Il clima e il tempo con l'accento

Il nuovo decennio parte col botto: alcuni studi appena pubblicati (un paio, per la verità, già da qualche mese) mettono letteralmente a soqquadro un mantra delle cause dei cambiamenti climatici: quello del ruolo giocato dalla variabilità interna, sempre sopravvalutata quando si vuol sminuire quel che la scienza con sempre maggior chiarezza asserisce riguardo al preponderante ruolo antropico. In realtà, come già si diceva qui, la comunità scientifica è sempre più sicura che la % di riscaldamento globale imputabile alle attività antropiche si aggiri attorno ad un valore prossimo al 100%.
In questo post una breve disamina in due capitoli di questi studi che ridimensionano (e di parecchio!) il ruolo della variabilità interna (vedi anche questo studio).

Credits: Sonia Seneviratne, CH2018


Che cosa si intende quando si parla di variabilità interna del sistema climatico?
Con il termine variabilità interna i climatologi intendono qualsiasi fattore libero (spontaneo) che influenzi la variazione del clima e che risieda all'interno dello stesso sistema climatico (vedi anche qui). Esclusi quindi fattori di "spinta" o forzatura esterni al sistema climatico, sia naturali - quali variazione dell'attività solare, parametri orbitali, cause tettoniche, eruzioni vulcaniche...- sia antropici.
Qualsiasi sistema complesso è accompagnato da / in grado di produrre variazioni interne allo stesso, anche il clima non fa eccezione. Dal punto di vista della risposta termodinamica, ne sono un esempio le variazioni delle temperature superficiali degli oceani (SST, con i relativi flussi di calore) a bassa frequenza, ovvero su scala multi- o inter-decennale (per es. l'oscillazione multidecennale atlantica, AMO o quella del pacifico, PDO/IPO) oppure ad alta frequenza, ovvero quelle interannuali (la più importante delle quali è l'ENSO). Dal punto di vista della risposta dinamica, un altro esempio è costituito dalla variazione dei modi di circolazione atmosferica extra-tropicale (per es. l'oscillazione artica AO e/o quella nordatlantica, NAO...), anche in questo caso a bassa o ad alta frequenza.
Se parliamo di cambiamento del clima, contano molto di più le variabilità a bassa frequenza, ovvero sulle finestre temporali più lunghe, e dunque quelle multi- o inter-decennali.
La variazione dei più importanti modi di circolazione atmosferica, per es., è stato calcolato che provochi fluttuazioni della temperatura media globale di pochi centesimi di grado al decennio. Briciole su scala globale, un po' meno su scala regionale (vedi anche qui) in specifiche stagioni (per es. l'Eurasia in inverno).
E i cicli oceanici? Si pensa contino decisamente di più, per es. lo iato nel trend termico di fondo fra l'inizio degli anni 50 e l'inizio degli anni 80 del XX secolo è stato in parte imputato ad una combinazione di fasi raffreddanti dei cicli dell'AMO e della IPO (ma anche e soprattutto ad altri fattori esterni, quali le maggiori emissioni di aerosol solfati di origine industriale e, in misura minore, di origine vulcanica dopo un periodo di quiescenza).
Perlomeno lo si pensava fino ad oggi.


AMO...il rumore di fondo

Secondo questo primo studio appena pubblicato su Nature Communications, le oscillazioni multi-decennali (come AMO e PDO) sono solo variazioni non molto diverse dal rumore di fondo.
Con le parole degli autori dello studio:
Per diversi decenni l'esistenza di oscillazioni climatiche interne interdecennali e multidecennali è stata affermata da numerosi studi basati su analisi di osservazioni storiche, dati paleoclimatici e simulazioni di modelli climatici. Qui usiamo una combinazione di dati osservativi e simulazioni di modelli climatici forzati e di controllo all'avanguardia per dimostrare l'assenza di prove coerenti di segnali oscillatori interni decennali o di più lungo termine che si distinguono dal rumore climatico.

