Dai ghiacci una storia lunga 820.000 anni - Il Clima - Ambiente, cambiamenti climatici e sviluppo sostenibile

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Dai ghiacci una storia lunga 820.000 anni


Intervista a Fabrizio Frascati, Massimo Frezzotti e Biancamaria Narcisi

 Il team di ricerca che ha lavorato ai sistemi di perforazione profonda in ghiaccio e analisi delle carote prelevate in Antartide è stato premiato tra le "Eccellenze ENEA 2008" 

L’Antartide vista come una grande biblioteca che aspetta solo di mettere a disposizione i suoi preziosi tesori all’umanità. Un archivio naturale della storia climatica e ambientale della Terra che, con le ricerche italiane svolte nell’ambito del Programma Nazionale di Ricerca in Antartide (PNRA) finanziato dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca, ha consentito all’Italia di assumere un ruolo di primo piano nei programmi di ricerca internazionale.

L’organizzazione e la conduzione delle campagne sono state effettuate dal 1985 al 2002 dal Progetto Antartide dell’ENEA che ricopriva il ruolo di attuatore del PNRA, e successivamente dal Consorzio per l’attuazione del Programma Nazionale di Ricerche in Antartide, costituito da ENEA, CNR, INGV ed OGS.

Lo studio dei ghiacci fornisce rilevanti informazioni sull’andamento del clima e della composizione dell’atmosfera del passato, aiutando a comprendere la natura e l’entità dei cambiamenti in atto e le tendenze future. La mole di dati prodotta nell’ambito delle ricerche polari ha contribuito alla conoscenza della variabilità dei fenomeni climatici e delle loro cause, ed alla elaborazione di modelli climatici.

Mentre continuano nei laboratori gli studi sulle carote già estratte, sono stati varati nuovi programmi internazionali di perforazione dei ghiacci polari. Tali programmi hanno lo scopo di: ampliare la copertura geografica delle osservazioni paleoclimatiche comprendendo siti chiave finora inesplorati; estendere la registrazione degli eventi climatici e atmosferici a periodi più antichi; focalizzare l’attenzione su periodi climatici d’importanza fondamentale, quali ad esempio gli ultimi due millenni e le transizioni fra periodi glaciali e interglaciali. Queste informazioni sono fondamentali anche per la messa a punto e la validazione dei modelli di previsione a lungo termine.

Le perforazioni in ghiaccio future e in corso di realizzazione sono inquadrate nell’ambito di IPICS (International Partnership in Ice Core Sciences), una iniziativa che coinvolge la comunità scientifica mondiale e che promuove e coordina le azioni da svolgere nel prossimo decennio. Un gruppo di scienziati, ingegneri e drillers di 22 nazioni (Australia, Belgio, Brasile, Canada, Cile, Cina, Corea, Danimarca, Estonia, Francia, Germania, Giappone, India, Italia, Olanda, Norvegia, Nuova Zelanda, Russia, Svezia, Svizzera, Regno Unito, USA) ha individuato alcune linee prioritarie di attività. Per l’Antartide, le attività riguardano la realizzazione di una rete di perforazioni superficiali ad alta risoluzione temporale per investigare gli ultimi due millenni, lo studio di dettaglio degli ultimi 40.000 anni anche attraverso nuove perforazioni, e infine la realizzazione di una perforazione profonda che estenda le conoscenze sul clima e sulla composizione dell’atmosfera a circa 1,5 milioni di anni fa.

Con queste attività avete ottenuto diversi riconoscimenti internazionali e recentemente siete stati premiati da “E2 – Eccellenze Enea 2008”, la manifestazione promossa dall’ENEA per premiare i risultati più significativi della ricerca svolta nell’Ente. Questi riconoscimenti vi hanno colto di sorpresa?
L’eccellenza scientifica degli studi sulle carote di ghiaccio era stata già riconosciuta dal prestigioso Premio Cartesio 2007 da parte della Commissione Europea al Progetto “EPICA” (European Project for Ice Coring in Antarctica) per studi sull’evoluzione del clima degli ultimi 820.000 anni attraverso la perforazione del ghiaccio. Il Premio Cartesio dell’UE (European Science Awards, Descartes Prize for Collaborative, Transnational Research), varato nel 2000, è un riconoscimento per importanti ricerche svolte in campo scientifico e tecnologico grazie a collaborazioni e partnership in tutta Europa.
La partecipazione italiana agli studi sulle carote di ghiaccio coinvolge più di 50 ricercatori appartenenti ad enti di ricerca (ENEA, INGV) ed università (Milano, Firenze, Venezia, Trieste e Parma). Le attività di perforazione e di sviluppo dei sistemi di perforazione sono condotte da una decina di tecnologi del Centro ENEA Brasimone.

