Il paradosso "del Sole debole" e la Terra delle origini: i gas-serra spiegano perchè il nostro pianeta non era ghiacciato

Una stella come il Sole aumenta progressivamente la sua radiazione con il tempo. Questo fatto apparentemente contrasta con la storia terrestre, che parla di oceani liquidi anche in tempi lontani in cui con la atmosfera attuale la Terra sarebbe rimasta una sfera ghiacciata o poco di più. La soluzione sta nelle condizioni diverse del nostro pianeta durante l’Archeano, in particolare della sua atmosfera. Ma le ipotesi di una pressione molto maggiore di quella odierna sono state smentite da studi recenti. Quindi la partita si gioca tutta sulle possibilità della Terra di allora di assorbire più calore rispetto ad oggi e sulla presenza in quantità molto maggiori di gas serra come metano e CO2 rispetto a quelle attuali.

LA TERRA DELL'ARCHEANO: OCEANI LIQUIDI CON UN SOLE DEBOLE. La storia antica della Terra presenta un problema non di poco conto: come fa vedere il grafico qui accanto, con l’atmosfera attuale e una irradiazione solare più debole il pianeta sarebbe stato irrimediabilmente coperto dal ghiaccio fino a circa 1 miliardo e mezzo di anni fa. Invece la vita era già presente almeno 3.8 miliardi di anni fa, quindi oltre 2 miliardi di anni prima e sicuramente esistevano oceani liquidi.

È il cosiddetto “paradosso del Sole debole”: Sagan e Mullen nel 1972 dimostrarono che il Sole sta aumentando la sua potenza irradiativa perché nel suo nucleo aumenta la densità a cusa della fusione degli atomi di idrogeno per produrre atomi di elio [1].

Come se ne esce?

Le soluzioni sono due:

• una albedo minore, cioè la capacità della Terra di assorbire il calore solare maggiore di quella odierna
• una maggior percentuale di gas - serra nell’atmosfera

Per quanto riguarda la questione albedo Minik T. Rosing insieme ad altri autori ha proposto nel 2010 due condizioni importanti che potrebbero aver fatto sì che la Terra assorbisse più calore di quello che può assorbire adesso [2]:

• i mari assorbono più energia delle terre emerse e a quell’epoca i continenti erano significativamente meno estesi di oggi
• la mancanza di nuclei di condensazione biologici nell’atmosfera, per cui la copertura nuvolosa era minore

La questione dei gas atmosferici è più complessa. Innanzitutto bisogna notare che a partire da 2.5 miliardi di anni fa ci sono stati dei cambiamenti significativi nella loro composizione, modificando totalmente l’ambiente subaereo: l’atmosfera, che fino a quel momento era riducente, si è trasformata in ossidante grazie all’aumento dell’ossigeno. Ci sono ampie prove di questo, in particolare i (pochi) sedimenti di allora ancora visibili, nei quali sono diffusi minerali che non si possono assolutamente formare nelle condizioni subaeree attuali. Prima o poi parlerò su Scienzeedintorni di quello che è conosciuto come il Grande Evento Ossidativo.

Quindi il tutto verte su composizione e pressione dell’atmosfera dell’Archeano, l’eone conclusosi 2 miliardi e mezzo di anni fa con l’inizio dell’eone paleoproterozoico. 

Nell’atmosfera archeana dovevano fare da padrone il CO2 (come su Venere e Marte ancora oggi) e l’azoto. Inoltre, con le condizioni riducenti dell’epoca, poteva essere presente anche il metano, sia pure in piccole quantità (lo abbiamo tuttora nell’atmosfera marziana, dove processi geologici continuano a produrlo). Insomma, prima del grande evento ossidativo l’atmosfera era priva di ossigeno.

Fino a qualche anno fa era opinione diffusa che la pressione fosse a quei tempi molto maggiore di quella odierna e la Terra era più calda di come lo sarebbe stata con l’atmosfera attuale erano concentrate sulla presenza di gas serra in forte quantità come il metano [3] o di CO2 e di una pressione che soltanto per l’Azoto era tra una volta e mezzo e due volte e mezzo superiore a quella attuale: ne sarebbe risultato un aumento medio rispetto alle temperature ottenibili con l’atmosfera odierna di quasi 5 gradi [4]. 

GLI STUDI SULLA PRESSIONE ATMOSFERICA NELL’ARCHEANO. Tutte queste idee si basavano su modelli o intuizioni, però di dati reali sulla pressione atmosferica dell’epoca non ce n’erano. Questi dati hanno finalmente incominciato ad arrivare negli ultimi anni. Il risultato è che l’ipotesi che la Terra dell’archeano avesse una pressione atmosferica molto superiore a quella odierna è sbagliato.

Nel 2012 un gruppo di ricercatori esaminò le impronte di gocce di pioggia nei tufi sudafricani di Ventersdorp, vecchi di 2.7 miliardi di anni. Utilizzarono degli esperimenti su ceneri vulcaniche fresche e alterate simili a quelle sudafricane, facendovi cadere delle gocce di pioggia, dimostrando che la pressione atmosferica sulla superficie terrestre dell’epoca non poteva essere molto più elevata di quella odierna (al massimo il 10% in più): i dati non possono arrivare a delle conclusioni molto precisa ma, insomma, la pressione totale doveva essere compresa fra 0,5 e 1,1 atmosfere, quindi molto al di sotto di quanto ipotizzato fino ad allora [5].

Questo valore è stato confermato l’anno dopo, quando un gruppo internazionale, studiando la composizione isotopica di azoto e argon in 3 quarzi idrotermali di età compresa fra 3 e 3,5 miliardi di anni fa raccolti in Australia, ha mostrato che la pressione parziale dell’azoto non eccedeva gli 1.1 bar ma che addirittura poteva essere non superiore a 0,5 bar, e possedeva una composizione isotopica simile a quella attuale. Quanto al CO2, fu stimato un valore massimo di 0,7 bar. Quindi, evitando di considerare gli apporti minimi di altri gas come l’argon, 3 miliardi di anni fa la pressione atmosferica doveva essere compresa fra 0,5 e 1,2 atmosfere [6].

Microfotografia delle bolle di gas
contenute nei basalti di Boongal, da [7]

Un lavoro appena uscito ha analizzato le bolle di gas contenute nelle lave basaltiche di Boongal, al solito in Australia, nel Pilbara, anche queste vecchie di 2,7 miliardi di anni [7]. I basalti di Boongal, deposti più o meno al livello del mare, sono ben conosciuti ed inquadrati dal punto di vista tettonico.

Soprattutto i ricercatori hanno trovato alcune colate che presentano le condizioni ideali per studiare la paleobarometria attraverso le dimensioni delle bolle, una volta accertato che i vari processi sedimentari e tettonici che queste rocce hanno subìto nella loro storia non le hanno deformate. La dimensione delle bolle: 

• nella parte alta della colata è influenzata dalla sola pressione atmosferica 
• alla base della colata è controllata sia dalla pressione atmosferica che dal peso della lava soprastante 
• è indipendente dal valore assoluto della quantità di gas contenuta nel magma

Così, conoscendo la densità della lava basaltica e il suo spessore, è possibile dedurre la pressione atmosferica se la colata è sottile e se non è stata raggiunta da altre lave prima del suo raffreddamento.

Ebbene, secondo questi risultati, non solo la pressione atmosferica dell’epoca doveva essere inferiore a 1 atmosfera, ma il valore più probabile era intorno a 0,5.

PRESSIONE ATMOSFERICA NELL’ARCHEANO E TEMPERATURE DELLA TERRA. Ma allora come se ne esce?

