CLIMATE CHANGE 2013 II ~ Bilancio energetico

Secondo appuntamento con la sintesi del WG1 dell'AR5.
Oggi un post dedicato alle (relative) novità sul bilancio energetico del sistema terrestre. Altro lead author di questo capitolo del rapporto dedicato alle osservazioni atmosferiche (cap. 2) è, in questo caso, Martin Wild, che ringrazio per avermi fornito alcune sue slides 

Partiamo dal ben noto schema dedicato al bilancio energetico del sistema.

Su 340 Wm^-2 di densità di flusso d'energia radiante che entra nel sistema dal sole (unica sorgente energetica del sistema climatico) al TOA, circa il 30% ne fuoriesce come flusso di energia ad onda corta riflessa da nuvole (circa 1/5) e superficie terrestre ad elevato albedo (circa 7%), il resto viene assorbito dall'atmosfera (23%) e la rimanente parte (SSR, poco meno della metà dell'energia incidente al TOA) viene assorbita dalla superficie terrestre e trasformata in energia ad onda più lunga, spesa e dissipata all'interno del sistema come calore latente (LH) e sensibile (SH) e soprattutto base della densità di flusso di energia radiante ad onda lunga emessa dalla superficie terrestre (LW↑). Gran parte di questa densità (circa l'86%) viene assorbita e irradiata all'interno dell'atmosfera grazie dalla presenza dei gas serra come flusso di energia infrarossa discendente (LW↓). Alla fine, il valore che misurano i satelliti in termini di flusso di energia ad onda lunga fuoriuscente dal sistema al TOA (OLR) è quasi simile a quello che entra. La differenza (GH, poco meno di 1 Wm^-2) dà conto di uno sbilancio radiativo del sistema, dal momento che la differenza al TOA fra quello che entra e quello che esce è ciò che regola il contenuto stesso di energia del sistema climatico.
Invece la differenza fra LW↓ e OLR determina l'intensità dell'effetto serra (come si vede dallo schema, il flusso di energia infrarossa fuoriuscente è circa il 30% inferiore a quello discendente, e questa differenza è continuata ad aumentare anche nell'ultimo decennio, vedi dopo*).
Per quel che ci riguarda da vicino, il bilancio radiativo alla superficie (determinato dalla comparazione fra il flusso di energia ad onda corta discendente dal sole ed effettivamente assorbito dalla superficie terrestre SSR e quello risultante dalla differenza fra il flusso di energia ad onda lunga erogato dalla superficie terrestre LW↑ e quello discendente LW↓, al netto di quello relativo agli scambi di calore latente e sensibile) regola il clima alla superficie terrestre e il ciclo globale dell'acqua.

Il monitoraggio del cambiamento climatico da un punto di vista radiativo - parte del sistema GCOS -  è migliorato moltissimo, soprattutto grazie alla rete di rilevamento satellitare (al TOA) e di osservazioni alla superficie effettuate mediante stazioni meteorologiche munite per es. di piranometri e di pirgeometri  (si vedano, a titolo di es., i database dell'ETH GEBA e BSRN). Da non dimenticare la densa rete di rilevamenti oceanici della flotta Argo.

Ora: in che ambito è possibile scorgere l'imprinting antropico in tutto ciò? Su quale parte del bilancio e in quale elemento del sistema agiscono le perturbazioni antropiche?
Naturalmente occorre guardare al ruolo esercitato dai gas serra e quindi a quella parte del bilancio relativo ai flussi di radiazione ad onda lunga (parte destra dello schema) ma pure al ruolo che hanno gli aerosol di produzione industriale, soprattutto i solfati e dunque a quella parte del bilancio relativo ai flussi di radiazione ad onda corta discendente (parte sinistra dello schema):

Da circa due decenni si è in grado di misurare direttamente il LW↓ e le sue variazioni nel tempo (per esempio): si tratta di una misura diretta del rafforzamento dell'effetto serra.

