venerdì 24 marzo 2017

Soffici nuvole

La giornata mondiale della meteorologia, ieri, ha avuto quest'anno come tema le nuvole e la loro - per certi versi - ancora piuttosto difficile comprensione nell'ambito delle simulazioni climatiche. Un post dedicato alle nubi, dunque.

Le nuvole hanno una forte influenza modulante sul bilancio energetico globale. Generalmente si è d'accordo sul fatto che il loro effetto mediato sull'intero globo e su tutto l'anno sia quello di raffreddare il sistema climatico, ma c'è comunque un significativo disaccordo sul valore di questo effetto raffreddante. Per migliorare le stime di questa grandezza, occorre conoscere più in dettaglio la frazione della copertura nuvolosa, il tipo di nube e la quota superiore raggiunta dalle nuvole.
Il parametro più importante per gli studi di bilancio energetico è l'albedo (vedi immagine qui sopra a sx). Anche piccole variazioni nell'albedo delle nuvole sono in grado di influenzare significativamente il clima terrestre. 
In generale, le variazioni di nuvolosità possono, in entrambi i casi (aumento o diminuzione), sia raffreddare che riscaldare il clima perché vengono ad essere coinvolti i flussi di radiazione ad onda corta e ad onda lunga. Invece l'aumento dell'albedo in sé non influenza la radiazione infrarossa, ma la maggior riflessione della radiazione solare porta ad un raffreddamento. 
L'albedo delle nuvole dipende dal loro spessore ottico e quest'ultimo varia con il contenuto di acqua liquida e con la distribuzione dimensionale delle goccioline che formano la nube. Per un contenuto costante di acqua liquida, un aumento del numero di goccioline - per esempio in conseguenza di un aumento della concentrazione di aerosol (vedi immagine qui a lato ma leggi anche per es. qui) - provoca una diminuzione delle dimensioni medie delle goccioline e ciò rafforza l'albedo della nube. Dunque, lo spessore ottico di una nuvola è un parametro importante per il bilancio energetico superficiale e atmosferico. La sua variazione è in grado di alterare la quantità di radiazione riflessa e quindi l'energia che raggiunge la superficie. Evidenze basate sui modelli di circolazione generale mostrano che un aumento dello spessore ottico e del contenuto di acqua / ghiaccio delle nubi può produrre un feedback termico negativo che si oppone al feedback positivo causato dalla modifica della copertura nuvolosa.


Ricordo che forcing e feedback sono due cose differenti e non vanno confuse.

Il forcing delle nubi dipende dagli effetti radiativi associati ai i flussi di radiazione ad onda corta e ad onda lunga. L'immagine sotto riassume i principali casi:

Come si vede, le più calde nubi basse - e fra queste soprattutto quelle con maggior spessore ottico, quindi strati e stratocumuli, vedi immagine a lato ma anche lo schema sotto - esercitano un forcing negativo e raffreddano la terra perché il loro potere riflettente è molto maggiore rispetto al loro effetto serra. Invece le più fredde nubi alte - e fra queste soprattutto quelle con minor spessore ottico, quindi cirri e cirrostrati, vedi immagine a lato ma anche lo schema sotto - esercitano un forcing positivo e riscaldano la terra perché il loro effetto serra è molto maggiore rispetto alla loro capacità di riflessione (nell'immagine sopra con il termine greenhouse si intende la capacità che ha la radiazione ad onda lunga di fuoriuscire dall'atmosfera e quindi quando è negativo significa che la nube intercetta in maniera importante la radiazione infrarossa e riduce fortemente la sua fuoriuscita). Le nuvole con il maggior spessore ottico - come i cumulonembi associati alla convezione profonda o i nembostrati delle linee frontali - sono sia fortemente riflettenti che assorbenti per cui la somma dei due forcing tende ad annullarsi, risultando nel complesso nuvole non particolarmente efficaci nel computo dei forcing radiativi, così come lo sono le nuvole con basso spessore ottico - come cumuli e altocumuli - dal basso potere riflettente e assorbente. Si vedano anche le immagini sotto lo schema.

fonte

Le seguenti due mappe mostrano dove e quali nubi sono maggiormente riflettenti (prima mappa) rispettivamente assorbenti (seconda mappa) su scala globale e annua.

