Divergenze, convergenze e coincidenze

A chi interessa il fenomeno della divergenza nelle ricostruzioni paleo-climatiche di tipo dendrocronologico, consiglio di saltare direttamente all'ultimo paragrafo. Chi invece vuol farsi due risatine sardoniche di mezza estate, può anche fermarsi solo al primo. Per tutti gli altri un post in tre paragrafi sulle recenti questioni che le ricostruzioni paleoclimatiche di tipo dendro hanno indotto.


Colour me stoopid
Soliti clamori strombazzati dal seggiolone dei soliti siti terrapiattisti, delle solite centraline, dei soliti portavoce di mondi mono-dimensionali anche in questa estate (vedi per es. qui, qui o qui). Nulla di nuovo, insomma, per chi non aspetta altro che di veder confermate proprie tesi preconcette e perciò ogni occasione è buona per scatenare fantasie galoppanti.
L'ultimo gossip in cellophane climatica viene dalla manipolazione piuttosto violenta dei risultati di questo recente lavoro di ricostruzione paleo-climatica improntato sull'utilizzo delle tecniche dendrocronologiche del tipo Maximum Latewood Density (MXD, vale a dire la densità massima del legno tardivo, e quindi non necessariamente la larghezza degli anelli, TRW, più indicata per catturare segnali a bassa frequenza rispetto alla larghezza ma più difficile da ottenere perché tecnica complessa - associata all'uso di raggi X - e costosa) su un set di alberi della foresta scandinava lappone fra nord della Finlandia e della Svezia. Ne viene fuori l'andamento climatico estivo a grana variabile (sono presenti variazioni interannuali - i proxy dendro sono solitamente ottimi indicatori della variabilità ad alta frequenza - così come periodi su scala multi-decennale con medie smussate e infine trend millenario di fondo) nel nord della Scandinavia.
E quindi, ovviamente:
. la Lapponia è il mondo intero, chiaro: a cosa servirebbe, altrimenti, Babbo Natale?
. l'estate è tutto l'anno, ovvio: a cosa servirebbe, altrimenti, la freddofilia?
. il passato è il futuro, of course: non lo ho mica già detto anch'io, per caso?
. sottostimare è manipolare, e che cavolo: detto da chi manipola perché tutto è un complotto, poi...
. un ciclo orbitale è l'eternità, diamine:  a cosa servirebbero, altrimenti, grafici impossibili da leggere?
. il tempo è malleabile a piacere, ci mancherebbe:  a cosa servirebbe, altrimenti, confondere secoli con millenni e millenni con milioni di anni?

Breaking news?
Il lavoro di Esper et al. è importante per due cose: il fatto di aver tenuto conto dei parametri orbitali e l’apparente riduzione della divergenza nei dati dendro del tipo MXD nei decenni più recenti. Ma questo forse è anche il suo limite. Infatti:
. tener conto dei fattori orbitali significa forzatamente limitarsi ad un set di dati delle alte latitudini (in questo caso la Lapponia), infatti i dati MXD (opportunamente elaborati e standardizzati per poter ottenere serie sufficientemente lunghe tali da riuscire ad estrapolare trend di lungo periodo) ritraggono un declino termico di fondo perfettamente accordante con il trend che ci si aspetterebbe dato dalle forzanti orbitali estive (precessione del perielio) alle alte latitudini che fanno da scenario all'analisi, mentre non si riesce a coglierlo nei dati di tipo TRW;
. riuscire a ridurre la divergenza su un campione così limitato di alberi, da par suo, significa implicitamente che forse la diversità è una ricchezza fondamentale ma probabilmente fa diventare ancora più utopico di quel che già è la pretesa di ricavare segnali climatici omogenei da campioni di alberi delle stesse ampie regioni. Ma, in tal senso, ci sono sempre dati proxy non-dendro da valutare , dati che fra l’altro ridimensionerebbero un po’ questo lavoro (vedi ad es. la sempre attualissima ricerca di Moberg et al.).
Da notare però anche il fatto che - se non tenessimo conto di altri dati proxy non-dendro, per questo (visto che ne teniamo conto!) uso il condizionale - questo studio regionale incentrato esclusivamente sul nord della Scandinavia lascerebbe intuire un possibile nuovo problema di ricostruzione perché avremmo a che fare con una potenziale nuova divergenza *in loco* ma dal latente bias spaziale : quella che uscirebbe dal trend di fondo negativo sulla finestra temporale bi-millenaria catturato dai dati di tipo MXD comparato con quello apparentemente neutro (o meno negativo) colto dai più tradizionali e diffusi dati di tipo TRW, in tutti i casi in cui sono stati utilizzati compositi di proxy termici a più ampia scala utilizzanti serie TRW delle alte latitudini europee. Per es. nel lavoro di 10 anni fa dello stesso Esper (et al.) perché, essendo basato su dati TRW estivi della fascia latitudinale 30-80N, conteneva pure i dati scandinavi e in realtà viene bellamente comparato, in questo recente lavoro, con il lavoro di Mann et al. 2008, esattamente come l'altro con il potenziale bias dei dati TRW scandinavi (e in più con dati anche non-dendro!) ma con l'aggravante di mostrare il trend negativo più ampio! Come mai? Attendiamo una risposta dello stesso Esper.
Un'ottima disamina (con interessanti discussioni e puntualizzazioni) è quella pubblicata su Realclimate e che fa capo a Mike Mann, Gavin Schmidt ed Eric Steig, ma con interessanti interventi (nei commenti) anche da parte del biologo ed esperto di alberi Jim Bouldin. Attualmente siamo a 77 risposte e il post è ancora "caldo" (nonostante il periodo estivo). Consiglio, fra gli altri, il primo commento di uno dei co-autori del lavoro, Rob Wilson.

