Le carote groenlandesi e le serie di alcune specie chimiche

Come ho messo in evidenza altrove, non abbiamo a disposizione serie estese di CO2 derivate da carotaggi in Groenlandia, al punto che, per confrontarsi con le serie di specie chimiche ottenute in Groenlandia, un lavoro relativamente recente (Ahn e Brook, 2014) usa una serie di CO2 antartica (v. ad esempio la loro figura 1). Una possibile spiegazione per questa mancanza si può trovare in Smith et al., 1997 e in Anklin et al., 1995.

È quindi necessario usare altre specie chimiche per confrontarsi con le temperature, cioè con i valori del rapporto ¹⁸O/¹⁶O o δ¹⁸O (‰). Per mettere in evidenza le eventuali relazioni tra la temperatura delle varie carote groenlandesi disponibili (di cui uso l’elenco da un post precedente)

e gli elementi chimici, con i loro isotopi e ioni, mostro in figura 1 uno dei grafici più confusionari e di difficile lettura che abbia mai prodotto, per il quale consiglio il link alla versione pdf per una più facile visione.

Perché uso un grafico di difficile lettura? Perché il quadro inferiore e in particolare un suo ingrandimento permette di vedere bene come tutti i massimi e i minimi delle serie (δ¹⁸O compreso) coincidano quasi perfettamente nella coordinata orizzontale anche se, come ci si attende, le ampiezze sono diverse. Questo significa che è possibile identificare ogni variazione di una singola serie utilizzandone un’altra diversa.
Non sono un chimico e quindi non posso attribuire caratteristiche climatiche e fisiche alle variazioni di ogni singolo ione, ma credo sia importante la verifica della mutua compatibilità, anche per supportare la bontà delle misure.
Noto anche, soprattutto nel quadro superiore, che da circa 80 Ka (ove Ka significa “migliaia di anni fa”) le serie smettono gradualmente di essere in fase ed evidenziano un profondo cambiamento nel sistema climato complessivo andando a ritroso nel tempo, almeno nell’emisfero nord.

Una compatibilità ancora buona, anche se inferiore alla precedente, si osserva tra δ¹⁸O di GISP2 e Ca, H₂O₂, NH₄ di GRIP in figura 2 (pdf) dove si vede che alcuni dati hanno un’estensione inferiore e, almeno in un caso, sono frammentari.

Anche in questo caso le serie appaiono meno in fase nei periodi che precedono gli 80 Ka.

Per informazioni sull’origine (sui luoghi di provenienza) delle specie chimiche presenti nel ghiaccio (e nella neve) polare, rimando a Mayewski et al., 1997, lavoro datato ma chiaro ed esaustivo, da cui traggo l’informazione generale che la precipitazione polare contiene impurità solubili e insolubili che formano gli aerosol primari (ad esempio il sale marino, con sodio e clorati) e le polveri continentali (magnesio, calcio, carbonati, ed altri), senza dimenticare i residui vulcanici e quelli delle esplosioni nucleari che costituiscono punti fermi per calibrare la relazione profondità-età.

Le coincidenze, e anche una complessiva concordanza di fase, mostrate in figura 1 e figura 2, non devono far pensare che tutto sia chiaro e lineare. Ad esempio la quantità δ¹⁸O misurata in Antartide e in due stazioni groenlandesi (figura 3) mostra certo una

similitudine complessiva, fatta di numerose coincidenze, ma anche importanti differenze, sia nella sincronizzazione temporale (non sempre i massimi e i minimi coincidono nel tempo) che nella temperatura (il valore numerico di δ¹⁸O).

Analisi spettrale
Gli spettri Lomb di Ca²⁺ e NH4⁺ (H₂O₂ é più breve delle altre serie e non è stato utilizzato) di figura 4 mostrano che queste serie, pur avendo comportamenti approssimativamente simili, non derivano la loro struttura dalle stesse cause chimico-fisiche. I massimi spettrali dei due elementi si presentano infatti con periodi e potenze diversi, anche se nel quadro c i massimi di maggiore frequenza (periodi tra 1 e 5 Kyr) sembrano trovare qualche riscontro nei corrispondenti massimi dello ione calcio.

La figura 5 mostra lo spettro Lomb del δ¹⁸O sia di GRIP che di GISP2, molto simili fino a periodi di circa 6 kyr e progressivamente diversi per i periodi più elevati. Il confronto con figura 4 evidenzia che calcio e ammonio hanno qualcosa in comune con la temperatura: un picco a 1.42, 2.9, 4.2-4.9, 22 Kyr per Ca; a 1.7, 2.7-2.9, 5, 7.7-9 e 24 Kyr per NH4. Ciò giustifica le relazioni più strette con la temperatura e tra gli elementi che sembrano esistere dall’osservazione di figura 2. Forse vale la pena ricordare che la figura 1 deriva dalla carota NEEM, la figura 2 dalla carota GRIP e che entrambe sono confrontate con δ¹⁸O derivata dalla carota GISP2. Queste carote producono risultati simili ma non uguali e bisogna aspettarsi differenze di vario genere.

Bibliografia

• Ahn J. and Brook E.J.: Siple Dome ice reveals two modes of millennial CO2 change during the last ice age, Nature Communications, 5, 3723, 2014. https://doi.org/10.1038/ncomms4723
• Anklin M., Barnola J-M, Schwander J., Stauffer B. and Raynaud D.: Processes affecting the CO2 concentrations measured in Greenland ice, Tellus, 47B, 461-470, 1995. Testo completo a: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10. 1034/j.1600-0889.47.issue4.6.x
• Bond et al, 1997 Gerard Bond, William Showers, Maziet Cheseby, Rusty Lo Peter Almasi, Peter deMenocal, Paul Priore, Heidi Cullen, Irka Hajdas, Georges Bonani: A Pervasive Millennial-Scale Cycle in North Atlantic Holocene and Glacial Climates , Science, 278, 1257-1266, 1997. link
• Paul A. Mayewski, Loren D. Meeker, Mark S. Twickler, Sallie Whifiow, Qinzhao Yang, W. Berry Lyons and Michael Prentice: Major features and forcing of high-latitude northern hemisphere atmospheric circulation using a 110,000- year-long glaciochemical series , JGR, 102, C12, 26345-26366, 1997. http://dx.doi.org/10.1029/96JC03365
• H.J. Smith, M. Wahlen, D. Mastroianni, K.C. Taylor: The CO2 concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition , GRL, 24/1, 1-4, 1997. http://dx.doi.org/10.1029/96GL03700