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Confronto tra LR04,CO2 e CH4 antartiche tra 0 e 800 mila anni fa (MIS 19c)

Le serie numeriche di δ18O (rapporto isotopico dell’ossigeno, anche d18O), CH4 (metano, anche CH4) e CO2 (anidride carbonica, anche CO2) sono di fatto degli standard con cui confrontarsi quando ci si muove indietro nel tempo a cercare situazioni climatiche del lontano passato.
Finora ho usato queste serie quando era necessario, per osservare singoli aspetti climatici e politico-climatici man mano che si presentavano, ma, da un suggerimento di Lopes et al., 2021, ho ritenuto di dover raccogliere insieme i dati e la loro analisi spettrale, in modo da avere un unico riferimento.

Lopes e colleghi, in una serie di lavori, hanno usato la Singular Spectrum Analysis (SSA o, nel loro caso iterativo, iSSA) per determinare le componenti spettrali delle tre serie citate all’inizio, le ultime due derivate dalla carota antartica di Vostok e la prima dall’ormai classico lavoro di Lisiecki e Raymo (2005), nota con la sigla LR04. Citano un lungo elenco di componenti spettrali (periodiche e quasi periodiche), cioè di periodi spettrali associabili alle tre serie e aggiungono anche la SSA, e quindi le componenti spettrali, della “soluzione numerica di lungo periodo per l’insolazione della Terra”, cioè la soluzione delle equazioni astronomiche (da 1 M di anni fa fino a 1 M di anni nel futuro) che permettono di definire le serie di eccentricità, precessione, obliquità dell’orbita e insolazione (Laskar et al., 2004 o La04).

In questo post userò, oltre a LR04, le serie europee di CH4 e CO2 da EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) Dome C, entrambe calibrate tramite AICC2012 (Antarctic ice core chronology 2012, v. Bazin et al (2013), https://doi.org/10.1594/PANGAEA.824894), tutte e tre tra 0 e 800 mila anni fa (800 Ka). LR04 si estende fino a 5.3 Ma, ma qui ho selezionato la parte comune con CH4 e CO2. Applicherò l’analisi spettrale di Lomb alle tre serie e ai parametri orbitali (disponibili in questo sito) e cercherò un confronto con le molto più estese componenti spettrali di SSA di Lopes et al (2021).

Inizio, mostrando le tre serie e il loro spettro, con d18O (LR04) che copre fino al MIS (Marine Isotope Stage) 19c, essendo il MIS 1 l’epoca attuale (Olocene) e il MIS 5e l’Eemiano, l’interlaciale precedente l’Olocene.

Contrariamente alle mie abitudini, qui tutti gli spettri sono normalizzati alla potenza totale (potenza diviso potenza totale), così da avere lo stesso quadro in tutti i casi e permettere un confronto più semplice. Ovviamente i valori nei file numerici (*-lomb.out) non corrisponderanno a quanto si legge dai grafici.

Fig.1: Serie LR04 (Lisiecki e Raymo, 2005) tra 0 e 800 Ka del δ18O derivato da una pila (stack) di 57 siti di foraminiferi bentonici distribuiti in tutto il mondo. La serie completa copre 5.3 milioni di anni ed è di fatto lo standard con cui confrontarsi nelle operazioni che riguardano i cicli glaciali-interglaciali.

Continuo con la CO2 di Epica Dome C e il suo spettro.

Fig.2: Serie dell’anidride carbonica di Epica Dome C. In basso lo spettro Lomb e un suo ingrandimento con periodi fino a 50 Kyr.

E finisco con la serie del metano (CH4) e il suo spettro.

Fig.3: Serie di CH4 di Epica Dome C tra 0 e 800 Ka. In basso lo spettro Lomb e un suo ingrandimento con periodi fino a 50 Kyr.

Il confronto diretto tra CH4 e CO2, sia per i dati (le due scale verticali sono in parti per miliardo, ppb, il CH4 e in parti per milione, ppm, la CO2) sia per gli spettri, è disponibile qui.
In tabella 1 raccolgo i massimi spettrali delle tre serie, evidenziando quelli tipici di eccentricità, obliquità e precessione.

I parametri orbitali, tra 0 e 800 Ka, sono mostrati in figura 4 e il loro spettro Lomb in figura 5. Da notare che l’insolazione è condizionata dall’eccentricità.

Fig.4: Parametri orbitali (eccentricità, precessione, obliquità e insolazione) ottenibili al sito http://vo.imcce.fr/insola/earth/online/earth/online/index.php
Fig.5: Spettro LOMB dei parametri orbitali con, indicati da frecce, alcune delle principali periodicità di ognuno riprese da Lopes et al., 2021.

Negli spettri sono indicati alcune periodicità mentre in tabella 2 si riportano i massimi spettrali in modo più esteso. Da notare 100 kyr dell’eccentricità; 23.5 e 19.8 Kyr della precessione; 41 Kyr dell’obliquità. Come già notato, l’insolazione è molto simile all’eccentricità. Il periodo di 53-54 Kyr è comune a tutti i parametri, così come 400 Kyr. L’insolazione è l’unica serie a mostrare un periodo di 62 Kyr, così come 135 Kyr compare solo nell’obliquità.

