Dipping deeper

È recentemente emersa una piccola diatriba circa la fondatezza di un sito che si occupa di validare proiezioni "climatiche" a breve termine (forse sarebbe più opportuno chiamarle proiezioni meteorologiche su scala decennale) comparando quelle - ovviamente climatologiche ma ridotte sulla breve scala a loro più opportuna - dello scenario medio A1B dell'AR4 dell'IPCC e usando una tecnica informatica di data mining. Nulla da eccepire, è una delle tante possibilità che vi sono al di fuori dello specifico ambito della ricerca scientifica in tema di verifica dei risultati e magari di metodi e approcci utilizzati.
Su questi ultimi punti, però, sorprende un po' (e ne inficia assai la bontà di giudizio) il fatto che questo sito:


1) forse per enfatizzare i risultati, piazza una proiezione ufficiale parecchio più alta di quella che esce dalla media delle singole realizzazioni (vedi immagine sotto). Non ce ne sarebbe nemmeno bisogno, visto che questo tipo di proiezione a breve termine è, per sua stessa natura, assai più soggetto a variabilità di tipo stocastico (vedi dopo), assai meno robusto dal punto di vista della significatività statistica e quindi ha un significato climatologico molto relativo. E visto oltretutto che - al momento - quelle proiezioni divergono un po' dalla realtà dei dati misurati (vedi prossimi post).
L’errore del sito sta nell’esagerazione con la quale gli autori rappresentano la proiezione dello scenario A1B: nell’originale (linea nera: ensemble) si prevede un aumento di 0.6 gradi C al 2020 rispetto alla media standard utilizzata (1980-1999), nel sito invece si vede uno scarto di 0.8 gradi C al 2017. Un’esagerazione di almeno 1/3 ma che – estrapolata al al 2020 – potrebbe anche superare il 40%! . Voluta? Penso sì, a meno che non abbiano utilizzato un singolo run, ma allora andrebbe detto e spiegato il motivo.

2) utilizzi un procedimento quanto meno sorprendente, per non dire di più. Per es. mi piacerebbe proprio sapere (ma al momento pare non sia dato) il supporto fisico sul quale fondano le seguenti relazioni causali:

❝Ozone concentration (…) affects cloud fraction and aerosol concentration while it is influenced in turn by cloud fraction and aerosols.

3) contribuisca alla confusione che si vede spesso in rete circa le categorie con le quali vengono divise le presunte attribuzioni delle cause del GW. Forzanti, feedback, variabilità naturale, fattori esogeni ed endogeni al sistema climatico etc etc, tutte sullo stesso piano, tutte interscambiabili e tutte a geometria variabile e variata. Nella fattispecie si afferma che - contro tutto ciò che fisica dell’atmosfera, dinamica dei fluidi, analisi dei sistemi complessi ci dicono -  concentrazione di ozono e aerosol sono trattati come variabili interne al sistema climatico.

Capisco bene che magari non è nell'obiettivo del sito (o nei suoi statuti) il fatto di sostanziare presunte correlazioni con causazioni fisiche di base, però poi tutto questo fa sorgere il sospetto che gli autori del sito tirino i dadi e facciano uscire quello che vogliono far uscire.

La puntualizzazione di questo post nasce proprio da queste scempiaggini che si leggono qua e là.

Dunque: ri-vediamo cosa sono forcing radiativi (in era antropocenica), feedback, risposta climatica, fattori naturali e antropici, fattori esterni ed interni al sistema e quindi sorgenti di variabilità naturale interna, in una sorta di bigino for dummies.

NAP 2005

✪ Qualsiasi fattore che perturba il bilancio energetico fra ciò che entra nel sistema e ciò che esce (vedi sotto a sx) è, per il sistema, una forzante radiativa (vedi sotto a dx).

Al top atmosferico (TOA), la differenza (vedi sotto a sx) controlla il contenuto di energia dell'intero sistema climatico e dà conto dello sbilancio radiativo (vedi sotto a dx) con un conseguente accumulo (se quello che entra è più grande di quello che esce) o una perdita (il contrario di prima) di energia.

✪ Ciò che può far variare l'energia entrante (vedi sotto) è ovviamente riconducibile all'intensità della radiazione solare: al TOA sono dunque variazioni nella luminosità del sole e nella geometria orbitale di incidenza dei suoi raggi. Le une e le altre possono variare su scale temporali molto differenti, di diversi ordini di grandezza: molto lentamente (millenni e decine di millenni) per il secondo tipo di variazione e invece anni/decenni per la prima (a prescindere dal trend di lunghissimo periodo dato della sua luminosità crescente in ragione della sua evoluzione stellare).

