Quando iniziammo ad alterare il clima Una provocatoria ipotesi suggerisce che le pratiche agricole dei nostri antenati abbiano dato l'avvio al riscaldamento globale migliaia di anni prima di William E Ruddiman della Rivoluzione Industriale Il consenso scientifico sul fatto che nel secolo scorso le attività umane cominciarono a provocare un riscaldamento del clima si è ormai diffuso anche tra il grande pubblico. Le società Nuovi elementi indicano che circa 8000 anni fa le concentrazioni industriali hanno iniziato a diffondere nell'atmosfera anidride di CO2 cominciarono ad aumentare, benché le tendenze naturali carbonica (CO2) e altri gas serra con l'introduzione degli impianti fossero verso una diminuzione. Circa 3000 anni dopo accadde lo manifatturieri e delle centrali elettriche a carbone, alle cui stesso al metano, un altro gas in grado di intrappolare calore. Le emissioni si sono poi aggiunte quelle dei veicoli a motore. Secondo conseguenze di questi sconcertanti aumenti sono state profonde. questo scenario, chi è vissuto nell'era industriale è responsabile Senza di essi, le temperature attuali nelle regioni settentrionali non solo del progressivo accumulo di quei gas nell'atmosfera, del Nord America e dell'Europa sarebbero più basse di 3-4 gradi, ma anche di una parte almeno della concomitante tendenza al abbastanza cioè da rendervi quasi impraticabile l'agricoltura. riscaldamento globale. Ma forse non è proprio così: forse i nostri Inoltre, in varie parti del Canada nord-orientale già diverse miglia- antenati agricoltori hanno cominciato a immettere gas serra ia di anni fa sarebbe iniziata una glaciazione, caratterizzata dalla nell'atmosfera già molti millenni fa, alterando il clima terrestre comparsa di piccole calotte di ghiaccio. Al contrario, negli ultimi ben prima di quanto si pensasse. millenni il clima terrestre è rimasto abbastanza caldo e stabile. 46 LE SCIENZE 441 /maggio 2005 • I controlli orbitali sui gas serra Fino a pochi anni fa, queste anomale inversioni nell'andamento decrementi dei gas serra si fossero verificati agli stessi intervalli dei livelli dei gas serra e dei loro effetti sul clima sarebbero delle variazioni di intensità della radiazione solare e di dimensione passate inosservate. Ma dopo avere studiato per qualche tempo delle coltri glaciali. Per esempio, le concentrazioni di metano il problema, mi sono reso conto che circa 8000 anni fa i livelli fluttuano principalmente con una periodicità di 22.000 anni, Le naturali variazioni dell'orbita terrestre ridistribuiscono la luce del Per motivi ancora non del tutto chiari, le concentrazioni globali di dei gas smisero di seguire l'andamento che sarebbe stato logico legata al ciclo orbitale chiamato precessione. Mentre ruota attorno Sole che raggiunge il globo su lunghi archi di tempo. Negli ultimi milioni questi gas serra rispondono quasi esclusivamente a cambiamenti attendersi in base al loro precedente comportamento a lungo al proprio asse, la Terra ondeggia come una trottola, avvicinando di anni, questi lievi cambiamenti hanno causato forti oscillazioni che si verificano durante l'estate nell'emisfero settentrionale, termine, che era stato caratterizzato da cicli regolari. Ne ho e allontanando dal Sole l'emisfero settentrionale. Quando questa nelle concentrazioni atmosferiche di metano e anidride carbonica. dove si concentra la maggior parte delle masse continentali. concluso che ad aggiungere all'atmosfera anidride carbonica oscillazione di precessione porta i continenti settentrionali più e metano siano state le attività umane legate all'agricoltura; vicini al Sole durante la stagione estiva, l'atmosfera riceve un Precessione MASSIMO DI RADIAZIONE SOLARE Mi., ...10 DI RADIAZIONE SOLARE soprattutto la deforestazione e l'irrigazione delle colture, attività notevole apporto di metano dalla sua sorgente primaria naturale: NELL'EMISFERO NORD NELL'EMISFERO NORD che spiegano sia l'inversione nelle tendenze dei gas sia gli aumenti la decomposizione di materia vegetale nelle paludi. Inverno — Equatore settentrionale che si sono verificati fino all'inizio dell'era industriale. Dopo essere entrata nella fase di pieno rigoglio in tarda estate, La mia tesi che il contributo umano all'alterazione del clima la vegetazione palustre muore, si decompone ed emette carbonio operi già da millenni è dichiaratamente provocatoria. Gli altri sotto forma di metano. I periodi di massimo riscaldamento scienziati hanno reagito a questa ipotesi con un misto di entusiasmo estivo aumentano la produzione di metano in due modi: in Asia La precessione è uno e scetticismo, e la sua verifica è attualmente in corso. meridionale, il calore trascina un'ulteriore quantità di aria carica dei cicli orbitali che Estate Inverno Estate Questa idea si fonda su decenni di progressi nella comprensione di umidità dell'Oceano Indiano, generando forti monsoni tropicali contribuiscono alle settentrionale settentrionale settentrionale Orbita annuale dei cambiamenti climatici a lungo termine. Fin dagli anni settanta che portano all'inondazione di regioni che altrimenti rimarrebbero variazioni della luce sappiamo che a dominare il clima globale a lungo termine sono da asciutte. Molto più a nord, in Asia e in Europa, le estati calde solare nell'emisfero nord. milioni di anni tre variazioni regolari nell'orbita della Terra intorno portano al disgelo delle paludi boreali per periodi di tempo più L'asse terrestre traccia al Sole. Per effetto di questi cicli orbitali (che operano su periodi lunghi. Ogni 22.000 anni, entrambi i processi consentono a nello spazio cerchi I picchi di calore estivi nell'emisfero nord si verificano ogni Il calore estivo raggiunge il minimo 11.000 anni più tardi, di 100.000, 41.000 e 22.000 anni), la quantità di radiazione solare una maggiore quantità di vegetazione di crescere, decomporsi immaginari, compiendo 22.000 anni, quando l'estate settentrionale coincide con dopo che l'asse terrestre ha compiuto mezza rivoluzione. che raggiunge le varie parti del globo in una data stagione può ed emettere metano. Quando invece l'emisfero settentrionale si un giro completo ogni il passaggio più ravvicinato della Terra al Sole e l'emisfero L'emisfero riceve il minimo di luce solare estiva perché la variare di oltre il dieci per cento. Negli ultimi tre milioni di anni, allontana dal Sole, le emissioni di metano iniziano a diminuire, 22.000 anni. nord riceve il massimo di luce. Terra e il Sole sono al massimo della distanza. 800 z La tesi che il contributo umano al cambiamento del clima o -- Radiazione solare o 280 - EZ, 520. Metano o i 'O O sia vecchio di millenni è provocatoria e controversa j-600 'i)c. a3 c 'O 177u0" 240 - 232'cg El 480. 3. 2 -400 u a E questi cambiamenti nella quantità di luce solare che raggiungeva raggiungendo il minimo 11.000 anni più tardi, nella fase del ciclo I O < 200 - la superficie del pianeta hanno prodotto una lunga sequenza di in cui le estati boreali ricevono il minimo di radiazione solare. — 440. Co-n 200 glaciazioni separate da brevi periodi interglaciali caldi. Alla fine Esaminando più da vicino le ricostruzioni degli andamenti 200 150 100 300 200 100 0 del periodo glaciale più recente, le coltri glaciali che avevano climatici ottenute grazie alla carota di ghiaccio di Vostok, ho Migliaia di anni fa Migliaia di anni fa ricoperto per 100.000 anni la parte settentrionale dell'Europa e individuato qualcosa di strano nella parte più recente della Le concentrazioni del metano sono aumentate e diminuite negli ultimi Le concentrazioni di anidride carbonica che negli ultimi 350.000 anni del Nord America si erano ritirate, e 6000 anni fa erano ormai documentazione. All'inizio dei precedenti intervalli interglaciali, 250.000 anni in armonia quasi perfetta con gli alti e bassi di radiazione hanno fluttuato ciclicamente, sono variate a seconda della precessione, scomparse. Non molto tempo dopo, i nostri antenati iniziavano a la concentrazione del metano di solito raggiungeva un picco di solare indotti dalla precessione nell'emisfero nord. Le temperature più delle variazioni di inclinazione dell'asse di rotazione terrestre e costruire città, inventavano la scrittura e fondavano religioni. circa 700 parti per miliardo (ppM) quando la precessione portava alte hanno stimolato una produzione estrema di metano nelle zone della forma dell'orbita del pianeta. Questi altri cicli si verificano la radiazione solare al massimo. La stessa cosa era successa 11.000 umide, che sono la sorgente primaria di questo gas serra. rispettivamente ogni 41.000 e 100.000 anni. Il racconto dei ghiacci anni fa, proprio all'inizio dell'attuale periodo interglaciale. Poi, sempre come era accaduto nei cicli precedenti, la concentrazione Molti attribuiscono gran parte del progresso della civilizzazione del metano era calata di 100 ppM, di pari passo con la diminuzione parti per milione (ppm) all'inizio di ciascun periodo caldo. Poi, in a questo intervallo caldo compreso tra fasi glaciali meno della luce solare. A quel punto, se la tendenza avesse continuato un arco di 15.000 anni, i livelli di CO2 scendevano costantemente favorevoli, ma il mio parere è che si tratti di una ricostruzione