In Silent Spring, Rachel Carson considera la salvia occidentale. "Perché qui il paesaggio naturale è eloquente dell'interazione delle forze che l'hanno creato", scrive. “Si è diffuso davanti a noi come le pagine di un libro aperto in cui possiamo leggere perché la terra è ciò che è e perché dovremmo preservare la sua integrità. Ma le pagine non sono lette. ”Si lamenta della scomparsa di un paesaggio minacciato, ma potrebbe anche parlare di indicatori di paleoclima.
Per sapere dove stai andando, devi sapere dove sei stato. Ciò è particolarmente vero per gli scienziati del clima, che hanno bisogno di comprendere l'intera gamma dei cambiamenti del pianeta per tracciare il corso del nostro futuro. Ma senza una macchina del tempo, come ottengono questo tipo di dati?
Come Carson, devono leggere le pagine della Terra. Fortunatamente, la Terra ha tenuto dei diari. Qualsiasi cosa che metta giù strati annuali - coralli oceanici, stalagmiti delle caverne, alberi longevi, minuscole creature marine sgusciate - registra fedelmente le condizioni del passato. Per andare oltre, gli scienziati trascinano nuclei di sedimenti e nuclei di ghiaccio dal fondo dell'oceano e dai poli ghiacciati, che scrivono le loro memorie in raffiche di cenere, polvere e bolle di gas intrappolato a lungo.
In un certo senso, quindi, abbiamo macchine del tempo: ognuna di queste delegazioni racconta una storia leggermente diversa, che gli scienziati possono intrecciare per formare una comprensione più completa del passato della Terra.
A marzo, il National Museum of Natural History dello Smithsonian Institution ha tenuto un simposio di tre giorni sulla storia della temperatura terrestre che ha riunito insegnanti, giornalisti, ricercatori e pubblico per migliorare la loro comprensione del paleoclima. Durante una lezione serale, Gavin Schmidt, modellista del clima e direttore del Goddard Institute for Space Studies della NASA, e Richard Alley, un geologo di fama mondiale presso la Pennsylvania State University, hanno spiegato come gli scienziati usano i climi passati della Terra per migliorare i modelli climatici che usiamo per prevedere il nostro futuro.
Ecco la tua guida al passato climatico terrestre, non solo ciò che sappiamo, ma come lo conosciamo.
Come guardiamo al clima passato della Terra?
Ci vuole un po 'di creatività per ricostruire le incarnazioni passate della Terra. Fortunatamente, gli scienziati conoscono i principali fattori naturali che modellano il clima. Includono eruzioni vulcaniche la cui cenere blocca il sole, i cambiamenti nell'orbita terrestre che spostano la luce solare a diverse latitudini, la circolazione degli oceani e il ghiaccio marino, la disposizione dei continenti, la dimensione del buco dell'ozono, esplosioni di raggi cosmici e la deforestazione. Di questi, i più importanti sono i gas serra che intrappolano il calore del sole, in particolare l'anidride carbonica e il metano.
Come notato da Carson, la Terra registra questi cambiamenti nei suoi paesaggi: in strati geologici, alberi fossili, conchiglie fossili, persino pipì di ratto cristallizzato, praticamente tutto ciò che è veramente vecchio che viene preservato. Gli scienziati possono aprire queste pagine del diario e chiedere loro cosa stava succedendo in quel momento. Gli anelli degli alberi sono detentori del record particolarmente diligenti, registrando la pioggia nei loro anelli annuali; le carote di ghiaccio possono tenere resoconti squisitamente dettagliati sulle condizioni stagionali risalenti a quasi un milione di anni fa.
Le carote di ghiaccio rivelano strati annuali di nevicate, ceneri vulcaniche e persino resti di civiltà morte da tempo. (NASA's Goddard / Ludovic Brucker) Cos'altro può dirci un'anima di ghiaccio?
"Wow, c'è così tanto", dice Alley, che ha trascorso cinque stagioni sul campo a raccogliere il ghiaccio dalla calotta glaciale della Groenlandia. Considera cos'è un nucleo di ghiaccio: una sezione trasversale di strati di nevicate che risale a millenni.
Quando la neve ricopre il terreno, contiene piccoli spazi aerei pieni di gas atmosferici. Ai poli, gli strati più vecchi vengono sepolti e compressi nel ghiaccio, trasformando questi spazi in bolle d'aria passate, mentre i ricercatori Caitlin Keating-Bitonti e Lucy Chang scrivono su Smithsonian.com. Gli scienziati usano la composizione chimica del ghiaccio stesso (il rapporto degli isotopi pesanti e leggeri dell'ossigeno in H2O) per stimare la temperatura. In Groenlandia e in Antartide, scienziati come Alley estraggono nuclei di ghiaccio inconcepibilmente lunghi, lunghi più di due miglia!
