E’ nato prima l’uovo o la gallina?

Questo dilemma risale alla notte dei tempi e, pur essendo stato chiarito dalla biologia, continua a far parte dell’immaginario collettivo come esempio di un qualcosa che non riusciamo a decidere.

In ambito climatologico esiste un problema simile e riguarda la dipendenza della temperatura media globale dalla variazione della concentrazione di diossido di carbonio nell’atmosfera terrestre. E’ opinione diffusa che sia la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera a determinare la temperatura del nostro pianeta, ma esistono delle linee di pensiero minoritarie che invertono il rapporto di dipendenza: è la temperatura che determina l’aumento della concentrazione di CO2 atmosferica e non viceversa. Personalmente mi riconosco nella linea di pensiero principale, in quanto è ben chiaro il processo fisico che conosciamo con il nome comune di effetto serra. Ciò che mi allontana dalla linea di pensiero principale non è il fatto che il diossido di carbonio, interagendo con la radiazione uscente dall’atmosfera terrestre, l’assorba aumentando la sua energia e, quindi, modifichi il bilancio tra radiazione entrante nell’atmosfera terrestre e radiazione uscente, ma che sia il solo ed unico fattore che determina il riscaldamento terrestre sperimentato nel corso degli ultimi decenni. Concentrarsi solo sul diossido di carbonio e trascurare, per esempio, l’effetto delle nubi, mi sembra un errore. Così come mi sembra un errore non tener conto nelle elaborazioni modellistiche che il principale responsabile dell’effetto serra è il vapore d’acqua e così come sovrastimare il valore della sensibilità climatica all’equilibrio o transitoria. Esistono ancora altri fenomeni fisici non del tutto chiari che mi allontanano dalla linea di pensiero principale, ma sul fatto che la molecola di diossido di carbonio assorba parte della radiazione infrarossa in uscita dall’atmosfera terrestre, ho pochi dubbi.

Mi reputo, però, una persona di mentalità aperta, per cui non mi sognerei mai di rigettare a priori un’idea diversa dalla mia, senza prima averla prima valutata, per cui quando mi sono imbattuto nell’articolo di D. Koutsoyiannis e Z. D. Kundzewicz  (da ora Koutsoyiannis et al., 2020)

Atmospheric Temperature and CO2: Hen-or-Egg Causality? (Version 1)

ho cercato innanzitutto di accertare la fondatezza della loro tesi.

Koutsoyiannis et al., 2020 indaga il legame tra le temperature globali e la concentrazione atmosferica di diossido di carbonio, allo scopo di stabilire se la temperatura determina la concentrazione atmosferica di CO2 o, viceversa, sia la CO2 a determinare le temperature globali terrestri. Già il modo in cui è posta la questione mi lascia perplesso: ho appena finito di dire che sono tante le cause che possono determinare il riscaldamento in corso e mi trovo due ricercatori che riducono tutto a stabilire se sia la CO2 a determinare la temperatura globale terrestre. E tutto il resto? Nonostante la pregiudiziale iniziale, ho continuato a leggere l’articolo che si presenta piuttosto lungo e parecchio complesso dal punto di vista matematico.

Gli autori utilizzano alcuni set di dati ben conosciuti: la concentrazione atmosferica di diossido di carbonio misurata a Mauna Loa nelle Hawaii, il set di temperature della bassa troposfera UAH dell’Università dell’Alabama ed il set di temperature delle terre emerse CRUTEM4 del Met Office Hadley Center dell’East Anglia University. Anche quest’ultima scelta mi lascia un po’ perplesso: perché il record terrestre e non quello globale (terre emerse + oceani)?  Gli autori hanno cercato di spiegare questa circostanza, ma non mi hanno convinto: secondo loro non è l’entità del riscaldamento ad interessare ma la sua tempistica.

L’analisi viene effettuata sui dati strumentali misurati a partire dal 1980 e fino ai nostri giorni, per cui non si basa su dati di prossimità come molte altre analisi che abbiamo commentato negli anni passati.

