Influenza della fusione dei ghiacci groenlandesi sulla variazione del livello del mare: non è solo questione di GW

In un mio precedente post ho avuto modo di commentare l’influenza del tasso di fusione delle calotte glaciali antartiche e groenlandesi sulla velocità di variazione del livello del mare. La conclusione del post metteva in risalto la grande incertezza che caratterizzava le stime del contributo delle calotte glaciali antartiche e, soprattutto, groenlandesi nella determinazione della variazione del trend dell’accelerazione del livello del mare.

Ad aumentare l’incertezza, qualora ve ne fosse bisogno, ha contribuito un interessante articolo da poco pubblicato su Nature Geoscience  (qui l’abstract):

 

 

Heat flux variations beneath central Greenland’s ice due to anomalously thin lithosphere – Petrunin et al., 2013

 

Groenlandia

 

Nell’illustrazione i profili termici del ghiaccio della calotta groenlandese e le posizioni delle trivellazioni GISP2 e GRIP (fonte: A. Petrunin/GFZ)

Nell’articolo, da ora Petrunin et al. 2013, si descrive un corposo lavoro di ricerca avente lo scopo di giustificare le considerevoli differenze delle temperature basali della calotta glaciale groenlandese in zone relativamente vicine desunte dalle varie trivellazioni effettuate nell’isola (GRIP e GISP2, in modo particolare).
Gli studiosi non erano mai riusciti a spiegarsi simili differenze sulla base delle teorie relative alla dinamica delle calotte glaciali groenlandesi nei periodi glaciali ed interglaciali guidate esclusivamente dal clima. Tali dinamiche erano state simulate mediante dei modelli fisico-meccanici basati su complessi fenomeni di isostasi e di compressione che interessavano la litosfera della Groenlandia, però, i risultati non riuscivano a simulare la distribuzione delle temperature basali e, di conseguenza, i tassi di fusione della calotta glaciale.

 

Con questo lavoro i ricercatori di Potsdam sono riusciti a modellare in maniera soddisfacente il comportamento della calotta glaciale groenlandese accoppiando due modelli: uno di tipo cinematico tradizionale che tiene conto delle variazioni del profilo delle calotte glaciali ed uno termodinamico che tiene conto del flusso di calore geotermico (GHF). Il materiale supplementare, liberamente accessibile, consente di avere un’idea della metodologia di calcolo utilizzata che, nel seguito, provo a riassumere brevemente.

 

I ricercatori, in parole povere, hanno creato un modello fisico matematico alle differenze finite in grado di schematizzare un ulteriore meccanismo di fusione del ghiaccio terrestre della Groenlandia basato sul flusso di calore proveniente dalla litosfera terrestre. Tale flusso di calore, determinato dalle reazioni nucleari che coinvolgono i materiali radioattivi presenti nella crosta terrestre e dal calore proveniente dal mantello, in genere, è di entità trascurabile. Nel caso della zona della Groenlandia presa in esame, però, lo spessore della litosfera è molto ridotto (inferiore a 40 km, in alcuni punti) per cui tale flusso energetico tende a diventare significativo.

 

Il flusso di calore è stato calcolato, in prima approssimazione, mediante un modello unidimensionale ipotizzando una temperatura al limite inferiore della litosfera di 1300°C (desunta da vari studi effettuati mediante rilievi tomografici sismici) e due diverse distribuzioni del calore radiogenico: costante in tutta la massa (in prima approssimazione) e variabile in funzione della profondità (maggiore nelle parti superiori della crosta, minore in quelle inferiori) in fase di approfondimento del calcolo. I risultati del modello unidimensionale sono stati utilizzati per inizializzare un modello che tiene conto di un meccanismo di diffusione del calore tridimensionale all’interno del volume di mantello, crosta e ghiaccio preso in esame.

 

I gradienti di temperatura sono stati modellati mediante una griglia spaziale avente passo verticale di 500 m nel mantello litosferico, 100 m nella crosta e 50 m nel ghiaccio.
Petrunin et al. 2013, inoltre, hanno individuato delle condizioni al contorno ed un passo di integrazione temporale di 10 anni. Partendo da una situazione “zero” pre-glaciale, caratterizzata da assenza di ghiaccio terrestre, con temperatura al limite inferiore della litosfera di 1300° C e 0°C in superficie, hanno  calcolato le condizioni termiche di equilibrio della litosfera. Hanno rifatto i calcoli perturbando questa condizione di equilibrio con l’aggiunta del ghiaccio terrestre utilizzando un modello cinematico di accumulo del ghiaccio guidato dal clima. Tale modello cinematico consente di quantificare le azioni di pressione sulla roccia basale della calotta glaciale e le conseguenti reazioni isostatiche che, ovviamente, influenzano il flusso termico nella litosfera e nella colonna di ghiaccio sovrastante. Le condizioni al contorno superiore, variabili nel tempo, sono state individuate nelle temperature ricostruite sulla base dei record EPICA Dome C (dati desunti dalle carote trivellate nella calotta antartica)  e GRIP-GISP2 (dati desunti dalle trivellazioni della calotta groenlandese).

