Evolution of Earth
Come la gemma di lapislazzuli a cui assomiglia, il pianeta blu e coperto di nuvole che riconosciamo immediatamente dalle immagini satellitari sembra notevolmente stabile. Continenti e oceani, circondati da un’atmosfera ricca di ossigeno, sostengono forme di vita familiari. Eppure questa costanza è un’illusione prodotta dall’esperienza umana del tempo. La Terra e la sua atmosfera sono continuamente alterate. La tettonica a placche sposta i continenti, solleva le montagne e sposta il fondo dell’oceano, mentre processi non completamente compresi alterano il clima.
Questo cambiamento costante ha caratterizzato la Terra fin dal suo inizio, circa 4,5 miliardi di anni fa. Fin dall’inizio, il calore e la gravità hanno plasmato l’evoluzione del pianeta. A queste forze si sono aggiunti gradualmente gli effetti globali della comparsa della vita. L’esplorazione di questo passato ci offre l’unica possibilità di comprendere l’origine della vita e, forse, il suo futuro.
Gli scienziati erano soliti credere che i pianeti rocciosi, tra cui la Terra, Mercurio, Venere e Marte, fossero stati creati dal rapido collasso gravitazionale di una nube di polvere, una deazione che ha dato origine a un globo denso. Negli anni ’60 il programma spaziale Apollo cambiò questa visione. Gli studi dei crateri lunari hanno rivelato che queste scanalature sono state causate dall’impatto di oggetti che erano in grande abbondanza circa 4,5 miliardi di anni fa. In seguito, il numero di impatti sembra essere rapidamente diminuito. Questa osservazione ringiovanì la teoria dell’accrescimento postulata da Otto Schmidt. Il geofisico russo aveva suggerito nel 1944 che i pianeti sono cresciuti in dimensioni gradualmente, passo dopo passo.
Secondo Schmidt, la polvere cosmica si è aggregata per formare particolato, il particolato è diventato ghiaia, la ghiaia è diventata piccole palle, poi grandi palle, poi piccoli pianeti, o planetesimi, e, infine, la polvere è diventata grande come la luna. Man mano che i planetesimi diventavano più grandi, il loro numero diminuiva. Di conseguenza, il numero di collisioni tra i planetesimi, o meteoriti, diminuì. Meno elementi disponibili per l’accrescimento significava che ci voleva molto tempo per costruire un grande pianeta. Un calcolo fatto da George W. Wetherill della Carnegie Institution di Washington suggerisce che circa 100 milioni di anni potrebbero passare tra la formazione di un oggetto di 10 chilometri di diametro e un oggetto delle dimensioni della Terra.
Il processo di accrescimento ebbe conseguenze termiche significative per la Terra, conseguenze che indirizzarono con forza la sua evoluzione. I grandi corpi che sbattono contro il pianeta hanno prodotto un calore immenso al suo interno, fondendo la polvere cosmica che vi si trova. La fornace risultante – situata da 200 a 400 chilometri sottoterra e chiamata oceano di magma – fu attiva per milioni di anni, dando luogo a eruzioni vulcaniche. Quando la Terra era giovane, il calore in superficie causato dal vulcanismo e dalle eruzioni di lava dall’interno era intensificato dal costante bombardamento di oggetti enormi, alcuni dei quali forse delle dimensioni della luna o persino di Marte. Nessuna vita era possibile durante questo periodo.
Oltre a chiarire che la Terra si era formata per accrezione, il programma Apollo ha costretto gli scienziati a cercare di ricostruire il successivo sviluppo temporale e fisico della Terra primitiva. Questa impresa era stata considerata impossibile dai fondatori della geologia, tra cui Charles Lyell, al quale è attribuita la seguente frase: Nessuna traccia di un inizio, nessuna prospettiva di una fine. Questa affermazione trasmette l’idea che la giovane Terra non poteva essere ricreata, perché i suoi resti erano distrutti dalla sua stessa attività. Ma lo sviluppo della geologia isotopica negli anni ’60 aveva reso questa visione obsoleta. Con l’immaginazione arrossata dall’Apollo e dalle scoperte lunari, i geochimici hanno cominciato ad applicare questa tecnica per capire l’evoluzione della Terra.
