venerdì 13 maggio 2011

Nascondino

Una variante climatologica del noto gioco dei bambini è uno degli ambiti di ricerca più affascinanti ma anche frustranti degli ultimi anni: quello della presunta energia mancante che dovrebbe chiudere il cerchio dello sbilancio radiativo globale. Affascinanti perché, come nel gioco (e in tutti i tipi di ricerca), crea suspense, attese, stimoli, attinge ad ambiti magari finora poco studiati o conosciuti, immette passione in gioco. Frustranti perché, come nel gioco (e in molta ricerca), si vorrebbe sapere subito di più, o più semplicemente il rapporto fra aspettative e risultati spesso è sempre troppo alto, soprattutto (come in questo caso, ma vale anche per la metafora del gioco) quando per capire meglio servono strumenti più sofisticati e più tempo e ricerca.




Una cosa che non si riesce a trovare è tale a causa di 3 buone ragioni:
α) inadeguatezza della ricerca: non si riesce a trovare o vedere ciò che è nascosto;
β) accuratezza dell'oggetto ricercato: ciò che è nascosto lo è in maniera molto oculata, al punto che - nonostante la ricerca - non ci si accorge della sua presenza;
γ) inutilità della ricerca: non c'è niente di nascosto, trattasi di un classico (e non infrequente, nella ricerca scientifica) errore del secondo tipo (o del falso negativo, vedi qui) consistente nell'accettare un'ipotesi nulla sbagliata.

Questo post vorrebbe fare il punto della situazione su questo tema (ma ne abbiamo già parlato quiqui e qui), ma soprattutto seguire qualche ipotetica pista speculativa.



Questo grafico, tratto dal famoso paper che Trenberth e Fasullo pubblicarono su Science lo scorso anno (ma Trenberth ne accennò già nel 2008 nella keynote di apertura di questo seminario a cui ebbi l'occasione di partecipare), mostra l'ormai ben noto saldo energetico finale positivo (al TOA) fra energia che entra (ad onda corta e bassa entropia, radiazione solare incidente, A) ed energia che esce (ad onda lunga e più alta entropia, soprattutto radiazione ad onda lunga emessa, ma pure ad onda corta riflessa, B) nel sistema terrestre.


Se il saldo fosse nullo, ci sarebbe equilibrio: A si bilancerebbe perfettamente con B. In realtà il saldo non è nullo, negli anni è aumentato e quindi si è prodotto uno sbilancio di quasi             1 Wm^-2: essendo positivo, questo sbilancio è a favore di A (come ci si aspetterebbe, fra l'altro, dalla teoria). Il sistema ha accumulato e continua ad accumulare energia: quest'ultima viene dunque assorbita dal sistema che la dissipa, la ridistribuisce al suo interno ed eventualmente la  "stocca" in reservoirs. Il più importante di questi è ovviamente l'oceano, questo grafico tratto da questo post mostra come circa il 90% dell'accumulo di energia nel sistema finisca negli oceani, e lo si vede bene anche dal primo grafico.

Il GW, come si sa, è l'effetto che questo squilibrio radiativo al TOA (in risposta al forcing radiativo) crea in bassa troposfera e al suolo, dopo che il sistema ha cercato di ristabilire l'equilibrio (ovvero ha prodotto il più importante feedback negativo, quello del lapse rate verticale che induce convezione e trasporto verticale di calore, al netto dell'evaporazione e del calore latente assorbito). Fin qui niente di nuovo, basics.



Ora: lo studio e il grafico associato ci mostrano come, su quasi 1 Wm^-2 di saldo energetico positivo annuo, circa la metà mancherebbe all'appello (come spiegato anche qui).

Come mai?

