modelli climatici

Cosa sono le nuvole? Tutte le variabili che mettono in crisi modelli e scienziati del clima

Le nuvole sono tra le maggiori sfide per gli scienziati deputati all’affinamento dei modelli climatici, ma non sono certo l’unica. Una panoramica sui problemi affrontati dai climatologi e sulle variabili meteorologiche che mettono a dura prova anche i supercomputer usati dagli scienziati

14 Mar 2022
Luigi Mischitelli

Privacy & Data Protection Specialist at IRCCS Casa Sollievo della Sofferenza

crack

La questione climatica – da qualunque lato la si guardi – rappresenta sempre più un’autentica sfida, con i migliori scienziati e team di ricercatori di tutto il mondo che cercano di predire le mosse dell’avversario che è, allo stesso tempo, bene prezioso da proteggere. E non si tratta di una singola battaglia, ma di tante mosse e contromosse che riguardano i diversi aspetti climatici, dai mari alle correnti, dai venti alle temperature.

Un recente ed interessante articolo del Wall Street Journal fa luce su una serie di problemi che i climatologi devono affrontare nei loro studi circa il cambiamento climatico mondiale. Per alcuni anni, un team di scienziati ha studiato il comportamento delle nuvole, cercando di determinare come il vapore acqueo potesse incidere sul riscaldamento globale. Rielaborando più di due milioni di righe di codice, tramite un supercomputer dedicato, ed utilizzando complesse equazioni con infiniti test di verifica, gli esperti hanno concluso che anche i migliori strumenti a nostra disposizione non possono modellare il clima e la sua evoluzione in maniera precisa.

Combattere i cambiamenti climatici con i dati: progetti e ricerche in corso

Quando tali ricercatori effettuarono una simulazione sul cambiamento climatico, nel 2018, scoprirono che l’atmosfera terrestre risultava da un lato molto più sensibile ai gas serra di quanto si pensasse; dall’altro, constatarono che le temperature future del Pianeta potessero essere molto più alte di quanto preventivato. E, come se non bastasse, si scoprì che non c’era concordanza tra i modelli climatici utilizzati.

CESM 2 e la fisica delle nuvole

In particolare, ben venti modelli “non erano d’accordo” con il nuovo gioiello del National Center for Atmospheric Research (USA), un modello open-source chiamato “Community Earth System Model 2” (CESM2), finanziato principalmente dalla National Science Foundation degli Stati Uniti e, probabilmente, il programma climatico più influente del mondo. Ma, nonostante ciò, l’inghippo fu individuato e risolto. Gli scienziati conclusero che i loro nuovi calcoli furono inficiati dalla fisica delle nuvole in un mondo che si riscalda e che può amplificare o smorzare il cambiamento climatico in maniera celere ed inaspettata. Da allora, gli scienziati del CESM2 hanno rielaborato i loro algoritmi di cambiamento climatico utilizzando nuove informazioni sugli effetti dell’aumento delle temperature, per comprendere al meglio il funzionamento dei modelli. I ricercatori hanno, in pratica, abbandonato i loro calcoli più estremi sulla sensibilità del clima; tuttavia, le loro proiezioni più recenti sul futuro riscaldamento globale sono ancora imprecise… ma in evoluzione.

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È certo che, man mano che gli algoritmi e i computer su cui girano diventano più potenti ed in grado di processare molti più dati e fare simulazioni migliori, quella stessa complessità lascia i climatologi alle prese con le esistenti discrepanze tra i modelli informatici in competizione tra loro. I modelli climatici si stanno scontrando con la complessità della fisica, dei limiti del calcolo scientifico, delle incertezze intorno al comportamento del clima, nonché con la costante sfida di tenere il passo con i livelli crescenti di anidride carbonica, metano e altri gas serra. Nonostante i miglioramenti significativi, i nuovi modelli sono ancora troppo imprecisi per essere presi sul serio; e ciò significa che le proiezioni sul cambiamento climatico richiedono ancora delle valutazioni precise.

Lo “United Nations Intergovernmental Panel On Climate Change”

Lo “United Nations Intergovernmental Panel On Climate Change” (UN IPCC) raccoglie gli ultimi dati climatici tratti da migliaia di articoli scientifici e decine di modelli climatici, tra cui l’accennato modello CESM2, per stabilire uno standard internazionale che valuti l’impatto del cambiamento climatico. Questo standard fornisce ad ogni paese del globo i pareri scientifici più accreditati ed aggiornati a disposizione sul riscaldamento globale. Per i modellisti climatici, la differenza nelle proiezioni ammonta a pochi gradi di temperatura media in risposta ai livelli di anidride carbonica aggiunti all’atmosfera. Pochi gradi che sono più che sufficienti per peggiorare le tempeste, intensificare le precipitazioni, aumentare l’innalzamento del livello del mare e causare ondate di calore più estreme, nonché siccità ed annesse conseguenze, come raccolti disastrosi e diffusione di malattie infettive.

