Il δ 18 O0/00 – Stefano Rossignoli 23 gennaio 2011
Nelle immagini, alcuni ghiacciai e zone delle Alpi a cui sono particolarmente affezionato…
Scrivere di temperature medie globali su un sito divulgativo, sembra voler dire per forza occuparsi di ‘riscaldamento globale’ o, detto all’Inglese, di ‘global warming’.
Invece, su scienzafacile ci occuperemo semplicemente di capire come viene registrato questo aumento delle temperature attualmente in corso!
Per poter dire che esiste un riscaldamento globale, dobbiamo assolutamente conoscere le temperature del passato in modo da confrontarle con quelle attuali e quindi poter dire che sono superiori!
Per fare ciò, abbiamo bisogno di una registrazione e archiviazione dei dati.
E’ sicuramente facile accedere alle banche di dati raccolti dai centri meteorologici nelle ultime decine di anni, ovvero da quando esiste la meteorologia…
Ma per conoscere le temperature del passato (passato inteso come migliaia o addirittura decine e centinaia di migliaia di anni) come procediamo?
Chi, o meglio, cosa ha potuto registrare le temperature di così tanto tempo fa?
Nessuno di certo si è messo a scriverle e, bene che vada, i primi dati scritti possono risalire a pochissime migliaia di anni fa.
Per nostra fortuna però, in natura esistono ‘registratori’ di temperatura a frequenza stagionale e sono principalmente i ghiacciai polari (soprattutto in Antartide e in Groenlandia).
Anche i sedimenti oceanici sono ottimi ‘registratori’. Anche se non a cadenza stagionale, forniscono dati perfettamente correlabili a quelli ottenuti dai ghiacciai. Anche l’abbondanza dei pollini contenuti in alcune successioni sedimentarie possono indicarci molto bene l’andamento delle temperature a seconda dell’abbondanza relativa di specie individuate…
Ci occuperemo comunque soprattutto dei primi…
Una delle caratteristiche principali dei ghiacciai polari è quella di essere dei ‘ghiacciai freddi‘.
Infatti, almeno nelle zone più vicine al polo, le temperature restano sempre abbondantemente sotto gli 0°C.
Lo strato di neve (molto sottile in Antartide) che cade e si accumula ogni anno allora si conserva, non si scioglie mai (anche se in realtà la neve e il ghiaccio non si sciolgono ma si liquefano!), quindi non si mischia con quello sottostante e nemmeno con quello che arriverà successivamente.
Succede il contrario nei ‘ghiacciai caldi‘ o temperati (quelli delle Alpi ad esempio) in cui la temperatura circostante può salire sopra gli 0°C e la neve e il ghiaccio possono anche sciogliersi parzialmente quindi mischiarsi con gli strati sottostanti sotto forma di acqua percolante (cioè che ci passa pian piano attraverso).
La neve dei ghiacciai polari si trasformerà in un certo periodo di tempo in ghiaccio e quel ghiaccio porterà con sè alcune informazioni che riguardano l’atmosfera terrestre presente nel periodo in cui è nevicato.
Tutto sta a decifrare quelle informazioni ed il ‘gioco’ è fatto. Certo è tutt’altro che un gioco e questa possibilità deriva da grandissime intuizioni, analisi e studi condotti per anni da glaciologi, fisici, matematici, ecc di tutto il mondo.
Lo studio dei sedimenti oceanici funziona sulle stesse basi, essendo i fondali oceanici considerati dai Geologi, ‘Ambienti e Sedimentazione Continua’, quindi bisognerà decifrare le informazioni contenute in quei sedimenti, ad esempio nei gusci di alcuni organismi unicellulari fossili come i foraminiferi , per ricostruire l’andamento delle temperature delle acque oceaniche e indirettamente delle temperature globali…Attraverso queste analisi si ottengono curve nelle quali i vari apici vengono chiamati “stages isotopici marini” (MIS), ma vediamo meglio come si procede…
Il parametro che ci interessa di più rilevare è la variazione del rapporto tra due isotopi stabili dell’ossigeno L’ossigeno 16 (16O Quello più comune, con 16 neutroni) e l’ossigeno 18 (18O meno abbondante, con 18 neutroni).