State of the art 
Facciamo un sintetico riassunto della questione relativa al fenomeno della divergenza leggibile nei dati dendro sia di tipo TRW che MXD negli ultimi decenni del XX secolo. Annosa questione, telenovela che ha fatto la fortuna di molti blog e di un sacco di siti globalcoolisti e terrapiattisti alla ricerca di temi da manipolare per sostenere tesi preconcette di partenza con abbondnate uso di fallacie, ma che in realtà è solo una delle tante questioni aperte della scienza, anche di quella climatica, e forse nemmeno la più importante. Parto con una citazione dello stesso Rob Wilson dal suo recente commento su RC e poi faccio un sintetico riassunto della questione.

❝The Divergence issue is not as big a problem as may be perceived. It is very much a bandwagon which many jump on to and there are different issues at both high and low frequencies and for different regions. Certainly in Europe, Divergence is hardly seen. In my opinion, the region where “divergence” is greatest is central/northern Alaska and the Yukon and recent studies have shown that divergence is expressed more in RW than MXD. The large scale studies of Briffa et al. which showed post 1960 divergence are slowly being re-addressed at regional scales by multiple groups and much of the divergence noted in these earlier larger scale studies can be minimised by targeting of an appropriate season (not the fixed season used by Briffa et al for all locations), reduction of detrending biases (see papers by Melvin and Briffa), and not compositing over too large regions. More on these results and updates will come out over the coming years.

Rewind back in time, tenendo sempre ben in mente il fatto che - a differenza di altri proxy come isotopi e carote glaciali - con gli alberi abbiamo a che fare con sistemi viventi dotati di capacità di adattamento e di resilienza.
Pini Bristlecone e pini Huon (della Tasmania) così come sequoie, abeti bianchi e rossi sono fra le specie più usate perché più antiche.
Una prima infarinatura sul problema (associato al serial di bubblesgate e della famigerata mazza) la potete leggere in un mio precedente post qui.
Le ricostruzioni climatiche di tipo dendro sono uno dei principali strumenti per poter valutare se il recente e attuale GW sia unprecedented o meno nel contesto temporale degli ultimi secoli e millenni (diciamo: dal picco termico olocenico onward). L'assunzione basilare è che la relazione fra clima e crescita arborea sia lineare e stabile nel tempo. In realtà bisogna innanzitutto ricordare come, da un lato, le tracce della crescita arborea siano molto sensibili alle condizioni ambientali in senso lato e quindi non solo alle condizioni termiche della stagione vegetativa bensì pure e in certi casi in primis alle condizioni di umidità e ai relativi stress idrici. D'altro canto, la classica lettura della larghezza degli anelli di accrescimento rappresenta ovviamente un ottimo indicatore della variabilità ad alta frequenza perché in generale gli alberi sono come dei "filtri" che lasciano passare le alte frequenze e tendono ad eliminare le basse (più visibili con il sistema della MXD): in periodi più o meno lunghi (della durata multi-decennale) caldi/secchi o freddi/piovosi l'albero si adatta e la sua risposta mostra principalmente la variabilità e le oscillazioni ad alta frequenza. Naturalmente esistono appropriate tecniche di elaborazione, detrendizzazione, standardizzazione e omogeneizzazione del segnale che tengono debitamente conto di questi aspetti, ma solo fino ad un certo punto.

