CM80

Interglaciali tra 0 e 800 mila anni. 2.a parte

Franco Zavatti

Riassunto: l'analisi spettrale wavelet applicata a 7 dataset di PAGES (2016) non conferma l'ipotesi, precedentemente avanzata anche da Berger (2013), di una evoluzione climatica attraverso gli 800 kyr dei dataset. Appare chiaramente che i massimi spettrali principali (41 e 100 kyr) sono stati presenti contemporaneamente su tutto l'intervallo temporale analizzato.
Abstract: wavelet spectral analysis applied to 7 PAGES (2016) datasets does not confirm the hypothesis, also discussed in Berger (2013), of a climatic evolution along the datasets' 800 kyr temporal extension. Main spectral maxima (41 and 100 kyr) hve been clearly present all over the analysed time range.

Introduzione
Nel post precedente ho iniziato a trattare i dati del gruppo di lavoro sugli interglaciali (IG) di PAGES (2016), in particolare il δ18O bentonico tra 0 e 800 kyr fa (1kyr=1000 anni). Dal post era emersa abbastanza chiaramente la possibilità che nell'intervallo di tempo considerato fosse avvenuta un'evoluzione nella temporizzazione degli IG, un passaggio dalla ciclicità di circa 41 kyr a quella di circa 100 kyr, attorno a 450 kyr fa. Implicitamente, il post faceva pensare che un'analisi spettrale in grado di valutare la successione temporale dei massimi, tipo wavelet, potesse mettere in evidenza la presenza di ciclicità a ~41 kyr nelle parti più antiche del dataset e a ~100 kyr nelle parti più recenti, tra 0 e 450 kyr fa.

Questo secondo post ha lo scopo di verificare l'ipotesi "evolutiva", verifica che è preceduta dall'analisi di altre 8 serie (oltre quella del δ18O) e dalla raccolta in forma di tabella dei massimi spettrali comuni alle 9 serie.

Si accenna qui brevemente anche al "problema dei 100 kyr", dovuto al fatto che il massimo spettrale più significativo di quella che comunemente viene chiamata "cronologia di Milankovitch" (Milankovitch chron, fino a 650 kyr fa), cioè 100 kyr, non ha, a questa ciclicità, una spiegazione semplice e diretta (ad esempio un fenomeno astronomico) di come un evento non noto potrebbe influenzare le variazioni climatiche. Forse, e con molte incertezze, sarebbe necessario invocare molte cause, astronomiche (dalla precessione all'obliquità e all'eccentricità dell'orbita terrestre) ma anche casuali e imprevedibili, di tipo geologico o circolatorio, come descritto in Berger (2013). Berger accenna anche al fatto che sarebbero presenti negli spettri (ma lui usa le derivate del dataset) fluttuazioni sulla scala di 10 kyr, preferite (dal sistema climatico?) rispetto ai cambiamenti sui 100 kyr.

Analisi dati
L'analisi spettrale dei 9 dataset utilizzati è riassunta in tabella 1, nella quale sono raccolti i massimi (più o meno) comuni degli spettri MEM e LOMB. Le ultime tre righe della tabella (fondo azzurro) riportano la massima variazione percentuale [(max-min)/max]x100, la media e la deviazione standard dei vari campioni.

Tabella 1: massimi spettrali (kyr) delle 9 serie di PAGES
Eccentricity   12397 54.337.734.530.823.219.711.410.4
Obliquity  160 1007153.441 29.423.420.211.210.7
Precession 246140114.497 53.4393629 23.71910.910.6
Insolation458 16912394 534135.228.923.41911.210.5
Benthic δ18O296 21815012610070.4574136.828.823.5191110.4
Baikal Biosil.296  148 99 56.44135.528.923.51911.59.9
Pollen arb. 320200 12310071574135.529.923.5191110.6
CH4 Epica457 200152 9772.65540.536.328.823.518.911.210.3
CO2 Epica 6392281521189772.65640.436.730.1 23.51811.510.5
Δ/max %  19179637867 21147
Average  218.4153121.297.971.555.140.335.829.423.519.111.210.4
σ(n-1)  19.69.24.2211.61.20.80.70.10.60.20.2

