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Come abbiamo visto, in un mondo “icehouse” le curve isotopiche della calcite
dei foraminiferi (in particolare bentonici) riflettono essenzialmente le dinamiche
di waxing-waning delle calotte glaciali, quindi del CLIMA GLOBALE.
Le oscillazioni isotopiche sono quindi utili per tracciare correlazioni, anche a
grande distanza: serve però, come sempre, un linguaggio comune.
δδ1818O E CLIMA GLOBALEO E CLIMA GLOBALE
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In tutte le curve isotopiche dei foraminiferi si riconoscono picchi glaciali ed
interglaciali (molto marcati negli ultimi 900-800 kyr) e oscillazioni minori, che
marcano (con limiti definiti caso per caso) intervalli denominati Marine Isotope
Stage (MIS).
Questi vengono numerati a ritroso partendo dall’interglaciale attuale (MIS 1);
anche le oscillazioni minori sono codificate numericamente (es. MIS 15.5, 15.3,
15.1).
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glaciale
18O + -
interglaciale
numero pari (es. 18)
numero dispari (es. 17)
Standard codation degli eventi isotopici
Tem
po
MARINE ISOTOPE STAGE (MIS)
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LA OXYGEN ISOTOPE STRATIGRAPHY (OIS)
STRATIGRAFIA ISOTOPICA (OIS): suddivisione del record geologico in base ad una successione di eventi isotopici. Il principio della OIS funziona a scale molto diverse (da globale o strettamente locale; anche una singola sezione, se confrontata con uno standard).
Curve come quella in figura rappresentano un esempio “pioneristico” di OIS: è uno stack storico (lo SPECMAP, dei primi anni ‘80).
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Vincoli cronologici “tradizionali”:
1)Conosciamo (dai coralli) l’età dell’ultimo picco interglaciale (MIS 5.5).
2)Nelle carote più espanse, il limite Matuyama/Brunhes cade in un picco interglaciale (MIS 19, che ha un’età nota dalla radiometria).
Usando questi pochi vincoli, si è interpolata l’età degli altri MIS per costruire una scala di riferimento del Tempo Geologico (non è stato semplice arrivare a un risultato decente!!!).
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OIS: UNO STANDARD PER ALTRI RECORD
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CREAZIONE DI UNO STACK ISOTOPICO
1 - RACCOLTA DI RECORD
2 - OVERLAPPING DEI RECORD
3 - FILTRAGGIO DEL SEGNALE
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RISULTATO: LO STACK ISOTOPICO LR04benthic (2005)
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CHI E’ IL COLPEVOLE?Il clima attuale sembra “controllato” principalmente dai tenori di gas serra, che però sono una forzante second stage le cui dinamiche rispondono a processi non lineari.
Non possiamo quindi imputare a variazioni dei tenori di CO2 la variabilità climatica documentata nelle curve isotopiche, che è ciclica e periodica.
Abbiamo sinora considerato costanti altre variabili, quali ad esempio l’insolazione (S0=1.350 W/m2 e Seff=1.000 W/m2).
Poichè la CO2 amplifica l’effetto delle forzanti primarie, è presumibile che al variare dei tassi di insolazione avvengano cambiamenti significativi nel clima terrestre.
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CHI E’ IL COLPEVOLE?Qual è lo scenario con S0 e Seff variabili nel tempo?
Dobbiamo immaginare:
a)una variazione periodica della emissione di RE dal Sole (per S0);
b)una variazione periodica nella albedo totale della Terra (per Seff);
c)una variazione periodica nella geometria del sistema Terra-Sole (per Seff):
Teoria Milankoviana
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a) a) SS00
L’attività del Sole è irregolare, con L’attività del Sole è irregolare, con cicli solari cicli solari ad alta frequenza (11 e 22 anni).ad alta frequenza (11 e 22 anni).
I cicli solari sembrano determinati da moti convettivi, che portano a variazioni I cicli solari sembrano determinati da moti convettivi, che portano a variazioni del campo magnetico del Sole e alla comparsa sulla sua superficie di macchie del campo magnetico del Sole e alla comparsa sulla sua superficie di macchie ((solar spotssolar spots), alcune con T più alte (), alcune con T più alte (faculaefaculae) e altre più basse () e altre più basse (maculaemaculae) rispetto ) rispetto al normale.al normale.