I due ricercatori utilizzando un approccio piuttosto complesso al problema, sui cui aspetti matematici non mi soffermo, giungono alla conclusione che qualunque sia la finestra temporale che si prende in considerazione (mensile o annuale), la relazione di dipendenza tra le temperature e la concentrazione atmosferica di CO2 è tale che la temperatura determina la concentrazione atmosferica di diossido di carbonio. Pur avendo esplicitamente dichiarato di non volermi soffermare sugli aspetti matematici dello studio, in quanto non ho avuto il tempo materiale per analizzarli a fondo, vorrei solo mettere in evidenza che Koutsoyiannis et al., 2020 privilegia un approccio matematico basato sull’analisi del grado di correlazione tra la temperatura globale e la concentrazione di diossido di carbonio in atmosfera che sfrutta la correlazione incrociata e valuta la stocasticità dei fenomeni esaminati in base al valore del coefficiente di Hurst. Ciò allo scopo di determinare la reversibilità o meno dei fenomeni studiati. Questo è in controtendenza rispetto ad altri studi che utilizzano la “causalità di Granger” per stabilire il rapporto di dipendenza tra due variabili dipendenti entrambe dal tempo. La scelta mi vede concorde ed è l’unico motivo per cui ho completato la lettura dell’articolo.

Alla fine della fatica devo riconoscere che Koutsoyiannis et al., 2020 non è riuscito a convincermi e per diversi motivi che ho illustrato nel corso del presente scritto. Uno dei più eclatanti è, però, racchiuso nel grafico che segue, tratto da Koutsoyiannis et al., 2020.

Nel vengono riportati con risoluzione annuale gli andamenti delle temperature globali ed il logaritmo naturale della concentrazione atmosferica del diossido di carbonio. Da un semplice esame visivo dei due diagrammi si può notare, infatti, che non sempre l’aumento di temperatura precede l’aumento della concentrazione di diossido di carbonio. In alcuni casi, anzi, le due grandezze sono addirittura non correlate, nel senso che le loro variazioni sembrano non legate da una relazione matematica. Diciamo che, generalmente, l’aumento di temperatura precede quello della CO2, ma non sempre accade. E questo è un problema non da poco quando si vuole dimostrare che chi la pensa diversamente è in errore.  Koutsoyiannis et al., 2020, sostiene che l’analisi numerica effettuata, consente di propendere per una dipendenza T–>CO2 e lo fa sulla base del valore assunto dal coefficiente di cross correlation  e di altri coefficienti di valutazione statistica, ma secondo me per scardinare una teoria ben assestata, sono necessarie prove estremamente forti e, nella fattispecie, le prove non mi sembrano abbastanza forti.

Koutsoyiannis et al., 2020 si chiude con una spiegazione fisica del loro risultato: l’aumento delle temperature favorisce lo sviluppo della produzione vegetale che determina un incremento della produzione di CO2 per effetto del processo di respirazione delle piante e, forse, degli oceani. Tale processo si autoalimenta e si rafforza a seguito della concimazione carbonica delle specie vegetali, determinando il fenomeno del “rinverdimento globale” di cui a volte ci siamo occupati ad esempio qui su CM.

Diciamo che gli autori non sono riusciti a convincermi anche se hanno instillato il tarlo del dubbio nel mio cervello. Da qui ad accettare la loro tesi, però, ce ne passa.

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Author: Donato Barone

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13 Comments

  1. In un dato momento si puo’ vedere che la pressione parziale della CO2 nell’acqua marina (pCO2 sea water, atm) cresce di un fattore di circa 3.8 tra il bordo della banchisa dove la temperatura dell’acqua è 1-2 °C sotto zero e le acque tropicali dove arriva fino 30 °C.
    Questo proviene da un’equazione estremamente nonlineare:
    pCO2 sea water=250*(DIC)^10.5*(T/288.15)^12.2
    in cui DIC è il carbonio inorganico dissolto e T è la temperatura assoluta.