a a imitare le fasi interglaciali più antiche, durante il successivo - Una nuova ipotesi si contrappone allo scenario fino a toccare una media di circa 245 ppm. Durante l'attuale dir poco incompleta. Le carote di ghiaccio prelevate di recente minimo di riscaldamento estivo i livelli sarebbero dovuti scendere convenzionale secondo cui i gas serra prodotti dalle attività fase interglaciale, le concentrazioni di CO 2 raggiunsero il in Antartide e in Groenlandia hanno fornito informazioni a un valore di circa 450 ppM. Al contrario, 5000 anni fa la linea di umane avrebbero alterato il delicato clima terrestre solo a picco atteso circa 10.500 anni fa e, come previsto, iniziarono a preziose sul passato del clima terrestre, incluse le variazioni delle tendenza cambiò direzione, risalendo gradualmente fino a circa partire dagli ultimi 200 anni. diminuire. Ma, anziché continuare a calare costantemente, 8000 concentrazioni dei gas serra. Una carota lunga tre chilometri 700 ppM fino a poco prima dell'inizio dell'era industriale. In • Nuove prove sembrano invece indicare che i nostri antenati anni fa la tendenza si invertì. All'inizio dell'era industriale, la recuperata dalla stazione Vostok in Antartide negli anni novanta parole povere, le concentrazioni di metano aumentarono proprio iniziarono a immettere quantità significative di gas serra concentrazione di CO2 era salita a 285 parti per milione, circa 40 conteneva bolle di aria antica che rivelavano la composizione quando avrebbero dovuto diminuire. nell'atmosfera migliaia di anni fa, disboscando foreste e di più di quanto fosse lecito attendersi. dell'atmosfera (e quindi la presenza dei vari gas) al momento Come il metano, nelle ultime migliaia di anni anche l'anidride irrigando i campi peri raccolti. Che cosa potrebbe spiegare questi rovesciamenti inattesi in cui quegli strati di ghiaccio si erano formati. Il ghiaccio della carbonica si è comportata in modo inaspettato. Benché le ▪ Di conseguenza, gli esseri umani hanno mantenuto il degli andamenti naturali del metano e dell'anidride carbonica? stazione Vostok ha confermato che le concentrazioni di CO 2 e di variazioni della CO2 siano controllate da una combinazione pianeta notevolmente più caldo di quanto sarebbe stato Qualcuno ha suggerito che la spiegazione sia data da fattori che metano erano aumentate e diminuite con andamento regolare complessa di tutti e tre i cicli orbitali, il loro andamento generale altrimenti, e probabilmente hanno scongiurato l'esordio di influenzano naturalmente il clima; per esempio, l'aumento del pressoché per tutti gli ultimi 400.000 anni. nel corso delle precedenti fasi interglaciali era sorprendentemente un nuovo periodo glaciale. metano è stato attribuito all'espansione delle paludi nelle regioni Particolarmente degno di nota è che questi incrementi e simile. Le concentrazioni raggiungevano un picco di 275-300 artiche e l'aumento della CO2 a perdite naturali di vegetazione 48 49 LE SCIENZE 441 /maggio 2005 www.lescienzeit LE SCIENZE ricca di carbonio sui continenti e a cambiamenti nella chimica domestici liberano metano con le loro deiezioni. Tutti questi Se i gas serra avessero seguito la loro tendenza naturale dell'oceano. Mi resi conto però che queste spiegazioni non fattori contribuirono probabilmente a un aumento graduale del tenevano, e per una semplice ragione. I fattori principali che si metano via via che le popolazioni umane crescevano, ma un oggi il pianeta sarebbe molto più freddo riteneva avessero influenzato la concentrazione dei gas serra solo evento sembra poter giustificare l'improvvisa inversione nei periodi interglaciali precedenti erano quasi gli stessi che nei dell'andamento dei livelli di metano avvenuta intorno a 5000 millenni recenti. Le coltri glaciali a nord si erano sciolte, le foreste anni fa: l'inizio dell'irrigazione delle risaie in Asia meridionale. boreali avevano occupato la terra liberata dai ghiacci, l'acqua di Cinquemila anni fa, infatti, i contadini del sud della Cina appaiono per la prima volta in sedimenti lacustri dell'Europa sud- agli 0,6 gradi di riscaldamento misurati nell'ultimo secolo, questo fusione del ghiaccio aveva fatto ritornare il livello del mare al iniziarono ad allagare le zone adiacenti ai fiumi per coltivare orientale e quindi rivelano un'espansione a ovest e a nord nelle implica che l'effetto sul clima delle antiche pratiche agricole è suo alto livello interglaciale, e la radiazione solare condizionata varietà di riso adattate all'umidità. Poiché vi erano vaste pianure migliaia di anni successive. stato equivalente se non superiore al totale dei cambiamenti dall'orbita terrestre era prima aumentata e poi diminuita. alluvionali a breve distanza da molti grandi fiumi, si può La prova più inequivocabile di deforestazione precoce ed registrati durante la rapida industrializzazione. E allora perché negli ultimi periodi interglaciali le concentrazioni ragionevolmente supporre che già poco dopo la scoperta di questa estesa si trova in un documento storico unico: il Doomsday Book. Ma com'è possibile che un effetto di riscaldamento così dei gas sono calate, e sono aumentate solo in quello attuale? tecnica siano state allagate ampie strisce di terra, spiegando così Questo censimento del territorio inglese, ordinato da Guglielmo il spettacolare sia passato inosservato tanto a lungo? La ragione Ritengo che durante le ultime migliaia di anni ai meccanismi la rapida salita del metano. Anche la documentazione storica Conquistatore, riferisce che nell'anno 1086 nelle regioni agricole principale è che è stato nascosto da cambiamenti climatici naturali del sistema climatico si sia aggiunto qualcosa di nuovo. indica una costante espansione dell'irrigazione del riso per era già stato abbattuto il 90 per cento della foresta. Poiché all'epoca naturali di segno opposto. I cicli orbitali della Terra stavano tutto l'intervallo di tempo in cui i valori del metano risultano si calcolava che vivessero in Inghilterra un milione e mezzo causando una tendenza simultanea al raffreddamento, per cui il L'elemento umano in crescita. Tremila anni fa, la tecnica si era già diffusa verso di abitanti, una densità media di dieci abitanti per chilometro cambiamento netto di temperatura è stata una tendenza graduale sud nell'Indocina e a ovest fino alla valle del Gange in India, quadrato sembra sia stata sufficiente a eliminare le foreste. Poiché verso il raffreddamento estivo, durata fino al XIX secolo. Il candidato più plausibile al ruolo di «nuovo elemento» facendo ulteriormente aumentare le emissioni di metano. Dopo le civiltà avanzate delle maggiori valli fluviali di Cina e India Se ai gas serra fosse stato permesso di seguire la loro naturale intervenuto nei sistemi climatici di quest'ultimo interglaciale 2000 anni, gli agricoltori iniziarono a coltivare a risaia anche i avevano raggiunto una densità demografica ben più alta diverse tendenza al declino, il raffreddamento risultante si sarebbe sono le pratiche agricole. La cronologia fondamentale delle ripidi versanti collinari del Sudest asiatico. migliaia di anni prima, molti ecologi hanno dedotto che queste aggiunto a quello causato dalla diminuzione della radiazione innovazioni agricole è ben conosciuta. L'agricoltura ebbe origine Un'altra pratica comune legata all'agricoltura - la deforestazione regioni siano state pesantemente deforestate già due o tremila solare estiva, e il pianeta sarebbe diventato notevolmente più nella Mezzaluna Fertile, a est del Mediterraneo, intorno a 11.000 - fornisce una spiegazione per l'avvio della tendenza anomala anni fa In pratica, Europa e Asia meridionale avevano già subito freddo di quanto non sia oggi. Per approfondire questa ipotesi, anni fa; non molto tempo dopo comparve nella Cina settentrionale dell'anidride carbonica. Per coltivare piante da semina in aree una forte deforestazione ben prima dell'inizio dell'era industriale, ho utilizzato, in collaborazione con Stephen J. Vavrus e John E. e migliaia di anni più tardi nelle Americhe. Nei millenni successivi forestali bisogna abbattere alberi, e gli agricoltori cominciarono a e l'abbattimento delle foreste è continuato per tutto l'arco di tempo Kutzbach dell'Università del Wisconsin a Madison, un modello si estese ad altre regioni, diventando sempre più perfezionata. farlo in Europa e in Cina prima di 8000 anni fa. Sia che gli alberi corrispondente all'insolito aumento dei livelli di CO2. in grado di predire come sarebbero state le temperature moderne Tutti i cibi di origine agricola che consumiamo oggi erano già abbattuti venissero bruciati, sia che fossero lasciati a marcire, il senza i gas serra generati dall'uomo, simulando lo stato medio del coltivati da qualche parte del mondo 2000 anni fa carbonio in essi contenuto si sarebbe presto ossidato, per fmire Una glaciazione scongiurata? clima della Terra in risposta a differenti condizioni iniziali. Molte attività agricole generano metano. Le risaie inondate nell'atmosfera sotto forma di CO2. Per il nostro esperimento, abbiamo ridotto i livelli di gas per irrigazione generano metano, per la stessa ragione delle I ricercatori hanno prove datate con precisione che gli Se