Relazione fra CO2 atmosferica e temperature globali. Un lavoro di Humlum analizza le ciclicità poliennali di breve periodo

di Luigi Mariani

Il professor Humlum è un geografo dell’università di Oslo che si occupa da tempo di climatologia ed è noto al pubblico degli appassionati come gestore del sito www.climate4you.com. Ora Humlum, con due colleghi, ha pubblicato sulla rivista scientifica Global and planetary change un articolo in cui analizza la variabilità dei livelli di CO2 atmosferica nel periodo 1981-2011 ponendola in relazione con le temperature globali con lo scopo di indagare in modo empirico le relazioni di causa-effetto esistenti (Humlum et al., 2012).

Per fare ciò ha sottratto all’andamento dei livelli di CO2 atmosferica:

 

  • il trend di fondo che come noto l’ha fatta crescere nel periodo in esame di circa 2.5 ppmv per anno, portandola da 340 a 390 ppmv (figura 1)
  • le ciclicità annuali dovute alla fotosintesi dell’emisfero Nord (ogni anno in occasione dell’estate boreale le piante assorbono quantità rilevantissime di CO2 atmosferica riducendone i livelli di circa 6 ppmv) (figura 1).

Figura 1 – Andamento dei livelli di atmosferici di CO2 misurati a Mauna Loa (linea rossa). Si notino da un lato la ciclicità annuale indotta dall’attività fotosintetica della vegetazione dell’emisfero boreale (emisfero delle terre) e dall’altro il trend generale che vede un aumento annuo di circa 2.5 ppmv. La linea blu rappresenta le temperature globali misurate da sensore satellitare MSU (fonte: climate4you.com).

Filtrando le ciclicità suddette, Humlm giunge al diagramma riportato in figura 2, in cui sono evidenziati 9 picchi nei livelli globali di CO2 (linea blu) che sono messi in parallelo agli andamenti termici globali (linea rossa che rappresenta le temperature della superficie marina).

Figura 2 – il diagramma in blu illustra l’andamento atmosferico di CO2 nel periodo compreso fra dicembre 1981 e dicembre 2011 dopo aver eliminato il trend di fondo e le ciclicità annuali. Si individuano 9 massimi che sono sempre successivi ai massimi delle temperature oceaniche globali (linea rossa). Le linee verticali blu sono state inserite per facilitare la lettura (diagramma realizzato a partire dai dati in figura 2 di Humlun et al, 2012).

Il confronto fra andamento termico ed andamento di CO2 porta gli autori a dedurre che esiste un chiaro rapporto di fase tra i cambiamenti atmosferici di CO2 ed i record di temperatura globale (temperatura superficiale del mare, temperatura dell’aria in superficie e temperatura della bassa troposfera) e che i massimi nei livelli di CO2 atmosferica sono costantemente in ritardo rispetto ai corrispondenti massimi termici.

Più in dettaglio gli autori evidenziano i fatti seguenti:

 

  1. La variabilità delle temperature globali manifesta la seguente sequenza temporale: prima la temperatura della superficie dell’oceano, poi la temperatura dell’aria in superficie ed infine la temperatura della bassa troposfera.
  2. Le variazioni globali di CO2 atmosferica manifestano un ritardo di 11 – 12 mesi rispetto ai cambiamenti della temperatura della superficie del mare, di 9.5-10 mesi rispetto alla temperatura dell’aria in superficie e di 9 mesi rispetto alla temperatura della bassa troposfera.
  3. La variazione della temperatura oceanica (che a sua volta deriva da fenomeni  a ciclicità pluriennale quali l’ENSO) spiega una parte sostanziale dei cambiamenti osservati nei livelli atmosferici di CO2 dal gennaio 1980.
  4. La variazione nei livelli di CO2 di origine antropica ha apparentemente poco influsso sui cambiamenti osservati nei livelli di CO2 atmosferica e le variazioni di CO2 atmosferica non paiono presentare traccia delle variazioni nelle emissioni umane.
  5. Alla scala temporale indagata l’effetto prevalente delle grandi eruzioni vulcaniche sembra essere una riduzione di CO2 atmosferica, presumibilmente a causa della dominanza di effetti di raffreddamento indotti dalle nubi vulcaniche.
  6. Dal 1980 le variazioni della temperatura globale e più specificamente le variazioni delle temperature degli oceani meridionali sembrano rappresentare il principale fattore che guida la variabilità dei livelli atmosferici di CO2.

