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Come funzionano i modelli climatici ? (seconda parte)

Cambiamenti Climatici, Global Warming e IPCC, , , ,

Incertezze nei modelli climatici

Le equazioni che compaiono nel modello sono solo approssimazioni dei processi fisici che avvengono nell’atmosfera. Mentre alcune di queste approssimazioni sono altamente precise, altre sono alquanto grezze. Questo è dovuto al fatto che i processi reali che avvengono sono o troppo complessi per essere inclusi nel modello (il supercomputer non riesce ad eseguirli) o perché la nostra comprensione di questi processi è ancora troppo scarsa. Quest’ultima è particolarmente vera per la formazione e la dissipazione delle nuvole. Si sta ancora cercando di implementare nei modelli l’influenza climatica delle differenti varietà di nuvole che compaiono nelle diverse regioni del pianeta e nelle varie stagioni. La modellazione del comportamento delle nuvole è molto difficile ed è qualcosa che ancora non è stato realizzato nei modelli climatici globali.
Tutti i modelli climatici IPCC assegnano un feedback positivo alla riduzione delle nubi medio basse e questo è il motivo principale delle differenze nel riscaldamento fornito dai diversi modelli climatici (Trenberth e Fasullo, 2009). Prevedo che questo modello di comportamento (delle nubi) si dimostrerà essere non corretto. E anche se gli autori sono restii ad ammetterlo c’è già qualche elemento di prova nella letteratura scientifica (Spencer et al., 2007; Caldwell e Bretherton, 2009). Credo che i modellisti hanno erroneamente interpretato il fatto che il riscaldamento provochi una diminuzione delle nuvole, mentre in realtà è stata la diminuzione delle nuvole che ha causato la maggior parte del riscaldamento del pianeta. Questo è fondamentalmente un problema di nesso di causalità: una direzione del nesso di causalità è stato ignorata quando si cerca di valutare il nesso di causalità nella direzione opposta (Spencer e Braswell, 2008).
Il problema fondamentale del nesso di causalità nella modellazione del clima non si limita solo alle nuvole. Mentre il riscaldamento provoca, in media, un aumento del vapore acqueo alle basse quote, tutto il sistema di precipitazioni controlla il vapore acqueo contenuto nella parte restante dell’atmosfera. Quindi da un parte l’evaporazione contribuisce ad incrementare l’effetto serra immettendo vapore acqueo in atmosfera, dall’altra le precipitazioni lo riducono. Ma mentre il fenomeno fisico dell’evaporazione è stato capito molto bene, lo stesso non si può dire dei processi fisici di conversione di vapore acqueo in nubi e in precipitazioni, che rimangono piuttosto complessi e misteriosi. E’ l’equilibrio tra questi due processi – l’evaporazione e le precipitazioni – che determina l’umidità atmosferica.
Anche nei modelli fatti ad hoc per studiare il comportamento e l’accrescimento delle nuvole (modelli che presentano molti calcoli complessi) il momento in cui inizia una precipitazione non viene calcolato ma bisogna fornirglielo. Questo fatto è una fonte di enorme incertezza e non viene sufficientemente considerato dagli scienziati. Alla fine, molte delle approssimazioni nei modelli climatici probabilmente non sono così importanti per la previsione dei cambiamenti climatici, ma basta un solo processo critico per portare le proiezioni del modello in una direzione completamente sbagliata. L’IPCC ammette che la loro principale fonte di incertezza è il feedback delle basse nuvole, cioè come la bassa copertura nuvolosa cambierà con il riscaldamento.

La causa del riscaldamento globale: l’uomo o la natura?

L’aggiunta di più di anidride carbonica in atmosfera deve avere qualche effetto sul bilancio energetico del pianeta, ma quanto è grande in confronto allo squilibrio energetico che il sistema climatico impone su se stesso?
Il risultato è stato che questi modellisti considerano il sistema climatico molto sensibile alle nostre emissioni di gas serra e che in primo luogo esso è in uno stato di equilibrio energetico.Vi è una pervasiva e non scientifica convinzione che la natura è in una situazione precaria di equilibrio. Sia che si tratti di ecosistemi o del sistema climatico, si sentono scienziati che sostengono la presunta fragilità della natura. Ma questo è un concetto soggettivo, non scientifico. Proprio perché la natura tende verso un equilibrio non significa che l’equilibrio sia in qualche modo ‘fragile’. E che cosa significa ‘fragile’, quando la natura sembra sconvolgere questo equilibrio comunque?
Perché questo è così importante per la modellazione del clima? Perché se questi scienziati ignorano la variabilità naturale indotta del clima, e la maggior parte dei cambiamenti climatici sono dovuti alle attività dell’uomo, allora inevitabilmente si arriva alla conclusione che il sistema climatico è fragile. Se il riscaldamento osservato nel corso del 20 ° secolo è stato causato dall’uomo, ne consegue che il sistema climatico è abbastanza sensibili (feedback positivo). Ma se il riscaldamento è stato in gran parte causato da una variazione naturale della copertura nuvolosa, allora il sistema climatico è più probabilmente insensibile (feedback negativo). E non c’è modo di sapere se sono avvenuti cambiamenti naturali nella copertura delle nubi semplicemente perché le nostre osservazioni sul secolo scorso sono molto poco accurate.
Così, i modellisti climatologi partono dal fatto che non vi sono cambiamenti a lungo termine delle nubi, del vapore acqueo, ecc, e programmano i loro modelli climatici in modo da essere abbastanza sensibili nel produrre il riscaldamento del pianeta nel corso degli ultimi 50 anni con l’aumento delle concentrazioni di biossido di carbonio. Il presupposto è sempre quello: esso partono dal fatto che la Terra fosse in uno stato di equilibrio energetico, prima che l’uomo cominciasse ad usare i combustibili fossili. Ma, come è dimostrato dalla seguente ricostruzione della temperatura degli ultimi 2.000 anni (dal Loehle, 2007), vi sono state continue variazioni di temperatura che implicano necessariamente continui cambiamenti nel bilancio energetico della Terra.

