Il contenuto di calore degli oceani: questo sconosciuto.

Mi sono occupato già diverse volte del problema del contenuto di calore degli oceani. L’ultima occasione è stata un commento di un articolo scientifico pubblicato qualche mese fa.  Grazie ad una segnalazione di G. Guidi, ho avuto la fortuna di scovare una lunga serie di articoli che si occupano dell’argomento e che sono stati recensiti da J. Curry nel suo blog.

Molto interessante mi è parso un articolo segnalato qualche settimana fa da G. Guidi:

The Little Ice Age and 20th century deep Pacific cooling  a firma di G. Gebbie e P. Huybers.

Gli autori sulla scorta di una serie di misure effettuate oltre un secolo fa, di una serie di misure più recenti e degli output di un modello matematico che descrive l’evoluzione del profilo termico verticale dell’oceano in funzione delle temperature superficiali ed atmosferiche, ricostruiscono il contenuto di calore degli oceani nel corso di un millennio circa. Essi calcolano innanzitutto il contenuto di calore dell’Oceano Pacifico e dell’Oceano Atlantico nella seconda metà del XIX secolo sulla base dei rilievi effettuati dalla spedizione del vascello Challenger nel 1874/1875 e lo confrontano con quello ottenuto sulla base delle misure della missione WOCE che nel corso degli anni ’90 del secolo scorso ha provveduto alla misurazione di una serie di parametri idrografici in moltissimi punti della superficie oceanica terrestre, in particolar modo delle temperature oceaniche a varie profondità.

Gli esiti del confronto hanno consentito di acclarare che relativamente all’Oceano Pacifico, la zona compresa tra 0 e 1500 metri di profondità, circa, si è riscaldata in modo molto evidente. Viceversa la zona al di sotto dei 1500 metri ha fatto registrare un raffreddamento statisticamente significativo.  Per l’Oceano Atlantico, invece, le cose sono andate in modo alquanto diverso: il riscaldamento ha riguardato tanto la superficie che le acque profonde (fino a 3500 metri). Dopo i 3500 metri si registra un raffreddamento anche delle acque atlantiche.

Gebbie e P. Huybers hanno utilizzato un modello matematico per ricostruire il profilo verticale di temperature in funzione del tempo ed hanno utilizzato i profili di temperatura verticale ricavati dalle misure di Challenger e WOCE, per calibrare il modello stesso. Sulla base dei risultati ottenuti, i due ricercatori concludono che la dipendenza del contenuto di calore degli oceani dalla temperatura superficiale non può essere considerata una relazione banale, ma una relazione estremamente complessa. In particolare il calore immagazzinato nella parte di oceano più vicina alla superficie, impiega tempi diversi per propagarsi agli strati più profondi dell’oceano. Le parti più profonde dell’Oceano Pacifico, per esempio, si riscaldano (raffreddano) anche diversi secoli dopo che si sono riscaldate (raffreddate) le acque più superficiali. L’Oceano Atlantico segue invece regole diverse, probabilmente a causa del diverso modo in cui agiscono le correnti termoaline. Per quel che riguarda le acque del Pacifico, gli autori sostengono che l’attuale raffreddamento delle acque oceaniche profonde è un effetto della Piccola Era Glaciale.

Le mie perplessità circa la metodologia utilizzata per lo studio, sono diverse.  In primo luogo il volume oceanico indagato direttamente è estremamente ridotto (una piccola percentuale del totale) sia dal punto di vista temporale che spaziale. L’elaborazione modellistica riguarda un ampio intervallo temporale (diversi secoli) e una grossa percentuale della massa oceanica.
Mi sembra che ci troviamo di fronte ad un’estrapolazione piuttosto impegnativa: i risultati di circa due secoli di dati vengono utilizzati per sintonizzare circa 20 secoli di simulazione.