Direi tutto sommato molto bene: nell’atmosfera attuale la pressione parziale dell’azoto è di circa 0,78 atmosfere, quella dell’ossigeno 0,12. Gas serra come metano e CO2 sono presenti in quantità trascurabili: anzi, il metano teoricamente non può resistere in una atmosfera ossidante come la nostra, mentre la pressione del CO2 è di appena 0.0004 atmosfere.

Quindi con “un pò” di CO2 (anche solo 0,2 atmosfere, che è pur sempre un valore 500 volte superiore all’attuale!!), un pò di metano che all’epoca in una atmosfera riducente poteva tranquillamente persistere,  e considerando la maggiore capacità di assorbimento del calore solare da parte del nostro pianeta, si capisce come mai anche con un Sole molto più debole di quello attuale la Terra è riuscita a mantenere acqua liquida.

C’è anche da notare il rapporto fra le due fasi del Grande Evento Ossidativo e le glaciazioni che vi hanno più o meno corrisposto, segno che l’ossidazione dell’atmosfera ha diminuito l’effetto - serra e questo può essere dovuto sia alle difficoltà che le molecole di metano hanno trovato nella nuova situazione, sia alla diminuzione del CO2 a causa della comparsa delle forme di vita fotosintetiche e di una maggiore alterazione delle rocce continentali. Ma questa è un’altra storia che prima o poi vorrei raccontare.

Comunque, queste osservazioni contengono un monito evidente per l'oggi, perché, guardando la composizione atmosferica, sono l'ennesima dimostrazione dei rischi connessi alle emissioni antropiche di gas - serra; parlando invece della albedo, la perdita di superfici ghiacciate e quindi bianche a favore di acque e terre emerse, decisamente più scure, aumenta l'assorbimento dei raggi solari alle alte latitudini.

[1] Sagan e Mullen (1972). Earth and Mars: Evolution oE Atmospheres and Surface Temperatures. Science 177, 52-56

[2] Rosing et al (2010) No climate paradox under the faint early Sun. Nature 464, 744 - 747

[3] Kasting & Siefert (2002). Life and the evolution of Earth’s atmosphere. Science 296, 1066–1068

[4] Goldblatt et al. (2009). Nitrogen-enhanced greenhouse warming on early Earth. Nature Geosci. 2, 891–896 

[5] Som et al (2012) Air density 2.7 billion years ago limited to less than twice modern levels by fossil raindrop imprints. Nature 484, 359–362 

[6] Marty et al (2013) Nitrogen isotopic composition and density of the Archean atmosphere. Science 342, 101–104

[7] Som et al (2016) Earth’s air pressure 2.7 billion years ago constrained to less than half of modern levels Nat. Geosci. DOI: 10.1038/NGEO2713

Velocità GPS, tettonica e sismicità in Italia: un quadro coerente

Una delle grandi difficoltà della Geologia, almeno agli inizi, è stata quella di immaginare i grandi spostamenti della crosta terrestre, che non sono certo apprezzabili a scala umana. Gli spostamenti delle stazioni GPS costituiscono un metodo molto importante per evidenziare i movimenti attuali e hanno permesso una sostanziale conferma delle ricostruzioni geologiche, fornendo ulteriori precisazioni altrimenti difficilmente immaginabili. È da poco uscita una rivisitazione delle velocità GPS delle stazioni del territorio italiano, nella quale sono stati riesaminati i dati vecchi, sottoposti ad una nuova e più perfezionata ricalibrazione, e ne sono stati sfruttati di nuovi. Questa ricerca ha cambiato un pò le cose e fornisce lo spunto per una serie di considerazioni sulla tettonica attuale e recente dell’Italia.

Se prendiamo la Terra di solo 30 milioni di anni fa l’assetto generale dei continenti è piuttosto simile a quello odierno (anche se le loro posizioni sono leggermente diverse). Fanno eccezione alcune aree, fra le quali quella che ha la palma di essere la più irriconoscibile senza avere degli studi geologici alle spalle è il Mediterraneo occidentale, che da allora ha visto l’apertura dei vari bacini che lo compongono (Alboran, Baleari, Ligure - Provenzale e Tirrenico) e l’assemblaggio con una forte rotazione della penisola italiana. 

Ricostruire la storia dell’area mediterranea da quando iniziò nel Triassico la sua frammentazione in una serie di microplacche comprese tra l’Eurasia e l’Africa sarebbe una impresa molto difficile di suo anche senza questa frammentazione recente e le incertezze pesano anche sulla situazione odierna. Anche per questo è importante ricostruire i movimenti attuali intorno e nel Mediterraneo. 

Un ricevitore GPS su un manufatto
Fonte: INGV

UNA RIVISITAZIONE DEI DATI GPS DISPONIBILI. A questo scopo dei ricercatori del Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze e dell'Istituto Geografico Militare hanno determinato un nuovo campo di velocità GPS sfruttando la discreta mole di dati satellitari sulla posizione di 113 stazioni permanenti nel territorio italiano ottenuti fra il gennaio 2008 e il giugno 2014 [1]. Queste stazioni fanno parte della Rete Dinamica Nazionale (RDN) e appartengono a diversi enti pubblici quali ASI, INGV, catasto, regioni ed enti locali. L'IGM le utilizza per materializzare il sistema di riferimento nazionale.
Sono dunque 6 anni e mezzo di registrazioni continue. Annoto che sono state eliminate le dislocazioni dovute ai principali eventi sismici del periodo, questo perché in questi studi contano i movimenti e non le deformazioni. 

In cosa consiste la novità? Innanzitutto nelle misure GPS di questo tipo va risolto un fondamentale problema di misurazione: le antenne sono molto più grandi delle misure che si vogliono calcolare, che sono dell’ordine del millimetro (e anche meno!); pertanto la misura deve essere necessariamente riferita ad un punto specifico dell’antenna: oggi sono a disposizione delle ricalibrature più accurate di queste posizioni. Inoltre la NASA ha provveduto a ricalcolare anche tutte le orbite dei satelliti dagli anni ‘90 in poi. Il risultato è un quadro delle velocità un pò diverso da quello conosciuto fino ad oggi. 

Bisogna anche notare come tutte le ricerche sulle velocità GPS in Italia fino ad oggi sono state basate su misurazione di postazioni temporanee appositamente realizzate, con acquisizione di dati discontinua; in questo lavoro invece è stata utilizzata una metodologia diversa, attraverso l’utilizzo dei dati di tante stazioni fisse che li acquisicono in continuo (un dato ogni 30 secondi), fornendo una continuità temporale fino ad oggi non ottenibile. 

Iniziamo precisando cosa si intende per “velocità”: le stazioni hanno una velocità assoluta, data dallo spostamento nel reticolo geografico della superficie terrestre, ma ciò che interessa è la differenza nella velocità fra le stazioni, che varia a seconda dello scenario in esame: si definisce quindi la velocità residuale, che è la differenza fra la velocità di una stazione e quella media presa come riferimento. 

Se prendiamo lo scenario di riferimento dell’Europa Stabile (la parte continentale a nord del sistema Alpi - Carpazi e dei Pirenei), la velocità residuale è la differenza fra la velocità della stazione che si sta esaminando e quella della parte stabile del continente europeo (che si sposta mediamente verso NE di 2 cm/anno essenzialmente per l’apertura dell’Oceano Atlantico e del Mediterraneo occidentale e per la rotazione antioraria della penisola italiana). 