La datazione delle rocce tramite i cosiddetti orologi radioattivi permette ai geologi di lavorare su terreni antichi che non contengono fossili. Le lancette di un orologio radioattivo sono isotopi – atomi dello stesso elemento che hanno pesi atomici diversi – e il tempo geologico è misurato dal tasso di decadimento di un isotopo in un altro. Tra i molti orologi, quelli basati sul decadimento dell’uranio 238 in piombo 206 e dell’uranio 235 in piombo 207 sono speciali. I geocronologi possono determinare l’età dei campioni analizzando solo il prodotto derivato – in questo caso il piombo – del genitore radioattivo, l’uranio.
La ricerca degli zirconi
LA GEOLOGIA DELL’ISOTOPO ha permesso ai geologi di determinare che l’accrescimento della Terra è culminato nella differenziazione del pianeta: la creazione del nucleo – la fonte del campo magnetico della Terra – e l’inizio dell’atmosfera. Nel 1953 il classico lavoro di Claire C. Patterson del California Institute of Technology usò l’orologio di uranio-piombo per stabilire un’età di 4,55 miliardi di anni per la Terra e molti dei meteoriti che la formarono. All’inizio degli anni ’90, tuttavia, il lavoro di uno di noi (Allègre) sugli isotopi del piombo ha portato a un’interpretazione un po’ nuova.
Come ha sostenuto la Patterson, alcuni meteoriti si sono effettivamente formati circa 4,56 miliardi di anni fa, e i loro detriti hanno costituito la Terra. Ma la Terra ha continuato a crescere attraverso il bombardamento di planetesimi fino a circa 120 milioni – 150 milioni di anni dopo. A quel tempo – da 4,44 a 4,41 miliardi di anni fa – la Terra cominciò a conservare la sua atmosfera e a creare il suo nucleo. Questa possibilità era già stata suggerita da Bruce R. Doe e Robert E. Zartman dell’U.S. Geological Survey di Denver due decenni fa ed è in accordo con le stime di Wetherills.
L’emergere dei continenti avvenne un po’ più tardi. Secondo la teoria della tettonica a placche, queste masse terrestri sono l’unica parte della crosta terrestre che non viene riciclata e, di conseguenza, distrutta durante il ciclo geotermico guidato dalla convezione nel mantello. I continenti forniscono quindi una forma di memoria perché il record della vita primitiva può essere letto nelle loro rocce. L’attività geologica, tuttavia, compresa la tettonica a placche, l’erosione e il metamorfismo, ha distrutto quasi tutte le rocce antiche. Pochissimi frammenti sono sopravvissuti a questa macchina geologica.
Negli ultimi decenni, tuttavia, sono state fatte diverse scoperte importanti, sempre utilizzando la geochimica isotopica. Un gruppo, guidato da Stephen Moorbath dell’Università di Oxford, ha scoperto un terreno nella Groenlandia occidentale che ha tra 3,7 e 3,8 miliardi di anni. Inoltre, Samuel A. Bowring del Massachusetts Institute of Technology ha esplorato una piccola area in Nord America – lo gneiss di Acasta – che si pensa abbia 3,96 miliardi di anni.
Infine, la ricerca del minerale zircone ha portato altri ricercatori a terreni ancora più antichi. Tipicamente trovato in rocce continentali, lo zircone non viene dissolto durante il processo di erosione ma si deposita in forma di particelle nei sedimenti. Alcuni pezzi di zircone possono quindi sopravvivere per miliardi di anni e possono servire come testimonianza della crosta terrestre più antica. La ricerca di vecchi zirconi è iniziata a Parigi con il lavoro di Annie Vitrac e Jol R. Lancelot, poi all’Università di Marsiglia e ora all’Università di Nmes, rispettivamente, così come con gli sforzi di Moorbath e Allgre. Fu un gruppo dell’Australian National University di Canberra, diretto da William Compston, che ebbe finalmente successo. Il team ha scoperto degli zirconi nell’Australia occidentale che avevano tra i 4,1 e i 4,3 miliardi di anni.
