Il lungo ritardo ha sempre lasciato perplessi gli scienziati: Perché l’Antartide si è ricoperta di enormi lastre di ghiaccio 34 milioni di anni fa, mentre l’Oceano Artico ha acquisito la sua calotta di ghiaccio solo circa 3 milioni di anni fa?

Dalla fine dell’Era Cretacea estremamente calda, dominata dai dinosauri, 65 milioni di anni fa, i gas serra che intrappolano il calore nell’atmosfera sono costantemente diminuiti (con l’eccezione anomala dell’ultimo secolo), e il pianeta nel suo complesso si è costantemente raffreddato. Allora perché entrambi i poli non si sono congelati nello stesso momento?

La risposta al paradosso sta nella complessa interazione tra i continenti, gli oceani e l’atmosfera. Come i pezzi di un puzzle, le placche tettoniche in movimento della Terra si sono riorganizzate sulla superficie del globo, spostando le configurazioni degli oceani, alterando la circolazione oceanica e causando cambiamenti nel clima.

Lo sviluppo delle lastre di ghiaccio nell’emisfero meridionale circa 34 milioni di anni fa sembra abbastanza semplice. Il supercontinente Gondwana si ruppe, separandosi in sottosezioni che divennero Africa, India, Australia, Sud America e Antartide. I passaggi si aprirono tra questi nuovi continenti, permettendo agli oceani di scorrere tra di loro.

Quando l’Antartide fu finalmente separato dalla punta meridionale del Sud America per creare il Passaggio di Drake, l’Antartide divenne completamente circondato dall’Oceano del Sud. La potente corrente circumpolare antartica iniziò a spazzare tutto intorno al continente, isolando efficacemente l’Antartide dalla maggior parte del calore degli oceani globali e provocando un raffreddamento su larga scala.

L’emisfero nord è più problematico. Da carote di sedimenti e altri dati, sappiamo che fino a circa 5 milioni di anni fa, il Nord e il Sud America non erano collegati. Un’enorme lacuna – la via marittima centroamericana – permetteva all’acqua tropicale di scorrere tra gli oceani Atlantico e Pacifico.

Un numero crescente di prove suggerisce che la formazione dell’istmo di Panama ha diviso gli oceani Atlantico e Pacifico e ha cambiato radicalmente la circolazione oceanica globale. La chiusura della via marittima centroamericana inizialmente potrebbe aver riscaldato il clima della Terra, ma poi ha posto le basi per la glaciazione nell’emisfero settentrionale 2,7 milioni di anni fa.

Il trasportatore oceanico

Un elemento fondamentale del sistema climatico di oggi è un modello di circolazione oceanica simile a un trasportatore che distribuisce grandi quantità di calore e umidità intorno al nostro pianeta. Questa circolazione globale è spinta dall’affondamento delle acque oceaniche fredde e salate, e quindi dense.

Nell’oceano di oggi, l’acqua superficiale calda e salata dei Caraibi, del Golfo del Messico e dell’Atlantico equatoriale scorre verso nord nella corrente del Golfo. Quando l’acqua calda raggiunge le alte latitudini del Nord Atlantico, cede calore e umidità all’atmosfera, lasciando acqua fredda, salata e densa che affonda sul fondo dell’oceano. Quest’acqua scorre in profondità, verso sud e sotto la Corrente del Golfo, verso l’Oceano del Sud, poi attraverso gli oceani Indiano e Pacifico. Alla fine, l’acqua si mescola con acqua più calda e ritorna nell’Atlantico per completare la circolazione.

Il motore principale di questa circolazione globale, spesso chiamata il trasportatore oceanico, è la differenza di contenuto salino tra gli oceani Atlantico e Pacifico. Prima che esistesse l’istmo di Panama, le acque superficiali del Pacifico scorrevano nell’Atlantico. Le loro acque si mescolavano, bilanciando approssimativamente la salinità dei due oceani.

Circa 5 milioni di anni fa, le placche nordamericana, sudamericana e caraibica iniziarono a convergere. Il graduale inabissamento della via marittima centroamericana cominciò a limitare lo scambio di acqua tra il Pacifico e l’Atlantico, e le loro salinità divergevano.