Ebbene, le stazioni dell’area mediterranea e, specificamente, dell’Italia mostrano delle velocità residuali rispetto all’Europa Stabile diverse a seconda della zona in cui si trovano, evidenziando la presenza di deformazioni in atto nell’area mediterranea; ma non solo: queste velocità residuali mostrano una grande coerenza, individuando una serie di blocchi caratterizzati da valori abbastanza omogenei, il che a sua volta evidenzia degli spostamenti fra tali blocchi.

Le velocità GPS del territorio italiano rispetto all'Europa Stabile, da [1]

LE VELOCITÀ GPS IN ITALIA. La figura qui sopra riassume il quadro delle velocità residuali rispetto a quella dell’Europa Stabile. È facile notare come l’asse appenninica costituisca un confine netto fra una zona lungo il Tirreno piuttosto stabile nei confronti dell’Europa e un settore orientale che invece presenta una decisa componente verso NE di 3–5 mm/a. Alpi Occidentali, Corsica, Sardegna e lo stesso Mar Tirreno mostrano basse velocità residuali come la fascia tirrenica (l’area coperta dal mare è stata trattata mediante una interpolazione e non con dati diretti). 

Scendendo nella penisola, la situazione rimane simile, anche se le differenze di velocità aumentano progressivamente andando verso sud fino alla Calabria, dove già articoli precedenti suggerivano che lungo quella linea in cui si allineano i terremoti più forti ci fosse un loro forte scollamento, con la parte a Est che si muove verso NE rispetto a quella lungo la costa tirrenica. 

Ma dove le velocità sono più forti è in Sicilia: come la parte antistante del continente africano, l’isola si muove verso NNW a circa 5 mm/anno rispetto all’Europa Stabile, ad eccezione della zona più nordorientale che invece si muove verso NE a circa 3.5 mm/anno come il settore tirrenico calabrese. La separazione è lungo la Linea di Taormina, che dalla cittadina jonica arriva al Golfo di Patti e rappresenta il limite fra Arco Calabro - Peloritano (l’area appenninica a sud del Pollino - quindi il settore calabrese e della parte NE della Sicilia) e la Catena Siculo - Maghrebide. Pertanto la maggior parte della Sicilia e l’insieme Calabria - Sicilia di NE si allontanano fra loro ad oltre 2 millimetri / anno in direzione EW. 

Le velocità GPS con riferimento allo scenario mediterraneo, sempre da [1]
Le frecce indicano il movimento dell'Europa Stabile in questo scenario di riferimento

È stato poi istituito un sistema di riferimento ad hoc (lo “scenario mediterraneo”), che fornisce un risultato più facilmente interpretabile per il territorio italiano: lo vediamo in quest’altra figura. Le frecce nel riquadro in basso rappresentano il movimento relativo dell’Europa Stabile, che rispetto a questo sistema di riferimento si muove verso SW. 

La catena alpina e il blocco sardo - corso si muovono verso sud, mentre buona parte della penisola si muove verso nord. 

Anche in questo caso si conferma che il confine fra i due settori nella parte settentrionale della penisola si colloca all’incirca lungo l’asse attuale della catena appenninica; poi, all’altezza delle Marche, inizia a convergere verso il Tirreno, raggiungendolo più o meno al confine fra Lazio e Campania. 

I MOVIMENTI INTORNO ALL’APPENNINO SETTENTRIONALE. In entrambi gli scenari, dunque, l’asse appenninico si dimostra uno spartiacque fra due settori a comportamento contrastante, segno che il limite di zolla che ha originato la catena è ancora attivo.
 C’è un aspetto apparentemente contraddittorio: il versante tirrenico mostra nello scenario europeo velocità simili a quelle della catena alpina mentre il versante adriatico e la pianura padana orientale hanno una velocità maggiore, pur essendo più vicini all’Europa Stabile. 

L'indentazione della placca adriatica a E delle Alpi

Questa apparente contraddizione riflette uno dei fatti principali della geologia europea, il processo, noto come indentazione della placca adriatica, con cui questa microzolla si incunea nel continente europeo: fatte le debite proporzioni, è più o meno come l’India si incunea nel continente asiatico. I risultati principali di questo sono l’allontanamento del settore carpatico da quello alpino della catena e la sismicità del Friuli (ho parlato specificamente di questa situazione geotettonica in un post dedicato al terremoto del Friuli ). 

Per quanto riguarda lo scenario mediterraneo, anche in questo caso Alpi, Sardegna, Toscana e settore tirrenico seguono più o meno la velocità dell’Europa stabile, mentre al centro della penisola non sfuggirà a chi si occupa di geologia dell’Italia come il limite fra i blocchi a comportamento diverso coincida più o meno con la linea Ancona - Anzio, il lineamento che divide l’Appennino Settentrionale da quello centrale. Un’altra caratteristica tipica intorno a questo lineamento è il comportamento verticale: la parte ad ovest è in deciso sollevamento, quella a est in abbassamento. 

Inoltre è molto probabile che la convergenza fra zolla adriatica e settore toscano della placca europea presenti una forte componente laterale e questo, se avviene da parecchio tempo, spiegherebbe fra l’altro la presenza del nucleo metamorfico apuano e della Toscana meridionale: si tratta di rocce metamorfiche che sono tornate in superficie molto rapidamente dopo il loro metamorfismo ed è un fenomeno che avviene comunemente in caso di forti trascorrenze [2]. 

I MOVIMENTI NELL’ITALIA MERIDIONALE. C’è un accordo sostanziale fra le velocità residuali ricavate in questo articolo e la sismicità dell’Italia meridionale che vediamo in questa carta, da [3]: 

• i terremoti distensivi lungo la costa tirrenica calabrese (in nero)
• le compressioni nella piattaforma continentale settentrionale sicula (in blu)
• le trascorrenze nella Sicilia centrale e un po' più a sud (in rosso)

Inoltre la divergenza della Calabria e della parte nordorientale della Sicilia rispetto al resto dell’isola sta aprendo il Rift siculo - calabrese, la struttura tettonica più attiva dell’area italiana [4]. Il rift è mostrato in quest'altra immagine. È poco visibile perché tranne che nella zona dello Stretto di Messina in realtà è formato da due semi - rift, per cui in Sicilia si vede il semi - rift sudoccidentale, in Calabria quello destro nordorientale. 

La presenza su un lato di questo rift dell’Etna suggerisce che questi movimenti superficiali continuino molto in profondità, causando una decompressione nel mantello e una via preferenziale per la risalita di magmi di origine profonda come quelli etnei.


Sulla origine del rift ci sono poche ipotesi. C’è ad esempio chi parla di rotazioni differenziate fra l’Arco Calabro - Peloritano. 

Mi chiedo se il forte sollevamento della Calabria, ampiamente documentato nel  quaternario dalla posizione dei depositi pliocenici, possa aver rigonfiato la crosta fino a promuovere questa estensione. 

