Nobel a chi ha messo a tacere i negazionisti

Il Premio Nobel per la Fisica 2021 è stato assegnato per metà a due climatologi, Syukuro Manabe e Klaus Hasselmann, "per la modellizzazione fisica del clima della Terra e per averne quantificato la variabilità e previsto in modo affidabile il riscaldamento globale", ha specificato la giuria. La seconda metà del premio è stata attribuita a Giorgio Parisi "per la scoperta dell'interazione del disordine e delle fluttuazioni nei sistemi fisici dalla scala atomica a quella planetaria". Qual è il legame tra queste due metà del premio Nobel? Entrambi hanno contribuito a una migliore comprensione dei sistemi complessi, come la Terra, dove fenomeni fisici che vanno dalla scala atomica a quella planetaria interagiscono e determinano l'evoluzione di un tale sistema. In questo post una sintesi dei lavori di S. Manabe e K. Hasselman e dei loro contributi alla ricerca sul clima (vedi anche qui).

S. Manabe: quantificazione del riscaldamento globale in risposta all’aumento della concentrazione di CO2

L'effetto serra, che spiega la capacità di certi gas nell'atmosfera di assorbire e riemettere la radiazione infrarossa, mantenendo così la superficie terrestre a una temperatura media globale di circa 14°C, è stato descritto già all'inizio del XIX secolo. Nel 1824, Joseph Fourier descrisse il bilancio della radiazione terrestre, cioè l’equilibrio tra la radiazione solare ricevuta dalla Terra e la radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre. Ha dimostrato che l'atmosfera assorbe parte della radiazione infrarossa emessa dalla Terra e la riemette, portando a un riscaldamento. Si può dimostrare abbastanza semplicemente che senza l'effetto serra, la temperatura media globale sulla superficie della Terra sarebbe di circa -18°C. La capacità dell'atmosfera di assorbire la radiazione infrarossa è quindi fondamentale per la vita sulla Terra. Successivamente, i ricercatori hanno cercato di quantificare l'impatto di un aumento della concentrazione di CO2 sulla temperatura media della superficie terrestre. Le loro stime erano molto sensibili alle ipotesi del modello e quindi poco affidabili. È qui che entra in gioco S. Manabe con una pubblicazione che avrà una forte influenza sulla ricerca sul clima.

La svolta di questo articolo sta nella configurazione del modello (fig. 1): dividendo l'atmosfera in diversi strati e tenendo conto degli scambi di energia tra questi strati non solo per irraggiamento, ma anche per conduzione e convezione, gli autori hanno permesso l’integrazione di movimenti ascensionali nel loro modello. Le due principali conseguenze di questi movimenti verso l'alto sono (i) il trasporto dell’energia termica accumulata in superficie verso l'alto (riproducendo così la convezione) e (ii) la ridistribuzione di questa energia che porta a un riscaldamento globale. Inoltre, tenendo conto che l'umidità assoluta aumenta con la temperatura, hanno integrato il seguente feedback positivo: poiché il vapore acqueo è un gas a effetto serra, un aumento della sua concentrazione porta ad un aumento della temperatura, che a sua volta porta ad un aumento della concentrazione di vapore acqueo (cioè dell'umidità assoluta). Infine, tenendo conto del calore latente durante i cambiamenti di fase dell'acqua, questo ha permesso di ridistribuire l’energia utilizzata durante l'evaporazione in superficie in energia termica rilasciata durante la condensazione nelle nuvole.

Queste innovazioni hanno permesso loro di stimare l'aumento della temperatura media globale in caso di raddoppio della concentrazione di CO2, che hanno stimato in 2,4 °C. Questo corrisponde piuttosto bene con le stime dell'ultimo rapporto del gruppo di esperti dell'IPCC, mostrando che il loro modello relativamente semplice è ancora affidabile. I loro risultati erano solo leggermente sensibili alle ipotesi del modello, a differenza delle stime precedenti, il che contribuisce all'affidabilità delle loro stime.

Gli autori non si sono però fermati al CO2: hanno anche stimato l'impatto delle nuvole sul bilancio radiativo. Hanno dimostrato che le nuvole a media e bassa quota hanno un effetto di raffreddamento, mentre le nuvole alte hanno un debole effetto di riscaldamento. Come si può spiegare questo? Mentre le nuvole riflettono gran parte della radiazione solare, sono eccellenti assorbitori di radiazione infrarossa, che riemettono verso la Terra e lo spazio. Mentre le nuvole basse e medie tendono ad essere relativamente spesse e quindi riflettono quasi tutta la radiazione solare, le nuvole alte possono essere molto sottili, lasciando quindi passare una buona parte della radiazione solare. La radiazione infrarossa può risultare maggiore della radiazione solare riflessa e quindi il bilancio è positivo, portando a un riscaldamento. In realtà, le nuvole sono ancora una delle principali fonti di incertezza nei modelli climatici (Boucher et al. 2013), in quanto il loro impatto radiativo dipende dal loro spessore, dall'altitudine e dalla durata di permanenza. In ogni caso, questa influenza è minima rispetto al riscaldamento indotto dai gas serra. In sintesi, l'innovazione dei lavori di S. Manabe è di aver collegato la superficie terrestre con l'atmosfera attraverso il suo modello a più strati, a differenza dei suoi predecessori che consideravano la superficie in modo separato.

