Come facciamo a sapere che il clima sta cambiando?

di Sara Matera

Tutti hanno senz’altro sentito parlare del problema dei cambiamenti climatici. Forse, però, non tutti sanno come facciamo a sapere che il clima sta cambiando, di quanto e perché.

Beh, per capire che c’è qualcosa di strano nell’andamento delle temperature medie della Terra potrebbero idealmente bastare dei semplici termometri. E invece no, anche per compiere questa semplice misurazione occorre stare attenti a una serie di fattori importanti come la collocazione delle stazioni di rilevamento, che non devono essere in zone troppo popolate per evitare l’effetto “isola di calore”, e il metodo di integrazione dei dati e calcolo delle medie, operazioni svolte da tre diversi centri di ricerca (la britannica Climate Research Unit dell’Hadley Centre e gli statunitensi National Climatic Data Center e NASA Goddard Institute for Space Studies). Ma se alla fine si parla di medie globali, perché occorre così tanta precisione nella misurazione delle variabili meteorologiche? Perché il clima è un sistema complesso, il che non vuol dire che è complicato, ma che è determinato dall’interazione tra molti fattori diversi – oceani, atmosfera, biosfera, criosfera, antroposfera, etc. – e che, per questo, è difficile da prevedere.

A causa della loro ricca articolazione interna, i sistemi complessi sono difficili da prevedere anche se si conoscono molto bene i dati che li descrivono e le leggi fisiche che ne governano l’evoluzione. La presenza di molti sottosistemi tra loro interrelati non consente, infatti, di individuare relazioni causali lineari nelle quali la causa precede sempre l’effetto; ciò che avviene, invece, è che si innescano dei feedback che provocano retroazioni dell’effetto sulle cause. Facciamo un esempio: sappiamo che la temperatura della Terra si sta alzando anche a causa delle attività umane che hanno provocato un incremento di gas serra nell’atmosfera. Sembra molto semplice: la causa sono le attività antropiche (aggiunte a quelle naturali), la conseguenza è l’innalzamento delle temperature medie globali. I grafici sembrano confermare questa ipotesi mostrando una forte correlazione tra l’andamento delle temperature e quello della concentrazione di gas serra.

Confronto tra l'andamento della concentrazione di CO2 e quello delle temperature medie globali negli ultimi 400.000 anni (Fonte: J.R. Petit, J. Jouzel, et al. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core in Antarctica, Nature 399, 3 June 1999, pp. 429-436.)

Confronto tra l’andamento della concentrazione di CO2 nell’atmosfera e quello delle temperature medie globali negli ultimi 400.000 anni (Fonte: J.R. Petit, J. Jouzel, et al. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core in Antarctica, Nature 399, 3 June 1999, pp. 429-436.)

Ma attenzione, le cose sono più complesse. In primo luogo non bisogna mai dimenticare che la correlazione evidenzia un’uniformità di andamento non necessariamente dovuta a una relazione causale. È famoso l’esempio del rapporto tra aumento delle temperature e diminuzione della pirateria: il fenomeno della pirateria non si è ridotto perché i pirati avevano troppo caldo, ma perché la rivoluzione industriale, con l’avvento della macchina a vapore, ha provocato una diminuzione dei trasporti via mare, oltre che un progressivo aumento dalla concentrazione di CO2 nell’atmosfera. In secondo luogo, una valutazione corretta delle relazioni causali, richiede che non ci si fermi al primo effetto, ma si percorra tutta la rete causale: il nostro effetto, l’aumento della temperatura, è infatti a sua volta causa di cicli retroattivi che vanno necessariamente presi in considerazione e “pesati” prima di fare qualunque valutazione. Facciamo un esempio, se le temperature aumentano si sciolgono i ghiacciai, la luce che la copertura nevosa avrebbe riflesso viene assorbita dalla terra che quindi si riscalda ancora di più potenziando l’effetto iniziale; ma è anche vero che se fa più caldo l’acqua evapora più velocemente e si formano più nuvole che riflettono la luce solare prima che possa riscaldare la superficie con un effetto raffreddante.