Gli zirconi sono stati cruciali non solo per capire l’età dei continenti ma per determinare quando la vita è apparsa per la prima volta. I primi fossili di età indiscussa sono stati trovati in Australia e Sudafrica. Queste reliquie di alghe blu-verdi hanno circa 3,5 miliardi di anni. Manfred Schidlowski del Max Planck Institute for Chemistry di Mainz ha studiato la formazione Isua nella Groenlandia occidentale e ha sostenuto che la materia organica esisteva già da 3,8 miliardi di anni. Poiché la maggior parte delle registrazioni della vita primitiva è stata distrutta dall’attività geologica, non possiamo dire esattamente quando è apparsa per la prima volta – forse è sorta molto rapidamente, forse addirittura 4,2 miliardi di anni fa.
Storie dai gas
Uno degli aspetti più importanti dell’evoluzione del pianeta è la formazione dell’atmosfera, perché è questo assemblaggio di gas che ha permesso alla vita di strisciare fuori dagli oceani e di essere sostenuta. I ricercatori hanno ipotizzato fin dagli anni ’50 che l’atmosfera terrestre sia stata creata da gas emergenti dall’interno del pianeta. Quando un vulcano sputa gas, è un esempio del continuo degassamento, come viene chiamato, della Terra. Ma gli scienziati si sono chiesti se questo processo sia avvenuto improvvisamente – circa 4,4 miliardi di anni fa quando il nucleo si è differenziato – o se sia avvenuto gradualmente nel tempo.
Per rispondere a questa domanda, Allègre e i suoi colleghi hanno studiato gli isotopi dei gas rari. Questi gas – tra cui elio, argon e xeno – hanno la particolarità di essere chimicamente inerti, cioè non reagiscono in natura con altri elementi. Due di essi sono particolarmente importanti per gli studi atmosferici: l’argon e lo xeno. L’argon ha tre isotopi, di cui l’argon 40 è creato dal decadimento del potassio 40. Lo xeno ne ha nove, di cui lo xeno 129 ha due origini diverse. Lo xeno 129 è sorto come risultato della nucleosintesi prima della formazione della Terra e del sistema solare. È stato anche creato dal decadimento dello iodio radioattivo 129, che non esiste più sulla Terra. Questa forma di iodio era presente molto presto, ma da allora si è estinta, e lo xeno 129 è cresciuto a sue spese.
Come la maggior parte delle coppie, sia l’argon 40 e il potassio 40 che lo xeno 129 e lo iodio 129 hanno storie da raccontare. Sono eccellenti cronometri. Anche se l’atmosfera si è formata dal degassamento del mantello, non contiene né potassio 40 né iodio 129. Tutto l’argon 40 e lo xeno 129, formati sulla Terra e rilasciati, si trovano oggi nell’atmosfera. Lo xeno è stato espulso dal mantello e trattenuto nell’atmosfera; quindi, il rapporto atmosfera-mantello di questo elemento ci permette di valutare l’età della differenziazione. L’argon e lo xeno intrappolati nel mantello si sono evoluti grazie al decadimento radioattivo del potassio 40 e dello iodio 129. Così, se il degassamento totale del mantello fosse avvenuto all’inizio della formazione della Terra, l’atmosfera non conterrebbe alcun argon 40 ma conterrebbe xenon 129.
La grande sfida per un ricercatore che voglia misurare questi rapporti di decadimento è quella di ottenere alte concentrazioni di gas rari nelle rocce del mantello perché sono estremamente limitate. Fortunatamente, un fenomeno naturale si verifica sulle dorsali medio-oceaniche durante il quale la lava vulcanica trasferisce alcuni silicati dal mantello alla superficie. Le piccole quantità di gas intrappolate nei minerali del mantello salgono con la colata verso la superficie e si concentrano in piccole vescicole nel margine vetroso esterno delle lave. Questo processo serve a concentrare le quantità di gas del mantello di un fattore 104 o 105. Raccogliere queste rocce dragando il seaoor e poi schiacciarle sotto vuoto in un sensibile spettrometro di massa permette ai geochimici di determinare i rapporti degli isotopi nel mantello. I risultati sono piuttosto sorprendenti. I calcoli dei rapporti indicano che tra l’80 e l’85% dell’atmosfera è stata degassata durante il primo milione di anni della Terra; il resto è stato rilasciato lentamente ma costantemente durante i successivi 4,4 miliardi di anni.