Invece in superficie è la radiazione globale incidente a determinare la variazione e questa dipende sia da quanto detto sopra e sia dalla composizione chimica dell'atmosfera (presenza o assenza e aumento o diminuzione di aerosol di origine naturale - vulcanica (vedi sotto a sx) o di altra origine, per es. sale marino, sabbia o materiale organico come cellule batteriche o fungine - o di origine antropica, per es. fuliggine o solfati) ma pure da alcuni feedback (vedi dopo). Anche in questo caso le scale temporali possono variare, anche se meno di prima: si pensi solamente agli effetti di una potente eruzione vulcanica esplosiva (anni) o a più eruzioni vulcaniche intense protratte nel tempo e con gli associati feedback (decenni/secoli: vedi innesco LIA).

Ovviamente l'energia che entra nel sistema è anche prodotta internamente al sistema stesso grazie all'uomo (vedi sopra a dx).

✪ Ciò che può far variare l'energia uscente è in primis dipendente dalla capacità che ha l'atmosfera di assorbire ed emettere radiazione infrarossa (vedi sopra). E quindi dalla variazione nel tempo della sua composizione chimica, in particolare di aerosol (vedi sotto prima fig.) e soprattutto di gas serra non reattivi (vedi sotto, seconda fig.), che fungono da termostati del sistema: gas a struttura molecolare pluri-atomica in grado di generare momento di dipolo elettrico, che hanno la capacità di assorbire (vedi sotto terza fig.) radiazione nella lunghezza d'onda dell'infrarosso e che perciò vengono "eccitati" muovendo i legami atomici della loro struttura molecolare in diverse modalità  (vibrazioni e rotazioni, vedi sotto, quarta e quitna fig.) emettendo quindi energia (principalmente CO2, CH4, N2O, O3, ad esclusione dell'unico che reagisce con le temperature, cioè il vapore acqueo).

Ma pure e di nuovo da alcuni importanti feedback del sistema (vedi dopo). Per quanto riguarda la frazione di energia ad onda corta riflessa (albedo), ovviamente, entrano in gioco, oltre alla variazione delle nubi, la variazione della copertura dei suoli (neve e ghiaccio, vegetazione ecc.).

Knutti & Hegerl 2008

✪ La risposta climatica (vedi sotto, prima fig.), in termini di variazioni termiche al suolo, è sempre una conseguenza (vedi sotto, seconda fig.) dei flussi di energia guadagnati dal sistema climatico rispetto a quelli persi. In sostanza, si tratta degli effetti che lo squilibrio radiativo al TOA crea in bassa troposfera e al suolo, dopo che il sistema ha cercato di ristabilire l'equilibrio (vedi sotto, terza fig.). Approssimativamente, si può dire che l’aumento di temperatura è direttamente legato alla forzante radiativa solo all’equilibrio, mentre in transiente ciò che conta è il bilancio radiativo netto, ovviamente transiente anch’esso. Si pensi alla potente metafora (molto migliore della serra) del secchio bucato con afflusso d'acqua (vedi sotto, quarta fig.).

✪ Feedback: sono una parte importantissima e determinante del sistema, ovviamente. Quelli rapidi (giorni, mesi, anni) sono principalmente la variazione del contenuto di acqua in atmosfera (le nuvole e il vapore, il gas serra più potente) e quella della copertura nevosa e del ghiaccio marino, ma pure gli aerosol (se il clima si scalda, diventa più umido e l'accumulo di aerosol si riduce conseguentemente).
L'albedo (neve e ghiaccio, nuvole) gioca qui un ruolo molto importante, come pure la potenza data dal contenuto di vapore in un'atmosfera con temperatura mutata, sia in basso (troposfera) che in alto (infiltrazioni o produzione di vapore in bassa stratosfera). C'è poi il ruolo giocato dal metano: sia come precursore della produzione di vapore stratosferico sia come aggiunta naturale in troposfera come conseguenza della sparizione di permafrost dalla tundra artica. Tutti questi feedback veloci possono essere considerati, a loro volta, degli agenti forzanti.
In transiente (decenni, secoli), ovviamente, i forcing sono bilanciati sia dall'assorbimento marino dell'energia infrarossa in eccesso (e relativo mixing e rimescolamento verticale oceanico) e sia dal più potente feedback negativo che il sistema possiede: quello che esce dal sistema, cioè energia infrarossa fuoriuscente, è determinato dalla temperatura del sistema stesso e se questa aumenta si incrementa pure il flusso di radiazione IR che se ne esce. Sono i feedback a determinare la risposta termica, fino a che l'equilibrio è raggiunto con forcing iniziali costanti.
E quest'ultimo è raggiunto solo solo dopo che gli aggiuntivi feedback più lenti (secoli, millenni), maggiormente sensibili allo stato climatico del momento rispetto a quelli più rapidi, hanno potuto agire con i loro tempi intrinseci e influenzare il sistema come potenti forcing aggiuntivi: per es. la variazione della copertura vegetativa e dei ghiacci delle calotte polari, ma pure la modulazione del calore assorbito da parte delle profondità oceaniche, con associate modifiche nei nastri trasportatori oceanici (per es. dell'AMOC). Senza dimenticare, ovviamente, le ulteriori aggiunte naturali di gas serra (CO2 degassata da oceani, CH4 da idrati o da sparizione del permafrost artico,...).