le civiltà agricole sono state responsabili di anomalie di queste serra nell'atmosfera ai valori che avrebbero raggiunto oggi paludi naturali: la vegetazione si decompone nell'acqua ferma e europei hanno cominciato a coltivare piante non indigene come dimensioni le loro attività hanno avuto conseguenze rilevanti senza l'agricoltura (fin dai suoi inizi) o le emissioni industriali. stagnante. Una certa quantità di metano si diffonde anche quando frumento, orzo e piselli in aree naturalmente forestali proprio sul clima. Secondo vari modelli climatici, l'effetto combinato di La simulazione ha mostrato che il nostro pianeta sarebbe quasi gli agricoltori bruciano zone erbose per attirare la selvaggina quando l'andamento dell'anidride carbonica si invertì, 8000 anni queste anomalie sarebbe stato un riscaldamento medio di quasi 0,8 due gradi Celsius più freddo di quanto sia oggi: una differenza e stimolare la crescita di bacche; inoltre, l'uomo e gli animali fa. Resti di queste piante, inizialmente coltivati nel Vicino Oriente, gradi appena prima dell'era industriale. Poiché la cifra è superiore piuttosto significativa. In confronto, la temperatura media Le attività umane e i gas serra 200 anni fa: il consumo di combustibili fossili e la continua deforestazione fanno aumentare 5000 anni fa: nel i gas serra a un ritmo senza precedenti sud della Cina si L'agricoltura nacque circa 11.000 11.000 anni fa: esordio dell'agricoltura 8000 anni fa: gli europei del iniziano ad allagare anni fa, quasi nello stesso in Mesopotamia e in Cina tardo Paleolitico iniziano ad appezzamenti di terra momento in cui le concentrazioni o abbattere foreste per coltivare vicini ai fiumi per 2000 anni fa: Europa, India, Sudest asiatico atmosferiche di metano e grano, orzo, piselli e altre coltivare il riso e Cina hanno perduto gran parte delle loro anidride carbonica raggiunsero Grano carbonizzato o piante non autoctone o foreste per far spazio alle coltivazioni Lama di falce paleolitica Motore cicloOtto un picco dopo l'ultima o glaciazione. Se l'andamento 10.000 ANNI FA 8000 ANNI FA 6000 ANNI FA 4000 ANNI FA 2000 AMI FA successivo del livello dei gas 7500 anni fa: -.7 fosse stato lo stesso delle fasi o Tendenza l'uomo coltiva Tendenza 700 interglaciali precedenti, avrebbe T 280 osservat O il riso selvatico o osservata dovuto continuare a diminuire oo_ o -CEO o 5000 anni fa: 2000 anni fa: gli fino agli inizi dell'era industriale. 8000 anni fa: il livello o CO il livello del metano, agricoltori del Sudest Invece la tendenza al declino si di anidride carbonica, 2+- 600 che è stato in asiatico iniziano invertì già migliaia di anni fa. La in discesa da 2500 anni, Tendenza naturale CoO. discesa per 6000 a costruire risaie cronologia di innovazioni agricole raggiunge il minimo o Tendenza cruciali come la deforestazione e e inverte improvvisamente anni, cambia C naturale a terrazze sui versanti la coltivazione del riso potrebbe la tendenza improvvisamente ma> 500 - collinari 8000 tendenza spiegare questo sorprendente < 240 10.000 5000 10.000 5000 ribaltamento. Anni fa Anni fa -••n••- 50 51 LE SCIENZE 441 /maggio 2005 www.lescienzeit LE SCIENZE Questa conclusione è sorprendentemente diversa dalla classica MALATTIE DA RAFFREDDAMENTO GLOBALE Dopo l'esaurimento idea che la civilizzazione umana è fiorita grazie a una fase di Temperature sopra dei combustibilifossili caldo elargita dalla natura. La mia opinione è che la natura, di l'intervallo naturale Oggi e concentrazioni di anidride carbonica (CO2] nell'atmosfera che i nostri antenati avessero causato il lento aumento dei per sé, avrebbe raffreddato il clima terrestre, ma i nostri antenati delle ere glaciali Tendenza osservata Lsono in aumento da circa 8000 anni. Durante gli ultimi due livelli di CO2 già migliaia di anni fa, abbattendo appezzamenti di lo mantennero caldo grazie alla scoperta dell'agricoltura. Soglia millenni, però, questo incremento costante si è occasionalmente foresta a vantaggio dell'agricoltura, questa nuova scoperta mi di glaciazione invertito in una tendenza opposta, e i livelli di CO2 sono diminuiti ha indotto a chiedermi se vi fosse qualche tipo di inversione della Implicazioni per il futuro Inizio naturale per decenni o anche più. deforestazione in corso in grado di spiegare le brevi cadute di CO2. della prossima glaciazione in un mondo privo Gli scienziati attribuiscono normalmente queste cadute della La causa di fondo più probabile sembra essere la malattia, L'ipotesi che gli esseri umani abbiano impedito un raffred- di attività umana CO2— e le concomitanti diminuzioni della temperatura globale owero la forte mortalità umana che accompagnava le damento del clima, e forse arrestato la fase iniziale di un ciclo Minimo di temperatura Tendenza — a riduzioni naturali dell'energia ricevuta dal Sole o a eruzioni pandemie. Due gravi episodi di peste bubbonica, il killer che glaciale, ci porta direttamente alle discussioni su cosa abbia in delle ere naturale vulcaniche. Questi fattori sono stati considerati come principali ha fatto più vittime in tutta la storia umana, mostrano una serbo per noi il clima nel prossimo futuro. Negli anni ottanta la glaciali della temperatura cause del cambiamento climatico nei decenni o nei secoli, ma buona correlazione con grandi cali dell'anidride carbonica riluttanza dei politici ad accettare le previsioni iniziali di riscal- 20.000 10.000 o per quanto riguarda gli andamenti della CO2 queste spiegazioni awenuti approssimativamente nel 600 e nel 1350 d.C. (si veda damento globale era dovuta in parte al fatto che molti scienziati anni fa anni fa Oggi sono inadeguate. il grafico]. La peste emerse per la prima volta in era romana, avevano passato il decennio precedente a sostenere il contrario: Effetto serra dalle attività umane 1 • Il declino di temperatura che, a quanto si sa dai modelli con la pandemia più virulenta, la Peste di Giustiniano, dal 540 al che cioè una nuova glaciazione fosse praticamente alle porte. El Agricoltura degli esordi Industrializzazione rapida Attività future climatici, fa seguito a questi eventi naturali, si accorda con 542 d.C. La famigerata «Morte Nera» colpì tra il 1347 e il 1352, Basandosi su nuove prove che le variazioni orbitali controlla- diminuzioni della CO2 non superiori a tre parti per milione [ppm). seguita da epidemie più limitate per oltre un secolo. Ciascuna di no l'accrescimento e il decadimento delle coltri glaciali, alcuni L'EFFETTO SERRA INDOTTO DALLE ATTIVITÀ UMANE ha scongiurato Ma alcune delle cadute della CO2 registrate nelle carote di queste pandemie uccise dal 25 al 40 per cento della popolazione ricercatori avevano ragionevolmente concluso che la prossima l'instaurarsi di una glaciazione che altrimenti sarebbe incominciata ghiaccio prelevate in Antartide arrivano anche a otto ppm o più, europea. Una catastrofe ancora peggiore si verificò nelle glaciazione si sarebbe presentata in un futuro lontano poche circa 5000 anni fa. Le prime attività agricole produssero gas serra a implicando che un ulteriore fattore abbia spinto verso il basso i Americhe dopo il 1492, quando gli europei introdussero il vaiolo centinaia o al più migliaia di anni. sufficienza da compensare la maggior parte del raffreddamento naturale livelli di anidride carbonica. Poiché ero giunto alla conclusione e varie altre malattie, che uccisero quasi 50 milioni di persone: Negli anni successivi, però, si è scoperto che le concentrazioni dell'epoca preindustriale (in giallo), riscaldando il pianeta in media di circa il 90 per cento della popolazione di gas serra stavano salendo rapidamente e che il clima della quasi 0,8 gradi Celsius. Quell'effetto di riscaldamento compete per entità precolombiana. La pandemia americana Terra stava riscaldandosi, almeno in parte a causa dell'aumento con il riscaldamento di 0,6 gradi misurato nell'ultimo secolo di rapida 290 — Il vaiolo e altre malattie coincide con il crollo della CO2 più elevato di dei gas. Questo ha convinto la maggior parte degli scienziati che industrializzazione (in arancione). Le attività umane combinate hanno uccidono il 90% della popolazione tutti, awenuto dal 1550 al 1800. il prossimo futuro (nel giro di uno o due secoli) sarebbe stato pertanto spinto la temperatura globale ben oltre il limite superiore del suo delle Americhe I cronisti dell'epoca raccontano che i dominato dal riscaldamento globale e non dal raffreddamen- campo di variabilità naturale. Quando i combustibili fossili andranno verso o La Peste Nera uccide dal E 285 — 25 al 40% degli europei forti tassi di mortalità prodotti da queste to. Questa revisione, basata su una migliore comprensione del l'esaurimento, però, la Terra inizierà a raffreddarsi nuovamente per entrare o_ Tendenza pandemie causavano un vasto abbandono sistema climatico, ha spinto alcuni politici a considerare prive di nel prossimo periodo di glaciazione, ormai in ritardo di migliaia di anni. a lungo termine dei villaggi rurali e delle fattorie, che attendibilità tutte le previsioni, di qualunque tipo fossero. della deforestazion o_ lasciava tornare allo stato selvaggio terreni Le mie scoperte aggiungono nuovi risvolti a ciascuno scenario. 