modelli, anche se molto complessi, non includono, però, tutti i processi fisici che hanno luogo nel sistema climatico (fig. 2): quest'ultimo, infatti, comprende non solo l'atmosfera, ma anche l'idrosfera, la criosfera, la litosfera e la biosfera.

Fig. 2: rappresentazione del sistema climatico e dei processi di scambio tra i vari componenti

Tutti questi componenti andrebbero considerati non separatamente, ma unitariamente nel loro complesso: molto lavoro deve, pertanto, essere ancora svolto sia per valutare il ruolo dei componenti singolarmente presi, sia per approfondire i processi di interazione e retroazione che si verificano all'interno del sistema stesso.

Per quanto attiene al secondo aspetto, il lavoro è finalizzato ad una più approfondita conoscenza della storia climatica della Terra. Tale studio serve, innanzi tutto, per valutare se sia già rilevabile dalle analisi dei dati disponibili negli ultimi 100÷150 anni un qualche segnale di variazione legato all'azione dei gas serra, la cui concentrazione, a partire dalla rivoluzione industriale (seconda metà del Settecento), è aumentata di oltre il 30%. Inoltre, avendo il clima conosciuto nel corso della sua evoluzione fasi calde e fredde, si cerca di stabilire se sia possibile una qualche analogia tra ciò che è avvenuto nel passato e ciò che potrebbe accadere in futuro, in modo che il paventato cambiamento del clima non ci colga del tutto impreparati.

Nella presente nota, dopo un breve richiamo sulle metodologie di studio che si utilizzano per la ricostruzione dei climi del passato, sarà presentato lo stato attuale delle conoscenze, concludendo con alcune considerazioni sull'importanza di tali ricerche nell'ambito degli studi climatici e sulle attività svolte in Italia in questo campo.

2. Richiami sui metodi di ricostruzione dei paleoclimi

La ricostruzione dei climi del passato si basa, secondo la giusta definizione del climatologo svizzero Christian Pfister su prove di campo e su prove documentarie. Le prime si riferiscono a dati che testimoniano fenomeni legati al cambiamento del clima e la cui determinazione dipende dall'applicazione di metodi di studio propri delle scienze fisiche e naturali. Le seconde sono invece prove che si basano su documentazione in genere scritta e si riferiscono o a dati strumentali o a descrizioni di eventi rappresentativi di mutamenti del clima. Le prime evidenze danno la possibilità di risalire indietro nel tempo di decine o centinaia di migliaia di anni, le seconde invece consentono di ricostruire le variazioni climatiche recenti, quelle occorse in epoca storica, all'incirca negli ultimi tremila anni.

2.1 Prove di campo

Con questa dizione si intende un complesso di dati che sono raccolti da ricercatori attivi in diversi ambiti scientifici.

Va innanzi tutto ricordato il ruolo dei geologi, che attraverso le analisi stratigrafiche condotte sui terreni sedimentari indicano se determinati materiali si siano depositati in periodi umidi, quando prevale il contributo degli apporti fluviali o in periodi siccitosi quando si fa maggiormente sentire la erosione eolica. Inoltre, i geologi danno un supporto fondamentale agli studi per la datazione dei residui organici animali e vegetali presenti nei vari strati, in modo da stabilire, in collaborazione con paleontologi e botanici, se essi appartengano a specie che vivono o hanno vissuto in ambienti caldi o freddi. Un altro importante contributo riguarda la ricostruzione del livello del mare, che ha subito grandi variazioni nel corso della storia geologica della Terra e che, come ben noto, all'inizio dell'ultimo periodo postglaciale era di circa 2÷3 metri al di sopra del livello medio attuale. Anche i glaciologi concorrono in modo rilevante ad approfondire le nostre conoscenze sui climi passati. Essi, infatti, dai carotaggi effettuati nei ghiacciai in Artide (Groenlandia) e in Antartide riescono a ricostruire non solo la sequenza delle precipitazioni nevose nelle zone polari, ma anche l'andamento della temperatura dell'aria e della concentrazione di gas serra.