Vediamo, nella prima, il forte potere riflettente delle nuvole con forte spessore ottico, cioè le basse nuvole stratificate e i cumulonembi della convezione profonda, e quello più debole dei cumuli. Nella seconda, invece, si vede il forte potere assorbente delle nuvole più alte, vale a dire i cirri ma soprattutto - nella regione della maggior attività di convezione profonda che è quella tropicale indo-pacifica - i cumulonembi.
L'effetto radiativo netto delle nuvole è rappresentato nella seguente mappa (la terza qui sotto):
L'effetto netto, come si vede e come dicevo ad inizio post, risulta essere nel complesso maggiormente raffreddante (dominano i colori tendenti al verde-azzurro). Le nuvole basse e stratificate come gli stratocumuli risultano essere quelle maggiormente raffreddanti e su scala globale e annua questo effetto si produce soprattutto al di sopra degli oceani alle medie latitudini e nella parte orientale delle zone oceaniche subtropicali (vedi anche prima immagine sotto a dx). Invece, quelle alte come i cirri sono quelle maggiormente riscaldanti e su scala globale e annua questo effetto si produce soprattutto al di sopra delle regioni continentali subtropicali (vedi anche seconda coppia di immagini sotto).

Come si può osservare nelle seguenti immagini, il forcing delle nuvole assume una configurazione generale che segue la variazione stagionale dell'insolazione e delle temperature nei due emisferi. Durante i mesi dei solstizi, nell'emisfero in ombra (soprattutto al di sopra delle alte latitudini oceaniche) le nuvole esercitano un generale forcing positivo (cioè predomina il loro effetto serra riscaldante), mentre in quello rivolto al sole predomina il loro effetto riflettente che raffredda ed il loro forcing è quindi negativo (soprattutto di nuovo alle alte latitudini oceaniche e ad ovvia eccezione delle fredde calotte groenlandese e soprattutto antartica). Durante i mesi dell'equinozio, invece, ad eccezione delle zone subtropicali e delle zone continentali a latitudini medio-alte (soprattutto dell'emisfero dove inizia la primavera), predominano i forcing negativi. Notare comunque come la scala dei valori sia decisamente sbilanciata verso quelli negativi, perché, come detto, le nuvole esercitano nel complesso un forcing maggiormente negativo.
Gli oceani (70% della superficie globale: la parte tropicale 41%, quella boreale 11%, quella australe 18%) rappresentano la superficie più toccata dal forcing negativo generale delle nuvole. 
  




Questo  per quanto riguarda il forcing radiativo esercitato dalle nubi.
Il feedback radiativo, invece, è l'effetto che queste generano sulle temperature medie globali in conseguenza del'andamento termico globale. In generale, le nuvole provocano:

 un feedback positivo se, con il riscaldamento globale, diminuisce la copertura nuvolosa delle quote più basse e la capacità di riflessione di queste nuvole basse e parallelamente aumenta la copertura nuvolosa delle quote più alte e la quota di queste nuvole più alte. È quello che molto modelli si simulazione prevedono che succederà (vedi immagine sotto).


 un feedback negativo se, con il riscaldamento globale, aumenta la copertura nuvolosa delle quote più basse e la capacità di riflessione di queste nuvole basse e parallelamente diminuisce la copertura nuvolosa delle quote più alte e la quota di queste nuvole più alte.

È già possibile osservare qualche tendenza, in questo senso?

Le osservazioni, come dicevo, sono ancora poco incisive e occorre un monitoraggio più preciso e serie di dati più robuste. Tuttavia, qualcosa già c'è e si può azzardare qualche considerazione.
Prendendo una delle banche dati più complete - l'Atlante climatico delle nuvole su oceani e terraferma di Eastman, Warren e Hahn - vediamo se, dove, per quale tipo di nube e come si è verificato un cambiamento della copertura nuvolosa negli ultimi 55 (su oceani, timespan 1954-2008) risp. 39 anni (su terraferma, timespan 1971-2009).

Alcune mappe tratte dal catalogo: i numeri rappresentano il trend delle singole stazioni di osservazione (in decimi di punti percentuali a decennio, in rosso aumento, in blu diminuzione), il trend generale è invece riportato fuori dalla carta. Sono i trend annui della nuvolosità ad alta, media e bassa quota su oceani risp. su terraferma.


