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Cosa ha causato le ere glaciali? Minuscoli fossili oceanici offrono prove chiave
Gli ultimi milioni di anni di storia della Terra sono stati caratterizzati da frequenti “cicli glaciali-interglaciali”, grandi oscillazioni climatiche che sono collegate alla crescita e al restringimento di massicce calotte glaciali che si estendono su continenti. Questi cicli sono innescati da sottili oscillazioni nell’orbita e nella rotazione terrestre, ma le oscillazioni orbitali sono troppo sottili per spiegare i grandi cambiamenti climatici.
“La causa delle ere glaciali è uno dei grandi problemi irrisolti nelle geoscienze”, ha affermato Daniel Sigman, professore di scienze geologiche e geofisiche a Dusenbury. “Spiegare questo fenomeno climatico dominante migliorerà la nostra capacità di prevedere i futuri cambiamenti climatici”.
Negli anni ’70, gli scienziati hanno scoperto che la concentrazione di anidride carbonica (CO 2 ) del gas serra atmosferico era di circa il 30% inferiore durante le ere glaciali. Ciò ha suggerito teorie secondo cui la diminuzione dei livelli di CO 2 atmosferici è un ingrediente chiave nei cicli glaciali, ma le cause del cambiamento di CO 2 sono rimaste sconosciute. Alcuni dati suggerivano che, durante le ere glaciali, la CO 2 fosse intrappolata nell’oceano profondo, ma la ragione di ciò è stata discussa.
Ora, una collaborazione internazionale guidato da scienziati Princeton University e l’Istituto Max Planck per la Chimica (MPIC) hanno trovato prove che indicano che durante le ere glaciali, cambiamenti nelle acque superficiali dell’Oceano Antartico hanno lavorato per memorizzare più di CO 2 nel profondo oceano . Utilizzando i nuclei di sedimenti dell’Oceano Antartico, i ricercatori hanno generato registrazioni dettagliate della composizione chimica della materia organica intrappolata nei fossili di diatomee, alghe galleggianti che sono cresciute nelle acque superficiali, poi sono morte e sono affondate nel fondo del mare. Le loro misurazioni forniscono la prova di riduzioni sistematiche del sollevamento dovuto al vento nell’Oceano Antartico durante le ere glaciali. La ricerca appare nell’ultimo numero della rivista Science .
Da decenni i ricercatori sanno che la crescita e l’affondamento delle alghe marine pompano CO 2 in profondità nell’oceano, un processo spesso definito “pompa biologica”. La pompa biologica è azionata principalmente dagli oceani tropicali, subtropicali e temperati ed è inefficiente più vicino ai poli, dove la CO 2 viene scaricata nell’atmosfera dalla rapida esposizione delle acque profonde alla superficie. Il peggior colpevole è l’Oceano Antartico: i forti venti orientali che circondano il continente antartico spingono in superficie acque profonde ricche di CO 2 , ” disperdendo” CO 2 nell’atmosfera.
Il potenziale per una riduzione della risalita sospinta dal vento per mantenere più CO 2 nell’oceano, e quindi per spiegare l’ abbassamento di CO 2 atmosferico dell’era glaciale , è stato riconosciuto da decenni . Fino ad ora, tuttavia, gli scienziati non hanno avuto modo di verificare in modo inequivocabile tale cambiamento.
La collaborazione Princeton-MPIC ha sviluppato un tale approccio, utilizzando minuscole diatomee. Le diatomee sono alghe galleggianti che crescono in abbondanza nelle acque superficiali dell’Antartide e i loro gusci di silice si accumulano nei sedimenti marini profondi. Gli isotopi dell’azoto nei gusci delle diatomee variano con la quantità di azoto inutilizzato nell’acqua di superficie. Il team di Princeton-MPIC ha misurato i rapporti isotopici dell’azoto della materia organica in tracce intrappolata nelle pareti minerali di questi fossili, che ha rivelato l’evoluzione delle concentrazioni di azoto nelle acque superficiali dell’Antartide negli ultimi 150.000 anni, coprendo due ere glaciali e due periodi interglaciali caldi .
