Il vecchio adagio aristotelico “Natura non facit saltum” riassume uno schema di pensiero ancor oggi diffusissimo nel mondo scientifico secondo il quale, a fronte di una graduale variazione nelle cause ci si deve attendere un’altrettanto graduale variazione negli effetti. Ciò equivale ad esempio a pensare che all’aumentare della CO2 in atmosfera dovremmo assistere ad un graduale aumento delle temperature planetarie in superficie, da cui la vulgata “tanta CO2 tanta temperatura”.
Purtroppo un tale schema di pensiero presenta importanti limiti quando applicato ai fluidi turbolenti e più nello specifico al sistema climatico che è il sistema turbolento più complesso in assoluto del nostro pianeta (al riguardo si veda ad esempio Gilmore, 1981). Il sistema climatico si compone di atmosfera, criosfera (ghiacci continentali e oceanici), idrosfera (oceani, acque interne), biosfera (esseri viventi) e terre emerse. Tale sistema scambia energia (radiazione) con lo spazio esterno e presenta inoltre rilevantissimi scambi di materia ed energia fra i suoi diversi sottosistemi e fra le diverse scale, per cui ad esempio un campo coltivato o un isolato urbano (microscala) scambiano materia (es: acqua) ed energia (es: calore sensibile e latente) con le scale superiori spingendosi fino ad influire sul comportamento delle strutture circolatorie globali (grandi onde planetarie, vortice polare, cella di Hadley, ecc.). A loro volta le scale superiori (macroscala) agiscono su quelle inferiori (microscala), per cui ad esempio un grande anticiclone agisce sul bilancio energetico di un campo coltivato provocano la comparsa di un banco di nebbia.
In tale chiave l’aumento della CO2 in atmosfera dev’essere letto alla luce di una catena causale del seguente tipo: aumenta CO2 -> si modificano i termini del bilancio radiativo di superficie -> cambia la radiazione netta -> si alterano i termini del bilancio energetico di superficie (ed in particolare i flussi di calore sensibile e latente da cui dipende la temperatura dell’aria in superficie) -> la superficie “parla” con lo strato limite planetario (PBL) alterandone le caratteristiche energetiche -> il PBL “parla” con la libera atmosfera attraverso la convezione, la quale trasporta il segnale energetico della superficie fino ai confini con la stratosfera (tropopausa) -> in questo modo il segnale energetico della superficie va ad influenzare la circolazione atmosferica alle diverse scale fino ad incidere sulle strutture circolatorie globali (ad esempio alterando la posizione del fronte polare) -> la variazione in tali strutture globali innesca tutta una serie di ripercussioni alle scale inferiori fino ad influenzare i tipi di tempo che agiscono su un dato territorio e che producono variazioni a livello termico, radiativo, di copertura nuvolosa, di precipitazioni, ecc.. -> tali variazioni alterano in modo sensibile il bilancio radiativo ed energetico di superficie e dunque il flusso di calore sensibile e latente e pertanto la temperatura dell’aria in superficie, chiudendo così il cerchio.
Si osservi che il “cerchio causale” che ho delineato è assai complesso per cui ne abbiamo una visione ancora per molti versi incompleta. Sappiamo comunque che in esso sono pesantemente coinvolti la stratosfera, gli oceani e gli esseri viventi. E’ in virtù di tali legami causali che il legame di causa effetto fra CO2 e temperatura dell’aria in superficie si sottrae irrimediabilmente alla logica “propagandistica” del “tanta CO2 tanta temperatura” per assumere quella complessità cui ci richiama il professor Zichichi (1993) quando dice che “a tutt’oggi non conosciamo l’equazione del clima”. E’ in tale complessa catena causale che trova giustificazione il fatto che, a fronte di una crescita monotona di CO2 che prosegue da oltre un secolo, le temperature globali mostrano invece una serie di fasi grossomodo di stazionarietà o lieve diminuzione separate le une dalle altre da fasi di incremento improvviso (gradini alias discontinuità alias change-points alias breakpoints). A tale riguardo la figura 1 ci mostra l’andamento delle temperature globali annue del dataset della CRU – East Anglia University Hadcru3v per il periodo 1951-2011 (dati aggiornati al giugno 2011 – fonte Hadley Centre). Applicando a tale serie storica il test di Bai e Perron (2003) per l’analisi di change-point disponibile gratuitamente nella libreria Strucchange di R, si evidenziano tre grandi discontinuità per le quali gli anni più probabili di accadimento sono rispettivamente il 1976, il 1986 ed il 1996 (linee tratteggiate verticali di figura 1).

