Dove va (e da dove viene) il Clima?

Non è facile pensare che si possa rendere con efficacia l’idea di dove vada e da dove venga il clima. Un sistema troppo complesso, dinamiche di cui sappiamo tanto ma ancora troppo poco strettamente collegate in una foresta di relazioni causali e di…correlazioni. Con le ultime che non spiegano mai il perché di certe cose, ma invitano sicuramente ad investigare. Come quelle così efficacemente riassunte (forse anche un po’ ammucchiate) nel grafico qui sotto.

temperature_water_enso_co2_0v02_1080p

Un bel casino eh? Provate con una versione più grande o con questa, ancora più grande e in 4k. Su WUWT, dove è stata pubblicata, si sottolinea il fatto che l’intensità dei colori rosso e verde (El Niño e La Niña), sono proporzionali al valore assoluto dello scostamento medio dallo 0 delle fasi positive e negative dell’ENSO, con ENSO+ pari a +0.41 e ENSO- a -0.27. Quindi si ipotizza un effetto cumulativo positivo dovuto alla maggiore quantità di calore rilasciato dalle fasi positive rispetto a quelle negative. Uhm… ammesso e non concesso che il valore medio suddetto sia normalizzato rispetto alla durata degli eventi, altrimenti il conto sarebbe troppo semplificato.

Ad ogni modo, molti, quasi tutti i parametri il cui andamento è in questo grafico vanno a braccetto, cioè sono altamente correlati. L’unico che sembra andare per conto suo è la CO2 ;-).

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Author: Guido Guidi

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20 Comments

  1. @ L. Mariani & G. Guidi
    .
    Siamo partiti da El Nino e siamo arrivati a… El Nino! 🙂
    Abbiamo avuto un’ottimo scambio di idee e questo è stato un bene in quanto ogni tanto è necessario fermarsi un attimo a riflettere in modo da sistemare qualche tessera (o qualche gruppo di tessere) del puzzle che abbiamo in testa a riguardo di un certo argomento.
    Per quel che mi riguarda molti dubbi, perplessità ed incertezze si stanno chiarendo attraverso la lettura dell’articolo segnalato da L. Mariani (Mauritsen et al., 2012). Molto interessante anche il post di R. Spencer segnalato da G. Guidi.
    In entrambi gli articoli (uno soggetto a revisione tra pari, l’altro a “revisione pubblica”) viene rappresentato lo stato dell’arte della modellazione del clima terrestre.
    Nel post di Spencer appare in modo evidente l’importanza del Nino nella determinazione di una delle grandezze più discusse che caratterizzano il clima terrestre: la sensibilità climatica all’equilibrio. Il combinato disposto delle riflessioni di Luigi e di Spencer porta alla logica conclusione che El Nino potrebbe essere uno di quei vincoli forti che costringono il clima terrestre ad oscillare entro una certa banda o entro un certo spazio delle fasi. In occasione degli eventi di Nino e di Nina si hanno, infatti, degli enormi scambi di energia tra gli oceani e l’atmosfera terrestre con evidenti influenze sulla meteorologia di tutto il pianeta e sull’equilibrio termico del sistema. Il sistema termodinamico e fluidodinamico terrestre che conosciamo come “clima” proprio in queste occasioni subisce delle trasformazioni che spostano le condizioni di equilibrio verso una situazione di maggiore stabilità. Come scrive L. Mariani, il sistema si azzera e riparte da una nuova condizione di equilibrio.
    Oltre al Nino esistono, secondo me, tanti altri vincoli o attrattori che agiscono in modo da stabilizzare il sistema (circolazione termo-alina, per esempio, PDO, AMO, ecc., ecc.).
    Un sistema di complessità enorme e di difficile prevedibilità quello climatico. 🙂
    Ciao, Donato.

