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Cicli astronomici e clima
#1
Ciao a tutti! Ho voluto fare un riassunto dei cicli astronomici in grado di avere una firma sul nostro clima! Spero che la discussione porti qualche contributo, se poi ampliamo il discorso sarò ben felice di fare un articoletto sul portale...ma prima è meglio chiarire tutti gli eventuali dubbi Wink

La curva isotopica dell'ossigeno, il più importante proxy per la ricostruzione delle paleotemperature, mostra delle fluttuazioni climatiche a scale temporali nell’ordine di 10^5 – 10^4 anni. Le cause di queste fluttuazioni possono essere messe in relazione con le variazioni cicliche dei parametri orbitali della Terra, le quali provocano alterazioni della quantità totale di radiazione solare ricevuta e della quantità parziale ricevuta in ogni emisfero. L’idea che le variazioni periodiche dei parametri orbitali potesse causare variazioni nella quantità di calore ricevuta dal sole ha vari predecessori, tra cui lo scozzese J. Croll, ma la prima teoria compiuta è del matematico serbo Milutin Milankovitch.
Il modello originario di Milankovitch, basato su calcoli manuali, è stato migliorato notevolmente e alcune sue conclusioni sono state confutate, ma il grosso della teoria ha trovato conferma e ha portato a modelli molto raffinati.
I cicli astronomici presi in considerazione sono quelli dell’eccentricità, dell’obliquità e della precessione. Un’importante precisazione: le variazioni di questi tre parametri non provocano variazioni significative nella quantità totale di energia solare ricevuta nella parte alta dell’atmosfera, ma cambiano significativamente la distribuzione geografica dell’insolazione, la durata delle stagioni e la quantità di calore ricevuta in ogni emisfero durante le stagioni

Eccentricità – Due periodicità: 100.000 anni e 400.000 anni

L’orbita della Terra attorno al Sole è ellittica e l’eccentricità viene descritta tramite un numero adimensionale che esprime lo scostamento dalla forma circolare. Il grado di eccentricità è determinato dalle variazioni dell’asse minore. Possiamo semplificare come un’orbita perfettamente circolare abbia eccentricità pari a 0 (num. 1 in figura), mentre un’orbita ellittica assume valori di eccentricità positivi (num 2 in figura). Questi valori saranno sempre più positivi al diminuire della lunghezza della asse minore (schiacciamento).

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Grazie a queste proprietà l’eccentricità è l’unico parametro che modifica in senso assoluto l’insolazione. In periodi ad eccentricità alta la terra riceve mediamente più calore dal sole poiché la rivoluzione avviene in una posizione più ravvicinata, dʼaltra parte un’orbita più ellittica comporta una maggior accelerazione al passaggio vicino al sole e un maggior rallentamento nella posizione opposta. Ciò determina una variazione nella lunghezza delle stagioni (da 82 a 100 giorni).
Le variazioni della quantità totale di calore ricevuta a causa dell’eccentricità sono molto piccole (0.28% rispetto alla situazione totale) Queste variazioni sembrano troppo piccole per giustificare variazioni di almeno 5 °C (massimo glaciale) considerando che la sensitività della Terra è di 1°C per 1% di variazione nella radiazione assorbita. Ad ogni modo è ormai accertato che nel Quaternario i minimi di volume dei ghiacci corrispondono a massimi di eccentricità. L’effetto principale dell’eccentricità è costituito da un’accentuazione del contrasto stagionale mentre il bilancio annuale rimane pressoché invariato. Il forte contrasto stagionale in fasi ad alta eccentricità può però provocare feedback positivi (albedo) e quindi creare i presupposti per variazioni climatiche significative.

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Nell’immagine sopra ho evidenziato i 2 cicli principali dell’eccentricità: il numero 1 rappresenta il ciclo dei 100.000 anni mentre il numero 4 rappresenta il ciclo dei 400.000 anni. Da notare come i cicli 4 siano più pronunciati, questo perché abbiamo la somma dei cicli 1 e 4. Altra importante corrispondenza: i massimi dell’eccentricità, come già detto, si trovano in concomitanza dei max interglaciali.


Obliquità – Periodo 41.000 anni

L’obliquità esprime l’angolo che intercorre tra l’asse di rotazione di un pianeta e la normale al piano dell’eclittica. Questo parametro è responsabile delle variazioni stagionali sul nostro pianeta. Lʼasse di rotazione della Terra è inclinato di circa 23°C rispetto al piano dell’eclittica ma questo valore varia periodicamente di circa 2.5° C.
Un aumento dell’obliquità determina un maggior contrasto stagionale soprattutto alle alte latitudini (maggior calore in estate, minore in inverno), ma la quantità di calore media annua ricevuta al tetto dellʼatmosfera rimane inalterata.