Figura 1 – Analisi di discontinuità delle temperature annue globali condotta con il test di Bai e Perron. Si notino le tre discontinuità, indicate dalle linee nere verticali tratteggiate e che hanno come anni più probabili il 1976, l 1986 ed il 1996. Le linee orizzontali blu indicano le temperature medie dei sottoperiodi delimitati dalle discontinuità mentre la linea verde indica la temperatura media complessiva. Le linee rosse orizzontali mostrano infine l’intervallo di confidenza della stima, per cui la discontinuità che ha come anno più probabile il 1976 ricade con il 95% di probabilità fra 1974 e 1981, quella che ha come anno più probabile il 1986 ricade con il 95% di probabilità fra 1983 e 1989 ed infine quella che ha come anno più probabile il 1996 ricade con il 95% di probabilità fra 1995 e 1997
A risultati simili è giunto Jens Raunsø Jensen nella sua analisi pubblicata su Wattsupwiththat , fondata su un tool statistico diverso da quello da me applicato e che evidenzia come anni di discontinuità il 1977, il 1997 ed il 1998 (figura 3). Per gli interessati, il tool utilizzato da Jensen è descritto in Rodionov (2004) ed è disponibile qui.

Figura 2 – La stessa serie di figura 1 analizzata con un modello lineare (linea rossa).

Figura 3 – Analisi di discontinuità condotta da Jensen sulle temperature globali e sulle temperature medie della Danimarca (fonte: Wattsupwiththat?). La temperatura della Danimarca si presta particolarmente ad evidenziare la presenza di discontinuità di regime nelle grandi correnti occidentali (e dunque nella NAO che del comportamento di tali correnti è un efficace descrittore) in quanto si trova in un luogo privilegiato, giusto al centro della loro traiettoria. In particolare l’analisi condotta sulle temperature globali individua tre discontinuità (1977, 1987 e 1998) mentre dalla serie danese emerge la discontinuità del 1998.
Si noti che rispetto all’approccio “continuistico”, che per comodità del lettore è proposto in figura 2, il cambiamento di prospettiva che si ottiene adottando la logica “discontinuistica” è davvero considerevole e ci porta in particolare a dedurre che, visto dall’angolo di visuale delle temperature globali annue, il sistema climatico ha una naturale vocazione alla stazionarietà termica rispetto alla quale vi sono delle eccezioni, le discontinuità, che si ripetono con regolarità nel tempo. E’ da notare che rispetto a tali discontinuità il nostro attuale potere di analisi (e, di conseguenza, di previsione) è assai ridotto in quanto a tutt’oggi fatichiamo a descrivere la catena causale sottesa alle discontinuità stesse ed alle fasi stazionarie intermedie.
Occorre tuttavia dire con chiarezza che il grande successo che ancor oggi riscuote presso la “comunità” scientifica l’approccio continuistico è da ascrivere non tanto alle difficoltà ontologiche (che dovrebbero anzi essere da stimolo alla ricerca) quanto invece al fatto che l’approccio continuistico è garanzia di sopravvivenza del becero modello “tanta CO2 tanta temperatura”, riproposto in modo sempre più rozzo da media imbeccati da “scienziati” compiacenti.