Come capita per molti isotopi, chimicamente, in una reazione si comportano in modo simile, ad esempio si legano allo stesso modo con l’idrogeno formando acqua (H2O). Fisicamente però sono diversi. Cosa vuole dire? Principalmente che hanno diverso peso. L’18O in effetti ha 2 neutroni in più dell’16O, quindi ad esempio, il 16 risulta più leggero ed evapora prima del 18. Se le temperature sono più basse, evapora vapore acqueo con pochissimo 18O; se le temperature sono più alte, evaporerà sempre molto 16O (essendo l’isotopo più abbondante), ma anche un po’ più 18O.
Il risultato è che in estate c’è più 18O nel vapore acqueo atmosferico che in inverno.
Il vapore acqueo poi può trasformarsi in neve e tornare a terra portando con sè gli isotopi contenuti e quindi le informazioni che ci interessano.
Infatti, in inverno, nei rispettivi emisferi terrestri, evaporerà meno 18O che in estate, quindi la neve invernale sarà più ricca di 16O rispetto a quella estiva.
In estate evaporerà qualche 18O in più, quindi la neve estiva (ai poli nevica anche d’estate) sarà più ricca dell’isotopo più pesante 18O rispetto a quella invernale.
Giusto per puntualizzare ancora (sperando di non annoiarvi), non è che in estate nell’atmosfera ci sia più 18O che 16O.
L’O16 è sempre più abbondante, costituendo circa il 99.8% dell’ossigeno totale sulla Terra. Semplicemente, in estate nel vapore acqueo , quindi nella neve, aumenterà il valore del rapporto 18O/16O che di per sè è sempre molto basso. Lo standard di riferimento è il rapporto medio attuale tra 18O e 16O nell’acqua oceanica e corrisponde a 0.0020052
Ciò che viene calcolato (trovate la formula su questo link a wikipedia) è la variazione che verrà poi espressa in 0/00 (parti per mille) rispetto al rapporto standard. Questo valore viene chiamato (Delta) δ 18 O0/00.
Il valore del δ nella neve che si deposita in inverno al polo è circa di -450/00. Il δ della neve estiva è circa di -250/00.
Seguendo questa variazione stagionale si può dedurre che ogni anno è rappresentato da due importanti variazioni consecutive del δ che corrispondono allo strato di neve estiva e a quello di neve invernale.
Con questo metodo, sono state ricavate, anno per anno, le temperature medie di centinaia di migliaia di anni (fino ad 800000 anni fa in Antartide ‘EPICA Dome C’ (2002/03) dove il ghiaccio ha uno spessore di 3.26Km) dopo aver estratto il ghiaccio tramite carotaggi nei ghiacciai freddi della calotta antartica e groenlandese.
Per far questo, sono state realizzate trivellazioni tramite le quali vengono estratti campioni di ghiaccio cilindrici chiamati ‘Carote’, divisi in tratti lunghi un metro, del diametro di una decina di cm, poi conservati a bassa temperatura (sotto lo zero!!) per poi essere analizzati sotto diversi aspetti in speciali laboratori-freezer.
– Solo un piccolo appunto per precisare che in Antartide, nelle regioni più interne, causa lo scarso accumulo di neve che diventerà un sottilissimo strato di ghiaccio, si perde molto presto la possibilità di distinguere tutti i cicli stagionali e annuali che diventano impercettibili, ma si possono continuare a registrare le variazioni isotopiche e a correlarle con quelle oceaniche o con altri eventi particolari. A grande profondità vengono utilizzati dei modelli matematici che considerano anche il flusso glaciale e altri fattori…
– Nelle carote groenlandesi invece, a causa di un maggior accumulo di neve, si è potuti risalire con estrema precisione (strato per strato) fino a più di 40000anni fa.
Non solo vengono studiati gli isotopi dell’ossigeno, ma anche quelli del carbonio, i contenuti di gas serra come metano, anidride carbonica, i contenuti di ceneri vulcaniche (che segnalano magari eventi vulcanici collocabili in tempi storici e utilizzabili come livelli di riferimento), radioattività, e molti altri…
Nelle ultime decine di anni, i ghiacciai sono diventati quindi una banca-dati (o un data-base per chi preferisce) naturale del passato su cui c’è ancora molto da scoprire e da imparare, prova ne è l’intensissima attività che si percepisce nei glaciologi della porta di fronte a quella del ‘mio’ laboratorio universitario dove, spesso e volentieri, preparo fossili!
