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I rapporti isotopici di Ossigeno e Carbonio tra 0 e 65 milioni di anni fa

Franco Zavatti

Facendo ancora riferimento all'articolo di Westerhold et al. (2020), discuto qui le loro serie dei rapporti isotopici di ossigeno e carbonio (δ18O e δ13C) e i loro spettri.
Per una descrizione accurata del contenuto dell'articolo rimando all'ottimo resoconto dell'amico Donato Barone del quale condivido in toto anche i commenti finali.

Ma prima voglio portare all'attenzione dei lettori un commento di Willis Eschenbach all'articolo, su WUWT (Watts Up With That?) nel quale, ricavate dalla digitalizzazione delle figure, si confrontano la variazione di temperatura e la concentrazione di CO2 su tutti i 67 milioni di anni della serie dell'ossigeno. Lo scopo è quello di verificare se la relazione ΔT=λΔF (dove i Δ sono le variazioni di temperatura T e forzante F e λ è la sensibilità climatica all'equilibrio (ECS) può essere confermata dai dati di Westerhold et al., 2020.
Come si vede, se la relazione (alla base del concetto di riscaldamento globale di origine antropica) è vera, si deve ottenere una retta, di pendenza λ, in un grafico che lega temperatura e logaritmo della concentrazione di CO2
Fig.1: Riproduzione della figura 4 di W.Eschenbach.
Dalla sua figura è molto difficile dimostrare una relazione lineare tra le due grandezze; anzi, per lunghi periodi (milioni e decine di milioni di anni) variazioni di CO2 avvengono a temperatura costante o poco variabile, mentre in altri periodi variazioni di temperatura si hanno a ln(CO2) quasi costante.
La serie δ18O (dato di prossimità della temperatura) e quella dellla concentrazione di CO2 dimostrano, ancora una volta, che tra queste due grandezze non esiste una relazione stabile nel tempo e che, a mio parere, una eventuale relazione su periodi brevissimi (come i circa 160 anni che vengono normalmente considerati dall'AGW) non ha alcun significato.

Chiusa questa parentesi, ritorno all'analisi delle serie di Westerhold et al., 2020, che qui ho usato nella forma compatta mostrata in figura 2
Fig.2: Serie usate in questo post: il passo dei dati è di 8 Kyr tra 0 e 34.026 Ma e di 20 Kyr tra 34.030 e 67.1 Ma (il duplice passo è degli autori). Questo implica l'uso di 5909 dati invece dei 23629 originali. La linea rossa è un filtro passa basso di 64 punti (da 0.5 a 2 Myr). La linea verticale viola indica la transizione di metà Miocene datata 14 Ma. Da notare che il salto a 34 Ma, la transizione tra Eocene e Oligocene, indicato da una freccia in entrambi i grafici, coincide con il cambio di passo dei dati (da 8 a 20 Kyr in figura o tra 2 e 5 Kyr nei dati originali).

Lo spettro Lomb di queste serie mostra, nel caso dell'ossigeno, un potente massimo di periodo circa 31 milioni di anni e picchi minori a ~10 e ~6 Myr; nel caso del carbonio due picchi, a ~40 e ~22 Myr, accompagnati da tre massimi più deboli, e una struttura più articolata rispetto all'ossigeno.
Fig.3: Spettro Lomb della tabella S34 di Westerhold et al., 2020. Da notare l'assenza dei cicli di Milankovic o, come si può supporre da questo grafico, la loro estrema debolezza. Infatti sarà necessario un forte ingrandimento della parte sinistra dello spettro per vederli, come viene fatto nella successiva figura 4.

Di questi massimi non avevo mai sentito parlare, ma la loro potenza è tale da avermi costretto a fare ricerche. Ho trovato bibliografia un po' datata (anni '80, e precedenti, del secolo scorso) ma ben strutturata e in grado di fornire spiegazioni geologiche di questo picco spettrale e di molti altri che in queste serie non si vedono: la tettonica, la formazione di rift sul fondo degli oceani (in particolare quello artico che è l'argomento di uno degli articoli) e la conseguente modifica della circolazione oceanica mostrano oscillazioni di periodo molto vicino a 30 Myr (e, come ho detto, sono presenti anche altri periodi) alle quali, ad esempio, Fischer (1982) associa lo sviluppo negli oceani (lui lo chiama "bloom", fioritura), in fasi successive, di grandi predatori (più lunghi di 10 metri) che elenca per nome nel suo lavoro: dall'Ittiosauro del Medio Triassico; alla balena del Miocene, il Basilosauro; allo squalo del Mio-Pliocene, il Carcarodonte megalodonte.