In questo senso, non sorprende più di tanto che già da quasi una ventina di anni si sia scoperta una prima vera a propria problematica nell'uso dei dati dendro per ricostruire l'andamento termico, al di là di aspetti meramente metodologici nelle tecniche di standardizzazione dei dati già conosciuti da almeno 20 anni prima. L'effetto della divergenza fra dati proxy e dati reali emerge in tutta la sua problematica con i lavori pionieristici effettuati nel nordovest americano (Alaska northern treeline) di Gordon Jacoby e Rosanne D'Arrigo del Tree Ring Lab a metà anni 90. Siti considerati come altamente termo-sensitivi e conseguenti serie dendro ivi sviluppate cominciano a mostrare instabilità e disaccoppiamenti che indeboliscono la relazione fra crescita arborea e temperature nel tardo XX secolo. Briffa et al., pochi anni dopo, estendono l'analisi al di fuori dei territori originari, ma come ricorda Rob Wilson sopra questa estensione - col senno di poi - non è scevra da effetti spurii.
Anyway: in questi lavori seminali, viene mostrato come in realtà la risposta biologica data dalla condizione climatica sia tutt'altro che lineare, perché può dipendere da parecchi altri fattori ambientali che incidono sull'ecofisiologia con la quale la crescita degli alberi risponde alle condizioni climatiche stesse. Quello che si vede negli ultimi 2-3 decenni è che le temperature (dati strumentali omogeneizzati per far contenti i soliti complottisti dello shiatsu urbano...) sembrano crescere più rapidamente rispetto a quello che si evince dai proxy dendro, e così un modello sviluppato a partire da questi dati vicarianti sottostima il riscaldamento del tardo XX secolo. Nel 2007 la D'Arrigo con Wilson, Liepert e Cherubini del WSL, definendo l'effetto divergente come una problematica in procinto di essere ulteriormente indagata, riassumono tutta la questione e ne estendono le possibili implicazioni sollevando valide domande circa l'uso dei dati dendro nelle ricostruzioni climatiche del passato.
Alcuni potrebbero infatti chiedersi se precedenti periodi caldi, a loro volta, non potrebbero essere stati sottostimati a causa di questo effetto che - de facto - rende assai meno utilizzabile l'assunzione di linearità finora più o meno implicita.

Tuttavia:

✖ Ad ora questo effetto è considerato come una specificità del XX secolo in regioni boreali a nord del 55esimo parallelo, in particolare in 2-3 specifiche regioni: il nordovest americano (Alaska centro-settentrionale, Yukon e nei territori canadesi del delta del McKenzie), la Siberia e - ma solo parzialmente - nel nord della Scandinavia. Questo effetto è per es. raro in Europa continentale e praticamente assente nelle Alpi.

✖ Fra le numerose ipotesi formulate per cercare di capire questo fenomeno (vedi il lavoro riassuntivo linkato di D'Arrigo et al. 2007 o quello di Wilson et al. 2007), le più ricorrenti all'inizio facevano capo a condizioni ambientali specifiche di questi ultimi decenni: per es. il global dimming causato dalla produzione di aerosol solfati, l'O3 depletion e relativo aumento della radiazione nella banda degli UV-B, inquinamento locale, intervento antropico diretto, eventuali soglie-limite nella presenza di carbonio in atmosfera (vedi per es. i risultati dell'esperimento FACE qui, qui o qui ma anche per es. qui, qui, qui, qui, qui, qui, qui o qui), specifici stress idrici. Altre, invece, riguardavano i ben noti effetti metodologici relativi ad es. al metodo di detrendizzazione dei dati dendro e alla selezione dei dati climatici target (ad es. temperature massime vs minime, stazioni urbane vs rurali, dati climatici locali vs gridded).

✖ Il solo fatto che questo fenomeno si sia scoperto essere più regionale che globale e che comunque riguardi alcune specifiche zone delle alte latitudini, ha indotto una rivalutazione nel tempo di alcune delle precedenti ipotesi soprattutto metodologiche ma anche ambientali (per es. se ci fosse lo zampino della maggior radiazione UV-B perché l'effetto non si osserva ovunque alle latitudini medio-alte?), anche se non vanno sottovalutati fenomeni di causa-effetto non lineari. Per es. come stanno reagendo e reagiranno alcune specie arboree a condizioni atmosferiche con maggior presenza di CO2 (vedi link al precedente punto)?

✖ L'ulteriore fatto che nemmeno nelle stesse regioni (e nelle stesse specie arboree!) in cui si è osservato il fenomeno della divergenza questo effetto sia omogeneo e riguardi tutti gli alberi (ce ne sono di quelli che apparentemente non mostrano nessun effetto divergente e per i quali non sussiste nessun break-down della consistente relazione fra clima e crescita), ha permesso un'ulteriore scrematura delle ipotesi sulle cause principali: al di là di quel che dicevo a proposito di cause-effetti non lineari, come potrebbe una specifica condizione ambientale generale di tipo radiativo (come il dimming o l'aumento degli UV-B) o lo stesso inquinamento agire selettivamente solo su alcune piante e non su altre? Ma anche ipotesi metodologiche relative alla selezione dei dati climatici target, in questo caso, non reggono.

