Come la paleoclimatologia ricostruisce il passato climatico della Terra (terza parte)

Questa è la terza parte del trittico sulla paleoclimatologia, che va a completare il corposo e ben più ampio ciclo sulle bischerate dei negazionisti climatici spesso ospiti di trasmissioni pollaio televisive e su un particolare filone di carta stampata scettica al Cambiamento Climatico.
In principio questo trittico l’avevo immaginato come un unico articolo il 22 gennaio. Poi però, stava diventando enorme e troppo complesso da seguire, e per questo ho deciso di dividerlo in tre parti: la storia dei primi rilevamenti scientifici della temperatura (XVII secolo), il frazionamento degli isotopi dell’idrogeno, ossigeno, stronzio etc. nelle ricerche e ricostruzioni paleoclimatiche e, ora, con la parte più complessa: la dendroclimatologia.
La complessità metodologica della dendroclimatologia contrasta con le semplificazioni diffuse nel dibattito pubblico, dove gli anelli vengono spesso citati senza considerare calibrazioni, crossdating, detrending e divergenza.

1) Gli anelli degli alberi: la dendroclimatologia

Tra tutti i proxy paleoclimatici, la dendroclimatologia occupa un posto particolare. La dendroclimatologia sfrutta la relazione tra clima e accrescimento annuale degli alberi per ricostruire variabili climatiche su scale temporali da secoli a millenni ^[1].
Ciò che rende questo metodo particolarmente potente è la datazione assoluta degli anelli ^[2] e l’elevata risoluzione temporale. Le cronologie legnose costituiscono uno degli archivi paleoclimatici più precisi per le aree continentali extratropicali negli ultimi 1.000–2.000 anni (e in alcuni casi anche di più, grazie al ritrovamento di legno subfossile che estende le serie cronologiche).
La calibrazione statistica con dati strumentali permette di trasformare le variazioni di larghezza anulare, densità del legno o composizione isotopica in stime quantitative di temperatura e precipitazione, rivelando la variabilità climatica naturale e l’eccezionalità del riscaldamento recente.
Nelle zone temperate, gli alberi crescono in modo stagionale: un anello all’anno, internamente distinto in legno primaticcio e tardivo ^[3]:

• primavera—inizio estate → crescita rapida, cellule grandi e pareti sottili → legno primaticcio (chiaro)
• fine estate—autunno → crescita lenta, cellule piccole e pareti spesse → legno tardivo (scuro)

La larghezza di ogni anello è determinata dalla temperatura, dalle precipitazioni, dalla durata della stagione vegetativa. È influenzata anche dallo stress idrico e altri eventi estremi, come le gelate, le siccità e le eruzioni vulcaniche.
Il legno primaticcio (earlywood nella letteratura scientifica), il più chiaro e con le cellule più grandi, è quello che indica la ripresa vegetativa stagionale. Questa è controllata dal disgelo e dalla risalita della temperatura primaverile, un anello chiaro e abbondante indica una primavera precoce. La sua larghezza e porosità sono il segno di quanta acqua è stata disponibile tra piogge e neve; la distinzione tra queste due si ottiene dal frazionamento isotopico di \(\delta ^{18}O\), come avviene con le carote di ghiaccio viste negli scorsi capitoli.
Nel legno primaticcio spesso si notano alcune imperfezioni e deformazioni cellulari nella struttura, chiamati anche anelli del gelo (frost ring nella letteratura scientifica): ottimi indicatori di un brusco e transitorio calo della temperatura nel sito.
Tuttavia, il legno primaticcio è estremamente sensibile ai fattori esterni non climatici (una ombreggiatura, un riparo etc.), che ogni informazione va attentamente calibrata e studiata con cautela. Meglio se confrontato con altri anelli cronologicamente coerenti prelevati da alberi vicini. In questo modo, il legno primaticcio diventa un archivio ad alta risoluzione della primavera in esame ^{[4] [5]}