Esempio semplificato di rete causale con retroazioni

Esempio semplificato di rete causale con retroazioni

Mentre i  feedback del secondo tipo, detti “negativi”, stabilizzano il sistema,  i feedback “positivi” possono avere effetti fortemente destabilizzanti, poiché potenziano e velocizzano i processi causali. Questo vuol dire che piccoli errori nella misurazione delle condizioni iniziali possono provocare errori molto significativi nella previsione delle condizioni future (è il famoso “effetto farfalla“), cosa che non avviene nei sistemi “lineari” nei quali le piccole imprecisioni iniziali sono trascurabili poiché si trasmettono ai risultati, ma non si amplificano in modo tale da renderli inaffidabili.

Ma per fare una previsione, oltre ai dati, servono anche leggi scientifiche che ci dicano come le variabili climatiche – temperatura, pressione, umidità, etc. – cambiano nel tempo: sono le leggi della termodinamica e della fluidodinamica. Anche qui, non illudiamoci: per rendere utilizzabili e risolvibili le equazioni differenziali (ovvero le equazioni che descrivono appunto la variazione nel tempo) gli scienziati hanno pensato di dividere l’atmosfera del globo in tanti cubi e risolvere separatamente le equazioni per i valori di ogni cubo.

Fonte: Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_model)

Fonte: Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_model)

La potenza sempre crescente dei computer ha permesso di risolvere e integrare le equazioni che compongono questo enorme modello matematico grazie al quale possiamo dire di avere una “seconda Terra virtuale” con la quale fare previsioni e, perché no, esperimenti.

 

Inutile dire che questi modelli sono affetti da moltissime incertezze: (i) nella struttura del modello, ovvero nelle equazioni che descrivono le dinamiche del sistema e nella scelta delle variabili significative; (ii) nell’implementazione tecnica del modello, quindi nel programma che esegue la simulazione; (iii) nella parametrizzazione, che si rende necessaria quando i fenomeni sono così complessi da non poter essere descritti nei minimi dettagli e quindi se ne considera solo l’effetto medio (cosa che avviene, ad esempio, nel caso delle nubi); (iv) nelle operazioni di tuning, ovvero nel settaggio dei parametri fatto in modo tale da rendere il modello capace di riprodurre i valori osservati.

Ma allora come facciamo a fidarci di questi modelli così imperfetti? A livello teorico, perché hanno superato il processo di validazione che consiste nel far prevedere al modello valori passati, quindi confrontabili con i risultati delle osservazioni sperimentali; a livello pratico, queste incertezze si superano, parzialmente, utilizzando diverse versioni di modelli, sono i cosiddetti “ensemble models”, che però restituiscono risultati meno netti, con margini d’incertezza molto più ampi.

Ma non è finita qui: per fare proiezioni – termine che si tende a preferire a “previsioni” – bisognerebbe anche sapere quanto l’uomo inquinerà in futuro. Questo è ovviamente impossibile, quindi l’IPCC (Comitato Intergovernativo per i Cambiamenti Climatici dell’ONU) ha pensato di proporre alcune possibili evoluzioni sociali associate a diversi scenari emissivi: nell’ultimo Rapporto di Valutazione uscito recentemente sono quattro (per approfondimenti vedi qui). Per avere un’idea di quanto cambierà la temperatura e di quali saranno gli impatti sul livello del mare, sull’acidità degli oceani, etc., bisogna quindi far girare i modelli con i dati che descrivono ciascuno di questi “futuri possibili”.

Proiezioni per le temperature medie globali fino al 2100 (Fonte: IPCC, 2013)

Proiezioni per le temperature medie globali fino al 2100 (Fonte: IPCC, 2013)

Come si vede nel grafico, a questo passaggio i margini d’incertezza delle previsioni non fanno che aumentare: si va dalla sostanziale stabilità del primo scenario (RCP2.6) all’incremento di oltre 3°C nell’ultimo (RCP8.5).

 

Morale della favola: gli scienziati hanno lanciato il loro grido d’allarme al mondo utilizzando gli strumenti sofisticati, ma imperfetti, che hanno a disposizione; se la politica pretende di avere certezze dalla scienza prima di intervenire seriamente, non vedremo mai una seria azione internazionale di lotta ai cambiamenti climatici.



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