I nuovi dati costringeranno a rivedere un pò lo stato dell’arte della ricerca sulla tettonica dell’Italia e delle aree limitrofe, perchè il ricalcolo delle velocità ha apportato alcune modifiche a quanto si conosceva: in particolare ci sono ben 30° di differenza in senso orario nelle velocità dell’Appennino centrale 

[1] Farolfi & Delventisette (2016). Contemporary crustal velocity field in Alpine Mediterranean area of Italy from new geodetic data GPS Solutions DOI 10.1007/s10291-015-0481-1


[2] Roeske et al (editors) (2007). Exhumation Associated with Continental Strike-Slip Fault Systems. Geological Society of America Special Papers 434 

[3] Palano et al (2012). GPS velocity and strain fields in Sicily and southern Calabria,Italy: Updated geodetic constraints on tectonic block interaction in the central Mediterranean. Journal of Geophysical Research 117 B07401, doi:10.1029/2012JB009254 

[4] Catalano et al (2008). Active faulting and seismicity along the Siculo–Calabrian Rift Zone (Southern Italy) Tectonophysics 453, 177 – 192 

La sottile relazione fra cicli solari, piogge (e frane e alluvioni...) in Italia

Il clima terrestre e le sue variazioni sono governati da una serie di fattori geologici (emissioni dai vulcani, posizione dei continenti e delle catene montuose), atmosferici (quantità di copertura nuvolosa, tenore di gas – serra) e astronomici (parametri orbitali e cicli solari): tutti insieme contribuiscono a stabilire le condizioni climatiche e meteorologiche sulla superficie terrestre. Queste variazioni sono diventate più sensibili da quando, 2 milioni di anni fa, si sono formate le grandi calotte polari permanenti anche nell'emisfero boreale dopo che quella Antartica era già presente da oltre 30 milioni di anni. Nell'emisfero australe la corrente circumpolare blocca gli scambi termici con le latitudini australi più basse, mentre nell’emisfero settentrionale l’Oceano Atlantico disposto nord - sud costituisce invece un ottimo corridoio per gli scambi termici fra le basse e le alte latitudini boreali e il ciclo solare, con le variazioni di intensità della radiazione che comporta, ha un effetto piuttosto importante su questo sistema, regolando persino la quantità delle piogge nel Mediterraneo.  Vediamo come succede, con una postilla su possibili relazioni fra queste grandezze e una estate che stenta a decollare.

LE GRANDEZZE CHE INFLUENZANO LE VARIAZIONI CLIMATICHE PERIODICHE IN EUROPA.

Qualche anno fa scrissi un post sulla Oscillazione Artica, un indice che viene determinato confrontando nell’emisfero boreale la pressione atmosferica delle alte latitudini con quella delle medie e che ha una certa influenza sulle temperature. Non c’è una relazione deterministica fra Oscillazione Artica e temperature, ma in genere quando questa ha un valore alto dalle nostre parti le temperature sono più alte della media e viceversa. Mi ricordo che all’epoca le previsioni della NOAA (quelle attuali sono queste) la davano parecchio in calo: era gennaio e pensai che forse sarebbe venuta una bella ondata di freddo, il che si verificò davvero! Da allora osservo spesso sul sito della NOAA l’andamento di questo indice.

L’Oscillazione Artica è piuttosto irregolare, mentre ci sono altri due indici atmosferici che invece si propongono con una certa regolarità, la AMO (Multidecadal Atlantic Oscillation) e la NAO (North Atlantic Oscillation).

Il fatto curioso è che specialmente la NAO viene governata da fattori astronomici e non solo dalla stagione.

Come è noto la posizione del Sole nel corso dell'anno determina l’avvicendarsi delle stagioni e questo grazie la sua influenza sulla posizione delle figure atmosferiche principali; ad esempio il centro dell'anticiclone delle Azzorre si muove lungo un asse N/S nell'Oceano Atlantico e raggiunge il punto più a nord tra Giugno e Luglio e quello più a sud tra Gennaio e Febbraio, perchè si sposta nel corso dell'anno seguendo con un leggero ritardo la posizione  del Sole allo zenit. Il movimento è provocato dalle differenze stagionali nell'angolo di incidenza dei raggi solari e quindi della posizione dell'area di massimo riscaldamento.

Allo stesso modo ci sono differenze climatiche importanti che dipendono dalle variazioni dell'intensità della energia che arriva sulla Terra dovute ai cicli solari undecennali di attività. Questi cicli furono scoperti all'inizio del XIX secolo dal grande astronomo William Herschel in un modo piuttosto curioso: trovò che le variazioni nel numero di macchie solari erano in sintonia con i prezzi del grano in Gran Bretagna e ciò gli suggerì una relazione fra intensità dell'attività solare e condizioni climatiche. È ormai chiaro che in genere al diminuire della attività solare aumenta a scala globalel a copertira nuvolosa .

L'INFLUENZA DEI CICLI SOLARI SUL CLIMA NELL'ATLANTICO SETTENTRIONALE E IN EUROPA

Il clima europeo è influenzato dalle variazioni della AMO e della NAO. La AMO è un indice ricavato dalle temperature delle acque superficiali dell'Atlantico Settentrionale ed indica il loro scostamento da un valore medio. Si noti che questo valore medio viene raggiunto solo durante le fasi di variazione da una AMO negativa a una AMO positiva e viceversa: in genere l'indice si pone su valori molto più alti o molto più bassi del normale.

La figura 1 mostra l'andamento della AMO dal XX secolo a oggi. Si nota come una fase ad anomalia “calda” è stata presente tra gli anni '30 e gli anni '60 del XX secolo, mentre una fase ad anomalia “fredda” ha caratterizzato il periodo tra la metà degli anni '60 e gli '80.

I fattori che influenzano la AMO sono ancora oggetto di dibattito: apparentemente la lunghezza dei suoi cicli, molto più lunga, è incompatibile con quella dei cicli undecennali solari e viene messa in relazione a variazioni nel sistema delle correnti dell'Atlantico Settentrionale in cui una corrente calda (quella del Golfo) scorre in superficie verso nord e correnti fredde scorrono in profondità verso sud.

Inoltre non ci sono dubbi che sul fatto che le principali eruzioni vulcaniche abbiano un effetto regolatore sulla AMO [1], visto che ce l’hanno a livello globale (ne ho parlato in diversi post - per esempio qui). 

Ma l'indice che più domina ed influenza il clima europeo è la NAO (North Atlantic Oscillation), un coefficiente definito nel 1997 in base alla differenza fra la pressione normalizzata a Gibilterra e a Stykkisholmur in Islanda [2]. La NAO segue un ciclo di durata simile a quello solare, anche se come nel caso dei movimenti annuali dell’anticiclone delle Azzorre, la risposta della NAO ai cicli solari è leggermente sfalsata [3]. 

In buona sostanza, con una NAO positiva si rafforzano sia l'anticiclone delle Azzorre che le depressioni islandesi. Faccio una precisazione: dico “le depressioni” perchè mentre l’anticiclone delle Azzorre è statico ed è sempre lo stesso, nell’Atlantico settentrionale le depressioni si formano di continuo e si muovono più o meno velocemente verso est (o sudest), susseguendosi nel tempo: quindi abbiamo “sempre” UNA depressione dell’Islanda ma non è mai la stessa. 

Una maggiore forza di queste figure atmosferiche è indubbiamente in relazione con la maggiore radiazione solare perchè maggiore è il riscaldamento equatoriale, maggiori sono gli scambi termici con l’Artico e quindi si capisce perchè i massimi della NAO si verificano dopo i massimi solari e i minimi si verificano dopo i minimi solari. Bisogna considerare anche nel bilancio del riscaldamento solare che l’Artico “incassa” meno calore delle medie e basse latitudini sia perchè i raggi solari lo colpiscono con un angolo minore, sia perchè essendo bianca per il ghiaccio, la superficie del mare e delle terre fa rimbalzare via buona parte della (poca) radiazione che lo colpisce. 

Quindi più la NAO è alta, più le perturbazioni stanno verso nord e quindi il clima è più umido e più caldo del normale sul nord Europa e più secco e più fresco nell’area mediterranea. Al contrario una NAO debole porta precipitazioni inferiori alla media e clima più secco nell’Europa Settentrionale, mentre aumenta le piogge in Europa meridionale, ad esempio in pianura padana [4], in Calabria [5] e anche per la penisola iberica, dove è in stretta correlazione con il numero di frane che si verificano in Portogallo in un'area vicino a Lisbona [6]. 