 

La modellazione del flusso di calore nella litosfera è stata di tipo parametrico: sono state studiate diverse conformazioni del flusso termico e, alla fine, sono state scelte quelle che consentono di ottenere valori delle temperature nel ghiaccio conformi a quelli desunti sperimentalmente. I risultati ottenuti, infine sono stati ulteriormente elaborati mediante operazioni statistiche di filtraggio e lisciatura utilizzando filtri gaussiani. Come si vede i modelli accoppiati utilizzati sono piuttosto complessi e l’armamentario statistico-matematico è impressionante. Secondo Petrunin et al, 2013, però, modelli più semplici non riescono a tener conto della complessità del fenomeno fisico tridimensionale costituito dalle interazioni meccaniche e termiche tra litosfera e coltre glaciale. I vettori numerici utilizzati nelle modellazioni, però, sono caratterizzati da una notevole indipendenza (ortogonalità) per cui i risultati ottenuti possono essere considerati piuttosto attendibili. Essi, infine, risultano coerenti con i profili termici misurati negli esperimenti GRIP e GISP2.

 

Come abbiamo avuto modo di vedere, Petrunin et al., 2013, è essenzialmente un lavoro modellistico che, però, riesce a giustificare in modo quantitativo qualcosa che poteva essere intuita anche da un punto di vista empirico e qualitativo. Il ghiaccio si può fondere non solo per ragioni climatiche, ma anche per ragioni diverse: le tempeste nel caso del ghiaccio marino, i flussi geotermici nel caso delle calotte glaciali. Il valore aggiunto dell’articolo, però, è la possibilità di quantificare in modo piuttosto preciso le grandezze fisiche in gioco. La metodologia, inoltre, offre la possibilità di prevedere le quantità di ghiaccio che si sciolgono per cause climatiche e quelle che si sciolgono per cause non climatiche. E a questo punto è opportuno fare alcune considerazioni.

 

L’articolo non entra nella diatriba circa l’influenza del clima sulla fusione degli strati superiori delle calotte glaciali groenlandesi (gli autori lo dicono esplicitamente), ma fornisce un modello  per interpretare i risultati relativi agli strati profondi delle calotte glaciali. Si tratta, a mio giudizio, di un contributo molto pesante in quanto le temperature basali del ghiaccio sono importanti negli aspetti geologici che caratterizzano l’interfaccia ghiaccio-roccia: le acque di fusione basali influenzano la velocità con cui i fogli glaciali scorrono verso il mare, gli scarichi glaciali, il distacco di iceberg e, in ultima analisi, la velocità di aumento del livello del mare.
Poiché i ghiacciai terresti groenlandesi sono tra i maggiori contribuenti al processo di innalzamento del livello del mare (0,7 mm/anno a confronto di 3 mm/anno complessivi) appare del tutto evidente che una buona aliquota di questi 0,7 mm/anno deve essere attribuita a cause non climatiche: la quantificazione precisa, ovviamente, richiede ulteriori approfondimenti.

 

Ricapitolando: la fusione dei ghiacci terrestri della Groenlandia contribuisce per circa un quarto all’aumento del livello medio del mare; di questa aliquota molto importante, una parte è dovuta al flusso di calore geotermico, un’altra parte al processo geologico di deglaciazione tipico di questo interglaciale e, probabilmente, un’aliquota piuttosto modesta al GW. A me sembra, anche se gli autori non lo dicono, che i processi naturali siano preponderanti (e di molto) rispetto a quelli antropici. E questa volta lo dice anche la matematica.

 

____________________

 

A margine di questo interessante post di Donato Barone, e nel contesto del discorso inerente i diversi fattori in gioco per le dinamiche dei ghiacci, penso sia interessante notare come questa estate la calotta polare abbia sperimentato temperature costantemente sotto media, iniziando il normale processo di raffreddamento di fine stagione con almeno due settimane di anticipo. Questo potrebbe far presagire un inizio della stagione di ghiacciamento altrettanto anticipata. Se così sarà lo sparemo nel giro di pochi giorni.