    Post a Reply
  2. Al dubbio di Alessandro circa l’omogeneità dei dati in base a cui viene calcolato NAO rispondo che un analogo di NAO calcolato in modo totalmente indipendente e cioè AO (Arctic Oscillation) offre le stesse indicazioni il che costituisce a mio avviso una conferma molto forte.

    PS: Non ho potuto fare il “replay” perché il bottone di “Post a reply” non compare a video

    Post a Reply
    • Luigi, succede quando cresce troppo il numero dei replay. L’impaginazione renderebbe altrimenti illeggibile il commento.
      gg

    • Si Luigi, infatti mi riferivo alla via di mezzo tra AO e NAO, spesso viene indicata a mio avviso erroneamente SNAO (summer) perchè imho si può invece osservare in tutte le stagioni :
      [img]http://i.imgur.com/nGQZqIQ.gif[/img]

  3. @ L. Mariani
    .
    “Il sistema è caotico ma ha dei vincoli forti.”
    .
    Caro Luigi, su questo non ci sono dubbi in caso contrario ci troveremmo di fronte ad un sistema caratterizzato da forte instabilità. Devono esistere degli attrattori che lo mantengono all’interno dello spazio delle fasi.
    Quando io parlo di regolarità del sistema, mi riferisco appunto alle condizioni di equilibrio all’interno dello spazio delle fasi. La cosa non è affatto eccezionale e il famoso attrattore di Lorentz ne è un esempio.
    Lo stesso Hurst analizzando le serie idrologiche delle piene del Nilo riuscì a tirar fuori da una situazione del tutto caotica delle regolarità: il ciclo circa settennale delle piene del Nilo di cui troviamo traccia nel racconto biblico di Mosè e del sogno del Faraone (le sette vacche grasse e le sette vacche magre, per intenderci). Anche in questo caso ci troviamo di fronte ad un sistema che “inspiegabilmente” a sette anni di magra alterna sette anni di piena. Il succedersi di anni di magra (o di piena) è normale, meno è l’alternanza di gruppi di anni di magra e di piena. Un po’ come le temperature che sono fortemente autocorrelate: è probabile che ad un anno caldo segua un altro anno caldo e così via, fino a che si verifica una successione di anni freddi. Perché abbiamo questi cambi di segno nelle serie storiche e non vediamo una progressione monotonica delle grandezze rispetto al tempo? Esiste “qualcosa” che impedisce una crescita illimitata di una grandezza: l’attrattore o il vincolo. Nel caso dei vasi del nostro sistema circolatorio, per esempio, l’elemento vincolate è il diametro delle particelle che costituiscono il sangue: non può esistere un vaso di diametro inferiore a quello delle molecole che vi devono defluire. Il sistema circolatorio ha una geometria frattale, ma il vincolo costituito dalle dimensioni delle molecole che costituiscono il sangue impedisce che le dimensioni dei vasi tendano in modo monotono a zero.
    .
    Nel caso da te esemplificato l’attrattore è costituito dalla pioggia che “azzera” tutto ad uno stato A che poi evolve verso gli stati intermedi da te efficacemente descritti fino a che interviene una nuova pioggia che riporta tutto ad uno stato B da cui si riparte.
    Di esempi ne possiamo fare infiniti, ma non serve. Nel caso del sistema climatico terrestre ho l’impressione che dedichiamo troppo poco tempo (e soldi 🙂 ) alla ricerca di questi vincoli o attrattori che dir si voglia e troppo tempo (e soldi) allo studio di un sistema a guida CO2 che risulta molto più abbordabile con i mezzi analitici di cui disponiamo rispetto ai sistemi complessi.
    Mi rendo conto che il mio approccio è eccessivamente rigido in quanto presume la conoscenza approfondita di tutti i fenomeni fisici coinvolti e, quindi, la materiale impossibilità di elaborare previsioni utili per i decisori politici, ma l’approccio alternativo basato quasi esclusivamente sulla statistica e sui metodi econometrici è in grado di darci risultati realistici?
    E con questa domanda a cui non sono in grado di fornire una risposta, ritorno a riflettere sulle problematiche del clima e ne approfitto per dare un’occhiata al lavoro che stai leggendo tu: vuoi vedere che riuscirà a diradare una parte delle nebbie che mi avvolgono? 🙂
    Ciao, Donato.