Per evitare malintesi ribadisco che le conclusioni di Humlun et al. si riferiscono alle sole variazioni cicliche nei livelli di CO2 atmosferica con periodo di alcuni anni, considerate dopo aver filtrato le variazioni di periodo più breve o più lungo.

Al fine di chiarire in modo più complessivo tale argomento ho provato a riassumere in una tabella le diverse ciclicità ad oggi note e la spiegazione delle stesse che ritengo più accreditata. Dalla tabella si evidenzia che parecchie evidenze supportano oggi l’idea secondo cui è la variabilità termica a guidare la variabilità nei livelli di CO2 sia alla scala millenaria sia a quella annuale e pluriennale.

(*) le piante C3 (che sono quelle che dominano negli ecosistemi terrestri) preferiscono l’isotopo leggero (C12) a quello pesante (C13). Ciò fa si che i combustibili fossili, che pare derivino da piante C3, siano più poveri di C13, il che spiegherebbe il fatto che il rapporto isotopico C13/C12 nell’atmosfera terrestre è in progressivo calo man mano che cresce la combustione di combustibili fossili (http://www.skepticalscience.com/The-human-fingerprint-in-coral.html). Rispetto alla teoria dominante vi sono voci di dissenso che cercano di spiegare con altre cause la variazione del rapporto isotopico C13/C12 (es. http://chiefio.wordpress.com/2009/02/25/the-trouble-with-c12-c13-ratios/).

Unica variabilità che sfugge a tale paradigma è a questo punto quella “secolare” che sarebbe guidata dai gas serra di origine antropica. Humlun et al sottolineano tuttavia che per omogeneità con la guida termica individuata a tutte le altre scale temporali occorrerebbe valutare con più attenzione il ruolo della temperatura come fattore di guida delle ciclicità secolari di CO2.

Da tale punto di vista verrebbe da dire che il livello atmosferico di CO2 rispetto alle temperature globali si ponga al contempo come causa (in quanto gas serra) e come effetto (in quanto parte del complesso ciclo del carbonio).

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Bibliografia

  • Caillon, N., Severinghaus, J.P., Jouzel, J., Barnola, J.-M., Kang, J. and Lipenkov, V.Y.  2003.  Timing of atmospheric CO2 and Antarctic temperature changes across Termination III.  Science 299: 1728-1731.
  • Humulu O.,  Stordahl K., Solheim J., 2012. The phase relation between atmospheric carbon dioxide and global temperature, Global and Planetary Change 100 (2013) 51–69.
  • Indermuhle, A., Monnin, E., Stauffer, B. and Stocker, T.F.  2000.  Atmospheric CO2 concentration from 60 to 20 kyr BP from the Taylor Dome ice core, Antarctica.  Geophysical Research Letters 27: 735-738.
  • Shakun J.D., Clark P.U., He F., Marcott S.A., Mix A.C., Liu Z., Otto-Bliesner B., Schmittner A., Bard E., 2012. Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation (http://www.nature.com/nature/journal/v484/n7392/full/nature10915.html).

NB:  Nell’immagine in testa l’osservatorio di Mauna Loa.

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Author: Guido Guidi

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8 Comments

  1. caro Donato,
    figurati (anche a me capita a volte lo stesso).

    Circa poi le tue considerazioni occorre valutare che gli autori, dopo aver filtrato la variabilità annuale ed il trend di lungo periodo ci mostrano un andamento caratterizzato da 9 massimi. Tale andamento ed il delay esistente fra picchi nelle T globali e picchi nella CO2 è percepibile con estrema chiarezza osservando i diagrammi grezzi (figura 2a dell’articolo).

