Da circa settant’anni un interrogativo scientifico interessava la ricerca paleoclimatologica ed in particolare quella legata alla conoscenza dell’Antartide e dei suoi misteri plurimillenari: perché la relazione tra gli isotopi dell’acqua nelle carote di ghiaccio antartiche e la temperatura cambia in modo così marcato nello spazio e nel tempo. Un interrogativo certamente ed assolutamente scientifico che può dire poco a noi comuni mortali e lettori e tuttavia di rilevante importanza per la scienza ed in particolare di quella branca che occupa di capire le dinamiche e le evoluzioni dell’antico clima della Terra e delle zone in questo senso più ricche di ancestrali documentazioni: la paleoclimatologia appunto!

Un recente studio pubblicato su Nature Geoscience sembra aver aperto le porte alla comprensione e alla corretta conoscenza dei fenomeni rilevati ed oggetto di studio. Così dopo settanta anni di interrogativi e prove si è cominciato a chiarire quello che appariva un vero e proprio dilemma, fornendo una nuova chiave di lettura del cosiddetto “termometro isotopico”, che gli scienziati definiscono uno strumento fondamentale per ricostruire il clima del passato.

La ricerca è stata condotta da un team internazionale guidato da Mathieu Casado del Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE, CNRS, CEA, UVSQ, Université Paris-Saclay). E tra scienziati e ricercatori coinvolti figurano Barbara Stenni e Giuliano Dreossi dell’Università Ca’ Foscari Venezia, Agnese Petteni, recentemente dottorata in Scienze polari a Ca’ Foscari, e Andrea Spolaor dell’Istituto di scienze polari del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Isp).

La storia comincia, come detto, negli anni Cinquanta del secolo scorso, poco dopo la fine della seconda guerra mondiale. Fin dai lavori pionieristici di Willi Dansgaard e Claude Lorius, la comunità scientifica ha utilizzato la composizione isotopica dell’acqua nelle carote di ghiaccio (ovvero il rapporto tra isotopi pesanti e leggeri) come paleotermometro per ricostruire le temperature del passato.

Per provare a capire qualcosa di più, va ricordato che per isotopo si intende un atomo di uno stesso elemento chimico che possiede lo stesso numero atomico ma un diverso numero di massa. In parole più semplici, gli atomi hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni (e quindi le stesse proprietà chimiche), ma un numero variabile di neutroni e, di conseguenza, un peso atomico diverso.

L’approccio con questo paleotermometro, però, ha sempre presentato un limite importante: la relazione tra isotopi e temperatura non è costante e risulta più forte tra luoghi diversi che nello stesso luogo in momenti diversi.

A complicare il quadro, chi scrive come chi legge non aveva dubbi al riguardo, c’era anche il fatto che le relazioni spaziali e temporali – come sottolineano gli esperti – venivano stimate con metodi di osservazione diversi: le prime a partire da campioni di firn, cioè neve compattata, e ghiaccio accumulati anche su più di dieci anni; le seconde da singoli eventi giornalieri di precipitazione nevosa. Restava quindi da capire se questa differenza dipendesse dal campionamento oppure fosse una proprietà intrinseca del sistema idroclimatico.

Per rispondere, il team ha utilizzato una metodologia avanzata basata sulla spettroscopia ad assorbimento laser, misurando in tempo reale gli isotopi del vapore acqueo durante una traversata di 3.500 chilometri nell’Antartide orientale.

Cerchiamo di capire allora di cosa parliamo! La spettroscopia ad assorbimento laser è una tecnica analitica che misura la concentrazione di molecole (spesso in fase gassosa) sfruttando l'assorbimento della luce. Un laser sintonizzato su una specifica lunghezza d'onda attraversa il campione: le molecole assorbono l'energia e la concentrazione viene calcolata in tempo reale tramite la legge di Beer-Lambert. Questa stabilisce come l'intensità di un fascio di luce diminuisce quando attraversa un mezzo assorbente. È la base fondamentale della spettrofotometria, poiché stabilisce una relazione lineare tra l'assorbanza (la quantità di luce assorbita) e la concentrazione della soluzione.

