Aumento del trend di variazione del contenuto di calore degli oceani

Mi sono occupato a più riprese del contenuto di calore degli oceani in quanto è una grandezza fondamentale per conoscere come evolverà il clima terrestre e che, allo stato delle conoscenze scientifiche odierne, è un parametro ancora molto oscuro (lo sostiene un rapporto del NOAA nella post-fazione, pagg. 46-48).

In un articolo pubblicato lo scorso mese di gennaio su CM, ho cercato di mettere in evidenza le cause di queste incertezze. Il numero esiguo di misurazioni (considerato il volume enorme degli oceani) non consente di conoscere con precisione il contenuto di calore degli oceani. Non conosciamo, inoltre, le dinamiche con cui il calore assorbito dalla superficie degli oceani viene trasferito agli strati oceanici profondi e, successivamente, all’atmosfera terrestre, né abbiamo certezze circa il contributo geotermico all’aumento del contenuto di calore oceanico. Diciamo che esistono grossi margini di miglioramento nelle procedure di modellazione di questo importantissimo parametro che caratterizza l’evoluzione del clima terrestre. Non stupisce, pertanto, che molti ricercatori si dedichino a questa branca di ricerca, nel tentativo di colmare le lacune che caratterizzano la nostra conoscenza del fenomeno.

Grazie ad una segnalazione degli amici L. Mariani e G. Alimonti  ho avuto modo di leggere un recente articolo pubblicato lo scorso mese di gennaio su Science:

How fast are the oceans warming? a firma di L. Cheng, J.Abraham, Z. Hausfather & K. E. Trenberth (da ora Cheng et. al., 2019).

Il breve articolo cerca di conciliare le misurazioni con i risultati dei modelli di circolazione globale che, fino ad ora, divergevano in modo significativo. L’articolo non è liberamente accessibile, per cui cerco di riassumerlo brevemente. Gli autori partono da alcune considerazioni di base: il contenuto di calore degli oceani è di fondamentale importanza per capire quanto incida lo squilibrio radiativo nel bilancio energetico del pianeta terrestre. E’ noto, infatti, che se consideriamo la quantità di energia entrante nel sistema Terra sotto forma di radiazione visibile ed ultravioletta e la confrontiamo con quella infrarossa uscente, la prima risulta maggiore della seconda, per cui il sistema Terra tende a scaldarsi. Esistono, però, dei meccanismi regolatori che impediscono che questo processo proceda in modo tale da giungere a valori di temperatura tali da impedire lo sviluppo della vita così come la conosciamo. Si tratta di un delicatissimo equilibrio radiativo, per cui la quantità di energia trattenuta dal sistema climatico terrestre è tale da mantenere il nostro pianeta in condizioni ideali di temperatura. L’aumento di concentrazione dei gas serra in atmosfera, produce uno squilibrio radiativo, per cui il sistema dovrebbe aumentare la sua temperatura.

Il problema è stabilire di quanto esso si scaldi e questo “quanto” dipende dall’efficacia con cui il diossido di carbonio e gli altri gas serra, trattengono la radiazione infrarossa. Non essendo possibile effettuare misurazioni dirette a livello globale, i calcoli vengono effettuati sulla base di modelli fisico-matematici che, sulla base di equazioni di natura termodinamica e fluido dinamica, consentono di calcolare i valori dei vari parametri che caratterizzano il clima terrestre. Diversi sono i valori su cui si concentra l’attenzione degli osservatori. Il primo di essi è la temperatura media globale, gli altri due sono costituiti da due valori numerici che rappresentano l’incremento della temperatura globale al raddoppio della concentrazione di diossido di carbonio: la sensibilità climatica all’equilibrio e la sensibilità climatica transitoria. IPCC nel suo ultimo report (AR5) ha individuato per la sensibilità climatica all’equilibrio un intervallo piuttosto ampio: 1,5°C-4,5°C.

Gli studiosi cercano di capire dove si colloca il vero valore della sensibilità climatica in questo intervallo. Se la sensibilità climatica all’equilibrio dovesse essere 4,5°C, i gas serra intrappolerebbero una grande quantità di calore che dovremmo trovare nel principale serbatoio di calore del sistema climatico terrestre, cioè negli oceani. Se la sensibilità climatica all’equilibrio fosse, invece, prossima ad 1,5°C, la quantità di calore immagazzinato negli oceani dovrebbe essere molto più bassa. Tutto sta, quindi, a calcolare quanto calore viene immagazzinato dagli oceani. E’ questa la battaglia del contenuto di calore degli oceani (OHC, secondo l’acronimo in lingua inglese) che vede gli scienziati su fronti opposti. Ad onor del vero la maggioranza di essi è del parere che la sensibilità climatica all’equilibrio sia piuttosto alta, ma ad essi si oppone un agguerrito gruppo di ricercatori che non la vede allo stesso modo. L’unica cosa certa in tutte queste discussioni è che il contenuto di calore degli oceani è affetto da un notevole margine di incertezza e, ad aggravare ulteriormente la situazione, non siamo in grado di stabilire quanto di questo calore sia imputabile all’effetto serra e quanto ad altre cause.