Quando i grandi del globo si incontrarono a Rio de Janerio (Brasile) nel 1992 per lo storico “Summit della Terra” e negoziare il primo trattato globale sul clima, vi erano solo quattro modelli rudimentali a disposizione che potevano generare proiezioni sul riscaldamento globale. Nel novembre 2021, invece, quando i leader del mondo si incontrarono a Glasgow (Scozia, Regno Unito) nell’ambito della “Conferenza delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici”, per negoziare i limiti sui gas serra sotto gli auspici degli accordi di Parigi del 2015, vi erano più di cento modelli climatici prodotti da quasi cinquanta diversi gruppi di ricerca mondiali. Durante la riunione del trattato, gli esperti delle Nazioni Unite presentarono le proiezioni dei modelli climatici sui futuri scenari di riscaldamento globale, compresi i dati del modello CESM2. Gli scettici (anche tra gli scienziati) hanno deriso (e, alcuni, continuano a deridere) i modelli climatici per decenni, affermando che sopravvalutano i rischi connessi all’anidride carbonica. Ma una crescente quantità di ricerche mostra che molti modelli climatici si sono dimostrati incredibilmente accurati nel corso del tempo, nonostante tutto. Tuttavia, i modelli rimangono soggetti a difetti tecnici e ostacolati da una comprensione incompleta delle variabili che controllano come il nostro pianeta risponde ai gas che intrappolano il calore. Ci sono ancora domande climatiche senza risposta sulla sottile interazione tra Terra, oceani e atmosfera. Gli oceani potrebbero riscaldarsi più velocemente di quanto previsto dai modelli precedenti. L’effetto della polvere, della fuliggine, della sabbia e degli aerosol trasportati dall’aria, invece, è ancora difficile da definire.

La tecnica “hind-casting

Prima di fare nuove previsioni sul clima per i grandi della Terra, un gruppo indipendente di scienziati ha utilizzato una tecnica chiamata “hind-casting“, testando come i modelli riescano a riprodurre egregiamente i cambiamenti avvenuti durante il ventesimo secolo (ed anche prima). Solo i modelli che hanno ricreato accuratamente il comportamento climatico del passato sono stati considerati accettabili. Nel processo “a ritroso”, gli scienziati del National Center for Atmospheric Research hanno controllato se i modelli avanzati potessero riprodurre i modelli climatici durante l’ultima era glaciale, più di ventimila anni fa, quando i livelli di biossido di carbonio e le temperature erano molto più bassi di oggi. Il CESM2 e gli altri nuovi modelli hanno proiettato temperature molto più fredde di quanto indicato dalle prove geologiche a nostra disposizione. Alcuni scienziati dell’Università del Michigan hanno poi testato i nuovi modelli puntandolo verso il clima di cinquanta milioni di anni fa, quando i livelli di gas serra e le temperature erano – a differenza dell’ultima era glaciale – molto più alti di oggi. I nuovi modelli hanno proiettato temperature più alte di quanto le prove a nostra disposizione su tali periodi storici suggerissero. Anche se accurati in quasi tutti gli altri fattori climatici, i nuovi modelli a nostra disposizione sembrano eccessivamente sensibili al cambiamento dei livelli di anidride carbonica e, negli ultimi anni, gli scienziati li hanno meticolosamente messi a punto per ridurre le incertezze.

L’impatto delle nuvole sul clima e le altre sfide per il clima

Ma torniamo a parlare dell’argomento di apertura, ossia le nuvole. Poiché le nuvole possono riflettere la radiazione solare nello spazio e intrappolare il calore dalla superficie terrestre, esse sono tra le maggiori sfide per gli scienziati deputati all’affinamento dei modelli climatici. In qualsiasi momento, le nuvole coprono più di due terzi del pianeta. Il loro impatto sul clima dipende da quanto sono riflettenti, da quanto sono alte e se è giorno o notte. Possono accelerare il riscaldamento o raffreddarlo. Operano su una scala vasta come l’oceano o piccola come la larghezza di un capello. Il loro comportamento può essere influenzato, come dimostrano gli studi, da fattori che vanno dai raggi cosmici ai microbi oceanici, i quali emettono particelle di zolfo che diventano i nuclei di goccioline d’acqua o cristalli di ghiaccio che compongono le nuvole. I vecchi modelli, che si basano su metodi più semplici per modellare gli effetti delle nuvole, hanno affermato per decenni che il raddoppio dell’anidride carbonica dell’atmosfera rispetto ai livelli preindustriali avrebbe riscaldato il Mondo tra 1,5 e 4,5 °C.