Commenti conclusivi
Lopes et al. usano serie di CO2 e CH4 diverse da quelle usate qui e tutte le serie (comprese LR04 e La04) sono troncate ai 420 Ka di CO2 e CH4 della stazione antartica Vostok.
In questo post si usano le serie di CO2 e CH4 di EPICA Dome C e LR04 tra 0 e 800 Ka.
Dobbiamo quindi aspettarci differenze negli spettri che appaiono, però, largamente concordanti: infatti Lopes et al. riportano gran parte dei valori riprodotti nella tabella 3, nella quale il neretto indica i periodi presenti anche nelle serie di questo post.

Come scritto all’inizio, lo scopo di questo post è quello di raggruppare tre serie di riferimento e i loro spettri in un unico articolo. Come “effetto collaterale” si è valutata anche la bontà dei miei abituali spettri Lomb.

Bibliografia

  • Laskar, J., Robutel, P., Joutel, F., Gastineau, M., Correia, A.C.M., Levrard, B.: A long term numerical solution for the insolation quantities of the Earth.Astronomy and Astrophysics428, 261-285, 2004 (La04 series). https://doi.org/10.1051/0004-6361:20041335
  • Lorraine E. Lisiecki, Maureen E. Raymo: A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ18O records. Paleoceanography20, PA1003, 2005. https://doi.org/10.1029/2004PA001071
  • Fernando Lopes, Pierpaolo Zuddas, Vincent Courtillot, Jean-Louis Le Mouël, Jean-Baptiste Boulé, Alexis Maineult, Marc Gèze: Milankovic Pseudo-cycles Recorded in Sediments and Ice Cores Extracted by Singular Spectrum AnalysisClimate of the past Discussion, 2021. https://doi.org/10.5194/cp-2021-126.
    Tutti i dati e i grafici sono disponibili nel sito di supporto
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Published inAttualitàClimatologia

12 Comments

  1. Schiavotto Pier Giovanni

    Cerco, da “ignorante” di seguire gli articoli pubblicati ma ci capisco poco.
    Si riesce, a fine di ogni articolo, fare un commento che riassuma tutti i dati presentati e possa essere compreso e condiviso anche da “profani” e non rimanga solo per “pochi” iniziati ?
    Nella speranza condivisa da altri miei amici, saluto e ringrazio
    Pier Giovanni Schiavotto

    • Lei fa giustamente riferimento anche ad altri suoi amici: ha ragione e io ho letto altre volte di questa mancanza di chiarezza nei miei ultimi post (da circa un paio di anni e anche da parte di mia moglie). Avevo tentato in precedenza di premettere una breve descrizione del contenuto ma senza troppo successo per cui ho abbandonato.
      Senza voler cercare giustificazioni (la colpa è in ogni caso totalmente mia), credo che questa mancanza di chiarezza nasca dal periodo del lockdown quando, costretto a casa, ho prodotto una notevole quantità di articoli che ho accumulato pensando più a me e ad aggiungere qualche frammento alla mia conoscenza che ai lettori di Climate Monitor (guardi le date sui grafici). In questo modo ho preparato articoli per i successivi 5-6 mesi (10-12 articoli), tutti sulla stessa falsariga di poca chiarezza.
      Ne ho ancora 5-6 già scritti e “impacchettati” e poi dovrò decidere se il lockdown ha lasciato in me una mentalità diversa da prima (e quindi dovrò smettere di scrivere per CM e continuare solo per me) oppure se imparare di nuovo un modo più adatto di rivolgermi ai lettori di CM. In ogni caso, penso che verso la fine di quest’anno mi prenderò un “periodo di assenza” per capire meglio.

      Per questo post in particolare, ho scritto all’inizio il suo scopo:
      “raccogliere insieme i dati e la loro analisi spettrale, in modo da avere
      un unico riferimento.”
      .
      Qui non voglio dimostrare niente, solo mettere in un solo posto -per me e per i lettori- serie temporali con cui si ha spesso a che fare, in particolare i parametri orbitali che non sempre sono facili da reperire.

      La ringrazio per il suo commento. Franco

    • Franco, il tuo modo di scrivere non solo va bene com’è, ma è caratterizzante del tuo lavoro, che è ormai parte irrinunciabile di CM. Per cui per quel che riguarda il tuo editore 🙂 non ci sono cambiamenti da fare e, tantomeno, assenze di riflessione da programmare. Al massimo, visto che parli di fine d’anno, puoi riposarti tra il 31/12 e l’1/1. Ma non farci l’abitudine 🙂