 Commento generale:

● Sugli oceani c'è stata una leggera diminuzione delle nuvole (-0,04% a decennio, quindi una riduzione complessiva dello 0,22%), soprattutto sulle latitudini medie e alte e più a DJF che a JJA, mentre per es. nelle regioni tropicali (soprattutto al di sopra di quelle pacifiche e indiane) si è verificato un aumento.
Le nuvole più alte mostrano una ancor più leggera tendenza all'aumento (+0,01% a decennio, quindi un aumento complessivo dello 0,06%), soprattutto alle medie latitudini e soprattutto durante le stagioni dei solstizi (DJF: +0,17% in totale, JJA: +0,33% in totale).
Anche per le nuvole più basse stratiformi si nota un mutamento piuttosto insignificante ma di senso opposto (-0,02% a decennio, dunque una diminuzione complessiva dello 0,11%), soprattutto e quasi unicamente sulla parte orientale degli oceani extra-tropicali e subtropicali e in modo abbastanza importante nel trimestre JJA, mentre per es. durante il trimestre DJF c'è stato un leggero aumento (+0,17% in totale) in particolare sui tropici ma anche alle alte latitudini.
Le nuvole alle quote medie mostrano il cambiamento più importante, di un ordine di grandezza percentuale superiore rispetto alle nuvole più alte e più basse: una diminuzione dello 0,1% a decennio (quindi -0,55% in totale), soprattutto sul Pacifico tropicale ma anche al di sopra dell'Indiano e alle alte latitudini e in particolare durante il trimestre DJF (-1,32% in totale).

● Sulla terraferma c'è stata una diminuzione più consistente rispetto alle zone oceaniche, di un ordine di grandezza percentuale superiore (-0,41% a decennio, dunque una riduzione complessiva dell'1,6%), riduzione evidente in entrambe le stagioni DJF e soprattutto JJA e a tutte le quote.
Le nuvole alle quote medie e alte sono quelle che mostrano la riduzione maggiore: -0,23% a decennio (quindi: -0,9% in totale) la diminuzione della copertura nuvolosa alle quote più alte (soprattutto a JJA) risp. -0,33% a decennio (quasi -1,3% in totale) quella delle nuvole alle quote medie (di nuovo soprattutto a JJA ma pure a DJF). Meno marcata la diminuzione della copertura nuvolosa stratiforme alle quote più basse (-0,12% a decennio, quindi quasi -0,5% in totale), riduzione anche in questo caso più evidente nel trimestre JJA.

Riassumendo per effetto radiativo:  poca variazione delle riscaldanti nuvole più alte sugli oceani (con leggero aumento sugli oceani delle medie latitudini soprattutto boreali) ma diminuzione delle stesse sui continenti. Poca variazione anche delle raffreddanti nuvole stratiformi più basse sugli oceani (ma con una diminuzione sulla parte orientale delle zone oceaniche subtropicali) e leggera diminuzione delle stesse sui continenti. Diminuzione sia sugli oceani che sui continenti della copertura nuvolosa delle quote medie, quella che ha meno effetti radiativi marcati.
In generale, quindi, si potrebbe dedurre che la variazione della copertura nuvolosa globale abbia avuto un effetto netto piuttosto insignificante anche se nel complesso leggermente riscaldante.

È poco probabile che il forcing radiativo esterno (antropogenico e/o naturale che sia) abbia avuto un ruolo diretto importante in questa leggera variazione del trend della copertura nuvolosa globale; ma è altresì poco probabile che la variabilità interna possa aver prodotto un trend specifico su un lasso temporale di qualche decennio (senza contare che potrebbe anche essere il risultato di effetti opposti sovrapposti su finestre temporali più corte lungo tutto il periodo). Una risposta interna del sistema climatico a forcing radiativi esterni potrebbe rappresentare una possibile chiave di lettura attributiva.

