Cosa sarà di noi?

Come si fa a prevedere il clima del futuro?

Per comprendere il modo in cui la presenza umana incide sul clima non possiamo condurre esperimenti in un laboratorio, come si fa per una reazione chimica o un piano inclinato, poiché il sistema climatico della Terra risulta troppo complesso per poter essere riprodotto alla scala che sarebbe utile. D'altra parte i governi e i cittadini richiedono di prevedere il clima dei prossimi cinquanta - cento anni sulla base delle emissioni di gas serra che si verificheranno. L'unico mezzo oggi a disposizione per effettuare delle previsioni sull'evoluzione futura del clima è dato dai modelli matematici, cioè una versione del sistema Terra elaborata al computer che rappresenta le leggi fisiche e le interazioni chimiche nel miglior modo possibile. Queste leggi, a loro volta, sono basate sui risultati di esperimenti in laboratorio e di misure sul campo.

I comparti dei modelli climatici
I principali comparti che vengono presi in considerazione dai modelli climatici (detti AOGCM - coupled Atmosphere-Ocean General Circulation Models) comprendono l'atmosfera e la sua chimica, la biosfera e il ciclo del carbonio, gli oceani (vedi figura 1).
schema di un modello climatico

FIGURA 1: Lo schema di un modello climatico (fonte: www.hamburger-bildungsserver.de).

Equazioni per descrivere cosa succede
Per ciascun dei comparti del modello si scrivono una serie di equazioni (differenziali) che traducono, per il comparto in esame, le tradizionali leggi della fisica e della chimica. Le più utilizzate sono ovviamente:
  • la legge di Newton: f = m a;
  • la legge dei gas P V = n R T;
  • la formula dell'accelerazione di Coriolis (che traduce l'effetto della rotazione della terra) a = -2ω v;
  • la conservazione dell'energia espressa dalla prima legge della termodinamica;
  • le equazioni che esprimono i cambiamenti di stato dell'acqua (solido, liquido, vapore);
  • le leggi che esprimono la trasmissione del calore (convezione, irraggiamento,...).
La terra divisa in celle
Le leggi traducono ciò che accade in un punto della superficie o dell'atmosfera della Terra e, per comprendere la situazione complessiva, andrebbero applicate con continuità a tutta la superficie (oceani compresi) e a tutta l'atmosfera della Terra. Tuttavia, poiché ciò non è possibile, si ricorre ad una approssimazione, detta discretizzazione. Si suddivide cioè la terra e la sua atmosfera in "celle", sia in orizzontale che in verticale, e si effettuano i calcoli soltanto nei vertici di queste celle che costituiscono la cosiddetta griglia o grigliato (vedi figura 2).
griglia di calcolo di un modello climatico

FIGURA 2: La griglia di calcolo di un modello climatico e i processi che vengono rappresentati in ciascuna cella (fonte: www.noaa.gov).

Diversa scala, diverso dettaglio
La discretizzazione comporta ovviamente che il modello non possa dare alcuna informazioni su eventuali situazioni diverse che si verifichino all'interno di ogni cella, cioè a una scala più piccola di quella adottata per la discretizzazione stessa (vedi figura 3).
Europa a diverse scale di discretizzazione

FIGURA 3: L'Europa a diverse scale di discretizzazione; il grado di dettaglio varia notevolmente! (fonte: www.hamburger-bildungsserver.de)

La risoluzione dei modelli attuali
I modelli globali che si utilizzano attualmente presentano una risoluzione orizzontale (dimensione della cella) di 250 km, mentre in verticale l'atmosfera si suddivide, ad esempio, in 20 strati (di altezza variabile) fino a un'altitudine di quasi 30 km. La risoluzione orizzontale adottata per gli oceani è pari a 125 - 250 km, mentre quella verticale parte da 200 - 400 m di profondità per arrivare, con una decina di strati, anche fino a 5.000 m o sul fondo. La risoluzione attualmente adottata viene ritenuta un compromesso accettabile tra la precisione dei risultati ed il tempo di calcolo necessario per eseguire i modelli. Questi calcoli sono infatti estremamente lunghi e necessitano dei più veloci computer disponibili (anche se naturalmente andranno diminuendo con l'aumento della velocità dei calcolatori). Una batteria di supercalcolatori (tra i quali, ad esempio, il Fujitsu VPP 5000 installato alla sede di Météo France a Toulouse che ha una velocità di 250 miliardi di operazioni al secondo, cioè 250 Gigaflop), ha lavorato per ben 42.600 ore per preparare gli scenari che sono stati analizzati nel IV rapporto dell'IPCC!
Il modello viene tarato su quello che è successo nel passato
Una volta scritte le equazioni e fissata la risoluzione, il modello deve venire "calibrato" (o "tarato"). Ciò significa che, utilizzando i dati che sono stati raccolti, si "aggiustano" tutti i parametri del modello in modo da rappresentare al meglio le situazioni che si sono verificate nel passato.
...per poter valutare cosa succederà nel futuro
Successivamente il modello viene utilizzato per capire cosa succederà nel futuro in corrispondenza di un determinato "scenario", cioè di una serie di ipotesi, riguardanti ad esempio le emissioni future di gas serra, che potrebbero (anzi in molti casi, speriamo) non verificarsi mai nella realtà. Il modello non è quindi usato per fare delle vere e proprie previsioni, ma principalmente per capire quali sarebbero le conseguenze di determinate azioni od eventi. I suoi risultati vanno, quindi, interpretati con occhio critico perché dipendono non solo dalle approssimazioni proprie del modello (ad esempio, la discretizzazione spaziale e l'incertezza su molte leggi fisiche che governano i fenomeni a scala planetaria), ma anche dalla formulazione degli scenari. Pur con queste limitazioni, i modelli climatici risultano fondamentali nello studio dei cambiamenti climatici perché sono l'unico strumento di cui oggi disponiamo per valutare quantitativamente l'effetto di azioni di riduzione o non riduzione delle emissioni antropiche di gas serra.