Per spiegare cosa intendo quando parlo di “potere di analisi assai ridotto” è interessante discutere l’esempio che viene dall’articolo scientifico “Contributions of Stratospheric Water Vapor to Decadal Changes in the Rate of Global Warming” apparso sul volume 327 del 5 marzo 2010 di Science. In esso Solomon et al. ci informano del fatto che la concentrazione del vapore acqueo in stratosfera è diminuita di circa il 10% dopo il 2000, il che sarebbe all’origine del mancato riscaldamento globale del decennio 2000-2009. Gli autori ci dicono inoltre che il vapore acqueo stratosferico era aumentato in modo sensibile fra il 1980 e il 2000, il che avrebbe incrementato di circa il 30% il tasso decennale di riscaldamento in superficie caratteristico di tale periodo. E’ da rimarcare inoltre che nella parte conclusiva del loro articolo, Solomon et al. evidenziano che sui meccanismi alla base della variabilità del vapore acqueo stratosferico siamo nel campo delle ipotesi e più in particolare sottolineano che:
- i modelli climatici globali (GCM) evidenziano solo un debole feedback fra vapore acqueo stratosferico e riscaldamento globale da CO2;
- i modelli stessi descrivono in modo insoddisfacente i processi di trasporto convettivo che alimentano di vapore acqueo la stratosfera.
Siamo pertanto i fronte ad un’ulteriore manifestazione della difficoltà dei GCM nel descrivere il comportamento dell’acqua atmosferica in forma di vapore e nubi, il che rappresenta un limite eccezionale alla nostra capacità di analisi e previsione climatica in quanto l’acqua è di gran lunga il più importante gas serra del nostro pianeta, responsabile del 79% dell’effetto serra complessivo (di cui il 55% come vapore ed il 24% come nubi).
Ma è davvero così difficile trovare una causa circolatoria immediata delle discontinuità termiche globali? In proposito, come ci ricorda Jensen nel succitato intervento, sussistono pesanti indizi a carico dei grandi eventi circolatori atmosferici e/o oceanici che accadono in vicinanza delle discontinuità termiche. Si deve infatti constatare che:
- le tre grandi discontinuità termiche prima evidenziate (1976, 1986, 1996) ricadono nelle immediate vicinanze degli eventi di ENSO (El Nino Southern Oscillation) del 77-78, dell’87-88 e del 97-98;
- alla discontinuità del 1976 (1977 per Jensen) è associato il cambio di fase della PDO (Pacific decadal Oscillation – un fenomeno oceanico);
- alla discontinuità del 1986 (1987 per Jensen) è associato il cambio di fase della NAO (North Atlantic Oscillation).
A mettere PDO, NAO e ENSO sul banco degli accusati contribuisce il fatto che si tratta di alcune fra le maggiori ciclicità circolatorie globali a livello oceanico ed atmosferico. Più in particolare PDO, NAO e ENSO ci dicono qualcosa sulla struttura circolatoria globale e sui suoi cambiamenti di fase, con NAO che è l’indicatore del comportamento del grande vortice polare (PV) da cui dipende il clima quantomeno in ambito extra-tropicale mentre ENSO è un indicatore del comportamento della circolazione in ambito tropicale, per cui da esso dipende quantomeno il clima ai tropici. Ho usato un “quantomeno” poiché strutture circolatorie tanto grandi hanno per forza effetti globali, per cui ad esempio ENSO “parla” con il clima globale alterando l’attività del monsone estivo e producendo moltissima attività convettiva (i cumulonembi interessano tutta la troposfera ed il loro “segnale” energetico viene trasferito a tutto il globo attraverso la circolazione globale a celle).
A fronte di una tale realtà, a quanti aspirassero a mantenersi negli spazi un po’ angusti ma senza dubbio tranquillizzanti del “politically correct” (Accetto, 1641) dico che è possibile seguire l’ipotesi secondo cui dietro alla variabilità di PDO, NAO ed ENSO ci sia la CO2. Si tratta di una tesi ancora tutta da dimostrare, il che potrebbe essere fatto spingendosi con la ricerca in quell’area grigia che IPCC indica come “variabilità naturale” ed in cui viene in genere accatastata tutta quella congerie di fenomeni di cui i modelli climatici globali non riescono a rendere ragione.
