Nell’anno della 26° Conferenza delle Parti sul cambiamento climatico delle Nazioni Unite (COP26), la Royal Swedish Academy of Sciences ha scelto di conferire il Premio Nobel per la Fisica 2021 oltre a Giorgio Parisi (per i suoi studi sui sistemi complessi) anche a Syukuro Manabe e Klauss Hasselmann “per la modellizzazione fisica del clima terrestre, quantificando la variabilità e prevedendo in modo affidabile il riscaldamento globale”.
Studi che rafforzano la consapevolezza scientifica su come il riscaldamento globale sia una diretta conseguenza delle attività umane.
Eccovi un’introduzione a queste scoperte da Nobel.
1. Syukuro Manabe e l’effetto serra
Syukuro Manabe, ricercatore all’università di Princeton, ha sviluppato nel corso degli anni ’60 un modello fisico del clima terrestre, partendo dal concetto di effetto serra dell’atmosfera.
L’atmosfera terrestre è l’involucro aeriforme costituito da gas e vapori nella sua parte bassa e prevalentemente da ioni ed elettroni nella parte più alta, trattenuto intorno alla Terra dai campi gravitazionale e magnetico terrestri.
Con il termine effetto serra si intende la capacità dell’atmosfera terrestre di agire appunto come il vetro di una serra, in quanto:
a) Lascia passare i raggi solari nello spettro elettromagnetico della luce visibile che colpiscono la Terra;
b) Trattiene invece parte dei raggi infrarossi che vengono ri-radiati dal suolo terrestre nel momento in cui viene colpito dai raggi solari.
L’effetto serra operato dall’atmosfera terrestre ha un valore fondamentale: trattenendo parte dei raggi infrarossi ri-radiati dal suolo permette di riscaldare la Terra. Si stima infatti che, se non vi fosse un’atmosfera in grado di operare l’effetto serra, la temperatura di superficie della Terra a raggiungerebbe a malapena i -18°C.
L’atmosfera riesce ad operare questo effetto serra poiché è composta da alcuni gas in grado appunto di trattenere i raggi infrarossi. In particolare, l’anidride carbonica o CO2 è uno dei principali gas della nostra atmosfera con questa capacità.
Pur rappresentando la CO2 soltanto lo 0,04% della nostra atmosfera, una variazione dei suoi livelli potrebbe abbattere o aumentare notevolmente l’effetto serra operato dalla nostra atmosfera. In entrambi casi con esiti catastrofici:
- Se i livelli di CO2 si dimezzassero si stima che perderemmo la capacità di trattenere l’energia ri-radiata a tal punto da entrare in una nuova era glaciale;
- Se i livelli di CO2 raddoppiassero tratterremmo l’energia ri-radiata a tal punto che gran parte del pianeta diventerebbe invivibile per l’aumento della temperatura terrestre.
Eccoci adesso al contributo da Nobel di Syukuro Manabe sullo studio dell’effetto serra.
Il fisico giapponese ha modellato l’atmosfera terrestre come una colonna monodimensionale di 40 km in cui l’aria fluisce verticalmente per convezione (l’aria calda sale verso l’alto; l’aria fredda scende verso il basso) e ha considerato nei suoi studi il calore latente del vapore acqueo (in grado di trattenere energia nell’atmosfera e i cui livelli sono proporzionali a quelli di CO2).
A partire da queste premesse, in seguito ad una serie di calcoli e predizioni Manabe ha confermato che l’aumento della temperatura superficiale della Terra è dovuto ad un aumento della concentrazione atmosferica di CO2 – causato, secondo studi di tanti altri esperti, da una svariata serie di attività inquinanti umane – e non, come ipotizzato da altri, ad una variazione di intensità dei raggi solari che colpiscono il nostro pianeta2. Se fosse quest’ultima la causa, la temperatura aumenterebbe lungo l’intera colonna verticale, mentre i modelli più attendibili predicono un aumento delle temperature in prossimità del suolo ed un raffreddamento negli strati superiori.