    Post a Reply
    • Accidenti, sarà una lettura mooolto lunga! 🙂
      Ciao, Donato.

    • Caro Donato,
      l’esempio del Nilo rimanda indirettamente a Enso. Infatti le piene del Nilo dipendono dalla stagione delle piogge estiva in Etiopia che è di origine monsonica. L’intensità del monsone a sua volta dipende da El Nino. E qui allora mi verrebbe da pensare che per riportare a terra i modelli potrebbe essere utile infilarci ogni tanto una Nina che abbatte il feedback da vapore acqueo.
      Io penso che, come fece Lorenz, forse dovremmo costruirci un modello giocattolo e con questo provare ad infilare cose che nei modelli che vanno per la maggiore non è possibile mettere. In ogni caso non dobbiamo smettere di ragionare su questi fenomeni anche in modo non ortodosso, se occorre.
      Luigi

  4. Il fatto che la superficie della terra per il 70% sia coperta da acqua, quanto può amplificare l’effetto termico rilevato sulla superficie globale?
    Il fatto che l’emersione in superficie delle acque oceaniche più calde siano nel recente periodo favorite, può essere un feedback di qualche poco nota forzante?

    Post a Reply
    • Gentile Alessandro,
      rispondo alla sua domanda con un esempio legato all’Europa, per la quale è enorme l’effetto delle temperature dell’oceano atlantico che è indicato dall’indice oceanico AMO, che oggi è in fase calda (https://it.wikipedia.org/wiki/Indice_AMO).
      Vediamo di meglio definire la catena causale e per fare ciò dobbiamo partire dal 1987, anno in cui la circolazione atmosferica atlantica si è improvvisamente intensificata, come ci mostra l’indice NAO invernale passato di colpo in fase fortemente positiva (https://it.wikipedia.org/wiki/Oscillazione_Nord_Atlantica), e come conseguenze:
      a. le temperature europee sono balzate verso l’alto in modo abrupto (+1°C in media) perchè l’Atlantico per l’Europa è fonte di aria subtropicale mite
      b. nel 1994 AMO è stato spinto da NAO a passare in fase positiva e ciò ha stabilizzato la fase calda apertasi nel 1987.
      Come vede l’oceano in tal caso ha agito da stabilizzatore rispetto ad un cambiamento climatico abrupto delle temperature europee imposto dalla circolazione atmosferica e che altrimenti sarebbe regredito con il successivo attenuarsi di NAO.

    • Gentile Luigi ,
      quindi i feedback che oggi descriviamo, come la NAO, sono solo in parte noti come del resto le forzanti sono poco conosciute?
      Probabile che anche il feedback criosferico terrestre faccia parte del sistema caotico climatico e che non necessariamente una Terra con meno ghiaccio possa essere solo più calda? Grazie per la Sua cortesia

    • NAO è semplicemente la differenza di pressione fra una stazione molto a Nord (Reykjavík) e una molto più a sud (es. Lisbona) e ci serve per valutare l’intensità delle correnti atlantiche. come dice lei può essere letto come un feedback positivo ma credo che per designarlo come tale occorrerebbe conoscere il meccanismo causale per cui fra 1987 e primi anni 90 è stato tanto inteso e poi si è improvvisamente acquietato. E’ questo meccanismo che oggi ci manca e difatti credo che nessun modello sia oggi in grado di prevedere correttamente i cambi di fase di NAO (e di AMO).

    • E se quel feedback della NAO potesse avere anche altre due fasi di cui una con shift a nord dei punti di rilevazione della differenza di pressione dato l’aumento delle altezze dei geopotenziali? Potrebbe spiegare l’acquietamento?