Le carote di ghiaccio ci dicono quanta neve è caduta durante un determinato anno. Ma rivelano anche polvere, sale marino, ceneri da esplosioni vulcaniche lontane, persino l'inquinamento lasciato dall'impianto idraulico romano. "Se è nell'aria è nel ghiaccio", dice Alley. Nel migliore dei casi, possiamo datare le carote di ghiaccio alla loro stagione e anno esatti, contando i loro strati annuali come anelli di alberi. E le carote di ghiaccio conservano questi squisiti dettagli che risalgono a centinaia di migliaia di anni, rendendoli ciò che Alley chiama "il gold standard" dei proxy paleoclimatici.
Aspetta, ma la storia della Terra non è molto più lunga di quella?
Sì, è giusto. Gli scienziati paleoclimatici devono tornare indietro di milioni di anni, e per questo abbiamo bisogno di cose anche più vecchie dei nuclei di ghiaccio. Fortunatamente, la vita ha una lunga storia. La documentazione fossile di vita complessa risale a circa 600 milioni di anni fa. Ciò significa che abbiamo deleghe definite per i cambiamenti climatici che risalgono all'incirca così lontano. Uno dei più importanti sono i denti di conodonti - creature estinte simili ad anguille - che risalgono a 520 milioni di anni fa.
Ma alcuni dei proxy climatici più comuni in questa scala temporale sono ancora più minuscoli. I foraminiferi (noti come "forami") e le diatomee sono esseri unicellulari che tendono a vivere sul fondo marino dell'oceano e spesso non sono più grandi del periodo alla fine di questa frase. Poiché sono sparsi in tutta la Terra e sono in circolazione sin dal Giurassico, hanno lasciato una solida documentazione fossile per gli scienziati per sondare le temperature passate. Utilizzando isotopi di ossigeno nei loro gusci, possiamo ricostruire le temperature oceaniche risalenti a oltre 100 milioni di anni fa.
"In ogni promontorio estremo, in ogni spiaggia curva, in ogni granello di sabbia c'è una storia della terra", scrisse una volta Carson. Quelle storie, a quanto pare, si nascondono anche nelle acque che hanno creato quelle spiagge e in creature più piccole di un granello di sabbia.
Foraminiferi. (Ernst Haeckel) Quanta certezza abbiamo per il passato profondo?
Per gli scienziati paleoclimatici, la vita è cruciale: se hai indicatori di vita sulla Terra, puoi interpretare la temperatura in base alla distribuzione degli organismi.
Ma quando siamo tornati così lontano che non ci sono più nemmeno denti conodont, abbiamo perso il nostro indicatore principale. In passato dobbiamo fare affidamento sulla distribuzione dei sedimenti e sui marker dei ghiacciai del passato, che possiamo estrapolare per indicare approssimativamente i modelli climatici. Quindi più ci allontaniamo, meno proxy abbiamo e meno granulare diventa la nostra comprensione. "Diventa sempre più appannato", dice Brian Huber, un paleobiologo smithsoniano che ha contribuito a organizzare il simposio insieme al collega scienziato ricercatore pale curatore e curatore Scott Wing.
In che modo il paleoclima ci mostra l'importanza dei gas serra?
I gas a effetto serra, come suggerisce il nome, funzionano intrappolando il calore. In sostanza, finiscono per formare una coperta isolante per la Terra. (Puoi approfondire la chimica di base qui.) Se guardi un grafico delle ere glaciali passate, puoi vedere che i livelli di CO2 e le ere glaciali (o la temperatura globale) si allineano. Più CO2 equivale a temperature più calde e meno ghiaccio e viceversa. "E qui conosciamo la direzione della causalità", osserva Alley. “È principalmente dalla CO2 al (meno) ghiaccio. Non il contrario."
Possiamo anche guardare indietro a specifiche istantanee in tempo per vedere come la Terra risponde ai picchi di CO2 passati. Ad esempio, in un periodo di estremo riscaldamento durante l'era cenozoica terrestre circa 55, 9 milioni di anni fa, fu rilasciato un quantitativo di carbonio sufficiente per raddoppiare la quantità di CO2 nell'atmosfera. Le conseguenti condizioni di caldo hanno provocato il caos, causando enormi migrazioni ed estinzioni; praticamente tutto ciò che visse o si mosse o si estinse. Piante appassite. Oceani acidificati e riscaldati fino alla temperatura delle vasche da bagno.
Sfortunatamente, questo potrebbe essere un presagio per dove stiamo andando. "Questo è ciò che fa paura ai modellisti climatici", afferma Huber. "Al ritmo che stiamo andando, stiamo in un certo senso riportando indietro il tempo a questi periodi di estremo calore". Ecco perché capire il ruolo dell'anidride carbonica nei cambiamenti climatici passati ci aiuta a prevedere i cambiamenti climatici futuri.
Sembra piuttosto male.
Sì.
Sono davvero colpito da quanti dati paleoclimatici abbiamo. Ma come funziona un modello climatico?
Ottima domanda! Nella scienza, non è possibile creare un modello se non si comprendono i principi di base alla base del sistema. Quindi il semplice fatto che siamo in grado di creare buoni modelli significa che capiamo come funziona tutto questo. Un modello è essenzialmente una versione semplificata della realtà, basata su ciò che sappiamo delle leggi della fisica e della chimica. Gli ingegneri usano modelli matematici per costruire strutture su cui milioni di persone fanno affidamento, dagli aeroplani ai ponti.