La NAO governa anche lo spessore degli anelli di crescita degli alberi [7] e pertanto proprio studiando la dendrocronologia si possono avere buone indicazioni delle sue alternanze nel passato.

CICLI SOLARI ED EVENTI METEORICI ESTREMI IN ITALIA

Le variazioni di intensità delle precipitazioni ed altre variazioni indotte da AMO e NAO hanno avuto un forte impatto nella vita sociale italiana. Ad esempio il boom dello sci di massa durante gli anni '70, oltre alla pubblicità fornita dalle eccellenti prestazioni di alcuni atleti di nazionalità italiana, è stato favorito da autunni piovosi e freschi promossi dalla fase fredda dettata in quegli anni dalla AMO, grazie ai quali fu ottenuta una copertura nevosa ottimale.

La NAO invece, strettamente dipendente dal ciclo solare, è alla base dell'alternanza fra treni di annate più freschi e piovosi, che si annidano intorno ai minimi in alternanza a treni di annate più calde e meno piovose intorno ai massimi e pertanto si può affermare che i cicli solari governano il tempo in Italia e altrove in Europa.

Come corollario, in un Paese come il nostro, le fasi in cui il valore dell’Oscillazione dell’Atlantico Settentrionale è bassa, corrispondendo a piogge copiose, sono anche quelle durante le quali avviene un maggior numero di eventi alluvionali e franosi [8]. 

La figura 3, di Nicola Casagli, correla i numeri delle vittime di catastrofi idrogeologiche in Italia con i cicli solari. Si può notare che le alluvioni non presentano una distribuzione casuale nel tempo ma tendono a raggrupparsi in cluster temporali, annidati intorno ai minimi. Fra queste catastrofi sono considerati anche eventi fondamentalmente di natura antropica (i disastri delle dighe di Gleno, Vajont e Stava), perchè i problemi sono stati innescati da periodi anomalmente piovosi.

Si può notare anche che la serie di annate piovose si allunga proseguendo nei dintorni del massimo quando questo è debole come nel 1970 e in quello attuale: ed è la debolezza del ciclo solare n.24 ora in atto che ha prolungato il periodo di piogge correlato al minimo del 2008 e la storia italiana è punteggiata da una fitta serie di disastri idrogeologici che hanno investito un po' tutto il Paese.

A me sembra pure di trovare una correlazione fra il tipo di alluvione e la AMO, perchè le modalità di questi disastri negli ultimi anni sono nettamente diverse da quelle di prima; gli eventi tipo quella del Po del 1951 e del 1966 (che non si limitò all’Arno!) hanno riguardato estesi bacini investiti da precipitazioni diffuse e continue, mentre quelle attuali sono il  riusultato di piogge fortissime in un luogo limitato e per un tempo limitato.

Oltre al riscaldamento globale (che ha aumentato a dismisura le temperature delle acque del Mediterraneo, facilitando l’evaporazione) è possibile che le modalità di svolgimento degli eventi degli ultimi anni siano correlate alla presenza di una AMO particolarmente alta, mentre le grandi alluvioni possano coprrispondere a valori della AMO più bassi. 

COROLLARIO SU QUESTI GIORNI. Con questo non voglio entrare nel tema “l’estate sarà calda o fredda”: queste cosiddette previsioni mi lasciano piuttosto perplesso.

Però mi domando se il tempo di questi primi giorni di giugno, contrassegnato da forti pioggie e temperature abbastanza basse rispetto alla media sia una conseguenza della attività solare particolarmente scarsa che stiamo osservando, dato che come si vede in questo grafico della NOAA, anche la NAO è particolarmente bassa

[1] Knudsen et al (2014). Evidence for external forcing of the Atlantic Multidecadal Oscillation since termination of the Little Ice Age. Nature communications DOI: 10.1038/ncomms4323J

[2] Jones et al (1997). Extension to the North Atlantic Oscillation using instrumental pressure observations from Gibraltar and south-west Iceland. Int. J. Climatol., 17, 1433–1450 

[3] Scaife et al (2013). A mechanism for lagged North Atlantic climate response to solar variability. Geophysical Research Letters 40, 434–439

[4] Zanchettin, A. Rubino, P. Traverso and M. Tomasino 1,2 (2008) Impact of variations in solar activity on hydrological decadal patterns in northern Italy. Journal of Geophysical Research, vol. 113, D12102, doi:10.1029/2007JD009157 

[5] Ferrari et al (2013) Influence of the North Atlantic Oscillation on winter rainfall in Calabria (southern Italy) Theor Appl Climatol 114:479–494 DOI 10.1007/s00704-013-0856-6

[6] Zezere et al (2005): Shallow and deep landslides induced by rainfall in the Lisbon region (Portugal): assessment of relationships with the North Atlantic Oscillation. Natural Hazards and Earth System Sciences, 5, 331–344, 2005

[7] Piraino e Roig-Junent (2013) North Atlantic Oscillation influences on radial growth of Pinus pinea on the Italian mid-Tyrrhenian coast. Plant Biosystems http://dx.doi.org/10.1080/11263504.2013.770806

[8] Canuti et al 1985: Correlation between rainfall and landslides, Bulletin International Association Engineering Geology, 32, 49–54

Risolto l'enigma del mancato riscaldamento di una parte delle acque a largo dell'Antartide

Ho spesso parlato del riscaldamento globale, indicando come sarebbe necessario, oltre ad una presa d'atto della situazione da parte di tutti in particolare di chi "non crede" nella cosa..), sarebbe importante rendersi conto che quanto succede oggi sia dovuto sia a cause naturali (essenzialmente astronomiche: orbita terrestre e intensità della radiazione solare) che antropiche (emissioni di gas - serra). È ovviamente un "particolare di non trascurabile importanza" per la elaborazione dei modelli sul futuro. A complicare la modellistica fra i tanti problemi ci sono forti differenze nel comportamento dei due poli:  il riscaldamento dell’Artide è molto elevato, in perfetto accordo con tutti gli episodi di riscaldamento globale a cui abbiamo assistito negli ultimi 60 milioni di anni. Invece in Antartide c’è un’area ben definita lungo il lato meridionale della corrente circumpolare antartica nella quale il rialzo delle temperature procede ad un ritmo estremamente lento. Le motivazioni di tale strano comportamento erano abbastanza oscure (anche se non mancavano le ipotesi!), e come spesso succede, i climascettici hanno preso questi dati come una negazione del global warming (parlando, come sempre accade loro, a sproposito). Un nuovo, interessantissimo, studio pubblicato su Nature Geoscience finalmente ha chiarito perché il riscaldamento dell’area a sud della corrente circumpolare antartica proceda con tale lentezza.

Carta de tasso di aumento delle temperature negli ultimi

50 anni prodotta da K.C.Armour

Questa carta di Kyle C. Armour mostra l’incremento della temperatura della superficie del mare negli ultimi 50 anni, sulla quale si evidenzia un fatto un pò strano: contro una media di incremento delle temperature negli ultimi 50 anni di circa 0.08 °C per decade, in buona parte dei mari antartici i mari si stanno riscaldando poco o punto, con un aumento che  nell’area posta nel lato sud della corrente circumpolare antartica non passa gli 0.02°C per decade. 

