Canvis globals i canvi climàtic

Valenti Turu i Michels

Fundació Marcel Chevalier (Andorra), igeofundacio@andorra.ad

La Massana interpretació geomorfològica

* Les variacions del clima queden registrats de forma indirecta en els sistemes naturals. Per al seu estudi cal:

1) Un registre seqüencial regular2) Un paràmetre sensible (climate proxy)

* Els sistemes naturals que habitualment s’estudien per presentar proxys climàtics són:

Testimonis de glaç (O16/O18), dendrocronologia (mida dels anells de creixement), liquenometria (superfícies de blocs), registres marins (corals i foraminifers, proxy O16/O18), sediments lacustres i marins (polen, contingut en matèria orgànica, susceptibilitat magnètica, diatomees).

El registre fòssil del clima

Testimoni de gel

Proxy climàtic

• Anàlisi per fluorescència de Rx• Anàlisi pol.línic• Anàlisi granulomètric• Anàlisi de fàcies sedimentàries• Anàlisi isotòpic de les fraccions del carboni

Testimoni d’un sondatge mecànica la “Sierra de Béjar” (Sistema Central)

Un cop datada la seqüència hom pot establir la periodicitat del senyal.Habituals mètodes de datació:

Isòtops radioactius: U-Th, 210Pb, AMS - 14CTemps d’exposició: TL - OSL i ES(P)R

Acumulació o creixements anuals: Varves, espeleotemes, corals ..

El senyal climàtic registrat pot estudiar-se com un comportament oscil.latòri:Event climàtic = A Sin (2pt/T):

A: Amplitud del senyalt: Variable tempsT = Període del senyal

Així el tractament del senyal pot efectuar-se com el d’un senyal ondulatori:Identificació de les principals ciclicitats

Filtrat de dades (el.liminació d’harmònics, filtrat del soroll)Anàlisi espectral o de Fourier

Reconstrucció de trams sense registre (hiàtus)Projecció del senyal al futur

El senyal climàtic

Testimoni de Till a Segudet (La Massana), foto V.Turu, 31/8/95

Les dades amb significat climàtic oscil.len en el temps i la freqüència ambque varien és fonamental per la compensió del funcionament del clima.

La transformada de Fourier, “la eïna”

FT ->

Dies de temperatura (N = 38 anys) Periodicitat anual i semestral (w = 38 i 78)

Mitjançant la transformada de Fourier s’obtenen les freqüències bàsiques (I els seus harmònics) que permeten descompondre la sèrie climàtica en un polinomi trigonomètric del tipus:

Composicions, Pulsacions i Lissajous* Composicions:

Freqüència i amplitud iguals però desfasats (fn)EC1 = A Sin (2pt/T+f1) + EC2 = A Sin (2pt/T+f2)

Freqüència i amplitud diferents i desfasats

EC1 = A1 Sin (2pt/T1 +f1) + EC1 = A2 Sin (2pt/T2 +f2)

* Pulsacions:Freqüència i amplitud diferents però en fase. Es produeix una fluctuació de l’amplitud resultant segons: A2 = A1

2 + A22 + 2A1A2 Cos (2pt/T1 -2pt/T2 )t

* Figures de Lissajous:Composició d’oscil.lacions harmòniques perpendiculars

Molt sensibles a la relació entre els diferent períodesLa figura queda tancada si la relació entre períodes és racionalLa figura queda oberta si la relació entre períodes és irracional

10/5 4/3

tornant al tema ….

Foto Maria Sala (2007) Svalbard

Descobriment de l’era glacial* Diluvi Universal: Buckland efectua la diferenciació entre sediments al.luvials i diluvials[…] numberless phenomena have been already ascertained, which, without the admission of a recent and universal Deluge, it seems not easy, nay, utterly impossible to explain[…] (Buckland, 1820, p.38)

* Deriva d’Icebergs: Amb les recents exploracions polars Lyell posa límits a la teoria del diluvi.[…] Others have referred to the deluge,-a convenient agent in which they find a simple solution of every difficult problem exhibited by alluvial phenomena" […] (Lyell 1833, p.148)

* L’era glacial: Excursions científiques a Suïssa (Venetz, 1821; Charpentier, 1834 i Agassiz 1837) posa les bases de la teoria. […] If this theory be correct, and the facility with which it explains so many phenomena which have hitherto been deemed inexplicable, induces me to believe that it is; then it must follow that there has been . . . a fall of temperature far below that which prevails in our days[…] (Agassiz 1837, p.377). La teoria es consolida quan es descubreix el casquet de Groenlandia (1852) i el de l’Antartida a finals del segle XIX.