  5. @ L. Mariani
    .
    “In tale asimmetria sta una delle caratteristiche più originali del sistema climatico ed uno degli elementi di dubbio più forti rispetto alle nostre previsioni dei climi futuri.”
    .
    Caro Luigi, credo che tu abbia messo il classico dito nella piaga. Conosco la tua posizione sul ruolo del ciclo dell’acqua nelle vicende climatiche e condivido la tua impostazione logica come anche le catene causali che hai indicato nella tua articolata risposta al mio stringatissimo commento.
    Ciò che maggiormente condivido del tuo intervento è, però, la parte che ho citato in apertura del presente commento: l’impredicibilità del clima prossimo venturo. Più passa il tempo e più mi convinco, infatti, del fatto che il sistema climatico avrà delle evoluzioni che noi non siamo in grado di prevedere sia per insufficiente conoscenza del problema fisico-matematico che per la natura peculiare del sistema. Qualche mese fa commentando un articolo apparso su Nature Communications (Shao e colleghi, 2016), misi in evidenza il comportamento caotico del sistema climatico. Un sistema caotico non è prevedibile o, per essere più precisi, presenta delle regolarità, ma è piuttosto complesso individuarle. Nei sistemi caotici o a dimensione frattale, ci troviamo di fronte ad oscillazioni a varia frequenza che conferiscono “rugosità” all’andamento delle grandezze che caratterizzano il sistema stesso ed il cui andamento è poco prevedibile.
    La concentrazione del vapore d’acqua di cui hai parlato nel tuo commento è un esempio eclatante di quanto io ho scritto fino ad ora in quanto rappresenta una grandezza che ” fluttua in modo oltremodo bizzarro e spesso imprevedibile”. Detto in altre parole è una grandezza tipicamente caotica come è caotico El Nino o la traiettoria delle correnti a getto.
    Solo la concentrazione di CO2 ha un comportamento “lineare” (trascurando le oscillazioni stagionali). E’ questo il motivo principale per cui contesto il fatto che il clima del futuro sia predicibile sulla base del comportamento della concentrazione atmosferica di CO2.
    In tale ipotesi il sistema climatico sarebbe deterministico e, quindi, del tutto prevedibile. Ciò però non è e, quindi, torniamo al punto di partenza.
    Ciao, Donato.

    Post a Reply
    • Caro Donato,
      il fatto che CO2 sia molto più prevedibile di vapor acqueo VA dipende in larga misura dal fatto che CO2 è well mixed e VA no, in quanto quest’ultimo è soggetto a incessanti cambiamenti di stato.
      Ad esempio c’è il feedback positivo di cui ho parlato più sopra, il runaway greenhouse effect: se tale effetto si mantenesse nel tempo (e sarebbe temendo, perché il pianeta andrebbe alla catastrofe) vedremmo, allora si, VA comportarsi come CO2 e dunque salire in modo monotono. Tuttavia così non è, nel senso che dopo il Nino viene quella piagnona della Ninae …. tutto si risolve in pioggia come stiamo vedendo in questi mesi.
      Ecco, una delle regolarità più evidenti guardando i grafici della temperatura globale è l’andamento a denti di sega frutto di una serie di feed-back negativi che riportano verso il basso il clima e che sono caratteri strutturali profondi del sistema, nel senso che spiegano perché le temperature globali negli ultimi 2,5 milioni di anni (quaternario) abbiano fluttuato in intervalli tutto sommato ristretti. Da questo punto di vista:
      1. il titolo di un post di Guido (il clima è vivo e lotta insieme a noi) non è così campato per aria.
      2. Il sistema è caotico ma ha dei vincoli forti.
      Circa il punto 2 ho un paragone con un sistema molto più semplice che forse potrà chiarire meglio la cosa. Per motivi professionali mi trovo spesso a far girare modelli di bilancio idrico colturale.
      In tali bilanci si considera un serbatoio (lo strato di terreno esplorato dalle radici) rispetto al quale hai degli apporti (risalita di falda, precipitazione, irrigazione) e delle perdite (ruscellamento, drenaggio verso il basso, evapotraspirazione).
      Il bilancio ha significativi elementi di incertezza (ad esempio i modelli di ruscellamento e drenaggio sbagliano non poco, e la stessa evapotraspirazione è soggetta a vari errori).
      Tuttavia ogni tanto piove, riempie il serbatoio e azzera tutti gli errori. Allo stesso modo potremmo ipotizzare che il clima abbia dei “punti di ritorno” (che potremmo forse chiamare “attrattori“) che azzerano gli errori.
      E’ su questo che dovremmo ragionare, a fronte di modelli GCM che “volano” guidati dalla CO2 senza che nulla possa farli deflettere dalla loro monomania.
      Per inciso sto leggendo in questi giorni questo lavoro: Mauritsen etal 2012 Tuning the climate of a global model. Ne consiglio la lettura perché demitizza e umanizza non poco il lavoro dei modellisti che operano sui GCM, evidenziando gli svariati elementi di incertezza con cui sono chiamati a confrontarsi.