Questi dati sono stati utilizzati, come sempre a sproposito, da parte di chi contesta il riscaldamento globale (o quantomeno, che anche l’umanità con le emissioni di gas serra vi contribuisca in modo significativo). E che ci sia qualcosa di strano pare ovvio, visto che questi dati sono in clamorosa controtendenza con quanto succede poco più a nord, sul lato opposto della corrente circumpolare antartica, dove il riscaldamento - al contrario - è stato parecchio violento e come succede nell’Artico, dove le temperature stanno aumentando più che altrove, in perfetta corrispondenza con quanto è successo  durante altri episodi di riscaldamento globale del passato, sia in quello recente dell'ultimo milione di anni [1], che anche al PETM, il massimo termico al passaggio Paleocene - Eocene 55 milioni di anni fa. Quindi è necessario sapere perché succede tutto questo.

LE CORRENTI MARINE NELL'ANTARTIDE. Le prime avvisaglie della calotta polare antartica sono comparse al passaggio Eocene - Oligocene, 34 milioni di anni fa [2]. Il fenomeno è stato causato da diversi fattori, il principale dei quali è stato, ovviamente, l’arrivo dell’Antartide nei dintorni del polo sud (da dove non si è più mossa negli ultimi 30 milioni di anni).

Una seconda causa si deve addebitare alla separazione definitiva dell’Antartide dall’America Meridionale con l’apertura del passaggio di Drake e dall’Australia con il prolungamento verso SE della dorsale sudorientale indiana. A quel punto si è formata la corrente circumpolare antartica che fluisce da ovest a est spinta dai venti continui. Questa corrente blocca gli scambi di calore fra il continente bianco e le medie latitudini meridionali [3].

Intorno all’Antartide abbiamo la circolazione di ribaltamento meridionale (meridional overturning circulation), un sistema che comprende tutte le acque superficiali e profonde delle alte latitudini meridionali e che quindi interessa tutti gli oceani. Trasporta grandi quantità di acqua, calore, sale, composti del carbonio, nutrienti ed altre sostanze, connettendo le acque superficiali e l’atmosfera con le acque profonde.

Un’area cruciale sia per la vita sulla Terra che per il clima e i suoi cambiamenti.

Nell’immagine vediamo la grande circolazione termoalina oceanica globale, da cui si capisce da dove vengano queste acque.

Iniziamo osservando quello che succede nell’Atlantico settentrionale, dove la Corrente del Golfo bagna le coste europee. L’acqua della corrente del Golfo è densa perché salata (ha subìto parecchia evaporazione nel percorso dalla Florida alle Isole Britanniche); in parte prosegue verso nord e in parte si dirige verso le coste americane, davanti alle quali affonda perché è più pesante rispetto alle acque molto meno salate che fluiscono da nord lungo la Groenlandia e il Canada e che si originano dai ghiacciai, tornando in profondità verso sud lungo il continente americano. È la AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation), il ribaltamento verso sud della circolazione dell’Atlantico, di cui ho parlato qui. Il blocco temporaneo della AMOC è all’origine di episodi freddi e secchi che hanno accompagnato tutti gli eventi di deglaciazione, noti come eventi di Heinrich, provocati da un anomalo e massiccio flusso di acque da nord provenienti dallo scioglimento dei ghiacci, tale da bloccare la AMOC e, di conseguenza, la Corrente del Golfo.

Queste acque poi proseguono in profondità lungo tutta la costa atlantica delle Americhe per poi arrivare, finalmente, nell’area antartica.

GLI SCAMBI DI MASSE D'ACQUA E DI CALORE INTORNO ALL'ANTARTIDE. Questo nuovo studio [4] ha usato i dati provenienti dalla flotta di osservazione del progetto Argo e altri strumenti per individuare non solo le temperature, ma le dinamiche con cui il calore viene poi perso.

Fino ad oggi l’idea più ricorrente è stata quella di un rimescolamento fra le acque più calde in superficie e quelle più fredde in basso.

Immagine da [3]:

a. incremento delle temperature

b. cessione e assorbimento di calore

Invece le cose stanno diversamente. Nella immagine qui accanto, con la proiezione polare, sono indicati:

• in alto il tasso di riscaldamento: a nord della corrente circumpolare antartica il valore è molto più alto che a sud 
• in basso gli assorbimenti e le cessioni di calore dell'acqua con l'atmosfera

Confrontando le due carte si vede che, in generale, le regioni che si sono maggiormente scaldate hanno perso il loro calore nell’atmosfera, mentre quelle che si sono riscaldate meno hanno assorbito calore dall’atmosfera (e non dalle acque vicine).

Il succo è questo: i venti di burrasca occidentali che costantemente soffiano intorno all’Antartide spingono verso nord le acque superficiali, per cui in alcune zone provocano una diminuzione della pressione in mare, che consente la risalita di quelle più profonde e avvia la circolazione di ribaltamento meridionale.

Pertanto tornano in superficie le acque che proveniendo dalla Corrente del Golfo, hanno disceso in profondità la costa atlantica del Nuovo Mondo. Il loro cammino è stato particolarmente lungo, centinaia di anni. Sono acque che non hanno risentito del riscaldamento in atto e quindi sono molto più fredde.

In pratica da quelle parti c’è un meccanismo simile a quello di un condizionatore che immette aria fresca in una stanza o, tornando su esempi naturali, quello di un lago,  intorno al quale d’estate fa un pò più fresco.

È solo per questo che l’Antartico non si sta riscaldando come l’Artico e quindi, al contrario di quello che sostengono i negazionisti, siamo davanti ad un altro aspetto che conferma il global warming...

[1] Rial 2012 Sinchronization of polar climate variability over the last ice age: in search of simple rules at the heart of climate's complexity. American Journal of Science 312,417– 448

[2] Scher e Martin (2006) Timing and Climatic Consequences of the Opening of Drake Passage. Science 312,428-430

[3] Katz et al (2011) Impact of Antarctic Circumpolar Current Development on Late Paleogene Ocean Structure. Science 332, 1076 - 1079

[4] Armour et al 2016 Southern Ocean warming delayed by circumpolar upwelling and equatorward transport. Nature Geosciences, DOI: 10.1038/NGEO2731

La frana del Lungarno Torrigiani e il monitoraggio da parte del Dipartimento di Scienze della Terra

Ad evento appena avvenuto ho descritto sommariamente i primi interventi in corso da parte del Dipartimento di Scienze della Terra dell'Università di Firenze per il monitoraggio della frana del lungarno Torrigiani. Oggi, vorrei chiarire un pò la storia di quell'area e descrivere meglio quanto il dipartimento sta facendo per controllare l'evoluzione della situazione.

IL LUNGARNO TORRIGIANI. Come tutti ormai sanno, a Firenze il 25 maggio 2016 alle ore 6.15 il muro d’argine del Lungarno Torrigiani, in riva sinistra fra il ponte alle Grazie e il Ponte Vecchio, è stato interessato da un cedimento su un tratto di circa 200 m. 

Il Lungarno Torrigiani risale alla seconda metà del XIX secolo, quando nell’ambito dei lavori per Firenze Capitale (1865-1871) le due sponde del fiume a monte del Ponte Vecchio vennero sistemate realizzando i lungarni. In riva sinistra si vede bene infatti che il vecchio itinerario di entrata in città dalla porta a San Niccolò passava dalle odierne via di San Niccolò e via dè Bardi, salendo in parte sulla collina proprio per la mancanza di spazio pianeggiante accanto al fiume. 

Questi interventi migliorarono il decoro dell’area, chiudendo per sempre un’epoca di sviluppo disordinato delle sponde del fiume con sbarramenti, tiratoi, pescaie, mulini e gualchiere, più o meno abusivi, dandole, insieme ad un'altra serie di importanti interventi, un respiro più moderno e più adatto ad una capitale europea.

