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Come funzionano i modelli climatici ? (prima parte)

27 novembre 2009

Riporto in questo articolo un lavoro del dottor Roy Spencer sui modelli climatici che gli scienziati utilizzano per fare le loro previsioni sul clima. L’argomento mi sembra interessante perché viene esaltata incondizionatamente, almeno dai media, la loro validità quando in realtà presentano non pochi limiti.

Un modello climatico è sostanzialmente un programma per computer (o meglio un supercomputer, vista la mole di calcoli da eseguire) costituito per la maggior parte da equazioni matematiche. Queste descrivono quantitativamente come, la temperatura atmosferica, la pressione, la velocità e la direzione dei venti, la concentrazione del vapore acqueo, le nuvole, le precipitazioni, rispondono al riscaldamento solare della superficie e dell’atmosfera terrestre. Naturalmente in queste vengono incluse anche le equazioni che descrivono gli effetti “serra” di alcuni elementi dell’atmosfera (soprattutto vapore acqueo, anidride carbonica e metano). La superficie sferica della Terra viene suddivisa in tante griglie (vedi l’immagine sotto) e in ognuna di queste viene fatto partire questo programma.

1fonte: http://www.drroyspencer.com/wp-content/uploads/climate-model-1.jpg

Esistono poi modelli climatici, detti “accoppiati”, dove compaiono le equazioni che descrivono tridimensionale la circolazione oceanica, il trasporto dell’energia solare assorbita intorno alla Terra, e gli scambi di calore e di umidità con l’atmosfera. Nei moderni modelli accoppiati compaiono anche equazioni che descrivono l’influenza della vegetazione, del suolo, della neve o del ghiaccio sullo scambio termico con l’atmosfera. L’immagine mostra la temperatura della superficie del mare, la direzione dei venti in superficie e la distribuzione dei ghiacci ottenuta da un modello del NCAR (National Center for Atmospheric of Research).

1Fonte: http://www.drroyspencer.com/wp-content/uploads/climate-model-2.jpg

Se volete vedere come un modello di simulazione del clima evolva nel tempo, un suggestivo video del NCAR lo trovate al seguente link: http://www.youtube.com/watch?v=tbXwRP0CQNA

L’importanza del bilancio energetico nei modelli climatici

I modelli climatici sono solitamente utilizzati per studiare come il clima della Terra potrebbe rispondere a piccole modifiche di due flussi energetici: quello solare in entrata e quello emesso dalla Terra in uscita sotto forma di radiazione infrarossa. Proprio quest’ultimo è influenzato dall’aggiunta di gas serra che riducono la capacità dell’atmosfera terrestre di liberare energia verso lo spazio (riscaldamento antropico). È l’equilibrio tra i due flussi di energia radiante che determina la temperatura media a lungo termine del clima. Se sono in equilibrio allora la temperatura media si mantiene costante, altrimenti si osserva un cambiamento. E’ semplicemente una questione di bilancio energetico. L’energia in gioco è stimata essere in 235 o 240 watt per metro quadro, che corrisponde all’energia solare assorbita dalla Terra ed emessa sotto forma di raggi infrarossi (siamo in equilibrio termico). Parliamo di stima perché il sistema satellitare per la misurazione del bilancio di energia radiante della Terra non è ancora abbastanza buono da fornire una precisione assoluta.
Tutta una serie di variabili nel modello vengono cambiati fino a quando il modello stesso si avvicina alla media stagionale dei modelli meteorologici di tutto il pianeta e alla energia assorbita dalla Terra ed emessa a un tasso medio globale di 235 o 240 watt per metro quadro. Gli scienziati che fanno modelli ritengono che se il modello riesce a imitare queste caratteristiche di base del sistema climatico terrestre, allora sarà in grado di prevedere l’eventuale riscaldamento globale. Questo presupposto potrebbe essere buono oppure no, ma nessuno è in grado di dirlo.

