Gli effetti sul clima delle maggiori eruzioni vulcaniche e la crisi degli anni dopo il 535 d.C.

Le eruzioni vulcaniche più importanti immettono nella stratosfera un grande quantitativo di aerosol di zolfo e di polveri, che schermando la radiazione solare provocano, rispetto a quello indotto delle variazioni periodiche del ciclo solare, un impatto sul clima molto marcato e improvviso: un raffreddamento sensibile che dura al massimo di 2 o 3 anni tranne in casi davvero eccezionali. In questo post ho raccontato come e perchè ho acquistato su una bancherella "Catastrofe" di David Keys. Il libro è stata la prima occasione per me di sentire parlare degli oscuri eventi del decennio 535 - 545 d.C., anche se Keys ha sbagliato clamorosamente il vulcano colpevole, successivamente identificato con l'Ilopango. Ritorno sulla questione perchè un nuovo, ottimo, lavoro pubblicato su Nature ha tracciato l'influenza sul clima delle più importanti eruzioni vulcaniche degli ultimi 2500 anni e ha definitivamente imposto questo aspetto all'attenzione degli storici, categoria in genere molto sensibile a battaglie e rivolgimenti politici, ma refrattaria alla Scienza e a collegare eventi naturali alla storia, come se l'Umanità vivesse in modo avulso da ciò che la circonda. Questo lavoro addita sempre l'ilopango fra i colpevoli di quella crisi, ma suggerisce che la sua eruzione sia avvenuta nel 540, complicando quindi la già tragica situazione innescata nel 535 per il quale si indica un vulcano in Nordamerica, ma è ancora da appurare quale.

Le variazioni del clima terrestre sono governate da una serie di fattori: 
1. fattori geologici (emissioni dai vulcani, posizione dei continenti e delle catene montuose)
2. fattori atmosferici (quantità di copertura nuvolosa, tenore di gas – serra)
3. fattori astronomici (parametri orbitali e cicli solari). Negli ultimi 2 milioni di anni queste variazioni sono diventate più sensibili a causa della formazione di grandi calotte polari permanenti anche nell'emisfero boreale (in Antartide erano già presenti da oltre 30 milioni di anni). 

Lo spostamento lungo un asse N/S del centro dell'anticiclone delle Azzorre cambia il clima intorno all'Atlantico centrale e settentrionale lungo l'arco dell'anno: raggiunge il punto più a nord tra Giugno e Luglio e quello più a sud tra Gennaio e Febbraio, seguendo con un leggero ritardo il parallelo in cui il Sole si trova allo zenit; questo movimento è provocato dalle differenze stagionali nell'angolo di incidenza dei raggi solari e quindi della posizione dell'area di massimo riscaldamento. Ed è la dimostrazione di come variazioni anche minime dell'insolazione possano provocare dei cambiamenti importanti; 

Il clima in Europa è governato dalla NAO (North Atlantic Oscillation), un coefficiente definito nel 1997 in base alla differenza fra la pressione normalizzata a Gibilterra e a Stykkisholmur in Islanda (1). La NAO influenza la quantità di piogge in Europa meridionale dalla penisola iberica all'Italia e anche lo spessore degli anelli di crescita degli alberi e pertanto proprio studiando la dendrocronologia si possono avere buone indicazioni delle alternanze climatiche del passato. È stato dimostrato che la NAO segue un ciclo di durata simile a quello solare, anche se probabilmente è leggermente sfalsato (2). La quantità di pioggie in europa meridionale ' quindi collegata all'intensità della radiazione solare e quando questa è meno elevata in genere le temperature sono più basse  e le precipitazioni maggiori

ALLA RICERCA DI CONNESSIONI FRA ERUZIONI MAGGIORI E CLIMA

Le variazioni dell'intensità della radiazione solare nel corso del ciclo annuale dovuto alla rotazione della Terra e in quello undecennale del Sole, sono fondamentali per determinare il clima del nostro pianeta. Però i vulcani sono un importante driver climatico perché con le loro polveri schermano i raggi solari e quindi determinano una diminuzione della forza della radiazione. Lo dimostra un interessante lavoro appena pubblicato on line su Nature e di cui si è fatto un gran parlare in questi giorni (3). Sono state esaminate alcune carote di ghiaccio di Groenlandia e Antartide, in particolare il contenuto nel ghiaccio di composti provenienti da eruzioni vulcaniche (ossidi di zolfo e polveri)  e le temperature ricavate dal rapporti fra gli isotopi 16 e 18 dell'ossigeno. Questi dati sono stati incrociati con l'andamento della crescita annuale degli anelli degli alberi, che dipende essenzialmente dalla temperatura estiva: più è alta più crescono.