Altrettanto perplesso mi lascia il grande intervallo di incertezza che caratterizza i risultati ottenuti.
Lo scrivo quando i risultati di alcuni studi non mi piacciono e lo ribadisco anche per uno studio le cui conclusioni concordano con il mio pensiero: non mi sembra corretto utilizzare due pesi e due misure.
Tutto ciò premesso, le conclusioni dell’articolo sono piuttosto interessanti. In primis esso manda a carte quarantotto una delle spiegazioni più accreditate del cosiddetto “calore mancante” o “mannaro” che dir si voglia, ovvero di quel calore che non fa quadrare il bilancio energetico del sistema climatico terrestre. Secondo K.E. Trenberth il calore mancante si sarebbe inabissato nelle profondità oceaniche, determinando un aumento delle temperature delle acque abissali: il calore mancante si troverebbe, quindi, in fondo al mare. Stando ai risultati di questo studio, invece, ci vogliono secoli se non millenni perché il calore superficiale si propaghi agli strati più profondi dell’oceano: pochi decenni non sono sufficienti e, pertanto, questa ipotesi non sembra più idonea a spiegare la differenza tra gli output modellistici e le osservazioni. Questo vale però solo per l’Oceano Pacifico mentre per l’Oceano Atlantico il discorso è parecchio diverso e la tesi di Trenberth appare più plausibile.

Altro aspetto importante dello studio di G. Gebbie e P. Huybers riguarda la quantità di calore assorbito dagli oceani nel corso del 20° secolo. Stante la dinamica ipotizzata dagli autori, il riscaldamento delle acque superficiali sperimentato nel corso dell’epoca post industriale, non deve essere imputato esclusivamente al riscaldamento globale generato dalla CO₂, ma per circa il 25% al calore ceduto dalle acque più profonde a quelle superficiali. Potremmo dire, quindi, che parte del riscaldamento globale atmosferico potrebbe anche essere conseguenza del raffreddamento delle acque profonde e, quindi, la sua origine dovrebbe essere fatta risalire al periodo caldo medievale.  Insomma una bella botta alle certezze che circolano negli ambienti pro AGW.

Se la quantità di calore assorbita dagli oceani nel corso del 20° secolo è, pertanto, inferiore a quella prevista dagli studiosi, significa che anche i valori della sensibilità climatica all’equilibrio e di quella transitoria, devono essere rivisti al ribasso. E questa non è cosa di poco conto.

Le novità non finiscono qui, però. Sempre scorrendo la lista stilata da J. Curry, troviamo un altro articolo molto interessante:

CERA-20C: A Coupled Reanalysis of the Twentieth Century di P. Loyalaux et al.

CERA è un modello accoppiato oceano-atmosfera e viene utilizzato dall’ECMWF per effettuare rianalisi recenti di parametri atmosferici ed oceanici. CERA- 20C è una versione del modello CERA che è stata implementata per ricostruire i parametri terrestri ed oceanici dell’intero XX secolo, utilizzando una griglia orizzontale con maglie di 125 km di lato e che si sviluppa su   91 livelli verticali.  L’articolo citato si occupa di diversi parametri: temperature superficiali, pressioni, contenuto di calore degli oceani, cicloni tropicali e via cantando. Per quel che riguarda il nostro oggetto di discussione, ovvero il contenuto di calore degli oceani, bisogna considerare il capitolo 5 dell’articolo. In tale capitolo gli autori dopo aver illustrato i vantaggi nell’uso dei modelli accoppiati oceano-atmosfera rispetto a quello dei modelli non accoppiati, commentano i risultati ottenuti. Particolarmente istruttiva è la fig. 10 dell’articolo, di cui riporto un adattamento elaborato sulla base grafica estratta dal post di J. Curry.

In tale figura sono riportati i grafici rappresentanti il contenuto di calore degli oceani nel corso del XX secolo nella fascia superiore ai 300 metri di profondità (pannello in alto a sinistra) nella fascia superiore ai 700 metri di profondità (pannello in alto a destra) e quella dell’intera colonna d’acqua (pannello in basso). Dall’analisi dei diagrammi si può notare che il contenuto di calore della fascia più superficiale degli oceani, è aumentato nel periodo compreso tra l’inizio del secolo e la metà del secolo, raggiungendo il massimo valore tra il 1940 ed il 1960. Successivamente è sceso fino a portarsi ai livelli di inizio secolo e, dopo un breve periodo in cui ha oscillato intorno a valori mediamente bassi, ha ricominciato ad aumentare fino a raggiungere i valori attuali che, in ogni caso, sono più bassi di quelli degli anni ’50 del secolo scorso. Gli altri due pannelli evidenziano un andamento leggermente diverso, in quanto manca il massimo degli anni ’50 e l’incertezza delle misure è notevolmente più elevata. Gli autori fanno notare, infine, che l’incertezza dei risultati dipende in massima parte dalla carenza di osservazioni che vincolino il modello. Essendo il numero di osservazioni piuttosto ridotto alle maggiori profondità e nella prima parte del secolo, non stupisce l’ampiezza della banda di incertezza e l’andamento piuttosto discontinuo dei diagrammi.