Ah! Come si fa a misurare quanto 18O c’è rispetto all’16O?
Con lo spettrometro di massa. Bisognerebbe scriverci qualcosa, ma prima forse dovrei studiare bene io come funziona!!!
Bibliografia:
Claudio Smiraglia ‘Guida ai ghiacciai e alla glaciologia. Forme, fluttuazioni, ambienti’
P.Casati ‘Scienze della Terra. Elementi di Geologia Generale’
http://users.unimi.it/glaciol/ Sito di Glaciologia Unimi
Smiraglia, Morandi, Diolaiuti ‘Clima e Ghiacciai. L’evoluzione delle risorse glaciali in Lombardia’
Stefano Rossignoli, Daniele Cucchi ‘Il trekking dei colli di Bassac’ (Immagini e diario di viaggio)
Presentazione di Valter Maggi (Unimib)- www.lnf.infn.it/sis/seminars/talks/maggi_03_04_07.pdf
http://it.wikipedia.org/wiki/Stadio_isotopico_marino: Qualche grafico sull’andamento del clima attraverso la stratigrafia isotopica degli ultimi 5 milioni di anni
http://it.wikipedia.org/wiki/Ossigeno
http://it.wikipedia.org/wiki/Isotopo_stabile
– Essendo un blog, posso permettermi di dare un parere personale sul global warming. E’ indubbiamente in atto. I dati sulle temperature degli ultimi anni in continuo aumento non mentono. Anche i dati sulle carote glaciali indicano una presenza di gas serra incredibilmente alta per gli ultimi 200 anni, mai verificatasi negli ultimi 800000…
Il fatto poi che la responsabilità del riscaldamento globale venga attribuita senza dubbio all’uomo, non lo ritengo del tutto certo.
Verranno comunque trovati metodi per studiare ancor meglio il fenomeno, quindi per ora invito, come del resto fanno molti miei colleghi, ad essere cauti nel consumo delle risorse e, più che altro, nella produzione di calore ‘artificiale’ pro capite.
Ciò non farà certo male al nostro pianeta!
ciao, qualche cordiale dritta in più sullo studio del rapporto degli isotopi dell’ossigeno nei gusci dei foraminiferi? grazie tante. a presto
I foraminiferi sono degli organismi unicellulari, la cui cellula è protetta da una teca calcitica. Essi partecipano se così si può dire alla continua sedimentazione dei fondali oceanici. Si troveranno quindi accumulati uno sopra l’altro, insieme agli altri sedimenti ed ovviamente i più recenti sopra e i più antichi sotto… La calcite del loro guscio CaCO3 contiene ossigeno (O), oltre al Calcio (Ca) e al Carbonio (C) quindi conterrà l’Ossigeno 16 ma anche l’Ossigeno 18, nella stessa proporzione in cui era contenuto nell’acqua oceanica di un certo periodo della storia del nostro pianeta…
La proporzione tra O16 e O18 nella calcite dei foraminiferi è quindi inversamente proporzionale a quella rinvenuta nei Ghiacciai. Nei periodi più caldi, infatti, evapora più O18 che si troverà poi nei ghiacciai e non nei foraminiferi…
Anche questi rilievi vengono eseguiti tramite carotaggi dei fondali oceanici e partecipano a fornire le conoscenze che abbiamo sui climi del passato…
Sperando di essere stato esauriente ti ringrazio per il tuo intervento e ti invio i nostri migliori saluti!
Continua a seguirci.
Stefano!
grazie! ora sono pronto a sostenere l’esame con il buon Prof. Cremaschi… ;]
Caro Jonni ho paura che questo mio piccolo post non sia sufficiente per l’esame di Geologia del Quaternario, comunque, nella certezza che tu abbia approfondito tutto quanto basta, ti faccio il mio migliore in bocca al lupo!!! …e, se vuoi, facci anche sapere come è andata! E soprattutto grazie per la fiducia accordataci!!!
è andata, tutto sommato, niente male, grazie per le chicche, che ovviamente ho snocciolato al buon Prof…saluti
Ottimo e grazie mille. E’ una grande soddisfazione anche per scienzafacile!!!
In bocca al lupo per i tuoi studi futuri!
Stefano!