Il Clima è caotico e non può essere previsto

Che cosa dice la Scienza...

  Una delle affermazioni degli scettici è che, se il tempo meteorologico è caotico, lo deve essere pure il Clima in quanto “il Clima non è altro che il tempo di un periodo lungo”. Questo punto di vista sembra giustificare tutte le posizioni degli scettici riguardanti la causa umana del riscaldamento globale, dal momento che tutte le previsioni sarebbero egualmente futili. Come ognuno sa il tempo è sia caotico che fortemente stagionale. Le temperature dell’aria sono soggette a variazioni diurne, talora variano imprevedibilmente anche di 20°C in pochi giorni in un determinato posto. Il Clima effettivamente varia in modo non lineare, ma ciò non ha impedito agli scienziati di fare buone previsioni. Diamo ora un’occhiata al concetto di caos e perché il Clima è entro certi limiti prevedibile sia nell’arco dei decenni che in quello dei secoli.
Nel 1963 Edward Lorenz stava studiando le modalità del sollevamento dell’aria calda in atmosfera. Era noto a quel tempo che l’aria poteva cominciare a muoversi se veniva a contatto con un oggetto caldo. Le proprietà dell’aria sono tali che si espande parecchio quando riscaldata, si comporta come un buon isolante e fluisce con relativa facilità, tecnicamente parlando possiede un elevato numero di Rayleigh.

Pensate ad una grossa massa d’aria calda che sale nell’atmosfera come un pallone ad aria calda con la forma di una nube simile ad un fungo (!). Sulla base della idrodinamica allora nota, Lorenz disegnò un insieme semplificato di equazioni che descrivevano questo movimento e trovò qualcosa di sorprendente. Per certi valori dei parametri, il movimento complessivo dell’aria risultava  oscillante ed imprevedibile (Lorenz 1963):

Figura 1: le equazioni di Lorenz semplificate  per la fase e lo spazio relative alla convezione dell’aria (sopra) ed alcune soluzioni numeriche delle stesse (in basso, separate per chiarezza).

Una delle maggiori perplessità sorse per il fatto che per piccoli cambiamenti delle condizioni iniziali il sistema aveva sempre una comportamente imprevedibile. In ciò consistette la scoperta del caos deterministico e ci si rese conto  proprio allora che non avremmo mai potuto conoscere il tempo con un anticipo superiore a 10 giorni senza usare capacità di calcolo enormi e con risultati assolutamente inadeguati. Naturalmente gli scienziati sapevano già del caos dagli studi sulla turbolenza, che non è appunto né lineare (deterministica) né prevedibile.
Quando Lorenz guardò attentamente a questo grafico, accadde qualcosa di eccitante. Quando egli plottava le curve una contro l’altra si evidenziava una regolarità assai caratteristica: le curve sembravano attratte una con l’altra in modo tale come  da costringersi all’interno di un volume. Sembrava strano, perché non aveva una forma semplice, ma piuttosto un aggregato spaziale di punti stranamente spalmati nelle tre dimensioni.

 

Figura 2: le soluzioni numeriche delle equazioni Lorenz plottate in uno stesso sistema di coordinate.Le curve sono funzioni del tempo, quindi immaginate come delle montagne russe che tracciano un invisibile oggetto chiamato attrattore strano

Anche se strana, la struttura occupa non esattamente una superficie bi-dimensionale ma qualcosa che è più di 2 dimensioni: è a 2 dimensioni più una frazione. Esiste qualcosa del genere in quella che è chiamata dimensione frattale. Non si interseca mai e quindi ogni traiettoria è impegnata a proseguire in infinita solitudine. E’ per questo che è stato chiamato giustamente attrattore strano.
Uno sguardo più da vicino rivela come sorge la imprevedibilità. Le curve magenta e blu si mantengono sempre vicine per un determinato periodo inseguendosi l’una con l’altra. Poi improvvisamente la curva magenta fa un balzo e si ritrova lontana dalla sua compagna blu. Questo è ciò che chiamiamo sensibilità alle condizioni iniziali, così come si vede ogni giorno con il tempo meteorologico.