✪ Fattori naturali e fattori antropici: sole, vulcani, feedback veloci e lenti sono ovviamente fattori naturali, mentre conseguenze dell'uso del territorio (albedo, emissioni di gas serra e di aerosol) e accumulo di gas clorati (riduzione dell'ozono stratosferico), di aerosol di origine industriale (fuliggine, solfati) e di gas serra, soprattutto di CO2 con modifica (vedi sotto a sx) del suo bilancio attraverso la ben nota perturbazione del ciclo naturale del carbonio (vedi sotto a dx), sono fattori tipici e crescenti dell'era antropocenica.

✪ Fattori esogeni ed endogeni al sistema climatico: qui ci sono forse le più grandi confusioni. La differenza fra interno ed esterno non è riconducibile (come ho spesso letto) al precedente punto, tantomeno alla banale constatazione che tutto ciò che è terrestre è endogeno e il sole invece no.
Qui stiamo parlando di un sistema che, in quanto tale, è complesso, deterministico, altamente non lineare, assolutamente non in equilibrio ma anche caotico e stocastico. Caratterizzato da numerose oscillazioni (es. modi naturali di variabilità interna, quali ENSO, NAO, AO, AAO...) che interagiscono fra di loro con un comportamento puramente caotico e pure da “situazioni random” (ad es. grandi eruzioni vulcaniche). Tutto rientra nel contenitore-vasca chiamato variabilità naturale. Ma cos'è la variabilità naturale? Che cosa la determina e la provoca?
Ebbene: se fossimo negli anni 60 e 70, a questa domanda non potremmo dare una risposta che non tenga debitamente conto di specifiche ragioni e cause che dovrebbero determinare la sua origine e spiegazione. Giocoforza. All'epoca le due scuole di pensiero dominanti vertevano sul fatto che o la variabilità naturale dovesse essere prodotta da qualche meccanismo forzante (per es. eruzioni vulcaniche o variazioni nella radiazione solare), oppure si riconosceva il fatto che essa potesse essere spiegata semplicemente partendo dal presupposto che il clima è un sistema non lineare contenente feedback.
In realtà si sapeva che questi sistemi (per es. di tipo turbolento) esibiscono variazioni casuali e solo negli anni 70 (si veda ad es. questo pionieristico lavoro) si riuscì a determinare l'importanza della separazione delle scale temporali al fine di far emergere l'intrinseca stocasticità delle dinamiche che coinvolgono l'atmosfera da una parte e oceani, criosfera e ciclo del carbonio dall'altra. Però l'idea che in un sistema non lineare come quello climatico ci si possa attendere una variabilità naturale generata internamente allo stesso sistema, era già presente in embrione negli anni 60.
Oggi sappiamo come la variabilità naturale dipenda da tre fattori concomitanti: le forzanti radiative esterne al sistema climatico, le interazioni di tipo non lineare interne al sistema climatico stesso su scala temporale comparabile e last but not least il ruolo che la variabilità atmosferica a corta scala temporale è in grado di giocare nell'influenzare il più lento sistema climatico mediante interazione soprattutto con oceani e criosfera. Quest'ultimo fattore può essere paragonato ad una sorta di forcing stocastico (ne abbiamo parlato ad es. qui).
Riassumendo: forzanti esterne (per es. variazione dell'attività solare, vulcanismo,...), interazioni interne di tipo non lineare (comportamento caotico dell'atmosfera, degli oceani e del loro accoppiamento), forcing stocastico esercitato sulla parte più lenta del sistema climatico dalle sue componenti che variano più velocemente  (ENSO, criosfera,...).

Quindi: forzanti radiative e processi stocastici statisticamente stazionari ma forzanti sul lungo; variazioni energetiche vs noise stocastico; perturbazioni radiative vs tempo atmosferico. Fattori esterni vs interni. Ovviamente la perturbazione apportata dal contributo antropico rientra fra i primi, ma in un modo o nell'altro influenza anche i secondi (pensiamo solo all'aumento delle temperature superficiali oceaniche in risposta allo sbilancio radiativo o al ruolo che gioca nel ridurre l'estensione glaciale nelle zone polari, in particolare nell'Artico).