Interglaciali tra 0 e 800 mila anni – Parte seconda

Nota dell’editore: questo post era programmato per la settimana prossima, ma avendo notato che la discussione sulla prima parte ne ha chiamato in causa alcune risultanze, ho pensato di anticiparne la pubblicazione.

Riassunto: l’analisi spettrale wavelet applicata a 7 dataset di PAGES (2016) non conferma l’ipotesi, precedentemente avanzata anche da Berger (2013), di una evoluzione climatica attraverso gli 800 ka dei dataset. Appare chiaramente che i massimi spettrali principali (41 e 100 ka) sono stati presenti contemporaneamente su tutto l’intervallo temporale analizzato.
Abstract: wavelet spectral analysis applied to 7 PAGES (2016) datasets does not confirm the hypothesis, also discussed in Berger (2013), of a climatic evolution along the datasets’ 800 ka temporal extension. Main spectral maxima (41 and 100 ka) have been clearly present all over the analysed time range.

Introduzione
Nel post precedente ho iniziato a trattare i dati del gruppo di lavoro sugli interglaciali (IG) di PAGES (2016), in particolare il δ18O bentonico tra 0 e 800 ka fa (1ka=1000 anni). Dal post era emersa abbastanza chiaramente la possibilità che nell’intervallo di tempo considerato fosse avvenuta un’evoluzione nella temporizzazione degli IG, un passaggio dalla ciclicità di circa 41 ka a quella di circa 100 ka, attorno a 450 ka fa. Implicitamente, il post faceva pensare che un’analisi spettrale in grado di valutare la successione temporale dei massimi, tipo wavelet, potesse mettere in evidenza la presenza di ciclicità a ~41 ka nelle parti più antiche del dataset e a ~100 ka nelle parti più recenti, tra 0 e 450 ka fa.

Questo secondo post ha lo scopo di verificare l’ipotesi “evolutiva”, verifica che è preceduta dall’analisi di altre 8 serie (oltre quella del δ18O) e dalla raccolta in forma di tabella dei massimi spettrali comuni alle 9 serie.

Si accenna qui brevemente anche al “problema dei 100 ka”, dovuto al fatto che il massimo spettrale più significativo di quella che comunemente viene chiamata “cronologia di Milankovitch” (Milankovitch chron, fino a 650 ka fa), cioè 100 ka, non ha, a questa ciclicità, una spiegazione semplice e diretta (ad esempio un fenomeno astronomico) di come un evento non noto potrebbe influenzare le variazioni climatiche. Forse, e con molte incertezze, sarebbe necessario invocare molte cause, astronomiche (dalla precessione all’obliquità e all’eccentricità dell’orbita terrestre) ma anche casuali e imprevedibili, di tipo geologico o circolatorio, come descritto in Berger (2013). Berger accenna anche al fatto che sarebbero presenti negli spettri (ma lui usa le derivate del dataset) fluttuazioni sulla scala di 10 ka, preferite (dal sistema climatico?) rispetto ai cambiamenti sui 100 ka.

Analisi dati
L’analisi spettrale dei 9 dataset utilizzati è riassunta in tabella 1, nella quale sono raccolti i massimi (più o meno) comuni degli spettri MEM e LOMB. Le ultime tre righe della tabella (fondo azzurro) riportano la massima variazione percentuale [(max-min)/max]x100, la media e la deviazione standard dei vari campioni.

Tabella 1: massimi spettrali (ka) delle 9 serie di PAGES
Eccentricity 123 97 54.3 37.7 34.5 30.8 23.2 19.7 11.4 10.4
Obliquity 160 100 71 53.4 41 29.4 23.4 20.2 11.2 10.7
Precession 246 140 114.4 97 53.4 39 36 29 23.7 19 10.9 10.6
Insolation 458 169 123 94 53 41 35.2 28.9 23.4 19 11.2 10.5
Benthic δ18O 296 218 150 126 100 70.4 57 41 36.8 28.8 23.5 19 11 10.4
Baikal Biosil. 296 148 99 56.4 41 35.5 28.9 23.5 19 11.5 9.9
Pollen arb. 320 200 123 100 71 57 41 35.5 29.9 23.5 19 11 10.6
CH4 Epica 457 200 152 97 72.6 55 40.5 36.3 28.8 23.5 18.9 11.2 10.3
CO2 Epica 639 228 152 118 97 72.6 56 40.4 36.7 30.1 23.5 18 11.5 10.5
Δ/max % 19 17 9 6 3 7 8 6 7 2 11 4 7
Average 218.4 153 121.2 97.9 71.5 55.1 40.3 35.8 29.4 23.5 19.1 11.2 10.4
σ(n-1) 19.6 9.2 4.2 2 1 1.6 1.2 0.8 0.7 0.1 0.6 0.2 0.2

Come esempi grafici dell’analisi, vengono mostrati, in fig.1 (pdf) il confronto tra CH4 e CO2 (dalla carota antartica di EPICA Dome) e in fig.2 (pdf) la percentuale di biosilicati dai carotaggi del lago Baikal.