 

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Author: Donato Barone

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12 Comments

    • Leggi il post di domani Max 😉
      gg

  1. Max, grazie per la grande quantità di informazioni che mi hai fornito (ognuna di esse merita un’approfondita riflessione).
    Alcune considerazioni a caldo (visto che parliamo di hot spot 🙂 ).
    L’area della Penisola antartica è quella che evidenzia maggiori segni di perdita di massa glaciale. I ricercatori non sono mai riusciti a chiarire compiutamente le ragioni di un tale fenomeno per cui l’esistenza di un meccanismo simile a quello schematizzato per la coltre glaciale groenlandese, potrebbe chiarire molte delle perplessità che oggi come oggi caratterizzano il fenomeno e spiegare, almeno in parte, l’anomala perdita di massa glaciale. L’esistenza di un vulcano, probabilmente ancora attivo, e di una litosfera relativamente sottile anche nell’area della Penisola antartica, pertanto, mi sembra che rendano oltremodo probabile il meccanismo individuato da Petrunin et al. 2013 per la Groenlandia centrale. Per gli aspetti quantitativi del fenomeno dobbiamo aspettare qualche lavoro scientifico sul tema (visto che hanno iniziato con la Groenlandia, potrebbe essere probabile che continuino con l’Antartide.)
    .
    In merito ai punti caldi che potrebbero determinare variazioni di temperatura del suolo a livello locale hai interpretato bene il mio pensiero.
    Nell’ipotesi di un sistema caotico, però, piccole variazioni locali potrebbero determinare effetti anche a scale maggiori.
    Ciò che mi premeva mettere in evidenza con la mia domanda è il fatto che esistono tante cause e concause (piccole e grandi) che, tutte insieme, possono spiegare il mistero del clima che cambia. Per ora ci siamo limitati a considerare solo il forcing radiativo: se questo avesse generato una teoria che “salvasse i fenomeni” come amavano dire gli scienziati ellenistici, l’ipotesi del forging radiativo poteva essere accolta, non mi sembra, però, che i fenomeni siano stati salvati (almeno per ora 🙂 ).
    Ciao, Donato.

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  2. poi vengo alla tua seconda domanda: “…Lo spessore ridotto della litosfera in aree particolari della superficie terrestre sottomarina (dorsali oceaniche, per esempio) potrebbe dar luogo a punti caldi in grado di influenzare le condizioni termiche locali e, perché no, globali?…”

    l’espressione “punti caldi” l’hai usata in senso “geologico propriamente detto ” o in senso generale ad indicare territori in cui in maniera generica la temperatura della superficie terrestre, del suolo quindi, è più alta che nelle zone circostanti?

    prendo per buona “la seconda che ho detto”:
    più che le condizioni termiche locali (se “globali” lo intendi in senso continentale o planetario dieri di no), di sicuro, in presenza di elevati gradienti geotermici ed elevato flusso termico in superficie, ciò che ne risente sicuramente è l’eventuale copertura nevosa/glaciale nella parte a diretto contatto col suolo;
    non posso però fare a meno di notare, che punti caldi (questa volta geologicamente detti) noti in tutto il mondo (vedi ad es l’ISLANDA,, o perfino lo stesso ETNA), sono sede di accumuli nevosi e glaciali (in qualche caso perenni, come in Islanda); mi rimane perciò di fatto impossibile quantificare quanto una temperatura del suolo basale “calda” possa influenzare lo scioglimento anche parziale delle sovrastanti coltri; localmente penso possa farlo, favorendo la formazione di acqua alla base del ghiacciaio e quindi accentuandone una eventuale maggior velocità di scorrimento verso valle o verso l’oceano, ma con spessori di ghiaccio come quelli antartici che raggiungono i 3 km, non credo proprio che l’intera massa di ghiaccio sia sottoposta a riscaldamento in virtù dei fattori prima discussi, la quantità di massa glaciale è talmente elevata che ci vorrebbe un input di energia termica e una quantità di calore enorme ….. le mie ovviamente sono valutazioni qualitative, non ho elementi matematici (né sarei in grado di farlo) per “modellizzare” questo processo…