Analizzando quattro lavori piuttosto recenti e per la precisione Cheng et. al. , 2017; Domingues et al., 2008; Levitus et al., 2012 e Resplandy et al., 2018 (cui dedicai un commento qualche mese fa), Cheng et al., 2019 ottiene dei valori del rateo di variazione del contenuto di calore degli oceani più alto di quelli contenuti nell’AR5 dell’IPCC ed in linea con quello previsto dai modelli della suite CMIP5. Per capire di cosa si sta parlando, mi è sembrato opportuno riportare una figura, in cui viene rappresentato quanto ho cercato di riassumere nelle righe precedenti.

fig. 1: tasso di riscaldamento dei primi duemila metri di oceano nel periodo 1971/2010 ( tratta da qui)

 

Questa figura non è, però quella dell’articolo originale, ma è stata estratta da una replica di uno degli autori ad un articolo di Nic Lewis che ha contestato alcuni errori a Cheng et al., 2019. Nel lavoro originario, infatti, i quattro valori contraddistinti con AR5 (in grigio) sono sensibilmente più bassi per cui, chi legge l’articolo, nota un forte aumento del tasso di riscaldamento degli oceani, rispetto a quello contenuto in AR5 (in base ad una mia stima il valore centrale è passato da circa 0,25 W/m2 a circa 0,38 W/m2) .

Il motivo di questa grossa differenza deve essere ricercato nel fatto che Cheng et al., 2019, ha considerato i valori di OHC riferiti ai primi 2000 metri di oceano, ma li ha confrontati con i valori di OHC che in AR5 sono riferiti ai primi settecento metri di profondità. Una svista non indifferente, considerato che nei materiali supplementari Cheng et al., 2019 riporta una figura quasi identica a questa, ma riferita ai primi settecento metri di profondità.

fig.2 tratta dalla fig. S1 dei materiali supplementari di Cheng et al., 2019 (liberamente accessibile). Si noti come la fig. 1 precedente, sia stata ottenuta da questa (pannello superiore) mediante semplice traslazione verticale.

Dopo la correzione la differenza si è ridotta notevolmente anche se continua a notarsi un maggior accordo dei valori di Cheng et al., 2019 con i risultati dei modelli piuttosto che con quelli di AR5. In proposito vorrei far notare che, dato l’elevato grado di incertezza, i modelli danno risultati coerenti anche con alcuni dei dati AR5 (Levitus, per esempio).

Nic Lewis nel suo commento all’articolo contesta alla radice le conclusioni di Cheng et al., 2019 per diversi ordini di motivi. In questa prima fase ci concentreremo sul calcolo del contenuto di calore oceanico tra 0 e 2000 metri di profondità. Esistono diverse stime di tale grandezza, desunte da studi di diversi autori. Ogni autore ha utilizzato un approccio diverso, per cui i risultati sono piuttosto discordanti. Nella figura seguente si possono vedere diverse stime del contenuto di calore oceanico.

fig. 3: secondo Lewis, Cheng et al., 2019, per calcolare il valore di OHC nello strato 0-2000 m, avrebbe utilizzato la curva magenta, invece di quella verde, sottostimando di circa 20 ZJ il contenuto di calore dello strato 0-2000 m tra il 1971 ed il 2010 (periodo preso in considerazione da IPCC- AR5).

Secondo Lewis,  Cheng et al., 2019 ha calcolato il contenuto di calore degli oceani tra 0 e 2000 metri di profondità, per il periodo 1971-2010, sommando  a quello riportato in AR5 per lo strato 0-700 m, il contenuto di calore indicato nella figura 3 con la curva di colore magenta. Il valore così ottenuto, è fortemente sottostimato rispetto a quanto si sarebbe ottenuto utilizzando, per esempio, la curva di Levitus (curva vede/nera).

Ad un osservatore esterno la polemica potrebbe sembrare pretestuosa: scegliere una curva o l’altra è una questione di opportunità. In realtà scegliendo la curva magenta si ottiene un valore di molto inferiore e, quindi, confrontando tale valore con quello odierno, si ottiene un maggiore incremento del contenuto di calore degli oceani: peggio di quanto pensassimo. Cheng e colleghi giurano che non è così, ma il dubbio viene.