Attenzione: nel concreto, l’effetto di queste macchie è minimo, poichè Attenzione: nel concreto, l’effetto di queste macchie è minimo, poichè determinano un determinano un SS00 << 1% << 1%..
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a) S0
Notate cheTTerra = f(S0) = ~0.03 °C!
Tuttavia, esiste una correlazione fra cicli solari e variazioni di TTerra; potrebbe essere un phase locking del sistema Terra-Sole.
Sono segnalati anche cicli a durata maggiore (90, 1.000 yr) che comunque abbisognano di altri feedback importanti.
Tuttavia, sono documentati eventi intriganti quali il Minimo di Maunder e il Minimo di Spoerer.
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Milutin Milankovič
L’idea di Milutin Milankovitch:Se il semplice contrasto giorno/notte è tanto marcato, come possono le variazioni orbitali (che determinano variazioni di insolazione media enormemente superiori!) non influire sul clima globale?
TEORIA ASTRONOMICA DEL CLIMA
Validata solo dagli anni ‘70: le variazioni di configurazione orbitale potrebbero determinare cambiamenti climatici globali.
c) LA TEORIA MILANKOVIANA
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LE FORZANTI ORBITALILa configurazione orbitale del sistema Terra-Sole è principalmente controllata da:
• ECCENTRICITÀ dell’orbita di rivoluzione terrestre
• OBLIQUITÀ dell’asse di rotazione terrestre
• PRECESSIONE degli equinozi
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ALTRE FORZANTI ORBITALI
PERIODICITA’ DELL’ORBITA LUNARE:prec=8 yr, interferenza con l’eclittica=18 yr
INCLINAZIONE DEL PIANO DELL’ECLITTICA TERRESTRE:ca. 70 kyr
INTERAZIONE CON LA FASCIA DEGLI ASTEROIDI:> 400 kyr
VARIAZIONI “LUNGHE” DELL’ORBITA TERRESTRE:sino a 2.5 Myr
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ECCENTRICITA’ ()
Sopra:Orbita terrestre rispetto al Sole con =0 (sx) e =0.5 (dx)
perielio
afelio
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OBLIQUITA’ (T)
Periodo: 41 kyrPeriodo: 41 kyr
L’obliquità dell’asse terrestre rispetto al piano dell’eclittica (TILTING, da cui l’abbreviazione T) varia periodicamente da 22 a 24.5°, e viceversa.Un ciclo completo andata/ritorno si completa in 41 kyr.
Importante: T è un valore determinante alle ALTE LATITUDINI.Al crescere di T, l’insolazione alle HL aumenta ma diminuisce alle BASSE LATITUDINI.
Controllo sull’albedo anche in termini di angolo di incidenza.
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PRECESSIONE (p)
Periodi:19 kyr “precessione corta”22,24 kyr “precessione lunga”
Periodi:19 kyr “precessione corta”22,24 kyr “precessione lunga”
Definita come cambiamento di direzione dell’asse di rotazione terrestre rispetto alle stelle fisse; è un movimento giroscopico controllato da interazioni gravitazionali con Luna e Sole (in modo equivalente). Causa interferenze con altri corpi celesti, la p “normale” (periodo di 26 kyr) viene “compressa” in cicli più brevi (da 24 a 19 kyr).
Importante: p ha effetti enormi alle basse latitudini, molto meno alle alte.
Perchè? Qual è l’effetto di p sul clima terrestre attuale?
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Soluzioni parametriche modulate (Laskar, 2004) e insolazione per l’ultimo milione d’anni. L’insolazione evidenzia la gerarchia “annidata” (come una Matrioska) dei parametri orbitali
400 kyr
400 kyr
400 kyr
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Per verificare la validità della teoria di Milankovitch, confrontiamo in modo
puntuale l’effetto dell’insolazione e della sua variabilità nel tempo con uno dei
principali proxy paleoclimatici, la curva degli isotopi stabili dell’ossigeno.
A questo scopo applichiamo, in modo elementare, un metodo di indagine
statistica specifico: l’analisi spettrale.
