Un proxy per l’Oscillazione Artica e connessione con TSI

Recentemente su CM è apparso un post di L. Mariani su un lavoro di Darby et al.,2012 (v. bibliografia. Da qui in poi userò il termine articolo per questo lavoro. Abstract e figure qui). Gli autori utilizzano un dataset della percentuale di granuli di ferro trovati in carote ottenute al largo dell’Alaska (JPC16) ma provenienti notoriamente, per via della composizione chimica particolare, dal Mare di Kara (d’ora in poi Kara) come proxy per l’Oscillazione Artica positiva (+AO). Dall’analisi spettrale di questo dataset derivano la presenza di un massimo a circa 1600 anni, compatibile con gli eventi di Bond. Non trovano lo stesso massimo nel dataset dell’irraggiamento solare totale (TSI, Steinhilber et al, 2009) e, dopo molte prove e usando anche carote del Mare di Leptev, deducono che la variabilità solare non influenza l’Oscillazione Artica, nel senso che il massimo di 1500-1600 anni è il risultato o della variabilità interna del sistema climatico o di un’influenza indiretta della forzante solare alle basse latitudini.

 


Ho chiesto al dr. Darby i dati usati nell’articolo e, molto gentilmente, li ho ricevuti nel giro di alcuni giorni.
Il calcolo degli spettri MEM e Lomb mostra ovviamente risultati molto simili a quelli degli autori. Differenze nei valori numerici della potenza spettrale derivano senza dubbio dalla loro normalizzazione rispetto alla varianza dei dati osservati, mentre io ho utilizzato i dati così come li ho ricevuti. Un esempio dell’accordo si può vedere nella Fig.1 (pdf) che andrebbe confrontata con la Fig.3 dell’articolo.

 

fig1

Fig.1-Confronto tra gli spettri MEM di TSI (Steinhilber, 2009) e di Kara, entrambi con il passo temporale di 20 anni calcolato da Darby et al., 2012. I periodi dei picchi sono indicati in migliaia di anni (kyr). Gli spettri sono scalati arbitrariamente per una migliore visibilità.

 

Come detto, il periodo dell’evento di Bond a ~1.6 kyr è netto nei dati di Kara e non si trova nello spettro di TSI, anche se si nota un debole massimo secondario a 1.34 kyr, ancora compatibile con il periodo degli eventi di Bond di (1470±500)anni.
Noto che nello spettro MEM di Kara. a 87.5 anni (v. grafico qui) è presente un segnale del ciclo solare di Gleissberg (88 anni).

Gli stessi spettri calcolati con il metodo di Lomb e mostrati in Fig.2 (pdf), evidenziano, però, alcune differenze.

 

fig2

Fig.2- Confronto tra gli spettri LOMB degli stessi dati di Fig.1. Nel grafico in basso la scala verticale è la metà di quella del grafico superiore. Notare la scomparsa del picco 4.56 kyr e la comparsa di due picchi, a 3.3 e 8 kyr, nello spettro di Kara.

 

In particolare, nella TSI (curva rossa) si vede un picco a 1.42 kyr, di potenza quasi confrontabile con quella del massimo a ~1.6 kyr. È il picco a 1.34 kyr della Fig.1 che qui diventa circa il 75% (era il 7% in Fig.1) del massimo a 1.6 kyr di Kara. Per un confronto più attendibile, all’interno dello stesso dataset, si noti che il rapporto tra le potenze di 1.34 e 2.21 in Fig.1 è del 7%, mentre in Fig.2 (rapporto tra 1.42 e 2.14 kyr) diventa del 37% circa.
Il grafico in basso può essere confrontato con la fig.S9 dell’articolo: si ritrovano tutte le frequenze anche se cambiano le potenze e i rapporti tra le potenze. Nella Fig.S9 gli autori dell’articolo usano i dati di Kara nella versione filtrata a passo 250 anni, per rimuovere il rumore ad alta frequenza: ma la Fig.2 sopra, in cui sono stati usati per Kara i dati non filtrati, non mostra un rumore di alta frequenza particolarmente più elevato.
Per controllo ho ripreso lo spettro di TSI pubblicato su CM qui, e lo mostro nuovamente in Fig.3 (pdf), con l’aggiunta di alcuni commenti.

 

fig3

Fig.3- Spettro MEM di TSI a passo 5 anni (dati originali di Steinhilber, 2009). In rosso sono indicati i cicli solari, anche uno senza nome di periodo nominale 506 anni, il periodo degli eventi di Bond e -a 721 anni- un periodo che è esattamente la metà di quello di Bond -e potrebbe essere una sua armonica.

 

Sono consapevole di quanto mi scrive il dr. Darby nel mail con cui mi ha inviato i dati:

 

” The problem with using a 5 year time step for the reconstructed total solar irradiation is that this assumes that the age model is that good for the entire length of the TSI record, which of course is based on the Greenland ice core age model. While many would argue that this is a pretty good assumption, I know from discussions with Richard Alley that the age model is not that good back around 7ka.” (Il problema nell’uso di un intervallo temporale di 5 anni per l’irraggiamento solare totale ricostruito è che questo assume che il modello di età sia quello valido per l’intera lunghezza del record TSI che naturalmente è basato sul modello di età della carota di ghiaccio della Groenlandia. Mentre molti potrebbero dedurre che questa è un’assunzione abbastanza buona, io so da discussioni con Richard Alley che il modello di età non è quello buono attorno a 7000 anni indietro).