Icebergs amb blocs (Figuier, 1863)

Antartida (Geikie, 1894) Louis Agassiz (1807- 1873)

Albrecht Penck(1858-1945)

L’era glacial als Pirineus

Marcel Chevalier(1876-1945)

Jean-François Bladé(1827-1900)

Una glaciació Tres glaciacions

Bladé, J.F. (1875) Études gégraphiques sur la vallée d'Andorre; Universelle (Ed.), Paris, pp 97

Penck, A. (1883) Die Eiszeit in der Pyrenäen. Mitteilungen des Vereins für Erdkunde. 163-231

Penck A., Brükner E. (1909) Die alpen im eiszeitalter; Chr. Herm Tauchnitz (Ed.), Leipzig . pp 1199

Chevalier, M. (1906) Sur les glaciers Pleistocènes dans les vallées d'Andorre; Cte. R. Acad. Sciences, T.XLI, 662-663

L’era glacial als Pirineus

Penck, A. (1883) Die Eiszeit in der Pyrenäen. Mitteilungen des Vereins für Erdkunde. 163-231

Calvet, M., 2004. The Quaternary glaciation of the Pyrenees. In: Ehlers, J., Gibbard, P. (Eds.), Quaternary Glaciations—Extent and Chronology, Part I: Europe. Elsevier, Amsterdam, pp.119–128

L’era glacial als Pirineus

Jalut, G. i Turu V. (2008) Le dernier cycle glaciaire-interglaciaire dans les Pyrénées: englacement, climat et végéation. In: “Pyrénées d'hier et d'aujourd'hui” pp 145-162 (Atlantica: Biarritz).

L’era glacial als Pirineus

El Segre-Valira

Hansbreen 2009 (Svalbard)

Però quantes glaciacions?…

Ciclicitat orbital Precessió dels equinccis:

La influència de la gravetat del Sol produeix que l’eix de rotació de la terra giri en cercle (Alembert 1754) cada 22 Ka.

J.A. Adhémar (1842)Actualment l’hemisferi sud presenta un dèficitd’insolació anual respecte a l’hemisferi Nord. L’hemisferi sud i el nord coneixen alternativament una era glacial cada 11 Ka.

Humbolt (1852)En realitat depén de la energia de radiació i no del número d’hores.

L’hemisferi Nordguanya 7 dies

entre equinocis(dies més curts)

mentre que a l’hemisferi sud és

al contrari

Excentricitat de l’òrbita terrestreL’excentricitat de l’òrbita de la terra és producte de la infuència gravitatòria dels planetes del sistema solar. Al 1843 Leverrier publica els seus càlculs essent la màxima variació en un 6% cada 100 Ka.

James Croll (1875)L’excentricitat orbital influeix en el balanç de radació solar.En combinació amb la precessió dels equinocis es produirien alternativament hiverns amb més neu en un o l’altre hemisferi. Aquesta augmentaria l’albedo i provocaria un descens de les temperatures i glaciacions alternades.La velocitat dels vents polars es veuen incrementats i forcen a les corrents marines equatorials a dirigir-se vers l’hemisfèri no glaçat (positive feedback).Segons això el darrer cicle glacial s’hauria iniciat fa 250 Ka i hauria terminat fa 80 Ka. A finals del s. XIX geòlegs americans demostràren que la darrera glaciació va terminar molt abans abandonant-se la teoria orbital.

Ciclicitat orbital

James Croll(1821-1890)

Obliqüitat de l’eix de la terraLa obliqüitat de l’eix de rotació de la terra (James Bradley 1728) és degut a la influència de la gravetat lunar, variant de 22º a 25º. Quan la inclinació augmenta les regions polars reben més radiació solar i biceversa, especialment a l’estiu. La ciclicitat és de 41 Ka (Pilgrim 1904).

Köppen i Wegener (1924):Milancovitc calculà les corbes de radiació solar en base a les oscil.lacions en obliqüitat i la precessió per latituds elevades (55º, 60º i 65ºN), després de que juntament amb Köppen i Wegener s’adonessin que la reducció de radiació solar als estius influeix més que a l’hivern en la formació d’una glaciació. La oscil.lació de la obliqüitat és important als pols i disminueix cap a l’equador, mentre que per la precessió és a la inversa en variar l’angle d’incisió de la radiació. Köppen va reconèixer en les corbes de radiació les glaciacions descrites per Penck i Brückner 15 anys abans, no obstant aquestes fases entren en decliu arrossegant la teoria orbital (Kukla 1969).

Ciclicitat orbital

Milutin Milankovitc(1879-1958)

Hi ha alguna cosa més?…

Horsund 2009 (Svalbard)

Distribució de les principals glaciacions en el temps geològic (Plumb 1991). Cal notar una associació entre períodes de supercontinentalitat i períodes glacials. Els cicles de primer ordre corresponen a la formació de supercontinents (200 - 500 Ma), els supercicles (IIº ordre) corresponen a fases d’expansió termal de mantell i cinemàtica de placa d’aixecament cratònic (10-100 Ma).