Il muro d’argine del lungarno è fondato su pali in legno. 

I lavori furono coordinati dall’architetto/ingegnere Giuseppe Poggi e fra le opere sussidiarie fu compresa, approfittando della costruzione dei Viali dei Colli e del Piazzale Michelangelo, anche una messa in sicurezza della collina sovrastante alla città, interessata da una storica frana studiata persino da Leonardo da Vinci. In questo quadro il Poggi realizzò un sistema di drenaggio che sfocia in Arno proprio sotto il Lungarno Torrigiani attraverso una galleria di 5 metri.

Al di sopra della galleria del Poggi si trovano una condotta fognaria e diverse tubazioni dell’acquedotto: il lungarno Torrigiani è una zona nevralgica perchè in questo tratto la riva sinistra dell’Arno corre praticamente a ridosso della collina mentre a monte (prima del Ponte a San Niccolò) e dopo il Ponte Vecchio la pianura si allarga: per questo quindi proprio qui troviamo una particolare concentrazione dei sottoservizi che interessano la riva sinistra del fiume.

In questa immagine, che dimostra come l'Arno in questo tratto sia così vicino alla collina, vediamo a destra lo sbocco della galleria di drenaggio delle acque della collina stessa, realizzata dal Poggi.

L'EVENTO. La frana di questi giorni presenta diverse analogie con quella del 1965, che interessò, un pò più a valle e sempre in riva sinistra, un tratto del lungarno Soderini: nell’occasione furono mobilizzati 5000 metri cubi di terra e l’innesco del fenomeno è da addebitarsi a una rottura della tubazione idrica. In quell'evento il muro del lungarno crollò e ci furono una vittima e alcuni feriti.

Nel caso in oggetto si tratta di una frana di sponda, e non di una voragine di sprofondamento, come è stato erroneamente riportato da molte fonti.

A vedere le immagini viene da domandarsi dove fosse andato a finire il materiale mancante. In realtà di materiale mancante ce n'è poco. Infatti:

• il muro si è deformato in avanti per 1180 metri cubi
• il piano stradale è ceduto verso il basso per 1303 metri cubi

La differenza è quindi minima, 123 metri cubi, ed è imputabile a deformazioni sotto la superficie del fiume, compattazione della terra e a un po' di erosione e dilavamento. 

La maggior parte del materiale è stato integralmente trattenuto dal muro d'argine che, spanciando, si è molto deformato, ma per fortuna non è crollato (e in quel caso nessuno avrebbe contestato di essere davanti a una frana...). 

Quanto all'innesco, in fatti del genere è normale che sia colpa dell'acqua. Ma se e quale sia la condotta dell'acquedotto che ha provocato il guaio ci sono indagini in corso delle autorità competenti e non entro nel merito. 

IL SISTEMA DI MONITORAGGIO. Come ho già scritto, fin dalla mattina stessa del dissesto, il Dipartimento di Scienze della Terra dell'Università di Firenze, che è Centro di Competenza della Protezione Civile, ha installato un sistema di monitoraggio delle deformazioni, in continuo e in tempo reale, costituito da: 

• un interferometro radar, che produce mappe di deformazione di tutto lo scenario osservato aggiornate ogni 5 minuti 
• un scanner laser, con cui vengono prodotte a tempi prefissati dei rilievi digitali dell’intero scenario osservato 

Nei giorni successivi il sistema è stato potenziato con altri strumenti che il dipartimento usa normalmente per il monitoraggio delle frane:  

• una stazione totale robotizzata, che rileva ogni 15 minuti la posizione di una serie di prismi posizionati sul muro d’argine e sugli edifici retrostanti  
• una serie di sensori, inclinometri e fessurimetri, posizionati sul muro d’argine e sugli edifici retrostanti. 

Questo sistema opera all'interno di una rete wireless sul modo di quella che ho descritto a proposito della frana di Ricasoli.

in corrispondenza delle fratture perimetrali sul muro d’argine sono stati inoltre impiantati fessurimetri e spie a lettura manuale

INDAGINI GEOFISICHE. Volendo capire bene come sia la situazione sotto il lungarno Torrigiani, sono state avviate anche delle indagini geofisiche per l’esplorazione del sottosuolo. Quindi sono state eseguite delle analisi tomografiche (come in medicina una TAC) usando sia metodi sismici che geoelettrici.

Inoltre è stato usato anche un georadar, un sistema che legge con facilità strutture sepolte, dalle tubazioni di vario tipo ai muri. 

I MOVIMENTI PRECEDENTI ALL'EVENTO. C'è poi un altro aspetto importante: tutte queste indagini servono per capire cosa succede ORA e quindi, come in tutti gli eventi del genere quando giungono inaspettati, in mancanza di segnali di rischio preesistenti (che dovrebbero consigliare un monitoraggio preventivo...) le strumentazioni sono installate dopo il fatto. 

Sarebbe importante, invece, conoscere i prodromi dell’evento, sia dal punto di vista della ricerca scientifica che per le indagini che dovranno stabilire eventuali colpe. In particolare bisognerà in quelche modo stabilire quanto prima e quando sono iniziati i movimenti. 

Ed è possibile farlo, come ho spiegato a proposito del crollo della diga del Fundao in Brasile, grazie alle immagini satellitari ottenute con radar interferometrici, che coprono gli ultimi 25 anni.

Diverse agenzie spaziali dispongono di satelliti che scattano queste immagini, come i Sentinel dell'ESA, l'Agenzia Spaziale Europea, il TERRASAR-X dell’Agenzia Spaziale Tedesca e anche i nostri COSMO SkyMed dell’ASI.

Grazie a queste immagini sarà possibile capire se sul tratto di lungarno crollato fossero già presenti dei fenomeni deformativi prima dell’evento di mercoledì scorso.

Novità sulla datazione di Homo floresensis: non è così recente come veniva ipotizzato

Aveva destato molto clamore la notizia della scoperta dei piccoli uomini che hanno abitato in tempi recenti l'isola di Flores. Anche io mi sono occupato di questa scoperta diverse volte perché è davvero una delle cose più interessanti della paleoantropologia: un essere umano che viveva in un'isola della Piccola Sonda, molto diverso da noi, probabilmente più imparentato con gli erectus (se non con gli habilis...) che con i sapiens e di altezza e cervello ridotti. Addirittura si pensava che questa popolazione fosse esistita fino a 12.000 anni fa. Invece questo ultimo aspetto è stato smentito perchè che la storia sedimentaria della grotta di Liang Bua si è rivelata molto più complessa del previsto e i sedimenti che contengono i resti di Homo floresensis sono molto più antichi di quelli alla stessa altezza da cui erano stati presi i campioni di materiale carbonioso da datare con il C14. Quindi le ultime tracce di questa popolazione risalgono a circa 50.000 anni fa, ma siccome poco dopo la sedimentazione nella grotta si è interrotta per 25.000 anni non si sa effettivamente quando si è estinta, né se esisteva ancora quando i primi sapiens diretti in Australia sono passati da quelle parti.

