PP07

CO2 e temperatura marina

Franco Zavatti

Premessa
In un recente articolo Harald Yndestad (2022b) dimostra l'influenza lunare nella variabilità della CO2 di Mauna Loa (MLO) e dell'oceano Atlantico. Lo scopo di Yndestad è verificare che la variabilità della serie della serie di CO2 è strettamente connessa con la temperature dell'oceano (SST) e con il ciclo lunare della linea dei nodi (periodo 18.6 anni).

Dal mio punto di vista è interessante il fatto che nell'articolo sia reso disponibile un foglio elettronico con i dati della concentrazione di CO2 oceanica ottenuti da Beck e relativi al periodo 1926-1960, con integrazione fino al 2008 usando i dati di Mauna Loa.
In Yndestad (2022b) si elenca un breve excursus storico sulle misure di CO2, che invito a leggere nella sua interezza, dal quale estraggo alcuni punti:

  1. Seguendo uno schema allora molto usato che prevedeva la connessione tra CO2 e acidità nei fiumi e nelle acque piovane, nel 1956 C. David Keeling (1928-2005) comincia a misurare la CO2 in atmosfera. I risultati escludono quella connessione ma Keeling dimostra che la CO2 ha un suo ciclo: la concentrazione è più bassa di giorno (quando è in funzione la fotosintesi che assorbe CO2) e più alta la notte. Keeling usa per le misure un nuovo metodo più veloce (basato sulla spettroscopia infrarossa) che permette di osservare le differenze tra aree urbane e rurali; lo scopo di Keeling è quello di trovare un livello stabile di CO2, detto "di fondo", sul quale innestare le variazioni misurate e per questo inizia, nel 1959, a monitorare stabilmente la CO2 a Mauna Loa, un vulcano delle Hawaii. Il risultato è che la CO2 "respira" con ritmo annuale e che non ha un livello di fondo stabile ma un livello che cresce leggermente nel tempo. Keeling aveva scoperto che la concentrazione di CO2 cresce nel tempo. Ma allora questa crescita deve avere una causa, una fonte; la fonte è stata individuata nella combustione dei combustibili fossili.
  2. Taro Takahashi era uno studente di ingegneria mineraria (come il padre e il nonno) che, dopo gli studi, ha avuto l'opportunità di partecipare a uno studio per registrare la CO2 in Atlantico. Negli anni '70 del secolo scorso comincia a misurare la CO2 sugli oceani e scopre che questi "respirano" CO2, nelle variazioni diurne, tra oceani caldi e freddi e variazioni climatiche. Le regioni marine calde rilasciano CO2 e aumentano la concentrazione della CO2 atmosferica; nelle acque fredde tra Islanda e Groenlandia l'oceano assorbe CO2 dall'atmosfera. Quindi la CO2 atmosferica è guidata dal clima, con le correnti aeree che la trasportano nelle diverse regioni.
    Tuttavia -scrive Yndestad- CO2 guidata dal clima non è la stessa cosa di clima guidato dalla CO2. Takahashi scopri anche che la CO2 in atmosfera è un sistema di distribuzione tra aree marine, terrestri ed ecosistemi, su periodi brevi e lunghi.
  3. Ernst-George Beck (1948-2010) era un insegnate di biologia a Friburgo (Germania) che cominciò a porsi domande sulle serie temporali di CO2 registrate a Mauna Loa: considerava impossibile il riscaldamento dell'atmosfera terrestre causato dall'aumento di CO2 e nello stesso tempo credeva che i dati di Mauna Loa non potessero essere estrapolati all'indietro, al 19.mo secolo, come invece era stato fatto.

    Le misure di CO2 atmosferica non erano iniziate con D. Keeling e T. Takahashi ma stime con metodi chimici erano state effettuate dall'inizio del 19.mo secolo e Beck incomincia a costruire una nuova serie di CO2 basata sulle serie pubblicate in precedenza.
    Questo lavoro è consistito nell'analisi di circa 100 mila misure di CO2 dedotte dalle 901 stazioni mostrate in figura 1 e pubblicate in Beck (2007).
    Fig.1: Mappa delle stazioni di misura della CO2 con metodi chimici, vicino al suolo.

