del passato e cambiamenti climatici Massimo Frezzotti Progetto Speciale Clima Globale Sezione CLIM-OSS

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1 I I Giovedì della cultura scientifica CR Casaccia 19 Gennaio 2006 CRIOSFERA: composizione dell atmosfera del passato e cambiamenti climatici Massimo Frezzotti Progetto Speciale Clima Globale Sezione CLIM-OSS frezzotti@casaccia.enea enea.it

2 Sommario 1. I ghiacci polari come archivio naturale della storia del clima nell ultimo milione di anni. 2. La criosfera come porzione rilevante dell'idrosfera terrestre e componente essenziale nell'equilibrio ambientale del nostro pianeta. 3. Gli oceani polari come motore della circolazione oceanica e sorgente fredda del sistema termodinamico globale.

3 European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA) I ghiacci polari costituiscono l archivio l naturale più dettagliato e completo della storia del clima e dell atmosfera terrestre nelle ultime decine-centinaia di migliaia di anni. I due siti di perforazione nella calotta antartica orientale: Dome C (Concordia Station Francia-Italia) Dronning Maud Land (Kohnen Station Germania)

4 European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA) EPICA DC m ~ anni INCLUSIONI NEL GHIACCIO A 3270 m EPICA DML 15/1/ m > anni

5 European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA) δo Dome F (Watanabe et al., 2003) Vostok (Petit et al., 1999) δd Dome C (EPICA community members, 2004) δd k year BP

6 EPICA: Correlazione fra le carote di ghiaccio e le carote di sedimenti marini Holocene EPICA Last Glacial Period Eemian Correlazioni cronostratigrafiche tra le più antiche carote di ghiaccio ottenute mediante l uso l dei livelli di polveri vulcaniche (Narcisi et al., 2005 EPSL).

7 Bolle d aria fossile racchiuse nel ghiaccio Le bolle d aria d racchiuse nel ghiaccio sono vere e proprie capsule temporali atmosferiche. Attraverso il campionamento del ghiaccio, l analisi l dei gas contenuti nelle bolle e il raffronto con i campioni di atmosfera attuale, è possibile tracciare l evoluzione l della composizione dell atmosfera nel tempo. Foto l. Simion

8 Aumento della concentrazione di CO 2 : ultimi 1000 anni Le bolle d aria d racchiuse nel ghiaccio permettono di individuare il brusco aumento di gas ad effetto serra nell atmosfera associato all impiego dei combustibili fossili da parte dell uomo. Negli ultimi 1000 anni la concentrazione atmosferica di CO 2 è aumentata di circa 100 ppm (36%).

9 La carota di ghiaccio EPICA: Variazione di CO 2 e CH 4 negli ultimi anni Gli attuali contenuti di gas ad effetto serra in atmosfera, come l anidride carbonica (CO ppm) ed il metano (CH ppb), non sono mai stati così alti negli ultimi anni. 2005: +30% 380 ppm 2005: +130% 1780 ppb massimo valore 770 ppb minimo valore 350 ppb massimo valore 300 ppm I valori di CO 2 e temperatura mostrano lo stesso trend con uno sfasamento di circa 400 anni. minimo valore 180 ppm + 8 C - Spahni et al. Science 2005; Siegenthaler et al. Science 2005.

10 La carota di ghiaccio EPICA: Variazione di CO 2 e CH 4 negli ultimi anni La temperatura sembra essere guidata dal forzante astronomico e la CO 2 agisce da amplificatore con un processo di feedback positivo. La velocità di crescita del contenuto di CO 2, dall epoca pre-industriale ad oggi, è assolutamente eccezionale, circa 200 volte più rapida di quella registrata durante qualsiasi variazione climatica negli ultimi anni 2005: +30% 380 ppm + 8 C : +130% 1780 ppb massimo valore 770 ppb minimo valore 350 ppb massimo valore 300 ppm minimo valore 180 ppm Spahni et al. Science 2005; Siegenthaler et al. Science 2005.