    • Guido, ti ringrazio molto per l’attestato di stima nei miei confronti e anche per i “diktat” semiseri su pause e riposi ma temo che il problema sia più complesso: scrivere per altre persone significa (anche) tenere conto del loro parere e, in qualche modo, almeno tentare di venire incontro a richieste espresse in modo educato come è sempre successo nel mio caso. E il punto è proprio questo: anche io mi rendo conto di aver cambiato il modo di scrivere e considero questo nuovo stile poco adatto ai lettori di CM. D’altra parte, lo scetticismo (climatico o non) comprende ogni possibile campo di applicazione e, perché no quello del modo di scrivere?
      Basterebbe aggiungere una o due frasi al post e il gioco sembrerebbe fatto; ma non è così se le frasi non appaiono sulla punta della penna (la mia prima stesura è sempre a mano).
      Questo per me è un hobby piacevole e faticoso per il quale vengo ripagato dalla soddisfazione di fare qualcosa di di utile (cercare di capire e divulgare) e se scrivo con la certezza di non fare del tutto bene questa parte, non ha senso continuare.
      Posso concedere che questo mio atteggiamento non sia solo opera del lockdown e che entrino in gioco altri fattori -per raccoglierli tutti in uno, diciamo l’età che avanza- che da qui a fine anno possono anche cambiare, e con essi la mia propensione a scrivere.
      Sicuramente continuerò a collaborare con Luigi Mariani alle serie secolari di precipitazioni italiane. Abbiamo appena aggiunto la serie di Villa Sora di Frascati (dal 1946) grazie all’impegno di un lettore di CM, il prof. Angelo Bressan. Franco

  2. Luca Rocca

    Buongiorno. Confrontando i dati orbitali e la conseguente variazione della costante solare noto che in corrispondenza dei picchi a 200ky e 600Ky si verificano periodi non particolarmente caldi mentre in corrispondenza del minimo a 400 Ky si verifica un evento massimo di riscaldamento. Potrebbe spiegarmi come viene interpretato questo fenomeno ? Grazie

    • Riuscire a capire il senso della domanda mi ha richiesto un po’ di tempo, credo a causa dei “ky” che usa e che nel post sono l’unità di misura del periodo dei massimi spettrali: non riuscivo a capire come la sua domanda si legasse agli spettri. Poi ho pensato che in realtà lei intendesse “ky BP” (o come scrivo io, “Ka”) e che quindi mi chiedesse il confronto fra la figure 1 e 4 del post.
      La spiegazione che credo di poterle dare dipende dal fatto che l’influenza sulla temperatura (d18O di LR04) viene esercitata non solo dai parametri orbitali ma anche dalla struttura terrestre (deriva dei continenti, correnti marine, vulcanesimo). Il fatto che lei descrive si verifica ad esempio anche a 320-330 Ka: insolazione bassa e temperatura (MIS 9e) tra le più alte. Al momento non ho una spiegazione migliore o più dettagliata. Franco

  3. rocco

    essendo la definizione attuale di clima indicare la media delle temperature di 30 anni, come si può avere una tale difinizione rispetto ai dati del passato?
    le serie del passato non sono affatto confrontabili con la risoluzione temporale di trent’anni, anche perchè le carote glaciali più sono profonde e meno precise sono (migliaia, decine di migliaia di anni…).
    O si cambia la definizione attuale di clima, oppure non ha senso fare analisi climatologiche rispetto a 800.000 anni fa, ma anche a 10000 anni fa
    In mille anni ci sono circa 34 periodi climatici secondo l’attuale difinizione e chissa quante variazioni non rilevabili dai carotaggi ci sono.

    • Non sono tanto bravo a commentare un eventuale cambio di definizione del clima, ma penso che la definizione attuale vada bene per i nostri scopi.
      Quando usiamo dati paleo, bisogna leggerli con un po’ di attenzione e usare il termine “clima” con in testa un’idea diversa da quella della definizione.
      Un po’ come parzialmente scrivo nella risposta a Pippo. Franco

  4. pippo

    quindi i vostri livelli di CO2 non superano mai i 300ppm

    • Dalle misure che ho usato, sì, i livelli (non i “nostri” livelli) di CO2 non superano i 300 ppm.
      Ma dobbiamo proprio metterci allo stesso livello del grafico a
      https://climate.nasa.gov/evidence dove viene del tutto trascurata la
      risoluzione temporale dei dati?
      Qui i dati hanno una risoluzione temporale di 1000 anni, tale da abbassare
      drasticamente il valore puntuale della concentrazione.

      Dovrebbe scaricare i dati osservati della CO2 (ad esempio di Mauna Loa) e fare la media dei valori, tenendo presente che gli anni osservati sono una minima frazione dell’intervallo dei dati presentati qui e che non è corretto confrontare i valori ad altissima risoluzione temporale del giorno d’oggi con i dati paleo. Franco

  5. virgilio

    Il fatto è che quando ci fu nell’atmosfera terrestre più CO2 della nostra epoca, il mondo non finì, nessuna catastrofe ma una rigogliosa Natura con tante specie viventi!

    • E’ vero. Però ci viene detto che le variazioni attuali sono troppo rapide per essere naturali e quindi <b<devono essere colpa dell’uomo (della serie: la teoria dell’AGW ha sempre ragione, a prescindere).

      Per osservare come questo fatto della rapidità non sia sempre vero, può vedere http://www.climatemonitor.it/?p=51650 riferito a due esempi: temperatura del nord Atlantico e precipitazione in Australia Orientale (sub-equatoriale). Franco

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