'AUTORE Eo 280— coltivati. Gli ecologi hanno dimostrato che In quest'ottica, le previsioni di una glaciazione incombente WILLIAM E RUDDIMAN è geologo marino e professore emerito di scien- la foresta rioccupa le zone incolte in appena sono state sottovalutate: nuove coltri glaciali dovrebbero avere ze ambientali all'Università della Virginia, dove è stato direttore di a> Carota 50 anni. Considerati insieme alle stime iniziato ad accrescersi diversi millenni fa. Il ghiaccio non riuscì dipartimento dal 1993 al 1996. Ruddiman ha iniziato a studiare le La Peste di Giustiniano, di ghiaccio 2 demografiche e all'estensione di terreno a espandersi poiché il riscaldamento globale indotto dall'uomo registrazioni del cambiamento climatico in sedimenti oceanici pres- E in età romana, uccide dal 25 275 _ al 40% degli europei coltivato pro capite, i calcoli sulla ricrescita era iniziato molto più presto di quanto si pensasse: ben prima so la Columbia University, dove ha conseguito il dottorato nel 1969. della foresta nelle regioni colpite da dell'era industriale. Ha quindi lavorato con l'US Naval Oceanographic Office nel Maryland 900 a.0. 0 500 1000 1500 2000 pandemie indicano che le foreste rinnovate Nei dibattiti che coinvolgono la sicurezza pubblica, i risulta- e più tardi presso il Lamont-Doherty Earth Observatory. Anno potrebbero avere sequestrato carbonio ti scientifici spesso sono usati a fini opposti. Chi è scettico sul a sufficienza da ridurre le concentrazioni riscaldamento globale potrebbe citare il mio lavoro come prova LE RIDUZIONI PIÙ DRASTICHE della concentrazione di anidride carbonica atmosferiche di CO2 nella misura osservata. Il clima globale si che i gas serra generati dall'uomo hanno svolto un ruolo benefico PER APPROFONDIRE atmosferica nel corso degli ultimi 2000 anni (registrate in due carote sarebbe quindi raffreddato di conseguenza, finché la ripresa per migliaia di anni, mantenendo il clima terrestre più ospitale di McNEILL W., La peste nella storia, Einaudi, Torino, 1981. di ghiaccio antartico) si verificarono circa negli stessi periodi in cui le demografica awenuta dopo le pandemie non portò nuovamente quanto sarebbe stato altrimenti. Altri potrebbero controbattere epidemie falciavano il maggior numero di vite umane (barre in giallo). ad abbattere e bruciare le foreste. che, se pochi esseri umani con tecnologie relativamente primitive IMBRIEJ. e PALMER IMBRIE K., Ice Ages: Solving the Mistery, Enslow, 1979. sono stati in grado di alterare il corso del clima in misura così significativa, allora abbiamo ragione di essere preoccupati del- DIAMOND J., Armi, acciaio e malattie: Breve storia del mondo negli nell'ultimo massimo glaciale di 20.000 anni fa era solo da cinque stessa quantità di raffreddamento che, nella nostra simulazione, l'attuale aumento dei gas serra a concentrazioni senza paragoni ultimi 13.000 anni, Einaudi, Torino, 2000. a sei gradi più bassa di oggi. In effetti, se non fosse stato per il era stata compensata dalle anomalie di emissione dei gas serra. e a ritmi senza precedenti. RUDDIMAN W.F., Earth's Climate: Past and Future, W. H. Freeman, contributo dei gas serra generati dalle pratiche agricole prima Un nuovo modello messo a punto con i colleghi dell'Università Il rapido riscaldamento degli ultimi due secoli è probabilmente 2001. e poi dall'industrializzazione le attuali temperature sarebbero del Wisconsin ha mostrato che la neve persisterebbe ora anche destinato a persistere per almeno 200 anni, fino a che i combu- RUDDIMANW.E, The Anthropogenic Greenhouse Era Began Thousands decisamente sulla via di tipici assetti glaciali. fino a estate inoltrata in due aree del Canada nord-orientale: stibili fossili economicamente accessibili non inizieranno a scar- of Years Ago, in «Climatic Change», Vol. 61, pp. 261-293, 2003. Un'altra ipotesi che avevo proposto riguardava il possibile l'isola di Baffi'', appena a est del continente, e il Labrador, molto seggiare. Quando ciò accadrà, il clima terrestre dovrebbe iniziare WILLIAMS M.A., Deforesting the Earth: From Prehistory to Global Cri- inizio di formazione di nuove coltri glaciali alle alte latitudini più a sud. Dal momento che la neve superstite alla fine dell'estate a raffreddarsi gradualmente via via che l'oceano assorbirà poco sis, University of Chicago Press, 2003. boreali nel caso che il raffreddamento naturale fosse andato si accumula negli anni in pile sempre più spesse e finisce per alla volta l'eccesso di anidride carbonica prodotto dalle attività RUDDIMAN W.F., Plows, Plagues, and Petroleum: How Hu- avanti. In precedenza, altri ricercatori avevano dimostrato che, se diventare ghiaccio compatto di ghiacciaio, questi risultati umane. Ma se il clima globale si raffredderà abbastanza da pro- ma ns Took Control of Climate, Princeton University Press il mondo fosse più freddo di soli 1,5-2 gradi Celsius, alcune zone indicano che diversi millenni fa nel Canada nord-orientale sarebbe durre la glaciazione ormai attesa da tempo, o se rimarrà caldo a [in stampa). del Canada nord-orientale ora sarebbero coperte dai ghiacci: la cominciata una nuova glaciazione, almeno su piccola scala. sufficienza da evitarla, questo è impossibile prevederlo. 52 LE SCIENZE 441 /maggio 2005 www.lescienze.it LE SCIENZE 53 a •C'era pna volt GENERAZIONI STELLARI. La galassia a spirale NGC 3370 contiene sia stelle giovani, nelle regioni che appaiono più blu, sia stelle più antiéhe, al centro, di colore giallastro. Le differenze di colore sono indicative della temperatura e dell'età delle stelle. una stella hasoe 4 • C'è uno stretto legame .tra la velocità con cui nascono - le stelle e il modo in cui si sonò formatè le galassie grandi e piccole in cui si trovano • di Alan Heavens ' a quando ebbe iniziò l'universo osservabile, 13,7 miliardi di anni fa, sono nate oltre 9000 miliardi di miliardi di stelle. Ma anche se oggi vediamo nel cielo una moltitudine di astri, gli attuali modelli cosmologici indicano che per gran parte dei suoi primi miliardi di anni di vita l'universo fu un luogo molto ilscuro. Durante que- W • st'epoca buia, il cosmo conteneva nubi di gas e materia oscura e poco altro: le prime stelle si formarono so- Io dopo che furono trascorse diverse centinaia di milioni di anni. Tuttavia, quando si fu messa in moto, la «catena di montaggio» stellare ha sfornato astri a un ritmo' prodigioso. Ma questa velocità è rimasta costan• . te pertutta la storia dell'universo? Oppure vi è stato qualcosa di simile a un «baby boom» stellare? La risposta a questi interrogati- vi è qualcosa di più di un'altra curiosità sull'universo: proprio come il baby boom succehsivo alla seconda guerra mondiale fu un in- dicatore di profondi cambiamenti sociali ed ecanomici in Occidente, le diverse velocità di formazione stellare forniscono indizi sulle circostanze fisiche in cui avviene la nascita di un astro. Queste «circostanze fisiche» san?, naturalmente, le galassie, e il ritmo a cui sono state generate le stelle è intimamente legato al modo in cui si sono formate le galassie. f Grazie ai telescopi e ai computer, ora possiamo dare alcune bile: le regioni con densità superiore alla media avevano anche LO SPETTRO DI UNA GALASSIA rivela le quantità relative di radiazione risposte ragionevoli a queste domande. Di recente, i miei colleghi una gravità un po' più intensa e quindi attiravano la materia, o prodotta a differenti lunghezze d'onda. Una galassia con una popolazione o e io abbiamo compiuto notevoli progressi nel determinare la sto- formando aggregati. In questo modo, attraverso una combina- di stelle giovani emette relativamente più luce verso l'estremità blu dello ria della formazione delle stelle nell'universo attraverso l'analisi zione di accrescimento lento e di fusione di aggregati più piccoli, .n2o 40 — spettro, vicino a 400 nanometri (in alto). Viceversa, una galassia con una della radiazione stellare proveniente da 96.545 galassie. I risultati nel corso del tempo si formarono oggetti densi. me') popolazione stellare più antica emette più luce verso l'estremità rossa sono sorprendenti: a prima vista sembrano addirittura contraddi- Strano a dirsi, per formare una cosa caldissima come una stel- cel dello spettro, al di sopra di 500 nanometri (in basso). Un nuovo metodo per re alcuni principi fondamentali delle modalità con cui l'universo la, il gas dovette prima raffreddarsi. Una grande nube gassosa misurare la velocità di formazione stellare prende in considerazione l'intero aggrega una struttura enorme come una galassia. Ma le galassie può sostenersi per effetto della pressione se è calda, ma se il gas 7<„, 20 — spettro di una galassia. non si formarono tutte allo stesso modo. si raffredda, e la pressione si riduce, la nube collassa. Alle scale T-o, più piccole, gli stadi finali del collasso riscaldano la nube, e se la tiche, e anche perché esiste un limite superiore alle dimensioni C L'universo costruisce strutture temperatura si alza fino ad alcuni milioni di gradi possono inne- 4C—• degli oggetti che vediamo. Tuttavia molti dettagli sono schema- scarsi le reazioni termonucleari, e l'oggetto diventa una stella. o tici. La formazione di una galassia è un processo intricato, e il 400 5()0 