Tuttavia se non possiamo escludere a priori che vi sia lo “zampino” di CO2, assai più facile e immediato è cogliere lo “zampino” del vapore acqueo, come hanno fatto ad esempio Solomon et al. A tale riguardo è noto che ENSO, grazie alla vivace attività convettiva che lo caratterizza, produce un sostanziale incremento del vapore acqueo in atmosfera, da cui con ogni probabilità discendono gli incrementi nelle temperature globali osservati in coincidenza con tali eventi. E qui, applicando la logica continuistica, vien da pensare che le aumentate temperature avrebbero dovuto richiamare altro vapore acqueo da quella riserva inesauribile che sono gli oceani e da ciò sarebbe dovuto discendere un ulteriore aumento delle temperature globali con ulteriore richiamo di vapore dagli oceani. Si sarebbe così innescato quel circuito infernale noto come Runaway Greenhouse Effect (RGE) che avrebbe portato in breve il pianeta ad un “brasato finale al vapore” nella cui genesi i gas serra secondari come la CO2 avrebbero avuto un ruolo marginale rispetto a quel gigante dell’effetto serra terrestre che è l’acqua.
L’RGE non si è invece innescato, forse perché l’atmosfera, probabilmente grazie al fenomeno che Lindzen chiama “effetto dell’iride adattivo” (Lindzen, Chou e Hou, 2001), si è liberata dell’eccesso di vapore acqueo con le precipitazioni, aprendo così le porte all’attuale fase a temperature globali stazionarie.
Concludo segnalando che l’approccio “continuistico” e quello “discontinuistico” ci mostrano due facce della stessa medaglia ed in tal senso possono essere entrambi utili per indagare le cause naturali ed antropiche della variabilità termica alle diverse scale. In tale chiave sia i tre gradini di figura 1 sia il trend positivo globale di figura 2 meritano attenzione. Quel che è da evitare è l’uso strumentale dei metodi di analisi per avvalorare preconcetti ideologici che con la scienza hanno poco o nulla a che vedere. Insomma, di carne al fuoco su cui meditare ne ho messa davvero parecchia, brasato al vapore incluso …
PS: Il fatto che il test di discontinuità da me applicato (test di Bai e Perron) indichi che le tre discontinuità termiche del periodo 1951-2011 accadono un anno prima rispetto agli eventi ENSO non dev’essere a mio avviso interpretato come sintomo di un’inversione del processo causale ma più semplicemente come un limite del test applicato, il quale in realtà ci indica tre discontinuità che con una confidenza del 95% ricadono rispettivamente nei periodi 1974 / 1981, 1983 / 1989 e 1995 / 1997.
Riferimenti bibliografici
- Accetto T., 1641. Della dissimulazione onesta, edizione a cura di B. Croce, Laterza, 1928.
- Bai J., Perron P., 2003. Computation and Analysis of Multiple Structural Change Models, Journal of Applied Econometrics, 18, 1-22.
- Gilmore R., 1981. Climate in Catastrophe theory for scientists and engineers, Dover, pp. 428-447.
- Lindzen R.S., M-D. Chou, e A.Y. Hou, 2001. Does the Earth have an adaptive infrared iris. BAMS, March, 417-432.
- Rodionov, S.N., 2004: A sequential algorithm for testing climate regime shifts. Geophys. Res. Lett., 31, L09204, doi:10.1029/2004GL019448.
- Solomon, S., K. Rosenlof, R. Portmann, J. Daniel, S. Davis, T. Sanford, G.-K. Plattner. 2010. Contributions of stratospheric water vapor to decadal changes in the rate of global warming. Sciencexpress. www.sciencexpress.org / 28 January 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1182488.
- Zichichi A., 1993. Scienza ed emergenze planetarie, Rizzoli, Bur, 316 pp.