    Il degassamento (o assorbimento) da parte dell’oceano è proporzionale alla differenza di pressione pCO2 nell’aria e nell’acqua, al cubo della velocità del vento e al numero di Schmidt (https://en.wikipedia.org/wiki/Schmidt_number). Un grado di più di temperatura nell’acqua significa +4% sulla pressione parziale e +20% di degassamento dall’acqua all’aria.
    L’aria e l’oceano sono complementari, il che implica l’assorbimento o il degassamento da parte dell’oceano in aree distinte. Nel lavoro di Millero del 2007 (Chemical Reviews), la figura 20 (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cr0503557) mostra il contenuto di carbonio inorganico negli oceani. Ne risulta che il carbonio discende verso l’oceano profondo alle alte latitudini (assorbimento) e risale tra i due tropici. Alla superficie il carbonio scompare a causa della voracità del plankton e del degassamento.
    Il continuo rinnovo del carbonio alla superficie degli oceani è documentato anche in un lavoro più recente di Levy et al. (2013): https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/gbc.20092

    Ma le speculazioni sull’ipotesi di un oceano in equilibrio con l’atmosfera (Bolin, 1959, The atmosphere and the sea in motion, The Rockefeller Institute Press; Revelle et al., 1965, Carbon dioxide from fossil fuels – the invisible pollutant, White House, U.S.) hanno fatto scomparire dai rapporti dell’IPCC l’effetto della temperatura, nientemeno che il fattore T^12.2.

    Koutsoyiannis e Kundzewicz mi sembra che non abbiano trattato a fondo il ruolo degli oceani, che sono il vero motore della CO2 atmosferica, la cui concentrazione a un dato momento puo’ essere derivata dall’integrale dello stato termico passato delle acque oceaniche. Infatti, fin da Torbern Olaf Bergman (https://en.wikipedia.org/wiki/Torbern_Bergman) sappiamo che la solubilità della CO2 in acqua diminuisce con l’aumento della temperatura.

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  2. e questo studio “Rapid shifts in circulation and biogeochemistry of the Southern Ocean during deglacial carbon cycle events” https://advances.sciencemag.org/content/6/42/eabb3807 rileva un rialzo di temperatura mentre la CO2 calava
    “…In distinct contrast, CO2 rises at 16.3 and 12.8 ka ago were associated with Northern Hemisphere cooling (Fig. 3C)”

    Immagine allegata

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  3. Synchronous records of pCO2 and Δ14C suggest rapid, ocean-derived pCO2 fluctuations at the onset of Younger Dryas
    https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0277379114002509
    Abstract

    Just before the onset of the Younger Dryas (YD) cold event, several stomatal proxy-based pCO2 records have shown a sharp increase in atmospheric CO2 concentration (pCO2) of between ca 50 and 100 ppm, followed by a rapid decrease of similar or even larger magnitude….
    appare chiaro che drastiche fluttuazioni si possono avere anche in regime “naturale” e non solo “antropico”

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  4. L`aumento di CO2 nell`atmosfera dipende sia dall`aumento della temperatura atmosferica (degassazione degli oceani: legge di Henry: K=(CO2)atm/(CO2)oceano con K=0.033 a 25gradi. K aumenta con l`aumento di temperatura.) che, ovviamente , dall’aumento delle emissioni antropogeniche.
    La temperatura dell’atmosfera aumenta con l’aumentare della CO2 atmosferica (effetto serra, Stefan Boltzmann ecc) e da chissà` quante altre cause solari planetarie.Scusate la banalità`. Quindi valgono entrambe le cause-effetto ma penso, con dinamiche e sensitività` diverse . Probabilmente, l`aumento di temperatura dovuto all`effetto serra e` abbastanza limitato rispetto ad all`aumento dovuto ad altre cause naturali.