La composizione di questa atmosfera primitiva era quasi certamente dominata dall’anidride carbonica, con l’azoto come secondo gas più abbondante. Erano presenti anche tracce di metano, ammoniaca, anidride solforosa e acido cloridrico, ma non c’era ossigeno. A parte la presenza di acqua abbondante, l’atmosfera era simile a quella di Venere o Marte. I dettagli dell’evoluzione dell’atmosfera originale sono discussi, in particolare perché non sappiamo quanto fosse forte il sole a quel tempo. Alcuni fatti, tuttavia, non sono contestati. È evidente che l’anidride carbonica ha giocato un ruolo cruciale. Inoltre, molti scienziati credono che l’atmosfera in evoluzione contenesse quantità sufficienti di gas come l’ammoniaca e il metano per dare origine alla materia organica.
Ancora, il problema del sole rimane irrisolto. Un’ipotesi sostiene che durante l’eone Archeano, che durò da circa 4,5 miliardi a 2,5 miliardi di anni fa, la potenza del sole era solo il 75% di quella attuale. Questa possibilità solleva un dilemma: come potrebbe la vita sopravvivere nel clima relativamente freddo che dovrebbe accompagnare un sole più debole? Una soluzione al paradosso del sole debole, come viene chiamato, è stata offerta da Carl Sagan e George Mullen della Cornell University nel 1970. I due scienziati suggerirono che il metano e l’ammoniaca, che sono molto efficaci nell’intrappolare la radiazione infrarossa, erano piuttosto abbondanti. Questi gas avrebbero potuto creare un super effetto serra. L’idea fu criticata sulla base del fatto che tali gas erano altamente reattivi e avevano una vita breve nell’atmosfera.
Che cosa controllava il co?
Nella fine degli anni ’70 Veerabhadran Ramanathan, ora alla Scripps Institution of Oceanography, e Robert D. Cess e Tobias Owen della Stony Brook University proposero un’altra soluzione. Hanno postulato che non c’era bisogno di metano nella prima atmosfera perché l’anidride carbonica era abbastanza abbondante da provocare il super effetto serra. Ancora una volta questo argomento sollevò un’altra questione: Quanta anidride carbonica c’era nella prima atmosfera? L’anidride carbonica terrestre è ora sepolta in rocce carbonatiche, come il calcare, anche se non è chiaro quando è rimasta intrappolata lì. Oggi il carbonato di calcio viene creato principalmente durante l’attività biologica; nell’eone Archeano, il carbonio potrebbe essere stato rimosso principalmente durante reazioni inorganiche.
Il rapido degassamento del pianeta liberò voluminose quantità di acqua dal mantello, creando gli oceani e il ciclo idrologico. Gli acidi che erano probabilmente presenti nell’atmosfera erodevano le rocce, formando rocce ricche di carbonati. L’importanza relativa di tale meccanismo è tuttavia dibattuta. Heinrich D. Holland dell’Università di Harvard ritiene che la quantità di anidride carbonica nell’atmosfera sia diminuita rapidamente durante l’Archeano e sia rimasta a un livello basso.
Comprendere il contenuto di anidride carbonica dell’atmosfera primitiva è fondamentale per comprendere il controllo climatico. Due campi contrastanti hanno proposto idee su come funziona questo processo. Il primo gruppo sostiene che le temperature globali e l’anidride carbonica erano controllate da feedback geochimici inorganici; il secondo afferma che erano controllate dalla rimozione biologica.
James C. G. Walker, James F. Kasting e Paul B. Hays, allora all’Università del Michigan ad Ann Arbor, hanno proposto il modello inorganico nel 1981. Hanno postulato che i livelli del gas erano alti all’inizio dell’Archeano e non sono scesi precipitosamente. Il trio suggerì che con il riscaldamento del clima, più acqua evaporava e il ciclo idrologico diventava più vigoroso, aumentando le precipitazioni e il deflusso. L’anidride carbonica nell’atmosfera si mescolava con l’acqua piovana per creare un deflusso di acido carbonico, esponendo i minerali in superficie agli agenti atmosferici. I minerali di silicato si combinavano con il carbonio che era stato nell’atmosfera, sequestrandolo nelle rocce sedimentarie. Meno anidride carbonica nell’atmosfera significava, a sua volta, meno effetto serra. Il processo di feedback negativo inorganico compensava l’aumento dell’energia solare.
