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Climatologia del sistema solare: pianeta Terra, parte 1

MeteoSvizzera-Blog | 01 febbraio 2025

Dopo due puntate dedicate a Mercurio e Venere, oggi rivolgiamo la nostra attenzione al clima del terzo pianeta del sistema solare, ovvero la nostra casa, il pianeta Terra. Come vedremo in questa puntata, il passato climatico della Terra è stato estremamente movimentato. In questa prima parte presentiamo dapprima di cosa si occupa la paleoclimatologia e poi daremo uno sguardo al clima della Terra nel periodo compreso tra 2.5 miliardi fino a 50 milioni di anni fa.

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Gli episodi precedenti della serie:

Nella nostra puntata su Venere, abbiamo inizialmente presentato i passati sconvolgimenti climatici del pianeta. Venere ha visto una transizione da pianeta abitabile a un vero e proprio inferno causato a un drastico aumento dei gas serra, anidride carbonica in primis. Senza raggiungere tali estremi, anche il pianeta Terra ha vissuto la sua parte di sconvolgimenti climatici.

In questa prima parte del blog, utilizzeremo alcuni concetti chiave per spiegare come si studia il passato climatico e analizzeremo il clima della Terra nel periodo compreso tra 2.5 miliardi e 50 milioni di anni fa. Nella seconda parte di questo blog, esamineremo gli ultimi 50 milioni di anni. Naturalmente, più ci avviciniamo ai giorni nostri, più le informazioni sul clima del passato sono ricche e solide.

Studiare il passato climatico della Terra

A differenza di altri pianeti, abbiamo a portata di mano una grande quantità di informazioni sul passato climatico della Terra. Iniziamo con una rapida panoramica dei metodi utilizzati per ricostruire il clima del passato.

Gli indicatori del clima passato sono noti come proxy climatici. I più noti sono probabilmente le carote di ghiaccio dell'Antartide. Esse contengono bolle d'aria intrappolate al momento della formazione del ghiaccio che forniscono informazioni sulla composizione dell'atmosfera in quel momento. Il ghiaccio stesso contiene alcuni composti chimici (per la precisione, isotopi dell'ossigeno) che permettono di ricostruire le temperature medie prevalenti al momento dell'evaporazione dell'acqua dagli oceani. La più antica carota di ghiaccio continua proviene da un luogo chiamato Dome C in Antartide e copre 800.000 anni. Con un recente progetto di ricerca si spera di trovare ghiaccio vecchio di 1.2 milioni di anni: in caso di successo si potrà allungare la serie di temperature ricostruite.

Per estendere la serie di temperature indietro nel tempo, si utilizzano anche dei carotaggi nei sedimenti oceanici. Anche la loro composizione ci permette di dedurre le temperature medie del passato, in particolare analizzando i resti delle forme di vita microscopiche, come per esempio le diatomee, organismi ricoperte da involucri di silicio (esoscheletri) con forme altamente riconoscibili. Alcuni esempi sono mostrati nell'immagine sottostante. Gli strati geologici vengono utilizzati anche per ricostruire il clima del passato di alcune regioni specifiche, evidenziando ad esempio, i periodi in cui alcune regioni della Terra erano desertiche. Anche i fossili, in particolare quelli degli alberi, sono una fonte importante di informazioni.

Per periodi più recenti (a partire da circa 10'000 anni fa), anche altre fonti di dati risultano molto utili: gli anelli degli alberi (dendrocronologia), i pollini (che tra l'altro hanno forme magnifiche, vedi immagine sotto), i coralli e i sedimenti lacustri. Per i periodi ancora più recenti, i paleoclimatologi studiano anche i documenti lasciati da chi ci ha preceduto: testimonianze di eventi estremi, registrazione di date caratteristiche (fioritura degli alberi, vendemmia) o descrizione dei raccolti (poveri o abbondanti). Oltre a tutti questi proxy, per affinare le ricostruzioni climatiche, sia per periodi molto lontani che per periodi più recenti, si utilizzano anche i modelli numerici.

Grazie a tutte queste informazioni è possibile ricostruire il passato climatico della Terra in maniera attendibile.

Le cause dei cambiamenti passati e i processi di feedback

Il clima della Terra è stato influenzato da una serie di fattori negli ultimi miliardi di anni. La composizione dell'atmosfera, in particolare la concentrazione di gas serra, è variata in seguito al vulcanismo e alla comparsa della vita. Anche il movimento dei continenti ha svolto un ruolo importante, causando cambiamenti nella circolazione atmosferica e oceanica con conseguenti variazioni del clima. Anche le variazioni dell'orbita terrestre intorno al Sole o dell'asse di rotazione della Terra, che hanno influenzato la radiazione solare ricevuta, sono una delle cause principali dei cambiamenti climatici del passato.