  6. Caro Guido, davvero molto interessante; peccato solo per i colori che sono drammatici.
    In ogni caso il diagramma evidenzia una correlazione molto stretta fra temperature superficiali UAH e contenuto in vapore acqueo dell’atmosfera.
    Peraltro emerge che il sistema nel corso degli eventi El Nino si carica di vapore e poi se ne libera subito dopo nel corso degli eventi freddi (La Nina).
    Ricapitolando:
    – CO2 cresce in modo monotono e può tutt’al più essere uno dei vari fornitori di energia per il sistema, di cui però non governa certo le ciclicità sul tipo di quelle che osserviamo nel grafico
    – la temperatura globale è davro molto variabile (si colgono le ciclicità dovute a En Nino e ciclicità più brevi legate a altri processi che immagino come El Nino coinvolgano la circolazione atmosferica e oceanica)
    – il vapore acqueo segue da vicino la temperatura e a volte la precede.
    Menrte ragiono sui diagrammi mi viene in mente che una misura accurata dell’acqua precipitabile potrebbe offrire una stima indipendente della temperatura globale di superficie. Per verificarlo ho studiato la correlazione fra T globale di superficie annua TG da Hadcrut4 e l’anomalia del contenuto in vapore acqueo AVA per la fascia da -60 a +60 gradi. Il risultato a livello annuo della correlazione lineare è davvero interessante nel senso che l’equazione TG = 0.3759 AVA + 14.728 con R² = 0.9251. Ripetendo la stessa operazione con riferimento ad AVA -20/+20 ottengo TG = 0.2044 AVA + 14.728 R² = 0.7871.
    I dati utilizzati li riporto qui sotto per chi volesse ripetere l’analisi.
    In sintesi possiamo dire che il contenuto in vapore acqueo fra 60°S e 60°N spiega il 92% dell variabilità nelle temperature globali mentre un 79% lo spiega il solo contenuto ra 20°S e 20°N.
    Le deduzoni finali sono che questo pianeta va ad acqua e i dati Hadcrut4 paiono rappresentare molto bene il fenomeno!