Fig.1: immagine composita del confronto tra CH4 e CO2 da EPICA. (alto) spettro dei due gas serra tra 0 e 40 ka. (centro) Valori misurati e (sotto) spettri completi. Da notare la complessiva somiglianza tra i due (dati e spettri) ma anche le notevoli differenze locali, sia recenti che antiche.

Fig.2: biosilicati del lago Baikal. Nello spettro si notano i massimi a 23.4, 41, 72, 100, 150, 200 e (debole) a 300 ka.

Dalle figure, ma soprattutto dalla tabella 1, si vede che i massimi a 100 e 41 ka sono presenti insieme negli spettri e che, quindi, si pone ancora il problema della possibile evoluzione temporale e della separazione dei due.
Oltre a questi due massimi principali sono presenti picchi comuni a tutti o quasi i dataset:10, 11.5, 23.5, 72, 123, 200ka. In questo caso la significatività dei picchi non è un problema: infatti hanno lo stesso periodo, entro margini molto stretti, in 9 dataset di origine diversa per cui senz’altro le fluttuazioni numeriche possono interessare l’ampiezza (o la potenza) dei massimi ma non il loro periodo. La significatività dei periodi viene data, come già in altre occasioni, da una sorta di probabilità frequentista.

Analisi spettrale wavelet
Per capire se, nel tempo, si sia verificata un’evoluzione del periodo principale (ad esempio da 41 a 100 ka) ho calcolato, per 7 delle 9 serie di dati, lo spettro wavelet che mostro, con brevi commenti, nelle figure successive.

  1. fig.3: δ18O

    Fig.3: spettro wavelet di δ18O. Da notare la continuità, su tutto l’intervallo di 800 ka, sia del massimo a 41 ka che di quello a 100 ka. Nel quadro di destra, in basso, sono riportati alcuni valori dell’asse y (log2 periodo) rapportati al periodo in ka. Questi valori sono presenti in tutte le figure successive.

    Anche se le potenze sono diverse, lo spettro non conferma la presenza di un “prima” e di un “dopo” l’IG 11c (~450 ka fa) come sembrava suggerire il post precedente; un “prima” a cui erano associati periodi di ~41 ka e un “dopo” con periodi di ~100 ka.

  2. fig.4: Eccentricità

    Fig.4: spettro wavelet dell’eccentricità orbitale. Si nota una continuità per il (debole) periodo di 41 ka e per il periodo di 100 ka che si intreccia con quello a 123 ka. È presente un forte massimo centrato a circa 315 ka, praticamente uniforme su tutto l’intervallo.

    L’eccentricità mostra un debole massimo a ~41 ka, quasi continuo su tutto l’intervallo, forse interrotto attorno a 570-580 ka fa. Il massimo a 100 ka appare anch’esso continuo e continguo al picco a 123 ka (i due si separano a circa 400 ka fa). Il massimo a 200 ka appare molto debole e scompare tra 600 e 750 ka fa, mentre quello a 315 ka sembra potente sull’intero periodo studiato.

  3. fig.5: Obliquità

    Fig.5: spettro wavelet dell’obliquità orbitale. Quasi tutta la potenza è concentrata in una fascia ristretta, compresa tra 23 e 41 ka. Quasi inesistente,debole e fuori dal cono di influenza, il massimo a 100 ka. Allo stesso modo tutti gli altri picchi di periodo maggiore che sembrano non esistere prima di 150-200 ka fa.

    L’obliquità sembra agire in una fascia ristretta di periodi, da ~23.5 a ~41 ka. Al di fuori della fascia i periodi maggiori sono deboli e limitati a non altre 150-200 ka fa.

  4. fig.6: Precessione

    Fig.6: spettro wavelet della precessione orbitale. Il periodo di 23.4 ka è il più significativo, interrotto attorno a 400 e 760 ka fa. Il massimo a 41 ka è molto debole e prticamente non esiste prima di 300 ka fa.

    Lo spettro della precessione è dominato dal perido 23.4 ka (in realtà tra ~19 e ~36 ka). Bisogna ricordare che il periodo “fisico” della precessione è di 26 ka (il polo celeste percorre un cerchio sulla sfera celeste in 26 ka). Il periodo principale è interrotto per circa 70 ka attorno a 400 ka fa e per circa 20 ka a 760 ka fa.

  5. fig.7: Insolazione a 65°N

    Fig.7: spettro wavelet dell’irraggiamento solare a 65°N. È dominato dai periodi 23.4 e 41 ka, il primo interrotto per 5 volte ad intervalli variabili di circa 100-150 ka e il secondo continuo su tutto l’intervallo.