Una semplice (e non esaustiva) lista di possibili risposte:

a) i sensori satellitari che misurano i flussi di energia ad onda corta provenienti dal sole hanno subito dei drift, riportando misure inquinate da relativi bias e risultate troppo alte ➜ probabile, vedi sotto (punto 3);
b) i sensori satellitari che misurano i flussi di energia ad onda corta riflessi dal sistema terrestre hanno subito dei drift, riportando misure inquinate da relativi bias e risultate troppo basse ➜ possibile, vedi sotto (punto 4);
c) i sensori satellitari che misurano i flussi di energia ad onda lunga provenienti dal sistema terrestre hanno subito dei drift, riportando misure inquinate da relativi bias e risultate troppo basse ➜ altamente improbabile, lo spettro dell'OLR aderisce piuttosto strettamente alla radiazione di corpo nero appropriata meno le linee spettrali ampiamente previste dalla teoria;
d) i sensori degli strumenti batimetrici oceanici (da qualche anno appannaggio della flotta ARGO) non sono tarati bene, riportando misure inquinate da relativi bias e risultate troppo basse ➜ possibile (vedi ad es. qui) ancorché improbabile;
e) il calore si è accumulato in parti dell'oceano ancora poco monitorate (per es. sotto i 2000 m e/o nel mar glaciale artico) ➜ molto probabile, vedi sotto (punto 1).

Le prime quattro possibili soluzioni al quesito fanno tutte riferimento alla ragione α (spiegata sopra), perché l'inadeguatezza della ricerca può anche esplicarsi mediante drift, settaggi e tarature non idonee dei sistemi di monitoraggio che possono produrre bias. L'ultima, invece, si associa piuttosto alla ragione β.

Al di là dell'auspicio di miglioramento della rete di cattura dei flussi di energia all'interno del sistema (ragione α), alcuni recenti lavori sembrano suggerire qualche interessante ipotesi speculativa incentrata soprattutto (ma non solo, vedi i punti 3 e 4) sulla ragione β.
Ho diviso il tutto in 5 rami argomentativi:

1) Il calore nascosto in oceano ➤ già in questo post, segnalando qualche paper recente (come questo o questo) veniva suggerita l'ipotesi che una parte di questa energia mancante fosse finita nelle profondità oceaniche, "nascosta" da una parziale difficoltà di monitoraggio (anche se l'incremento sterico del livello dei mari ne mostrerebbe indirettamente l'effetto). A questi si aggiunge adesso un'ulteriore prova: questo recente lavoro mostra come circa 0.1 Wm^-2 (grossomodo il 20% della missing energy) sia finito nelle profondità dell'oceano australe (ai margini dell'Antartide) e si stia muovendo progressivamente verso nord. Per rendere conto dell'idea, l'autore paragona questo quantitativo di flusso di energia a quello che si libererebbe da ogni abitante della Terra se fosse munito di 5 asciugacapelli da 1'400 W ciascuno accesi ininterrottamente per 20 anni!
Parallelamente sono usciti anche altri due studi indipendenti (qui e qui) che mostrano altri modi e altre zone attraverso i quali e laddove l'energia si sarebbe depositata e sarebbe andata a finire, "nascondendosi" al monitoraggio effettuato finora.

