L’effetto Iris

Le dinamiche del sistema clima ruotano tutte attorno al concetto di bilancio radiativo, ovvero allo scambio di energia tra il pianeta Terra e lo spazio. E’ ormai noto che questo bilancio è per noi positivo, cioè, il pianeta assorbe e sfrutta per le sue dinamiche interne più energia di quanta non ne emetta. Circa i due terzi della radiazione ricevuta, restano infatti a disposizione sotto forma di calore in atmosfera, negli oceani e sulle terre emerse, favorendo il riscaldamento del nostro habitat. Questo rende il pianeta adatto alla vita per come la conosciamo.

Per comprendere esattamente come questo avvenga è necessario individuare quali siano gli elementi all’interno del sistema che hanno un ruolo predominante. Negli ultimi decenni sono stati fatti enormi passi avanti nella comprensione di questi meccanismi, grazie allo sviluppo tecnologico delle tecniche di osservazione e monitoraggio, in particolar modo attraverso l’impiego di sensori montati a bordo dei satelliti meteorologici. Molta parte degli sforzi sono però paradossalmente andati nella direzione sbagliata, ovvero si sono concentrati sugli effetti che potrebbero avere sul sistema le variazioni di elementi secondari, pur importanti, ma certamente meno decisivi di altri. E’ il caso dell’attenzione dedicata all’accentuazione dell’effetto serra ad opera dell’aumento della concentrazione di anidride carbonica, della quale sappiamo ormai praticamente quasi tutto, mentre ci sono ancora molte incertezze sul ruolo del gas serra di primaria importanza, il vapore acqueo, della fisica delle nubi e delle precipitazioni, che pure sono determinanti nel gioco di feedback che regola il funzionamento del sistema.

Il vapore acqueo è infatti molto più efficiente nell’effetto serra di quanto non lo sia l’anidride carbonica, perché è molto più abbondante e meglio distribuito in atmosfera. Dunque come mai è stata dedicata più attenzione alla CO2 che al vapore acqueo? Ci sono alcune motivazioni di carattere politico ed economico certamente, ma anche dal punto di vista fisico, si deve riconoscere alla CO2 la capacità  di intervenire nel trattenere la radiazione ad onda lunga riemessa dalla terra in quelle piccole finestre dello spettro elettromagnetico in cui il vapore acqueo non è efficiente. In pratica se il vapore acqueo è il contenitore, la CO2 sarebbe il tappo che lo sigilla definitivamente.

In questo post cercheremo di occuparci di un aspetto che riguarda questa seconda motivazione, piuttosto che andare a ripercorrere scenari di natura esterna al sistema, dei quali abbiamo del resto ampiamente parlato anche di recente.

Già molti anni fa, un climatologo tra i più accreditati, Richard Lindzen del MIT, cominciò ad investigare su quell’intima relazione che c’è tra la distribuzione del vapore acqueo in atmosfera e la formazione delle nubi. Per farlo Lindzen scelse le latitudini tropicali, cioè quelle dove, grazie alla potente convezione che contraddistingue quella parte del pianeta, queste dinamiche sono maggiormente evidenti. Partendo dall’analisi di immagini provenienti da un satellite militare, si evidenziò che ai tropici ci sono regioni con umidità  molto elevata ed altre con umidità  molto scarsa, e queste zone sono normalmente limitate da confini molto ben definiti. Le nubi, dal canto loro, oltre ad indicare aree con elevata concentrazione di vapore acqueo, avrebbero anche la proprietà  di far aumentare l’umidità  nelle zone limitrofe (Lindzen 2001). E’ a queste nubi quindi che il team di Lindzen decise dedicare maggiore attenzione. La campagna di osservazione interessò un’area sovrastante l’oceano Pacifico, normalmente caratterizzata da temperature di superficie piuttostro elevate (Indo Pacific Warm Pool).

