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mercoledì 20 giugno 2012

L'estinzione di massa di fine Ordoviciano Parte 2: I basalti e il crollo della CO2

Per chi non ha seguito la prima parte della storia (necessaria), leggere qui

Poco prima dell'Hirnantiano e della glaciazione che caratterizza quest'ultimo piano dell'Ordoviciano, è avvenuto un leggero periodo di riscaldamento globale (Fortey and Cocks, 2005), chiamato "Boda event" (d'ora in poi BE), circa 447 milioni di anni fa. Questo picco di temperatura, avvenuto in un clima già piuttosto caldo e umido come quello che caratterizzò tutto l'Ordoviciano, è segnalato da un incremento dell pC02 atmosferica, da un aumento del delta C13 e da tracce biologiche correlate ad un aumento della produttività primaria, soprattutto per quanto riguarda i coralli.
Come abbiamo visto nel post precedente, circa 1-2 milioni di anni dopo, iniziò un periodo di intenso raffredamento globale, con un crollo della concentrazione di CO2 e l'inizio di una fase glaciale molto intensa.
Qualcosa, dunque, non torna.
Com'è possibile che si inneschi un periodo glaciale in un momento di alte temperature?
A questa domanda hanno tentato di rispondere in molti.

Alcuni (ad esempio Brenchley et al., 1995) hanno messo in relazione l'insorgere della glaciazione con un crollo della pCO2 dovuto al seppellimento dei carbone organico a causa di un aumento della produttività primaria. Infatti, un rapido seppellimento avrebbe sottratto dai processi di decomposizione (che rilasciano CO2) un gran quantitativo di materiale inorganico, provocando un abbassamento dell'input e quindi una riduzione dell'anidride carbonica atmosferica. Tuttavia, questa ipotesi sembra essere poco sostenuta dai dati (Sheehan, 2001).

Altri (ad esempio Kump et al., 1999), hanno correlato l'innesco della glaciazione con la riduzione della pC02 dovuta alla sotrazione di anidride carbonica da parte dell'alterazione dei silicati.

Oggi, quando si parla di Global warming, di problemi legati all'immissione di CO2, ci si dimentica sempre di spiegare che la Terra ha anche meccanismi di output, che tolgono la C02 dell'atmosfera, a volte in modo molto efficace.
Il principale output riguarda l'alterazione delle rocce silicatiche e carbonatiche: attraverso reazioni chimiche, le rocce silicatiche e (in parte minore) le rocce carbonatiche si alterano, utilizzando due (una per le carbonatiche) molecole di CO2, una molecola di acqua e una molecola di, ad esempio, wallastonite (CaSiO3), rilasciando una molecola di calcio, una molecola di ossido di silicio e due molecole di bicarbonato. In questo modo, l'alterazione dei silicati permette di togliere anidride carbonica dall'atmosfera.

http://climotope.earth.ox.ac.uk/research/weathering_and_isotopes
Condizioni climatiche e alterazione dei silicati.
Dunque, la Terra trova nell'alterazione di questo tipo di rocce (e in altri processi, come fenomeni di metamorfismo o la fotosintesi), un ottimo metodo per togliere CO2 dall'atmosfera e mantenere un certo equilibrio con l'input (dato essenzialmente dai vulcani).
Inoltre, alcuni studi (esempio Walker et al., 1981) hanno evidenziato come questo processo sia correlato con l'aumento delle temperature e delle piogge (serve acqua per la reazione), i principali effetti dell'aumento di C02. Quindi, aumenta la CO2, aumentano le temperature, aumentano le precipitazioni, le rocce silicatiche e carbonatiche "sentono" questo aumento di temperature e l'abbondanza di acqua e iniziano ad alterarsi, sottraendo anidride carbonica dall'atmosfera. E così il contrario, con un clima secco e freddo che limita questi processi e diminuisce l'output (oggi fa abbastanza freddo da limitare l'output, abbiamo tante rocce carbonatiche in siberia che aspettano sono che arrivi caldo anche da loro per poter "ciucciare" un bel pò di CO2 dall'atmosfera).
Avere tante rocce di questo tipo al posto giusto, dove fa caldo e umido, può portare ad  un intenso meccanismo di sottrazione di C02.