Al massimo spettrale a ~30 Myr hanno fatto riferimento, anche Johnson & Rich (1986) che citano Fischer: "If medial times are assigned to those in Table I then the volcanic activity peaks for the Cenozoic-Mesozoic is 27 my, which is remarkably consistent with the approximate 30 my cycle predicted by Fischer (1982)."
Lo stesso Fischer (1982) scrive: Fischer and Arthur (1977) suggested that the Mesozoic-Cenozoic part of Earth history is logically subdivided not into four periods as currently practiced but into seven, with a mean duration of 32 m.y., corresponding essentially to Grabau’s (1940) seven pulses: the Triassic, Liassic, “Jurassic”, Comanchean, Gulfian or “Cretaceous,” Paleogene, and Neogene. Each of these corresponds to an expansion of organic diversity in the pelagic marine realm (development of polytaxy) followed by a decline to an “oligotaxic” state. E poi aggiunge: This pattern appears in global counts of coexisting genera and species as well as in the structure of marine communities,...
Non commento queste frasi o le teorie della fioritura: non ho conoscenze dirette e soprattutto non ho seguito la loro evoluzione negli ultimi 40 anni; mi limito a segnalare la già nota presenza di un un ciclo di 30 Myr che nello spettro dei dati di Westerhold et al. (2020) assume una potenza tale da rendere trascurabili i cicli di Milankovic che pure sono legati a cambiamenti climatici poderosi come l'alternanza di periodi glaciali e interglaciali.

Questi cicli però, malgrado siano di potenza minuscola, esistono nello spettro del rapporto isotopico dell'ossigeno e sono ben visibili quando la scala del grafico è opportunamente tarata:
Fig.4: Ingrandimento di figura 3 con lo scopo di evidenziare i cicli di Milankovic che si presentano con potenze di 100-300 volte inferiori a quella del massimo a 30 Myr. È presente anche un forte massimo a 20 Kyr (la sua potenza è circa 18 volte inferiore a quella del picco a 30 Myr); qualcosa di simile (22 Kyr) si osserva nello spettro Lomb della carota groenlandese GISP2 come un massimo di media potenza. Questo dovrebbe essere il segnale della precessione (periodo 19-24 Kyr), mentre il picco di bassa potenza a 23.8 Kyr sarebbe trascurabile

Qui si osserva la presenza di un massimo a 130 Kyr che io non sono in grado di associare a fenomeni fisici, ma per il resto si identificano i massimi spettrali legati ai cicli di Milankovic, anche il potente 20 Kyr che attribuisco alla precessione, dato il suo periodo compreso tra 19 e 24 Kyr (Scafetta et al., 2020). Il debole massimo a 23.8 Kyr (all'altro estremo dell'intervallo di variabilità della precessione) è probabilmente trascurabile in questo contesto.
Dallo spettro del carbonio ho ricavato i suoi grafici a maggiore risoluzione, l'equivalente di figura 4: l'aspetto non è dissimile dallo spettro dell'ossigeno e cambiano solo le potenze. Per questo ho pensato di non appesantire ulteriormente il post e rendere disponibili i grafici del carbonio solo nel sito di supporto.

Lo spettro wavelet
Ho calcolato anche gli spettri wavelet che riporto in figura 5, con una avvertenza: i dati di Westerhold et al. sono disponibili con due passi distinti, cioè 2 Kyr tra 0 e 34 milioni di anni fa e 5 Kyr tra 34 e 67 milini di anni fa. Questo implica il fatto che lo spettro deve essere calcolato per le due parti distinte, ovvero che l'unico spettro deve contenere sull'asse x (epoca in Ma) due scale distinte.
Ho scelto la prima soluzione e quindi in figura 5 mostro lo spettro per le due parti separate, calcolato con il programma PAST.
Fig.5: Spettro wavelet della serie completa di Westerhold et al.,2020, separato nelle due parti con passo uguale. Le righe rosse orizzontali definiscono i periodi dei cicli orbitali di Milankovic.

Si vede bene che i cicli orbitali lasciano un segnale intermittente che cambia nel corso del tempo, come se in qualche modo fossero cambiate le condizioni dell'orbita terrestre durante il cammino che il Sole ha compiuto attraverso la Galassia: ad esempio è stato ipotizzato un cambiamento quando il Sole ha attraversato i bracci a spirale della Galassia cioè zone a densità di materia superiore rispetto alle zone tra i bracci. Oppure si può osservare che il sistema solare oscilla rispetto al piano della Via Lattea (cioè si muove sopra e sotto questo piano) con un periodo di circa 60 milioni di anni, attraversandolo due volte per periodo (~30 Myr). È però necessario sottolineare che questi massimi spettrali sono tutti molto deboli, al di sotto del livello di confidenza del 95%, e perciò esclusi generalmente da ogni analisi spettrale: in tali condizioni anche piccole fluttuazioni di potenza possono trasformare un segnale continuo in uno intermittente.