    In merito a quanto tu dici e cioè che “Passando alle oscillazioni di più lungo periodo e stante la predetta sensibilità del sistema temperatura-CO2, il record ultradecennale di Mauna Loa dovrebbe evidenziare una qualche traccia delle oscillazioni di temperatura che in questo periodo vi sono state: diminuzione del trend negli anni ’70 del secolo scorso, aumento del trend negli anni ’90 del secolo scorso e nella prima decade di questo secolo. Nel diagramma di Mauna Loa, però, queste variazioni non si notano.” debbo dirti che anche a me sembra strano non cogliere visivamente la variazione di trend -> a prima vista credo si tratti di un “effetto ottico” (…una sorta di Cherry picking) per cui il nostro occhio è attratto dalle oscillazioni annuali e dal rend di lungo periodo perdendo di vista le oscillazoni di periodo 3-5 anni che pure vi sono. Tuttavia per corroborare questa mia ipotesi ho bisogno di fare qualche controllo sui dati originali (per inciso tieni presente che Humlum et al non usano Mauna Loa ma una media multistazione ch chiamano CO2 globale).

    Come tu dici per rendere l’andamento più immediatamente leggibile gli autori effettuano un “allisciamento” con un semplice algoritmo che sostituisce ad ogni valore la differenza fra media dei valori dei 12 mesi precedenti e media dei valori dei 12 mesi successivi. In tal modo sono ottenute le curve presentate nell’articolo in figura 2b e che ho riportano nella mia figura, ridisegnandole.

    Circa poi l’uso dell’analisi di Fourier, la stessa è in realtà un elemento accessorio che a mio avviso non aggiunge molto a quanto evidenziato nell’articolo. La Fourier non è dunque usata per calcolare il delay medio fra temperature e CO2. Per quest’ultimo scopo viene usata una semplice analisi di correlazione che mostra come man mano che ci si approssima al delay effettivo la correlazione fra le due serie aumenta fino a raggiungere un massimo in coincidenza con il delay effettivo stesso.

    Osservo infine che per quanto mi riguarda la risposta di CO2 ad una variabilità termica pluriennale (legata con ogni probabilità ad alcune oscillazioni oceaniche quali ENSO che si traducono in effetti non solo termici ma anche pluviometrici) è un fatto utile a capire alcune particolarità del sistema.
    Tu dici “troppo sensibile”, io dico “forse”, Un’ipotesi che butto lì è quella secondo cui negli anni più caldi (anni di El Nino) le piante accumulano CO2 tramite la fotosintesi e poi, più in avanti nel tempo, degradano l’eccesso di produzione dando luogo, con il delay di 11 mesi o giù di lì osservato, ad un eccesso di CO2 atmosferica.

    Per inciso in passato ho avuto modo di vedere che negli anni di El Nino aumenta anche il metano atmosferico, il che dovrebbe essere dovuto ad effetti di sommersione dei suoli e di maggior scioglimento dei permafrost. Fra metano e CO2 c’è qualche legame? Come vedi di carne al fuoco ne abbiamo parecchia.
    Prova a riflettere anche tu su questi aspetti…