1fonte: http://www.drroyspencer.com/wp-content/uploads/2000-years-of-global-temperatures-small.gif

E mentre i cambiamenti dell’attività solare sono una possibile spiegazione per questi eventi, è anche possibile che ci siano a lungo termine, internamente al sistema, delle fluttuazioni nel bilancio energetico globale, determinate dalla variabilità naturale delle nubi e del vapore acqueo.

Conclusioni

Non c’è dubbio che molti sforzi sono stati fatti per migliorare i modelli climatici. Ma ciò non significa che tali modelli possono necessariamente prevedere il clima tra 20, 50 o 100 anni da adesso. In ultima analisi, il modellista (e quindi il politico) deve prendere come una questione di fede il fatto che oggi i modelli climatici computerizzati contengono tutti i processi importanti necessari a prevedere il riscaldamento globale.
Questo è il motivo per cui convalidare le previsioni di una teoria è così importante per il progresso della scienza. Purtroppo, non abbiamo un buon sistema per testare rigorosamente modelli climatici nel contesto della teoria che il riscaldamento globale è antropico. Gli scienziati affermano che i loro modelli possono spiegare i cambiamenti di temperatura avvenuti nel 20 ° secolo. Ciò è vero solo in parte, infatti: primo, non è improbabile che la loro è l’unica spiegazione e secondo, loro forniscono una spiegazione conoscendo già la risposta. Il punto è che, mentre i modelli climatici attualmente offrono una possibile spiegazione per il cambiamento climatico (umanità emissioni di gas serra), non è affatto l’unica possibile. E ogni modellista che sostiene di aver trovato l’unica possibile causa del riscaldamento globale è in malafede. Anche l’IPCC (2007) ammette c’è un 10% di probabilità che si sbagli sul fatto che il riscaldamento degli ultimi 50 anni sia di origine antropica.

FINE

Fonti: http://www.drroyspencer.com/2009/07/how-do-climate-models-work/

ANGELO

Mamma mia leggete l’ultima parte, il nostro angelo (che vi saluta tutti) è come sei ci avesse visto lungo 3 mesi fa quando scrisse questo pezzo… sara mica lui la famosa talpa del CRU???

Come funzionano i modelli climatici ? (prima parte)

Cambiamenti Climatici, Global Warming e IPCC, , ,

Riporto in questo articolo un lavoro del dottor Roy Spencer sui modelli climatici che gli scienziati utilizzano per fare le loro previsioni sul clima. L’argomento mi sembra interessante perché viene esaltata incondizionatamente, almeno dai media, la loro validità quando in realtà presentano non pochi limiti.

Un modello climatico è sostanzialmente un programma per computer (o meglio un supercomputer, vista la mole di calcoli da eseguire) costituito per la maggior parte da equazioni matematiche. Queste descrivono quantitativamente come, la temperatura atmosferica, la pressione, la velocità e la direzione dei venti, la concentrazione del vapore acqueo, le nuvole, le precipitazioni, rispondono al riscaldamento solare della superficie e dell’atmosfera terrestre. Naturalmente in queste vengono incluse anche le equazioni che descrivono gli effetti “serra” di alcuni elementi dell’atmosfera (soprattutto vapore acqueo, anidride carbonica e metano). La superficie sferica della Terra viene suddivisa in tante griglie (vedi l’immagine sotto) e in ognuna di queste viene fatto partire questo programma.

1fonte: http://www.drroyspencer.com/wp-content/uploads/climate-model-1.jpg

Esistono poi modelli climatici, detti “accoppiati”, dove compaiono le equazioni che descrivono tridimensionale la circolazione oceanica, il trasporto dell’energia solare assorbita intorno alla Terra, e gli scambi di calore e di umidità con l’atmosfera. Nei moderni modelli accoppiati compaiono anche equazioni che descrivono l’influenza della vegetazione, del suolo, della neve o del ghiaccio sullo scambio termico con l’atmosfera. L’immagine mostra la temperatura della superficie del mare, la direzione dei venti in superficie e la distribuzione dei ghiacci ottenuta da un modello del NCAR (National Center for Atmospheric of Research).

