Oceanologia

Carotaggi effettuati dall'ODP:La Glaciazione nel Passaggio dal Pliocene al Pleistocene

Circa 2,7 milioni di anni fa (2.7 Ma), il clima della Terra ha vissuto una transizione a condizioni molto più fredde, in modo tale che le grandi lastre di ghiaccio glaciali sono cresciute, mantenendosi nell'emisfero settentrionale. L'intensificazione della glaciazione nel nord dell'emisfero segna il passaggio tra due Ere geologiche, dal Pliocene al Pleistocene.

All'avvicinarsi di questo confine a 2.7 Ma, erano già in atto mutevoli condizioni climatiche. Prima di discutere le osservazioni e le conclusioni di questo studio, è importante capire come gli scienziati del clima determinano il sistema climatico della Terra in un dato momento nel lontano passato, e Brian Caccioppoli, un geologo e oceanologo dell'Università del Rhode Island, lo spiega in questo articolo.

I ricercatori climatici spesso si basano su insiemi di dati proxy per determinare le condizioni climatiche nel passato. Un proxy è qualcosa che registra inconsapevolmente le condizioni climatiche al momento della sua esistenza, e che può essere misurato ai giorni nostri. Ad esempio i foraminiferi, piccoli protisti marini, crescono in un guscio fatto di carbonato di calcio. I materiali per il guscio vengono assorbiti da acqua di mare. Quando queste creature muoiono, i loro gusci piovono sul fondo del mare dove formano sedimenti. Gli scienziati possono raccogliere i sedimenti e, misurandone i rapporti isotopici del guscio, rivelano informazioni sulla chimica degli oceani al momento in cui gusci sono stati creati.

In questo studio, gli scienziati hanno utilizzato un approccio multi-proxy. Gli autori hanno utilizzato il tasso di accumulo di massa di opale biogeno e alchenoni come proxy per la produttività. Entrambi vengono creati dal fitoplancton nel mare, e piovono sul fondo del mare dopo che gli organismi muoiono. Determinando quanto opale o alchenoni si stava accumulando nel sedimento in un dato momento, gli scienziati possono dedurre le quantità relative di fitoplancton che vivevano in acque superficiali in quel momento.

I fitoplancton sono i produttori primari del mare, utilizzando la luce solare e l'anidride carbonica per creare cibo. Il tasso di accumulo di massa di opale e alchenoni, che sono prodotti da questi fitoplancton, servono come proxy per la produttività o il tasso di generazione di biomassa. I fitoplancton si basano su elementi nutritivi,ad esempio nitrati e fosfati, che sostengono la produttività. I nutrienti sono tipicamente utilizzati in acque superficiali calde e sono forniti da acque fresche più profonde.

È importante rendersi conto che un'elevata produttività registrata dal proxy suggerisce una circolazione oceanica favorevole per fornire nutrienti alle acque superficiali dove vive il fitoplancton. Questa circolazione favorevole è chiamata upwelling, risalita di acque profonde.

L'Upwelling è in gran parte determinato dal vento. I venti occidentali sono una cintura di venti che soffiano da ovest a est sopra le medie latitudini in entrambi gli emisferi nord e sud. Soffiando attraverso l'oceano, i venti occidentali conferiscono una forza di attrito sulla superficie dell'oceano, anche se il movimento netto delle acque di superficie è perpendicolare alla direzione in cui soffia il vento. Questo movimento perpendicolare si pone a causa della Forza di Coriolis, una forza apparente dovuta alla rotazione della Terra. Nell'emisfero settentrionale, i venti occidentali e la Forza di Coriolis costringono l'acqua a sud della cintura circolatoria dei venti, un fenomeno noto come Divergenza Ekman. Come l'acqua in superficie è trasportata lontano dai venti occidentali, l'acqua ricca di nutrienti più profonda risale in superficie a prendere il suo posto. Questo upwelling causato dai venti occidentali porta ad elevata produttività, prossimale alla cintura dei venti da ovest.

Ora che abbiamo una comprensione dei proxy e la connessione tra i nutrienti, la produttività e la risalita, diamo uno sguardo ad alcune delle osservazioni di questo studio. Lo studio ha utilizzato i carotaggi effettuati dall'Ocean Drilling Project (ODP) nelle zone polari, sub-polari, medie, e siti a bassa latitudine del Nord Atlantico, Sud Atlantico e negli Oceani meridionali. Gli autori hanno utilizzato queste carote di sedimento per determinare la variazione della produttività, in base ai tassi di accumulazione di massa di opale biogeno e alchenone. La figura 1 sottostante mostra i record del proxy in ogni sito.

Una osservazione importante è che i siti polari e sub-polari (Figura 1: a, d, e, j) mostrano notevoli diminuzioni della produttività attraverso il tempo, evidenziato dalla diminuzione dei tassi di accumulo di massa di opale e alchenone. I siti alle medie e basse latitudini (Figura 1: b, c, f, g, h), dimostrano proprio il contrario; aumenti di produttività nel tempo. Uno sguardo più dettagliato alla tempistica delle produttività nel "blocco" dei siti polari e sub-polari rivela che i siti più polari hanno sperimentato una rottura circa 3,3 mA (Figura 1: d), considerando che i siti sub-polari hanno visto arresti di produttività più vicino al periodo temporale compreso tra 2,7 - 2.5 Ma (Figura 1: a, d, j). I tempi di aumento della produttività nei siti alle medie e basse latitudini si verificano tipicamente verso 2,7 Ma (Figura 1: b, c, f, g, i), con l'eccezione del sito ODP 1090 (Figura 1: h), dove l'aumento avviene circa a 1,3 mA. Il sito ODP 1090 era stato indagato per avere una crescita del ferro limitata, da studi precedenti, il che è implicato nella crescita della produttività in ritardo.

