La scoperta delle variazioni climatiche a scala geologica – Seconda parte (da Emiliani alle perforazioni dei fondali oceanici)

Riprendiamo i punti salienti della storia della scoperta delle variazioni climatiche del nostro pianeta, a seguire degli argomenti esposti nel precedente post

di Leonardo Sagnotti

A partire dagli anni ’50 del XX secolo, due passaggi fondamentali portarono ad una rivoluzione nelle conoscenze sulla successione dei periodi glaciali del Quaternario e sulla storia climatica del nostro pianeta in generale.

Il primo passo è dovuto allo sviluppo di nuovi metodi geochimici per l’analisi dei carbonati, il secondo è lo sviluppo di ricerche sistematiche sui sedimenti dei fondali marini e oceanici.

Nuovi metodi geochimici per l’analisi dei carbonati

Il primo passo si deve ad Harold Urey, chimico statunitense vincitore del premio Nobel per la chimica nel 1934 per la scoperta del deuterio (l’isotopo dell’idrogeno di massa atomica doppia rispetto all’idrogeno normale, in quanto il nucleo del suo atomo è composto da un protone e da un neutrone).

Nel 1946 Urey stava studiando un metodo per distinguere i carbonati marini da quelli di acqua dolce. Scoprì che la temperatura aveva un considerevole effetto sulla composizione isotopica del carbonato di calcio (CaCO3). Nell’acqua di mare infatti, l’ossigeno è costituito per circa il 99.8% da 16O (l’isotopo più leggero e più abbondante, in cui il nucleo atomico è costituito da 8 protoni e 8 neutroni) e per circa lo 0.2% da 18O, isotopo più pesante (in cui il nucleo atomico è costituito da 8 protoni e 10 neutroni). Studiando la concentrazione della composizione isotopica capì dunque di avere a disposizione un metodo geochimico originale per stimare le temperature dell’acqua.

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Il passo successivo fu quello di applicare queste tecniche per lo studio delle variazioni climatiche registrate nei sedimenti marini. Il contributo fondamentale in questo senso si deve a Cesare Emiliani, uno scienziato italiano che si laureò in geologia a Bologna nel 1945 specializzandosi in micropaleontologia.

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Cesare Emiliani

Emiliani applicò e sviluppò il metodo di Urey allo studio della composizione isotopica dell’ossigeno nei gusci calcarei dei microfossili (foraminiferi planctonici) in sedimenti di mare profondo (carote) provenienti da perforazioni effettuate nell’Atlantico, nei Caraibi e nel Pacifico. Nel 1955 Emiliani scoprì che la composizione isotopica dell’ossigeno (il rapporto tra 18O e 16O) dei gusci variava periodicamente di una quantità oscillante attorno allo 0.2%. Stimò che circa il 60% di questa variazione fosse dovuto al variare della temperatura dell’oceano.

Nel 1957, Emiliani correlò le variazioni di temperatura dedotte dall’analisi isotopica dei gusci di foraminiferi con le epoche glaciali ed interglaciali di Penck e Bruckner. Introdusse gli “stadi marini isotopici” quali traccianti delle oscillazioni del clima nel passato, che sono usati ancora oggi per la cronologia geochimica. Stabilì che le ere glaciali dell’ultimo milione di anni sono stati un fenomeno ciclico, dando forte supporto all’ipotesi di Milankovic, e rivoluzionando le idee relative alla storia della relazione tra gli oceani e le glaciazioni.

Nel 1967 Nicholas John Shackleton dimostrò che il metodo utilizzato da Emiliani per misurare le temperature dell’acqua in base al rapporto isotopico dell’ossigeno era parzialmente errato e che la variazione del rapporto isotopico dell’ossigeno nell’acqua di mare in realtà è stato principalmente influenzato dall’espansione e dal ritiro delle calotte glaciali sui continenti.

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Nicholas John Shackleton

In sostanza, Shackleton mise in evidenza che, oltre agli effetti dovuti alla temperatura dell’acqua, le variazioni del volume di ghiaccio che si accumula sulla terra ferma durante i periodi glaciali svolgono un ruolo preponderante nel determinare la variazione del rapporto 18O/16O nell’acqua di mare. Questo avviene in quanto durante l’evaporazione l’isotopo più pesante (18O) tende a rimanere nell’acqua dell’oceano. L’isotopo più leggero (16O) invece si concentra nel vapore acqueo che precipita poi sotto forma di neve sui continenti alimentando i ghiacciai in espansione durante i periodi glaciali.