Negli anni fra il 2001 e il 2004 le campagne di scavo a Liang Bua avevano fornito manufatti e parti scheletriche di Homo floresensis, il piccolo Homo delle piccole isole della Sonda, insieme a ossa di vari animali fra cui reperti attribuiti al genere Stegodon (un proboscidato molto affine ad elefanti attuali e mammut). I reperti furono datati direttamente e attraverso altro materiale trovato vicino, fra 95 e 12 mila anni fa, suggerendo che l'Hobbit (così è stato soprannominato per la sua altezza ridotta) avesse abitato l'isola almeno da circa 100.000 anni fa fino a tempi recentissimi e cioè 12.000 anni fa: ne risulterebbe quindi che in qualche modo avesse convissuto con i moderni sapiens che nell'area sono presenti da almeno 50.000 anni fa [1]. La cosa importante da notare è che la data più recente è stata dedotta dallo studio di sedimenti vicini e non direttamente dallo strato che conteneva i reperti.
Ne ho parlato in diversi post, per esempio qui.
Pochi mesi fa avevo scritto una sintesi che è ancora valida, anche se il passaggio sulla fine degli Hobbit è ovviamente da modificare.

Poco tempo fa è uscito un lavoro che ha pesantemente modificato le idee sulla datazione di quei reperti di Homo floresensis, perché per farlo erano stati utilizzati dei sedimenti considerati della stessa età dei diversi resti di Hobbit, ma che, secondo le ultime ricerche, sono molto più recenti.

Ma da cosa deriva questo sbaglio?

Lo spiega questo disegno (molto) sommario: 

• PRIMO CICLO SEDIMENTARIO: nella grotta si sono formati dei sedimenti tra 120 e 50 mila anni fa nei quali si trovano i reperti di Homo floresensis
• poi per un certo periodo la sedimentazione si è interrotta e i sedimenti sono stati erosi fino a produrre una grande incisione
• SECONDO CICLO SEDIMENTARIO: circa 20.000 anni fa è ricominciata la sedimentazione, colmando l'incisione che si era formata nei 25.000 anni di erosione e nella quale si trovano invece i depositi carboniosi precedentemente considerati coevi dei fossili

Il tutto dovrebbe essere successo a causa di qualcosa che ha modificato la circolazione delle acque nella grotta (nel carsismo queste variazioni possono arrivare all'improvviso), ma data l’intensità degli eventi geologici di quell’area è anche possibile che potrebbe essere dipeso da cause esterne alla dinamica carsica.

I reperti di Homo floresensis e di Stegodon erano contenuti nei sedimenti del primo ciclo sedimentario, una parte dei quali sono stati erosi, mentre le datazioni che avevano fornito le età così recenti erano state effettuate sui sedimenti che hanno riempito successivamente il canale che si era formato a causa della erosione, non riconoscendo quanto era successo. 

I resti di H. floresiensis e dei depositi che li contengono sarebbero dunque databili tra 100 e 60 mila anni fa. Più ampia è invece la datazione dei manufatti, che vanno invece da 190 a 50 mila anni fa (il range maggiore di presenza di strumenti litici è logico: è molto più facile trovare questi che resti scheletrici).

Il disegno dei sedimenti della grotta, da [2] 

con indicati i sedimenti e i reperti. Sulla sinistra in alto sono
segnati i tufi deposti durante il primo ciclo (T1-T5)
I tufi del secondo ciclo, da T6 a T8, colorati in grigio 
e segnalati sulla destra sopra la superficie di erosione, 
stanno più in basso di quelli più vecchi

La nuova campagna di scavi fra il 2007 e il 2014 ha interessato una zona a poco più di 10 metri a sud di quella precedente, fornendo dettagli stratigrafici inaspettati.

È importante notare che i resti ossei si trovano sotto (e quindi sono più antichi di) una sequenza di tufi deposti da alcune delle classiche forti eruzioni vulcaniche che interessano frequentemente l’area (quelli da T1 a T5), alternati a sedimenti normali e che, appunto, questa sequenza è stata in gran parte erosa. Come si vede dalla figura qui sopra, l'incisione del periodo di erosione è stata molto profonda e ne risulta una superficie di erosione molto inclinata, per cui a 10 metri di distanza tra le due zone di scavo le cose cambiano totalmente. Annoto che senza vederla sarebbe stato molto difficile capirne la presenza: le due serie sedimentarie sono molto simili (a dire poco..). 
In particolare, tutte i residui carboniosi che erano stati datati con il metodo del Carbonio-14 derivano dall’ultimo riempimento della grotta e non sono quindi collegabili con i reperti dell’Hobbit, che pur essendo più o meno alla stessa quota, appartengono a sedimenti più antichi. 

Un osso di un uomo di tipo moderno trovato in questi livelli del secondo riempimento ha fornito una età di 7.500 anni che è in accordo con le età dedotta con il C14 dei residui carboniosi che è tra i 9.500 e i 6.400 anni.

Quindi la correlazione fra i sedimenti che contengono i reperti con quelli recenti del riempimento è stata un errore, come dimostra tutta una serie di datazioni radiometriche dei tufi e delle stalattiti della prima fase, che vanno dai 113 ai 40 mila anni fa, effettuate sia con il metodo Uranio / Torio che con il metodo Argon / Argon.

Le datazioni delle ossa di Homo floresensis e Stegodon sono invece state effettuate solo con l’Uranio / Torio. La datazione radiometrica con il metodo Uranio - Torio fornisce buoni risultati nella datazione delle stalattiti recenti ma il suo utilizzo sulle ossa è più complesso: una datazione radiometrica funziona bene quando dall’età che si deve studiare ad oggi il sistema rimane chiuso negli elementi che si considerano e cioè non ci sono stati né ingressi né uscite di atomi di questo elemento. Bene, l’interno delle stalattiti - essendo impermeabile - rimane chiuso per l'uranio ma le ossa no, perché l’acqua bene o male continua a scorrervi e questo vi produce una ritardata e continua diffusione di questo elemento che non è calcolabile. Per questo la loro datazione con l’uranio consente soltanto di definire una età minima del reperto.

Le nuove ricerche forniscono una datazione molto diversa della fine di Homo floresensis. Ma allora, fino a quando è esistita questa popolazione superstite derivante da Homo erectus se non da forme ancora più antiche?

La fine di H. floresiensis dovrebbe essere avvenuta nella fase in cui si deponeva la prima serie sedimentaria della grotta di Liang Bua, in particolare durante la messa in posto dei livelli tufacei e sicuramente non prima del livello T3, in quanto nei sedimenti interposti fra questo e il livello precedente, T2, gli strumenti litici sono per l’80% di tufo silicizzato e al 20% di diaspri, mentre gli Uomini moderni mostrano una preferenza notevole verso i diaspri (che arrivano al 60%). 

Nel periodo in cui si collocano le tracce dell’Hobbit parti dell’Asia sudorientale sono state abitate da Denisovani o da altri ominini e che l’Uomo moderno è arrivato in Australia circa 50.000 anni fa. 

Il livello tufaceo T3 ha giusto quella età e questo suggerisce un rapporto fra l’arrivo dei sapiens e la fine degli hobbit. Ma per adesso non c’è niente che lo possa dimostrare, appunto, se non una contemporaneità più o meno evidente degli avvenimenti: non è dato sapere ancora se il davvero quando si è deposto il livello T3 questa popolazione era già scomparsa o meno: il problema è che poco dopo la deposizione del T3 si interrompe la sedimentazione del primo ciclo nella grotta di Liang Bua e quindi non c’è più la possibilità per oltre 25.000 anni (e cioè fino a 20.000 anni fa circa) di avere dei reperti.

[1] Brumm et al. (2006). Early stone technology on Flores and its implications for Homo floresiensis. Nature 441, 624-628

[2] Sutikna et al (2016). Revised stratigraphy and chronology for Homo floresiensis at Liang Bua in Indonesia. Nature, 532, 366-368