6(1)0 700 800 A partire dal 1917, quando Vesto Slipher notò che le righe Alle grandi scale, pensiamo che il processo di collasso funzioni modo in cui queste strutture trasformano il proprio gas in stelle Lunghezza d'onda (nanometri) spettrali delle emissioni luminose di una galassia sono regolar- dal basso in alto: oggetti relativamente «piccoli» (circa un milione non è stato chiarito fino in fondo. Per esempio le stelle possono mente spostate verso lunghezze d'onda più grandi («più rosse»), di masse solari) collassano per primi. Via via che il gas denso si influire sul gas con le esplosioni di supernova e il vento stellare, abbiamo prove incontestabili che l'universo è in espansione. La raffredda, si frammenta in piccole nubi che alla fine si trasforma- oppure con processi di retroazione che possono favorire o ini- natura di questa espansione dipende dalla quantità di materia no in stelle per ulteriore collasso. Questi sistemi multistellari sono bire la nascita di nuove stelle; ma siamo ancora ben lontani da contenuta dall'universo, e ormai da decenni i cosmologi stan- poi attratti dalla gravità a formare sistemi più grandi, che a loro una stima attendibile dell'entità di questi processi. È in questo no cercando di determinarne la densità. Recenti osservazioni di volta possono unirsi tra loro. Così il processo va avanti, costruen- contesto che alcuni astronomi e cosmologi, compreso il nostro esplosioni stellari, della struttura a grande scala dell'universo e do sistemi sempre più grandi in maniera gerarchica, dalle piccole gruppo, stanno tentando di determinare quando venne generata della radiazione residua della «palla di fuoco» del big bang - la galassie alle grandi e ai gruppi di galassie, fino agli ammassi e ai la maggior parte delle stelle nell'universo e in che modo la velocità cosiddetta radiazione di fondo a microonde - hanno dimostra- superammassi. Oggi le strutture più grandi che hanno completato di questo processo può essere cambiata nel tempo. to che l'universo non contiene abbastanza materia per bloccare il collasso sono ammassi galattici contenenti materia oscura, gas l'espansione. Per di più, sembra che la materia presente sia di e galassie ricche di stelle, per un totale di alcune centinaia di Fossili contro neonate natura piuttosto strana. Solo il quattro per cento della densità migliaia di miliardi di masse solari. dell'universo è costituito da materia ordinaria: neutroni, protoni, Questo scenario gerarchico della formazione delle galassie ci Determinare quante stelle siano nate nel corso del tempo è un elettroni e così via. Un altro 23 per cento è materia oscura, qual- consente di comprendere parecchie cose: come ruotano le galas- 400 5(1)0 6(1)0 700 po' come cercare di stabilire i tassi di natalità storici di una popo- cosa di sconosciuto e straordinario che non ha analoghi sulla sie a spirale, perché osserviamo un'ampia gamma di masse galat- Lunghezza d'onda (nanometri) lazione umana. Si possono consultare gli archivi e identificare Terra. E il restante 73 per cento è energia oscura: una componente tutte le nascite e le relative date, oppure fotografare le persone ancora più bizzarra dotata di «gravità repulsiva», che provoca che fanno parte della popolazione e stimarne l'età. Seguendo addirittura un'accelerazione dell'espansione dell'universo. LE STELLE CALDE DI GRANDE MASSA, come quelle del gruppo delle • • quest'ultimo metodo, bisogna stare attenti a includere tutti i luo- Nonostante questi misteri, conosciamo piuttosto bene, almeno •Pleiadi, &mettono radiazione Ultravioletta. Le stelle di questa classe ghi in cui possono trovarsi queste persone, compresi i cimiteri. nelle grandi linee, le modalità con cui l'universo ha formato le hanno una vita molto breve, e quindi la presenza di radiazione • Nel primo caso è invece importante avere una documentazione strutture che vediamo. Le osservazioni della radiazione di fondo ultravhiletta indica che in una galassia vi è stata un'attività storica completa. Se non ci sono stati errori, i risultati dei due a microonde, che risale all'epoca in cui l'universo aveva solo relativamente recente di nascita di stelle. Queste fenomeno è sfruttato metodi devono coincidere. 300.000 anni, dimostrano che nelle sue prime fasi di vita esso dal metodo tradizionale per misurare la velocità di formazione stellare, Anche la storia della velocità di formazione delle stelle può non era del tutto uniforme. Simili osservazioni sono state effet- con il qualem osser•va l'emissione nell'ultravioletto di galassie lontane essere stabilita in due modi diversi. Quello tradizionale sfrutta il tuate in un gran numero di esperimenti con strumenti a terra fatto che la velocità della luce ha un valore finito per guardare o trasportati da palloni o satelliti: in particolare con il Cosmic indietro nel tempo. Osservando la luce che proviene da oggetti Background Explorer nei primi anni novanta e ora, a maggio- molto lontani, li vediamo com'erano molti miliardi di anni fa; pos- re risoluzione, con la sonda Wilkinson Microwave Anisotropy. siamo quindi cercare tracce di stelle che all'epoca erano neonate. Questi esperimenti hanno rivelato piccole irregolarità nella den- L'alternativa è andare in cerca di «fossili». In questo caso si osserva sità dell'universo primordiale. Le irregolarità erano di tipo insta- un campione molto ampio di galassie vicine e si misurano le età delle stelle in ciascuna di esse. Questo è il metodo che ho usato collaborando con Raffi Jimenez dell'Università della Pennsylvania as• • e Ben Panter e James Dunlop dell'Università di Edimburgo. • Le differenti storie di formazione delle galassie influiscono Fino a tempi recenti, lo studio della storia della formazione sulla velocità con cui nascono le stelle al loro interno. stellare nell'universo è stato compiuto prevalentemente cercando • L'analisi dello spettro della luce emessa da una galassia tracce di stelle neonate nel corso del tempo: ossia leggendo la permette di stabilire l'età relativa delle stelle e dedurne la «documentazione storica» delle nascite stellari. Tipicamente lo si velocità di formazione in epoche diverse. fa osservando galassie lontane, quelle che presentano un elevato • Calcolando la media dei risultati ottenuti su molte galassie si spostamento verso il rosso (redshift). Un indicatore della forma- ricava la storia della formazione stellare nell'universo. zione recente di stelle in una galassia è la quantità di radiazione • Si è così accertato che il ritmo con cui sono nate le stelle ultravioletta emessa, che in genere proviene da stelle molto calde, non è sempre stato costante: circa cinque miliardi di anni fa, come quelle del gruppo delle Pleiadi. Poiché le stelle molto calde l'universo conobbe una sorta di «baby boom stellare». sono di grande massa e consumano rapidamente il combustibile nucleare di cui dispongono, terminando precocemente la propria 5 6 LE SCIENZE LE SCIENZE 5? Valori della LO SLOAN DIGITAL SKY SURVEY esegue mappe galassia reale celesti con un telescopio a grande apertura di 2,5 metri. È dotato di due spettrografi che registrano Algoritmo ogni notte la luce di migliaia di galassie. Per MOPED determinare la velocità di formazione stellare nell'universo sono stati analizzati gli spettri di Spettro della galassia reale 11 + 11 + 1 misurazione quasi 100.000 galassie. periodi metallicità della polvere 23 valori p— Migliore corrispondenza H _ ,--,----_ 'CO --, Algoritmo Valori delle MOPED galassie modello Metallicità Molte galassie modello, Spettri delle galassie modello ciascuna ridotta a 23 valori esistenza, possiamo vederle solo quando sono molto giovani. La PER ANALIZZARE LO SPETTRO DI UNA GALASSIA occorre confrontarlo con lo presenza di radiazione ultravioletta è quindi una valida prova spettro di molte galassie «modello». Le galassie di confronto hanno età e dell'esistenza di stelle neonate in una galassia. D'altro canto, composizione chimica («metallicità») variabili. L'algoritmo MOPED riduce via via che la popolazione stellare invecchia, le brillanti stelle lo spettro di ciascuna galassia osservata a 23 valori realizzando 23 somme blu diventano più rosse e la radiazione stellare assume tonalità spettrali ponderate. La corrispondenza di questi valori con uno degli spettri più giallastre o rossastre. Si possono evidenziare altre «firme» di delle galassie modello permette di risalire alla storia della formazione stellare un'attività di formazione stellare recente, come le righe spettrali e della metallicità, nonché al contenuto di polvere, della galassia osservata. in emissione dell'idrogeno, che sono prodotte dall'idrogeno ionizzato intorno a stelle massicce. Queste producono radiazione L'AUTORE ultravioletta in quantità sufficiente a ionizzare grandi volumi del ALAN HEAVENS è professore di astrofisica teorica all'Università di gas circostante, che diventa luminoso. Studiare le galassie ad alto Edimburgo. I suoi interessi di ricerca includono la struttura a gran- redshift, tuttavia, è un compito lungo e laborioso, e l'osservazione de scala dell'universo, la formazione di galassie e il fenomeno delle è possibile solo per i sistemi di massa maggiore, perché quelli più lenti