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  5. A me, ingegnere chimico, incuriosisce il bilancio della CO2 tra atmosfera e acqua marina (piuttosto basica e con una elevata solubilità per l’anidride carbonica). Non ne ho mai trovato traccia, però mi ricordo la legge di Henry che regola la solubilità di un gas in un liquido al variare di T. Se penso solo a questa, non mi stupisce affatto che l’aumento di T, comunque originato, faccia salire la CO2 in aria

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  6. non è da sottovalutare il fattore biologico; le più maestose fabbriche chimiche sono i batteri, capaci di variare le percentuali dei gas nell’atmosfera, lo fecero nel Sideriano e possono farlo in qualsiasi era.
    Può facilmente accadere che con climi più caldi aumenti anche la capacità dei batteri di degradare la materia biologica, materia che cresce di più con più CO2 e di conseguenza ne muore anche di più. Non so se si è indagato scientificamente in tal senso, però ho trovato questo studio che attribuiscono ai microrganismi capacità climatiche:
    – Detection of Active Microbial Enzymes in Nascent Sea Spray Aerosol: Implications for Atmospheric Chemistry and Climate https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.8b00699
    e questo articolo sulla capacità dei vurus:
    – Ocean viruses may have impact on Earth’s climate https://www.sciencemag.org/news/2016/06/ocean-viruses-may-have-impact-earth-s-climate
    Rispetto alla spettroscopia, ho trovato questo studio “Greenhouse molecules, their spectra and function in the atmosphere” http://www.warwickhughes.com/papers/barrett_ee05.pdf da cui estraggo la tabella dei contributi all’assorbimento radiativo

    Immagine allegata

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  7. Roberto, penso che se venisse stabilito che T e CO2 sono tendenzialmente sincroni, sarebbe un po’ l’uovo di Colombo: non sarebbe più necessario cercare il nesso di causalità e si giustificherebbero anche le eccezioni (che a quanto pare esistono).

    Ovvio che a quel punto andrebbe ricercata una terza causa.

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  8. @donato

    “E’ opinione diffusa che sia la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera a determinare la temperatura del nostro pianeta, ma esistono delle linee di pensiero minoritarie che invertono il rapporto di dipendenza: ”

    Non direi proprio!
    La linea minoritaria, tutta da provare, e’ quella della CO2 che precede la temperatura, per decenni e’ stata considerata valida la concatenazione temporale opposta, prima sale la temperatura e poi la CO2.
    Dai tempi dei carotaggi di Vostok, anni 90?… ricordo un seminario di uno dell’universita’ di Grenoble, sono forti in quel settore della glaciologia, sono arrivato a Grenoble a fine 97, ma lui la presento’ come una cosa che aveva gia’ qualche anno.
    Se trovo il tempo cerco i pdf, me li ero sicuramente stampati, forse anche salvati???

    Ad ogni modo, solo recentemente sono apparsi studi che affermano il contrario, questo qui del 2013 postula una sincronia fra le due cose, T e aCO2 variano assieme, senza ritardo alcuno.

