Lo studio dei climi del passato, la paleoclimatologia, implica l'interrogazione dei fattori fisici, informazioni chimiche e biologiche conservate in archivi naturali, come carote di ghiaccio e sedimenti oceanici.

Per esempio, le misurazioni sulle carote di ghiaccio dell'Antartico vengono utilizzate per ricostruire i passati cambiamenti di temperatura sopra la calotta glaciale e le concentrazioni globali di gas serra atmosferici.

La stima delle temperature passate è un tassello fondamentale nel puzzle del paleoclima. Ci aiuta a capire come ogni regione risponde ai principali episodi del cambiamento climatico globale.

Fino ad ora, la maggior parte delle informazioni che abbiamo sulle temperature passate proviene dai sedimenti oceanici e dalle carote di ghiaccio. Questi contengono proprietà chimiche che cambiano in gran parte in risposta alla temperatura.

Ma questi ci parlano solo della temperatura nei bacini oceanici e nelle regioni polari.

Che dire delle masse terrestri che occupano il resto della superficie terrestre, su cui viviamo?

Si scopre che le opzioni negli ambienti terrestri sono limitate:gli archivi naturali che studiamo tendono a mancare delle proprietà che sono proxy diretti per la temperatura.

In un recente studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , abbiamo dimostrato che le variazioni di magnesio (Mg) in un archivio raramente studiato, gli speleotemi sommersi, imitano i cambiamenti della temperatura dell'oceano nel corso di centinaia di migliaia di anni.

Gli speleotemi sono depositi minerali di carbonato di calcio che si formano nelle grotte.

Le stalagmiti sono gli esempi più noti e sono ampiamente utilizzati negli studi sui cambiamenti climatici e ambientali del passato. Gli speleotemi sommersi sono diversi. Crescono nelle pozze delle caverne e nei laghi, e talvolta sotto la falda freatica.

Nel nostro studio, abbiamo perforato un carotaggio da uno speleotema sommerso nel Laghetto Basso, una piscina situata all'interno del massiccio sistema di grotte dell'Antro del Corchia in Toscana, Italia.

Primo, abbiamo prelevato una serie di campioni distanziati di un millimetro lungo il profilo di crescita del nucleo.

Il contenuto di Mg di questi campioni è stato analizzato dai colleghi dell'Australian Nuclear Science and Technology Organisation.

I risultati, che coprono gli ultimi quattro cicli glaciali (circa gli ultimi 350, 000 anni), mostrano una notevole correlazione con i modelli di temperatura della superficie del mare registrati nei nuclei di sedimenti oceanici del Nord Atlantico.

Questo è stato un emozionante, ma inaspettato, scoperta per il nostro team in quanto suggeriva di aver trovato una proprietà chimica che risponde ai cambiamenti di temperatura.

Per verificare questa somiglianza, abbiamo focalizzato la nostra attenzione su una fetta di tempo all'interno di questo intervallo chiamato Termination II - questo era il periodo in cui la penultima era glaciale si è conclusa, datato tra il 136, 000 e 128, 000 anni fa.

Durante questo periodo di riscaldamento, le temperature oceaniche vicine sono aumentate di 8℃ nel giro di poche migliaia di anni, quindi ci aspettavamo un grande aumento delle concentrazioni di Mg nello speleotema subacqueo.

Questa volta, abbiamo campionato gli speleotemi utilizzando un raggio laser di tre centesimi di millimetro di diametro, e ha misurato l'abbondanza di diversi elementi su uno spettrometro di massa presso la School of Earth Sciences dell'Università di Melbourne.

Abbiamo scoperto che i risultati erano esattamente come ci aspettavamo, ma ancora più convincente:un forte aumento di Mg si è verificato esattamente nello stesso momento del forte aumento delle temperature oceaniche riportato in altri studi.

Così, come funziona Mg come sensore di temperatura?

Il Mg ha una forte affinità per i minerali di carbonato di calcio, particolarmente calcite. Può occupare la posizione degli ioni calcio (Ca) nella struttura cristallina della calcite. È importante sottolineare che all'aumentare della temperatura della soluzione, aumenta anche la quantità di Mg che finisce nella calcite.

Se la concentrazione di Mg nella soluzione rimane costante, ma la temperatura dell'acqua aumenta, la concentrazione di Mg nella calcite aumenterà.

Ma c'è un intoppo.

Nelle acque delle caverne, il rapporto Mg/Ca è raramente costante nel tempo:cambia a seconda della quantità di acqua che passa attraverso la roccia acquifera lungo il percorso verso il punto in cui sta crescendo lo speleotema.

Questo "effetto idrologico" di solito supera di gran lunga la dipendenza dalla temperatura del Mg.

Ma speleotemi subacquei, come quello che abbiamo studiato, sono diversi.

Crescono circa 10 volte più lentamente delle stalagmiti formate dalla stessa acqua della grotta. Questo perché le reazioni che trasferiscono gli ioni disciolti nell'acqua della piscina al cristallo solido di calcite sono estremamente lente.

Sembra che la dipendenza dalla temperatura del partizionamento del Mg dall'acqua della piscina alla calcite sia significativamente più alta nell'ambiente a reazione lenta della piscina, in misura tale da contrastare qualsiasi effetto idrologico.

Per decenni, gli oceanografi hanno misurato le concentrazioni di Mg nei microfossili marini e nei coralli per stimare le temperature oceaniche del passato. Funziona bene in questo caso perché le variazioni di Mg nell'oceano e nell'acqua negli ultimi milioni di anni sono relativamente piccole.

Ma il nostro studio è il primo a dimostrare che il Mg in uno speleotema può fungere da proxy della temperatura. Questo perché gli scienziati non hanno mai considerato gli speleotemi subacquei prima.

Il nostro prossimo passo è convertire i cambiamenti relativi nel contenuto di Mg in valori di temperatura assoluti per produrre una serie temporale di cambiamenti di temperatura nel sito della grotta.

I risultati del nostro studio aprono nuove entusiasmanti opportunità nella ricerca di registrazioni terrestri delle temperature passate.