gravitazionali. Questo articolo è stato pubblicato sul numero di piccoli sono troppo deboli per essere visti a grandi distanze. gennaio-febbraio di «American Scientist». Il metodo di «ricerca dei fossili» è del tutto diverso, e sfrutta un *yo. gigffizazzowsia .0111llnumWmtmaMM,\I\IY, ampio intervallo di lunghezze d'onda dello spettro di una galas- sia. Gran parte della radiazione emessa da quest'ultima proviene massicce non sono più molto luminose (si veda il grafico in bas- 11 processo di decodifica di uno spettro non è semplice. Allo numerici al posto di diverse migliaia di punti dello spettro (si veda dalle singole stelle, ma in parte è prodotta da gas caldo e lumino- so a p. 57). In una galassia così l'attività recente di formazione scopo di facilitare i calcoli, suddividiamo la storia di una galassia l'illustrazione a fronte). Questo metodo rende l'analisi quasi 100 so. Se si elimina la maggior parte delle righe in emissione del gas, stellare è stata scarsa: la popolazione è vecchia e nell'emissione in 11 periodi, per ciascuno dei quali determiniamo la frazione di volte più veloce senza penalizzare l'accuratezza. MOPED è una ciò che resta è per lo più luce stellare. Ogni stella dà un contributo predomina il contributo delle stelle rosse, più fredde. Analizzando stelle nate in quell'epoca. Valutiamo anche la composizione chi- tecnologia protetta da brevetto che abbiamo messo a punto per diverso allo spettro in relazione alla sua età e alla composizione in questo modo un gran numero di spettri, possiamo ricostruire mica della galassia per ciascuno di quei periodi. 11 nostro compito questo lavoro, ma è applicabile a una vasta gamma di problemi chimica del gas dal quale si è formata. Dato che gli elementi chi- un quadro dell'attività di formazione di stelle in una particolare è reso un po' più complesso dal fatto che molte galassie conten- analoghi. Occorrono comunque 20 computer e diverse settimane mici sono sintetizzati nell'interno delle stelle, quelli pesanti - che epoca della storia dell'universo. gono polvere, che tende ad assorbire la radiazione blu, facendo sì di tempo per elaborare tutti i risultati del programma SDSS. gli astronomi chiamano «metalli» - si accumulano nel gas e nelle che la galassia appaia più rossa di quanto non sia in realtà. Perciò, MOPED fornisce la storia completa della genesi stellare per cia- generazioni più giovani di stelle via via che una galassia invec- Galassie in cifre considerando 11 periodi di formazione stellare, 11 misurazioni scuna galassia. Se sommiamo opportunamente tutte le galassie chia. Un'attenta analisi dello spettro può permettere di ricavare della composizione chimica e 1 misurazione della polvere, abbia- dello studio, possiamo misurare la velocità media di formazione l'età delle stelle e stabilire quante se ne siano formate in diversi Lo Sloan Digital Sky Survey (SDSS) è una risorsa preziosa mo 23 valori da determinare per ciascuna galassia. stellare per unità di volume nell'universo. I nostri risultati con- periodi della storia galattica. Possiamo anche dedurre come sia per il nostro lavoro. Una volta completato, questo programma Un modo per calcolare questi valori consiste nel confrontare cordano con quelli dei metodi più accreditati per quanto riguarda cambiata nel tempo la composizione chimica del gas. di ricerca avrà prodotto mappe di quasi un quarto del cielo e lo spettro osservato con uno spettro modello che gli corrisponda i primordi e le epoche più recenti della storia dell'universo, ma Consideriamo lo spettro di una galassia che contiene stelle gio- misurato lo spettro di centinaia di migliaia di galassie fino a tre molto da vicino. È un compito possibile in linea di principio, ma ne differiscono per i periodi intermedi. Secondo i metodi tradi- vani, alcune delle quali sono massicce ed emettono molta luce miliardi di anni luce di distanza. USDSS usa un telescopio di 2,5 decisamente troppo lento nella pratica, soprattutto se si tiene zionali, la velocità di formazione stellare nell'universo raggiunse blu (si veda il grafico in alto a p. 57). Nello spettro ciò si traduce metri collegato a 30 dispositivi CCD che producono fino a 200 conto del fatto che abbiamo quasi 100.000 galassie da analizza- il massimo circa otto miliardi di anni fa, mentre i nuovi risultati in emissioni relativamente intense alle lunghezze d'onda del blu, gigabyte di dati per notte. Gli spettri di 640 galassie sono otte- re. Invece utilizziamo un potente algoritmo di compressione dati indicano che il picco sarebbe stato raggiunto circa cinque miliardi intorno a 400 nanometri. Viceversa, lo spettro di un'altra galassia nuti simultaneamente, in una singola «istantanea», inviandone - chiamato MOPED (Multiple Optimized Parameter Estimation di anni fa, più o meno all'epoca della nascita del Sole e del sistema mostra pochissima luce blu, e questo indica che le stelle calde e la luce, tramite fibre ottiche, a due spettrografi. and Data compression) - che riduce ciascuna galassia a 23 valori solare. Entrambi i metodi indicano che la genesi di stelle ha poi 58 LE SCIENZE 441 /maggio 2005 www.lescienzeit LE SCIENZE 59 Redshift (scala logaritmica) subito un declino assai marcato, tanto che oggi la sua velocità è 0,01 0,1 Formazione di una piccola galassia Formazione di una grande galassia LE DIFFERENTI STORIE DI appena il 10-15 per cento di quanto fosse in corrispondenza del I I I IIIII I 1111111 FORMAZIONE DELLE GALASSIE massimo. 11 nuovo picco che abbiamo scoperto dovrebbe venire grandi e piccole influenzano la confermato con altri metodi, ma non sarà cosa semplice perché, velocità a cui nascono le stelle. date le enormi distanze in gioco, è difficile vedere galassie che non Una galassia molto piccola può siano particolarmente brillanti. avere origine da una singola nube E allora come possiamo spiegare questa discrepanza di tre isolata di modeste dimensioni che miliardi di anni? Un indizio importante si ottiene osservando le iniziò a produrre stelle in una fase velocità a cui si sono formate le stelle in galassie di masse diffe- relativamente tarda della storia renti (si veda il grafico in basso). Vi è una tendenza molto chiara: Le piccole nubi di gas collassano in epoca dell'universo. Viceversa, una grande nelle galassie massicce il picco dell'attività di formazione stellare Nube di gas isolata primordiale; le stelle si formano precocemente galassia probabilmente viene si è verificato in epoca più antica. Ciò significa che nelle galassie di generata dalla fusione di molte grande massa, come la nostra, la maggior parte delle stelle è stata piccole nubi di gas che diedero generata precocemente e ormai il processo si è quasi fermato. In 0,1 1 10 4.40\ origine alle proprie stelle in una fase Tempo nel passato (miliardi di anni; scala logaritmica) effetti, le stime indicano che ogni anno nella nostra galassia nasce primordiale della storia cosmica. solo una manciata di nuove stelle. Le galassie di piccola massa, LA VELOCITÀ MEDIA DI FORMAZIONE DELLE STELLE nell'universo è variata Questa distinzione è in accordo con invece, generano la maggior parte delle loro stelle in epoca tarda; nel tempo. Il cosmo ha un'età di circa 13,7 miliardi di anni, ma la velocità il principio generale secondo cui in esse il processo continua tuttora a notevole velocità. di formazione stellare raggiunse un massimo circa cinque miliardi di anni nell'universo le strutture piccole Il punto cruciale è che i metodi tradizionali, basati sull'osser- fa (linea in nero). Le precedenti valutazioni di questa velocità (fascia blu) Le popolazioni stellari si uniscono tendono a svilupparsi prima di vazione di galassie lontane, riescono a individuare solo quelle di indicavano un picco più antico, corrispondente a circa otto miliardi di anni fa. quelle grandi. I fenomeni di fusione La nube collassa, massa maggiore. Come abbiamo visto nei risultati dell'SDSS, le La discrepanza può essere spiegata da un effetto di selezione nel campione inizia la formazione stellare spesso distruggono i dischi delle galassie più massicce non sono rappresentative perché in esse le di galassie esaminato con gli altri metodi. Nel grafico sono mostrati otto spirali; è per questo motivo che le stelle si sono formate in epoca insolitamente precoce. Perciò non degli 11 periodi della storia galattica (punti in rosa). grandi galassie tendono a essere sorprende che le precedenti misurazioni abbiano rilevato un pic- del tipo ellittico. co molto antico dell'attività di formazione stellare. Nella nostra Redshift (scala logaritmica) 0,01 0,1 1 3 analogia con la natalità umana, è come se i registri delle nascite I I PER APPROFONDIRE delle piccole parrocchie fossero andati persi e tutto ciò che resta a EAVENS, A.E, PANTER B.D., nostra disposizione fossero quelli delle cattedrali. Non ci sarebbe JIMENEZ R. e DUNLOP J.S., 1he star-formation history of alcun problema se queste ultime fossero rappresentative, ma se the Universe from the stellar l'andamento demografico avesse fatto sì che i registri delle cat- populations of nearby tedrali documentino una frazione progressivamente decrescente galaxies, in «Nature», delle nascite, il quadro che ne ricaveremmo sarebbe inesatto. n. 