Parliamo dei progetti  di perforazioni del PNRA: abbiamo EPICA…
EPICA è un progetto ambizioso di perforazione e di ricerche paleo climatiche, nato sotto l’egida dell’European Science Foundation. Vi partecipano dieci paesi  europei (Belgio, Danimarca, Francia, Germania, Italia, Olanda, Norvegia, Svezia, Svizzera, Regno Unito) con finanziamenti nazionali (nel caso dell’Italia, il Programma Nazionale di Ricerche in Antartide) e della Comunità Europea.
Lo scopo dell’iniziativa era quello di recuperare e studiare due carote di ghiaccio profonde nella calotta antartica, la prima a Dome C, presso la stazione italo-francese di Concordia, nel settore della calotta rivolto verso l’Oceano Pacifico/Indiano, la seconda a Dronning Maud Land (presso la Stazione tedesca di Kohnen), nel settore della calotta rivolto verso l’Oceano Atlantico.
La perforazione nel sito di Dome C, iniziata nel dicembre 1996, è terminata nel dicembre 2004 con un ruolo logistico e scientifico preponderante di Italia e Francia. Alla profondità di 3.270 metri  è stato raccolto il ghiaccio più antico mai recuperato prima. La sua analisi ha consentito di ricostruire la storia climatica della Terra negli ultimi 820.000 anni. Il carotaggio è stato possibile grazie all’impiego di tecnologie altamente specializzate. In particolare, i tecnici del Centro Brasimone dell’ENEA hanno sviluppato e realizzato la componente elettronica di comando e controllo del sistema di perforazione, che ha permesso di raggiungere gli strati di ghiaccio prossimi al substrato roccioso. I risultati scientifici della perforazione sono stati in parte già pubblicati (oltre 200 lavori) su prestigiose riviste internazionali ed hanno costituito un progresso molto significativo nello studio delle variazioni climatiche nel passato, raddoppiando l’intervallo di tempo esplorato rispetto alle conoscenze precedenti.

…ITASE…
Il Progetto ITASE (International Trans-Antarctic Scientific Expedition) ha lo scopo di raccogliere e interpretare informazioni climatico-ambientali nelle aree più remote e sconosciute della Calotta Antartica, attraverso lo sforzo coordinato di numerosi programmi di ricerca nazionali e multinazionali. L’obiettivo principale del progetto ITASE è di determinare la variabilità spaziale del clima in Antartide (precipitazione nevosa, temperatura dell’aria, circolazione atmosferica, contenuto in aerosol ecc.) negli ultimi 200 anni e, ove possibile, negli ultimi 1000 anni.
Le informazioni scientifiche raccolte sono essenziali per interpretare i dati derivanti dalle perforazioni profonde (ad esempio EPICA), per monitorare le condizioni climatiche e la composizione dell’atmosfera nelle aree più remote del continente, per valutare l’attuale contributo della Calotta Antartica alle variazioni del livello del mare e per interpretare i dati telerilevati da satellite.
Al programma ITASE partecipano, oltre all’Italia, 20 nazioni (Argentina, Australia, Belgio, Brasile, Canada, Cile, Cina, Corea, Danimarca, Francia, Germania, Giappone, India, Olanda, Norvegia, Nuova Zelanda, Russia, Svezia, Regno Unito, USA). Il Progetto ha raccolto finora più di 20.000 km di stratigrafie della superficie nevosa (snow radar); ha perforato più di 240 carote di neve e ghiaccio (per un totale di oltre 7.000 m); ha esplorato parte delle aree più remote dell’interno raggiungendo la culminazione della Calotta Orientale a più di 4.000 m di quota; ha effettuato campionamenti d’aria fino a quote superiori a 20.000 m. Le attività italiane sono state coordinate dall’ENEA ed hanno contribuito in maniera significativa (circa 40 %) al progetto ITASE. L’area indagata dal PNRA è di circa un milione di km2, circa tre volte la superficie dell’Italia.

…e TALDICE
TALos Dome ICE core project è il Progetto di perforazione europeo (Italia, Francia, Germania, Gran Bretagna, Svizzera) coordinato dall’ENEA, ed è parte integrante di IPICS relativamente alla linea sullo studio degli ultimi 40.000 anni (40,000 year network: a bipolar record of climate forcing and response).
Il progetto prevede la perforazione e lo studio di una carota profonda nel duomo costiero di Talos Dome, Terra Vittoria settentrionale. La perforazione del ghiaccio ha raggiunto nel dicembre 2007 la profondità di 1.620 metri. L’età del ghiaccio raggiunto è stimata di oltre 300.000 anni. I carotaggi profondi della calotta antartica che hanno raggiunto con successo queste profondità e questa età sono solo 5 (oltre a Talos Dome si annoverano EPICA-Dome C 820.000 anni, Dome Fuji 720.000 anni, Vostok 440.000 anni, EPICA DML 250.000 anni). Le analisi in corso consentiranno di ottenere informazioni a risoluzione temporale decennale delle variazioni climatiche ed ambientali avvenute nel settore prospiciente il Mare di Ross negli ultimi 40.000 anni e a bassa risoluzione fra 40.000 e 160.000 anni fa.