    Immagine allegata

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    • Roberto,
      oggi come oggi non credo che l’idea che la CO2 determini le temperature sia minoritaria in ambito scientifico, ma questo conta poco: è come il caso del 97% dei climatologi che bla, bla, bla. 🙂
      Quello che voglio sottolineare è che se è vero che la CO2 non è la sola causa del riscaldamento globale in atto, è anche vero che la sua concentrazione in atmosfera debba essere solo ed esclusivamente effetto dell’aumento della temperatura. E ciò per diversi ordini di motivi.
      .
      La dipendenza esclusiva della temperatura dalla concentrazione della CO2 atmosferica, è una conseguenza degli output dei modelli di circolazione globale che sono stati calibrati sul presupposto che sia la concentrazione atmosferica di diossido di carbonio a guidare la giostra delle variazioni degli altri parametri che determinano il clima terrestre. In tali modelli si sottovaluta fortemente il ruolo di altri fattori come, ad esempio, quello delle nubi. In questi modelli il meccanismo della convezione umida, stando a quanto scrivono alcuni ricercatori, è modellato in modo approssimativo a causa della scarsa comprensione del fenomeno fisico. E potrei continuare, ma conoscendo benissimo il modo in cui tu consideri i modelli, mi fermo qui. 🙂
      .
      La conseguenza di tutta questa serie di approssimazioni, determina un valore delle sensibilità all’equilibrio e transitoria che non collima con quello stimato in base alle serie di dati di prossimità del passato, per cui si perviene ad un modello climatico globale, dipendente in misura quasi esclusiva dalla concentrazione atmosferica di CO2. Io, come ben sai, non condivido questa impostazione del problema, ma non condivido neanche l’idea che la concentrazione atmosferica di CO2 dipenda solo dalla temperatura.
      .
      Quando tu dici che temperatura e concentrazione atmosferica di CO2 oscillano in modo sincrono e senza apparente rapporto di dipendenza reciproca, mi trovi d’accordo. L’anidride carbonica è un gas serra, uno tra i tanti, ma non è l’unico elemento che guida il riscaldamento globale e non può essere definito il principale se non unico responsabile di esso.
      .
      Allo stesso modo non posso condividere l’idea che sia la temperatura a guidare la concentrazione di CO2 in atmosfera sulla base di una correlazione matematica, seppur valutata con metodi numerici molto sofisticati, come quelli utilizzati nell’articolo che ho commentato.
      Io non mi sono soffermato sugli aspetti analitici del problema, in quanto avrei appesantito molto la discussione e non ho avuto neanche il tempo di farlo, ma gli autori hanno fatto ricorso a diversi livelli di analisi per giustificare le loro conclusioni, tra cui la valutazione dell’entropia del sistema o la misura del grado di irreversibilità del verso della relazione. Nonostante ciò non sono riusciti a spiegare perché la relazione T–>CO2 funziona in alcuni periodi e non in altri.
      .
      Sarebbe bello, infine, se qualcuno potesse valutare i metodi utilizzati dagli autori, qualora si prendesse in considerazione, per esempio, il registro delle temperature globali (terra + oceani) e non solo quello delle sole temperature terrestri.
      E cosa succede, infine, se invece di considerare gli ultimi decenni, l’analisi fosse condotta su tutta la serie di dati di prossimità a nostra disposizione?
      Come vedi i dubbi sono tanti e Koutsoyiannis et al., 2020 non è riuscito a dissiparli. Con ciò non voglio assolutamente dire che esso sia sbagliato, ci mancherebbe, ma non mi sembra decisivo e dirimente. Ciao, Donato.

  9. Giorgio,
    il tuo commento è, per me, preziosissimo. Io sostengo che il vapor acqueo è l’elefante dell’effetto serra e la CO2 il topolino perché così ho imparato dai testi, ma la tua testimonianza derivata dal dato sperimentale, per me vale più di 100 volumi o articoli scientifici: è la prova provata di quello che ho scritto. Grazie.
    Ciao, Donato.

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  10. Caro Donato,
    mi dispiace ma questa volta non posso essere d’accordo con te.
    Sto spedendo a Guido il mio post sulla stesso articolo di Koutsoyiannis nel quale articolo il mio parere sul rapporto temperatura-anidride carbonica, diciamo un commento a questo lavoro.
    E’ la prima volta che mi capita di non essere in sintonia con te e me ne dispiace, ma forse un po’ di discussione potrà portare a un migliore idea sull’argomento. Ciao. Franco

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    • Caro Franco,
      tra persone intelligenti la discussione su idee contrapposte, non può che essere proficua e foriera di arricchimento reciproco.
      Aspetto con estremo interesse il tuo contributo e, se le tue argomentazioni saranno in grado di chiarire i dubbi che l’articolo mi ha fatto venire, sarò felice e contento.
      Personalmente mi occupo di questi argomenti perché ho bisogno di capire, non perché ho la verità in tasca, quindi, ben venga tutto ciò che mi aiuta a capire.
      Ciao, Donato.

  11. Da (ex) spettroscopista, ho potuto constatare che lo spettro IR dell’aria atmosferica è totalmente dominato dal vapore acqueo, tanto che spesso viene si misura in aria secca oppure azoto.
    Anche le bande spettrali della CO2 sono ben visibili e danno fastidio, ma in termini assoluti non c’è confronto con l’acqua, a livello energetico.

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