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  3. dal punto di vista geologico, la gran parte del territorio della groenlandia rientra in quello che viene chiamato SCUDO CANADESE, o anche SCUDO LAURENZIANO; si tratta di zone inattive dal punto di vista sismico da almeno 500-600 milioni di anni, e che dal punto di vista stratigrafico risalgono a periodi compresi tra 2,5 milardi e appunto 500-600 milioni di anni fa, costituiti fondamentalmente da basamento cristallino di tipo granitico, a volte ricoperto da coltri sedimentarie più recenti;
    normalmente, in queste zone della terra chiamate CRATONI, la litosfera ha normalmente spessori nell’ordine di 150-250 km (http://www.solid-earth.net/3/199/2012/se-3-199-2012.pdf) ;
    da tutti gli studi è comunque evidente che la Groenlandia non si comporta in maniera univoca da questo punto di vista, e le differenze evidenziate dallo studio riportato nell’articolo sono dimostrazione di una disomogeneità del substrato profondo; in altri lavori le differenze più marcate sono tra groenlandia nord occidendale, e sud/sud orientale;
    cito: “l flusso di calore geotermico in Groenlandia centrale aumenta da ovest a est a causa di assottigliamento della litosfera, che è solo circa il 25-66% spessa di quanto è tipico per i terreni di inizio Proterozoico”;
    non posso non notare che più ci si sposta ad Est-sudest, e più ci si “avvicina” alla zona di margine tettonico della placca oceanica atlantica; potrebbe, e sottolineo POTREBBE, essere che più ci si avvicina alle zone di margine tettonico, più si è risentito di sistemi di faglie profonde che hanno assottigliato la crosta e di conseguenza la litosfera, nel momento dell’apertura del tratto settentrionale dell’oceano atlantico e della relativa dorsale, chissà; se è vera la loro interpretazione di uno spessore così “ridotto” è sicuramente un’anomalia geologica rispetto a zone dalle caratteristiche analoghe;
    in ogni caso, l’icertezza delle loro ricostruzioni è notevole, come loro stessi ammettono:
    “The lack of knowledge of crustal thermal properties leads to significant uncertainties in our estimates of the thickness of the thermal lithosphere. This ambiguity is furthermore reinforced by the fact that available direct constraints from deep ice cores (base rock temperature and temperature gradient) cannot be considered a robust reference point for the thermal states of the deep crust and lithospheric mantle.”

    ……

    non mi risulta esistano studi, per rispondere a Luigi, sulla periodicità del flusso geotermico; rpobabilmente una serie di dati adatta a questo tipo di statistica e valutazione esiste solo in corrispondenza di zone ad alto rischio vulcanico, dove il monitoraggio di questo e tanti altri parametri è quotidiano e finalizzato alla rilevazione di una possibile crisi eruttiva;

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    • Max, grazie per le tue puntualizzazioni precise ed esaustive (come sempre, del resto).
      Approfitto della circostanza per un’ulteriore richiesta: per quel che riguarda il continente antartico, qual’è la situazione geologica? Potrebbe essere attivo anche in alcune di quelle aree un meccanismo simile a quello proposto nello studio in questione? Lo spessore ridotto della litosfera in aree particolari della superficie terrestre sottomarina (dorsali oceaniche, per esempio) potrebbe dar luogo a punti caldi in grado di influenzare le condizioni termiche locali e, perché no, globali?
      .
      Le prime due questioni, mi interessano in modo particolare perché, fino ad oggi, la perdita di massa glaciale è sempre stata addebitata a processi dinamici legati alla presenza/assenza del “tappo” costituito dai ghiacci marini che circondano le aree continentali e/o a fenomeni connessi all’effetto “lubrificante” delle acque di fusione glaciale. Entrambi i meccanismi fanno riferimento alle variazioni climatiche. L’esistenza di altri meccanismi spariglierebbe le carte e contribuirebbe a chiarire molti dei problemi che caratterizzano i fenomeni di variazione delle masse glaciali continentali e, in ultima analisi, di velocità di variazione del livello del mare.
      Ciao, Donato.

    • Ciao Donato, allora:
      un articolo pubblicato su LE SCIENZE del 2008 riporta quanto segue:

      Nel 325 a. C. un’immane eruzione ha lacerato la coltre di ghiacci dell’Antartide: le prove di questo evento sono state raccolte per la prima volta da un gruppo di ricercatori del British Antarctic Survey (BAS), che ne danno notizia in un articolo pubblicato su Nature Geosciences. Grazie a rilevazioni radar aeree i ricercatori del BAS sono infatti riusciti a identificare uno strato di polvere prodotto da un vulcano ‘subglaciale’, che si estende per oltre 20.000 chilometri quadrati; dalle rilevazioni risulta anche che il vulcano sarebbe ancora attivo. “La scoperta di una eruzione vulcanica ‘subglaciale’ avvenuta sotto la coltre di ghiacciai dell’Antartide è qualcosa di unico: ma le nostre tecniche ci hannopermesso anche di datare l’eruzione, di determinarne la potenza e di mappare l’area di ricaduta delle ceneri. Riteniamo che questa sia stata la più potenteeruzione avvenuta in Antartide negli ultimi 10.000 anni: essa ha prodotto un notevole buco nella coltre del ghiacciaio e generato un pennacchio di ceneri e gas che si è innalzato per circa 12 chilometri”, ha detto Hugh Corr, che ha diretto lericerche. L’eruzione è avvenuta in prossimità del ghiacciaio di Pine Island, nel cosiddettoWest Antarctic Ice Sheet, corrispondente all’incirca alla regione compresa fra il Mare di Ross e la Penisola antartica. Il flusso di questo ghiacciaio verso la costa è molto accelerato nel corso degli ultimi decenni e parte di questa accelerazione potrebbe essere stata determinata dal calore generato dal vulcano sottostante, anche se questo meccanismo non è in grado di spiegare il ben più diffuso assottigliamento della coltre glaciale che sembra interessare una parte molto piùampia dell’Antartide occidentale e che sarebbe responsabile per circa 0,2 millimetri all’anno dell’innalzamento del livello del mare.”

      I vulcani antartici sono raggruppati in quattro gruppi: Penisola Antartica, Isole Sanwich del Sud, Terra di Marie Byrd e Baia di McMurd. Le Isole Sanwich del sud guardano verso l’Oceano Atlantico, gli altri verso il Pacifico.
      La Penisola Antartica e i mari adiacenti sono al centro di un complesso sistema di interferenze fra la placca della Nuova Scozia, quella sudameriana e quella antartica, con vecchi e nuovi piani di subduzione, piccoli bacini marginali che si stanno aprendo adesso come lo stretto di Bransfeld e vulcani di vari significato. Sono comunque praticamente ininfluenti ai fini della dinamica delle coltri di ghaccio.
      Le Isole Sandwich del Sud formano un tipico arco magmatico dove la zolla sudamericana scorre sotto quella della Nuova Scozia.
      Se i vulcani attorno al mare della Nuova Scozia sono caratteristici di zone tettonicamente attive, quelli degli altri due gruppi (Baia di McMurdo e Terra di Marie Byrd) sono tipici casi di “vulcanismo intraplacca”, cioè di vulcani la cui esistenza non è dovuta a cause superficiali (presenza di margini di zolla) ma alla risalita diretta di magmi dalle profondità del mantello superiore. Tra i vulcani di questo tipo ci sono quelli delle Isole Hawaii e l’Etna. Sotto l’Antartide Occidentale quindi ci sono due zone sotto le quali il mantello terrestre è anomalo e si fonde parzialmente, due cosiddetti “hot spot”.
      Qui sicuramente la litosfera è meno spessa che in altre zone, proprio in virtù della risalita del mantello fuso; su quanto però questo possa influenzare la sovrastante coltre glaciale al momento non riesco a trovare studi in proposito specifici, ma ricordo che se ne era parlato anche qui su CM quando le perforazioni esplorative permisero di raggiungere il Lago VOSTOK (febbraio 2012), bacino di acqua allo stato liquido pur se sepolta da 3000 metri di ghiaccio;

  4. Grazie Donato.

    PS Ti capisco: anch’io da un momento all’altro esaurirò il bundle mensile della connessione dati…

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  5. @Fabrizio
    L’originalità dello studio è nel modello numerico:tutto il resto (spessore litosfera e calore radiogenico) è bibliografia da cui sono stati desunti i dati.
    Credo che situazioni simili siano presenti in moltissime altre parti del Globo.
    @Luigi
    Non credo che esistano dati circa la ciclicità dei flussi termici litosferici. Circa la tua seconda domanda mi sembra un ottimo spunto per ulteriori indagini. Se fosse verificata sarebbe un’ottima spiegazione per eventi così drastici ed imprevedibili come quelli da te indicati.
    Ciao, Donato.
    P.s rispondo in condizioni “precarie”,mi scuso per la concisione. 🙂

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  6. Caro Donato, nel ringraziarti per le interessanti considerazioni mi lancio anch’io in alcune domande: cosa sappiamo circa la variabilità temporale (nel breve, medio e lungo periodo) dei flussi di energia geotermica? Potrebbero gli stessi essere coinvolti nei processi che portano alla fine di un’era glaciale o nella genesi degli eventi di Dansgaard–Oeschger?
    Ciao.
    Luigi

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  7. Domanda semplice, per capire: che lo spessore della litosfera sotto alcune parti della Groenlandia sia inferiore alla “norma” si sapeva già prima o è un contributo originale di questi ricercatori? Nel primo caso, è una scoperta recente o no? Esistono altre parti del mondo con le stesse caratteristiche?

    Grazie.

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