Supercontinents i supercicles

El registre glacial del Fanerozoic (Fischer, 1984)El patró de les glaciacions segueix un supercicle de 400 Ma, passant des la Pangea i la Pantalassa (un únic continent i un únic oceà), amb una atmosfera deficient en CO2 (icehouse climate, I) fins a una multiplicitat de continents i oceans (abundant CO2, greenhouse cllimate G).

Supercontinents i supercicles

Canvi en l’elevació de les superfícies continentals des del final del Mesozoic (Barron, 1985)

La major influència tectònica en el clima global fou l’aixecament de l’altiplà del Tibet (Raymo i Ruddiman, 1992) en combinació amb un continuat aixecament dels marges continentals que voregen l’Oceà Atlàntic.

Aquests fets produeixen una disminució de l’escalfament atmosferic (i la temperatura) produïnt hiverns més llargs i estius més secs. La major superficie innivada augmenta l’albedo afavorint el creixement de casquets. La meteorització mineral que es produeix en les zones aixecades atrapa més quantitat de CO2 produïnt un efecte anti-hivernacle(Ruddiman et al., 1989)

Supercontinents i supercicles

Canvi global en els darrers 150 Ka a partir del testimoni de glaç de l’estació polar Vostok (Lorius et al., 1990). Un cop la tectònica ha reduït els nivells de CO2 en l’atmosfera es crea

la condició necessària perquè els canvis orbitals esdevinguin importants

Supercontinents i supercicles

Milutin Milankovitc(1879-1958)

Eix de rotació (22 i 41 Ka)

James Croll(1821-1890)

Excentricitat (100 Ka)

100 Ka

Pulsacions glacials i ciclicitat

Hansbreen 2009 (Svalbard)

La investigació oceanogràfica ha permès observar canvis sobtats en la fauna fòssil del fons marí, foraminifers d’aigües fredes a calentes (Schott, 1934; Ericson, 1964), canvis en la composició isotòpica dels foraminifers (Emiliani, 1966) que suggerien una ciclicitat orbital. No es fins al 1966 que es solventa estadísticament la transformada de Fourier i la corba d’Emiliani mostra freqüències orbitals (40 Ka i 13 Ka). Més tard Hays et al. (1976) obté que la ciclicitat més important és al de 100 Ka, després la de 43 Ka (obliqüitat), 24 Ka (prececcio) i una nova de 19 Ka que també correspon a una segona prececció menor.

Ressorgiment de la teoria orbital

FT ->

Pulsacions glacials

En el cas del Principat d’Andorra esdisposa d’un registre sedimentariexcepcional a les valls de la Valira delnord. Aquest registre ha estat estudiatdes d’antuvi però no és fins recentmentque s’ha pogut exposar el seu continguten els fòrums internacionals de formaconjunta amb datacions absolutes.És en aquest indret del País que s’hapogut comprovar els efectes dels canvisglobals d’escala orbital però també aescala suborbital.

Pulsacions glacials i teoria orbital aquí

Delta dels Hortals (La Massana). 22/10/95

La vall juxtaglacial de la Valira del Nord ha estat reconeguda com haver estat obturada per la glacera principal (Valira d’Orient). Com a producte d’aquesta obturació el fons de vall presenta nombrosos afloraments de ritmites glaciolacustres i acumulacions detrítiques provinents de deltes proglacials. Les glaceres locals (Arinsal i Ordino), en tenir diferent conca han avançat sobre els sediments lacustres de forma intermitent. Aquest fet és especialment important ja que l’estudi dels avenços i retrocesos d’aquestes glaceres constitueixen un proxy climàtic.

Els interestadis (clima càlid) i estadis (clima fred) presents tenen una especial empremta en el registre sedimentari de les valls del Valira Nord, la qual obturada per la vall principal reflexava els canvis climàtics

en forma de sistemes deltaics pro-glacials (en els interestadis) i en forma de morrenes basals (Till) en els estadis d’avançament glacial.

Pulsacions glacials i teoria orbital aquí

L’estudi estratigràfic perment efectuar una cronologia relativa dels esdeveniments sedimentaris. Donat que el volum de sediment depositat està en funció del temps de deposició i de la energia del medi, hom pot representar l’evolució en el temps (volum de sediment d’una determinada fase) versus l’extensió glacial des del circ glacial. Un cop efectuat aixó la datació directa dels sediments permet establir una cronologia absoluta que permet ubicar aquests esdeveniments (pulsacions) en el temps.