    Nel riassunto del lavoro, Beck sottolinea la presenza di tre massimi, nel 1825, 1857 e 1942, con quest'ultimo che "mostra più di 400 ppm", in palese contrasto con l'andamento monotòno crescente descritto dalla letteratura post-1990 e dai dati MLO.
    Il lavoro riceve l'opposizione ferma di R.F. Keeling (il figlio di C.D. Keeling che ha preso il suo posto allo Scripps Institute e a Mauna Loa) che afferma: i massimi descritti (e anche i minimi) sono causati da enormi quantità di CO2 (sia emissione che accumulo) di cui Beck non individua l'origine (il che è vero; al momento Beck non sapeva cosa poteva aver provocato quelle fluttuazioni).

Per ritornare ad aspetti più concreti, riporto in figura 2 i dati di Beck tra il 1826 e il 1959, integrati con quelli di Mauna Loa dal 1960 al 2008, e il loro spettro MEM (il foglio di calcolo con i dati originali è nel sito di supporto).
Fig.2: I dati della concentrazione di CO2 "chimica" tra il 1826 e il 1959 e, a destra della riga verticale tratteggiata, quelli spettrocopici di MLO. Da notare la struttura completamente diversa dei due gruppi. In questo grafico si può osservare il grado di incertezza delle misure chimiche di CO2.

Da qui si vede meglio di quali tipi di massimi parlasse Beck nel suo articolo ma, anche, quale differenza ci sia tra la struttura della CO2 "chimica" e di quella spettroscopica, con la riga verticale tratteggiata a fare da spartiacque tra una misura e l'altra. Si capiscono anche le perplessità di R.F. Keeling e la sua richiesta di prove concrete (cioè cause dimostrabili) dei massimi e dei minimi.
Lo spettro mostra la presenza di molti massimi tra i quali, a prima vista, solo quello di periodo 8.8 anni ha qualche legame con i cicli lunari di cui parla Yndestad (8.85 anni è il periodo con cui ruota la linea degli apsidi, cioè la linea che congiunge apogeo e perigeo lunari). Il periodo della linea dei nodi di 18.6 anni non compare nello spettro, anche se si deve registrare il massimo a 91.5 anni (93 anni è la quinta armonica di 18.6 anni). Yndestad, tramite l'analisi wavelet, afferma l'influenza lunare sulla concentrazione di CO2; io non vedo così netto questo aspetto ma non intendo commentare ulteriormente. Altre volte ho osservato il massimo a 18.6 anni in serie legate all'acqua e non mi meraviglia che anche in questo caso (CO2 legata alla temperatura marina) possa verificarsi qualcosa di simile.

Yndestad sottolinea più volte che si riferisce alla variazione nel tempo della concentrazione di CO2, cioè alla sua derivata rispetto al tempo. Io qui ho calcolato lo spettro dei valori di CO2, e non della derivata, e l'ho fatto a ragion veduta: in tre post dell'inizio del 2018 (qui, qui e qui), per abbassare l'esponente di Hurst e rendere le serie il più possibile indipendenti dalla memoria a lungo termine, ho confrontato gli spettri originali e quelli della derivata di molte serie e ho verificato che il periodo dei massimi spettrali non cambia dopo la derivazione. I dati finali sono raccolti in un atlante degli spettri, disponibile qui.

Come detto in precedenza, Beck non aveva modo di rispondere al commento di R.F.Keeling nel 2007, ma poco dopo fu in grado di produrre la figura 3 in cui l'anomalia di temperatura antartica mostrava un andamento simile (nelle oscillazioni) a quello della CO2 e molto diverso da quello di Mauna Loa.
Fig.3: Confronto tra l'anomalia di temperatura antartica e la concentrazione di CO2 come riportato da Yndestad, 2022b. Notare la somiglianza delle oscillazioni fino al 1960 e la diversità post 1960.

Sulla base della figura 3, ho confrontato l'anomalia globale delle SST (sea surface temperature) mensili, prodotte da GHCN (NOAA) dal 1860. Mi sembra (normalmente non uso dati smussati come in figura 3) che ci sia una conferma di quanto pubblicato da Beck nel 2008: le oscillazioni della concentrazione di CO2 sembrano proprio legate alla temperatura superficiale marina che in questo caso continua ad essere compatibile con MLO fino a circa il 1985, mentre quella antartica di figura 3 non lo era affatto.
Fig.4: Concentrazione di CO2 di figura 2 confrontata con la SST mensile prodotta da GHCN-NOAA (serie relativa a dicembre 2022).

In definitiva, credo che Beck abbia risposto ai dubbi di Keeling e che la concentrazione di CO2 debba fare riferimento anche alle variazioni della temperatura marina e non solo alla combustione delle fonti fossili che senza dubbio danno il loro contributo alla CO2 presente in atmosfera, anche se a me non è chiaro quanto questo possa essere consistente.