Questa soluzione contrasta con un secondo paradigma: la rimozione biologica. Una teoria avanzata da James E. Lovelock, un creatore dell’ipotesi Gaia, presupponeva che i microrganismi fotosintetizzanti, come il fitoplancton, sarebbero stati molto produttivi in un ambiente ad alta anidride carbonica. Queste creature rimuovevano lentamente l’anidride carbonica dall’aria e dagli oceani, convertendola in sedimenti di carbonato di calcio. I critici hanno replicato che il fitoplancton non si era nemmeno evoluto per la maggior parte del tempo in cui la Terra ha avuto vita. (L’ipotesi Gaia sostiene che la vita sulla Terra ha la capacità di regolare la temperatura e la composizione della superficie terrestre e di mantenerla confortevole per gli organismi viventi.)
Nei primi anni ’90 Tyler Volk della New York University e David W. Schwartzman della Howard University hanno proposto un’altra soluzione Gaia. Hanno notato che i batteri aumentano il contenuto di anidride carbonica nei suoli scomponendo la materia organica e generando acidi umici. Entrambe le attività accelerano il weathering, rimuovendo l’anidride carbonica dall’atmosfera. Su questo punto, tuttavia, la controversia diventa acuta. Alcuni geochimici, tra cui Kasting, ora alla Pennsylvania State University, e Holland, postulano che mentre la vita può essere responsabile di una certa rimozione di anidride carbonica dopo l’Archeano, i processi geochimici inorganici possono spiegare la maggior parte del sequestro. Questi ricercatori vedono la vita come un meccanismo di stabilizzazione climatica piuttosto debole per la maggior parte del tempo geologico.
Ossigeno dalle alghe
La questione del carbonio rimane critica per come la vita ha influenzato l’atmosfera. L’interramento del carbonio è una chiave per il processo vitale di costruzione delle concentrazioni di ossigeno atmosferico – un prerequisito per lo sviluppo di alcune forme di vita. Inoltre, il riscaldamento globale sta avvenendo ora come risultato del rilascio di questo carbonio da parte degli esseri umani. Per un miliardo o due miliardi di anni, le alghe negli oceani hanno prodotto ossigeno. Ma poiché questo gas è altamente reattivo e poiché c’erano molti minerali ridotti negli antichi oceani – il ferro, per esempio, è facilmente ossidabile – molto dell’ossigeno prodotto dagli esseri viventi è stato semplicemente consumato prima che potesse raggiungere l’atmosfera, dove avrebbe incontrato gas che avrebbero reagito con esso.
Anche se i processi evolutivi avessero dato origine a forme di vita più complicate durante questa era anaerobica, esse non avrebbero avuto ossigeno. Inoltre, la luce ultravioletta del sole non protetta li avrebbe probabilmente uccisi se avessero lasciato l’oceano. Ricercatori come Walker e Preston Cloud, allora all’Università della California a Santa Barbara, hanno suggerito che solo circa due miliardi di anni fa, dopo che la maggior parte dei minerali ridotti nel mare sono stati ossidati, si è accumulato ossigeno atmosferico. Tra un miliardo e due miliardi di anni fa l’ossigeno raggiunse i livelli attuali, creando una nicchia per la vita in evoluzione.
Esaminando la stabilità di alcuni minerali, come l’ossido di ferro o l’ossido di uranio, Holland ha dimostrato che il contenuto di ossigeno dell’atmosfera archeana era basso prima di due miliardi di anni fa. È ampiamente accettato che l’attuale contenuto di ossigeno del 20% sia il risultato dell’attività fotosintetica. Tuttavia, la questione è se il contenuto di ossigeno nell’atmosfera è aumentato gradualmente nel tempo o improvvisamente. Studi recenti indicano che l’aumento dell’ossigeno è iniziato bruscamente tra 2,1 e 2,03 miliardi di anni fa e che la situazione attuale è stata raggiunta 1,5 miliardi di anni fa.