Per l’AMO già da tempo c’era il sospetto si trattasse di un’oscillazione di natura più statistica che fisica. Per altri autori (vedi anche qui), non è da scartare il ruolo che potrebbero avere i feedback positivi delle nuvole basse e della polvere  nell'amplificazione della componente tropicale dell'AMO. Altri studi (come questoquesto, non però esente da critiche) avevano rilevato un possibile contributo antropico (e quindi: forcing esterno) sul passaggio dal ciclo freddo degli anni 60-80 a quello caldo dagli anni 90 spiegabile attraverso gli effetti radiativi esercitati dal massiccio accumulo di aerosol solfati e di dimming della radiazione solare prima e di successivo brightening associato all'abbattimento dei solfati in seguito ai Clean Air Acts in Nordamerica e Europa, in seguito. Ebbene: gli autori dello studio citato ad inizio capitolo non escludono il ruolo di forzatura esterna nel determinare parte di questi cicli. Concludono il comunicato stampa così:
Il nostro studio fornisce un'altra linea di prova secondo cui le presunte oscillazioni interne decennali e temporali più lunghe nel clima che sono state identificate attraverso l'analisi dei dati osservativi sono in realtà principalmente il risultato di influenze esterne come le emissioni di gas serra e di aerosol da parte dell'uomo.
Un ulteriore problema nell'attribuzione delle variazioni delle SST in Atlantico: poiché alcune fluttuazioni sono avvenute piuttosto rapidamente, si potrebbe pensare che siano dovute a variabilità interna ma l'inizio del periodo freddo coincide con sia un rapido aumento delle emissioni di aerosol sia con il ritorno dell'attività vulcanica, la fine coincide con il rapido declino delle emissioni di aerosol e il contemporaneo recupero post-Pinatubo (vedi qui e qui).

Serie storica delle SST, simulazione (HIST) e simulazione con aerosol costanti. Watanabe e Tatebe 2019



Per entrambe le oscillazioni oceaniche c’è inoltre da aggiungere la relativa sorpresa emersa la scorsa estate in occasione della pubblicazione di questo secondo studio (vedi anche qui) che evidenzia l’identificazione di due nuovi bias nelle SST rilevate nella prima parte del secolo dalle navi tedesche nel Nord Atlantico e da quelle giapponesi nel Pacifico. L’effetto è di ridurre il trend nel Nord Atlantico e di aumentarlo nel Nord Pacifico soprattutto occidentale; questo porta le SST sottocosta maggiormente in linea con le osservazioni delle stazioni costiere.
L’ovvia conseguenza è anche che le SST sono maggiormente in linea con l’evoluzione storica dei forcing radiativi e si riduce quindi ulteriormente il ruolo della variabilità interna.

In a) i trend delle SST icoads nella prima parte del secolo, in b) la nuova correzione (la scala è diversa e non è così ampia quanto sembra) e in c) i trend dopo la correzione. Chan et al. 2019



Anche questo lavoro pubblicato la scorsa estate focalizzato sul cambiamento climatico del 19° secolo porta l'attenzione sui forcing esterni e ridimensiona il ruolo della variabilità interna (un altro aspetto importante anche del paper citato nell'introduzione al post). Le eruzioni vulcaniche della prima parte del 19° secolo hanno probabilmente avuto un prolungato impatto globale; nonostante il recupero dell'anomalia nel mixed layer oceanico sia rapido (pochi anni), il forcing radiativo è stato sufficientemente ampio e le eruzioni sono state sufficientemente ravvicinate al punto che l'impatto sull'oceano in profondità è risultato essere duraturo tra le eruzioni. In aggiunta, c'è stato anche un impatto sul monsone africano e sullo storm track nel Nord Atlantico.  Il lento recupero ha avuto un pattern spaziale che è simile a quello dei modi di variabilità delle SST sia nel Pacifico che nel Nord Atlantico e rende difficile separare l'impatto dei forcing radiativi dalla variabilità interna.