I nostri modelli si basano su una struttura di dati, molti dei quali provengono dai proxy paleoclimatici che gli scienziati hanno raccolto da ogni angolo del mondo. Ecco perché è così importante che dati e modelli siano in conversazione tra loro. Gli scienziati testano le loro previsioni sui dati di un passato lontano e cercano di correggere eventuali discrepanze. "Possiamo tornare indietro nel tempo e valutare e convalidare i risultati di questi modelli per fare previsioni migliori su ciò che accadrà in futuro", afferma Schmidt.
Ecco un modello:
È carino. Ho sentito che i modelli non sono molto precisi, però.
Per loro stessa natura, i modelli sono sempre sbagliati. Pensa a loro come a un'approssimazione, la nostra ipotesi migliore.
Ma chiediti: queste ipotesi ci danno più informazioni di quelle che avevamo in precedenza? Forniscono previsioni utili che altrimenti non avremmo? Ci permettono di porre domande nuove e migliori? "Quando mettiamo insieme tutti questi pezzi, finiamo con qualcosa che assomiglia molto al pianeta", afferma Schmidt. "Sappiamo che è incompleto. Sappiamo che ci sono cose che non abbiamo incluso, sappiamo di aver inserito cose un po 'sbagliate. Ma i modelli di base che vediamo in questi modelli sono riconoscibili ... come i modelli che vediamo continuamente nei satelliti. "
Quindi dovremmo fidarci di loro per predire il futuro?
I modelli riproducono fedelmente gli schemi che vediamo nel passato, presente e in alcuni casi della Terra. Siamo ora al punto in cui possiamo confrontare i primi modelli climatici - quelli della fine degli anni '80 e '90 su cui il team Schmidt alla NASA ha lavorato - con la realtà. "Quando ero uno studente, i primi modelli ci dicevano come sarebbe stato caldo", afferma Alley. “Sta succedendo. I modelli sono predittivi oltre che esplicativi: funzionano. ”A seconda di dove ti trovi, ciò potrebbe farti dire“ Oh, grazie! Avevamo ragione! "O" Oh no! Avevamo ragione. "
Per verificare l'accuratezza dei modelli, i ricercatori tornano subito ai dati paleoclimatici che Alley e altri hanno raccolto. Eseguono modelli in un lontano passato e li confrontano con i dati che effettivamente hanno.
"Se siamo in grado di riprodurre antichi climi del passato in cui sappiamo cosa è successo, ciò ci dice che quei modelli sono davvero uno strumento valido per noi per sapere cosa accadrà in futuro", afferma Linda Ivany, una paleoclimatica scienziata dell'Università di Syracuse. I proxy di ricerca di Ivany sono vongole antiche, le cui conchiglie registrano non solo condizioni annuali ma inverni ed estati individuali risalenti a 300 milioni di anni fa, rendendoli un modo prezioso per controllare i modelli. "Meglio i modelli riescono a recuperare il passato", afferma, "meglio saranno per prevedere il futuro".
Paleoclimate ci mostra che il clima della Terra è cambiato radicalmente. Ciò non significa che, in un senso relativo, i cambiamenti di oggi non sono un grosso problema?
Quando Richard Alley cerca di spiegare la gravità dei cambiamenti climatici causati dall'uomo, spesso invoca un particolare fenomeno annuale: gli incendi che scoppiano sulle colline di Los Angeles ogni anno. Questi incendi sono prevedibili, ciclici, naturali. Ma sarebbe folle dire che, dato che gli incendi sono la norma, va bene lasciare che anche gli incendiari accendano. Allo stesso modo, il fatto che il clima sia cambiato nel corso di milioni di anni non significa che i gas serra prodotti dall'uomo non rappresentino una grave minaccia globale.
"La nostra civiltà si basa su un clima e un livello del mare stabili", afferma Wing, "e tutto ciò che sappiamo dal passato dice che quando si immette molto carbonio nell'atmosfera, il clima e il livello del mare cambiano radicalmente".
Dalla rivoluzione industriale, le attività umane hanno contribuito a scaldare il globo di 2 gradi F, un quarto di ciò che Schmidt considera una "unità dell'era glaciale", il cambiamento di temperatura che la Terra subisce tra un'era glaciale e un'era non glaciale. I modelli di oggi prevedono un ulteriore riscaldamento da 2 a 6 gradi Celsius entro il 2100, almeno 20 volte più veloce rispetto ai precedenti periodi di riscaldamento negli ultimi 2 milioni di anni.
Naturalmente ci sono incertezze: "Potremmo avere un dibattito sul fatto che siamo un po 'troppo ottimisti o meno", afferma Alley. "Ma non c'è molto dibattito sul fatto che stiamo facendo troppo paura o no." Considerando quanto eravamo giusti prima, dovremmo ignorare la storia a nostro rischio e pericolo.