428, pp. 625-627,2004. Il gas continua a cadere verso l'interno I processi di fusione impediscono JIMENEZ R., MACDONALD J., e comincia a formarsi un disco la formazione della struttura a disco Un cielo sempre più buio DUNLOPJ. e altri, Synthetic stellar populations: Single Come si colloca tutto ciò nel quadro ormai accettato della stellar populations, stellar interior models and primor- formazione delle galassie? A prima vista, sembra contraddire il dial proto-galaxies, in modello gerarchico, nel quale gli oggetti piccoli dovrebbero essere ‘1,0,1 «Monthly Notices of the i primi a formarsi, seguiti da quelli più grandi. Sembra che ciò 0,1 1 10 Royal Astrononnical Society», che stiamo osservando sia il contrario: le grandi galassie gene- Tempo nel passato (miliardi di anni; scala logaritmica) n. 349, pp. 240-254, 2004. rano stelle prima delle galassie piccole. Vi è però un altro fatto BUNKER,A.J., STANWAY E.R., importante riguardo al nostro studio delle galassie dell'SDSS. Noi LA VELOCITÀ DI FORMAZIONE STELLARE varia con la massa di una galassia. e altri, The starformation osserviamo le stelle che oggi si trovano in una galassia e risaliamo Le galassie più grandi (in blu) raggiungono il picco della velocità in epoca più rate of the Universe at z-6 alla loro data di nascita. Non abbiamo alcuna conoscenza diretta precoce rispetto a quelle di medie dimensioni (in marrone) o a quelle piccole from the Hubble Ultra-Deep di dove siano nate. In particolare, non vi è alcuna garanzia che le (in rosa). I vecchi metodi di determinazione della velocità di formazione Piccola galassia Field, in «Mon. Notices of the con molte stelle giovani Grande galassia con stelle vecchie Royal Astrononnical Society» stelle con un'età di otto miliardi di anni si trovassero nella stessa stellare nell'universo tendevano a privilegiare il contributo delle galassie più (in stampa). galassia dove le vediamo oggi quando si formarono. Potrebbero grandi, e quindi fornivano una stima inesatta. aver avuto origine in diverse galassie più piccole, che si sono fuse insieme in qualche momento della loro storia. Di fatto, è proba- te, nel modello gerarchico di formazione delle galassie a partire per stabilire se il nostro sito nell'universo ha qualcosa di insolito. vamente più grandi, il gas che vi precipita sopra viene riscaldato bilmente ciò che accadde: gran parte delle stelle nelle galassie dal basso, è logico che gli oggetti che finiscono per risultare più Poiché pensiamo di interpretare correttamente le differenze fra i a temperature sempre più elevate, ed è quindi assai difficile che massicce quasi certamente nacquero in oggetti più piccoli, poi massicci generino precocemente le proprie stelle! due metodi, possiamo concludere che il principio «copernicano» riesca a raffreddarsi a sufficienza per collassare e dare origine a assemblatisi a costituire la struttura più grande. Una conseguenza interessante del disporre di due metodi per vale in questo caso. Perciò sappiamo che l'universo attraversò un nuove stelle. Inoltre il gas nell'universo in generale si sta rare- Per le galassie relativamente piccole, probabilmente il processo studiare il problema è che possiamo mettere alla prova il princi- «baby boom» stellare circa cinque miliardi di anni fa facendo: quello che resta disponibile per la genesi stellare è in funziona a rovescio. Prima si raccoglie gran parte della massa, pio «copernicano» secondo cui non viviamo in un luogo speciale Si può sperare che ve ne sia un altro in futuro? Purtroppo via di esaurimento. Di fronte abbiamo dunque un futuro in cui il che poi attrae il gas circostante. La materia in caduta alimenta dell'universo. Poiché MOPED ci rivela la velocità di formazio- non è così: il momento di massimo fulgore della genesi di stelle cielo sarà sempre più buio. Ma non è qualcosa che noi, o anche ulteriore formazione di stelle, o addirittura la innesca nel gas già ne stellare nel passato, e gli altri metodi consentono di misurare è passato da un pezzo, e la velocità del processo è certamente in i nostri nipoti, dovremo temere: il Sole ha ancora davanti a sé presente. Si può anche andare oltre e affermare che, ironicamen- questa velocità a grandi distanze, possiamo confrontare i risultati declino. Via via che nell'universo si formano strutture progressi- cinque miliardi di anni di vita. m 60 61 LE SCIENZE 441 /maggio 2005 www.lescienze.it LE SCIENZE 2 upponiamo che i terroristi mico e sociale. E la storia offre loro solo più efficace. Le reti che provvedono alla siano in procinto di dif- riferimenti approssimativi. I metodi che nostra vita quotidiana, fornendoci lavo- ~IV fondere la peste a Chicago, debellarono il vaiolo nei villaggi africani ro, servizi e svaghi, sono le stesse che le o e che le autorità sanitarie, negli anni settanta, per esempio, potreb- malattie infettive sfruttano per diffondersi con risorse e personale limi- bero non essere la tattica più efficace se tra gli ospiti umani. Creando un modello o tati, debbano scegliere rapi- lo stesso virus apparisse in una città degli estremamente dettagliato di questa rete damente le contromisure Stati Uniti nel XXI secolo. Per individuare sociale possiamo identificarne la struttura più efficaci. Quale sarebbe la via migliore le contromisure migliori in una varietà di e capire come alterarla per arrestare il dif- per arrestare il diffondersi dell'epidemia? condizioni diverse prima che si verifichi fondersi di un'epidemia con il minor dan- Somministrare antibiotici a tutti i cittadi- davvero un disastro, le autorità sanitarie no possibile per il tessuto sociale. ni? O forse è meglio imporre una quaran- hanno bisogno di un laboratorio dove tena di massa? poter testare gli scenari ipotizzabili nel Epidemiologia virtuale Supponiamo che per stroncare sul modo più realistico possibile. Ecco perché nascere una pandemia influenzale fosse il nostro gruppo al Los Alamos National Molto prima della teoria dei germi necessario inviare in Asia, dove sembra Laboratory (LANL) si è dedicato allo svi- patogeni, il medico londinese John Snow stia comparendo un nuovo ceppo influen- luppo di EpiSims, il più grande modello di sosteneva che il colera, che nella prima zale letale, farmaci antivirali presi dalle simulazione epidemiologica a base indivi- metà dell'Ottocento aveva ucciso decine scorte nazionali. Se la strategia avesse duale mai creato. di migliaia di persone in Inghilterra, si O O O successo, sarebbe scongiurata una crisi La simulazione delle interazioni di cia- trasmette attraverso l'acqua contaminata. di proporzioni globali; se fallisse, i paesi scun individuo in una popolazione ci per- Nell'estate del 1854 verificò la sua ipo- donatori si ritroverebbero con una prote- mette di andare al di là della semplice sti- tesi durante un'epidemia del morbo nel D CHRIS L. BARRETT, STEPHEN G. EUBANK E J TH zione ridotta. ma del numero di persone che potrebbero quartiere londinese di Soho. Contrasse- Spesso le autorità sanitarie sono chia- essere contagiate; ci consente di simulare i gnò su una mappa la posizione delle case LA RICOSTRUZIONE VIRTUALE DI UNA CITTÀ E DEI SUOI ABITANTI PERMETTE DI CAPIRE mate a fare scelte che possono significa- percorsi che seguirà una malattia attraver- di ognuna delle 500 vittime decedute nei COME SI DIFFONDE UN'EPIDEMIA E QUALI SONO LE MISURE PIÙ ADATTE A FERMARLA re la vita o la morte per migliaia, persino so la popolazione e, di conseguenza, sapere dieci giorni precedenti e osservò dove si milioni di persone, e il tracollo econo- dove potrebbe essere intercettata nel modo erano rifornite d'acqua. Scoprì che ognu- LA SIMULAZIONE delle interazioni sociali che diffondono una malattia mostra il possibile percorso di un patogeno da un singolo individuo (nel cerchio) attraverso una popolazione. na di loro aveva bevuto acqua proveniente solo le proprietà della malattia e lo stato di abitanti, e attività quotidiane realisti- NELLA CITTÀ SIMULATA dalla pompa di Broad Street, e convinse di salute di ogni individuo, ma anche le che per tutte queste persone (si veda il le autorità a rimuovere la maniglia della interazioni dettagliate tra ogni coppia di box nella pagina a fronte). L'integrazio- pompa. 