I feedbacks nel sistema climatico..

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Pubblichiamo la traduzione di questo importante testo di Chris Colose, pubblicato su Realclimate ove ha dato origine ad un vivace dibattito.

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I processi di feedback nel sistema climatico sono di grande interesse tra gli esperti poiche’ non ne si capisce ancora l’esatto meccanismo e perche’ sono la fonte di maggior incertezza nelle previsioni sul clima. Difatti, i feedbacks agiscono molto spesso controintuitivamente a quanto ci si possa aspettare.


Il miglior modo per spiegare cosa siano i feedback e’ immaginarli come dei processi che amplificano enormemente o riducono drasticamente una forzante iniziale. Per forzante si intende tipicamente una forza esterna persistente nel tempo. Se tale forza, generalmente radiativa (come per esempio l’aumento di CO2 nell’atmosfera) , e’ abbastanza grande da provocare un cambiamento di temperatura che non puo’ essere bilanciato dalla capacita’ termica degli oceani di assorbire il calore in eccedente dall’atmosfera, allora si inizia a parlare di cambiamento climatico. Per cui, un cambiamento climatico puo’ essere definito tale se il bilancio radiativo energetico del sistema Terra viene alterato. Per chiarire ulteriormente il concetto di feedback, immaginiamo la Terra come un sistema composto da molte variabili. Se una di queste variabili viene amplificata energeticamente e per un tempo abbastanza lungo si scatena una serie di processi che possono portare a due risultati: o la variabile iniziale viene ulteriormente amplificata (feedback positivo) o la variabile iniziale viene drasticamente ridotta (feedback negativo). Un esempio pratico per capire quanto abbiamo appena affermato e’ pensare alla riduzione dell’estensione dei ghiacci in conseguenza all’aumento della temperatura globale (che consideriamo come la nostra variabile iniziale). La superficie dei ghacciai o degli iceberg e’ bianca, ossia riflette molta radiazione solare. Ma se ai ghiacci che fondono si sotituisce l’oceano che e’ scuro, invece, la radiazione solare che prima era riflessa, viene ora assorbita. Questo provoca un’amplificazione della variabile iniziale, cioe’ l’aumento della temperatura.

Per capire meglio gli effetti dei feedbacks nel sistema climatico immaginiamo quest’altra situazione. Quando si parla di effetto serra occorre fare una distinzione tra i gas che condensano e precipitano sotto forma di pioggia, neve o grandine, e i gas che risiedono nell’atmosfera per un lungo periodo di tempo, e la cui concentrazione dipende poco dalla temperatura. Nella nostra atmosfera il vapore acqueo contribuisce a circa il 50% dell’effetto serra, le nuvole al 25%, il CO2 al 20% e i gas rimanenti (principalmente metano. ozono e azoto) al restante 5%. Queste percentuali farebbero pensare che il vapore sia il gas serra piu’ pericoloso in quanto non solo e’ il piu’ abbondante ma e’ anche quello che assorbe la radiazione emessa dalla terra nella banda dell’infrarosso. Nonostante questa conclusione di per se’ sia corretta, le percentuali che abbiamo dato non danno un quadro completo della situazione: non dobbiamo dimenticare, infatti, che la concentrazione di vapore acqueo in atmosfera è governata dalla temperatura e quindi sono i gas non condensabili e con lunghi di tempi di permanenza in atmosfera (principalmente , la CO2) ad agire come architrave dell’effetto serra e a governare le sue variazioni. Questo significa che la concentrazione di vapore acqueo aumenta se c’e’ piu’ CO2 in atmosfera. Pensando questo scenario nell’ottica dei meccanismi di feedback, e’ facile capire che l’aumento di vapore acqueo e’ in gran parte supportato dalla presenza di altri gas serra, e di conseguenza amplifica ulteriormente il loro effetto.

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Se potessimo eliminare tutta la CO2 dalla nostra atmosfera, oltre al fatto che il pianeta perderebbe molto piu’ calore per radiazione, accadrebbero altre due cose. Primo, ripensando all’esempio fatto prima, la concentrazione di vapore acqueo e l’effetto serra delle nuvole diminuirebbero. Secondo, la temperatura sarebbe molto inferiore, a tal punto che i ghiacci si espanderebbero e la terra potrebbe diventarne ricoperta (snowball earth). Questo semplice meccanismo potrebbe verificarsi anche in questo momento, in cui la temperatura globale della terra sta aumentando.