Come discusso in precedenza, la quantità di nutrienti in fase di risalita alla superficie controlla la grande produttività. In questo studio, gli autori suggeriscono che le variazioni di produttività sono controllate dalla posizione della cintura dei venti da ovest, che spingono la risalità. In tutto il Pliocene (> 2.7 Ma), i venti occidentali si trovavano a latitudini più elevate rispetto ad oggi, e guidavano la risalita nelle regioni polari e sub-polari dell'emisfero settentrionale e meridionale. Quando la glaciazione dell'Emisfero Nord si è intensificata, avvicinandosi alla data temporale di 2.7 Ma, la posizione dei venti occidentali si era spostata verso l'equatore, portando ad una rottura progressiva della produttività, in primo luogo nelle regioni polari, a 3.3 Ma, e poi alle regioni sub-polari a 2,7 Ma.

Mentre i venti occidentali si muovevano dall'equatore, le acque polari e sub-polari sono diventati più stratificate, impedendo la miscelazione di sostanze nutritive alla superficie. L'aumento della stratificazione significa che l'acqua meno densa "galleggia" sopra acqua più densa, ed è quindi sempre più difficile spostarla dalle profondità verso la superficie. Anche se questa progressiva caduta della produttività è meglio osservata nell'emisfero settentrionale, si crede che anche l'emisfero sud possa aver risposto in modo simile, a causa della migrazione verso l'equatore dei venti occidentali in entrambi gli emisferi nord e sud.

La figura 2 sottostante mostra che il calendario delle rotture di produttività osservati nei siti polari e sub-polari sono in eccellente accordo con i proxy aggiuntivi riportati in questo studio. Una maggiore suscettibilità magnetica a 2,5 mA (Figura 2: a) indica un aumento della concentrazione di minerali magnetici in un nucleo del sedimento. Un aumento di minerali più magnetici è denominato ice rafted debris (IRD), ovvero il processo mediante il quale i sedimenti erosi dal ghiaccio glaciale vengono trasportati dagli iceberg. Come gli iceberg si sciolgono, il sedimento cade sul fondo del mare. Per questo motivo, la suscettività magnetica può essere utilizzata come proxy per l'IRD. I proxy di Alchenone possono essere utilizzati per ricostruire la temperatura superficiale del mare (SST, Figura 2: b). Il crollo della produttività che si verifica a 2,5 mA nel sito ODP 982 (Figura 2), avviene in concomitanza ad un aumento IRD e una diminuzione SST. L'ODP Site 982 è situato a 58 gradi nord. La tempistica del crollo della produttività in questo sito è in eccellente accordo con la tempistica di un aumento dei detriti trasportati dagli iceberg e una diminuzione della temperatura della superficie del mare, avvenuta in seguito all'intensificazione della glaciazione dell'emisfero nord.

Mentre i venti occidentali sopra alle medie latitudini si spostarono verso una posizione simile ai tempi attuali, ci si sarebbe aspettato una produttività maggiore alle medie latitudini stesse, ma non necessariamente alle basse latitudini, quando la risalita era generalmente limitata alle medie latitudini. Tuttavia, l'esperienza di una maggiore produttività è evidente nei registri proxy dei siti alle basse latitudini. Gli autori di questo studio hanno prodotto un modello concettuale che aiuta a comprendere la produttività alle basse latitudini (Figura 3 sottostante). Il movimento equatoriale dei venti occidentali in entrambi gli emisferi ha causato un aumento delle SST meridionali (seguire le linee di longitudine) dal Pliocene al Pleistocene, causato dal raffreddamento delle acque superficiali nelle regioni polari e sub-polari. Questo ha causato una contrazione della piscina calda che di fatto ha spinto i nutrienti dalla superficie alle basse latitudini (Figura 3). L'aumento dei nutrienti dalle acque superficiali alle basse latitudini porta ad una maggiore produttività.

Gli autori concludono che le implicazioni sulla formazione di acque profonde e la CO2 atmosferica globale sono strettamente correlate. Precedenti studi concludono che la formazione di acque profonde sono state inibite dallo spostamento dei venti occidentali equatoriali nell'emisfero sud, dal momento che una maggiore stratificazione nella regione polare dell'emisfero sud inibisce la formazione di acque profonde. I dati disponibili per l'emisfero nord mostrano la formazione di acque profonde continue nella regione polare dell'emisfero settentrionale. Questo è in gran parte attribuito alla forma stretta del bacino polare settentrionale e alla corrente del Nord Atlantico, che trasporta l'acqua calda salata ai poli. Ai poli, questa acqua salata raffredda, aumentando la densità e permettendogli di affondare e formare acque profonde. Gli autori sottolineano che la ventilazione ridotta (acque profonde ricche di CO2 in risalita alla superficie) nelle acque profonde in corrispondenza della regione polare meridionale, e la formazione di acque profonde continua nell'emisfero settentrionale, potrebbe aver contribuito alla cattura di CO2 atmosferica durante il Pleistocene.

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