L’evaporazione nell’Atlantico tropicale e nei Caraibi lasciò le acque oceaniche più salate e immise vapore acqueo fresco nell’atmosfera. Gli alisei trasportavano il vapore acqueo da est a ovest attraverso il basso istmo di Panama e depositavano acqua fresca nel Pacifico attraverso le precipitazioni. Di conseguenza, il Pacifico divenne relativamente più fresco, mentre la salinità aumentava lentamente e costantemente nell’Atlantico.

Come risultato della chiusura della Seaway, la Corrente del Golfo si intensificò. Trasportava masse d’acqua più calde e salate alle alte latitudini settentrionali, dove i venti artici le raffreddavano finché non diventavano abbastanza dense da affondare sul fondo dell’oceano. L’Ocean Conveyor stava rotolando, attirando ancora più acque della Corrente del Golfo verso nord.

Rivolgendo la Corrente del Golfo

Come fa questo a produrre ghiaccio nel Nord?

Peter Weyl ipotizzò nel 1968 che la chiusura della Via Marina centroamericana e l’intensificazione della Corrente del Golfo avrebbero portato un ingrediente critico per la crescita degli strati di ghiaccio nell’emisfero nord: l’umidità. La teoria di Weyl presupponeva che la chiusura della via marittima centroamericana e l’accumulo di sale nell’Atlantico coincidessero con la crescita delle calotte glaciali settentrionali tra 3,1 e 2,7 milioni di anni fa.

Ma i dubbi su questa ipotesi emersero nel 1982, quando Lloyd Keigwin trovò prove nei sedimenti oceanici che la chiusura dell’istmo di Panama aveva influenzato la circolazione oceanica più di un milione di anni prima. Egli dimostrò che il contrasto di salinità tra l’Atlantico e il Pacifico aveva già iniziato a svilupparsi da 4,2 milioni di anni fa.

Nel 1998, Gerald Haug e Ralf Tiedemann confermarono la ricerca di Keigwin con dati ad alta risoluzione da carote di sedimenti. Se la salinità era già cambiata da 4,2 milioni di anni fa, perché la glaciazione non è iniziata fino a 2,7 milioni di anni fa? Al contrario, la Terra ha vissuto un periodo caldo tra 4,5 milioni e 2,7 milioni di anni fa.

Questo periodo caldo globale, chiamato periodo caldo del medio pliocene, potrebbe anche essere stato legato alla chiusura della via marittima centroamericana e al conseguente riassetto della circolazione oceanica globale. Un Ocean Conveyor rinvigorito potrebbe aver spinto un flusso più forte di acque profonde dall’Atlantico all’Oceano Pacifico settentrionale, che è il capolinea della circolazione oceanica profonda.

Nel loro viaggio verso il Pacifico settentrionale, queste acque profonde si arricchirono di nutrienti e anidride carbonica. Nel Pacifico subartico, queste acque profonde avrebbero potuto risalire verso la superficie illuminata dal sole per fornire gli ingredienti per innescare enormi fioriture di fitoplancton. La grande abbondanza di silice e di opale (il materiale conservato dai gusci del fitoplancton) nei sedimenti del fondo marino è la prova sia delle fioriture che del forte upwelling.

L’upwelling potrebbe essere stato così forte, tuttavia, che il fitoplancton non ha tenuto il passo con l’upwelling – cioè, è salita più anidride carbonica di quella utilizzata dal fitoplancton. Di conseguenza, l’anidride carbonica in eccesso “trapelò” di nuovo nell’atmosfera, aggiungendo un gas serra che riscaldò il pianeta.

Circuitare il trasportatore

Cosa ha spento il periodo caldo del medio pliocene circa 2,7 milioni di anni fa? E cosa ha infine causato la glaciazione dell’emisfero settentrionale circa nello stesso periodo, ma quasi 2 milioni di anni dopo la formazione dell’istmo di Panama?