11 Le perforazioni in ghiaccio: passato, presente e futuro EPICA DML ~250 ka, 2006 Berkner Island >30 ka Dome Fuji ~800 ka, 2006 NEW DRILL WAISCORE ~100 ka, 2008 Byrd 70 ka Siple Dome 97 ka Taylor Dome 130 ka Vostok 440 ka EPICA DC ~900 ka Talos Dome ~150 ka, 2007 Law Dome 120 ka

12 TALDICE: Progetto di perforazione a leadership italiana 2004/05 TALDICE TALDICE Project Name Talos Dome Ice Core Project Nation: Italy, France, Swiss, Germany, UK PI: M. Frezzotti ENEA, Italy Characteristics of the drill site: Location: ~157.5 W 73.5 S Elevation: 2315 m Thickness: ~1500 m Accumulation rate: ~ 80 mm/yr Mean annual temperature:~ -41 C Age of oldest ice: ~150 kyrs

13 Variazione di CO 2 e del livello del mare >35 milioni di anni fa CO ±250 ppm Livello mare +73 m Circa 32 milioni di anni fa CO 2 500±150 ppm Livello mare +45±5 m Preindustriale CO ppm Livello mare 0 m LGM 21 mila anni fa CO ppm Livello mare -130±10 m I dati geologici degli ultimi 50 milioni di anni mostrano chiaramente che variazioni della CO 2 in atmosfera sono correlate con sostanziali variazioni nel volume dei ghiacci e con variazioni del livello del mare. (Alley et al., Science 2005)

14 Risalita del livello del mare nel XX Secolo Sea level ( mm) Durante l ultimo secolo il livello degli oceani è risalito di 1.7 ± 0.3 mm a 1 con una accelerazione nell ultima parte del secolo di ± mm a 2 (Church & White, 2006, GRL). L aumento di volume degli oceani è dovuto all espansione termica degli strati superficiali (stimata in 0.5±02 mm a 1 ) e principalmente alla fusione dei ghiacci continentali. La maggiore incertezza sulla futura risalita degli oceani è legata al comportamento delle Calotte di Ghiaccio della Groenlandia e dell Antartide. Year

15 2003: Record negativo nel bilancio di massa dei ghiacciai Alpini A causa dell innalzamento dell isoterma di 0 C al di sopra dei 4000 m per numerosi giorni, la stagione di fusione ha avuto una durata record di 93 giorni (media degli ultimi 20 anni 45 giorni), causando una forte riduzione dei ghiacciai alpini.

16 Ritiro dei ghiacciai delle Alpi, Europa

17 Ritiro dei ghiacciai delle Montagne Rocciose, Nord America McCall Glacier, Brooks Range, Alaska 1958 (Austin Post) 2003 ( Matt Nolan)

18 Ritiro dei ghiacciai del Kilimanjaro, Africa Kilimanjaro, Africa Source: E. Oehler, Kilimanjaro, 1912

19 Ritiro dei ghiacciai della Patagonia, Sud America Ghiacciaio UPSALA, Argentina

20 Le calotte polari e il livello del mare Le calotte polari sono il più grande serbatoio di acqua dolce del globo, 30 milioni di km 3 di ghiaccio. Se, per assurdo, la totalità dei ghiacci fondesse, il livello del mare salirebbe di oltre 68 metri (61,1 m Antartide, 7,2 m Groenlandia).

21 Antartide: la variazione della temperatura negli ultimi 50 anni Nella Penisola Antartica si è registrato un aumento record della temperatura media annua di 2,3 C negli ultimi 50 anni raggiungendo il massimo valore nella stazione Faraday (Penisola Antartica) con un aumento della temperatura media annuale di 0,056 C all anno e 0,11 C all anno durante la stagione invernale (Turner et al., Int. J. Clim. 2005).

22 Antartide: il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggiante In Penisola Antartica e nei ghiacciai che defluiscono nell Amundsen Sea, fra il 1989 e il 2005, si sono disintegrate e ridotte drasticamente molte piattaforme di ghiaccio galleggiante e si è verificato un anomalo distacco di iceberg. The Antarctic Peninsula after Kaiser (2002) (Doake & Vaughan, 1991, de Angelis & Skvarca, 2003; Cook et al., 2005)

23 Antartide: il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggiante Queste piattaforme di ghiaccio galleggiante si erano formate alla fine dell ultima glaciazione ( anni fa), e non si erano mai ridotte alle presenti condizioni almeno negli ultimi anni (Domack et al., Nature 2005) after Kaiser (2002)