Le estinzioni di massa
Una serie che richiama la presenza di un massimo spettrale a 30 Myr è quella delle estinzioni di massa, pubblicata da Raup e Sepkoski nel 1984: sono riportate le estinzioni di massa (v. ad esempio Wikipedia), in percentuale di estinzione, rispetto ai milioni di anni fa. Ho digitalizzato questa serie e ho calcolato lo spettro.
Fig.6: Grafico delle estinzioni di massa. Ogni picco della serie indica un'estinzione. Nella digitalizzazione ho aggiunto valori intermedi per aumentare i dettagli. Raup e Sepkoski (1984) indicano come possibile, ma non certo, il massimo spettrale a 30 Myr, ma a me sembra strano che un picco incerto coincida con un periodo identificato tramite considerazioni e dati indipendenti. Gli autori indicano come più incerto il massimo a 11.3 Myr (estinzione di metà Miocene, l'ultimo a destra) perché l'errore di campionamento diventa maggiore avvicinandosi "all'oggi".

Il massimo di periodo oltre 200 milioni di anni, paragonabile all'estensione della serie, credo debba essere considerato con cautela; il massimo a 30 Myr appare netto e confermato dalle considerazioni di Fischer (1982) e dai dati di Westerhold et al. (2020). Raup e Sepkoski puntano decisamente sul vicino picco a 26 Myr e trascurano quello a 30 Myr, giustificando l'esclusione con: "However, though promising, the second peak (a 30 Myr, n.d.a.) in the power spectrum should not be taken as proof of a persistent periodicity. It can be argued that the necessary minimal spacing of 12 x 10^6 years between observed extinction peaks can make random (Poisson) data appear periodic to Fourier analysis." anche se nelle conclusioni affermano: "The cycle at 30 ma may be real but cannot be confirmed with the present time series.".

Commenti conclusivi

  1. Confermo quanto ho scritto nel post precedente: i dati sono corretti e le necessarie operazioni di raccordo tra i differenti dataset non hanno impedito di osservare caratteristiche note e meno note, derivabili da un insieme omogeneo di dati invece che da molti dataset frammentati. E questo è un aspetto positivo.
  2. Questa analisi mi ha permesso di mettere nella giusta prospettiva la potenza dei fenomeni geologici rispetto a quelli astronomici, su tempi scala di milioni e migliaia di anni rispettivamente, anche se, ad esempio, il passaggio del Sole attraverso i bracci a spirale della Via Lattea ha periodi stimati di circa 100 milioni di anni e conseguenze dovute all'attraversamento di zone a densità molto diverse.
  3. Il ciclo di 30 Myr sembra confermato da analisi distinte e indipendenti. La sua attribuzione ad una specifica causa (geologica o astronomica) è più articolata e a mio parere deve ancora essere definita.
  4. I cicli di Milankovic risultano sorprendentemente (per me) deboli rispetto ad altri cicli, in particolare quello a 30 Myr, pur essendo in grado di condizionare in modo importante il clima terrestre.
  5. Nell'altro post su questo lavoro avevo attribuito alla sola stampa una visione catastrofista; in realtà gli autori si riferiscono ad un'evoluzione tragica (... will be moved abruptly from the Icehouse into the Warmhouse or even Hothouse climate state.) definita da RCP8.5 e per questo devono essere anch'essi criticati. Considerare questo aspetto come il necessario contributo "alla causa" mi sembra riduttivo e penso che gli autori siano convinti dell'estensione modellistica dei loro risultati descritta nell'articolo.

Bibliografia

  • Fisher A.G.: Long-Term Climatic Oscillations Recorded in Stratigraphy, in: Climate in Earth History, National Acad. Press., 97-104, 1982
  • Johnson G.L., Rich J.E.: A 30 million year cycle in arctic volcanism?, Journal of Geodynamics, 6, 111-116, 1986. https://doi.org/10.1016/0264-3707(86)90035-9
  • D.M. Raup, J.J. Sepkoski Jr: Periodicity of extinctions in the geologic past , PNAS, 81, 801-805, 1984. https://doi.org/10.1073/pnas.81.3.801
  • Nicola Scafetta, Franco Milani, Antonio Bianchini: A 60-year cycle in the Meteorite fall frequency suggests a possible interplanetary dust forcing of the Earth’s climate driven by planetary oscillations, Geophis. Res. Lett., 2020. https://doi.org/10.1029/2020GL089954
  • Thomas Westerhold, Norbert Marwan, Anna Joy Drury, Diederik Liebrand, Claudia Agnini,Eleni Anagnostou, James S. K. Barnet, Steven M. Bohaty, David De Vleeschouwer, Fabio Florind, Thomas Frederichs, David A. Hodell, Ann E. Holbourn, Dick Kroon, Vittoria Lauretano, Kate Littler, Lucas J. Lourens, Mitchell Lyle, Heiko Pälike, Ursula Röhl, Jun Tian, Roy H. Wilkens, Paul A. Wilson, James C. Zachos: An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years , Science, 369, 1383-1387, 2020. https://doi.org/10.1126/science.aba6853. S.M.
  • https://wattsupwiththat.com/2020/09/15/cooling-the-hothouse/ (Post di Willis Eschenbach)

    Tutti i dati e i grafici sono disponibi nel sito di supporto


    27.9.20. Ultimo aggiornamento: 18.10.20