La teoria originale di Weyl di una corrente del Golfo più forte e carica di umidità ha sollevato un’altra questione spinosa: Come potrebbe la Corrente del Golfo – che trasporta non solo umidità ma anche calore nell’Atlantico del Nord – portare a un grande raffreddamento dell’emisfero settentrionale e alla formazione di ghiaccio?

Neal Driscoll e Gerald Haug hanno proposto una soluzione. Hanno postulato che l’umidità portata a nord dalla Corrente del Golfo è stata trasportata dai venti prevalenti da ovest verso l’Eurasia. Cadeva come pioggia o neve, depositando alla fine più acqua dolce nell’Oceano Artico, direttamente o attraverso i grandi fiumi siberiani che si riversano nell’Oceano Artico.

L’acqua dolce aggiunta avrebbe facilitato la formazione del ghiaccio marino, che avrebbe riflesso la luce solare e il calore nello spazio. Avrebbe anche agito come una barriera che blocca il calore immagazzinato nell’oceano dalla fuga verso l’atmosfera sopra l’Artico. Entrambi questi fenomeni raffredderebbero ulteriormente le alte latitudini. Inoltre, le acque artiche che rifluiscono nell’Atlantico del Nord sarebbero diventate meno fredde e salate, cortocircuitando l’efficienza del nastro trasportatore oceanico come pompa di calore globale verso le regioni del Nord Atlantico.

L’inclinazione verso la glaciazione

Queste precondizioni – umidità più un nucleo artico per il raffreddamento – avrebbero reso il sistema climatico altamente suscettibile alla crescita degli strati di ghiaccio. Anche modesti cambiamenti nell’ambiente globale sarebbero stati sufficienti per far pendere l’ago della bilancia e portare all’inizio di una grande glaciazione dell’emisfero settentrionale.

Proprio un tale cambiamento si è verificato tra 3,1 e 2,5 milioni di anni fa, quando l’asse della Terra fluttuò in modo che l’inclinazione del pianeta verso il sole fosse inferiore all’angolo odierno di 23,45 gradi. Una minore inclinazione della Terra avrebbe ridotto la quantità e l’intensità della radiazione solare che colpisce l’emisfero settentrionale, portando a estati più fredde e a un minore scioglimento delle nevi invernali.

L’inizio della glaciazione dell’emisfero settentrionale influenzò anche il Pacifico subartico. Ha portato alla formazione, circa 2,7 milioni di anni fa, di un coperchio di acqua dolce sulla superficie dell’oceano, chiamato aloclino. Questo aloclino artico avrebbe creato una barriera all’upwelling, che bloccava le acque profonde ricche di biossido di carbonio dal salire in superficie. La “perdita” di anidride carbonica che intrappola il calore nell’atmosfera è stata arginata, raffreddando ulteriormente il pianeta.

Molti altri meccanismi di feedback oceano-atmosfera, derivanti dall’apertura e dalla chiusura delle porte oceaniche, rimangono imperfettamente compresi. E gli scienziati stanno anche esplorando le ramificazioni di altre porte oceaniche.

Mark Cane e Peter Molnar, per esempio, hanno suggerito che il sollevamento e il movimento delle isole indonesiane tra 5 e 3 milioni di anni fa avrebbe fondamentalmente ridiretto meno acqua calda del Pacifico meridionale e più acqua fredda del Pacifico settentrionale attraverso la via marittima indonesiana. La conseguenza potrebbe essere stata che il Pacifico è passato da condizioni più permanenti simili a El Niño (che spostano il calore dai tropici alle alte latitudini) a uno stato più simile a La Niña (che avrebbe ridotto il trasferimento di calore e raffreddato l’emisfero settentrionale).

La lezione da questi vasti cambiamenti geologici e geografici è sia elegantemente semplice che estremamente complessa. L’apertura e la chiusura delle vie marittime ha una profonda influenza sulla distribuzione dell’acqua dolce, dei nutrienti e dell’energia nell’oceano globale. L’accoppiamento di questi oceani mutevoli con un’atmosfera mutevole significa inevitabilmente un clima mutevole.