Un occhio di riguardo particolare, infine, per il pixel rappresentato dalla  nostra regione, quella alpina. Qui diminuzione della copertura nuvolosa generale è stata più massiccia rispetto alla media globale: -1,2% a decennio, ovvero -4,7% in totale, soprattutto in inverno (quasi -8% in totale) e primavera (-8,6% in totale), un po' meno in estate (-6,2% in totale) mentre in autunno c'è stato un leggero aumento (circa +3% in totale). In questa regione, però, sono soprattutto le riflettenti nuvole più basse ad essere diminuite di più: -1% a decennio (per un totale di quasi il 4% in meno), soprattutto in primavera (quasi -7,5% in totale) ed estate (-6,2% in totale), un po' meno in inverno (-4,3% in totale) mentre l'autunno è l'unica stagione che denota un leggero aumento a tutte le quote e quindi anche in basso (+2,3% in totale). La copertura nuvolosa alle quote medie (-0,8% a decennio, per un totale di circa il 3% in meno, soprattutto in inverno e con il solito autunno in controtendenza) e a quelle alte (-0,4% a decennio, per un totale di circa 1,6% in meno) è diminuita un po' meno: le nubi alle quote più alte sono diminuite in modo più importante in inverno (quasi il 5,5% in meno in totale), mentre in estate e nel solito autunno sono leggermente aumentate (quasi dell'1% in totale).

Questo andamento potrebbe anche aver contribuito, nel suo piccolo, al marcato aumento termico della regione alpina, doppio rispetto alla media globale. Ipotesi ancora tutta da valutare.


mercoledì 22 marzo 2017

Un quarto di secolo di acqua

Oggi, giornata internazionale dell'acqua, si festeggiano i 25 anni di sensibilizzazione su questo importantissimo tema. Istituita dalle Nazioni Unite nel 1992 con l’obiettivo di sensibilizzare e promuovere azioni concrete per la tutela delle risorse idriche, la giornata di quest'anno ha come tema il waste water. Tecnicamente, con tale termine si indicano i reflui che vengono scaricati nei corsi d’acqua dagli impianti di depurazione civili e industriali; in senso più ampio, invece, ci si riferisce a tutte le acque inquinate che raggiungono quelle superficiali. Vedi anche qui.

martedì 21 marzo 2017

Foreste e clima


Oggi, giornata internazionale delle foreste (quest'anno il tema è "foreste ed energia", vedi anche qui per un excursus inter-disciplinare), dopo parecchio tempo torno a parlare di foreste e clima (vedi per es. qui o qui).
Da qualche anno ci sono in rete anche interessanti e utili mappe che mostrano la situazione generale: questa per esempio mostra i principali hotspot della deforestazione, quest'altra dell'università di Maryland  (commentata qui) mostra il cambiamento globale della copertura forestale nell'ultimo decennio e mezzo. A proposito di quest'ultimo istituto: la recente pubblicazione di Potapov et al. ha mostrato come fra il 2000 e il 2013 sia sparito globalmente il 7,2% delle foreste vergini, se ne è andata infatti una superficie di più di 900 mila kmq di selve incontaminate (un'area grande come il Venezuela), i 3/5 della quale nelle zone tropicali (vedi slide sotto con la sintesi del lavoro).

lunedì 20 marzo 2017

Ai confini del mondo



90 giorni per circumnavigare l’Antartide ed effettuare migliaia di esperimenti scientifici alla ricerca delle complesse interazioni esistenti fra il clima, l’oceano e l’affascinante continente australe, un universo decisamente ancora poco conosciuto ed indagato.
Era questo l’obiettivo dell’ACE (Antarctic Circumnavigation Expedition) la missione di ricerca guidata dal neonato Istituto polare svizzero che ha concluso il suo viaggio proprio ieri a Città del Capo in Sudafrica.
Noi ne avevamo già parlato qui (nella seconda parte del post).

lunedì 13 marzo 2017

Storie di anticipi

Erba di cotone artica in riva al mare della Groenlandia. Il falasco è in anticipo di quasi un mese sul suo naturale calendario, rispetto a 10 anni fa.