    anno HADCRUT4 -60/60 -20/+20
    1988 14.576 -0.39450 -0.55100
    1989 14.495 -0.71775 -1.37508
    1990 14.672 -0.20083 -0.20033
    1991 14.628 -0.24592 -0.24950
    1992 14.479 -0.45742 -0.44675
    1993 14.520 -0.40992 -0.27483
    1994 14.582 -0.22033 -0.18400
    1995 14.696 -0.17267 -0.13775
    1996 14.556 -0.29150 -0.48650
    1997 14.763 0.25367 0.64583
    1998 14.911 0.54350 1.17833
    1999 14.682 -0.17125 -0.62867
    2000 14.671 -0.12858 -0.36125
    2001 14.814 0.26175 0.22225
    2002 14.871 0.45867 0.91917
    2003 14.884 0.25650 0.53450
    2004 14.823 0.27092 0.49533
    2005 14.919 0.37142 0.44017
    2006 14.879 0.28408 0.55867
    2007 14.868 0.14808 0.22042
    2008 14.770 -0.09675 -0.41017
    2009 14.879 0.43517 0.72050
    2010 14.933 0.50708 0.79283
    2011 14.797 0.09667 -0.11050
    2012 14.845 0.23900 0.41500
    2013 14.875 0.42367 0.53842
    2014 14.942 0.56892 0.91175
    2015 15.120 1.19258 2.06308

    Post a Reply
    • Luigi, è stupefacente per quanto è semplice.
      Grazie davvero.
      gg

    • Molte volte quelle semplici sono le migliori spiegazioni di fenomeni apparentemente complessi. Non voglio dire che abbiamo quadrato il cerchio (correlazione non è causalità), ma ciò che ha proposto L. Mariani è molto interessante.
      Ciao, Donato.

    • Caro Donato, in questo caso io non ho dubbi sul fatto che la correlazione sia frutto di causalità. Il problema più rilevante è interpretare il groviglio delle cause e degli effetti e ciò temo sia impossibile senza un modello matematico. Infatti limitandoci al solo El Nino:
      – il Pacifico orientale è più caldo.
      – molta più acqua evapora e tramite la cella di Hadley permea l’intera atmosfera planetaria, nei due emisferi. Ciò stimola l’effetto serra, per cui la catena causale è temperatura oceanica più alta -> più acqua evaporata -> temperatura ancora più alta -> piàù acqua evaporata -> …. (è un feedback positivo noto come runaway greenhouse effect)
      – nella zona oceanica ad alta T si sviluppano enormi cumulonembi che da un lato condensando moltissima acqua (-> riscaldano) e dall’altro schermano la radiazione solare in ingresso (-> raffreddano). Qui la catena causale è temperatura oceanica più alta -> più acqua evaporata -> cumulonembi -> riscaldamento da un lato per cessione di calore latente di condensazione e raffreddamento dall’altro per effetti delle nubi sul bilancio radiativo (feedback positivo + feedback negativo).
      E così via perché i monsoni sono influenzati da El Nino, il cui vapore immagino influenzi anche con le perturbazioni delle nostre latitudini.
      Un mio sospetto è poi che da El Nino possano essere stati stimolati gli anticicloni subtropicali da sudovest che hanno provocato le 4 ondate di caldo del 2015; tuttavia su questo occorrebbero studi più specifici.
      Ciao.
      Luigi

    • Sull’argomento mi preme dire un’altra cosa:
      – da un lato abbiamo CO2 che nel clima climatico contribuisce in modo diretto all’ effetto serra ed in via indiretta tramite la biosfera che da lei dipende (biosfera dal cui grado di rigoglio dipende l’albedo plantetario e la quota d’acqua traspirata).
      – dall’altro abbiamo c’è l’acqua che è l’attore di scambi energetici di tutti i tipi e dà luogo ad un ciclo che è di una complessità enorme, che pervade l’intero pianeta, biosfera inclusa.
      Fra le due molecole (H2O e CO2) c’è dunque un’asimmetria evidentissima che apprezziamo quando assistiamo ai loro trend atmosferici, tanto diversi fra loro (CO2 è monotonicamente crescente, il vapore acqueo che come la temperature fluttua in modo oltremodo bizzaro e spesso imprevedibile).
      In tale asimmetria sta una delle caratteristiche più originali del sistema climatico ed uno degli elementi di dubbio più forti rispetto alle nostre previsioni dei climi futuri.

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