Fig. 1: Schema concettuale del modello climatico di Manabe. Tradotto e adattato da NobelPrize.org, ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

K. Hasselmann: affidabilità dei modelli climatici e identificazione dell'impatto umano

I due maggiori contributi di K. Hasselmann ritenuti meritevoli dal comitato del Nobel sono di aver dimostrato la capacità dei modelli climatici di fare previsioni e di aver sviluppato un metodo per identificare l'impatto umano sul riscaldamento climatico globale. Vi siete mai chiesti come un modello climatico possa fare previsioni per il 2050 quando un modello meteorologico non è più affidabile oltre i dieci giorni? La risposta sta nella differenza fondamentale tra climatologia e meteorologia. La climatologia si occupa delle condizioni medie che ci si può aspettare per una data località o, più spesso, per una data regione. La meteorologia si occupa del tempo per una data e un luogo specifici. È quindi una questione di scala temporale: il tempo (in senso meteorologico) è un valore istantaneo, il clima è un valore mediato su decenni. Questa differenza è fondamentale per la modellizzazione del clima: mentre un modello meteorologico è estremamente sensibile alle condizioni iniziali (ad esempio la temperatura misurata, il vento, l'umidità), un modello climatico è meno dipendente da esse. D'altra parte, un modello climatico è sensibile alle condizioni quadro (ad esempio la costante solare o la concentrazione di gas a effetto serra). Prendiamo l'esempio della concentrazione di CO2 (figura 2).

Si fa dapprima girare il modello con una concentrazione di CO2 più elevata (linee gialle nella figura 2). Viene poi fatto girare con una concentrazione più debole (linee blu). In entrambi i casi si perturbano leggermente le condizioni iniziali di temperatura. Si può vedere che all'inizio le differenze di temperatura sono dovute principalmente alle diverse condizioni iniziali, mentre dopo un po' la temperatura è determinata principalmente dalla concentrazione di CO2. La previsione del tempo è quindi un problema di valore iniziale, mentre la previsione del clima è un problema di condizioni al contorno (vedi ad es. anche qui e qui). Vediamo apparire delle tendenze: un riscaldamento per la concentrazione più alta e un raffreddamento per la concentrazione più bassa. Questo è precisamente lo scopo di un modello climatico: determinare le tendenze, le medie e gli estremi che ci si può aspettare nei prossimi decenni. L'innovazione portata da K. Hasselmann è quella di aver integrato la natura caotica dell'atmosfera come rumore nel suo modello e di aver mostrato come il clima è influenzato dalle variazioni a lungo termine di questo rumore.

Fig. 2: Illustrazione schematica della differenza tra modelli climatici e meteorologici. In giallo, il modello viene eseguito con una concentrazione di CO2 più alta, in blu con una concentrazione più bassa. Per ognuno di questi due scenari, il modello viene eseguito due volte con condizioni di temperatura iniziale leggermente diverse

Il secondo importante contributo di K. Hasselmann è stato quello di aver utilizzato il suo modello climatico per identificare l'impatto delle condizioni al contorno sull’evoluzione del clima. Concretamente, variando queste condizioni separatamente, è stato in grado di identificare segnali unici a lungo termine. Questo ha aperto la porta agli studi di attribuzione del cambiamento climatico e ha permesso di dimostrare che il riscaldamento globale osservato è dovuto alle emissioni di gas serra antropogeniche e non a quelle naturali. La figura 3 mostra un esempio di un tale studio da dove risulta chiaramente che il calcolo che include le fonti umane corrisponde bene alle osservazioni, mentre il calcolo che include solo le fonti naturali non permette di spiegare il riscaldamento osservato.

Fig. 3: Confronto fra il cambiamento della temperatura media globale rispetto al 1901-1950. In nero sono rappresentate le osservazioni, in blu la simulazione che tiene conto unicamente delle influenze naturali del clima (per esempio le eruzioni vulcaniche segnate con la linea tratteggiata), in rosso la simulazione che tiene conto delle influenze naturali e umane. Tratto da NobelPrize.org, adattamento figura 2 di Hegerl and Zweirs (2011). Copyright 2007 Cambridge University Press

Il messaggio del comitato Nobel

I lavori di S. Manabe e K. Hasselmann costituiscono le basi della modellazione del clima, che hanno permesso di dimostrare che il riscaldamento globale è dovuto a un aumento della concentrazione di gas a effetto serra e che le emissioni umane ne sono responsabili. Nominando per la prima volta dei climatologi per il premio Nobel per la fisica, il comitato invia un chiaro messaggio all'umanità: i modelli climatici sono basati su solide conoscenze fisiche e le conclusioni che permettono di trarre sono inconfutabili.

Referenze

Questo post è stato in parte ispirato dai seguenti riferimenti, che consigliamo per ulteriori informazioni:

● MLA style: The Nobel Prize in Physics 2021 . NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021. Thu. 7 Oct 2021.

● Prof John Mitchell: How a 1967 study greatly influenced climate change science, post di CarbonBrief.

● Manabe, S., & Wetherald, R. T. (1967). Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity, Journal of Atmospheric Sciences, 24(3), 241-259. Retrieved Oct 7, 2021.

● (a cura di) Archer D. e Pierrehumbert R. (2011), The Warming Papers: The Scientific Foundation for the Climate Change Forecast, Wiley-Blackwell.

● Boucher, O., D. Randall, P. Artaxo, C. Bretherton, G. Feingold, P. Forster, V.-M. Kerminen, Y. Kondo, H. Liao, U. Lohmann, P. Rasch, S.K. Satheesh, S. Sherwood, B. Stevens and X.Y. Zhang, 2013: Clouds and Aerosols. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 

(fonte: Meteosvizzera e aggiunte mie; ispirazione del titolo qui)