Per descrivere il senso e il risultato di questa ricerca utilizziamo le parole degli addetti ai lavori: “questa campagna ci ha permesso di raggiungere aree dell’Antartide orientale ancora poco esplorate dal punto di vista glaciologico e atmosferico, raccogliendo campioni e dati preziosi per comprendere meglio i processi che regolano il clima polare”, ha sottolineato Andrea Spolaor del Cnr-Isp di Venezia, che ha partecipato alla traversata.

Poter osservare direttamente come varia la composizione isotopica del vapore acqueo lungo un percorso così esteso ci ha dato un’opportunità unica: collegare le misure sul campo alle precipitazioni, alla neve superficiale e ai modelli climatici, mettendo insieme elementi che finora erano stati analizzati separatamente. È proprio questa integrazione che ci ha aiutato a capire meglio l’origine delle differenze tra le relazioni isotopi-temperatura nello spazio e nel tempo.

Qualche luce si accende nella nostra comprensione ancorché imperfetta. Integrando queste misurazioni con dati raccolti in stazioni fisse, relativi al vapore acqueo, alle precipitazioni e alla composizione isotopica della neve superficiale, e con simulazioni di modelli climatici, il gruppo di ricerca ha identificato i meccanismi fisici che spiegano le differenze nella relazione isotopi-temperatura.

Lo studio mostra dunque che queste differenze sono determinate dalla circolazione atmosferica su larga scala e dal trasporto di umidità. Quando le masse d’aria si spostano dalla costa verso l’interno dell’Antartide, questo l’assunto, l’umidità subisce un processo di distillazione che ne modifica la composizione isotopica; questo processo varia soprattutto da una zona all’altra del continente, più che nello stesso luogo nel corso del tempo. Il team ha così sviluppato un quadro concettuale che tiene conto dei percorsi caratteristici lungo i quali l’umidità si muove dalle basse latitudini verso i poli.

“Le quote più elevate dell’altopiano antartico sono collegate a regioni sorgenti dell’umidità più lontane”, ha spiegato Barbara Stenni, professoressa dell’Università Ca’ Foscari Venezia e coautrice dello studio. “Poiché l’umidità che raggiunge le aree più elevate compie un percorso più lungo nel ciclo dell’acqua, osserviamo una maggiore sensibilità tra rapporto isotopico e temperatura. Questo ci permette di spiegare perché la relazione isotopi-temperatura nello spazio differisca da quella osservata nel tempo e di calibrare meglio il paleotermometro isotopico. È un risultato importante perché consente di interpretare con maggiore sicurezza i dati delle carote di ghiaccio e apre nuove prospettive per comprendere il ruolo dell’Antartide nella storia climatica della Terra e nei cambiamenti climatici globali.”

Lo studio è stato condotto nell’ambito dell’East Antarctic International Ice Sheet Traverse (EAIIST), uno sforzo collaborativo che coinvolge ricercatori provenienti da Francia, Italia, Australia, Stati Uniti, Giappone, Germania, Belgio e Irlanda. Il progetto è stato sostenuto dall’Agenzia Nazionale della Ricerca francese (ANR), dalla Fondazione BNP Paribas, dal Consiglio Europeo della Ricerca e dall’Istituto Polare Francese (IPEV). Giuliano Dreossi e Barbara Stenni (responsabile scientifica italiana del progetto EAIIST) dell'Università Ca’ Foscari di Venezia hanno contribuito all’analisi della composizione isotopica delle precipitazioni antartiche presso il sito di Concordia.

Queste precipitazioni vengono tuttora raccolte giornalmente dal personale impegnato durante l’inverno antartico della base nell’ambito del progetto PNRA AIR-FLOC. Agnese Petteni, neo-dottorata in Scienze Polari, ha utilizzato questi dati per collaborare con Mathieu Casado nella ricostruzione del clima degli ultimi 200 anni, utilizzando le carote di ghiaccio prelevate lungo la traversata EAIIST. Il progetto EAIIST in Italia è stato finanziato dal PNRA (Programma Nazionale per la Ricerca in Antartide).