2) La radiazione riflessa dal sistema ➤ Roy Spencer, subito dopo l'interessante discussione nata sul blog di Pielke sr fra Trenberth, Willis e lo stesso Pielke sr, nel suo blog mostra alcune cose interessanti che - secondo lui - confuterebbero l'ipotesi della missing energy fatta da T&F. Proprio nel periodo indicato, l'OLR (radiazione ad onda lunga fuoriuscente, spia sia della nuvolosità sia delle temperature superficiali: se alta o positiva sta ad indicare forte emissione di radiazione IR dalla superficie e bassa nuvolosità, se bassa o negativa il contrario) non ha subito sostanziali cambiamenti, al di là della normale fluttuazione riconducibile perlopiù alla variabilità interannuale guidata dall'ENSO. Invece la SW (radiazione solare ad onda corta riflessa) sarebbe diminuita, ovvero sarebbe aumentata la porzione di radiazione solare (e dunque anche netta) assorbita dal sistema. Ora: se la SW diminuisce, dove è finita? Dove è stata dissipata e in che ambito è stata "spesa"? Si delineano due sole possibilità: o l'oceano ha assorbito più energia solare oppure l'albedo superficiale è diminuito. Le due possibilità non sono indipendenti, per es. nell'estate artica in questi ultimi anni, in effetti, si nota una riduzione dell'estensione glaciale e parallelamente un aumento dell'assorbimento di energia solare (poi in parte rilasciata sottoforma di energia infrarossa dall'oceano all'atmosfera in autunno e in inverno). Un'altra variante sarebbe una riduzione dell'albedo superficiale in altre parti del globo, ma il periodo mi pare troppo breve e in ogni caso i cambiamenti più netti - in termini d albedo - credo siano quelli del mar glaciale artico (non si scorgono, su un periodo così breve, importanti mutamenti nella copertura nuvolosa bassa, vedi qui : notare come le nubi più riflettenti - vale a dire quelle medio-basse ad alta densità ottica come nembostrati e strati - nel periodo in questione siano addirittura leggermente aumentate). Trenberth, nella discussione sul blog di Pielke sr, già subodorava qualcosa di simile (vedi qui, tratto dal post citato). Tuttavia è lo stesso climatologo a rispondere indirettamente a Spencer (qui, sostenendo come i dati satellitari CERES mostrino già la somma dei 2 tipi di radiazione uscente netta) lasciando intendere come forse questa sua ipotesi (della diminuzione della SW) non sia da considerare completamente corretta e affidabile.

3) Un forcing solare negativo? ➤ Questo recente lavoro (grafici relativi qui e qui) mostra una relativa novità per quel che riguarda l'irradianza solare totale (TSI) ricevuta dal sistema Terra al di fuori dell'atmosfera e monitorata dai satelliti. Ebbene: nuove e più precise misurazioni satellitari - corroborate e convalidate da altre misurazioni radiometriche collaterali - sembrerebbero mostrare come il minimo reale e più probabile della TSI sia di circa 4.6 Wm^-2 più basso rispetto al valore canonico fino ad ora ritenuto la stima più valida. Problemi di natura radiometrica associati a scattering e diffrazione, producevano bias di lettura troppo alti. In sostanza, questo si traduce da un lato in una maggior aderenza fra lo squilibrio radiativo di quasi 1 Wm^-2 e le inferenze dedotte dalle misure satellitari. D'altro canto, la differenza fra il nuovo valore più basso della TSI e quello delle vecchie misure corrisponde - a tutti gli effetti, anche se in effetti non lo è - ad un forcing climatico equivalente negativo; il che potrebbe contribuire ad una parziale risposta alla domanda di cui sopra.

4) Il rebound degli aerosol ➤ Soprattutto a causa della forte crescita economica e industriale dei Paesi Emergenti asiatici (Cina e India in primis) che implica un aumento della combustione di carbone, si è notato negli ultimi anni (vedi ad es. qui o qui) una sorta di inversione nella produzione di aerosol (black carbon BC ma soprattutto le brown clouds dei solfati, rintracciabile anche nell'aumentato backscattering stratosferico dallo strato di aerosol). Se le BC potrebbero aver contribuito ad una leggera e parziale diminuzione dell'albedo (tutta ancora da dimostrare, afaik), sono soprattutto i solfati e il loro particolarissimo effetto di "disturbo" radiativo troposferico a sostenere questa quarta ipotesi. Martin Wild (expertise nel ramo), al recente convegno del GAW-CH 2011 tenutosi all'ETH di Zurigo ad inizio anno, ha mostrato - attraverso esemplificazioni schematiche (vedi ad es. qui e qui) - come gli aerosol possano interagire e influenzare il bilancio radiativo globale, nonostante si parli qui prevalentemente di una sola, seppur grande, regione (mentre, come si sa, sono stati abbattuti dagli anni 80 in avanti ingenerando un sostanziale global brightening susseguente il global dimming e l'associata stasi nell'andamento delle T nordemisferiche fra gli anni 50 e la metà degli anni 70) e nonostante si parli qui solo del loro effetto più compreso ma anche più efficace: quello diretto.
Questo reversal potrebbe aver scombussolato un po' i piani, riducendo leggermente la radiazione solare  superficiale e/o aumentando quella riflessa verso l'esterno. Qui una tabella schematica (tratta dal lavoro linkato di Wild et al.) mostrante la comparazione fra le tendenze qualitative degli anni 90 e dei 2000 nella radiazione solare superficiale in varie regioni del mondo.