La concentrazione di CO2 di per se’ puo’ essere un feedback per svariate altre variabili, ad esempio puo’ agire sulla temperatura su scale temporali molto piu’ lunghe, come quelle delle oscillazioni glaciali-interglaciali, oppure in risposta a cambiamenti della circolazione oceanica, o addirittura sulla distribuzione della vegetazione e delle foreste. E non dimentichiamoci che puo’ agire anche come feedback negativo, ad esempio nel ciclo del carbonio. Tuttavia, spesso i climatologi tendono a studiare gli effetti della CO2 sulla temperatura e il bilancio radiativo usando modelli climatici in cui preimpostano che la concentrazione di CO2 raddoppi. Usando questa condizione, da un lato e’ possibile eliminare feedbacks brevi, come appunto quello negativo del carbonio, dall’altro rende invce possibile studiare feedbacks che operano su scale temporali piu’ lunghe e in riposta all’aumento di CO2, come la variazione del vapore acqueo, l’albedo (riflettanza) della superficie terrestre, la copertura delle nuvole e il lapse rate.

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I MECCANISMI DI FEEDBACK

I negazionisti sul cambiamento climatico spesso citano il feedback radiativo (o Planck feedback) per affermare che una Terra piu’ calda irradierebbe calore nello spazio piu’ efficientemente e per cui si raffredderebbe allo stesso tempo. Dunque e’ necessario capire come i vari processi di feedback modificano in ultimo il Planck feedback. Per prima cosa occorre definire un valore di soglia, oltre al quale i cambiamenti sono provocati da processi di feedback e non rappresentano la variabilita’ naturale, ossia la variabilita’ intrinseca del sistema stesso. In gergo tecnico si parla di “sensitivita’” del sistema climatico. Per ogni Watt su metro quadro di forzante radiativa il clima si riscalderebbe di 0.3°C senza altri processi. Questo per dire che per avere un cambiamento climatico dell’ordine di quello che porta alle transizioni tra periodi gliaciali e interglaciali sono necessari cinque raddoppi di concentrazione di CO2 rispetto allo stato attuale oppure un 7% in piu’ di radiazione solare totale incidente. Ma questi valori sono ben al di sopra di quanto i dati osservativi e i proxy data testimoniano sul clima passato, per cui e’ evidente che sono i vari feedbacks ad amplificare i 0.3°C per Watt per metro quadro. Quello che si puo’ dedurre con certezza e’ che l’effetto collettivo dei feedbacks e’ positivo e incrementa la sensitivita’ del clima.
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Feedback factor per diversi processi nel sistema climatico. Da Roe, 2009, Annual Reviews of Earth Planetary Science.

Il feedback factor e’ proporzionale al valore di sensitivita’ climatica con “no-feedbacks conditions”. Piu’ e’ grande, piu’ il feedback e’ effettivo ed e’ piu’ il tempo necessario a riportare il sistema ad un nuovo equilibrio. Valori maggiori di zero rappresentano feedbacks positivi, minori di zero feedbacks negativi.

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INTERAZIONE FRA FEEDBACKS

Un’altra caratteristica dei feedbacks è che non interagiscono in maniera lineare e additiva tra loro. Questo significa che se un processo di feedback, che aumenta la forzante iniziale del 50%, interagisce con un altro processo che diminuisce la forzante iniziale del 50%, il risultato non è detto che sia zero. Inoltre, la presenza di feedbacks positivi non implica un futuro rovente, ma aumenta la temperatura finale di equilibrio piu’ di quanto accadrebbe in assenza di essi.

Inoltre, i feedbacks permettono al clima di raggiungere uno stato di equilibrio molto lontano da quello da cui era partito. Per esempio, non sarebbe possibile ricoprire il pianeta di ghiaccio senza che il contributo dei feedbacks, e nemmeno sarebbe possibile che gli oceani evaporassero come avvenne su Venere. Anche se non e’ realistico pensare che l’effetto serra possa avere conseguenze sulla Terra tali da raggiungere lo stato di Venere (in cui l’acqua e’ evaporata per via dell’alta temperatura), bisogna rendersi conto che non c’e’ assolutamente nulla di unico o stabile nel sistema climatico in cui viviamo, a parte il fatto che l’uomo si e’ geneticamente adattato a viverci. Il clima e’ veramente in grado di trasformarsi rapidamente e raggiungere un nuovo stato di equilibrio che puo’ essere molto diverso da quello odierno.
continua