Così uso la Fig.3 solo come indicazione generale e conferma, a maggiore risoluzione temporale, del massimo a 1.4-1.6 kyr.

 

Sulla base dell’analisi wavelets (Fig.4 dell’articolo), si afferma che il picco da 1.4-1.6 kyr non è in correlazione con gli eventi di Bond. Io non posso nè confermare nè smentire questa affermazione: posso solo mostrare l’analisi wavelets fatta sugli stessi dati (ripeto, così come li ho ricevuti) e notare che, almeno nella regione compresa tra 5.6 e 6.4 dell’asse verticale (1 e 1.7 kyr), non mi sembra così diversa come appare nell’articolo. Per l’analisi wavelets ho usato il pacchetto norvegese PAST, basato, in questa parte, sullo stesso codice di Torrence and Compo (1998) usato nell’articolo.

 

In conclusione, credo che nel proxy dell’Oscillazione Artica sia presente, anche se debole, l’impronta dell’influenza solare. Probabilmente, come suggerito nell’articolo, l’influenza solare si manifesta in modo indiretto, tramite il trasporto di calore dalle zone equatoriali e tropicali verso le zone a più alta latitudine. A parziale conferma di questo trasporto che deve avvenire sia verso nord che verso sud, mostro due figure e una frase tratte da un lavoro di Yiou et al.,1997 (v. bibliografia, full text in rete) in cui lo stesso picco a 1.5 kyr è presente nel GRIP Groenlandese e nella carota diVostok (Antartide. In questo caso parliamo di Oscillazione Antartica o AAO) e una frase di commento alle figure.

 

Sono abituato a calcolare lo spettro dei dati come sono o solo con un detrending nel caso di Lomb. Ho fatto la stessa cosa in questo caso (i dati TSI non richiedono un detrending), ma ho voluto in ogni caso verificare la validità dei miei spettri MEM utilizzando la procedura descritta nell’articolo (SI pag.22) per normalizzare i dataset. Il confronto fra gli spettri (normalizzato e non normalizzato) è mostrato qui.Non avendolo fatto prima, ho approfittato di questa occasione per verificare la validità del mio programma di analisi spettrale con il metodo di Lomb, utilizzando il codice in linea del NASA Exoplanets Archive Periodogram Service. I risultati, per i dati di Kara e di Laptev, sono disponibili in forma grafica e numerica nel sito di supporto indicato in fondo alla bibliografia.

 

Bibliografia

  • Dennis A. Darby, Joseph D. Ortiz, Chester E. Grosch and Steven P. Lund,1,500-year cycle in the Arctic Oscillation identified in Holocene Arctic sea-ice driftNature geoscience on line, DOI: 10.1038/NGEO1629, 2012. abstract (Le informazioni supplementari sono liberamente disponibili).
  • Torrence C., Compo G. P.: A Practical Guide to Wavelet AnalysisBulletin of the American Meteorological Society79, 61-78, 1998. Full text qui
  • Steinhilber, F., J. Beer, and C. Frölich. 2009. Total solar irradiance during the Holocene. Geophys. Res. Lett.36, L19704, doi:10.1029/2009GL040142.
  • P. Yiou, K. Fuhrer, L. D . Meeker, J . Jouzel, S. Johnsen, P. A. Mayewsk 1997: Paleoclimatic variability inferred from the spectral analysis of Greenland and Antarctic ice-core dataJ. Geophys. Res.102, 26441-26454, 1997. Articolo liberamente disponibile qui.
  • Tutti i grafici e i dati relativi a questo post si trovano qui, nel sito di supporto.

 

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Author: Franco Zavatti

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1 Comment

  1. Ottimo articolo che mi suggerisce alcune considerazioni.
    In primo luogo ho apprezzato la disponibilità del dr. Darby a mettere a disposizione i suoi dati per consentire la verifica indipendente delle sue conclusioni. In questi giorni mi sono fatto coinvolgere nella discussione sul paper di Marcott et al. 2013 e devo constatare, purtroppo, che analoga disponibilità non si incontra di frequente.
    Passando al “core” del post noto che le analisi effettuate da F. Zavatti ci hanno consentito di effettuare una valutazione indipendente dei dati analizzati da Darby. Scrive F. Zavatti che dal confronto degli spettri da lui calcolati a partire dai dati di Darby con quelli della TSI non siamo in grado di stabilire in maniera univoca che gli eventi di Bond siano slegati dai cicli solari. Le analisi wavelets, invece, a mio parere, non consentirebbero di escluderlo.
    Sulla scorta delle analisi spettrali e wavelets, pertanto, ci troviamo di fronte a risultati un po’ contrastanti: gli spettri calcolati con LOMB e l’analisi wavelets sembrano deporre a favore di una certa correlazione tra i due fenomeni (eventi di Bond e cicli solari) mentre lo spettro MEM tende ad escluderla. Probabilmente, ed in questo concordo con F. Zavatti e con Darby et al., gli eventi di Bond sono solo indirettamente influenzati dai cicli solari.
    Questa mi sembra la conclusione più logica anche tenendo presente l’estrema complessità del sistema climatico che rende altamente improbabile che un unico fattore possa determinarne il comportamento. Condivido, infine, le considerazioni che F. Zavatti ha svolto in merito alle basi fisiche del fenomeno climatico.
    Il lavoro di F. Zavatti, in conclusione, ha rafforzato ancora di più la mia convinzione circa la velleità di interpretare il nostro sistema climatico alla luce di un unico parametro.
    Ciao, Donato.

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