CM (qui) ha descritto i risultati di un lavoro (Jiang et al., 2015: nel corso del post mi succederà di identificare con la sigla j2015 sia questo lavoro che il file di dati pubblicato nell'articolo) che ha studiato l'influenza solare nell'Olocene nell'Atlantico del nord, partendo da carote di foraminiferi (diatomee) estratte a nord dell'Islanda, sul NIS (Piattaforma Nord Islandese o North Icelandic Shelf). Il NIS è, al tempo attuale, la zona di confine tra le masse d'acqua superficiale Polare e Atlantica, definite dalla corrente di Irminger (più calda e salata) e dalle correnti groenlandese e islandese (fredde), vedere Fig.1 a lato. Data la zona particolare si pensa che che anche piccoli cambiamenti nella circolazione marina possano essere registrati nei sedimenti e che le cause di queste modifiche possano essere dedotte dall'analisi delle carote. Incidentalmente, circa due anni fa, Donato Barone su CM (qui) ha descritto un articolo di argomento simile e del quale uno degli autori è presente anche in questo lavoro. La fig.1 a lato è la fig.1 di j2015 il cui abstract è qui. Il lavoro ne riprende un altro precedente (Jiang et al., 2005, citato qui anche come j2005) e lo estende al 9300 BP (Before Present=1950), proponendosi di verificare la relazione tra temperatura marina (SST) e attività solare trovata in j2005. Gli autori rendono disponibili i dati di temperatura che ho graficato in fig.2 a) (pdf),

Fig.2. a) Dati j2015 e un filtro passa-basso di finestra 11 punti. I dati sono a passo variabile per cui il passo temporale del filtro è compreso tra 22 e 583 anni. b) Passo temporale dei dati. In ascissa l'età derivata dal ¹⁴C e calibrata, espressa in migliaia di anni (kyr) prima del presente (1950). In a), sopra l'asse x, sono riportati gli anni del calendario (A.D.=Annus Domini; negativi=a.C.).

mentre in basso, b), riporto la spaziatura (backward, cioè x(i+1)-x(i)) tra due dati successivi. Le caratteristiche, riportate nella didascalia di fig.2, spiegano perchè la curva marrone appare dettagliata nella parte destra della figura e molto smussata nella parte sinistra (7-9 kyr BP).

Come sottolineato anche dagli autori, le temperature estive mostrano alcuni aspetti interessanti che cercherò di evidenziare, basandomi sulla più leggibile curva smussata, in marrone.
All'inizio (da sinistra), un periodo di mille anni, mediamente costante o in leggero calo, termina bruscamente con un'impennata della temperatura di circa 1.7 °C nel giro di 1-2 secoli e una serie di oscillazioni che portano, nel 7600 BP, il valore medio ad un massimo di circa 1°C più alto del valore medio precedente. Dal momento del massimo e fino ai giorni nostri (1950) si vede una diminuzione della temperatura (qui parliamo semnpre e solo di quella estiva) ininterrotta, anche se con accelerazioni e stazionarietà,e caratterizzata da oscillazioni con ampiezza di 0.1-0.2 °C e periodi di centinaia di anni (fino a mille).
Dal 5000 al 1000 BP la temperatura è quasi stazionaria con una diminuzione lenta, mediamente di 0.6-0.7 °C in 4000 anni o 15-17 millesimi di grado per decade.

Questo periodo (che, ricordiamolo, va dal 3000 a.C. al 1000 d.C.) vede la nascita di tutte le civiltà umane e la loro evoluzione, mentre si pensa che i mille anni precedenti -dal 4000 al 3000 a.C., all'uscita dal massimo di temperatura- abbiano visto la nascita della città come istituzione e la transizione dalla società egalitaria alla società complessa, caratterizzata dalla specializzazione (funzionari, sacerdoti, soldati, agricoltori, allevatori, scriba) e dalla stratificazione sociale (ricavabile dai diversi corredi funerari, ad esempio).

Devo confessare che leggere nelle diatomee dell'Atlantico a nord dell'Islanda una storia -approssimata quanto si vuole- almeno emisferica mi dà una strana e bella sensazione e rafforza in me la convinzione che le forze della natura sono davvero potenti e che difficilmente eventi, tutto sommato istantanei, come la tecnologia umana, possano provocare più che una leggera intaccatura nella loro evoluzione.