INSOLAZIONE E CICLI CLIMATICI
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Analisi spettrale su serie-dati: sviluppo di una serie di Fourier, che permette di
scomporre un segnale complesso e spurio (es. dati sperimentali) in sinusoidi
elementari “pesandone” l’effetto (=frequenza e intensità).
ANALISI SPETTRALE
Vantaggi:metodo semplice e veloce (esistono numerosi programmi appositi);
Svantaggi:non è possibile analizzare l’evoluzione dei segnali nel tempo;
serve molta cautela per discriminare il rumore dal segnale primario.
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Useremo il PERIODOGRAMMA DI LOMB, un metodo in grado di restituire in
forma semplice le frequenze caratteristiche (x) e la relativa intensità spettrale (y)
di una serie-dati.
Il PL ermette di identificare segnali ripetitivi in una qualsiasi serie di dati.
PERIODOGRAMMI
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0 0.06 0.12 0.18 0.24 0.3 0.36 0.42 0.48Frequency
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Power
y = sin (x)
20 40 60 80 100 120 140 160 180A
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
B
y = sin (x)
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0 0.06 0.12 0.18 0.24 0.3 0.36 0.42 0.48Frequency
0
1.2
2.4
3.6
4.8
6
7.2
8.4
9.6
10.8
12
Power
y = sin (x2)
20 40 60 80 100 120 140 160 180A
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
C
y = sin (x2)
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Esempio pratico
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Esempio 1:Sia n il numero di ore dedicate allo studio da parte dello studente s, misurata giornalmente per un anno (qui un dettaglio, media a 3 punti). Il massimo (relativo) cade il mercoledì, mentre il minimo corrisponde a weekend e periodo estivo (2 mesi).
mer
sab
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Esempio 1Nel periodogramma compare un picco molto forte ( supera di gran lunga il limite di confidenza del 95%, banda rossa) a f=0.143. Ricordiamo che f=1/p, quindi p=7. Dato che l’unità di misura è il giorno, si dimostra matematicamente le ore di studio di s, misurate su periodi brevi (1 anno), variano SOLO con recorsività settimanale; la pausa estiva non compare, in quanto NON CICLICA (1 evento/anno).
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Esempio 2:Misuriamo n di s per 3 anni. Il periodo estivo, quando lo studente non studia (n=0 per due mesi), diventa quindi un evento ripetuto 3 volte. Nel periodogramma compare un secondo picco (debole, ma supera il limite del 95%) a f=0.00274. Dato che f=1/p, risulta che p=365. L’unità di misura è ancora il giorno, quindi si dimostra che la voglia di studiare di s, misurata su tempi medio-lunghi (3 anni), varia con recorsività SIA settimanale che annuale.Purtroppo, in geologia non conosciamo in anticipo il significato dei dati!
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LE WAVELETAnalisi spettrale più “potente” ma anche molto più complessa.
Rispetto ai periodogrammi, mantiene i dati in successione seriata misurando in modo continuo le variazioni di intensità e frequenza del segnale. Vantaggi: metodo che permette di valutare la “distribuzione” di ogni periodicità nello spazio e/o nel tempo
Svantaggi: interpretazione MOLTO complessa; su serie tempo incognite è necessario l’aiuto di specialisti
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Esempio 3:utilizziamo ancora la serie dello studente (3 anni, 1095 giorni; asse X, i). Per ricavare le periodicità, bisogna applicare la formula p=2n, dove n=y. Quindi:
n1 = 2.8 p = 7 settimanan2 = 8.5 p = 365 anno
ESTATEn1
n2
?
?
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Finora tutto molto semplice poichè, come già detto, già conosciamo in anticipo la distribuzione e il significato delle informazioni “date in pasto” al programma.
La questione si complica nel caso di dati strumentali, dove sono presenti errori di misurazione, falsi positivi, etc. e compaiono frequenze (armoniche o di interferenza) apparentemente ingiustificate (es., i “misteriosi” cicli di 11 o 35 kyr).
Al di là di questi problemi, l’analisi spettrale ci permette di confrontare la coerenza (rapporto causa-effetto) fra il segnale climatico (=isotopi) e le forzanti (=insolazione).