“L’analisi degli isotopi dell’azoto intrappolati nei fossili come le diatomee rivela la concentrazione di azoto superficiale nel passato”, ha detto Ellen Ai, prima autrice dello studio e studentessa laureata di Princeton che lavora con Sigman e con i gruppi di Alfredo Martínez-García e Gerald Haug presso MPIC. “Le acque profonde hanno alte concentrazioni di azoto su cui fanno affidamento le alghe. Più risale si verifica in Antartide, maggiore è la concentrazione di azoto nell’acqua superficiale. Quindi i nostri risultati ci hanno anche permesso di ricostruire i cambiamenti di risalita in Antartide”
I dati sono stati resi più potenti da un nuovo approccio per la datazione dei sedimenti antartici. La variazione della temperatura dell’acqua superficiale è stata ricostruita nelle carote dei sedimenti e confrontata con le registrazioni delle carote di ghiaccio antartiche della temperatura dell’aria.
“Questo ci ha permesso di collegare molte caratteristiche della registrazione dell’azoto di diatomee a cambiamenti climatici e oceanici coincidenti in tutto il mondo”, ha affermato Martínez-García. “In particolare, ora siamo in grado di definire i tempi del declino del upwelling, quando il clima inizia a raffreddarsi, nonché di collegare i cambiamenti del upwelling in Antartide con le rapide oscillazioni climatiche durante le ere glaciali”.
Questo tempismo più preciso ha permesso ai ricercatori di puntare sui venti come fattore chiave dei cambiamenti di risalita.
Le nuove scoperte hanno anche permesso ai ricercatori di districare il modo in cui i cambiamenti nella risalita antartica e nella CO 2 atmosferica sono collegati ai trigger orbitali dei cicli glaciali, portando gli scienziati un passo avanti verso una teoria completa dell’origine delle ere glaciali.
“I nostri risultati mostrano che il cambiamento atmosferico di CO 2 causato dal risveglio era centrale per i cicli, ma non sempre nel modo in cui molti di noi avevano supposto”, ha detto Sigman. “Ad esempio, invece di accelerare la discesa nelle ere glaciali, la risalita antartica ha causato cambiamenti di CO 2 che hanno prolungato i climi più caldi”.
Le loro scoperte hanno anche implicazioni per prevedere come l’oceano risponderà al riscaldamento globale. I modelli al computer hanno prodotto risultati ambigui sulla sensibilità dei venti polari ai cambiamenti climatici. L’osservazione dei ricercatori di una forte intensificazione del risveglio guidato dal vento nell’Oceano Antartico durante i periodi caldi del passato suggerisce che il risveglio si rafforzerà anche con il riscaldamento globale. È probabile che un più forte risveglio antartico acceleri l’assorbimento del calore dell’oceano dal riscaldamento globale in corso, influenzando anche le condizioni biologiche dell’Oceano Antartico e del ghiaccio in Antartide.
“Le nuove scoperte suggeriscono che l’atmosfera e l’oceano intorno all’Antartide cambieranno notevolmente nel prossimo secolo”, ha detto Ai. “Tuttavia, poiché la CO 2 prodotta dalla combustione di fossili è unica per i tempi attuali, è necessario ulteriore lavoro per capire come i cambiamenti dell’Oceano Antartico influenzeranno la velocità con cui l’ oceano assorbe questa CO 2 “.
“Risalita dell’Oceano Meridionale, obliquità della Terra e cambiamento di CO 2 atmosferico glaciale-interglaciale ” di Xuyuan Ellen Ai, Anja S. Studer, Daniel M. Sigman, Alfredo Martínez-García, François Fripiat, Lena M. Thöle, Elisabeth Michel, Julia Gottschalk , Laura Arnold, Simone Moretti, Mareike Schmitt, Sergey Oleynik, Samuel L. Jaccard e Gerald H. Haug appare nel numero dell’11 dicembre di Science .
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