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Rappresentazione schematica del meccanismo di arricchimento in 18O dell’acqua di mare durante i periodi glaciali (sotto), rispetto ai periodi non glaciali (sopra). Il fenomeno è dovuto al fatto che l’acqua che evapora è praticamente priva dell’isotopo più pesante dell’ossigeno (18O), che resta nell’acqua di mare. L’acqua leggera tende poi a precipitare sotto forma di neve e alimenta i ghiacciai continentali in espansione durante i periodi glaciali. Da http://www.columbia.edu/~vjd1/stable_isotopes.htm
Sviluppo di ricerche sistematiche sui sedimenti dei fondali marini e oceanici.

Il fondamentale passo successivo per la comprensione delle variazioni del clima su scala di tempo geologica registrate nei sedimenti marini si deve a Hays, Imbrie e Shackleton. Nel 1976 dimostrarono che il ritmo delle variazioni che si possono osservare nelle successioni sedimentarie marine hanno periodicità compatibili con le variazioni cicliche nella geometria dell’orbita terrestre descritte dai calcoli di Milanković.

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La copertina del numero del 10 dicembre 1976 di Science, dove venne pubblicato l’articolo di Hays, Imbrie e Shackleton dal titolo “Variations in the Earth’s Orbit: Pacemaker of the Ice Ages”

Questa osservazione permise di riconciliare le evidenze geologiche delle variazioni climatiche con le previsioni della teoria di Milanković. Venivano cosi’ superate le difficoltà che avevano impedito di correlare direttamente le variazioni della radiazione solare incidente, dovute ai moti dell’orbita terrestre, con le deduzioni dei geologi della prima metà del XX secolo.

Oggi è ben noto che queste variazioni sono visibili in alcune successioni sedimentarie attualmente esposte in superficie. Un esempio è il caso della famosa Scalinata dei turchi sulla costa meridionale della Sicilia. Qui è evidente una tipica alternanza di strati con colori diversi. Si tratta di una sequenza di sedimenti carbonatici a grana fine deposta in mare aperto nel corso del Pliocene, intorno ai 3 milioni di anni. In questa successione stratigrafica si osserva una ripetizione ciclica di variazioni di colore, secondo una “quadripletta” grigio-bianco-marrone-bianco, che rappresentano un ciclo di precessione con durata pari a circa 23mila anni.

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Particolare della successione della successione stratigrafica della “scalinata dei turchi” (Punta di Maiata, Sicilia) – foto dell’autore

Si distinguono inoltre chiaramente degli strati bianchi più spessi e resistenti all’erosione (che vanno a formare i “gradini” della scalinata) e che rappresentano i cicli di eccentricità con periodicità di 100mila anni.

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Particolare della successione della successione stratigrafica della “scalinata dei turchi” (Punta di Maiata, Sicilia) – foto dell’autore

Il progressivo sviluppo dei progetti di perforazione dei fondali oceanici ha poi consentito la ricostruzione via via più dettagliata della variazione dei rapporti isotopici dell’ossigeno nel tempo geologico e dunque di comprendere la storia climatica del nostro pianeta con sempre maggior dettaglio e per periodi di tempo sempre più estesi.

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Distribuzione dei siti di perforazione scientifica nell’ambito dei progetti internazionale di perforazione oceanica (DSDP, ODP, IODP), dal 1968 od oggi da https://it.wikipedia.org/wiki/Integrated_Ocean_Drilling_Program

La sintesi della ricostruzione della storia climatica nel corso del Cenozoico è illustrata nella figura sottostante, che conclude questa rassegna. La figura mostra la curva di variazione del rapporto 18O/16O negli ultimi 65 milioni di anni. Sono in evidenza i principali eventi paleoclimatici, dovuti ad una combinazione di effetti geologici a scala planetaria (moti delle placche litosferiche, sollevamento di nuove catene montuose, variazione nella composizione atmosferica, ecc…) e astronomici (periodicità orbitali). E’ evidente un progressivo raffreddamento del pianeta. Il grafico parte dal massimo termico di circa 50-55 milioni di anni fa, con eventi di variazione brusca che si accompagnano allo sviluppo delle calotte glaciali polari (in Antartide a partire da circa 34 milioni di anni fa). Segue poi l’instaurazione delle principali fasi ripetute di estesa glaciazione nell’emisfero settentrionale che hanno caratterizzato l’ultimo milione di anni. Le tracce di questi eventi hanno acceso, sin dal XVIII secolo, la curiosità degli scienziati verso la storia climatica del nostro pianeta.

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Variazione del rapporto isotopico dell’ossigeno durante il Cenozoico da Zachos et al. (2001) “Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present”, pubblicato su Science