La presenza di ossigeno nell’atmosfera aveva un altro grande vantaggio per un organismo che cercava di vivere in superficie o sopra la superficie: proteggeva le radiazioni ultraviolette. La radiazione ultravioletta rompe molte molecole – dal DNA e l’ossigeno ai clorocarburi che sono implicati nella riduzione dell’ozono stratosferico. Tale energia scinde l’ossigeno nella forma atomica altamente instabile O, che può combinarsi di nuovo in O2 e nella molecola molto speciale O3, o ozono. L’ozono, a sua volta, assorbe le radiazioni ultraviolette. È stato solo quando l’ossigeno è stato abbastanza abbondante nell’atmosfera per permettere la formazione dell’ozono che la vita ha avuto la possibilità di mettere radici o un punto d’appoggio sulla terraferma. Non è una coincidenza che la rapida evoluzione della vita dai procarioti (organismi unicellulari senza nucleo) agli eucarioti (organismi unicellulari con un nucleo) ai metazoi (organismi multicellulari) abbia avuto luogo nell’era dell’ossigeno e dell’ozono, lunga un miliardo di anni.
Anche se l’atmosfera stava raggiungendo un livello abbastanza stabile di ossigeno durante questo periodo, il clima era difficilmente uniforme. C’erano lunghe fasi di calore o di freddo relativo durante la transizione al tempo geologico moderno. La composizione dei gusci di plancton fossili che vivevano vicino al fondo dell’oceano fornisce una misura delle temperature dell’acqua del fondo. Il record suggerisce che negli ultimi 100 milioni di anni le acque di fondo si sono raffreddate di quasi 15 gradi Celsius. Il livello del mare è sceso di centinaia di metri e i continenti si sono allontanati. I mari interni sono per lo più scomparsi e il clima si è raffreddato in media di 10-15 gradi C. Circa 20 milioni di anni fa sembra che il ghiaccio permanente si sia accumulato sull’Antartide.
Circa due milioni o tre milioni di anni fa il record paleoclimatico inizia a mostrare espansioni e contrazioni significative di periodi caldi e freddi in cicli di circa 40.000 anni. Questa periodicità è interessante perché corrisponde al tempo necessario alla Terra per completare un’oscillazione dell’inclinazione del suo asse di rotazione. È stato a lungo ipotizzato, e recentemente calcolato, che i noti cambiamenti nella geometria orbitale potrebbero alterare la quantità di luce solare che entra tra l’inverno e l’estate di circa il 10% e potrebbe essere responsabile dell’inizio o della fine delle ere glaciali.
La mano calda dell’uomo
Più interessante e sconcertante è la scoperta che tra 600.000 e 800.000 anni fa il ciclo dominante è passato da periodi di 40.000 anni a intervalli di 100.000 anni con grandi oscillazioni. L’ultima grande fase di glaciazione è finita circa 10.000 anni fa. Al suo apice, 20.000 anni fa, lastre di ghiaccio spesse circa due chilometri coprivano gran parte dell’Europa settentrionale e del Nord America. I ghiacciai si espansero in altipiani e montagne in tutto il mondo. Abbastanza ghiaccio fu rinchiuso sulla terraferma per far scendere il livello del mare più di 100 metri al di sotto di quello attuale. Enormi lastre di ghiaccio raschiarono la terra e rinnovarono la faccia ecologica della Terra, che era mediamente più fredda di ve gradi C rispetto ad oggi.
Le cause precise dei più lunghi intervalli tra periodi caldi e freddi non sono ancora state chiarite. Le eruzioni vulcaniche possono aver giocato un ruolo importante, come dimostrato dall’effetto di El Chichón in Messico e del Monte Pinatubo nelle Filippine. Eventi tettonici, come lo sviluppo dell’Himalaya, possono aver influenzato il clima mondiale. Anche l’impatto delle comete può influenzare le tendenze climatiche a breve termine con conseguenze catastrofiche per la vita. È notevole che, nonostante le violente ed episodiche perturbazioni, il clima sia stato sufficientemente tamponato da sostenere la vita per 3,5 miliardi di anni.
Una delle più importanti scoperte climatiche degli ultimi 30 anni è venuta dalle carote di ghiaccio in Groenlandia e Antartide. Quando la neve cade su questi continenti ghiacciati, l’aria tra i grani di neve è intrappolata come bolle. La neve viene gradualmente compressa in ghiaccio, insieme ai gas catturati. Alcune di queste registrazioni possono risalire a più di 500.000 anni fa; gli scienziati possono analizzare il contenuto chimico del ghiaccio e delle bolle da sezioni di ghiaccio che si trovano fino a 3.600 metri di profondità sotto la superficie.