E non è finita: nella parte destra di fig.2 a), dopo 1 kyr BP (950 d.C.), si nota un altro salto improvviso (un break point) che si può vedere ingrandito nella fig.3 (pdf):

Fig.3. I dati j2015 nell'intervallo 0-1 kyr BP. Notare come si "leggono" bene sia il Periodo Caldo Medievale (MWP) che la Piccola Età Glaciale (LIA). La linea verticale verde segna il passaggio tra i due periodi, caratterizzato da un brusco salto attorno al 1315.

questo "zoom" mostra il passaggio (attorno al 1315 d.C.) dal Periodo Caldo Medievale (PCM o MWP in inglese) alla Piccola Età Glaciale(PEG o LIA).
Tornando brevemente al massimo di temperatura attorno all'8000 BP, gli autori scrivono

"Our data suggest that the highest summer SSTs during the Holocene Climate Optimum on the NIS were ~2-3 °C higher than the present day, and they are similar to the modern summer SSTs south and southwest of Iceland. Even the cold interval Even the cold interval at 8250-8150 cal. yr B.P. exhibits a reconstructed summer SST close to the modern value on the NIS." "I nostri dati suggeriscono che le più alte temperature marine estive durante l'Ottimo Climatico dell'Olocene sul NIS fossero 2-3 °C più alte di oggi e simili alle moderne SST estive a sud e a sud ovest dell'Islanda. Anche l'intervallo freddo a 8250-8150 BP mostra una SST estiva ricostruita vicina al valore moderno sul NIS2"

ancora, dico io, per sottolineare che il concetto di "unprecedented" deve essere assunto con cautela.

Influenza solare

L'influenza solare sulle temperature marine estive della parte settentrionale del Nord Atlantico è l'argomento principale di j2015 che, già nell'introduzione, afferma

"Una relazione positiva significativa tra le SST estive da diatomee sul NIS e l'irraggiamento solare ricostruito da 14C e 10Be è stata dimostrata per i 1200 anni passati (Jiang et al, 2005). Questo è in accordo con i dati magnetici da sedimenti del core vicino MD99-2269 che mostra una serie di periodicità a ~200, 125 e 88 anni associate alla variabilità solare".

La parola che mi interessa mettere in evidenza è "positiva" perché, più avanti nel testo, si dice che sono stati calcolati i coefficienti di correlazione tra le SST e l'attività solare e (sottolineatura mia) "I risultati mostrano una robusta correlazione negativa tra SST e attività solare negli ultimi 4000 anni". Questo è un punto importante e andrà discusso. Per ora noto che in j2005 per "attività solare" si è inteso il soleggiamento al sostizio d'estate e a 67° di latitudine (al Circolo Polare), derivato dai dati di irraggiamento di Bard et al., 2000 e che questi dati (cioè questa "attività solare") non sembrano essere cambiati nel 2015, anche se non vengono citati nè Bard et al.,2000 nè Steinhilber et al., 2009 che nel frattempo ha prodotto l'irraggiamneto solare totale (TSI) esteso fino al 9312 BP.

Io qui, per il confronto SST-Sole, uso questi ultimi dati dei quali avevo calcolato e mostrato lo spettro nell'aprile 2013, su CM (qui).
In fig.4 (pdf) riporto i dati di Steinhilber et al, 2009, forniti come anomalie. Per lo spettro di questi dati faccio riferimento al post su CM appena citato o a grafico e dati nel sito di supporto.

Fig.4. Anomalia dell'irraggiamento solare (TSI) rispetto al valore medio di 1365.57 W/m2 del minimo solare del 1986. La linea arancio è un filtro passa-basso con finestra 375 anni( 75 punti).

Intanto elenco i periodi spettrali (in anni) ricordati a vario titolo in j2015: ~200, 175, 125, 110, 98, 88, 86, 76, 72.

I dataset j2015 e j2005 sono a passo variabile e questo obbliga a calcolare gli spettri con il metodo di Lomb oppure a interpolarli e ricavare serie a passo costante. Ho preferito usare Lomb che, però, richiede dati detrended che ho ricavato da un polinomio di 3.o grado, come nella fig.5

Fig.5. In alto i dati originali j2015 e il fit con un polinomio di 3.o grado. In basso i dati detrended, usati per il calcolo dello spettro.