Una componente importante di questi cambiamenti sono i cosiddetti meccanismi di retroazione. Prendiamo come l'esempio le ere glaciali più "recenti" (nell'ultimo milione di anni). Inizialmente l'abbassamento delle temperature è stato innescato da una riduzione dell'energia solare ricevuta causata da una variazione dell'orbita della Terra intorno al Sole. Tuttavia, questa riduzione della radiazione da sola non può spiegare la portata del raffreddamento dell'atmosfera terrestre. Ciò può essere però spiegato dai meccanismi di retroazione: in parole semplici la radiazione solare diminuisce, la Terra si raffredda, le calotte polari si estendono e viene riflessa una maggiore quantità di radiazione solare incidente (vaste aree di color bianco con forte albedo), di conseguenza la Terra si raffredda ancora di più, e così via, fino a raggiungere un nuovo stato di equilibrio. Un ciclo simile esiste anche per l'anidride carbonica: più gli oceani sono freddi, maggiore è il quantitativo di anidride carbonica che possono assorbire, di conseguenza l'atmosfera si raffredda (effetto serra indebolito per mancanza di anidride carbonica), gli oceani si raffreddano ulteriormente e possono assorbire un quantitativo ancora maggiore di anidride carbonica. E così via. Al momento attuale, con il riscaldamento globale in corso, abbiamo l'effetto di retroazione esattamente contrario.

In sintesi, i principali sconvolgimenti climatici che la Terra ha vissuto sono stati causati da fattori che da soli non possono spiegare l'entità del cambiamento. Questi fattori hanno sempre innescato un cambiamento amplificato dai meccanismi di retroazione. E come si può ben pensare, in un'era dove il riscaldamento globale è ancora fuori controllo, i meccanismi di retroazione, alcuni legati ad un'incertezza ancora molto elevata (= non si conoscono bene), fanno decisamente paura.

Un possibile pianeta "palla di neve"

Iniziamo la nostra storia climatica 2.5 miliardi di anni fa, quando la vita (non l'essere umano!) era già ben radicata sulla Terra. Tra 2.5 e 2.2 miliardi di anni fa la Terra ha vissuto una successione di intense ere glaciali. È possibile che la Terra sia stata completamente coperta di ghiaccio per un periodo prolungato. L'ipotesi principale per spiegare questo raffreddamento è la “grande ossidazione”. La fotosintesi clorofilliana negli oceani rilasciava grandi quantità di ossigeno nell'atmosfera. Questo ossigeno ha reagito con il metano presente nell'atmosfera trasformandolo in anidride carbonica, che ha un effetto serra più debole del metano. Questa riduzione dell'effetto serra si è tradotta in un netto calo delle temperature. Con buona probabilità questo evento rappresenta la prima estinzione di massa della vita sulla Terra.

Numerose estinzioni di massa

Nei due miliardi di anni successivi, ci furono probabilmente altri periodi più brevi di glaciazione a livello planetario. Le prove di queste glaciazioni totali sono geologiche: le tracce lasciate dalle enormi masse di ghiaccio sui continenti. Tra questi lunghi periodi freddi (parliamo di decine o centinaia di milioni di anni), ci sono stati periodi caldi, anche più caldi di quelli che conosciamo oggi. Questi sono stati probabilmente causati dai gas serra rilasciati da eventi vulcanici molto importanti. Le variazioni dell'asse di rotazione della Terra su se stessa sono un'altra ipotesi che può spiegare queste variazioni.

Con buona probabilità queste variazioni climatiche hanno contribuito ad altre estinzioni di massa, fino alla più famosa: quella dei dinosauri 66 milioni di anni fa. L'ipotesi attuale è che un meteorite si sia schiantato nella regione dello Yucatàn, in Messico. Tuttavia, non fu l'impatto il responsabile diretto dell'estinzione dei dinosauri, ma il raffreddamento indotto dalla grande quantità di polvere che ridusse la radiazione solare in superficie.

E siamo giunti al termine di questo primo contributo sulla storia del clima del nostro pianeta. Nella seconda parte di questo blog, che pubblicheremo la prossima settimana, esamineremo il clima della Terra negli ultimi 50 milioni di anni fino alla fine dell'ultima era glaciale, circa 10'000 anni fa.

La paleoclimatologia, una specialità svizzera

Lo studio del clima del passato si chiama paleoclimatologia. Probabilmente non è molto conosciuto, ma la Svizzera ha una lunga tradizione in questa disciplina. Nel 1963, il fisico Hans Oeschger fondò il Dipartimento di fisica climatica e ambientale dell'Università di Berna. Insieme al geofisico danese Willi Dansgaard, dimostrarono che in passato si erano verificati cambiamenti climatici relativamente rapidi, cambiamenti che oggi sono noti come eventi Dansgaard-Oeschger e che saranno presentati nella seconda parte di questo blog.

Il Centro Oeschger per la ricerca sui cambiamenti climatici dell'università di Berna continua a portare avanti numerosi progetti di ricerca sul clima del passato della Terra che coinvolgono un'ampia gamma di discipline. Per gli studenti che s'interessano alle scienze climatiche, il Centro Oeschger rappresenta un gioiello svizzero che offre numerose possibilità di master e lavori di dottorato.