D'altronde se la superficie della Terra si riscalda a causa della forzatura esterna, ci aspettiamo che la Terra assorba calore e questo contributo finisce soprattutto negli oceani, di modo che questi ultimi aumentano - come sta effettivamente avvenendo - il loro contenuto di energia termica. Ma cosa ci aspetteremmo di osservare nel caso in cui la superficie si riscaldasse soprattutto a causa della variabilità interna? Se la variabilità interna contribuisse ad almeno il 50% del riscaldamento osservato, il calore perso dagli oceani sarebbe più del doppio rispetto al guadagno di calore calcolato dal modello in cui il contributo di variabilità interna è piccolo. Una situazione che non si riscontra nella realtà: non sono a conoscenza di alcuna stima pubblicata (vedi per es. qui, cap. 5) che mostri un contenuto di energia termica negli oceani in diminuzione, in media, negli ultimi 50 anni.



Il clima è quello che ti aspetti, il tempo è quello che ti spetta mentre aspetti

Lo scrivo e lo ripeto da tempo, qui sul blog almeno dal 2012 (un caso? vedi dopo*):

❏ lo stato dell’atmosfera e degli oceani è mutato, a causa degli squilibri nel bilancio dei flussi di energia;
❐ gli eventi meteorologici sono influenzati da un clima mutato perché le condizioni ambientali al contorno nei quali si manifestano sono diverse rispetto a prima, più calde (atmosfera, oceani), più umide (atmosfera), con meno massa glaciale (zone artiche)...;
◎ un singolo evento ovviamente non è una conseguenza del cambiamento climatico;
◉ tuttavia, condizioni climatiche mutate sono in grado di influenzare il modo in cui gli eventi estremi si manifestano.

Fin qui sugli eventi di tipo estremo, intensi e rari per definizione.
Ma sui singoli eventi giornalieri? Sul modo in cui il tempo meteorologico giornaliero si manifesta?
Insomma: il tempo non è il clima, che diamine! Questo è un paradigma di vecchia data che però - alla luce di recenti scoperte e della situazione climatica in itinere - sta rapidamente saltando perché i cambiamenti climatici ora possono essere rilevati  persino nel tempo quotidiano.

L'ultimo studio di cui parlo nel post è uno studio pubblicato in questi giorni su Nature Climate Change nel quale un gruppo di ricercatori afferente allo IAC dell'ETHZ (in collaborazione con ricercatori dell'SDSC) è riuscito a dimostrare, per la prima volta, come il riscaldamento del pianeta non influenzi solo il clima sul lungo periodo ma anche il tempo meteorologico di ogni singolo giorno dell'anno. Gli effetti dei cambiamenti climatici sono sotto gli occhi di tutti (o quasi) e i record di temperatura si rincorrono di anno in anno e di mese in mese, con gli esperti spesso costretti a ricordare la distinzione fra il clima - e quindi i dati meteorologici raccolti sul lungo periodo - e il tempo atmosferico - che può variare molto di giorno in giorno, dal momento che la variabilità delle condizioni meteorologiche locali maschera le tendenze a lungo termine del clima globale.
Con le parole dell'incipit dello studio:
Il clima è quello che ti aspetti, il tempo è quello che ti spetta”. A lungo, nella discussione pubblica e mediatica, questa distinzione proverbiale tra il tempo e il clima è servita agli scienziati da punto di partenza per distinguere la variabilità meteo giorno per giorno dalla risposta forzata a lungo termine del cambiamento climatico. Pertanto il paradigma 'il clima non è la meteo' viene tipicamente invocato per spiegare fenomeni che possono essere percepiti come contraddittori, come fredde giornate invernali in un clima che si riscalda.
Ebbene, lo studio segnalato sostiene che da quasi un decennio (per la precisone dal 2012*) non c'è più stato un singolo giorno, a livello globale, in cui il tempo non sia stato influenzato dai cambiamenti climatici che - come sappiamo - sono oggi essenzialmente guidati (forzati) dalle attività antropiche.
Scoprire il segnale del cambiamento climatico nelle condizioni meteorologiche quotidiane richiede una prospettiva globale, non regionale 
afferma Sebastian Sippel, postdoc che lavora nel gruppo di ricerca di Reto Knutti, co-autore dello studio.