La nuvolosità, possiede una proprietà  raffreddante se bassa ed è normalmente invece considerata un forcing positivo se di tipo alto. L’attività  convettiva notoriamente produce una grande quantità  di copertura media e bassa, quindi con forcing negativo, ma, specialmente alle basse latitudini, da questa convezione scaturisce anche molta nuvolosità  alta e sottile, quelli che noi conosciamo come cirri da cumulonembo. Lo scopo della ricerca era di cercare una correlazione tra le temperature di superficie dell’oceano e la quantità  di nubi alte che potevano “sfuggire” al top della convezione. In effetti, al crescere delle temperature di superficie, la quantità  di cirri era soggetta a diminuzione, per cui si assisteva anche ad una diminuzione del forcing positivo di questo tipo di nuvolosità. In pratica, un aumento di temperatura al suolo o negli strati più bassi, generava una convezione più intensa, delle precipitaizoni più efficienti e quindi una minor quantità di vapore condensato sotto forma di piccoli cristalli di ghiaccio nella parte superiore della nube; proprio quei cristalli da cui sono formate le nubi alte e sottili.

Questo meccanismo particolare fu battezzato “Iris Effect“, perché in effetti, sembrava che l’atmosfera possedesse la capacità di innescare un meccanismo di mitigazione all’accrescimento dell’effetto serra. Salgono le temperature ma si innescano dinamiche che diminuiscono l’efficienza del potere di trattenimento delle nubi alte, consentendo ad una maggior quantità di radiazione infrarossa di sfuggire verso l’alto, piuttosto che essere imprigionata negli strati più bassi ed accrescere ulteriormente l’energia termica diponibile al riscaldamento. Proprio come si comporta l’iride dell’occhio umano che si allarga e si restringe in funzione della quantità di luce da cui sono colpiti i nostri occhi.

Questo complesso meccanismo di feedback potrebbe essere molto importante e potrebbe anche fornire una spiegazione alla differenza che attualmente esiste tra trend osservato delle temperature e le proiezioni dei modelli di simulazione climatica. In assenza di qualsiasi feedback, il riscaldamento che potrebbe derivare da un raddoppio della concentrazione di CO2 è stimato attorno ad 1°C e questo aumento è in effetti consistente con quanto sin qui osservato. Le simulazioni però tengono conto di un potente fattore di accrescimento della temperatura originato dalla variazione della concentrazione di vapore acqueo che seguirebbe ad una maggiore evaporazione dalla superficie degli oceani. L’effetto Iride potrebbe rappresentare una sorta di mitigazione naturale della temperatura, favorendo la contrazione delle zone interessate da nubi alte che trattengono il calore verso il basso.

Come era giusto che accadesse e come dovrebbe accadere per ogni nuova teoria elaborata da un team di ricercatori, ci sono state altre campagne di osservazione che avevano lo scopo di riprodurne i risultati. Tra queste, una in particolare è giunta a conclusioni molto diverse. Potendosi avvalere del contributo di osservazioni più dettagliate, grazie all’impiego dei sensori montati su satelliti tecnologicamente più avanzati (sensori CERES), un gruppo di ricercatori capitanati da Bing Lin (NASA LaRC), trovò in effetti un forcing nelle nubi al variare della temperatura di superficie degli oceani, ma piuttosto che il vistoso fattore raffreddante ipotizzato da Linzen, identificò un debole fattore riscaldante. In pratica al variare della temperatura di superficie si produrrebbe un debole ulteriore aumento della temperatura, pari a circa 0,1°C, una reazione di segno opposto del forcing negativo dei precedenti eperimenti che si aggirava tra 0,45 e 1,1°C (Lin et al 2001).