Perchè si studiano le carote di ghiaccio?
Perchè conservano al loro interno le originali caratteristiche chimiche ed isotopiche acquisite dalla neve nell’atmosfera, all’atto della condensazione e precipitazione, le quali rimangono in larga misura inalterate nel ghiaccio. Questo è possibile perché nelle aree interne della Groenlandia e dell’Antartide, ove la temperatura è sempre nettamente inferiore allo zero e non ha luogo fusione superficiale, la neve accumulatisi anno dopo anno forma una successione stratigrafica regolare e continua di nevicate sovrapposte. Processi fisici di compattazione sotto il carico crescente di neve portano alla graduale riduzione dei vuoti e la neve si trasforma lentamente in nevato e successivamente in ghiaccio. Nella transizione da nevato a ghiaccio ha luogo l’occlusione dei pori e quindi l’intrappolamento di minuscole bolle d’aria che rappresentano quindi campioni di atmosfera del passato.
 
Cosa ci raccontano?
Che si sono succeduti nove principali cicli glaciali/interglaciali. Mediante analisi chimiche, isotopiche e fisiche del ghiaccio, delle polveri e dei gas in essi contenuti è possibile ricostruire con estremo dettaglio le temperature, le precipitazioni nevose, ed il volume dei ghiacci sui continenti, la composizione dell’atmosfera del passato (anidride carbonica, metano ed altri gas ad effetto serra), l’andamento delle masse d’aria e quindi la paleocircolazione atmosferica, la frequenza delle eruzioni vulcaniche e l’inquinamento atmosferico prodotto dalle attività umane.
È da notare che nessun altro archivio paleoclimatico è in grado di fornire negli stessi campioni informazioni su così tante variabili ambientali e climatiche e, simultaneamente, anche sugli agenti forzanti. L’esame delle registrazioni climatiche nel ghiaccio dell’Antartide, assieme a quelle dei siti in Groenlandia, ha contribuito anche a chiarire numerosi punti sul funzionamento del sistema climatico terrestre, sul ruolo delle varie componenti e sulla natura ed entità dei cambiamenti in atto.
L’attività vulcanica esplosiva è studiata da ENEA, che è anche principal investigator nelle attività che riguardano le particelle di origine vulcanica prodotte in occasione di grandi eruzioni. Da questi studi non sembra che l’attività vulcanica abbia avuto effetti sul clima, salvo quelli già noti e di breve durata (pochi anni). Gli aerosol vulcanici sono in grado di viaggiare per lunghissime distanze dal punto di emissione lasciando traccia sulle calotte polari. Picchi di acidità e polveri vulcaniche riconoscibili nel ghiaccio sono correlati a forti eruzioni e permettono di ricostruire la storia vulcanica esplosiva, di datare le sequenze climatiche e di collegarle precisamente le une alle altre.

E’ vero che ci aiutano a rintracciare antichi eventi vulcanici e meteoritici?
Sì, il ghiaccio dell’Antartide rappresenta un’eccezionale miniera di informazioni per gli scienziati del clima, e non solo. Nella carota di EPICA-Dome C abbiamo riconosciuto alcuni strati di cenere vulcanica relativi a potenti eruzioni esplosive avvenute nell’emisfero meridionale. Con il nostro studio sul particolato vulcanico, abbiamo fornito informazioni sulle traiettorie delle masse d’aria e contribuito a perfezionare la datazione della serie paleoclimatica. Recentemente, gli studi dell’ENEA sulle polveri nel ghiaccio antartico hanno permesso di scoprire due livelli di detrito di origine extraterrestre depositatisi 481.000 e 434.000 anni fa. Si tratta di un ritrovamento rilevante, dal momento che le ricerche finora pubblicate avevano riguardato esclusivamente micrometeoriti disperse negli strati nevosi superficiali e legate al flusso cosmico continuo.
Per la prima volta sono stati identificati nel ghiaccio antico eventi extraterrestri ben datati, dei quali non si aveva notizia. Ciò concorre significativamente a ricostruire l’inventario degli episodi cosmici che hanno interessato l’emisfero australe. Peraltro, la presenza degli stessi livelli a 2000 km di distanza dal sito di Dome C, recentemente divulgata dai ricercatori giapponesi, conferma che si è trattato di due eventi con notevole diffusione areale e quindi di portata continentale. Il materiale cosmico rinvenuto nella carota di EPICA è ancora oggetto di studio e confronto con quello recuperato negli strati nevosi superficiali del sito di Concordia, ove è in corso uno specifico progetto scientifico.