Come esempi grafici dell'analisi, vengono mostrati, in fig.1 (pdf) il confronto tra CH4 e CO2 (dalla carota antartica di EPICA Dome)
Fig.1: immagine composita del confronto tra CH4 e CO2 da EPICA. (alto) spettro dei due gas serra tra 0 e 40 kyr. (centro) Valori misurati e (sotto) spettri completi. Da notare la complessiva somiglianza tra i due (dati e spettri) ma anche le notevoli differenze locali, sia recenti che antiche.

e in fig.2 (pdf) la percentuale di biosilicati dai carotaggi del lago Baikal.
Fig.2: biosilicati del lago Baikal. Nello spettro si notano i massimi a 23.4, 41, 72, 100, 150, 200 e (debole) a 300 kyr.

Dalle figure, ma soprattutto dalla tabella 1, si vede che i massimi a 100 e 41 kyr sono presenti insieme negli spettri e che, quindi, si pone ancora il problema della possibile evoluzione temporale e della separazione dei due.
Oltre a questi due massimi principali sono presenti picchi comuni a tutti o quasi i dataset:10, 11.5, 23.5, 72, 123, 200kyr. In questo caso la significatività dei picchi non è un problema: infatti hanno lo stesso periodo, entro margini molto stretti, in 9 dataset di origine diversa per cui senz'altro le fluttuazioni numeriche possono interessare l'ampiezza (o la potenza) dei massimi ma non il loro periodo. La significatività dei periodi viene data, come già in altre occasioni, da una sorta di probabilità frequentista.

Analisi spettrale wavelet
Per capire se, nel tempo, si sia verificata un'evoluzione del periodo principale (ad esempio da 41 a 100 kyr) ho calcolato, per 7 delle 9 serie di dati, lo spettro wavelet (da PAST) che mostro, con brevi commenti, nelle figure successive.

  1. fig.3: δ18O
    Fig.3: spettro wavelet di δ18O. Da notare la continuità, su tutto l'intervallo di 800 kyr, sia del massimo a 41 kyr che di quello a 100 kyr. Nel quadro di destra, in basso, sono riportati alcuni valori dell'asse y (log2 periodo) rapportati al periodo in kyr. Questi valori sono presenti in tutte le figure successive.

    Anche se le potenze sono diverse, lo spettro non conferma la presenza di un "prima" e di un "dopo" l'IG 11c (~450 kyr fa) come sembrava suggerire il post precedente; un "prima" a cui erano associati periodi di ~41 kyr e un "dopo" con periodi di ~100 kyr.

  2. fig.4: Eccentricità
    Fig.4: spettro wavelet dell'eccentricità orbitale. Si nota una continuità per il (debole) periodo di 41 kyr e per il periodo di 100 kyr che si intreccia con quello a 123 kyr. È presente un forte massimo centrato a circa 315 kyr, praticamente uniforme su tutto l'intervallo.

    L'eccentricità mostra un debole massimo a ~41 kyr, quasi continuo su tutto l'intervallo, forse interrotto attorno a 570-580 kyr fa. Il massimo a 100 kyr appare anch'esso continuo e continguo al picco a 123 kyr (i due si separano a circa 400 kyr fa). Il massimo a 200 kyr appare molto debole e scompare tra 600 e 750 kyr fa, mentre quello a 315 kyr sembra potente sull'intero periodo studiato.

  3. fig.5: Obliquità
    Fig.5: spettro wavelet dell'obliquità orbitale. Quasi tutta la potenza è concentrata in una fascia ristretta, compresa tra 23 e 41 kyr. Quasi inesistente,debole e fuori dal cono di influenza, il massimo a 100 kyr. Allo stesso modo tutti gli altri picchi di periodo maggiore che sembrano non esistere prima di 150-200 kyr fa.