    Ciao.
    Luigi

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  2. @ Luigi Mariani

    Caro Luigi, innanzitutto mi scuso per l’errata attribuzione dell’articolo (ancora non mi abituo a leggere il nome dell’autore sotto la foto posta in testa all’articolo 🙂 ).
    La tua considerazione circa la lunghezza del record delle concentrazioni di CO2 mi sembra convincente per cui la questione può essere chiusa.
    Resta aperta, però, l’altra questione. Ciò che suscitava e (suscita) ancora dei dubbi riguarda una considerazione di tipo fisico. Mi spiego meglio. Piccole variazioni di temperatura sono in grado di determinare variazioni di concentrazioni di CO2 atmosferico, ci dicono Humlum et al. 2012. Dal grafico che tu hai postato sembrerebbe che variazioni di temperature di pochi decimi di grado determinino variazioni di alcune parti per milione nella concentrazione di CO2. Mi sembra che il sistema sia troppo sensibile. Passando alle oscillazioni di più lungo periodo e stante la predetta sensibilità del sistema temperatura-CO2, il record ultradecennale di Mauna Loa dovrebbe evidenziare una qualche traccia delle oscillazioni di temperatura che in questo periodo vi sono state: diminuzione del trend negli anni ’70 del secolo scorso, aumento del trend negli anni ’90 del secolo scorso e nella prima decade di questo secolo. Nel diagramma di Mauna Loa, però, queste variazioni non si notano.
    Nel frattempo ho dato un’occhiata all’abstract dell’articolo di Humlum ed ai grafici allegati. La cosa mi ha fatto sorgere qualche altro dubbio. Gli autori hanno utilizzato un operatore differenziale (DIFF 12) con cui hanno calcolato le variazioni della media delle grandezze degli ultimi dodici mesi rispetto alla media delle stesse grandezze nei precedenti 12 mesi. Hanno applicato, quindi, l’algoritmo di Fourier per l’individuazione degli spettri delle frequenze delle varie grandezze in gioco. Sulla base dei calcoli eseguiti sono riusciti a determinare lo sfasamento dei periodi maggiormente significativi delle varie grandezze in causa e trarre le conclusioni illustrate nel post. Nulla da obiettare da un punto di vista strettamente matematico. Il problema, però, io lo vedo nel rumore insito nei dataset. Se correlo due sinusoidi perfettamente in fase con DIFF 12 e poi applico l’algoritmo di Fourier non ottengo alcuno spettro di frequenza. Se le due sinusoidi sono leggermente sfasate ottengo degli spettri di frequenza, ma sono scarsamente significativi. A me sembra che in questo caso particolare ci troviamo in una situazione molto simile: lo sfasamento dei diagrammi calcolati con DIFF 12 è piuttosto piccolo.
    Per i grafici ho fatto riferimento a
    http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921818112001658
    Ovviamente posso essermi sbagliato, quindi se ho detto delle castronerie, correggimi senza pietà 🙂 .
    Ciao, Donato.

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  3. Non sono riuscito a leggere il lavoro di Humlum et al. 2012 per cui baso le mie considerazioni su quanto riportato da G. Guidi e su quanto sono riuscito a capire dopo una breve navigazione in climate4you.
    Ho qualche perplessità.
    Esaminando alcuni record di dati successivi al 1985, gli autori hanno individuato un andamento delle concentrazioni di CO2 atmosferico che è correlato con le variazioni di temperatura ed hanno dedotto che esiste una correlazione tra le due grandezze. In particolare sembrerebbe che le variazioni di temperatura precedano le variazioni di concentrazione di anidride carbonica. Da ciò si giungerebbe a dedurre che il driver della concentrazione di CO2 siano, nell’ordine, le SST, le temperature superficiali terrestri e quelle troposferiche.
    La prima perplessità riguarda il diagramma di Mauna Loa. Questo diagramma non mostra oscillazioni nel trend eccettuate quelle annuali dovute alle variazioni stagionali nell’emisfero nord. Se le variazioni di temperatura determinassero variazioni della concentrazione di CO2, nel grafico delle concentrazioni di CO2 di Mauna Loa dovremmo trovarne delle tracce. Il diagramma, invece, evidenzia il trend costante dell’incremento delle concentrazioni di anidride carbonica atmosferica e le ondulazioni conseguenti le variazioni stagionali. Non si notano altre ondulazioni con ciclicità pluriennale.
    La seconda perplessità riguarda la lunghezza del record. Se le misurazioni di Mauna Loa risalgono al 1958, perché gli autori si sono limitati al periodo successivo al 1985?
    Mah, cercherò di approfondire la questione, però, a naso, mi sembra che qualcosa non quadri.
    Ciao, Donato.