Ed è proprio a questo che hanno pensato Vincent Lefebvre e colleghi, in un recente articolo uscito nel 2010, per tentare non solo di spiegare l'avvento della glaciazione hirnantiana, ma anche il suo possibile legame con il BE.
Circa 1-2 milioni di anni prima dell'inizio dell'Hirnantiano si verifica il BE, segnalato anche da un aumento della pC02. Oggi come all'ora, il principale input di CO2 in atmosfera è rappresentato dai vulcani, mentre l'output primario dall'alterazione delle rocce silicatiche. 
Come collegare i due eventi?

Secondo Lefebvre et al. (2010), il Boda Event rappresenterebbe la conseguenza della messa in posto di una grande provincia magmatica (ossia della formazione di una vasta superficie di basalti dovuta alla fuoriuscita di magma mantellico in una zona della crosta), dell'area di circa 2,5 milioni di kilometri quadrati (più o meno come quella effettivamente avvenuta in Siberia alla fine del Permiano). Questa superficie di rocce magmatiche si sarebbe formata a circa 15 gradi di latitudine sud (più o meno dove a quel tempo c'era il continente di Laurentia), in un tempo di circa 600.000 anni.
L'esistenza di un evento di questo tipo, già proposta nel 2004 da Barnes, avrebbe avuto come conseguenza l'immissione di una notevole quantità di CO2 in atmosfera, con innalzamento della temperatura (BE), e sarebbe anche collegata con un aumento della produttività (data dall'emissione di nutrienti negli ambienti marini) e dell'espansione delle barriere coralline (Servais et al., 2008).
Una volta consolidatisi, i basalti, trovandosi in un clima caldo e umido, ad una latitudine equatoriale, avrebbero però cominciato un'intensa fase di alterazione, sottraendo una grande quantità di CO2. Come evidenziato da studi effettuati nel 2003 da Dessert e colleghi (2003), il consumo di anidride carbonica delle rocce basaltiche è da 5 a 10 volte piàù alto di quelle granitiche e tremendamente efficace, tale che alla fine del "consume" l'atmosfera ordoviciana si sarebbe trovata con molta meno CO2 rispetto a quella iniziale.
Questo crollo della CO2 portò inesorabilmente ad una diminuzione delle temperature, innescando l'insorgere della glaciazione. La glaciazione, si sarebbe poi autoalimentata grazie anche al feedback positivo dovuto dalla forte albedo del ghiaccio, che essendo bianco riflette moltissimo i raggi solari ed evita al ghiaccio stesso di riscaldarsi, alimentando la sua espansione.

Grafico che mette a confronto tre importanti dai per valutare il clima di fine Ordoviciano. Notare come  il Boda Event corrisponda con un picco nella pC02, nel delta C13 e nella produttività delle barriere coralline, e come dopo questo evento tutti e tre i parametri collassino quasi contemporaneamente. Immagine da Lefebvre et al., 2011

Benché questo modello sia molto ragionevole, non sono state trovate evidenze dirette di questa grande provincia basaltica. Tuttavia, analisi isotopiche sullo stronzio e dati geologici quali la presenza di estesi livelli di scisti neri e di depositi prodotti dall'alterazione dei basalti (ed altro ancora, vedere Lefebvre, 2010), sembrano essere dati a favore di questa ipotesi.

La diminuzione della C02, l'alternanza climatica e la rapidità dell'innesco della glaciazione avrebbero poi causato la morte di un gran numero di forme di vita, abituate al clima clado tropicale dell'Ordoviciano.

Ma fu veramente solo la glaciazione e il raffreddamento globale a provocare la LOME?
Oppure ci sono anche altri eventi che possono spiegarci, ad esempio, le numerose estinzioni a livello locale che avvennero anche nella zona equatoriale? E quali gruppi furono più duramente colpiti? Chi si salvo?

Tutto questo nell'ultimo post della serie...

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Bibliografia:

- Barnes, C., 2004. 
Was there an Ordovician superplume event? In: Webby B.D., Paris F., Droser M. and  Percival, I. (Eds.), The Great Ordovician Biodiversification Event. Columbia University Press, New York, pp. 77–80.

- Brenchley P.J., Carden, G.A.F., Marshall J.D., 1995
Environmental changes associated with the ’first strike’ of the late Ordovician mass extinction. Modern Geology 20: 69–82

- Dessert C., Dupré B., Gaillardet J., Francois L.M. and Allègre, C.J., 2003
Basalt weathering laws and the impact of basalt weath ering on the global carbon cycle. Chemical Geology 202: 257-273.

- Fortey R.A., Cocks L.R.M., 2005
Late Ordovician global warming—the Boda event.Geology 33: 405–408.