Che cosa ci aspettiamo?
Informazioni sulla formazione ed evoluzione del sistema solare. Infine, dal punto di vista cronostratigrafico, i due livelli di micrometeoriti di Dome C rappresentano importanti orizzonti isocroni per il collegamento con altre sequenze climatiche dell’area antartica e la loro datazione.

Si può affermare che ...
Il pianeta non è prossimo ad una glaciazione e che anzi l’attuale periodo interglaciale potrebbe continuare per almeno altri 15.000 anni in assenza del forzante climatico antropico. Il clima può variare repentinamente. È come se, nel sistema climatico, agisse un’altalena polare, per la quale quando l’emisfero meridionale si raffredda, quello settentrionale si riscalda e viceversa, grazie ad un meccanismo di trasferimento del calore tramite le correnti oceaniche, da un emisfero all’altro. Secondo alcuni ricercatori, questo meccanismo che ha agito nel passato potrebbe rinnovarsi nel prossimo futuro, in conseguenza dei cambiamenti climatici previsti in uno scenario di ulteriore riscaldamento climatico, prodotto dalla continua e crescente immissione di gas serra.

Cosa chiediamo ancora di svelare al continente antartico?
Alcune importanti questioni, per esempio i meccanismi di distribuzione del calore sul nostro pianeta, le relazioni di fase dei cambiamenti tra i vari settori del globo, il ruolo accoppiato dell’atmosfera e degli oceani e quello degli aerosol continentali nel controllo dei cambiamenti climatici, il contributo delle calotte all’innalzamento del livello del mare, non sono ancora adeguatamente compresi e potrebbero trovare risposta in ulteriori studi dei ghiacci polari.
A proposito dei nuovi programmi internazionali di ricerca in Antartide, va sottolineato che a causa della mancanza di pianificazione pluriennale e della drastica riduzione dei finanziamenti negli ultimi tre anni, l’Italia sta perdendo quel ruolo di primo piano che aveva faticosamente raggiunto nella comunità scientifica internazionale.
La ricerca italiana è praticamente assente dalle prossime sfide relative alle perforazioni in ghiaccio. Competenze scientifiche di eccellenza si stanno perdendo e non saranno facilmente rinnovabili: un patrimonio di conoscenze, di giovani ricercatori ed infrastrutture faticosamente costruito nell’arco di 20 anni rischia di andare definitivamente perduto.
E’ oramai indispensabile che si intervenga con urgenza e determinazione attraverso la riorganizzazione delle ricerche nelle aree polari, l’individuazione e la pianificazione di finanziamenti adeguati al ruolo del nostro Paese e ai nuovi programmi di studio delle aree polari, le più sensibili al cambiamento climatico e già soggette a radicali modificazioni ambientali.

 

Foto di gruppo del termine della perforazione EPICA a Dome C (foto archivio PNRA)

Foto di gruppo del termine della perforazione EPICA a Dome C (foto archivio PNRA)

Foto di gruppo della perforazione TALDICE (foto archivio PNRA)

 

Foto di gruppo della perforazione TALDICE (foto archivio PNRA)

La trincea di perforazione del Progetto TALDICE (foto archivio PNRA)

La macchina di perforazione EPICA (foto G. Dargaud)

 

La macchina di perforazione EPICA(foto archivio PNRA)

La macchina di perforazione TALDICE (foto archivio PNRA)

La macchina di perforazione TALDICE (foto archivio PNRA)

Disegno carotiere IDRA

Cpu electronic module della macchina di perforazione

Strato di micrometeoriti nella carota di ghiaccio di EPICA-Dome C (foto archivio PNRA), depostosi circa 481.000 anni fa in occasione di un evento extraterrestre. In basso, alcune particelle cosmiche al microscopio elettronico.

Logo TALDICE 2007-2008

 

Curiosità

La carota più lunga è di 3.650 metri ed è stata estratta presso la stazione russa di Vostok,  in Antartide. Tale sequenza ha rappresentato per alcuni anni la documentazione più lunga e  di riferimento della composizione dell’atmosfera del passato. Gli studi, pubblicati dalla fine  degli anni 90,  indicano che essa comprende 4 cicli climatici glaciali/ interglaciali, pari a  circa 440.000  anni.

Per essere trasportate sono state utilizzate navi frigorifere dalla Nuova Zelanda fino in  Europa.

Sono ora conservate in un magazzino di gelati.

Ogni 100 m di carota occupa 8 m3  di spazio

 

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