    Post a Reply
    • Caro Donato,
      non capisco: il mio commento alle tue considerazioni è finito più sopra…
      Ciao.
      Luigi

  4. “Unica variabilità che sfugge a tale paradigma è a questo punto quella “secolare” che sarebbe guidata dai gas serra di origine antropica. Humlun et al sottolineano tuttavia che per omogeneità con la guida termica individuata a tutte le altre scale temporali occorrerebbe valutare con più attenzione il ruolo della temperatura come fattore di guida delle ciclicità secolari di CO2.”

    Mi sembra che i carotaggi di Vodstok, gli stomata fossili e altro confermino a scala millenaria e plurimillenaria la stessa identica cosa, la CO2 non influenza propio nulla e segue il cambiamento climatico, non lo precede. Quindi la variazione di CO2 atmosferica é una consegienza delle variazioni di T e non una causa.
    Ma qui ormai sappiamo che é difficile parlare con i sordi e geticolare con i ciechi ( con tutto il rispetto per quelli veri)….. il presidente delle Filippine piange perché un uragano ha devastato il suo misero popolo alla ricerca del sogno e della ricchezza capitalista avrà fatto ogni possibile scempio e nefandezza del territorio. Da ogni parte in TV radio sentiamo slogan e messaggi che ci avvetono che se non compriamo l’auto nuova ibrida, non compostiamo fino all’ultima buccia di pera e non ci laviamo i denti con acqua reciclata distruggeremo il mondo ( facendo aumentare la CO2 chiaramente). Degli scempi e nefandezze quotidiane che il nostro pianeta subisce quotidianamene per permetterci di essere ecologisti chic nessuno parla. Poi rispetto al nucleare ( nei confonti del quale sono personalmente contrario al 100% anche se so che qui vi sono opinioni diverse) siamo ormai al paradosso che si sta cercando di convincere che meglio il nucleare, un po di urani e plutoni per tutti e per milioni di anni piuttosto che qualche centinaio di ppm di CO2 in più…e sono sicura che qualche pseudo ambientalista ce la farà a convincersi. Ultimamente ho visto (non ricordo dove) il contromanuale dello scettico, in risposta a quello che ben conosciamo. L’ho letto…un trattato di psicoterapia alla 1984 di Orwell..per fortuna che quelli sarebbero i veri scienziati, non una parola sulle prove sui dati ecc. Un manualetto fatto per adepti a una setta piuttosto che per degli appassionati di scienza. Non vedo differenza tra questi mistificatori della scienza dell’AGW e demonizzatori della CO2 e i telepredicatori americani o di qualche canale italiano di cui ora non ricordo il nome. La sola differenza é che i primi stanno seduti al centro di comando del nostro sistema socioeconomico mentre gli altri sono relegati a una tv locale.
    Infine vorrei riprtare per dovere di cronaca la mia ultima settimana passata in germania, con neve temperature polari e disgi ovunque..disagi superati non senza difficoltà grazie alla caparbia efficienza dei tedeschi. Vorrei parlare di quanta neve ho visto ovunque dall’aereo, fin in italia e di quanta ne devo vedere ogni volta che valico le alpi. MI verrebbe da prendere un po di questi AGW e dargli un bel passggio verso il Frejus, il Monginevro, il Mte Bianco o il Gran san Bernardo e lasciarli li in mutande a gioire del loro AGW.

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    • Avendo partecipato alla traduzione in italiano del Manuale dello Scettico, sarei interessato a leggere questo contromanuale. Può fornirmi il link, per favore ?

    • Appena possibile cerchero di risalire alla sorgente della pubblicazione….

    • Donato,
      quanto ho scritto chiarisce il tuo dubbio, nel senso che “le conclusioni di Humlun et al. si riferiscono alle sole variazioni cicliche nei livelli di CO2 atmosferica con periodo di alcuni anni, considerate dopo aver filtrato le variazioni di periodo più breve o più lungo.”.
      Cuirca poi il limitarsi al periodo dal 1985, gli autori non hanon utilizzato solo Mauna Loa ma anche altri punti di rilevamento. Cerdo che questa sia la ragione della riduzione nel periodo di analisi.
      Luigi

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