Effetti del Cambiamento Climatico sul Ciclo Globale dell’Energia in Atmosfera

Riassunto

Le dinamiche planetarie, circolazione atmosferica e oceanica, trasformano l’energia termica ricevuta in energia meccanica, dando vita al clima ed al tempo atmosferico. In un recente articolo uscito su Nature Communication si identificano delle variazioni nel tempo di alcune delle componenti dell’energia meccanica dei moti atmosferici, già descritta da Edward Lorenz, con gli effetti o la “firma” del riscaldamento globale sul tempo atmosferico, ovvero sull’intensificazione delle perturbazioni. Tali affermazioni suscitano al contempo interesse e perplessità che cerchiamo di esporre di seguito.

____________________________

Nature Communications ha pubblicato un articolo liberamente consultabile dal titolo “Earth changing global atmospheric energy cycle in response to climate change” (Pan et al., 2016). Uno studio davvero interessante perché riporta alla ribalta un tema, quello del ciclo dell’energia a scala planetaria, che dopo essere stato inquadrato nel 1903 da Margules, fu ad esempio ripreso da Edward Lorenz in un articolo del 1954 (Available potential energy and the maintenance of the general circulation) che fissava i concetti chiave del tema.

Molto rapidamente e certamente senza pretesa di esaurire un argomento così complesso, per chiarire i termini della questione possiamo dire che:

• L’atmosfera è paragonabile a un’enorme macchina termica che trasforma l’energia proveniente dal sole e ripartita in modo molto disomogeneo (massimo contributo all’equatore, minimo a poli) in circolazione atmosferica ed oceanica, meccanismi che hanno lo scopo di appianare lo squilibrio latitudinale continuamente reimposto dal sole stesso.
  •  La circolazione atmosferica ha in tale macchina un ruolo predominate essendo responsabile dell’80% circa del trasporto energetico latitudinale. Il sistema atmosferico non è totalmente adiabatico in quanto cede energia agli altri sottosistemi (terre emerse, oceani) tramite gli attriti e da questi ultimi riceve energia (calore latente e sensibile).
  • La parte del leone nei trasferimenti energetici latitudinali la fanno i cambiamenti di stato dell’acqua. Infatti ogni grammo di acqua che evapora assorbe 2450 J e tale quantità viene poi rilasciata con la condensazione. In tal modo il fluido atmosferico, con capacità termica bassissima, è posto in grado di trasferire quantità enormi di energia.
  • Le variabili fondamentali considerate nel lavoro di Pan et.al. (2016) e che si possono vedere nei diagrammi della figura 1 del loro articolo per il periodo 1979-2014, sono l’energia potenziale media disponibile (PM), l’energia cinetica media (KM), l’energia potenziale turbolenta disponibile (PE), l’energia cinetica turbolenta (KE). La somma di queste 4 forme di energia dà luogo all’Energia meccanica totale TME=PM+KM+PE+KE.

L’ighlight dell’articolo, come ben evidenziato dall’abstract ma anche dal commento che ritroviamo su Science Daily, è quello di una potenziale identificazione degli effetti del riscaldamento globale sui moti della circolazione atmosferica, non tanto nelle sue dinamiche di larga scala, quanto piuttosto in quelle all’origine degli effetti a scala inferiore che poi danno vita alle perturbazioni. Il trend positivo di due dei fattori che compongono TME, PE e KE, starebbe a significare un accrescimento dell’efficienza del sistema nel processo di trasformazione dell’energia termica in energia meccanica, conferendo quindi maggiore incisività agli effetti perturbanti e aumentando l’intensità delle perturbazioni. Tali effetti, tuttavia, sarebbero localizzati soprattutto nell’emisfero meridionale.

Qui di seguito qualche commento ai risultati prodotti dagli autori.

1. Dalla figura 1e si nota che TME non presenta un trend positivo ma manifesta un sostanziale stazionarietà, pur nel contesto di un’enorme variabilità interannuale e da una ciclicità caratteristica con massimi che ricadono grossomodo negli anni 1983, 1998 e 2010. Questi sono notoriamente gli anni in cui si è recentemente manifestato El Niño, che evidentemente immette energia in atmosfera. Viene da chiedersi come sia possibile che su PM abbia effetto il riscaldamento dovuto alla fase positiva di ENSO ma non quello da global warming.
2. Per i moti delle masse dovrebbe vigere il teorema di Carnot secondo cui l’efficienza massima è tanto maggiore quanto più elevata è la differenza di temperatura esistente fra zona a temperatura più alta e zona a temperatura più bassa: E=(Th-Tc)/Th. Nel nostro caso Th è all’equatore e Tc ai poli. E’ però noto che il global warming fa riscaldare più i poli che l’equatore (effetto amplificazione), per cui lo squilibrio dovrebbe ridursi e dunque dovrebbe diminuire l’efficienza (tale considerazione viene ad esempio sviluppata qui).
3. La differenza tra i due emisferi suscita una certa perplessità, non tanto nel fatto che le dinamiche siano ovviamente diverse perché è in parte diversa la circolazione per la diversa distribuzione della massa liquida e delle terre emerse, quanto piuttosto che si noti l’aumento dell’energia cinetica non totale ma perturbante soprattutto in quello meridionale. Se dobbiamo stare a quel che abbiamo in termini di global warming, è invece l’emisfero nord che si è scaldato di più e quindi potenzialmente dovrebbe essere esposto a maggiori variazioni della trasformazione dell’energia, per cui, se i trend positivi sono robusti, anche all’aumento dell’intensità degli effetti in termini di energia cinetica.
4. L’emisfero Sud è anche quello meno monitorato. Visto allora che il trend dell’energia cinetica è massimo nell’alta troposfera e nella stratosfera di tale emisfero, ci domandiamo se non ci sia un problema di qualità dei dati, qualità che peraltro appare minata dalle forti discrepanze fra le due ricostruzioni proposte (quella NCEP-NOAA e quella ERA-ECMWF), che in assenza di altro possiamo considerare come indice di errore. Va ricordato infatti che i dati utilizzati sono quelli di rianalisi. Una rianalisi è di fatto un modello che viene fatto girare utilizzando le osservazioni disponibili per “ricostruire” quanto non è disponibile. Se i dati sono pochi, come è il caso dell’emisfero meridionale, sale la probabilità di errore, specialmente per dinamiche che avvengono a scala spaziale ridotta.
5. Le ciclicità che si intuiscono dal diagramma della Total Mechanical Energy (fig 1e) sono curiose. Al riguardo non vorremmo che fossero un fenomeno del tutto casuale (rumore bianco). Tuttavia abbiamo comunque provato a sovrapporle al ciclo solare, e sembrerebbe esservi una opposizione di fase che potrebbe spiegarsi con l’effetto volano imposto dagli oceani.
6. Come si dice nel testo e si nota dalla figura 4 dei supplementary materials, sono soprattutto l’alta troposfera e la stratosfera a manifestare il fenomeno di incremento dell’energia cinetica turbolenta, cioè gli strati atmosferici che sono il regno delle correnti a getto che poi danno l’energia per le grandi correnti occidentali. Queste ultime hanno subito un cambio di fase in entrambi gli emisferi a fine anni 80 del XX secolo, intensificandosi.
7. Come elemento accessorio ci domandiamo infine se TME non potrebbe rappresentare una metrica alternativa rispetto alla temperatura dell’aria in superficie per valutare il riscaldamento globale.

Questo quanto è emerso  dalle nostre riflessioni e lasciamo ora la parola ai lettori.