    L’irraggiamento solare (in W/m2) ad alte latitudini settentrionali mostra due massimi principali, a 23.4 e 41 ka; il primo interrotto 5 volte (durata circa 30 ka ogni volta) con un passo variabile compreso tra 100 e 150 ka e il secondo continuo e di potenza costante su tutto l’intervallo. Il picco a 100 ka è debole e presente solo fino a 300 ka fa; dopo i 550 ka fa risulta più debole ma ancora visibile fino a 800 ka fa.

  6. fig.8: Biosilicati del lago Baikal

    Fig.8: spettro wavelet dei biosilicati (%) del lago Baikal. Il massimo più stabile sembra essere quello a 200 ka. A 100 ka il picco appare frastagliato, di potenza variabile e più forte dopo 550 ka fa. Il massimo a 41 ka sembra poco significativo.

    I biosilicati del Baikal presentano uno spettro di struttura anomala: molto frastagliato, con solo i picchi a 200 e 315 ka esistenti su tutto l’intervallo. Il massimo a 100 ka è generalmente debole e di potenza varibile, più forte solo dopo i 550 ka fa. Il massimo a 41 ka è poco ignificativo e quello a 512 ka (y=9) è presente non altre i 300 ka fa.

  7. fig.9: CO2

    Fig.9: spettro wavelet della CO2 di EPICA Dome. Appare frastagliato, senza continuità temporale sull’intero intervallo, a parte i ~630 ka (y=9.3). Il picco a 41 ka è presente saltuariamente e quello a 100 ka, anche se potente, è spesso interrotto.

    L’anidride carbonica non mostra uno spettro con massimi presenti in modo continuo su tutto l’intervallo (tranne quello con periodo ~630 ka). Il massimo a 100 ka ha potenza elevata tra 0 e 350 e tra 550 e 650 ka fa.

Conclusioni
Gli spettri MEM e LOMB di 9 serie di paleo dati tra 0 e 800 ka mostrano la presenza contemporanea di molti massimi (elencati in tabella 1) ma gli spettri wavelet non evidenziano un’evoluzione sistematica da un ambiente (di periodo 41 ka) all’altro (periodo 100 ka), anzi il più delle volte mostrano che i due massimi sono presenti contemporaneamente e su tutto l’intervallo temporale disponibile.

È quindi difficile immaginare un netto cambiamento di regime climatico attorno a 400-450 ka fa, in corrispondenza dell’interglaciale 11c.

Tutti i grafici e i dati, iniziali e derivati, relativi a questo post si trovano nel sito di supporto qui

Bibliografia

  • Berger,W.H.: On the Milankovitch sensitivity of the Quaternary deep-sea record, Clim. Past, 9, 2003-2011, 2013, doi:10.5194/cp-9-2003-2013
  • Past Interglacials Working Group of PAGES (2016), Interglacials of the last 800,000 years, Rev. Geophys., 54, 162-219, doi:10.1002/2015RG000482.
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Author: Franco Zavatti

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6 Comments

  1. Esiste qualche correlazione fra i periodi glaciali e le variazioni del baricentro del sistema solare studiate da Landscheidt?

    Post a Reply
    • Non saprei, nella mia bibliografia non ho alcun lavoro di Landscheidt e quindi non ho fatto confronti e correlazioni.
      Se potessi avere una bibliografia più precisa potrei tentare una verifica.
      Franco

      Post a Reply
        • Grazie per il sito. Ho guardato, ma mi sembra che i dati non siano confrontabili con quelli del post.
          Il grafico del baricentro del sistema solare va da -3000 a +3000 anni mentre il massimo spettrale di periodo minore che ho considerato è di 10 mila anni.
          Non ho trovato il modo (apparentemente il sito su cui sono stati sviluppati i calcoli non è più disponibile – o meglio è sul mercato- ma cercherò meglio) di calcolare le oscillazioni del baricentro per un periodo più lungo.
          Franco

          Post a Reply
          • Utilizzare i calcoli di allineamento planetario per periodi superiori a quelli proposti mi pare un azzardo. Gli autori si limitano a valutare l’effetto dei giganti gassosi ma i rimanenti 9/10 della massa extrasolare erano stati giustamente considerati a livello di rumore. Nel lunghissimo periodo però , hanno sicuramente degli effetti. Potrebbe essere interessante già che dispone dei dati dei carotaggi valutare i dati degli isotopi presi in considerazione dagli autori come indicatori dell’ attività solare.

  2. “L’anidride carbonica non mostra uno spettro con massimi presenti in modo continuo su tutto l’intervallo …”
    .
    Stupisce come la concentrazione di CO2 abbia sempre comportamenti atipici rispetto ad altre variabili in grado di influenzare il clima terrestre. E’ una specie di battitore libero refrattario a ogni schematizzazione.
    Ad ogni buon conto da questo pregevole lavoro emerge ancora una volta la complessità del sistema climatico e si comprende la difficoltà che i ricercatori incontrano nel modellarlo.
    Forse l’analisi statistica è l’unico strumento in grado di intercettarne il reale funzionamento, ma ho serissimi dubbi in poposito.
    Ciao, Donato.

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