In estrema sintesi:
possiamo validare la teoria di Milankovitch SOLO se riconosciamo le stesse frequenze significative, e con intensità compatibile, sia nella forzante che nei
dati strumentali.
ANALISI SPETTRALE E PALEOCLIMA
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a) DATI STRUMENTALI:
ISOTOPI STABILI DELL’OSSIGENO
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LR04 18O Benthic Stack: gli ultimi 5.3 MyrL’analisi spettrale mostra alcuni picchi significativi; attenzione, il primo picco (a x=~0) va trascurato ( autocorrelazione). Per “tradurre” i valori in periodicità, si ricordi che p=1/f.
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p=1/f (attenti alle unità di misura! Nei dati, t era espresso come kyr)
f (E) = ca. 0.01 p = ca. 100 kyr “piccola” ECCENTRICITA’ (103 kyr)f (O) = ca. 0.025 p = ca. 40 kyr OBLIQUITA’ (41 kyr)f (P) = ca. 0.044 p = ca. 23 kyr PRECESSIONE (19, 21 e 23 kyr)
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INDAGHIAMO UN INTERVALLO DI TEMPO BREVE, MA SIGNIFICATIVO E
BEN DOCUMENTATO:
L’ULTIMO MILIONE DI ANNI
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18O
Time (Ma)
Record del 18O, bentonici (running average a 3 punti)
Notate che gli spessori sono già trasformati in tempo: il gioco è molto più facile!
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p=1/f (ultimo milione di anni, completo)E1 = 1/8norm (My) = 125 kyr ECCENTRICITA’E2 = 1/11norm (My) = 90 kyr ECCENTRICITA’Xx = 1/18norm (My) = 55 kyr < 95% confidence (armonica) O1 = 1/25norm (My) = 40 kyr OBLIQUITA’P1 = 1/43norm (My) = 23 kyr PRECESSIONE << 95% confidence
Xx
E1 E2
O1
P1
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p=1/f : da 1.0 a 0.6 MaE1 = 1/8norm (My) = 125 kyr ECCENTRICITA’E2 = 1/12norm (My) = 90 kyr ECCENTRICITA’Xx = 1/18norm (My) = 55 kyr < 95% confidence (armonica) O1 = 1/24norm (My) = 41 kyr OBLIQUITA’P1 = 1/41norm (My) = 24 kyr PRECESSIONE << 95% confidence
Xx
E1
E2O1
P1
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p=1/f : ultimi 600 kyrE1 = virtualmente assenteE2 = 1/11norm (My) = 90 kyrXX = 1/18norm (My) = 55 kyr << 95% confidence (armonica) O1 = 1/25norm (My) = 40 kyrP1 = 1/43norm (My) = 23 kyr << 95% confidence
Xx
E1
E2
O1
P1
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p=1/f : ultimi 400 kyrE1 = assenteE2 = 1/10norm (My) = 100 kyrXX = bifida << 95% confidence (armonica) O1 = 1/25norm (My) = 40 kyrP1 = 1/44norm (My) = 23 kyr << 95% confidence
Xx
E1
E2
O1
P1
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RIEPILOGO 18ODurante l’ultimo Myr, le ciclicità principali nella curva del 18O sono relative a periodi di ca. 100 e 40 kyr.Nella banda della precessione (ca. 20 kyr) il picco è molto debole, anche se cresce nel tempo.
Apparentemente, le variazioni di volume delle calotte glaciali sono controllate da forzanti con f nella banda della “piccola” eccentricità e dell’obliquità: l’effetto della precessione è trascurabile.