Il riscaldamento globale di origine antropica nei modelli climatici

L’aggiunta di anidride carbonica nell’atmosfera dalla combustione di combustibili fossili ha provocato uno squilibrio di un valore stimato di circa 1,5 Watt per metro quadrati rispetto ai soliti 235-240. Questo squilibrio energetico è troppo piccolo per essere misurata dai satelliti e di fatto viene calcolato teoricamente. Quindi, se la Terra è inizialmente in uno stato di equilibrio energetico, e il tasso di radiazione assorbita dalla Terra è esattamente 240 Watt per metro quadro, il tasso di perdita di radiazione infrarossa nello spazio passa da 240 a 238,5 Watt per metro quadro (240 meno 1,5). Ciò determina un incremento di temperatura fino a quando non sarà ripristinato l’equilibrio termico. A quel punto l’energia persa sotto forma di radiazione infrarossa e quella solare assorbita si eguaglieranno e si avrà nuovamente una temperatura costante nel tempo.
La principale fonte di incertezza nella modellazione del clima è questa: il sistema climatico (la Terra) come si comporterà per ridurre la piccola quantità di riscaldamento dovuto alla CO2? Il modello climatico (così come il vero sistema climatico) ha diversi modi in cui uno squilibrio energetico dovuto all’aggiunta di anidride carbonica in atmosfera possa essere ripristinato. La risposta più semplice è un aumento della temperatura. Ad esempio, si può calcolare che il 40% di aumento di CO2 dovuto alle attività umane negli ultimi 150 anni abbia causato un incremento di 0,5 C. Questa risposta teorica è chiamata “no feedback” (senza risposta) perché nessuna cosa è cambiata tranne la temperatura.
Ma un cambiamento di temperatura può modificare altri elementi del sistema climatico, come le nuvole e il vapore acqueo. Questi altri indiretti cambiamenti sono chiamati “feedbacks”, e possono amplificare o ridurre il riscaldamento dovuto alla sola CO2. Nella figura seguente, vengo mostrati più di venti modelli climatici attualmente monitorati dalle Nazioni Unite mediante l’ IPCC che amplificano il riscaldamento del pianeta.

1fonte: http://www.drroyspencer.com/wp-content/uploads/21-ipcc-climate-models.jpg

Questa amplificazione è in gran parte dovuta all’aumento di vapore acqueo – che è il principale gas serra- e alla diminuzione delle nubi che si formano alle altitudini medio-basse, il cui effetto principale è quello di lasciare arrivare maggiore radiazione solare e causare un ulteriore riscaldamento del pianeta. Questi cambiamenti vengono implementati nei modelli che assegnano all’aumento del vapore acqueo e alla diminuzione delle nubi un feedback positivo.

E’ questo realmente il modo in cui funziona il sistema climatico terrestre?

Fine prima parte (Domani la seconda)

ANGELO

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  1. ice2020
    27 novembre 2009 alle 11:24

    Questo è in anteprima un ottimo articolo del nostro Angelo che avevo in bozze da mesi ormai, un pezzo molto importante, soprattutto in questi ultimi tempi di “climate gate”…

    Molti voi, soprattutto i primi lettori di NIA si ricorderanno di Angelo, che per nostra sfortuna è “sparito” dalla circolazione,sicuramente per troppi impegni…

    Se mi legge vorrei ringraziarlo per tutto quello che ha fatto per NIA e gli direi che sarebbe super-gradito un suo ritorno…

    Simon

  2. Nintendo
    27 novembre 2009 alle 11:30

    peccato non si sia più fatto sentire.
    cmq grandissimo articolo che io avevo letto mesi e mesi fa 😀

  3. Andrea B
    27 novembre 2009 alle 11:32

    sicuramente molto attuale

  4. nitopi
    27 novembre 2009 alle 11:46

    A parte le semplificazioni che si introducono inevitabilemnte questi modelli sono tanto piu’ validi quanto piu’ sono capite e integrate nel sistema di calcolo le interazioni tra i vari elementi.
    Faccio notare soltanto che tutto il trasporto del calore e’ basato su equazioni instabili (equazioni della dinamica dei fluidi) che, con piccoli cambiamenti nelle coindizioni iniziali possono dare risultati completamente diversi…. (si dice che divergono…)