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FEEDBACK GHIACCIO-ALBEDO

Il feedback ghiaccio-albedo e’ positivo ed e’ dovuto alla caratteristica peculiare dell’acqua di aver lo stato solido (ghiaccio) meno denso dello stato liquido. Il ghiaccio, a differenza dell’acqua (oceano) riflette molta piu’ radiazione solare perche’ e’ bianco, oltre ad essere molto sensibile alla temperatura. Percio’ se la temperatura aumenta, il rapporto tra superficie molto riflettente (ghiaccio) e molto assorbente (oceano) viene alterato, con piu’ superficie coperta da oceano e piu’ radiazione solare assorbita, e conseguente aumento ulteriore della temperatura. Nel clima attuale l’estensione e il feedback ghiaccio-albedo ha carattere stagionale. Nel circolo polare Artico la temperatura estiva non viene amplificata come d’inverno, come verrebbe naturale pensare in gran parte per il fatto che molta della energia proveniente dal Sole in estate viene spesa nei processi di fusione dei ghiacci o evaporazione dell’oceano. Tuttavia, le aree oceaniche aperte, ossia non ricoperte da ghiacci, si sviluppano all’inizio della stagione di fusione dei ghiacci. Esse hanno l’effetto di aumentare la quantita’ di calore contenuta nel mixed layer oceanico e quindi di fondere ancora piu’ ghiacci. Quando la stagione di fusione di ghiacci termina, c’e’ ancora una vasta area di oceano aperto e calore residuo nel mixed layer oceanico. Di conseguenza c’e’ un notevole trasferimento di calore dall’oceano verso lo strato di atmosfera sopra di esso che ha l’ulteriore effetto di prolungare il riscaldamento stagionale dovuto alla radiazione assorbita durante l’estate. Questa amplificazione dell’aumento della temperatura dovuta al meccanismo sopra citato e’ stata notata principalmente in nella stagione autunnale e invernale ma si prevede possa prolungarsi alle stagioni primaverile ed estiva in futuro (Serreze et al.,2009).

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FEEDBACK DI LAPSE RATE

Il lapse rate (ossia variazione della temperatura atmosferica con l’altitudine) e’ un feedback molto importante. Nei Tropici, il lapse rate e’ determinato principalmente dai moti convettivi e la temperatura segue un profilo adiabatico saturo. In un clima piu’ caldo l’alta atmosfera si riscalda maggiormente e riduce i motivi convettivi risultando in piu’ radiazione emessa verso lo spazio. Si tratta dunque di un feedback negativo che in parte compensa l’effetto del feedback del vapore acqueo che invece e’ positivo ed opera anch’esso nell’alta atmosfera. E’ stato dimostrato che questi due meccanismi sono strettamente connessi, al punto che l’incertezza sul feedback complessivo e’ piu’ bassa di quella sui singoli processi.

Nel contesto di riscaldamento globale antropogenico la domanda che ci si pone e’ quanto riscaldamento aggiuntivo si ottiene aumentando la concentrazione di CO2 nell’atmosfera. L’ultimo report dall’IPCC (Intergovernamental panel on climate change) afferma che la temperatura di equilibrio finale varia in un range compreso tra 2°C e 4.5°C. Questo range e’ detto “Charney sensitivity” ed e’ dovuto ai meccanismi di feedbacks (alcuni dei quali sono stati discussi qui). L’incertezza sul valore finale nel range, ossia l’insieme di possibili temperature di equilibrio, e’ causata dal fatto che ancora non si conosce l’esatto meccanismo e l’interazione tra i feedbacks. Il feedback meno conosciuto e’ quello delle nuvole.

La stima di questo range non e’ basata solo su output di modelli climatici, ma e’ stata testata usando dati osservativi e ricostruzioni del clima passato da fossili (per esempio, Knutti e Hegerl 2008). Uno dei problemi di questa stima e’ che e’ difficile determinare il limite superiore. Alcuni dati osservativi aiutano nello stabilire il limite inferiore ma non quello superiore.
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Valori di sensitivita’ climatica (Knutti and Hegerl, 2008)


Recentemente alcuni gruppi di ricerca hanno studiato i cosiddetti “feedbacks lenti” , ossia feedback che hanno durata dell’ordine delle centinaia di anni (Lunt et al. 2010, Pagani et al. 2010). Queste stime risulterebbero in un riscaldamento di circa 5°C, addirittura superiore a quello riportato dall’IPCC.


Articolo originale di Chris Colose
Traduzione di Katinka Bellomo
climalteranti

[Scolari]

I fattori di Feedback sono estremamente importanti riguardo ad una variazione climatica, sono forse quei fattori che subentrano in un secondo tempo, ma sono fondamentali nel descivere qualsiasi variazione climatica avvenuta in passato in quanto possono incidere fortemente sul bilancio radiativo (in particolar modo l'effetto albedo, le nubi le precipitazioni e la composizione chimica dell'atmosfera). Molto importante sottolineare questo aspetto ripreso appunto da questi articoli.

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vi metto anche il link completo cosi' potete leggere i commenti molto interessanti..
http://www.climalteranti.it/2011/03/...ema-climatico/