Questo lavoro ha sfruttato dati nuovi (e soprattutto più precisi). Infatti fino ad oggi c'è un certo scarto fra la tempistica fornita dalle carote di ghiaccio e quella della dendrocronologia. In particolare la discrepanza media era di 7 anni per il primo millennio, ma le cose andavano a posto per le eruzioni avvenute dopo il 1250: era quindi probabile un errore nella datazione dei ghiacci.

È stata quindi effettuata una nuova calibrazione delle carote di ghiaccio sfruttando come marker due annate in cui c'è stato, per motivi ancora non chiari, un forte aumento del carbonio 14 e del berillio 10, il 775 e il 994 d.C., che ha consentito di ottenere una buona sincronia fra carote di ghiaccio e anelli di crescita degli alberi per gli ultimi 2500 anni.

La ricerca ha trovato ben 283 eventi eruttivi dal 500 a.C. e ne ha localizzati 81 nella fascia equatoriale, 140 nell'emisfero settentrionale e 62 in quello meridionale. Sono distinti in base a dove è registrata la presenza di zolfo: se la troviamo sia in Groenlandia che in Antartide l'eruzione è attribuita alla fascia tropicale, se la troviamo solo in Groenlandia l'eruzione viene indicata come avvenuta nell'emisfero settentrionale e se la troviamo solo in Antartide l'eruzione viene indicata nell'emisfero meridionale.

Da notare che le 81 eruzioni equatoriali pur essendo appena un terzo degli eventi rappresentano ben il 60% della forzatura che i vulcani hanno totalmente esercitato sul clima. Ben 5 eruzioni hanno spedito nella stratosfera più composti dello zolfo rispetto all'eruzione del Tambora del 1815, nel 426 e 44 a.C. , nel 535, 1257 e 1458 d.C.. La maggiore importanza della forzatura quando le esplosioni sono localizzate nella fascia equatoriale è spiegabile con la circolazione atmosferica: nelle zone tropicali l'aria risale verso la stratosfera, da cui discende nelle zone polari, per cui polveri ed aerosol si disperdono nella stratosfera meglio dove l'aria tende a risalire.  Almeno due degli eventi centrati nell'emisfero settentrionale sono sicuramente attribuibili ad eruzioni lineari di vulcani islandesi, il Laki nel 1783 e l'Eldgjá intorno al 940 d.C..

Il ruolo delle polveri e degli aerosol stratosferici nella schermatura dei raggi solari è stato determinante perché ha innescato delle serie di estati fresche (2 o 3 ma talvolta anche di più) a seguito delle maggiori eruzioni. Un altro aspetto interessante è che le 15 estati più fredde degli ultimi 2500 anni (cioè quelle che corrispondono ai minimi nella cresciuta degli anelli degli alberi) si collocano appena dopo la comparsa dei segnali di una grande eruzione. Le vediamo in questa tabella. 
In particolare le 4 più fredde sono state quelle del 43 a.C, 536, 543 e 627 d.C.. Lo stesso vale per le decadi: tutte le 15 più fredde sono al seguito di un evento importante registrato (notiamo che le tre del VI e VII secolo sono avvenute durante un periodo più freddo di suo). 

C'è poi un secondo effetto apparentemente contrastante: il riscaldamento della stratosfera ai tropici perché in quelle zone gli aerosol catturano il calore (e infatti è noto che l'SO2 nella bassa atmosfera si comporti da gas – serra), per cui dopo il raffreddamento anomalo abbiamo un riscaldamento altrettanto anomalo. Lo scrivono su Nature Communications altri ricercatori (4): all'inizio è vincente la schermatura della radiazione solare ad opera di polveri e aerosol di zolfo. Ma gli aerosol di zolfo ne fanno un'altra quando rimangono da soli perché le polveri sono precipitate in basso: si comportano da gas – serra, specialmente sopra alla fascia tropicale. Per cui aumenta la temperatura e si rafforza il vortice nell'Atlantico settentrionale con cui la Corrente del Golfo inverte il cammino e si dirige verso sud. 

Questo riscaldamento susseguente al raffreddamento è il secondo effetto delle eruzioni vulcaniche maggiori.

I VULCANI COME AUTORI DELLA CRISI INIZIATA NEL 535 d.C. 