I nuovi modelli, invece, tengono conto della fisica delle nuvole in modo più dettagliato. Il CESM2 ha previsto che un raddoppio dell’anidride carbonica sulla Terra causerebbe un riscaldamento di 5,3 °C, ossia quasi un terzo in più rispetto alla versione del precedente modello. In una valutazione indipendente di trentanove modelli climatici globali durante il 2021, alcuni scienziati hanno scoperto che tredici dei nuovi modelli hanno prodotto stime significativamente più alte delle temperature globali causate dall’aumento dei livelli atmosferici di anidride carbonica (rispetto ai vecchi modelli). Tuttavia, comparati con le prove storiche dei cambiamenti di temperatura, queste stime sono state ritenute irrealistiche. Aggiungendo equazioni molto più dettagliate per simulare le nuvole, gli scienziati potrebbero aver introdotto piccoli errori che avrebbero potuto rendere i loro modelli meno accurati.

Prendendo in considerazione le incertezze presenti, il panel delle Nazioni Unite sul cambiamento climatico ha ristretto la sua stima della sensibilità del clima a un intervallo compreso tra 2,5 e 4 °C. Questo suggerisce che il riscaldamento globale potrebbe essere ancora abbastanza alto da sfidare gli obiettivi fissati dall’accordo sul clima di Parigi del 2015. Alcuni sviluppatori di CESM2 hanno aggiunto modalità migliori per modellare le calotte polari, come il ciclo del carbonio e dell’azoto attraverso l’ambiente. Per rendere l’impatto sugli oceani più realistico, hanno aggiunto onde spinte dal vento. Hanno messo a punto la fisica nei suoi algoritmi e reso i codici utilizzati più efficienti. Tale modello divide la Terra in una griglia virtuale di più di sessanta-quattromila cubi, ognuno di cento chilometri di lato ed “impilati” in settantadue strati.

Per ogni proiezione, il computer deve calcolare più di quattro milioni di punti ogni trenta minuti. Per testare un aggiornamento o una correzione i ricercatori, in genere, lasciano correre il modello per trecento anni di tempo simulati al computer.

Nella loro analisi iniziale, gli scienziati hanno scoperto un difetto nel modo in cui CESM2 ha modellato il modo in cui l’umidità interagisce con la fuliggine, la polvere o le particelle presenti nel mare che permettono al vapore acqueo di condensarsi in goccioline “di nuvola”. Un team di dieci esperti in campo climatico ha impiegato quasi cinque mesi per rintracciare un difetto nei loro dati e correggerlo. Attraverso esperimenti sul campo, hanno poi imparato che le nuvole luminose a basso livello al largo della costa dell’Antartide non erano né cristalli di ghiaccio né gocce di nuvole, come i modelli hanno ipotizzato, ma un liquido molto freddo che ha influenzato il modo in cui le nuvole raffreddano la superficie. Dal rilascio del loro software open-source nel 2018, gli scienziati del National Center for Atmospheric Research hanno aggiornato il modello CESM2 ben cinque volte, con altri miglioramenti in sviluppo. Tuttavia, ci vorranno ancora degli anni per notare differenze. Inoltre, le nuvole stanno cambiando in risposta all’aumento delle temperature globali in modi che possono peggiorare il riscaldamento, proprio come i vecchi modelli climatici avevano previsto. Con l’aumento della temperatura degli oceani negli ultimi anni, si sono formate meno nuvole luminose e riflettenti a bassa quota su ampie zone di mare aperto. Questo significa che viene intrappolato più calore solare del previsto nell’atmosfera.

Supercomputer messi a dura prova

Gli scienziati del National Center for Atmospheric Research vorrebbero approfondire il comportamento di nuvole, lastre di ghiaccio e aerosol, ma stanno già mettendo a dura prova il loro supercomputer “Cheyenne”. Un modello climatico in grado di catturare i sottili effetti dei singoli sistemi di nuvole, delle tempeste, degli incendi regionali e delle correnti oceaniche su una scala più dettagliata richiederebbe una potenza di calcolo mille volte superiore. I ricercatori sono sotto pressione per fare previsioni locali affidabili dei futuri cambiamenti climatici, in modo che i decisori politici possano agire per proteggere le zone fortemente popolate da inondazioni, siccità o incendi più estremi. Ciò significa che la prossima generazione di modelli climatici dovrà collegare l’aumento delle temperature su scala globale al cambiamento delle condizioni in una foresta locale, uno spartiacque, un prato o una zona agricola. Gli scienziati del National Center for Atmospheric Research stanno installando un nuovo supercomputer da quaranta milioni di dollari chiamato Derecho, costruito da Hewlett Packard Enterprise e progettato per eseguire calcoli sul cambiamento climatico a tre volte la velocità della loro attuale macchina. Una volta che sarà operativo, probabilmente nel corso del 2022, ci si aspetta che si collochi tra i venticinque supercomputer più veloci del mondo.

@RIPRODUZIONE RISERVATA

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