La primavera boreale anticipa il proprio inizio sul calendario come mai in precedenza da quando è iniziato il monitoraggio ambientale. Nelle regioni artiche, inizia in media 26 giorni prima rispetto ad un decennio fa e questo sta causando problemi al ciclo naturale delle piante e alla fauna selvatica, come mostra uno studio recentemente pubblicato. Alle medie latitudini, sta anticipando meno velocemente rispetto a quelle più a nord (in media con una velocità di un ordine di grandezza inferiore), ma sempre troppo rapidamente rispetto al naturale equilibrio dei vari ecosistemi. Le evidenze vengono da questi testimoni silenziosi, le specie naturali che rispondono ai segnali del clima. La scienza relativamente giovane della fenologia - la registrazione della data di calendario del primo germoglio, del primo fiore,  del primo comportamento di nidificazione e dei primi arrivi di uccelli migratori -, nel corso degli ultimi decenni, ha più volte confermato i timori meteorologici del riscaldamento globale come conseguenza della combustione di combustibili fossili.

lunedì 6 marzo 2017

Vendicati i "modellini farlocchi"


Il record termico della temperatura media globale (Trenberth 2015) e quello della concentrazione atmosferica di CO2 (linea rossa tratteggiata). 

Wally Broecker torna sulla sua proiezione climatica effettuata nel 1975 e pubblicata su Science. Apparentemente una proiezione parecchio azzeccata, ma Wally è molto critico con se stesso - alla sua età e con la sua esperienza, come non poterselo permettere? - , per es. dice
based on the words “global warming” in my Science paper, I was given the title “Father of Global Warming.” Not only did I not like this title, I had done little to merit it.

sabato 4 marzo 2017

Il tempo, il clima e...le ciliegie alternative


La rapida e attuale fluttuazione al ribasso dell'estensione dei ghiacci marini che circondano l'Antartide è impressionante - dopo anni di leggera crescita e con un trend pluriennale positivo (trend lineare: +200.000 km^2/decennio, fonte: NSIDC) dettato principalmente da motivi di circolazione atmosferica, venti e precipitazioni - ma non è che la risposta ambientale delle particolari condizioni meteorologiche che sta vivendo il perimetro del grande continente bianco in questa breve ma estrema estate australe, condizioni particolari iniziate già nella scorsa primavera (vedi immagini e animazione sotto).

giovedì 2 marzo 2017

Approvato l'accordo di Parigi

Il Parlamento svizzero, con 130 voti contro 60 e 3 astensioni, ha autorizzato il Governo oggi, giovedì, a ratificare l'accordo di Parigi sul clima. Respinta dall'assemblea la proposta della destra di non entrata in materia. La camera alta deve ancora pronunciarsi.
L'intesa in questione, approvata da più di 190 Stati nel dicembre del 2015, punta a proseguire gli sforzi volti a contenere l'aumento a 1,5 gradi centigradi della temperatura del pianeta. Tutti i paesi firmatari, fra i quali anche la Svizzera, sono vincolati a presentare ogni 5 anni obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra e ad adottare misure in materia sul piano nazionale.

domenica 26 febbraio 2017

O neve mia...

Il comprensorio sciistico senza neve di Corviglia, sopra St Moritz, a fine dicembre 2015.
La stazione visibile di El Paradiso è ubicata a circa 2200 mslm

Entro la fine del secolo il livello di innevamento naturale sulle Alpi salirà da 500 a 700 metri, spiega il climatologo Reto Knutti nell'intervista qui sotto.
Knutti  è co-autore di un nuovo rapporto sull'impatto del cambiamento climatico in Svizzera (vedi anche qui), in particolare ha contribuito alla parte 1 ("basi fisiche") e alla 3 ("mitigazione").
Knutti è fisico dell'atmosfera e professore ordinario presso l'ETH di Zurigo. Lavora con i modelli climatici matematici che descrivono gli effetti dei gas serra nell'atmosfera. Knutti è uno dei principali autori del Working Group I del quinto e ultimo rapporto dell'IPCC, Contributor, Expert Reviewer, Draftin Author dell'SPM, Lead Author del TS, Contributing Author del cap. 5, del cap. 9 e del cap. 10 e Coordinating Lead Co-Author del cap. 12 dedicato alle proiezioni a lungo termine del cambiamento climatico.
L'intervista è corredata da diverse immagini che sono associate a parte delle sue risposte.
A seguire, dopo l'intervista, un riassunto di un recente lavoro appena pubblicato sul destino segnato della stagione invernale alpina.