 

Figura 3: Illustrazione del caos deterministico. Si immaginino 2 sistemi che partono da condizioni iniziali leggermente differenti. Seguiteranno uno prossimo all’altro per un po’ di tempo, poi dopo un altro breve tempo la nostra capacità di prevederne la posizione cesserà (vista frontale e laterale dell’attrattore di Lorenz).

Ciò corrisponde a quello che gli scettici sostengono deve avvenire anche con il Clima. A parte le variazioni dei cicli solari, gli aerosol, le eruzioni vulcaniche etc, la variabilità del Clima è dovuta a cambiamenti nello scambio di calore tra atmosfera ed oceano. L’acqua ha un numero di Rayleigh più piccolo dell’aria e quindi risulta maggiormente difficile che si instauri un caos ben sviluppato nelle correnti oceaniche. Comunque l’indice climatico dell’oceano (scambio di calore) può manifestare del caos a piccola scala come vediamo qua sotto.

Figura 4: Cicli oceanici. NAO ( North Atlantic Oscillation) in blu, configurazione  Est Atlantica in verde, area Pacifico Ovest in rosso, (NOAA).

Se osserviamo i tre principali indici climatici oceanici troviamo lo stesso problema che si presentò a Lorenz. In realtà provare che questi indici sono caotici è di estrema difficoltà, ma Tziperman et al. (1994) hanno mostrato con un modello semplice che El Niño  probabilmente ha origine da un fenomeno di risonanza caotica provocata dalla interazione atmosfera-oceano. Quindi il sistema climatico nel suo insieme in realtà possiede una non-prevedibilità intrinsecamente minore (Hansen et al. 2007). Comunque anche se El Niño del 1998 ha rappresentato un 10% di tutta la anomalia del contenuto di calore dal 1950, è pur passato rapidamente.

Ritornando alle registrazioni di temperatura (normalizzateper il periodo 1950-1980) ora possiamo mettere cominciare a dare dei nomi. Le influenze caotiche degli oceani, vulcani etc rendono il tempo più imprevedibile e danno origine ai caratteristici zig-zag nei trend medi del Clima. Il Clima è certamente non lineare ma anche non caotico nel plot che segue.

 

 

 Figura 5: andamento della temperatura dei due data base GHCN & HADISST1. La media mobile è applicata con un filtro lowess

Nella scala temporale dei decenni ogni oggetto planetario ha una temperatura media che è data dalla potenza della stella che la irradia secondo quanto prevede la legge di Stefan-Boltzmann unitamente a quanto causato dall’effetto serra. Se le fonti ed i pozzi di CO₂ fossero caotici e potessero rilasciare o assorbire rapidamente grosse quantità di gas forse il sistema sarebbe caotico. Se l’orbita della Terra fosse influenzata da una Luna con una massa confrontabile con quella della Terra, allora l’orbita e quindi il forcing solare potrebbero dar origine ad un certo grado di caos nel Clima. Poiché invece la Luna è relativamente piccola, ed in reltà contribuisce a stabilizzare l’asse di rotazione della Terra, ne consegue che si instaurano condizioni favorevoli alla vita sulla Terra.    

Nella scala temporale dei decenni ogni oggetto planetario ha una temperatura media che è data dalla potenza della stella che la irradia secondo quanto prevede la legge di Stefan-Boltzmann unitamente a quanto causato dall’effetto serra. Se le fonti ed i pozzi di CO fossero caotici e potessero rilasciare o assorbire rapidamente grosse quantità di gas forse il sistema sarebbe caotico. Se l’orbita della Terra fosse influenzata da una Luna con una massa confrontabile con quella della Terra, allora l’orbita e quindi il forcing solare potrebbero dar origine ad un certo grado di caos nel Clima. Poiché invece la Luna è relativamente piccola, ed in reltà contribuisce a stabilizzare l’asse di rotazione della Terra, ne consegue che si instaurano condizioni favorevoli alla vita sulla Terra.    

Per riassumere, il tempo meteorologico è caotico perchè può svolgersi liberamente, il Clima ha dei lacci. Se si tirano i lacci abbastanza forte il Clima risponde

Figure 6: simulazione artistica dell’aumento delle temperature globali a seguito dell’azione di un piccolo attrattore di Lorenz che si evolve gradualmente in seno ad esse.