    L'obliquità sembra agire in una fascia ristretta di periodi, da ~23.5 a ~41 kyr. Al di fuori della fascia i periodi maggiori sono deboli e limitati a non altre 150-200 kyr fa.

  4. fig.6: Precessione
    Fig.6: spettro wavelet della precessione orbitale. Il periodo di 23.4 kyr è il più significativo, interrotto attorno a 400 e 760 kyr fa. Il massimo a 41 kyr è molto debole e prticamente non esiste prima di 300 kyr fa.

    Lo spettro della precessione è dominato dal perido 23.4 kyr (in realtà tra ~19 e ~36 kyr). Bisogna ricordare che il periodo "fisico" della precessione è di 26 kyr (il polo celeste percorre un cerchio sulla sfera celeste in 26 kyr). Il periodo principale è interrotto per circa 70 kyr attorno a 400 kyr fa e per circa 20 kyr a 760 kyr fa.

  5. fig.7: Insolazione a 65°N
    Fig.7: spettro wavelet dell'irraggiamento solare a 65°N. È dominato dai periodi 23.4 e 41 kyr, il primo interrotto per 5 volte ad intervalli variabili di circa 100-150 kyr e il secondo continuo su tutto l'intervallo.

    L'irraggiamento solare (in W/m2) ad alte latitudini settentrionali mostra due massimi principali, a 23.4 e 41 kyr; il primo interrotto 5 volte (durata circa 30 kyr ogni volta) con un passo variabile compreso tra 100 e 150 kyr e il secondo continuo e di potenza costante su tutto l'intervallo. Il picco a 100 kyr è debole e presente solo fino a 300 kyr fa; dopo i 550 kyr fa risulta più debole ma ancora visibile fino a 800 kyr fa.

  6. fig.8: Biosilicati del lago Baikal
    Fig.8: spettro wavelet dei biosilicati (%) del lago Baikal. Il massimo più stabile sembra essere quello a 200 kyr. A 100 kyr il picco appare frastagliato, di potenza variabile e più forte dopo 550 kyr fa. Il massimo a 41 kyr sembra poco significativo.

    I biosilicati del Baikal presentano uno spettro di struttura anomala: molto frastagliato, con solo i picchi a 200 e 315 kyr esistenti su tutto l'intervallo. Il massimo a 100 kyr è generalmente debole e di potenza varibile, più forte solo dopo i 550 kyr fa. Il massimo a 41 kyr è poco significativo e quello a 512 kyr (y=9) è presente non altre i 300 kyr fa.

  7. fig.9: CO2
    Fig.9: spettro wavelet della CO2 di EPICA Dome. Appare frastagliato, senza continuità temporale sull'intero intervallo, a parte i ~630 kyr (y=9.3). Il picco a 41 kyr è presente saltuariamente e quello a 100 kyr, anche se potente, è spesso interrotto.

    L'anidride carbonica non mostra uno spettro con massimi presenti in modo continuo su tutto l'intervallo (tranne quello con periodo ~630 kyr). Il massimo a 100 kyr ha potenza elevata tra 0 e 350 e tra 550 e 650 kyr fa.

Conclusioni
Gli spettri MEM e LOMB di 9 serie di paleo dati tra 0 e 800 kyr mostrano la presenza contemporanea di molti massimi (elencati in tabella 1) ma gli spettri wavelet non evidenziano un'evoluzione sistematica da un ambiente (di periodo 41 kyr) all'altro (periodo 100 kyr), anzi il più delle volte mostrano che i due massimi sono presenti contemporaneamente e su tutto l'intervallo temporale disponibile.

È quindi difficile immaginare un netto cambiamento di regime climatico attorno a 400-450 kyr fa, in corrispondenza dell'interglaciale 11c.

Tutti i grafici e i dati, iniziali e derivati, relativi a questo post si trovano nel sito di supporto qui, nell'ultima sezione in basso

Bibliografia


18.3.2017