    Ciao
    Luca

  5. auleo
    27 novembre 2009 alle 13:49

    Articolo ottimo.
    E ora rispondo alla domanda: sicuramente no!
    O meglio potrebbe essere una parte molto piccola della verità.
    E comunque la vedo troppo meccanicistica.
    Il clima è un sistema caotico: ad una piccolissima quanto infinitesima variazione della causa corrisponde un effetto completamente diverso( vedi battito di ali della farfalla).
    Certo, il mio è un ragionamento all’altro estremo ma non va bene neanche semplificare troppo.
    Non si sa ancora bene quali e quante sono le variabili in gioco.
    Sono ad ogni modo convinto che i feedback positivi siano ampiamente controbilanciati da quelli negativi altrimenti ci troveremmo nella situazione di venere o con un mondo completamente ghiacciato e invece sono miliardi di anni che la situazione regge.
    Mi fa specie notare ciò che è scritto ad un certo punto: “Questo squilibrio energetico è troppo piccolo per essere misurata dai satelliti e di fatto viene calcolato teoricamente.”
    Voglio ancora strabiliarmi del fatto che non abbiamo ancora idea se effettivamente sia così.
    Come possiamo fare previsioni se ancora i dati basilari sono ricavati teoricamente?
    Prima o poi ci saranno tante testone pensanti che fumeranno……..teoricamente dico!
    Queste sono le mie modestissime opinioni anche se espresse con decisione.
    Attendo la seconda parte dell’articolo.
    Solo un appunto: si parla di energia ma si fa riferimento a dei watt. Mi sfugge qualcosa?

  6. 27 novembre 2009 alle 16:02

    Ho trovato la materia molto interessante. Ottimo.
    È una pena che Angelo sia scomparso dalla circolazione…. io gli manderei una mail.

  7. Andrea b
    27 novembre 2009 alle 17:00

    figura abbastanza famosa dell’importanza che il sole riveste per IPCC http://i191.photobucket.com/albums/z36/AlecRawls/Environment%20and%20climate/Figure24from4thIPCCsynthesisreport.jpg

    Oltre a individuare i fattori è importante dargli il giusto peso

  8. apuano70
    27 novembre 2009 alle 17:56

    Sono d’accordo con te Sandro; Angelo, fatti sentire!
    Bruno

  9. ice2020
    27 novembre 2009 alle 18:01

    Già inviata l’email ad Angelo…speriamo risponda…

  10. Andreabont
    28 novembre 2009 alle 09:39

    I “modelli” gran bella cosa quando si tratta di risparmiare tempo e potenza di calcolo, ma un “modello” si dice tale solo se “approssima” la realtà.

    Certo, non è possibile avere una teoria in grado di avere la visione perfettamente completa di tutto quello che accade (accenni di teoria quantistica) e quindi dobbiamo accontentarci di un’approssimazione più o meno precisa, ma sempre approssimazione.

    Gli attuali modelli climatici approssimano la realtà con che certezza? Quale è la loro percentuale di errore??

    Siamo a ripetere quello che avevo già detto in passato: Il GW c’è stato di sicuro, ma la CO2 è probabile che sia uno dei tantissimi fattori che influisce. Basare un modello solo sul aumento di CO2 non può che portare a grandi imprecisioni.

    E ricordiamoci che i modelli metereologici che abbiamo iniziano ad avere una grande imprecisione dopo soli 3 giorni di previsione (infatti puoi avere quasi la certezza della correttezza, con comunque una possibilità di errore, solo per le previsioni del giorno dopo.) come possiamo allora fidarci ciecamente di un modello climatico impreciso che non tiene nemmeno conto di tutti i fattori che pretende di fare previsioni di 100-200 anni????

  1. 27 novembre 2009 alle 11:27
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