11 suo intervento limitò il numero individui all'interno del gruppo. ne di queste informazioni in un modello I l modello EpiSims originale si basava su Portland, in Oregon, Tuttavia, servendosi di dati di dominio pubblico, è possibile dei decessi a 616. Fino a poco tempo fa, i tentativi di computerizzato ci ha fornito la miglior ma la raccolta di informazioni dettagliate su circa 1,6 milioni creare una popolazione artificiale partendo da quella reale, Identificare le attività e i contatti delle introdurre questo tipo di modelli epide- proiezione di modelli di contatto fisico di persone reali e le loro attività sarebbe stata difficoltosa e assegnando a ciascun individuo un'esistenza quotidiana singole vittime della malattia, come fece miologici hanno preso in considerazione per grandi popolazioni umane mai creata. invasiva. realistica. Snow, resta uno strumento importante soltanto piccolissimi gruppi di individui, Con EpiSims siamo in grado di diffonde- per i moderni epidemiologi. E non è una da 100 a 1000. Le loro dimensioni sono re un agente patogeno virtuale tra queste FAMIGLIE ARTIFICIALI NUCLEO FAMILIARE 2375 novità che le autorità sanitarie si basino limitate dal fatto che si basano su popola- popolazioni, osservarne la diffusione e [Ufficio Censimenti americano ci ha fornito su modelli per sviluppare politiche di pro- zioni reali, per esempio i residenti, i visi- verificare i risultati dei diversi interventi. informazioni demografiche quali l'età, la Mill1111111111111111111 ara ummummuum tezione della collettività. Eppure la mag- tatori e il personale di una casa di cura, e Ma anche senza simulare lo scoppio di composizione del nucleo familiare e il reddito, g gior parte dei modelli matematici usati richiedono informazioni dettagliate sugli un'epidemia, il modello fornisce interes- per l'intera città, e il cinque per cento dei dati per capire e prevedere il corso delle epide- individui e i loro contatti nell'arco di gior- santi indizi sul funzionamento delle reti completi in suo possesso per effettuare studi L.1• Migi 1i1e1r1. ........5m11am1111a11l1i1 mie si limita a descrivere le interazioni di ni o settimane. Elaborare al computer un sociali umane, con implicazioni poten- d'area limitati a pochi isolati. Mediante una Età 28 2? 3 ‘1m11051Mle-ia--- .Allium ..-..-•"17•41 grandi numeri di persone nel loro insieme. numero così vasto di interazioni presenta zialmente importanti per le contromisure tecnica statistica chiamata adattamento Reddito: $37K $28K $0 $0 • E•11~-12-1M2411 Un motivo è che spesso chi costruisce i inoltre difficoltà tecniche sostanziali. epidemiche. proporzionale iterativo, questi due gruppi di Occupazione: lavoratore lavoratrice studente asilo ws n1111~11/IM%M1I•11n71K l0ib4ili modelli non ha conoscenze specifiche 11 nostro gruppo è riuscito a costruire dati sono stati combinati in modo da creare Auto: n/a n/a :12:29.:LiilinEP'21U1 sulle modalità di trasmissione di determi- un modello epidemico a base individuale Reti sociali nuclei familiari e individui con caratteristiche -....-....u-..=. nate malattie infettive. Un'altra ragione è su una scala di milioni di persone usando demografiche e distribuzione geografica • ESITAR EMMEN MMEMMII che fino a poco tempo fa non esistevano sistemi di supercomputing ad alte presta- Per capire che cos'è una rete sociale e statisticamente corrette. .1•M.,E./ .d.iE.M.a1 mm mm m . U.FI j.z~tiwmil modelli realistici delle interazioni sociali zioni e adattando un modello preesistente, come può essere usata in epidemiologia, la.....-1::::::::7512:::: HH2375 ............"-~an immaginiamo le attività quotidiane e i rEMUaI zorzuorat•-----i-r-d-.-.-. contatti di un singolo ipotetico individuo HH2375 --..-. :::jail E I modelli più fedeli devono cogliere 8: HH2375 ATTIVITÀ QUOTIDIANE • adulto, che chiameremo Anna. Anna ha 8: EE Ar 8:00 1645 dei brevi contatti con i familiari a cola- 8: Esce di casa Esce dal dentista la probabilità di trasmissione 14 Ar zione e quindi con altri pendolari o com- Pr 14 A8r4r0iv a al lavoro V1a7 3a0 fare spese ', .i.ik"hrtza, rr.rt.:=..2:1: pagni d'auto lungo la strada per andare al 1E Pr i' ErM11111 della malattia da un individuo all'altro Va 14:00 18:40 111!!!!!!!!!!!!!!! lavoro. A seconda della sua professione, è t. lE Pranza Finiscedi fare spese Va probabile che al lavoro incontri dozzine 15:20 19:20 Va dal dentista Arriva a casa I..al lgii twwe...~g-IN u M"I con cui le persone stabiliscono contatti chiamato TRANS1MS, realizzato a Los Ala- di persone, e ogni incontro avrà durata, reciproci, né strumenti computazionali e mos e relativo alla progettazione urbana (si grado di vicinanza e scopi diversi. Nella metodologici in grado di costruire modelli veda l'articolo Decongestionare il traffico pausa pranzo, o quando si reca a fare spese ATTIVITÀ UBICAZIONE di malattie che interagissero con popola- con i computer, di Kenneth R. Howard, in dopo il lavoro, Anna potrà avere altri bre- La maggior parte degli uffici di pianificazione metropolitana conduce Per mettere in movimento la popolazione, occorre assegnare una zioni umane dinamiche. «Le Scienze» n. 352, dicembre 1997).11 pro- vi contatti con estranei in luoghi pubblici indagini dettagliate sugli spostamenti dei cittadini usando piccoli precisa ubicazione a tutte le attività svolte dal nucleo familiare. I dati Di conseguenza, i modelli epidemiolo- getto TRANS1MS nacque per capire meglio prima di tornare a casa. campioni di poche migliaia di persone. Questi documenti registrano gli relativi all'uso reale del suolo per edifici, aree parcheggio, parchi e altri gici si basano in genere sulle stime di un gli effetti potenziali della costruzione o Possiamo rappresentare graficamente spostamenti di ogni componente del nucleo familiare nel corso di uno luoghi sono associati a 180.000 punti nel modello, fornendo stime del determinato «numero riproduttivo» di una riprogettazione di strade e di altre infra- i contatti di Anna come una rete in cui o più giorni, annotando la durata di ogni attività. Confrontando i dati numero di persone che h si dedicano a vari tipi di attività. Le attività sono malattia, cioè il numero di persone che strutture relative ai trasporti. Permettendo- Anna è al centro e una linea la collega a demografici dei soggetti dell'indagine con l'intera popolazione artificiale, legate ai luoghi di lavoro o di studio degli individui; si selezionano poi dei potrebbero essere contagiate da una per- ci di simulare gli spostamenti di una vasta ognuno di questi contatti (si veda il box a è possibile generare attività quotidiane realistiche per ogni componente siti per ulteriori attività, come fare spese o attività ricreative, tenendo sona infetta o da un luogo contaminato. popolazione attraverso un tessuto urbano p. 66). Tutti i contatti di Anna si dedicano della famiglia artificiale. conto della loro distanza e di altri aspetti della loro attrattiva. Questo numero spesso è solo la migliore realistico, TRANS1MS ci ha dato le basi per a diverse attività e a loro volta incontra- ipotesi ricavabile da avvenimenti storici, sviluppare un modello delle interazioni tra no altre persone. Possiamo rappresentare anche se la cultura, le condizioni fisiche e gli individui per EpiSims. questi «contatti dei contatti» tracciando a espandere la nostra rete sociale fino a lo stato di salute delle persone nel corso di Anche se ora EpiSims può essere appli- linee che connettono ognuno di essi - per comprendere tutti coloro che vivono sul quegli episodi possono essere estremamen- cato a diverse città, il modello TRANS1MS esempio il collega di Anna, che si chia- •Le simulazioni epidemiologiche sono laboratori virtuali in cui le autorità pianeta, non ci sarebbero due persone a te diversi dalla situazione attuale. originale si basava sulla città di Portland, ma Bob - ai rispettivi contatti. A meno sanitarie possono provare l'efficacia di contromisure diverse prima dello più di sei gradi l'una dall'altra. L'idea non Nelle epidemie reali, questi dettagli sono nell'Oregon. La versione virtuale di Por- che non siano contatti comuni ad Anna, scoppio di una vera epidemia. è rigorosamente vera, ma è tanto affasci- importanti. 11 tasso di infezione dei soggetti tland di TRANS1MS contiene mappe digi- quelli di Bob distano due «gradi» da Anna. •Costruire il modello degli spostamenti di ogni individuo in un'ampia nante da aver ispirato film e persino giochi predisposti dipende dal loro stato di salute tali dettagliate della città, incluse le rap- 11 numero di gradi lungo il percorso più popolazione genera un'immagine dinamica della rete sociale: la stessa di società. Nei circoli accademici, una rete soggettivo, dalla durata e dalla natura delle presentazioni di linee ferroviarie, strade, breve tra le persone viene talvolta definito rete di contatti usata dalle malattie infettive per diffondersi tra gli ospiti sociale analoga traccia i collegamenti nelle loro interazioni con individui contagiati, e insegne, segnali stradali e altre infrastrut- distanza grafica o grado di separazione tra collaborazioni scientifiche tra matematici dalle specifiche proprietà dell'agente pato- ture dei trasporti, e produce informazioni le stesse. oscere i percorsi che una malattia può seguire all'interno della società attraverso il «numero di Erdtis», definito geno. I modelli epidemiologici più fedeli sui modelli di traffico e sugli orari di viag- La popolare tesi che ciascun abitante permette alle autorità di modificare la rete sociale attraverso misure dalla distanza grafica dal defunto, brillan- devono saper cogliere la probabilità di gio. Utilizzando dati di pubblico dominio del pianeta sia collegato a ciascuno degli come la chiusura delle scuole e la quarantena, oppure interventi mirati sui te e prolifico Paul Ercliis. trasmissione dell'infezione da un indivi- sono stati generati 180.000 siti specifici, altri da un massimo di sei gradi di sepa- singoli. Si è scoperto che in altri tipi di rete, duo all'altro, il che significa simulare non una popolazione artificiale di 1,6 milioni razione significa che, se continuassimo Internet compresa, i collegamenti tra le 64 LE SCIENZE 441 /maggio 2005 www.lescienze.it LE SCIENZE 65