La crescita dello sbilancio di energia

La quantità di energia nel sistema climatico globale sta crescendo massicciamente e ad un ritmo sempre maggiore, contribuendo al riscaldamento. Il recente rapporto IPCC documenta questi gravi cambiamenti attraverso misure satellitari e terrestri e rilevamenti oceanici.

Immagine: IPCC 2021/WGI/Fig.7.2, da Wild et al. (2015), Climate Dynamics

Il clima della Terra è determinato principalmente dall'energia solare assorbita e dall'energia solare che viene rilasciata nello spazio sotto forma di radiazione termica. Se questo bilancio energetico è neutro, cioè se la quantità di energia solare assorbita è uguale a quella riemessa sotto forma di calore, il sistema climatico è in equilibrio: la temperatura media della Terra sarebbe costante in questa condizione. Tuttavia, anche i più piccoli squilibri hanno ripercussioni sul contenuto energetico del sistema e quindi sulle temperature globali. I modelli climatici mostrano che uno squilibrio tra l'energia assorbita e quella emessa di appena un quarto di punto percentuale è sufficiente a causare i cambiamenti climatici che stiamo esperendo oggi. 

Una differenza di un quarto di punto percentuale può non sembrare molto, ma se guardiamo le cifre assolute, diventa chiaro che è in gioco un'enorme quantità di energia: il surplus energetico annuale è di 12 ZJ (cioè 12 volte 10^21 joule), che corrisponde a circa 400 terawatt, ovvero circa 500.000 volte la quantità di energia prodotta da una centrale nucleare svizzera media. Questo squilibrio è la grandezza fondamentale per caratterizzare e quantificare il cambiamento climatico. Infatti, rispetto alla misurazione della temperatura globale alla superficie terrestre, l'approccio del bilancio energetico ha il vantaggio di non essere soggetto a fluttuazioni così forti e quindi di evidenziare meglio i cambiamenti. 

Il monitoraggio di questi flussi energetici è quindi una priorità assoluta. A partire dagli anni '80, alcuni progetti - inizialmente l'Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) - hanno avuto l'obiettivo di misurare lo scambio di energia tra la Terra e lo spazio per mezzo di satelliti. Tuttavia, questo monitoraggio è stato fatto in modo continuo dallo spazio solo dall'inizio del millennio dalla missione Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) della NASA. L'accuratezza di questi dati satellitari, dell'ordine dell'1-2%, non è sufficiente per rilevare il valore assoluto di squilibri di una frazione di punto percentuale, ma consente di misurare le variazioni di questo squilibrio.

Per determinare il valore assoluto dello squilibrio, la ricerca sul clima necessita di un sistema di misurazione complementare. A questo proposito, va ricordato che l'oceano immagazzina il 93% dell'energia in eccesso assorbita. Migliaia di boe di misurazione, che vengono calate più volte al mese nelle profondità oceaniche, possono essere utilizzate per registrare i profili verticali di temperatura. Questi profili permettono di determinare l'energia immagazzinata negli oceani e quindi di calcolare in prima approssimazione l'entità dello squilibrio.

Sulla base di queste misurazioni di temperatura, il nuovo rapporto sul clima stima che dagli anni '70 si siano accumulati nel sistema climatico 435 ZJ di energia. Inoltre, vediamo che questo aumento non ha fatto altro che accelerare negli ultimi decenni.

Il fattore alla base di questo accumulo di energia è l'effetto serra antropogenico, che aumenta indirettamente l'assorbimento della radiazione solare, in quanto retroazioni positive fanno sì che le temperature più elevate portino a un minor numero di nuvole, un aumento del contenuto in troposfera del più potente gas serra naturale - il vapore acqueo - e meno superfici ghiacciate. Il nostro pianeta diventa così più "scuro" e assorbe più energia solare e parallelamente la troposfera diventa più "opaca" e riesce a disperdere meno radiazione infrarossa. Di conseguenza, il clima si riscalda ancora di più. Questo aumento dell'energia solare assorbita dal sistema climatico è evidente sia nelle simulazioni climatiche sia nelle osservazioni del programma satellitare CERES.

I cambiamenti nei flussi di energia non vengono rilevati solo dallo spazio o nelle profondità degli oceani: si manifestano anche nel nostro ambiente immediato. Il recente rapporto sul clima, ad esempio, mostra che la radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre non è stata costante negli ultimi decenni, ma è variata in modo sostanziale. Dagli anni '50 agli anni '80, molte stazioni di misurazione in tutto il mondo hanno registrato una diminuzione della radiazione solare incidente. Questo fenomeno, noto come oscuramento globale ("global dimming"), è dovuto all'aumento generale dell'inquinamento atmosferico in quel periodo: le particelle di polvere trasportate dall'aria - note anche come aerosol di tipo solfato - schermano sempre più la radiazione solare. Dopo il successo dell'attuazione delle misure di controllo dell'inquinamento atmosferico negli anni '80, soprattutto nei Paesi industrializzati, la tendenza si è invertita in molti luoghi verso una maggiore radiazione solare incidente ("global brightening"). Queste conclusioni si basano in gran parte sui dati raccolti dall'ETH di Zurigo nel Global Energy Budget Archive (GEBA) (vedi anche qui).

Che impatto hanno sul cambiamento climatico questi cambiamenti nella radiazione solare alla superficie terrestre? Come illustrato nel recente rapporto dell'IPCC, essi influenzano una moltitudine di aspetti climatici che vanno al cuore della nostra esistenza, come i tassi di riscaldamento globale, l'intensità del ciclo idrologico globale, il ritiro dei ghiacciai o la crescita delle piante, compresa la loro importanza in termini di stoccaggio del carbonio. La diminuzione della radiazione solare incidente tra gli anni '50 e '70 ha in parte mascherato l'aumento dell'effetto serra: la sua piena portata è diventata evidente solo a partire dagli anni '80, dopo l'inversione di tendenza della radiazione. I ghiacciai alpini, ad esempio, si sono ritirati in modo marcato solo da allora, mentre nei decenni precedenti erano rimasti praticamente invariati a causa dell'oscuramento globale.

I cambiamenti globali nei flussi energetici del sistema climatico, come evidenziato nel recente rapporto, sono il motore fondamentale dei cambiamenti climatici che stiamo sempre più affrontando oggi. Da qui l'importanza di monitorare questi flussi energetici per comprendere e quantificare meglio i cambiamenti climatici. Ma garantire questo laborioso monitoraggio a lungo termine è una sfida. La missione CERES sta lentamente volgendo al termine, ma fortunatamente la NASA si sta preparando a subentrare con la missione LIBERA, che continuerà a misurare i flussi di energia dallo spazio a partire dal 2026 e di cui anche l'ETH di Zurigo è partner.