Effetto serra, variazioni climatiche, metodi di indagine
La temperatura in superficie e’ dovuta al bilancio tra la radiazione solare nel
visibile e vicino infrarosso che giunge sulla Terra e quella emessa
nell’infrarosso dal Terra stessa. In assenza di atmosfera in condizioni
d’equilibrio la radiazione incidente dove essere uguale a quella emessa:
Ra=Re
0.25(1-)S= T4
dove S e’ la costante solare, e’ l’albedo della superficie terrestre, e’ l’emissività
media della terra, T e la temperatura d’equilibrio in assenza di atmosfera, e’
la costante di Stefan-Boltzmann. Il fattore 0.25 e’ il rapporto dell’area R2
che intercetta la radiazione solare e l’area 4R2 che emette nello spazio la
radiazione infrarossa. Il valore di temperatura in questo caso è circa 254°K,
mentre la reale temperatura media e’ circa 288°K. Questa differenza e’ dovuta
all’ ”effetto serra”, in cui la radiazione solare (visibile e vicino infrarosso)
penetra attraverso l’atmosfera indisturbata, mentre la radiazione emessa dalla
terra viene assorbita dai costituenti atmosferici che hanno forti bande di
assorbimento nell’infrarosso. Alcuni gas, principalmente il vapore acqueo e il
biossido di carbonio assorbono una significativa parte della radiazione uscente
che viene re-irradiata sia verso l’alto che verso il basso. La componente
infrarossa del sistema terra-atmosfera ha tre principali componenti: la
radiazione emessa dalla superficie terrestre alle lunghezza d’onda tra 8 e 12m
in cui l’atmosfera terrestre e’ trasparente (la cosiddetta finestra atmosfera );
una componente che viene emessa dalla superficie terrestre o dalle nubi, viene
assorbita dai gas atmosferici e re-irradiata verso l’esterno dagli stessi gas;
in ultimo la radiazione proveniente dalle nubi, viene assorbita dai gas
atmosferici e re-irradiata verso l’esterno dagli stessi gas; in ultimo la
radiazione proveniente dalle nubi che ricevono calore dagli strati sottostanti:
Di conseguenza si può considerare il sistema terra-atmosfera come un corpo nero
avente una temperatura pari 254°K.
La struttura termica dell’atmosfera e’ influenzata dalla presenza di piccole
quantità di vapore acqueo, biossido di carbonio, ozono, gas in tracce di
aerosol. Come già visto l’effetto dei gas e’ quello di assorbire la radiazione
infrarossa e di re-irradiarla comportando un aumento della temperatura
superficiale. Gli aerosol possono raffreddare o riscaldare superficie a seconda
delle proprietà ottiche. Dopo una eruzione vulcanica si ha un raffreddamento
netto in superficie.
mentre le particelle in stratosfera portano ad un raffreddamento della bassa
troposfera e della superficie, le stesse particelle in troposfera provocano un
riscaldamento. L’impatto termico di un aumento degli aerosol in atmosfera
dipende parzialmente dalla quota a cui si trovano le particelle di aerosoli.
Nonostante la piccola quantità dei gas in tracce, essi giocano un ruolo
importante nel definire la struttura termica atmosferica poichè hanno un forte
banda di assorbimento nella finestra tra 7 e 14m. Variazioni di questi gas
comportano variazioni climatiche attraverso l’effetto serra.
Per comprendere pienamente e prevedere eventuali variazioni nella componente
atmosferica del sistema climatico, bisogna tener conto, come si e’ detto in
precedenza, di numerosi fattori come l’attività solare, il comportamento degli
oceani, dei ghiacci, della superficie terrestre e di tutte le forme di vita. Lo
sforzo di comprendere, modellare e prevedere questo complesso sistema prende il
nome delle “variazioni globali”(global change).
Le cause delle variazioni climatiche sono in parte attribuibili alla variabilità
interna naturale del sistema climatico ed in parte quelle “forzate” da
meccanismi esterni.
La variabilità naturale interna e’ essenzialmente casuale e deriva dalla natura
caotica dell’ interazione oceano-atmosfera-terra, guidata da un riscaldamento
solare diseguale tra le regioni tropicali calde e quelle polari fredde. I
modelli di simulazione globale del clima forniscono una stima degli aumenti di
temperatura in corrispondenza di un raddoppio dei gas serra.
Il sistema climatico può essere studiato attraverso l’analisi retrospettiva dei
dati osservati.