Fig. 3: lo spostamento in latitudine e in altezza dei limiti delle foreste, rivelato dai pollini, è indicativo di un possibile cambiamento climatico

Accanto all'attività degli studiosi di Scienze della Terra, va ricordato il lavoro dei naturalisti, soprattutto botanici, i quali sia attraverso le analisi palinologiche, sia attraverso gli studi dendroclimatici, ricavano utili informazioni circa il clima prevalente in una data località ed in una data epoca. Le analisi dei pollini, affiancate da un'affidabile datazione, consentono di stabilire se determinate specie vegetali abbiano subito migrazioni da un regione all'altra della Terra a causa di variazioni del clima (fig. 3). Le piante, infatti, subiscono spostamenti in latitudine ed altitudine, e l'avanzamento o arretramento di determinate specie vegetali, testimoniato dai pollini, può essere indicativo di un cambiamento del clima. Questo principio è abbastanza intuitivo se si pensa, come ognuno ben sa, che clima e vegetazione sono intimamente connessi, tanto che molti climatologi hanno ritenuto di basare le loro classificazioni climatiche proprio sulla distribuzione della copertura vegetale del terreno. La dendroclimatologia si basa sulla considerazione, peraltro già intuita dal genio di Leonardo, che l'accrescimento delle piante dipende da condizioni ambientali più o meno favorevoli, in particolare da disponibilità di acqua e da temperature miti. Esaminando, quindi, le caratteristiche degli anelli di accrescimento degli alberi si possono ricavare informazioni sull'andamento climatico. Nei periodi miti e piovosi, che favoriscono la crescita delle piante, gli anelli si presentano larghi e ben marcati, in periodi secchi o freddi sono invece molto sottili. Naturalmente l'esame deve tenere conto anche di quale sia il parametro più critico nella regione da cui provengono i campioni. Nelle zone secche il parametro più critico è la pioggia e gli anelli sottili corrispondono a periodi molto aridi, mentre gli anelli larghi rappresentano periodi umidi. Nelle regioni umide o fredde il parametro critico è la temperatura e quindi anelli sottili indicano annate molto fredde, mentre quelli larghi le annate più calde.

Questa rassegna, che non pretende di essere esaustiva, sarebbe senz'altro insufficiente ed incompleta se non venisse citato anche il contributo dei fisici. Va, innanzi tutto ricordata, come aiuto alla ricostruzione dei climi, la possibilità di datazione offerta dal metodo del carbonio14, che peraltro è troppo ben conosciuto per dovere essere descritto in questo articolo. È più interessante, perché meno noto, richiamare il metodo di ricostruzione climatica che si basa sulla determinazione del rapporto isotopico O16/O18. Quest'ultimo costituisce l'approccio più affidabile per avere indicazioni sulle transizioni tra le fasi glaciale ed interglaciale o tra particolari periodi con caratteristiche climatiche molto ben marcate. Il principio su cui il metodo si basa è legato alla misura del rapporto tra i due isotopi stabili dell'ossigeno in campioni prelevati o da ghiacciai o dall'oceano. Poiché il valore medio del rapporto prevalente nell'atmosfera e nell'oceano è noto, uno scarto significativo da tale valore indica un effetto legato alla temperatura. Il rapporto O16/O18 dipende, infatti, dalla evaporazione e l'O16, essendo più leggero, evapora maggiormente: mentre nei periodi caldi l'acqua evaporata entra nel ciclo idrologico e torna al mare in modo che il rapporto O16/O18 rimane costante, nei periodi freddi parte dell'acqua finisce in ghiaccio, la concentrazione di O16 si riduce ed il rapporto diminuisce. In particolare, se il campione è prelevato in strati di ghiaccio esso indica la temperatura alla quale la neve si era formata nell'aria sovrastante. Se il campione proviene da resti carbonatici raccolti in fondo all'oceano, occorre distinguere se si tratta di specie planctoniche (che vivono in prossimità della superficie del mare) o di specie bentoniche (che vivono in profondità): nel primo caso il rapporto dà informazioni sulla temperatura prevalente nelle acque del mare quando il campione era vivo, nel secondo il rapporto dà informazioni sulla temperatura prevalente in fondo al mare. Ogni organismo fissa l'ossigeno nel rapporto esistente in quel momento nell'acqua di mare dove vive; al momento della morte l'organismo mantiene nel guscio quel valore che può essere misurato con grande precisione. È interessante notare che l'andamento del rapporto O16/O18 presenta le stesse caratteristiche in tutti gli oceani sia nell'emisfero settentrionale sia in quello meridionale, anche a distanza di migliaia di chilometri tra un campionamento e l'altro: da questo si deduce che le variazioni riscontrate nel corso del tempo si riferiscono a cambiamenti che hanno coinvolto l'intero Pianeta o, come si usa dire, hanno avuto luogo a scala globale.

continua