Figure:
a)Spettro del 18O fra 1 e 0.6 Mab)Spettro del 18O fra 0.6 e 0.4 Mac)Spettro del 18O fra 0.4 Ma e l’attuale
b
a
c
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b) FORZANTE:
L’INSOLAZIONE
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Soluzione delle curve di insolazione parametrica e totale a 65°N
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p=1/f: INSOLAZIONE, ultimo Myr completop1 , p2 = ECCENTRICITA’: assenti!!!p3 = assentep4 = 1/25norm (My) = 40 kyr OBLIQUITA’P5 a,b = (1/43 + 1/46)norm (My) = 23 + 21 kyr PRECESSIONE “LUNGA”p6 = 1/52norm (My) = 19 kyr PRECESSIONE “CORTA”
p3p1 p2
p4
p5 a,b
p6
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p=1/f : da 1.0 a 0.6 Map1 , p2 = assenti!!!p3 = assentep4 = 1/24norm (My) = 41 kyrP5 a,b = (1/41 + 1/46)norm (My) = 24 + 21 kyrp6 = 1/53norm (My) = 19 kyr
p3p1 p2p4
p5 a,b p6
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p=1/f : ultimi 600 kyrp1 , p2 = assenti!!!p3 = assentep4 = 1/25norm (My) = 40 kyrP5 a,b = (1/43 + 1/46)norm (My) = 23 + 21 kyrp6 = 1/52norm (My) = 19 kyr
p3p1 p2
p4
p5 a,b
p6
600 kyr
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p=1/f : ultimi 400 kyrp1 , p2 = assenti!!!p3 = assentep4 = 1/25norm (My) = 40 kyrP5 = 1/43 norm (My) = 23 kyrp6 = 1/52norm (My) = 19 kyr
p3p1 p2
p4
p5
p6
400 kyr
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RIEPILOGO INSOLAZIONE
Durante l’ultimo Myr, le ciclicità principali nella curva dell’insolazione sono relative a periodi di ca. 40 e 20 kyr.
NELLA BANDA DELLA “PICCOLA” ECCENTRICITÀ (CA. 100 KYR) NON SI RICONOSCE MAI ALCUN PICCO.
Conclusione suggerita dai dati: obliquità e precessione sono le uniche forzanti orbitali in grado di influenzare il clima terrestre, mentre l’eccentricità non ha alcun effetto.
Figure:a)Spettro del 18O fra 1 e 0.6 Mab)Spettro del 18O fra 0.6 e 0.4 Mac)Spettro del 18O fra 0.4 Ma e l’attuale
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Esistono piccoli (ma determinanti) problemi nel trattare come causa-effetto l’insolazione e la variabilità climatica registrata nel 18O. Ad esempio:
a)è necessario invocare una risposta non lineare del sistema climatico al forcing astronomico (per quanto grande, l’effetto è sproporzionato rispetto alla causa). Potrebbe dipendere da feedback interni al sistema, ma… quali?
b)il modello prevede la quasi simultaneità di forcing e risposta climatica, che implica l’assenza di lag temporale fra i due processi (mentre, nel caso del ghiaccio, questo intervallo è significativo);
c)come abbiamo appena visto, i cicli climatici di 100 kyr non possono essere originati da variazioni nell’eccentricità dell’orbita terrestre. E’ il cosiddetto problema dei 100 kyr: ci sono, ma non dovrebbero esistere (un po’ come il volo del calabrone).
PROBLEMI GENERALI RELATIVI ALLA TEORIA DI MILANKOVITCH
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Considerazioni e domande:
a)Le variazioni di (p = ~100 kyr) determinano variazioni di insolazione inferiori al 2% rispetto all’effetto combinato di T e P (l’abbiamo appena verificato, pur senza misurarlo in modo quantitativo);
b)I cosiddetti 100-kyr cycles hanno in realtà durate variabili (80, 90, 100, 120 kyr);
c)i “cicli di 100 kyr” sono presenti (e in fase) sia nel 18O dei foraminiferi (record oceanico) che nei tenori di CO2 delle carote di ghiaccio (segnale atmosferico): quali sono i veri rapporti fra CO2 e insolazione?
L’effetto dell’eccentricità è quindi 1) insignificante o 2) indiretto.
IL PROBLEMA DEI CICLI DI 100 kyr
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Se è insignificante:
- precessione dell’eclittica rispetto al piano invariabile del sistema solare (periodo di 100 kyr) + fascia ?
- effetto combinato/esclusivo di P e/o T, con casuale cadenza di 100 kyr?
- nessun ruolo da parte dell’insolazione nei cicli di 100 kyr?
Se l’effetto di è indiretto:
- phase locking di nei confronti di P e/o T?
- overbrink di insolazione dato da ogni 4-5 cicli di P o 2-3 cicli di T?
ORIGINE DEI CICLI DI 100 kyr