• la calibrazione

Prima di stimare i coefficienti di calibrazione, è essenziale ricordare che la relazione tra anelli e temperatura non è sempre stabile nel tempo. Dalla fine del XX secolo molte cronologie, soprattutto nelle conifere boreali, mostrano una divergenza crescente tra temperatura strumentale e crescita radiale: gli anelli non si allargano più come previsto, nonostante il riscaldamento. Le cause includono stress idrico, saturazione fisiologica da \(CO_{2}\), inquinamento atmosferico e maggiore variabilità climatica.
Questo Divergence Problem implica che le ricostruzioni dendroclimatiche recenti tendono a sottostimare il riscaldamento attuale e, per analogia, potrebbero sottostimare anche episodi caldi del passato. Per questo motivo, i coefficienti di calibrazione \(a, b, c\) e \( d\) devono essere stimati esclusivamente nei periodi in cui la relazione proxy—clima è stabile e verificata indipendentemente.
Ignorarlo significherebbe presentare una ricostruzione più semplice ma meno affidabile. La scienza, invece, richiede di mostrare anche ciò che non funziona: è proprio lì che si misura la solidità di un metodo.

• Come si costruisce una cronologia dendroclimatica affidabile

Prima di arrivare ai coefficienti \(a, b, c, d\) occorre capire come si prepara il materiale.
Una cronologia dendroclimatica non è una semplice media degli anelli: è il risultato di un processo metodologico molto preciso e rigoroso.
Si inizia col prelevare carote da più alberi della stessa specie e dello stesso sito e si procede ad allineare gli anelli anno per anno confrontando pattern di crescita comuni. Questo passaggio — il crossdating, il più critico — è ciò che garantisce la datazione assoluta.
Da lì si procede con la misurazione dell’intero anello e le sue componenti — legno primaticcio e legno tardivo ¹, la densità massima e i frazionamenti isotopici \(\delta^{13}C\), \(\delta^{18}O\) e \(\delta^{2}H\).

Quindi si passa al detrending (rimozione del tendenziale), ovvero si procede a rimuovere ogni alterazione non legata allo sviluppo stagionale, come ad esempio la crescita non legata all’età ². In questi casi si usano curve esponenziali negative, spline, o il metodo RCS (Regional Curve Standardization) ^[6].
Solo successivamente, si combinano le serie individuali, ricavandone una serie standardizzata che conserva il segnale climatico. Per ottenere la cronologia del sito, si combinano piu serie provenienti da più alberi con medie pesate, mediane e le PCA (Analisi delle Componenti Principali), — per coerenza si veda il riquadro a fianco— per ridurre il   rumore non climatico.
Infine, vengono ricontrollate le correlazioni tra gli alberi, la stabilità del segnale nel tempo, la presenza di altri disturbi locali e anomalie ancora presenti.
Una volta rimosse le componenti fisiologiche e non climatiche, le serie individuali possono essere combinate per estrarre il segnale comune del sito. Soltanto a questo punto si può procedere alle calibrazioni di \(a, b, c, d\), prendendo una serie di anelli di cui siano disponibili anche i dati strumentali locali (per ex. 1901-2000) e si definiscono i modelli.
Per il legno primaticcio:
\[ T_{MAM,t} = a + b \cdot EW_{t} + \epsilon_{t} \]
e per il legno tardivo
\[ T_{JJA,t} = c + d \cdot MXD_{t} + \epsilon_{t} \]
Infine, attraverso una regressione lineare ^[7] si ottengono:

• \(a\): intercetta ³
• \(b\): sensibilità climatica del legno primaticcio
• \(c\): intercetta estiva
• \(d\): sensibilità climatica del legno tardivo

Questi coefficienti sono scelti in modo da minimizzare la somma dei quadrati dei residui e devono essere stimati solo nei periodi in cui la relazione proxy–clima è stabile, altrimenti tutta la calibrazione è incoerente.