In testa alla classifica ci sono gli anni tra il 536 e il 545 e non vi è dubbio che si stato il decennio peggiore degli ultimi 2500 anni: il clima particolarmente ostile e la estrema riduzione di temperature e crescita degli alberi sono una micidiale coincidenza di ben 3 grandi episodi vulcanici in pochi anni e della fase fresca e piovosa in corso, posta fra l'optimum climatico romano e il periodo caldo medievale. La prima è avvenuta tra la fine del 535 e l'inizio del 536, nell'emisfero settentrionale; in particolare la geochimica delle polveri indica come probabile origine un vulcano dell'America Settentrionale. Le osservazioni storiche in Europa e Cina parlano di 18 mesi di Sole oscurato dal marzo del 536 all'agosto del 537; l'estate fu freddissima, circa 2 gradi sotto la media (già non esaltante) dei 30 anni precedenti. Il secondo evento si colloca tra il 539 e il 540, ed è classificato come tropicale perché è presente sia nei ghiacci del polo nord che in quelli del polo sud; le temperature estive scesero di nuovo ai valori del 536 e rimasero comunque fredde fino al 550, complici sia un terzo evento nel 544 sia le condizioni climatiche di quei secoli, simili a quelle della piccola era glaciale.

Per l'evento del 535 il più grande il maggiore indagato oggi è l'Ilopango, un vulcano ad el Salvador (ne avevo parlato un annetto fa), anche se gli autori di questo lavoro preferiscono legare l'eruzione salvadoregna all'evento del 540, attribuendo quello del 535 ad un vulcano nordamericano. Però ancora quale sia questo vulcano non è dato sapere.

Quindi abbiamo la conferma del ruolo fondamentale di alcune forti eruzioni vulcaniche del VI secolo d.C. negli accadimenti politici e sociali (pestilenza inclusa) che hanno contribuito alla forte decadenza della civiltà in Europa (e dell'impero bizantino) avvenuta in quel periodo. 

TRE CONSIDERAZIONI FINALI

1. ho detto “eruzioni” e non “esplosioni” perché almeno due degli eventi considerati da Sigl e compagni sono le grandi eruzioni islandesi del X secolo e del 1783, nelle quali non ci fu una esplosione, ma una immensa produzione di lave basaltiche (oltre 15 km cubi in pochi mesi) 

2. La cosa importante – che qualcuno comunque non capirà – è che le eruzioni vulcaniche più forti hanno un forte potere di condizionare il clima e anche la civiltà umana, ma limitatamente agli anni immediatamente successivi al fenomeno (e più eruzioni importanti in rapida successione sono capaci di fare davvero grossi danni, come dimostrano gli anni tra il 535 e il 550): le eruzioni non sono la causa dell'alternanza di periodi caldi e freddi a larga scala, che sono dovuti a variazioni pluricentennali dell'attività solare. Cioè, non sono state loro ad aver innescato il periodo fresco del basso medioevo né la piccola era glaciale, anche se molto probabilmente le temperature più basse e la maggiore umidità di questi periodi hanno provocato delle conseguenze maggiori: le variazioni oloceniche in cui si alternano periodi più caldi e periodi più freschi con cadenza pluricentenaria sono dovute a pulsazioni dell'attività solare. 

3. il fenomeno del 535, almeno nel Mediterraneo, era noto perché ben descritto nei testi originali di Autori bizantini, ma gli storici, troppo dediti a battaglie ed evoluzione politica, hanno sempre fatto finta di nulla oppure è mancata loro la capacità di collegare gli eventi umani a quelli naturali. Ritengo la cosa estremamente grave e sintomo di una certa limitatezza culturale, ma spesso per i letterati (e specialmente per gli storici) la Scienza e la tecnologia sono “cose minori”, almeno in Italia. E i risultati si vedono....

Articoli citati:

(1) Jones et al. (1997). Extension to the North Atlantic Oscillation using early  instrumental pressure observations from Gibraltar and South-West Iceland. International Journal of Climatology, 17, 1433 – 1450 

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

(3) Sigl et al, 2015 Timing and climate forcing of volcanic eruptions for the past 2,500 years Nature, doi:10.1038/nature14565 (l'articolo è per adesso solo on line, non è ancora uscito il cartaceo)

(4) Swingedouw et al. 2015 Bidecadal North Atlantic ocean circulation variability controlled by timing of volcanic eruptions Nature communications DOI: 10.1038/ncomms7545