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Precessione – Periodo 19.000 – 21.000 anni

L’asse di rotazione della Terra non cambia solo il valore di inclinazione, ma anche di direzione descrivendo un cono che viene chiuso mediamente in circa 21.000 anni.
Questo movimento determina la stagione in cui ciascun emisfero si trova nel momento in cui la Terra è più vicina (perielio) o più lontana (afelio) dal Sole. L’effetto principale anche in questo caso è una accentuazione del contrasto stagionale, in particolare dellʼemisfero che si trova con lʼestate in perielio e lʼinverno in afelio.
Il ciclo della precessione è molto importante se sovrapposto a quello dell’eccentricità, infatti ogni 5 cicli precessionali uno di questi ha maggior impatto perché 5 x 20.000 anni = 100.000 anni cioè il ciclo dell’eccentricità.
Da notare infatti come nella figura seguente la curva del Solar Forcing ricalchi praticamente quella della precessione.

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#2
Ottimo riepilogo...risulta inoltre chiaro come piccole modifiche al sistema possano portare a enormi cambiamenti
C'è un confine sottile tra uno sbaglio e un colpo di genio; purtroppo dovresti essere un genio per vederlo.

Sheldon Cooper

L'Italia è ancora come la lasciai, ancora polvere sulle strade,
ancora truffe al forestiero, si presenti come vuole.
Onestà tedesca ovunque cercherai invano,
c'è vita e animazione qui, ma non ordine e disciplina;
ognuno pensa per sé, è vano, dell'altro diffida,
e i capi dello stato, pure loro, pensano solo per sé


Johann Wolfgang von Goethe
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#3
Cerco di sottolineare quelle che, a mio avviso, appaiono come alcune inesattezze del post inaugurale di questo topic. Lieto di essere corretto nel caso pronunciassi inaudite castronerie.

In primo luogo l’asse terrestre, a causa dell’attrazione gravitazionale che, principalmente, la Luna ed il Sole effettuano sul rigonfiamento equatoriale (la Terra infatti risulta leggermente schiacciata ai poli), compie un movimento a doppio cono (non a singolo cono) in circa 26.000 anni (non 21.000 anni). Tale movimento, denominato per l’appunto precessione luni-solare, è contrario a quello di rotazione (che avviene in senso antiorario, con ipotetico osservatore situato al di sopra del Polo Nord) ed è disturbato, nel suo espletarsi, dal differente combinarsi delle diverse distanze sussistenti, nel tempo, tra il Sole da una parte e La Terra e la Luna dall’altra. Quest’ultime, avendo orbite ellittiche, fanno si che le masse in gioco interagiscano diversamente a seconda della loro posizione nello spazio. Da ciò deriva la formazione di un movimento a doppio cono non lineare, ma zigzagato per opera di oscillazioni (dovute appunto al diverso grado di attrazione luni-solare) della durata media di circa 18,6 anni: esse prendono il nome di nutazioni. Dunque, riassumendo, l’attrazione gravitazionale del Sole e della Luna sulla Terra (ed in misura maggiore sul rigonfiamento equatoriale terrestre, vero responsabile di tale fenomeno), fa descrivere all’asse del nostro pianeta (esattamente come una trottola sbilanciata) un movimento a doppio cono che si compie, in senso orario, in circa 26.000 anni. Esso è disturbato da una miriade di fluttuazioni periodiche, e molto brevi, della durata media di circa 18 anni. Esse prendono il nome di nutazioni.

La conseguenza principale di questo movimento è lo spostamento, in senso orario, della linea degli equinozi che giace, insieme a quella dei solstizi, sul piano dell’eclittica intersecante quello dell’equatore celeste (quest’ultimo, essendo perpendicolare all’asse, ruota insieme al medesimo). Questa sarebbe l’entità della precessione equinoziale se non intervenisse un altro fattore che, qui di seguito, cerco di riportare.