Lo spettro calcolato nel modo descritto è mostrato in fig.6 per i periodi più lunghi e in fig.7 per quelli medi e brevi. Gli spettri sono annotati, in vari colori, con i periodi di cui ho fatto l'elenco sopra, con i periodi della TSI e con quelli ricavati dalle macchie solari (SSN),



Figg.6 e 7. Spettro Lomb di j2015, con alcuni periodi evidenziati da un colore. nero:non identificati in altri spettri; rosso:identificati in Steinhilber et al, 2009; arancio: elencati in j2015; verde: identificati in SSN. Se lo steso valore compare due volte significa che è stato identificato in due dataset.

La conclusione che si può derivare dagli spettri è che i segnali solari sono numerosi e visibili a vari livelli di importanza e che l'influenza (il forcing) solare sulle SST nord atlantiche estive è indiscutibile.

Lo stretto rapporto tra Sole e temperatura è confermato anche dal confronto tra TSI (opportunamente scalata) e j2015 visibile in fig.8 (pdf).

Fig.8. Confronto tra j2015 e TSI. Notare che TSI è invertita, come sottolineato dal simbolo (-) davanti al nome Steinhilber. in basso i dati TSI spostati indietro di 500 anni (~il 5% dell'intervallo totale), per confronto.

Dal quadro in alto sembra essere presente una differenza sistematica e così nel quadro in basso mostro la TSI spostata di 500 anni, con l'unico scopo di favorire il confronto. La relazione appare evidente soprattutto nella struttura generale, nella pendenza sistematica. Però -è sufficiente un cofronto con la fig.4- la fig.8 ci dice che la relazione è inversa (negativa); le temperature marine estive diminuiscono quando l'attività solare (l'irraggiamento) aumenta. Viene quindi confermata l'affermazione degli autori citata in precedenza, anzi è valida non più "agli ultimi 4000 anni" ma agli ultimi 9300.

In j2015 non si ritiene di dover commentare il cambiamento di segno della correlazione SST-TSI tra il positivo degli ultimi 1200 anni (j2005) e il negativo degli ultimi 4000 (j2015). Nella fig.9 (pdf) mostro le temperature (estive e invernali) j2005

Fig.9. Come fig.8 ma per i dati j2005. La riga verticale arancio segna i 1200 anni BP, il valore limite usato dagli autori per il confronto con l'attività solare. In a) i dati con la TSI originale; in b) la TSI è invertita. Da notare che la correlazione non cambia in modo significativo invertendo la TSI.

insieme ai valori TSI scalati: diretti nel quadro a) e rovesciati in b). I dati coprono un intervallo di 2000 anni BP ma gli autori fanno riferimento al "1200 anni passati" e quindi alla riga gialla nella figura. Si vede abbastanza chiaramente che rovesciare la TSI non cambia in modo significativo la bontà della correlazione (nell'intervallo 0-1.2 kyr) e che, quindi, l'affermazione fatta in j2005 e ribadita in j2015 non è giustificata dai dati.
Credo che la correlazione negativa ricavata da j2015 possa essere usata senza problemi anche nei dati fino a 1200 anni BP di j2005.
Tutte le elaborazioni di j2015 sono state ripetute per j2005 e sono mostrate nel sito di supporto.

Tutti i grafici e i dati, iniziali e derivati, relativi a questo post si trovano nel sito di supporto qui

Bibliografia

1. Bard, E., Raisbeck, G., Yiou, F., and Jouzel, J., 2000, Solar irradiance during the last 1200 years based on cosmogenic nuclides: Tellus, v. 52B, p. 985-992.
2. H. Jiang, J. Eiríksson, M.Schulz, K.-L. Knudsen, M.-S. Seidenkrantz: Evidence for solar forcing of sea-surface temperature on the North Icelandic Shelf during the late Holocene , Geology, 33,(1), 73-76, 2005 doi:10.1130/G21130.1
3. H. Jiang, R. Muscheler, S. Björck, M.-S. Seide J. Sjolte, J. Eiríksson, L. Ran, K.-L. Knudsen, and M.F. Knudsen: Solar forcing of Holocene summer sea-surface temperatures in the northern North Atlantic , Geology, 43,(3), 203-206, 2015 doi:10.1130/G36377.1
4. Steinhilber, F., J. Beer, and C. Fröhlich. Total solar irradiance during the Holocene. Geophys. Res. Lett., 36, L19704, 2009 doi:10.1029/2009GL040142