Le differenze tra queste due campagne di ricerca sono sostanzialmente tre. La prima consiste nella scelta da parte di Lindzen di un’area a detta di Lin non adatta a questa sperimentazione, perché le SST di quella zona sono significativamente più alte che nel resto dei tropici e dunque la convezione è più potente che altrove; inoltre, ad un aumento delle temperature corrisponde sì una variazione del tipo di nuvolosità  che si forma, ma anche e soprattutto un’importante variazione della quantità della copertura nuvolosa in valore assoluto, tale da favorire comunque un maggiore assorbimento di radiazione diretta. Secondariamente Lin era in disaccordo con il modello di fisica delle nubi utilizzato da Lindzen, in quanto riteneva che le nubi basse pur avendo un elevato potere raffreddante, coprono una porzione minima del cielo rispetto a quelle alte, che sono dunque più importanti nel bilancio energetico totale. Infine, sempre secondo Lin, le misurazioni effettuate con i sensori CERES rivelerebbero che la quantità di energia che sfugge dall’atmosfera sulle regioni umide e coperte da nubi è significativamente superiore a quanto assunto dal gruppo di Lindzen, 155 Watts piuttosto che 138 Watts.

Attualmente i due sono ancora ognuno sulle proprie posizioni. Appare chiaro che saranno necessarie delle osservazioni mirate ed una più approfondita conoscenza della fisica delle nubi e del comportamento del vapore acqueo per comprendere se questo effetto Iris esiste davvero o se piuttosto, il forcing cui sono sottoposte le regioni ad alta temperatura ed abbondante convezione, è invece ulteriormente positivo. Dal canto nostro attualmente possiamo soltanto notare che mancano ancora molti tasselli alla comprensione delle dinamiche del sistema, visto che il riscaldamento prodottosi negli ultimi decenni del secolo scorso, in presenza di un forte aumento della concentrazione di anidride carbonica, è prossimo, se non addirittura inferiore ai valori dell’ipotesi no-feedback. Dal momento che questi invece ci sono si tratta di capire come mai la loro somma è attualmente in pareggio e non si produce quel veloce riscaldamento ipotizzato dai modelli di simulazione.

Nel recente passato è comparso uno studio (Spencer, Christy, Braswell e Hnilo 2007 – Geophysical Research Letters) che ha fornito ulteriori informazioni per tentare di dirimere la questione. Analizzando una serie di quindici tra le più accentuate e rapide rapide fluttuazioni di temperatura occorse ai tropici nel breve-medio periodo (30-60 giorni) nell’arco di tempo di sei anni, e raccogliendo dati di quantità  di precipitazioni, temperature dell’aria e di superficie, nubi alte e basse e radiazione riflessa, assorbita e riemessa, questo gruppo di studio ha osservato che al crescere della temperatura aumentano le nubi e le precipitazioni, cioè quanto viene in effetti previsto anche nei modelli di simulazione climatica. Tuttavia a questo aumento corrisponde invece poi una rapida diminuzione della quantità  di energia infrarossa intrappolata in atmosfera nelle regioni con copertura nuvolosa. La causa di questa diminuzione sarebbe nella rapida diminuzione della quantità  di nubi alte presenti in queste zone, in qualche modo “rispolverando” la teoria dell’Iris Effect di Lindzen e soci.

Chiaramente questi meccanismi di breve-medio periodo sono difficilmente adattabili alla complessità  del sistema nel lungo periodo, ovvero su scala temporale climatica e non meteorologica, tuttavia, semmai ce ne fosse bisogno si deve prendere atto ancora una volta che la fisica e la dinamica delle nubi, direttamente derivate dal comportamento del vapore acqueo, rivestono un ruolo importantissimo nel sistema. Se le stime che circolano sono corrette, cioè se è vero che il vapore acqueo è responsabile di una percentuale dell’effetto serra che oscilla attorno all’80%, va da sé che solo una loro maggiore comprensione ai fini della loro riproducibilità  nei modelli di simulazione potrà  fornire delle informazioni attendibili sul futuro del clima. Tutto ciò, naturalmente, ferma restando la condizione di assoluto predominio sull’intero sistema della fonte primaria di energia, cioè la forzante solare e le sue variazioni.