Le critiche di Lewis vanno, però, oltre questo aspetto che mi sento di condividere. Egli fa notare, infatti, che Cheng et al., 2019, sopravvaluta il contenuto di calore degli oceani nel periodo compreso tra il 2005 ed il 2017 (periodo in cui sono stati introdotti i dati delle boe ARGO). Gli autori avrebbero trascurato, infatti, una serie di misure (Ishii) che avrebbe ridotto il contenuto di calore oceanico. Se tale serie fosse stata presa in considerazione e fosse stata esclusa la serie altamente incerta di Resplandy et al., 2018 (su questo concordo senza alcuna riserva), i valori del contenuto di calore oceanico nei primi 2000 metri di profondità, sarebbero stati sensibilmente inferiori a quelli calcolati dai modelli e, quindi, non in accordo con essi.  Il ragionamento di Lewis è ben esemplificato  nella figura  seguente.

fig. 4:  nella parte sinistra della figura è rappresentato il rateo di variazione del contenuto di calore degli oceani nei primi 2000 metri di profondità calcolato in AR5 (banda grigia) e in tre diversi studi per il periodo 1971-2010. Nella parte destra è riportato  il trend di variazione del contenuto di calore oceanico secondo la suite di modelli CMIP5 (banda verde) e secondo gli stessi studi utilizzati per il calcolo di OHC nel “periodo AR5” (bande azzurre).

Devo constatare che, stando alle considerazioni degli autori riportate nell’articolo di Lewis, essi non negano la fondatezza dei rilievi di Lewis: si limitano a dire che i rilievi non minano la tesi portante del loro studio, ovvero che il contenuto di calore degli oceani è in aumento e che tale aumento è coerente con quello indicato dai modelli della suite CMIP5. Personalmente non sono del tutto d’accordo con loro e mi sento di condividere molte delle critiche di N. Lewis. Questa convinzione è accresciuta anche da alcune affermazioni di Cheng et al., 2019 circa le diverse imprecisioni che caratterizzano il loro articolo: la colpa sarebbe degli editor di Science che, nel tentativo di ridurre la lunghezza dell’articolo, avrebbero eliminato alcune parti dello stesso, generando le imprecisioni rilevate da N. Lewis. Sarà anche vero, ma alla fine ciò che resta è che abbassando il valore del contenuto di calore degli oceani nel periodo 1971-2010 ed alzando quello relativo al periodo 2005-2017, si ottiene un valore del rateo di aumento del contenuto di calore degli oceani, molto diverso da quello calcolabile utilizzando altri dati. E’ solo il caso di precisare che tutti i dati utilizzati da Lewis e da Cheng et al., 2019, sono riportati nella letteratura scientifica e, quindi, ugualmente degni di fede, ma utilizzandone alcuni, invece che altri, si ottengono risultati piuttosto diversi.

Per quel che mi riguarda tanto le argomentazioni di Lewis che quelle di Cheng e collaboratori rientrano nel recinto del dibattito scientifico, in quanto le incertezze dei dati danno pari dignità ad entrambe le conclusioni, ma chi lo spiega al lettore del New York Times che l’articolo  che “divulgava” Cheng et al., 2019, per ammissione dello stesso Cheng, non riflette lo stato effettivo del dibattito? Il povero lettore, leggendo l’articolo ed i virgolettati delle dichiarazioni degli scienziati, si è convinto che il contenuto di calore degli oceani stia aumentando molto più di quanto potessimo immaginare, ma ciò non è affatto vero. Ad essere sincero a tale conclusione si sarebbe giunti anche leggendo l’originale di Cheng et al., 2019. E’ merito di Nicholas Lewis se abbiamo potuto decifrare la realtà e mettere i puntini sulle “i”.

Alla fine di questa lunga disamina della questione, pochissime considerazioni personali.

In primo luogo si persevera nell’utilizzo di dati provenienti da fonti diverse (boe ARGO, nella fattispecie) per costruire delle serie “omogenee” attaccando i nuovi dati a quelli vecchi, previa omogeneizzazione degli stessi mediante algoritmi di calcolo che, come abbiamo visto, sono altamente opinabili.

Si utilizzano dati altamente incerti (basta vedere le barre d’errore nei grafici allegati) e li si confronta con dati caratterizzati da un grado di incertezza molto più basso (quelli integrati con i dati delle boe ARGO), giungendo a conclusioni a volte paradossali: il rateo di variazione del contenuto di calore oceanico è aumentato. Nessuno lo mette in dubbio, ma quanto di questo aumento è, però, frutto del cambio del sistema di misurazione? Nessuno ce lo dice e, forse, nessuno lo sa. Nonostante ciò si dichiara candidamente che il contenuto di calore degli oceani sta aumentando con velocità maggiore che nel passato, con tutto ciò che questo comporta, in primis il fatto che il “calore mancante” si nasconde nel mare profondo, come sostiene da tempo uno dei co-firmatari di Cheng et al., 2019.