Mentre la modellistica fornisce un indirizzo per la analisi e la interpretazione
della fisica e della dinamica del clima, un attento studio retrospettivo dei
dati osservati fornisce il necessario completamento per confrontare la realtà
virtuale “modellata” e quella “ vera”. Le analisi di questo tipo vengono
condotte con metodologie statistiche avanzate che consentono di individuare le
caratteristiche intrinseche e le cause che forzano le variazioni (che possono
essere il risultato di sole fluttuazioni interne al sistema climatico oppure di
perturbazioni casuali esterne a cui il sistema e’ inevitabilmente soggetto).
Da un punto di vista generale i segnali di fluttuazione climatica nei dati
osservati possono essere rilevati secondo i tre orientamenti seguenti:
- analisi segnale-rumore. Si basa sul concetto che, se una presunta
sollecitazione del sistema climatico e’ abbastanza forte, il segnale emerge dal
rumore;
- riduzione del rumore. Si tende a ridurre il livello del rumore stimando in
qualche modo la parte di variazione climatica dovuta a cause diverse da quella
che determina la sollecitazione di interesse.
-analisi delle “impronte” (fingerprints), Viene utilizzata non solo una singola
grandezza (come ad esempio la temperatura), ma l’andamento temporale di
caratteristiche di campi che meglio possono evidenziare la sollecitazione sul
sistema climatico nella quale si e’ interessati (per esempio l’ intensità del
ciclo idrologico, grandezze derivate come divergenza , vorticità, etc.).
In tempi recenti si sono sviluppati nuovi metodi per la previsione delle serie
temporali tenendo conto della eventuale dinamica non lineare in esse contenuta.
Per caratterizzare le proprietà statistiche di una serie temporale, periodi
omogenei, trend e variazioni brusche (“change point”), si possono utilizzare
varie metodologie.
L’analisi convenzionale si basa sull’utilizzo di procedure che tendono ad
eliminare il rumore per mettere in evidenza particolari segnali nella serie,
fornendo una descrizione generale della serie indagata.
Viceversa attraverso alternativi e’ possibile fornire una determinazione
oggettiva della struttura interna di una serie temporale mediante l’utilizzo
congiunto di più test al fine di:
-verificare l’ attendibilità della serie (test di omogeinita’);
-verificare l’assenza di correlazione seriale;
- ricercare i trend o i “change point” in alternativa all’ipotesi di completa
stazionerieta’ delle serie.
Il gruppo G-Met del Dipartimento di Fisica dell’Università “La Sapienza”, ha
messo a punto il codice di calcolo per l’utilizzo e l’applicazione dei vari
test.
La metodologia statistica e’ stata applicata alle serie di totali mensili di
precipitazione nel periodo settembre-marzo in Italia (60anni e 19 stazioni).
L’analisi ha mostrato che le precipitazioni tendono a diminuire sulle regioni
meridionali ed in particolare sulla Sicilia Occidentale, mentre diminuzioni di
minore entita’ e significativita’ interessano l’Italia centrale e parte della
Valle Padana.
E’ stato calcolato l’indice zonale medio per l’Europa relativo al periodo
1873-1988. I casi in cui ZI (indice zonale) e’ alto rappresentano circolazioni
caratterizzate da forti correnti occidentali e da deboli correnti meridiane.
I trend delle piogge sono stati interpretati alla luce del comportamento di ZI:
la frequenza di situazioni ad indice zonale alto e’ andata aumentando nel corso
del tempo, dando luogo a minori precipitazioni in novembre in molte regioni
italiane ed in dicembre sull’estremo sud.
L’esame dei risultati dei modelli climatici GFDL (Geophysical Fluid Dynamics
Laboratory), CCM (Community Climate Model), GISS (Goddard Institute for Space
Sciences), anche se non ancora molto affidabili da un punto di vista regionale,
ha fatto emergere che gli scenari climatici futuri calcolati nell’ipotesi di un
raddoppio della concentrazione dei gas serra sono caratterizzati da una
diminuzione delle precipitazione in primavera sull’Italia meridionale e sulle
due isole maggiori. Ciò’ e’ in accordo con le conclusioni dell’analisi dei
trend.
Tenendo presente che il sessantennio considerato e’ stato caratterizzato da un
aumento di temperatura media nell’emisfero nord, le considerazioni offerte
possono considerarsi come metodologie diverse per costruire possibili scenari
climatici relativi ad una sollecitazione di qualsiasi origine che produca un
riscaldamento dell’atmosfera (incremento dell’ attività’ solare, quiescenza dei
vulcani, effetto serra, etc.).