✖ Rimangono alcune questioni basilari: l'Alaska sembra essere il territorio prediletto dal fenomeno, oltre a quello in cui la divergenza è stata messa in luce per la prima volta; fra i fattori ambientali più importanti che incidono sull'ecofisiologia con la quale la crescita degli alberi risponde alle condizioni climatiche anche su scala locale, la presenza di umidità e l'eventuale stress idrico rimangono i più importanti e probabilmente i soli decisivi, ad oggi.

✖ Le alte latitudini continentali e l'Alaska in particolare sono fra le regioni con il trend di riscaldamento globalmente più forte (per l'Alaska e per l'estate parliamo di più di 0.5°/decennio) durante gli ultimi decenni, quelli della divergenza. Questo rapido riscaldamento recente sembrerebbe aver spinto alcuni alberi al di sopra di una soglia di crescita fisiologica tale per cui altri elementi importanti entrano in gioco a guidare la crescita. Il risultato è che riscaldamenti addizionali non porterebbero più a nessuna crescita aumentata ma al contrario ad una sua riduzione, probabilmente a causa di stress idrico dovuto a siccità. Ricordiamo come anche la catena causale collaterale funzioni (e in questo caso anche in Europa la cosa è stata notata, per es. nelle annate vegetative particolarmente siccitose del 1976 e probabilmente anche del 2003): in presenza di siccità e forte stress idrico, la pianta si adatta alle mutate condizioni riducendo la fotosintesi e la relativa crescita anche in presenza di temperature particolarmente elevate. Ma la cosa è nota e se ne tiene debitamente conto.

✖ Questo shift nel controllo della crescita arborea climatica di alcuni alberi di specifiche regioni dell'Alaska, con la palla che passa dalla temperatura all'umidità, emerge nella presenza di una sub-popolazione con comportamento autonomo nelle northern treelines sin dalla metà degli anni 70 non solo lì ma anche di altre aree circumpolari boreali. Usando il remote sensing, infatti, è stata rilevata una progressiva diminuzione del verde a favore di una diffusa colorazione marrone della foresta boreale, segno interpretabile come una manifestazione regionale di alberi sotto evidente stress idrico (vedi ad es. qui, qui, qui, qui, qui, qui o in italiano qui da Le Scienze 503, luglio 2010).

✖ Chi ci dice che in passato non possano esserci state simili condizioni ambientali nelle stesse regioni in esame? In effetti, se per es. durante il periodo medievale l'Alaska ha conosciuto simili condizioni, gli alberi potrebbero aver già sottostimato l'andamento termico. In realtà, parecchie ricostruzioni climatiche centrate sulla MCA indicano come la cosa possa essere stata difficile. Con il Pacifico in stato prevalentemente Niña-like e con le SST della sua parte settentrionale in situazione tipica da PDO- (vedi qui o qui), il nordovest americano ha probabilmente ricevuto sufficienti apporti precipitativi tali da impedire prolungate fasi di siccità. La cosa è poi corroborata da questo e da quest'altro lavoro, nei quali si evidenzia come in piena MCA e sul lungo periodo - e a differenza di quelli alpini -  i ghiacciai delle Rockies sul nordovest del continente avanzassero e la ricostruzione delle precipitazioni invernali sul Pacific Northwest ne confermerebbe il pattern generale.

✖ Tentativi di riduzione del problema attraverso una risoluzione nella scelta dei dati fatta tenendo maggiormente conto del contesto locale sono stati proposti recentemente (vedi per es. qui). Il fatto che alcuni alberi non mostrino nessuna rottura della relazione clima-crescita può dunque essere interpretato come un beneficio che questi hanno assunto nelle nuove condizioni climatiche scatenanti invece stress fisiologico negli altri, comunque la maggior parte (che diventa assai più sensibile alle condizioni di umidità a causa dello stress idrico indotto dalle temperature più alte). Questa sub-popolazione ancora sensibile alle condizioni termiche potrebbe costituire l'insieme dei superstiti di domani. Partire da questi e costruire un set, benché riduttivo e a rischio di significatività e di scelta troppo selettiva, è un primo passo per tentare di ridurre questo effetto divergente.

Il lavoro di Esper et al. citato ad inizio post, riducendo l'effetto nei dati MXD sul campione lappone, in questo senso e al di là delle facili e discutibili inferenze, aggiunge un importante passo in più.