24 Antartide: il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggiante Il collasso delle piattaforme di ghiaccio galleggianti ha innescato un aumento della velocità dei ghiacciai passando da m a -1 (1996) a quasi 2000 m a -1 (1999); producendo quindi un bilancio negativo delle calotte di ghiaccio con un innalzamento del livello del mare. after Kaiser (2002) Rott et al., )

25 Antartide e il livello del mare La corretta valutazione della variabilità spaziale e temporale dell accumulo nevoso è la maggiore incognita nella stima del contributo dell Antartide all innalzamento del livello del mare (Frezzotti et al., 2005). Una grande incertezza riguarda il modo in cui le calotte di ghiaccio, in particolare quelle parti che poggiano al di sotto del livello del mare (Calotta Occidentale, Wilkes Basin), evolveranno nei prossimi secoli. E stata formulata l ipotesi che un innalzamento della temperatura legato all aumento dei gas ad effetto serra potrebbe determinare un repentino incremento della velocità dei ghiacciai antartici nel XXI secolo. Ciò causerebbe il collasso della Calotta Occidentale, con conseguente rapida risalita del livello del mare. Budd et al., 1998 BEDMAP, 2000

26 Groenlandia: ritiro dei ghiacciai e aumento della velocità Negli ultimi anni si è osservato un drastico ritiro dei ghiacci che sboccano lungo la costa della Groenlandia Orientale. ale ritiro è accompagnato da un aumento della velocità dei ghiacciai ( m a -1 ) ed un assottigliamento delle loro parti terminali (>40 m). Tale fenomeno è collegabile con un aumento della temperatura e della fusione. Jakobshavn Glacier, Est East Greenland (Joughin et al., 2004, Nature) Helhein Glacier, Est East Grenland (Howat et al., 2005, GRL)

27 2005: Massima fusione dei ghiacci della Groenlandia La fusione della calotta di ghiaccio Groenlandese è aumentata a causa dell incremento della temperatura, raggiungendo nel Settembre 2005 la massima estensione e la massima durata nel tempo.

28 2005: Minima estensione della banchisa Artica L estensione del ghiaccio marino è in diminuzione a partire dagli anni 60 del XX secolo. Nel Settembre 2005 è stata rilevata la minima estensione del ghiaccio marino in Artide. Settembre 1979 Settembre

29 2090: Scomparsa della banchisa artica Le simulazione climatiche ipotizzano entro la fine di questo secolo una ulteriore riduzione del 50% nell estensione del ghiaccio marino, un aumento della temperatura da 3 C a 5 C sulle terre emerse e di 7 C sull oceano.

30 Artide: variazione dell albedo La variazione dell albedo nell Artide, causato della riduzione della copertura nevosa e del ghiaccio marino, ha contribuito sostanzialmente al riscaldamento: si valuta un aumento di circa 3 watts m 2 per decade. Questo valore è paragonabile al riscaldamento dovuto al raddoppio della CO 2 in atmosfera. Chapin et al., Science 2005

31 : Riduzione della salinità del Nord Atlantico L aumento della temperatura in Artide sta causando la riduzione dei ghiacci marini, l aumento della fusione dei ghiacci continentali e del permafrost: questi fenomeni producono una riduzione della salinità delle acque dell oceano nord Atlantico.

32 Gli oceani polari: motori del clima Gli oceani polari sono il motore della circolazione delle correnti oceaniche che a loro volta hanno una notevole influenza sul clima, in quanto trasportano il calore dai tropici verso i poli. Le aree polari costituiscono la sorgente fredda del sistema termodinamico globale regolando il bilancio termico della Terra: rappresentano quindi una componente di fondamentale importanza nell'equilibrio ambientale del nostro pianeta.

33 2100: ~ 1100 ppm?? Variazione di CO 2 nel tempo 2050: 550 ppm 2005: 380 ppm Senza nessuna variazione nell utilizzo dei combustibili fossili, i nostri figli vedranno la CO 2 andare oltre questa pagina, e probabilmente anche noi potremmo vedere questo fantastico esperimento non controllato nella provetta chiamata pianeta terra. 1750: 280 ppm Massima concentazione di CO 2 raggiunta nell ulimi anni 300 Minima concentazione di CO 2 raggiunta nell ulimi anni 180

34 Grazie per la vostra attenzione Prosegue con gli Oceani dopo il Caffè!! Foto l. Simion