Le carote di ghiaccio hanno determinato che l’aria respirata dagli antichi Egizi e dagli Indiani Anasazi era molto simile a quella che inaliamo oggi, tranne che per una serie di inquinanti introdotti negli ultimi 100 o 200 anni. I principali tra questi gas aggiunti, o inquinanti, sono l’anidride carbonica extra e il metano. Dal 1860 circa – l’espansione della rivoluzione industriale – i livelli di anidride carbonica nell’atmosfera sono aumentati di oltre il 30% come risultato dell’industrializzazione e della deforestazione; i livelli di metano sono più che raddoppiati a causa dell’agricoltura, dell’uso della terra e della produzione di energia. La capacità dell’aumento di questi gas di intrappolare il calore è ciò che guida le preoccupazioni sul cambiamento climatico nel 21° secolo.
Le carote di ghiaccio hanno dimostrato che i tassi naturali sostenuti di cambiamento della temperatura mondiale sono in genere circa un grado C per millennio. Questi spostamenti sono ancora abbastanza significativi da aver alterato radicalmente dove vivono le specie e aver potenzialmente contribuito all’estinzione di megafaune carismatiche come i mammut e le tigri dai denti a sciabola. Ma la storia più straordinaria delle carote di ghiaccio non è la relativa stabilità del clima negli ultimi 10.000 anni. Sembra che durante il culmine dell’ultima era glaciale, 20.000 anni fa, c’era il 50% in meno di anidride carbonica e meno della metà del metano nell’aria rispetto alla nostra epoca, l’Olocene. Questo dato suggerisce un feedback positivo tra anidride carbonica, metano e cambiamento climatico.
Il ragionamento che sostiene l’idea di questo sistema di feedback destabilizzante va come segue. Quando il mondo era più freddo, c’era meno concentrazione di gas serra, e quindi meno calore veniva intrappolato. Quando la Terra si è riscaldata, i livelli di anidride carbonica e metano sono aumentati, accelerando il riscaldamento. Se la vita ha avuto una mano in questa storia, sarebbe stato per guidare, piuttosto che per opporsi, al cambiamento climatico. Sembra sempre più probabile che quando gli esseri umani sono diventati parte di questo ciclo, anche loro hanno contribuito ad accelerare il riscaldamento. Tale riscaldamento è stato particolarmente pronunciato dalla metà del 1800 a causa delle emissioni di gas serra dovute all’industrializzazione, al cambiamento dell’uso del suolo e ad altri fenomeni. Ancora una volta, però, le incertezze rimangono.
Nonostante, la maggior parte degli scienziati concorda sul fatto che la vita potrebbe essere il fattore principale nel feedback positivo tra il cambiamento climatico e i gas serra. C’è stato un rapido aumento della temperatura media della superficie globale alla fine del 20° secolo. Infatti, il periodo dagli anni ’80 in poi è stato il più caldo degli ultimi 2.000 anni. Diciannove dei 20 anni più caldi registrati si sono verificati dal 1980, e i 12 più caldi si sono verificati tutti dal 1990. L’anno più caldo di tutti i tempi è stato il 1998, e il 2002 e il 2003 sono stati rispettivamente al secondo e al terzo posto. Ci sono buone ragioni per credere che il decennio degli anni ’90 sarebbe stato ancora più caldo se il Monte Pinatubo non avesse eruttato: questo vulcano ha messo abbastanza polvere nell’alta atmosfera da bloccare parte della luce solare incidente, causando un raffreddamento globale di qualche decimo di grado per diversi anni.
Il riscaldamento degli ultimi 140 anni potrebbe essere avvenuto naturalmente? Con sempre maggiore certezza, la risposta è no.
Il riquadro a destra mostra un notevole studio che ha tentato di spostare indietro il record di temperatura dell’emisfero settentrionale di ben 1.000 anni. Il climatologo Michael Mann dell’Università della Virginia e i suoi colleghi hanno eseguito una complessa analisi statistica che ha coinvolto circa 112 diversi fattori legati alla temperatura, compresi gli anelli degli alberi, l’estensione dei ghiacciai di montagna, i cambiamenti nelle barriere coralline, l’attività delle macchie solari e il vulcanismo.