- Kump L.R., Arthur M.A., Patzkowsky M., Gibbs M., Pinkus D. and Sheehan P., 1999
A weathering hypothesis for glaciation at high atmosphericp CO2 during the Late Ordovician. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 152: 173– 187.

- Lefebvre L., Servais T.., Francois L., Averbuch O., 2010
Did a Katian large igneous province trigger the Late Ordovician glaciation? Ahypothesis tested with carbon cycle model. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 296: 310 - 319

- Servais T., Lehnert O., Li J., Mullins G.L., Munnecke A., Nützel A., Vecoli M., 2008
The Ordovician biodiversification: revolution in the oceanic trophic chain. Lethaia 41: 99–109.

- Sheehan P. M., 2001
The Late Ordovician Mass Extinction. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 29: 331 - 364 

- Walker J.C.G., Hays P.B. and Kasting J.F. 1981
A negative feedback mechanism for the long-term stabilization of earth's surface temperature. Journal of Geophysical Research 86: 9776 - 9782

(non citato) presentazione power point: "The Late Ordovician Mass Extinction: the forgotten extinction" presentato da Marco Castiello durante il corso di "Evoluzione Geologica di un Pianeta Abitale", prof. Giovanni Muttoni, Università degli studi di Milano, Corso di Laurea Magistrale in Scienze della Natura (più appunti del corso).

4 commenti:

Giuliano Persali ha detto...

Ciao Marco, come già sai trovo molto interessante questo meccanismo di sottrazione della CO2 tramite alterazione di rocce silicatiche e carbonatiche.
é un peccato che fenomeni geologici di tale importanza siano sconosciuti alla maggior parte delle persone e anche a molti scienziati che si occupano di clima.
Qundi bel post! :)

MarcoCasti ha detto...

A tal proposito ti consiglio di scaricarti le interessanti pubblicazioni di Dessert et al. 2003 e di Walker et al., 1981. Leggere direttamente le cose da chi le studia è meglio che leggerle in via indiretta ;-)

Grazie comunque dei complimenti.

Aldo Piombino ha detto...

Marco, due domande:
1. gli scisti neri possono essere derivati da condizioni anossiche?
2. perchè se anche in questa estinzione c'è lo zampino di una LIP in questo caso è seguita una glaciazione e dopo no? forse la radiazione solare si è sufficientemente innalzata per non permetterlo?

MarcoCasti ha detto...

Ciao Aldo
per quanto riguarda la prima domanda, mi appello a quanto dice Lefebvre (che a sua volta cita Barnes, 2004) indicando negli scisti neri una traccia di un evento di superplutone. Suppongo (ma sei tu il geologo) che le argilliti nere non si formino solo nelle zone anossiche ma possano anche essere composti da ceneri o da materiale di tipo vulcanico. E' una situazione diversa dai black shale del bonarelli o di besano che siamo abituati a conoscere.

Seconda domanda: non ho capito in che senso "dopo no"...Intendi perchè ad un certo punto la calotta glaciale si è sciolta? Bè, le rocce silicatiche e carbonatiche sono molto sensibili alle temperature, dunque all'inizio, con l'aumento di T e dell0'umijdità provocato dall'aumento di CO2 in atmosfera dato dal LIP, esse hanno cominciato a impoverire l'atmosfera di CO2, provocando un era glaciale. Poi però, quando le temperature sono state diventate troppo basse, anche la loro capacità di assorbimento è diminuita. Inoltre Lefebvre diche se non si trovano più se non i resti di questa LIP perchè si è alterata tutta (provonmcando perciò un effetto così veloce e drastico). Alla fine, la glaciazione è scomparsa probabilmente perchè sono venute le meno le condizioni che alimentavano questa glaciazione (in particolare questo continuo lavoro dell'alterazione dei silicati). I dati ci dicono che la calotta glaciale si è sciolta piuttosto velocemente, forse grazie anche allo spostamento dei continenti e a cambiamento delle correnti oceaniche. Lo scenario è un pò lo stesso di quello ipotizato per i grandi cilci di glaciazione del Pleistocene. Per quanto riguarda la radiazione solare, si pensa che nel'Ordoviciano fosse del 5% minore di quella attuale. Non ho idea se nel siluriano essa si sia alzata. Se hai opinioni in merito potrebbe essere un interessante approfondimento.

So di non aver risposto molto efficamente alle tue domande. Sono un naturalista e quindi non ho la tua conoscienza geologica, tento di fare quello che mi è possibile.

Grazie comunque del commento

Marco