Misurazioni puntuali in diversi posti specifici mostrano come questo valore si stia intensificando: per es. al Polo Sud la densità di flusso radiativo ad onda lunga è aumentata di circa 2 Wm^-2 al decennio (un valore abbastanza simile a quello riscontrato in misurazioni dirette effettuate in stazioni lontane, per es. nel territorio alpino), perfettamente in linea con una sommaria media fra le proiezioni più pessimistiche (RCP8.5 del CMIP5, vale dire lo scenario BAU del più recente ensemble di modelli di esperimenti di simulazione climatica) e quelle più ottimistiche (RCP4.5 del CMIP5) in termini di scenari futuri di emissioni di gas serra.

Per quel che riguarda la componente del SSR del bilancio energetico del sistema, da diversi anni si possono scorgere (tramite osservazioni e ricostruzioni) le fluttuazioni pluri-decennali di questa importante componente od onda corta del bilancio. Sappiamo che queste variazioni dipendono in larga misura dai mutamenti della presenza di aerosol di origine industriale (soprattutto solfati, mediante effetto

diretto e indiretto, vedi immagine a lato) nella bassa troposfera al di sopra di aree a forte industrializzazione: si veda la letteratura riguardo il dimming associato all'aumento dei solfati nel periodo di boom economico del secondo dopoguerra e il successivo brightening associato all'abbattimento progressivo di questi residui inquinanti della combustione fossile nei paesi ad economia avanzata nel corso dell'ultimo trentennio (e il relativo nuovo incremento nei paesi asiatici ad economia emergente).

Questo il bilancio delle due componenti antropiche sul sistema tramite perturbazione del bilancio radiativo:

La stasi nell'incremento delle T globali del trentennio fra gli anni 50 e gli anni 70 è sostanzialmente imputabile ad un mix fra variabilità interna (effetto che potrebbe anche essere di nuovo il maggior responsabile dell'odierno plateau ad alto niveau delle T globali negli ultimi 10-15 anni) e soprattutto effetto dimming, in un periodo, fra l'altro, caratterizzato da irradianza solare più forte al TOA rispetto ad oggi.

E questo, infine, l'accumulo di energia da parte del sistema dato dallo sbilancio radiativo al TOA:

Trattasi di un aumento di energia di quasi 800 ZJ in 42 anni (vedi sopra a sx), vale a dire un aumento medio di quasi 20 ZJ annui, una quantità pari alla produzione di quasi 600'000 centrali nucleari aventi una potenza di 1 GW. Gran parte di questo accumulo finisce negli oceani, come sappiamo (vedi sopra a dx).

*Per quel che concerne la parte di radiazione ad onda lunga fuoriuscente al TOA (OLR), misure spettrali satellitari recenti mostrano come questa abbia continuato a diminuire anche nell'ultimo decennio, vedi immagine sotto tratta da questo recentissimo lavoro non ancora pubblicato e che ovviamente - in quanto tale - non ha fatto in tempo ad essere passato in rassegna e ad essere contemplato nell'AR5.

Riassumendo: rispetto all'AR4, è parecchio migliorata la detenzione dei flussi di energia nel sistema climatico e la loro comprensione è oggi più precisa.

● il sistema terrestre non è in equilibrio energetico, questo squilibrio produce un eccesso di energia gran parte del quale si sta accumulando negli oceani e questo incremento è misurabile e osservabile (pur con tutte le normali incertezze del caso);
● una parte minoritaria (ma decisiva per i sistemi viventi) di questo surplus energetico è quello che si accumula gradualmente in troposfera e rafforza l'effetto serra: dalla superficie terrestre, questo aumento è misurabile e osservabile;
● anche la radiazione solare alla superficie terrestre è da tempo misurata e presenta variazioni decennali, in parte come conseguenza dell'inquinamento dell'aria (dimming dovuto in particolare ai solfati), con ripercussioni su diversi elementi climatici.