Il movimento di precessione luni-solare (che, come detto, si compie in circa 26.000 anni ed in senso orario) contribuisce infatti al verificarsi di quel più ampio fenomeno a tutti noto come “precessione degli equinozi”. Quest’ultimo sarebbe di pari durata (circa 26.000 anni) se nel frattempo, a causa dell’attrazione gravitazionale degli altri pianeti e, in misura più infima, delle altre stelle (che sono molto distanti), l’asse maggiore dell’orbita terrestre (detta linea degli apsidi) non compisse un movimento in senso antiorario in circa 117.000 anni. La combinazione di questi due movimenti opposti (quello in senso orario della precessione luni-solare e quello, in senso antiorario, della linea degli apsidi, che rende “mobile” l’orbita terrestre) abbrevia la durata del periodo che occorre, alla linea degli equinozi (e dei solstizi), per tornare al punto di partenza: essa viene ridotta a 21.000 anni (circa) dai 26.00 anni (circa).
A causa di tutto ciò, tra qualche migliaio d’anni si celebrerà l’equinozio d’autunno nel medesimo punto dell’orbita in cui, oggi, si celebra il solstizio d’estate.

In estrema sintesi:

1. l’asse terrestre compie un movimento a doppio cono, in senso orario, in 26.000 anni circa;

2. con esso ruota anche il piano dell’equatore terrestre, oltre alla la linea degli equinozi e quella dei solstizi (che giacciono sul piano dell’eclittica intersecante quello dell’equatore celeste). Se questa fosse l’unica interazione, la precessione equinoziale si chiuderebbe in 26.000 anni circa;

3.tuttavia, a causa del movimento opposto (in senso antiorario) della linea degli apsidi che si chiude in circa 117.000 anni, il periodo della precessione degli equinozi si accorcia a circa 21.000 anni.


Effetti sul clima.

La variazione dell’eccentricità dell’orbita, correttamente descritta, si lega all’intensità delle oscillazioni climatiche dovute alla precessione degli equinozi. Contrariamente a quanto scritto (ma qui, forse, ho capito male io), a mio parere un’eccentricità accentuata esalta l’effetto della precessione degli equinozi sul sistema clima. Occorre tuttavia distinguere (limitandosi a prendere in considerazione l’emisfero boreale, dove tra l’altro è concentrata la maggior parte delle terre emerse), tra le varie configurazioni possibili a seconda di dove si celebrino il solstizio d’estate e quello d’inverno. Limitandosi a prendere in considerazione le due ipotesi principali ed estreme (afelio coincidente con il solstizio d’estate e perielio con quello d’inverno da un lato e, dall’altro, afelio coincidente con il solstizio d’inverno e perielio coincidente con il solstizio d’estate), si avrebbero effetti diametralmente opposti, pur in presenza della medesima eccentricità. Infatti la prima ipotesi (massima eccentricità + solstizio d’estate in afelio + solstizio d’inverno in perielio) risulta favorevole a periodi di glaciazione nell’emisfero boreale. Una siffatta precessione equinoziale, infatti, causa - dal punto di vista astronomico - una minore escursione termica annua per via del fatto che l’inverno cade in perielio (durando quindi di meno per le note leggi di Keplero ed essendo più mite per via della maggiore vicinanza al Sole) mentre, invece, l’estate cade in afelio (durando astronomicamente di più ed essendo “mitigata” dalla maggiore lontananza dal Sole). A tutto ciò si aggiunge la forte eccentricità che esalta la configurazione appena descritta per via della minore distanza Sole-perielio e della maggiore distanza Sole-afelio. Le nevi accumulate durante l’inverno, in un contesto simile, hanno maggiori possibilità di resistere allo scioglimento durante il semestre più caldo innescando una potenziale glaciazione.

Viceversa, nel caso opposto (solstizio d’estate in perielio + solstizio d’inverno in afelio), si ha - a parità di eccentricità - una situazione agli antipodi: estati più calde (esaltate da un perielio alla minima distanza dal sole per via dell’accentuata eccentricità) con conseguente maggiore scioglimento delle nevi accumulate durante il semestre freddo. Quest’ultimo, tuttavia, sarebbe più lungo e più crudo ma non per questo più produttivo ai fini dell’innesco di una nuova glaciazione.

Esistono poi tutte le posizioni intermedie che, insieme a quelle analizzate, sono ulteriormente attenuate od accentuate dalle altre variabili astronomiche (in primis l’inclinazione dell’asse terrestre).

E poi vi è tutto ciò che, di non astronomico, influisce sul clima: ma questo è un altro discorso.
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#4
Caro [MENTION=2209]Senmut[/MENTION] quello che scrivi è tutto giusto.
Nel descrivere la precessione ho utilizzato le tempistiche 19-21.000 anni perchè queste sono riconosciute a livello mondiale come le medie per tutte le ricostruzioni paleoclimatiche.