Il record di temperatura risultante è una ricostruzione di ciò che si sarebbe potuto ottenere se fossero state disponibili misure basate su termometri. (Le misure di temperatura effettive sono utilizzate per gli anni dopo il 1860.) Come mostrato dall’intervallo di confidenza, c’è una notevole incertezza in ogni anno di questa ricostruzione della temperatura di 1.000 anni. Ma la tendenza generale è chiara: una graduale diminuzione della temperatura nei primi 900 anni, seguita da una forte ripresa della temperatura nel 20° secolo. Questo grafico suggerisce che il decennio degli anni ’90 non è stato solo il più caldo del secolo, ma dell’intero millennio passato.
Studiando la transizione dall’atmosfera ad alta anidride carbonica e basso ossigeno dell’Archeano all’era del grande progresso evolutivo circa mezzo miliardo di anni fa, diventa chiaro che la vita può essere stata un fattore di stabilizzazione del clima. In un altro esempio – durante le ere glaciali e i cicli interglaciali – la vita sembra avere la funzione opposta: accelerare il cambiamento piuttosto che diminuirlo. Questa osservazione ha portato uno di noi (Schneider) a sostenere che il clima e la vita si sono coevoluti piuttosto che la vita serve solo come feedback negativo sul clima.
Se noi umani ci consideriamo parte della vita, cioè parte del sistema naturale, allora si potrebbe sostenere che il nostro impatto collettivo sulla Terra significa che possiamo avere un ruolo co-evolutivo significativo nel futuro del pianeta. Le attuali tendenze di crescita della popolazione, le richieste di aumentare gli standard di vita e l’uso della tecnologia e delle organizzazioni per raggiungere questi obiettivi orientati alla crescita contribuiscono all’inquinamento. Quando il prezzo dell’inquinamento è basso e l’atmosfera è usata come una fogna gratuita, l’anidride carbonica, il metano, i clorocarburi, gli ossidi di azoto, gli ossidi di zolfo e altre sostanze tossiche possono accumularsi.
Cambiamenti drastici in vista
Nel loro rapporto sui cambiamenti climatici del 2001, gli esperti di clima del Comitato intergovernativo sui cambiamenti climatici hanno stimato che il mondo si riscalderà tra 1,4 e 5,8 gradi C entro il 2100. L’estremità mite di questo intervallo – un tasso di riscaldamento di 1,4 gradi C per 100 anni – è ancora 14 volte più veloce di un grado C per 1.000 anni che storicamente è stato il tasso medio di cambiamento naturale su scala globale. Se dovesse verificarsi l’estremo superiore della gamma, allora potremmo vedere tassi di cambiamento climatico quasi 60 volte più veloci delle condizioni medie naturali, il che potrebbe portare a cambiamenti che molti considererebbero pericolosi. Un cambiamento a questo ritmo costringerebbe quasi certamente molte specie a tentare di spostare le loro gamme, proprio come hanno fatto dalla transizione era glaciale/interglaciale tra 10.000 e 15.000 anni fa. Non solo le specie dovrebbero rispondere al cambiamento climatico a tassi da 14 a 60 volte più veloci, ma poche avrebbero rotte migratorie aperte e indisturbate come alla fine dell’era glaciale e all’inizio dell’era interglaciale. Gli effetti negativi di questo significativo riscaldamento – sulla salute, l’agricoltura, la geografia costiera e i siti del patrimonio, per citarne alcuni – potrebbero anche essere gravi.
Per fare le proiezioni critiche del futuro cambiamento climatico necessarie per capire il destino degli ecosistemi sulla Terra, dobbiamo scavare attraverso la terra, il mare e il ghiaccio per imparare il più possibile dai dati geologici, paleoclimatici e paleoecologici. Queste registrazioni forniscono lo sfondo su cui calibrare gli strumenti grezzi che dobbiamo usare per scrutare in un oscuro futuro ambientale, un futuro sempre più influenzato da noi.
Gli autori
CLAUDE J. ALLGRE e STEPHEN H. SCHNEIDER studiano vari aspetti della storia geologica della Terra e del suo clima. Allgre è professore all’Università di Parigi e dirige il dipartimento di geochimica dell’Istituto Geofisico di Parigi. È un membro straniero dell’Accademia Nazionale delle Scienze. Schneider è professore nel dipartimento di scienze biologiche dell’Università di Stanford e co-direttore del Center for Environmental Science and Policy. È stato premiato con un MacArthur Prize Fellowship nel 1992 ed è stato eletto membro dell’Accademia Nazionale delle Scienze nel 2002.