Per finire, non possiamo passare sotto silenzio l’ennesimo tentativo (fallito) di conciliare le osservazioni con i modelli. Su questo sarebbe necessario scrivere, però, un altro post, per cui rimando i curiosi a quanto dice in proposito N. Lewis nell’articolo citato.

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Author: Donato Barone

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5 Comments

  1. Negli ultimi giorni, un post migliore dell’altro. Complimenti e bentornati a Donato, Franco e Luigi: si sentiva la vostra mancanza 🙂

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  2. @roberto k06
    .
    Caro Roberto, ti ringrazio per i complimenti e aspetto con ansia le tue considerazioni sull’articolo di Cheng.
    In quanto all’ECS sono del tutto d’accordo con te.
    Buon fine settimana anche a te e buon viaggio. 🙂
    Ciao, Donato.

    Post a Reply
  3. @donato

    Bellissimo post, complimenti.
    Sono in viaggio adesso e non riesco a scaricare l’articolo completo, lo farò lunedì. Quello che ho notato quando “faccio le pulci” ai vari articoli, è che gli autori spesso travisano o esagerano le conclusioni di articoli che citano in bibliografia… quindi controllerò appena posso.
    Altra cosa: la ECS, equilibrium climate sensitivity, che e’ un parametro fondamentale nei modelli (ma non è, come mille altri parametri, una osservabile fisica… da lì i problemi a determinarne il valore) è data in un range da 1,5 a 4,5 C per un raddoppio istantaneo di CO2 fin dalla AR1… cioè sono più di 20 anni che i fantastici modellini numerici IPCC non riescono a determinare con maggior precisione questo parametro fondamentale.
    Poi si incazzano, su certi blog e discussioni, se dico che i modellini sono farlocchi… diamine, pretendono di prevedere il clima globale al 2300 e oltre…

    Buon weekend a tutti.

    Post a Reply
  4. Caro Donato, mi scuso ma non posso fare altro che ripetermi: anche questo post è chiarissimo e si legge d’un fiato. Sei riuscito a rendere benissimo lo stato della polemica sull’OHC dopo il lavoro di Cheng e quello di Lewis e, come minimo, i dubbi che sempre si devono avere con dati particolarmente difficili da ottenere in modo omogeneo sull’enorme superficie dell’Oceano globale.
    Sarà sempre un caso, ma tutte le rivisitazioni o rianalisi hanno la strana tendenza a confermare i risultati dei modelli, salvo ammettere errori e incertezze qua e là quando qualcuno (in questo caso Lewis) fa notare agli autori cosa c’è che non va nel loro lavoro. Grazie e ciao. Franco

    Post a Reply
    • Caro Franco, questo post mi è costato parecchia fatica. Leggendo l’articolo di Cheng sembra tutto a posto: l’articolo è estremamente sintetico (un paio di pagine) e i risultati appaiono poco attaccabili. Anche i materiali supplementari sono molto scarni e bisogna avere l’occhio di lince per accorgersi dell’incongruenza tra la figura S1 dei materiali supplementari e quella pubblicata nell’articolo: vai ad immaginare che un articolo che ha superato la revisione tra pari, presenti una simile incongruenza!
      Ho perso un sacco di tempo a leggere gli articoli indicati nella bibliografia e solo alla fine, quando ormai i dubbi sembravano svanire, sono incappato nell’articolo di Lewis. Non ti nascondo che ci sono rimasto piuttosto male: possibile che non mi ero accorto di una svista tanto evidente? Alla fine dopo aver letto la replica di Cheng a Lewis mi sono arreso all’evidenza: Cheng doveva essere corretto in modo sostanziale.
      .
      Potrebbe sembrare strano che uno scettico si dispiaccia nel trovare un errore in un articolo che ribalta parte del suo scetticismo, ma non è così: sarei felicissimo di trovare qualcosa che mi dimostri di essere in errore, ma fino ad ora non è ancora capitato.
      .
      Alla fine di tutto il discorso resta un profondo senso di delusione e sconforto: come diavolo fanno i revisori a non rendersi conto di simili sviste? Sorge, inoltre, anche un altro dubbio: se gli editor delle riviste modificano gli articoli per motivi di spazio, chi ci garantisce che essi rappresentino il pensiero dell’autore della ricerca?
      Nel giro di qualche mese Lewis ha scoperto grosse criticità tanto nell’articolo di Resplandy che in quello di Cheng (che tra l’altro utilizza Resplandy come fonte di dati). Quante di queste criticità restano nascoste?
      .
      La cosa positiva di tutto questo è che la platea dei “revisori” si è allargata a dismisura, per cui è sempre più facile individuare questi errori. Bisogna, però, ringraziare la rete che ci consente di venire a capo di essi. In caso contrario resterebbe tutto confinato nel mondo degli addetti ai lavori.
      Ciao, Donato.
      .
      p.s.. grazie per le belle parole.

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