Sinceramente non comprendo questa tua obiezione : "Contrariamente a quanto scritto (ma qui, forse, ho capito male io), a mio parere un’eccentricità accentuata esalta l’effetto della precessione degli equinozi sul sistema clima. "

Io nel post ho scritto che l'eccentricità è l'unico parametro che può variare seriamente l'insolazione e che la precessione :
"Il ciclo della precessione è molto importante se sovrapposto a quello dell’eccentricità, infatti ogni 5 cicli precessionali uno di questi ha maggior impatto perché 5 x 20.000 anni = 100.000 anni cioè il ciclo dell’eccentricità."
intendendo che la precessione ha un'impronta maggiore se viene sovrapposta al ciclo dell'eccentricità.
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#5
Denver22 Ha scritto:Caro [MENTION=2209]Senmut[/MENTION] quello che scrivi è tutto giusto.
Nel descrivere la precessione ho utilizzato le tempistiche 19-21.000 anni perchè queste sono riconosciute a livello mondiale come le medie per tutte le ricostruzioni paleoclimatiche.

Era solo importante sottolineare, a mio avviso, che il ciclo di 21.000 anni (circa) è l'effetto combinato dei due movimenti millenari sopra descritti. Il movimento a doppio cono (che da solo non spiega la precessione degli equinozi), in sé considerato, si chiude invece in circa 26.000 anni.

Denver22 Ha scritto:Sinceramente non comprendo questa tua obiezione : "Contrariamente a quanto scritto (ma qui, forse, ho capito male io), a mio parere un’eccentricità accentuata esalta l’effetto della precessione degli equinozi sul sistema clima. "

Io nel post ho scritto che l'eccentricità è l'unico parametro che può variare seriamente l'insolazione e che la precessione :
"Il ciclo della precessione è molto importante se sovrapposto a quello dell’eccentricità, infatti ogni 5 cicli precessionali uno di questi ha maggior impatto perché 5 x 20.000 anni = 100.000 anni cioè il ciclo dell’eccentricità."
intendendo che la precessione ha un'impronta maggiore se viene sovrapposta al ciclo dell'eccentricità.

Credo che, parzialmente, diciamo la stessa cosa. Siamo d'accordo sul fatto che un'eccentricità massima esalta gli effetti della precessione. Mi è parso di capire, però (e qui ti chiedo eventualmente lumi, così animiamo questo topic che io considero bello ma carente di vera partecipazione), che tu associ alla maggiore eccentricità un effetto univoco sul clima terrestre: il riscaldamento. Secondo me, invece, nell'ipotesi di eccentricità massima in condizioni di solstizio d'estate in afelio e solstizio d'inverno in perielio si hanno, per l'emisfero boreale, maggiori probabilità astronomiche di andare incontro ad una glaciazione. Nel caso contrario (sempre massima eccentricità + solstizio d'estate in perielio + solstizio d'inverno in afelio), invece, non ho nulla in contrario rispetto a quanto evidenziato nel tuo post.
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#6
Senmut Ha scritto:Mi è parso di capire, però (e qui ti chiedo eventualmente lumi, così animiamo questo topic che io considero bello ma carente di vera partecipazione), che tu associ alla maggiore eccentricità un effetto univoco sul clima terrestre: il riscaldamento.

Quello che appare, correlando le varie curve nella figura sopra, è che ai max di interglaciale corrispondano i max dei cicli dell'eccentricità. Molto importante: così facendo ragioniamo ad una scala di circa 100.000 anni; infatti la figura racchiude all'incirca l'ultimo milione di anni.

Senmut Ha scritto:Secondo me, invece, nell'ipotesi di eccentricità massima in condizioni di solstizio d'estate in afelio e solstizio d'inverno in perielio si hanno, per l'emisfero boreale, maggiori probabilità astronomiche di andare incontro ad una glaciazione..

Scendendo di scala, possiamo entrare in un range temporale come ad esempio quello di una fase climatica ad "alta eccentricità", ed ecco che quello che tu scrivi qui sopra ci può stare tranquillamente in questi ragionamenti. Infatti il forte contrasto stagionale indotto dall'alta eccentricità può magnificare degli effetti con i relativi feedback, come ad esempio l'albedo e scatenare, perchè no, i prodromi di una glaciazione.

Purtroppo quando si fanno considerazioni paleoclimatiche, bisogna sempre entrare appieno nel concetto di "scala temporale" riportando i fattori che si esaminano alla scala d'analisi corretta. Non mi riferisco personalmente a te Senmut, ci mancherebbe, ma questa è una cosa che non mi stancherò mai di ripetere, perchè quando una persona entra nel "giochino" delle scale temporali in maniera giusta...ecco che allora molti problemi risultano più facili da comprendere.