• Relazioni proxy—clima

\[ T_{MAM,t} = a + b \cdot EW_{t} \\ T_{JJA,t} = c + d \cdot MXD_{t}\]

dove:

• \(MXD \rightarrow\;\) è la temperatura estiva
• \(\delta ^{13}C \rightarrow\;\) il bilancio idrico e il controllo stomatico
• \(\delta ^{18}O \rightarrow\;\) l’evaporazione e composizione isotopica della fonte idrica

Questi coefficienti sono scelti in modo da minimizzare la somma dei quadrati dei residui e devono essere stimati solo nei periodi in cui la relazione proxy–clima è stabile; altrimenti la calibrazione è incoerente.

• Esempi

Il legno primaticcio risponde alle condizioni del clima primaverile: disgelo, piogge e inizio della stagione vegetativa.
Una relazione tipica può essere matematicamente descritta così:
\[  T_{MAM,t} = a + b \cdot EW_{t}\] ⁴
dove:

• \(T_{MAM,t}\;\) è la temperatura media del periodo marzo-maggio dell’anno \(t\)
• \(EW_{t}\;\) esprime la larghezza o densità del legno primaticcio dell’anno \(t\)
• \(a\;\) l’intercetta
• \(b\;\) è la sensibilità climatica del legno primaticcio

\(a\;\) e \(b\:\) sono i coefficienti stimati sui dati strumentali.

Supponendo che la calibrazione dia:
\[ T_{MAM,t} = 4,2+7,5 \cdot EW_{t} \]

e un particolare anno presenti un legno primaticcio \(EW_{t} = 0,40\), allora si otterrebbe:
\[ T_{MAM,t} =  4,2 + 7,5  \cdot 0,40 = 7,2\; ^{\circ}C \]

Il legno tardivo è invece un sensore molto efficace della temperatura estiva e della siccità.
Qui è la relazione della sua densità massima ad offrire interessanti sviluppi:

• \(T_{JJA,t}\;\) è la temperatura media tra giugno e agosto dell’anno \(t\)
• \(MXD_{t}\;\) indica la densità massima del legno tardivo dell’anno \(t\)
• \(c\;\) è l’intercetta
• \(d\;\) è la sensibilità climatica del legno tardivo

\(c\,\) e \(d\;\) sono i coefficienti di calibrazione.

Supponendo che:
\[T_{JJA,t} = 5,0 + 12.0 \cdot MXD_{t}\]
e che per l’anno \(t\;\) mostri un anello tardivo \(MXD_{t} = 0,30 \).
allora:
\[ T_{JJA,t} =  5,0 + 12,0  \cdot 0,30 = 8.6 \;^{\circ}C \]

• Conclusione

Una domanda naturale che può sorgere nel lettore è se adesso la dendrocronologia permetta di ricostruire anche la concentrazione di \(CO_{2}\) del passato. La risposta è no.
Gli anelli degli alberi registrano la risposta fisiologica della pianta al clima — temperatura, bilancio idrico, stress idrico, durata della stagione vegetativa — ma non incorporano in modo diretto la concentrazione atmosferica di \(CO_{2}\).
Il carbonio presente nel legno riflette il frazionamento isotopico durante la fotosintesi (\(\delta _{13}C\)), che dipende soprattutto da:

• apertura stomatica,
• disponibilità idrica,
• efficienza d’uso dell’acqua,
• stress fisiologico,
• condizioni di luce e temperatura.

La \(CO_{2}\) atmosferica influenza questi processi, ma non in modo lineare né isolabile.
Per questo \(\delta _{13}C\) nel legno non può essere usato per stimare i ppm di \(CO_{2}\).

Le ricostruzioni dirette della concentrazione atmosferica di \(CO_{2}\) richiedono archivi che intrappolano l’aria antica, come le carote di ghiaccio, dove le bolle d’aria conservano la composizione atmosferica originale.
La dendrocronologia, invece, è un metodo eccellente per ricostruire temperatura, precipitazioni, stress idrico e variabilità stagionale, ma non la \(CO_{2}\) atmosferica.

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  year   = {1999},
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  url    = {https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/1999GL900070},
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  title  = {Continental-scale temperature variability during the past two millennia},
  year   = {2013-05},
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@misc{,
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  title  = {R: Regional Curve Standardization},
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@misc{azzoliniiziano4/11/2020,
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