Semplice da dire, difficile da dimostrare: per riuscirci, i ricercatori hanno analizzato un'infinità di dati raccolti in tutti gli angoli del pianeta grazie a boe e navi nel mare, satelliti e stazioni meteo.
Al fine di rilevare il segnale climatico nelle registrazioni meteorologiche quotidiane, i ricercatori hanno utilizzato tecniche di apprendimento statistico per combinare le simulazioni con i modelli climatici e i suddetti dati provenienti dalle stazioni di misurazione. Le tecniche di apprendimento statistico riescono ad estrarre un'"impronta digitale" dei cambiamenti climatici dalla combinazione delle temperature di varie regioni e dal rapporto tra riscaldamento e variabilità previsti. Valutando sistematicamente tali simulazioni, sono in grado di identificare l'"impronta digitale" del clima nei dati di misurazione globali in ogni singolo giorno dalla primavera 2012.

Se si confronta la distribuzione dei valori medi giornalieri globali dal 1951 al 1980 con quelli dal 2009 al 2018, le due distribuzioni (curve a campana, vedi immagine sotto) si sovrappongono a malapena. Il segnale climatico è quindi prominente nei valori globali ma oscurato nei valori locali, poiché la distribuzione dei valori medi giornalieri si sovrappone abbastanza considerevolmente nei due periodi.

Distribuzione dei valori medi giornalieri a livello locale (a sinistra) e globale (a destra): i valori medi giornalieri globali mostrano la tendenza al riscaldamento. Sippel et al. 2020

Oggi siamo in grado di dire, grazie a simulazioni modellistiche, come sarebbe il clima senza gli effetti del riscaldamento globale e dei cambiamenti climatici: si possono simulare le temperature, l'umidità dell'aria e le precipitazioni a livello globale. Se poi si paragonano questi output con i dati osservati raccolti globalmente, si nota l'impronta dei cambiamenti climatici di origine antropica su ogni singolo giorno perché le osservazioni meteorologiche quotidiane su scala globale risultano essere tutt'altra cosa rispetto a quel che ci si aspetterebbe senza le attività antropiche
afferma Reto Knutti. Un'impronta che varia di posto in posto: per es. il riscaldamento, come noto, è maggiore nell'Artico rispetto ai tropici ma quel che più conta è la dimostrazione che gli effetti dei cambiamenti climatici non sono solo una prospettiva futura, ma sono qui e ora, ci toccano ogni singolo giorno e toccheranno ancora di più le prossime generazioni.
Un argomento forte e concreto per il dibattito pubblico, ma anche una scoperta che apre nuove prospettive alla ricerca permettendo, ad es., di prevedere meglio la probabilità di eventi estremi in un contesto di riscaldamento globale, come ondate di gelo locali, ondate di calore ancora più infernali, siccità o nubifragi.
Il tempo atmosferico a livello globale porta importanti informazioni sul clima. Queste informazioni potrebbero, ad esempio, essere utilizzate per ulteriori studi che quantificano i cambiamenti nella probabilità di eventi meteorologici estremi, come gli eventi di freddo su scala regionale. Questi studi si basano su calcoli modellistici e il nostro approccio potrebbe quindi fornire un contesto globale dell'impronta digitale del cambiamento climatico nelle osservazioni fatte durante periodi di freddo regionale di questo tipo. Ciò dà origine a nuove opportunità per la comunicazione di eventi meteorologici regionali sullo sfondo del riscaldamento globale 
aggiunge Knutti. Che conclude:
La metodologia usata non solo ci consente di dimostrare la forza dell''"impronta digitale" antropica, ma permette anche di evidenziare dove, nel mondo, il cambiamento climatico è particolarmente chiaro e riconoscibile in una fase iniziale. Ciò è molto importante per quel che concerne il ciclo idrologico, laddove ci sono fluttuazioni naturali molto grandi di giorno in giorno e di anno in anno. In futuro, dovremmo quindi essere in grado di individuare configurazioni e tendenze indotti dall'uomo in altri parametri di misurazione più complessi, come le precipitazioni, che sono difficili da rilevare utilizzando le statistiche tradizionali.
Uno studio senza dubbio di notevole impact, che avrà un'ampia eco.



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