1Fonte: http://www.drroyspencer.com/wp-content/uploads/climate-model-2.jpg

Se volete vedere come un modello di simulazione del clima evolva nel tempo, un suggestivo video del NCAR lo trovate al seguente link: http://www.youtube.com/watch?v=tbXwRP0CQNA

L’importanza del bilancio energetico nei modelli climatici

I modelli climatici sono solitamente utilizzati per studiare come il clima della Terra potrebbe rispondere a piccole modifiche di due flussi energetici: quello solare in entrata e quello emesso dalla Terra in uscita sotto forma di radiazione infrarossa. Proprio quest’ultimo è influenzato dall’aggiunta di gas serra che riducono la capacità dell’atmosfera terrestre di liberare energia verso lo spazio (riscaldamento antropico). È l’equilibrio tra i due flussi di energia radiante che determina la temperatura media a lungo termine del clima. Se sono in equilibrio allora la temperatura media si mantiene costante, altrimenti si osserva un cambiamento. E’ semplicemente una questione di bilancio energetico. L’energia in gioco è stimata essere in 235 o 240 watt per metro quadro, che corrisponde all’energia solare assorbita dalla Terra ed emessa sotto forma di raggi infrarossi (siamo in equilibrio termico). Parliamo di stima perché il sistema satellitare per la misurazione del bilancio di energia radiante della Terra non è ancora abbastanza buono da fornire una precisione assoluta.
Tutta una serie di variabili nel modello vengono cambiati fino a quando il modello stesso si avvicina alla media stagionale dei modelli meteorologici di tutto il pianeta e alla energia assorbita dalla Terra ed emessa a un tasso medio globale di 235 o 240 watt per metro quadro. Gli scienziati che fanno modelli ritengono che se il modello riesce a imitare queste caratteristiche di base del sistema climatico terrestre, allora sarà in grado di prevedere l’eventuale riscaldamento globale. Questo presupposto potrebbe essere buono oppure no, ma nessuno è in grado di dirlo.

Il riscaldamento globale di origine antropica nei modelli climatici

L’aggiunta di anidride carbonica nell’atmosfera dalla combustione di combustibili fossili ha provocato uno squilibrio di un valore stimato di circa 1,5 Watt per metro quadrati rispetto ai soliti 235-240. Questo squilibrio energetico è troppo piccolo per essere misurata dai satelliti e di fatto viene calcolato teoricamente. Quindi, se la Terra è inizialmente in uno stato di equilibrio energetico, e il tasso di radiazione assorbita dalla Terra è esattamente 240 Watt per metro quadro, il tasso di perdita di radiazione infrarossa nello spazio passa da 240 a 238,5 Watt per metro quadro (240 meno 1,5). Ciò determina un incremento di temperatura fino a quando non sarà ripristinato l’equilibrio termico. A quel punto l’energia persa sotto forma di radiazione infrarossa e quella solare assorbita si eguaglieranno e si avrà nuovamente una temperatura costante nel tempo.
La principale fonte di incertezza nella modellazione del clima è questa: il sistema climatico (la Terra) come si comporterà per ridurre la piccola quantità di riscaldamento dovuto alla CO2? Il modello climatico (così come il vero sistema climatico) ha diversi modi in cui uno squilibrio energetico dovuto all’aggiunta di anidride carbonica in atmosfera possa essere ripristinato. La risposta più semplice è un aumento della temperatura. Ad esempio, si può calcolare che il 40% di aumento di CO2 dovuto alle attività umane negli ultimi 150 anni abbia causato un incremento di 0,5 C. Questa risposta teorica è chiamata “no feedback” (senza risposta) perché nessuna cosa è cambiata tranne la temperatura.
Ma un cambiamento di temperatura può modificare altri elementi del sistema climatico, come le nuvole e il vapore acqueo. Questi altri indiretti cambiamenti sono chiamati “feedbacks”, e possono amplificare o ridurre il riscaldamento dovuto alla sola CO2. Nella figura seguente, vengo mostrati più di venti modelli climatici attualmente monitorati dalle Nazioni Unite mediante l’ IPCC che amplificano il riscaldamento del pianeta.

1fonte: http://www.drroyspencer.com/wp-content/uploads/21-ipcc-climate-models.jpg

Questa amplificazione è in gran parte dovuta all’aumento di vapore acqueo – che è il principale gas serra- e alla diminuzione delle nubi che si formano alle altitudini medio-basse, il cui effetto principale è quello di lasciare arrivare maggiore radiazione solare e causare un ulteriore riscaldamento del pianeta. Questi cambiamenti vengono implementati nei modelli che assegnano all’aumento del vapore acqueo e alla diminuzione delle nubi un feedback positivo.

E’ questo realmente il modo in cui funziona il sistema climatico terrestre?

Fine prima parte (Domani la seconda)

ANGELO