La curva isotopica dell’ossigeno, il più importante proxy per la ricostruzione delle paleotemperature, mostra delle fluttuazioni climatiche a scale temporali nell’ordine di 10^5 – 10^4 anni. Le cause di queste fluttuazioni possono essere messe in relazione con le variazioni cicliche dei parametri orbitali della Terra, le quali provocano alterazioni della quantità totale di radiazione solare ricevuta e della quantità parziale ricevuta in ogni emisfero. L’idea che le variazioni periodiche dei parametri orbitali potesse causare variazioni nella quantità di calore ricevuta dal sole ha vari predecessori, tra cui lo scozzese J. Croll, ma la prima teoria compiuta è del matematico serbo Milutin Milankovitch.

Il modello originario di Milankovitch, basato su calcoli manuali, è stato migliorato notevolmente e alcune sue conclusioni sono state confutate, ma il grosso della teoria ha trovato conferma e ha portato a modelli molto raffinati.

I cicli astronomici presi in considerazione sono quelli dell’eccentricità, dell’obliquità e della precessione. Un’importante precisazione: le variazioni di questi tre parametri non provocano variazioni significative nella quantità totale di energia solare ricevuta nella parte alta dell’atmosfera, ma cambiano significativamente la distribuzione geografica dell’insolazione, la durata delle stagioni e la quantità di calore ricevuta in ogni emisfero durante le stagioni

Eccentricità – Periodicità: 100.000 anni e 400.000 anni

L’orbita della Terra attorno al Sole è ellittica e l’eccentricità viene descritta tramite un numero adimensionale che esprime lo scostamento dalla forma circolare. Il grado di eccentricità è determinato dalle variazioni dell’asse minore. Semplificando:  un’orbita perfettamente circolare avrà eccentricità pari a 0 (num. 1 in figura sotto), mentre un’orbita ellittica assumerà valori di eccentricità positivi (num 2 in figura). Questi valori saranno sempre più positivi al diminuire della lunghezza della asse minore (schiacciamento).

 

Grazie a queste proprietà l’eccentricità è l’unico parametro in grado di modificare in senso assoluto l’insolazione. In periodi ad eccentricità alta la terra riceve mediamente più calore dal sole poiché la rivoluzione avviene in una posizione più ravvicinata, dʼaltra parte un’orbita più ellittica comporta una maggior accelerazione al passaggio vicino al sole e un maggior rallentamento nella posizione opposta. Ciò determina una variazione nella lunghezza delle stagioni (da 82 a 100 giorni). 

Le variazioni della quantità totale di calore ricevuta a causa dell’eccentricità sono molto piccole (0.28% rispetto alla situazione totale) Queste variazioni sembrano troppo piccole per giustificare variazioni di almeno 5 °C (massimo glaciale) considerando che la sensitività della Terra è di 1°C per 1% di variazione nella radiazione assorbita. Ad ogni modo è ormai accertato che nel Quaternario i minimi di volume dei ghiacci corrispondono a massimi di eccentricità. L’effetto principale dell’eccentricità è costituito da un’accentuazione del contrasto stagionale mentre il bilancio annuale rimane pressoché invariato. Il forte contrasto stagionale in fasi ad alta eccentricità può però provocare feedback positivi (albedo) e quindi creare i presupposti per variazioni climatiche significative. 

 Nell’immagine sopra sono evidenziati (con il num. 1 in rosso) i cicli dei 100.000 anni, è importante notare come i massimi dell’eccentricità, come già detto, si trovano in concomitanza dei max interglaciali. Esistono inoltre ciclicità maggiori, 400.000 anni e 1.2 milioni di anni. Queste due ciclicità superiori si rinvengono in sedimenti più vecchi di 1 milione di anni e molte volte presentano delle discrepanze nei record stratigrafici. 

Alla scala dei 100.000 anni pare evidente come il max dell’eccentricità sia correlabile con un episodio “caldo” sul nostro pianeta, cioè il max di un interglaciale. Tuttavia, scendendo di scala (ad esempio delle migliaia di anni), si possono notare effetti interessanti. In una fase ad alta eccentricità, il forte contrasto stagionale indotto appunto dalla forte eccentricità può magnificare i feedback, come ad esempio l’albedo dei ghiacci polari e scatenare i prodromi di una glaciazione.

 

Obliquità – Periodo 41.000 anni

L’obliquità esprime l’angolo che intercorre tra l’asse di rotazione di un pianeta e la normale al piano dell’eclittica. Questo parametro è responsabile delle variazioni stagionali sul nostro pianeta. Lʼasse di rotazione della Terra è inclinato di circa 23°C rispetto al piano dell’eclittica ma questo valore varia periodicamente di circa 2.5° C.

Un aumento dell’obliquità determina un maggior contrasto stagionale soprattutto alle alte latitudini (maggior calore in estate, minore in inverno), ma la quantità di calore media annua ricevuta al tetto dellʼatmosfera rimane inalterata.

Precessione – Periodo 19.000 – 21.000 anni (media)

L’asse di rotazione della Terra non cambia solo il valore di inclinazione, ma anche di direzione descrivendo un cono che viene chiuso mediamente in circa 21.000 anni. In realtà il tempo preciso di questo fenomeno sarebbe di 26.000 anni, ma a causa del movimento opposto della linea degli apsidi questo movimento si chiude in un tempo medio di 21.000 anni. 

Questo movimento determina la stagione in cui ciascun emisfero si trova nel momento in cui la Terra è più vicina (perielio) o più lontana (afelio) dal Sole. L’effetto principale anche in questo caso è una accentuazione del contrasto stagionale, in particolare dellʼemisfero che si trova con lʼestate in perielio e lʼinverno in afelio.

Il ciclo della precessione è molto importante se sovrapposto a quello dell’eccentricità, infatti ogni 5 cicli precessionali uno di questi ha maggior impatto perché 5 x 20.000 anni = 100.000 anni cioè il ciclo dell’eccentricità.

Da notare infatti come nella figura seguente la curva del Solar Forcing ricalchi praticamente quella della precessione.

 

 

Questa ciclicità astronomico-climatica ha un’effettiva applicazione solo se riportata all’ultimo milione di anni. Come detto in precedenza i cicli glaciali nell’ultimo milione di anni seguono i cicli dell’eccentricità e hanno quindi una periodicità di circa 100.000 anni. Andando indietro nel tempo, più antico di 1 milione di anni si scopre che le ciclicità dominanti erano diverse; i cicli glaciali seguivano i cicli dell’obliquità, di circa 41.000 anni, e della precessione, di circa 21.000 anni. 

Inoltre recenti studi affermano che i ghiacciai dei cicli a 41.000-19.000 anni fossero più “effimeri” rispetto a quelli con cici a 100.000 anni. Alcuni studiosi, uno fra i tanti W. Ruddiman, associano questo trend alla scala dei milioni di anni ad un generale raffreddamento sempre più marcato del nostro pianeta: secondo Ruddiman il fatto che la calotta groenlandese non si sia sciolta nell’ultimo optimum climatico di 5000 anni fa è un indice di questo trend. Inoltre la stratigrafia isotopica da alta risoluzione sembra dargli un’ulteriore conferma.

 

 

A cura di: Giulio Torri