Pulsacions glacials i teoria orbital aquí

Datacions

A partir de les datacions de 14C en sediments glacials de la Valira del Nord, hom ha pogut reconstruïr en funció del volúm dels sediments dipositats. La fase de máxima extensió glacial se situaria anterior als 59.000 anys. La fase d’estabilització posterior experimenta diferents pulsacions d’avenç i retrocès glacial que tenen a veure amb els canvis globals suborbitals (events D-O, Heinrich). La deglaciació de les valls se situraria poc després dels

10.000 anys

CronologiaEl darrer cicle glacial s’inicía fa uns 90.000 anys a prop d’un mínim d’irradiació solar. D’aquest primer avenç glacial hi ha el testimoni de la morrena de La Margineda datada en 99.000±10.000 anys (OSL). Aquesta mateixa morrena presenta un perfil d’alteració compatible amb un llarg període d’exposició subaèria, anterior a la fase de máxim englaçament. Aquesta fase és sincrònica amb un event de periodicitat suborbital, event fred H6 (Heinrich 6), que fou datat en una superfície de poliment glacial del Roc del Quer a Canillo en 59.000 anys. Els events Heinrich posteriors no semblen haver tingut una influència notòria en les glaceres d’Andorra fins el H3 i posteriors. Cal fer notar que els mínims de irradiació solar coincideixen amb les principals

fases d’avenç glacial.

Anàlisi espectral:Anàlisi harmònic del registre d’ englaçament de les valls de la Valira. Linea blava anàlisi de Fourier per a tot el cicle glacial, es distingeixen pics propers als perídes orbitals de Milancovitc (100 Ka, 41 Ka i 23 Ka; Hays et al. 1976), de la distàcia entre la Terra i el Sol (afeli-periheli, 19 Ka, Berger 1977), de semi-prececceció (entre 9,5 Ka i 11,5 Ka) on en la mateixa franja estarien situats els cicles Bond (entre 10 i 15 Ka), i de l’activitat solar (2,4 Ka; Hood & Jirkowic, 1991). La línia vermella anàisi de Fourier per la desglaciació (30 Ka i 19 Ka) on es distingeixen clarament pics propers als events Heinrich (7 Ka) i de Dansgaard-Oeschger (1,45 Ka).

El passat immediat i el futur …

Canvis globals en l’Holocè

Paleoincendis d’època pre-històrica com a proxi climàtic. La major ocurrència depaleoincendis es produeix quan les barres d’error (2sigma) de les datacions 14Ces solapen amb més d’un nivel de paleoincendis datat, com és el cas del períodeanterior a l’event 8,2 Ka (Bond event 5). De forma general es pot apreciar unadisminució progressiva dels pics de màxima probabilitat des de l’Epipaleolític finsl’edat de Ferro.

L’activitat solar

Recopilació de dades antracològiquespublicades (Turu & Planas, 2005;Riera & Turu, 2011) i inèdites(Fundació Marcel Chevalier, 1996,1999b, 2004, 2007) on s’observa unacoincidència dels paleoincendis ambuna major activitat solar.

En època històrica, les taques solars

Moviment inercial del SolQuatrifoli irregular de 178 anys

Mínims de radiació solar

Representació dels Quatrifolis Solars (espais en gris) de 370 anys de duració cada 2,4 Ka i coincidint amb millores de la temperatura (Charvatova 2000), essent el proper esdeveniment orbital solar entre 2240-2610 dC.

El futur, domini del Sòl?

L’efecte hivernacle

Previsió de la temperatura per als propers 25 Ka (Imbrie & Imbrie, 1994). D’acord amb la teoriaastronòmica dels cicles glacials i interglacials, la tendencia natural del clima seria el d’unrefredament. No obstant la emissió dels gasos d’efecte hivernacle produirà un super-interglacial amb valors de temperatura que no s’han conegut abans en el darrer milió d’anys.Altres models que tenen en compte l’efecte de les corrents marines en la conducció delcalor pronostiquen un super-interglacial de 70 Ka (Broecker, 1998).

Record en 150 anys

La superposició dels canvis globals (cicles orbitalsi suborbitals) i el canvi climàtic provocat per l’activitat antròpica pot intensificar el caràcterinterglacial en el planeta, és a dir un augment dela temperatura mitja global que serà especialmentpronunciada a les latituds més elevades.

Un planeta sense glaç?

L’augment de la temperatura mitja en latitudspolars produirà un desglaç de les masses de gel.El desglaç del pols pot provocar efectes contrarisde difícil predicció, però que poden ser sobtats,ja que els seus efectes afecten a les correntsmarines que transporten calor d’un costat a l’altredel planeta i afecta a les masses atmosfèriques.

La crida del planeta

Gràcies

Hornsund 2009 (SW Spitzbergen)