Ulteriori confronti
Pur confortato dalla figura 4 nel pensare che l'idea di Beck fosse giusta, ho voluto verificare ulteriormente e ho confrontato quella figura con la serie CET (Central England Temperature), la più estesa serie osservata che però si riferisce ad un'area piccola, l'Inghilterra centrale. Mostro il risultato in figura 5
Fig.5: Concentrazione di CO2 di figura 2 confrontata con la serie annuale CET. Si nota la mancanza di aumento in corrispondenza del 1940 e un'opposizione di fase nel 1870.

dalla quale si osserva la mancanza di un aumento della temperatura in corrispondenza del massimo della CO2 del 1940 e un'opposizione di fase in corrispondenza del minimo della CO2 nel 1870. In altre situazioni il comportamento è simile a quello delle SST (es. 1897-98). Questa sembra proprio una prova ulteriore del fatto che la CO2 dipende dalla temperatura marina e non dalla temperatura dell'aria sulla terraferma.
Non del tutto contento, per via della piccola estensione territoriale della CET, ho confrontato, nella figura 6, la CO2 di Beck con la temperatura (anomalia) globale delle terre emerse, prodotta da GHCN-NOAA.
Fig.6: Concentrazione di CO2 di figura 2 confrontata con la serie annuale Globale GHCN, solo terra (land). Si nota l'aumento tra il 1936 e il 1962 che forse si può attribuire al riscaldamento dell'aria sovrastante l'insieme delle acque dolci terrestri.

Si osserva in questo caso un aumento "esteso", tra il 1936-37 e il 1960-62, di entità inferiore a quello della SST di figura 4, che forse potrebbe essere attribuito alla temperatura dell'aria al di sopra delle acque interne alle terre.

Dal sito https://geocraft.com/WVFossils/stomata.html si legge:
In the 1800's direct air CO2 measurements were performed by various researchers. Interestingly, the CO2 levels reported by them were mostly in excess of 300 ppm. For reasons that are unclear, only a few of these tests were considered valid by G.S. Calendar (1898-1964)-- the grandfather of the theory of man-made global warming. Today, the remaining data are largely ignored, although a few commentators like E. Beck and Z. Jaworoski suggest the data--some compiled by Nobel Prize laureates-- are generally valid and were inappropriately dismissed (4, 21)

Conclusioni
La concentrazione di CO2 dipende anche (per me, soprattutto) dalla temperatura marina che ne provoca il rilascio o l'assorbimento. Secondo Yndestad, dipende anche dal periodo del ciclo della linea dei nodi lunari (18.6 anni); io sono più "tiepido" in questo aspetto anche se noto almeno due massimi spettrali che in qualche modo sono legati ai cicli lunari. E' notevole il lavoro di Beck che ha messo in evidenza come la CO2 possa variare, anche pesantemente, in funzione della temperatura dell'oceano. Anche aver prodotto una serie estesa all'indietro fino al 1826 e aver verificato che questa nuova serie non si comporta come quella misurata dal 1960 ad oggi sono punti importanti per una comprensione di più vasta portata del legame tra temperatura e concentrazione di CO2.
Il confronto con due serie di temperatura terrestre sembra confermare l'ipotesi di Beck di una regolazione della concentraziione della CO2 tramite le acque (oceaniche e forse interne).

Bibliografia

  • Beck E-G. 180 Years of Atmospheric CO2 Gas Analysis by Chemical Methods., Energy & Environment, 18, 259-282, 2007. https://doi.org/10.1260/095830507780682147
  • Beck Ernst-Georg, 2008b: Evidence of variability of atmospheric CO2 concentration during the 20th century. (discussion paper, May 2008). https://web.archive.org/web/20161201060229/http://www.biomind.de/realCO2/ literature/evidence-var-corrRSCb.pdf
  • Keeling R.F. Comment on “180 Years of Atmospheric Co2 Gas Analysis by Chemical Methods” by Ernst-Georg Beck, Energy & Environment. 18. 637-639.2007. https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.861.5583&rep=rep1&type= pdfhttps://doi.org/10.1007/978-3-642-14776-0_31
  • Yndestad H. Publication of Ernst-Georg Beck´s Atmospheric CO2 Time series from 1826-1960, Science of Climate Change, 2.2, 134-136, 2022a.
  • Harald Yndestad: Lunar Forced Mauna Loa and Atlantic CO2 Variability, Science of Climate Change, 2.3, 258-274, 2022b. https://doi.org/10.53234/scc202212/13

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


    17.1.23