Figura 1: Il modello climatico di Manabe. Credits: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences 1
2. Klauss Hasselmann ed il cane che cammina
Syukuro Manabe divide il premio Nobel 2021 per la fisica con il climatologo tedesco Klauss Hasselmann.
Una delle sue pietre miliari è stata il riuscire a prevedere l’andamento del clima a partire dai parametri metereologici.
Un’impresa ardua data la sostanziale differenza fra tempo meteorologico e clima:
- il tempo metereologico è la descrizione ad alta frequenza temporale dei parametri meteorologici su scale spaziali relativamente piccole;
- il clima è l’insieme statistico delle condizioni meteorologiche di una data zona osservate nel corso di alcuni decenni – una scala temporale molto più ampia rispetto a quella utilizzata per analizzare il tempo meteorologico.
La difficoltà di prevedere l’andamento del clima analizzando il tempo meteorologico dipende da diversi motivi:
- La molteplicità delle variabili in gioco (temperatura, pressione atmosferica, intensità della radiazione solare, ecc.)
- La frequente mutevolezza delle variabili nello spazio e nel tempo;
- Una deviazione iniziale minima dei valori di una variabile in gioco può comportare a catena un’evoluzione sostanziale del sistema – il cosiddetto effetto farfalla (famosa è l’immagine di un battito di ali di una farfalla in Brasile che può causare un uragano in Giappone).
Ottenere un modello climatico da informazioni metereologiche è quindi paragonabile, a detta di Hasselmann, a capire a che velocità si sta camminando mentre si porta a spasso un cane, considerando quest’ultimo come punto di riferimento. Il cane infatti non ha un andamento regolare, lineare o prevedibile: può accelerare, rallentare, tornare indietro, fermarsi, ecc…
Per risolvere il problema, al fine di ottenere predizioni sul clima affidabili a partire da informazioni metereologiche mutevoli e caotiche Hasselmann ha creato un modello climatico stocastico che tiene appunto in considerazione la casualità degli eventi metereologici.
Altra pietra miliare di Hasselmann è stata la messa a punto di metodi scientifici per distinguere gli effetti sul clima dovuti a fenomeni naturali da quelli dovuti ad attività umane3. Le conclusioni del climatologo tedesco hanno dimostrato come l’aumento della temperatura terrestre dipende dalle attività umane dal momento che l’accelerazione dell’effetto serra risulta significativa a partire dalla metà del 19° secolo, proprio in concomitanza con la seconda rivoluzione industriale.
Figura 2: Effetti delle attività naturali e di quelle umane sul cambiamento della temperatura terrestre secondo i calcoli di Hasselmann. Credits: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences2
3. Un Nobel che trascende la Fisica
La solidità degli studi di Manabe e Hasselmann è granitica; i modelli climatici appaiono inequivocabili.
La Terra si sta sovra-riscaldando? Sì.
La causa del riscaldamento superficiale terrestre è un aumento della concentrazione di gas ad effetto serra nell’atmosfera? Sì.
Il riscaldamento superficiale terrestre può essere spiegato esclusivamente da fattori naturali? No.
Sono dunque le emissioni di gas ad effetto serra dovute alle attività umane la ragione del riscaldamento terrestre? Sì
E’ proprio la portata universale delle scoperte di Manabe e Hasselmann a meritare il Nobel: i loro studi escono dalle aule accademiche e bussano alla porta dei governi, delle aziende e di ciascuno di noi.
Ci mettono di fronte alle nostre responsabilità e ci esortano ad agire tempestivamente per evitare un imminente disastro globale.
Elisa Bertesago – Redazione Sostenibilità Ambientale @ Nabu
- They found hidden patterns in the climate and in other complex phenomena, 2021. The Royal Swedish Academy of Science. 2021
- Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity. Journal of the Atmospheric Sciences. 1967
- On the signal-to-noise problem in atmospheric response studies. Joint Conference of Royal Meteorological Society, American Meteorological Society, Deutsche Meteorologische Gesellschaft and the Royal Society, Royal Meteorological Society. 1979