5) L'ipotesi più speculativa di tutte, ma forse anche per questo la più affascinante: le dinamiche interne ➤ mi chiedo da tempo come questo squilibrio radiativo possa incidere sulle dinamiche interne al sistema oceano-atmosfera e quindi sulla variabilità naturale di corto periodo. Che ci sia un qualche trasferimento di energia potenziale in energia cinetica che influenzi le configurazioni bariche e i pattern dissipativi è abbastanza intuitivo. L'energia cinetica modula gli eddies e si consuma attraverso la circolazione atmosferica generale, via modifica dei gradienti termici e di quelli barici. In questo senso, non so se la netta intensificazione e forte fluttuazione dell'AO - spia della forza del VP - degli ultimi tempi (record da inizio anni 50 e modifica della scala da parte della NOAA prima in un senso, poi nell'altro) possa essere in qualche modo indiretto associabile a quel che dicevo. Si tratta però perlopiù di cambiamenti di breve periodo, penso invece che - se c'è una qualche manifestazione di fluttualità - questa vada ricercata maggiormente nella variabilità termo- e idrodinamica interannuale e qui penso ovviamente all'ENSO. Come incide - se lo fa - su questo processo dinamico che evolve da uno stato di equilibrio all'altro? Come influenza l'accumulo (Nina) e lo scarico (Nino) di energia? Come modula emergenza, localizzazione, intensità del fenomeno? Come forza una parte del sistema (l'atmosfera o l'oceano) a prevalere e modulare, a sua volta, l'altra? Come cambia la modalità attraverso la quale l'ENSO ridistribuisce energia, sorgenti di evaporazione e associati flussi di calore latente, così come il trasporto extra-tropicale mediante le avvezioni?
Tutte domande stimolanti, ma per il momento le lasciamo in sospeso. Ci torneremo senz'altro più avanti, con una serie di post dedicata alle ENSO Insights.


E la terza ed ultima ragione (γ)? Quella sul possibile errore di secondo tipo, sull'ipotesi nulla presumibilmente sbagliata? Trattasi di una delle tre ragioni del gioco del nascondino elencate ad inizio post. Al solito paese, la solita centralina* Qualcuno ci sta speculando sopra per bene. Ma si tratta appunto di speculazione, né meno né uguale alle ipotesi elencate in questo post come varianti delle ragioni α e β. Sicuramente non di più, però: abbiamo visto 5 argomenti, dei quali almeno 3 (il primo ha ormai diversi riscontri indipendenti, il secondo è più che una lontana idea, il terzo è una relativa novità con la quale dobbiamo e dovremo fare i conti)  sufficientemente robusti per almeno sminuire (se non scartare) questa ragione.
Io non la scarterei del tutto, però. Potrebbe anche darsi, infine, che una parte della ricerca possa anche dipendere da questa ragione, in ragione - più che altro - dei margini di incertezza associati all'oggetto nascosto dell'indagine: quel mezzo Wm^-2 di densità di flusso radiativo che mancherebbe all'appello.

* Bozza del post preparata durante i primi 3 mesi del 2011 e quindi prima del primo giorno di aprile.

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