Visto che ormai siamo scesi in certi discorsi....
da 900.000 anni circa ad oggi i cicli glaciali seguono i cicli dell'eccentricità e hanno quindi una periodicità di circa 100.000 anni. E' molto interessante il fatto che prima fosse diverso, ovvero che i cicli glaciali seguissero i cicli dell'obliquità di circa 41.000 anni.
Sembra inoltre che i ghiacciai dei cicli a 41.000 anni fossero più "effimeri" rispetto a quelli con cici a 100.000 anni. Alcuni studiosi, uno fra i tanti Ruddiman, associano questo trend alla scala dei milioni di anni ad un generale raffreddamento sempre più marcato: secondo lui il fatto che la calotta groenlandese non si sia sciolta nell'ultimo optimum climatico di 5000 anni fa è un indice di questo trend. Inoltre la stratigrafia isotopica da alta risoluzione sembra dargli un'ulteriore conferma.
Secondo alcuni studi certi cicli glaciali seguirono anche il ciclo precessionale, cioè 19-21.000 anni.
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#7
Denver22 Ha scritto:Scendendo di scala, possiamo entrare in un range temporale come ad esempio quello di una fase climatica ad "alta eccentricità", ed ecco che quello che tu scrivi qui sopra ci può stare tranquillamente in questi ragionamenti. Infatti il forte contrasto stagionale indotto dall'alta eccentricità può magnificare degli effetti con i relativi feedback, come ad esempio l'albedo e scatenare, perchè no, i prodromi di una glaciazione.

Ecco il punto. In una fase climatica ad alta eccentricità si possono sperimentare, a mio avviso, due condizioni opposte. Prendendo come riferimento il solo emisfero boreale, la condizione con la Terra in perielio durante il solstizio d'inverno e, conseguentemente, la Terra in afelio durante il solstizio d'estate, è più favorevole - in termini astronomici - ad una glaciazione. Questo perché in tal modo diminuiscono i contrasti climatici invece che aumentare. L'inverno risulta infatti più corto e mite a causa della sua collocazione nel punto dell'orbita più vicino al sole il quale, inoltre, risulta esaltato dalla minima distanza sole-perielio dovuta all'alta eccentricità. Viceversa l'estate, per le condizioni opposte, risulterebbe più lunga ma meno calda (e dunque, parimenti, più mite). Questa "mitezza" attenua l'escursione termica (od escursione calorica annua) e permette alle nevi di meglio conservarsi durante il semestre caldo.

A parità di eccentricità, invece, estate ed inverno con afelio e perielio invertito rispetto alla situazione precedente dovrebbero creare maggiori contrasti climatici, maggiore escursione termica e, conseguentemente, minori probabilità di glaciazione.

Tra circa 5000 anni dovremmo avere l'equinozio d'autunno in posizione d'afelio (dove attualmente, più o meno, si celebra il solstizio d'estate). L'eccentricità dell'orbita non sarà mutata di molto. Ipotizzando un pianeta terra ad eccentricità massima, si andrebbe incontro ad un'accentuazione dei contrasti (soprattutto nei millenni ancora successivi allorquando sarebbe il solstizio d'inverno a celebrarsi in afelio).

Denver22 Ha scritto:Purtroppo quando si fanno considerazioni paleoclimatiche, bisogna sempre entrare appieno nel concetto di "scala temporale" riportando i fattori che si esaminano alla scala d'analisi corretta. Non mi riferisco personalmente a te Senmut, ci mancherebbe, ma questa è una cosa che non mi stancherò mai di ripetere, perchè quando una persona entra nel "giochino" delle scale temporali in maniera giusta...ecco che allora molti problemi risultano più facili da comprendere.

Condivido ciò che scrivi. Al di là delle scale temporali, tuttavia, il problema grosso è quello di combinare tutte le variabili. Già quelle astronomiche sono in grado di innescare una nutrita serie di scenari divergenti, in base alla loro combinazione.
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#8
Ritieni, [MENTION=2040]Denver22[/MENTION], che io abbia stuprato la scienza qui dentro?

Scusa se ti tiro in ballo, ma mi interessa capire la posizione di qualche moderatore.
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#9
No Senmut, in questo post assolutamente no. È una discussione molto piacevole.
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#10
Grazie. A volte, durante la pausa, mi collego. Pensavo, francamante, di non dover ricevere più insulti assolutamente gratuiti, e invece mi sbagliavo.

Ora, se tu fossi nei miei panni, ti sentiresti sereno nello scrivere quando l'obiettivo primario di un utente è quello di attaccarti alla cieca?
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