Mi sembra che ci sia poco da aggiungere alle considerazioni degli autori: le misure disponibili nella prima metà del secolo scorso sono poche, soprattutto al di sotto dei 300 metri di profondità, per cui le stime del contenuto di calore degli oceani nelle acque profonde è molto imprecisa. Tali misure, inoltre, interessano volumi oceanici molto piccoli e, quindi, una percentuale molto ridotta della massa oceanica.

A questo punto appare evidente un fatto: il contenuto di calore degli oceani è una grandezza piuttosto incerta o, per essere più precisi, è piuttosto incerta la sua evoluzione storica. In altri termini non sappiamo quanto calore fosse contenuto negli oceani prima della metà del secolo scorso, per cui mi viene da sorridere quando sento parlare di incrementi senza precedenti del contenuto di calore degli oceani negli ultimi decenni.

Poiché gran parte dei modelli climatici sono dei modelli accoppiati oceano-atmosfera, in cui il contenuto di calore degli oceani gioca un ruolo molto importante, appare evidente che le incertezze che caratterizzano il valore del contenuto di calore degli oceani, si ripercuotono pesantemente nei risultati delle elaborazioni di questi modelli e, quindi, sugli scenari che essi delineano. Si potrebbe pensare, però, che le incertezze siano relegate al passato, per cui esse non dovrebbero influenzare le elaborazioni dei modelli inizializzati con le condizioni attuali. Non è proprio così, in quanto le incertezze sono piuttosto ampie anche sul contenuto di calore attuale degli oceani.

A quanto ammontano queste incertezze nella stima del contenuto di calore oceanico? A questa domanda fornisce una risposta, purtroppo parziale, un altro articolo recensito da J. Curry:

Towards determining uncertainties in global oceanic mean values of heat, salt, and surface elevation di C. Wunsh.

In questo articolo vengono esaminati gli errori di tipo stocastico commessi nella stima di alcuni parametri che caratterizzano gli oceani e l’atmosfera attraverso le elaborazione modellistiche. Tale analisi viene effettuata per il periodo compreso tra il 1994 ed il 2013 perché la mole di dati che caratterizzano questo periodo, è tale da consentire una loro trattazione statistica.  Non si sono presi in considerazione gli errori sistematici, cioè quelli legati alle schematizzazioni fisiche dei processi di scambio termico atmosfera oceano ed al rumore legato all’elaborazione numerica, in quanto ciò richiederebbe una profonda revisione del codice di calcolo utilizzato.

Lo studio è incentrato su di un modello di circolazione oceanica globale (ECCO 4), ma i risultati possono essere estesi a tutti i modelli di circolazione globale esistenti.  Wunsh parte da una constatazione piuttosto sconfortante: non è possibile determinare le incertezze insite negli output modellistici con metodi matematici rigorosi, in quanto tali metodi richiederebbero potenze di calcolo oggi non disponibili.  Né è possibile una trattazione statistica rigorosa, in quanto i modelli di calcolo generano strutture deterministiche. Il procedimento utilizzato per la stima dell’incertezza, è, pertanto, di tipo euristico, ovvero basato su ipotesi particolari. Nella fattispecie l’ipotesi formulata dall’autore, è che per brevi periodi (venti anni sono un breve periodo per processi secolari se non millenari) le grandezze in gioco non sono in grado di strutturarsi e, quindi, rendono possibile una trattazione statistica dei dati e, pertanto, determinare i livelli di incertezza che li caratterizzano. L’ipotesi mi sembra plausibile, per cui i risultati ottenuti, possono essere  condivisibili. Tralasciando il complesso armamentario matematico utilizzato dall’autore (chi sia interessato può attingere direttamente dal testo liberamente accessibile), lo studio consente di appurare che gli oceani, nel ventennio compreso tra il 1994 ed il 2013, hanno aumentato il loro contenuto di calore ad un ritmo pari a 0,48 ± 0,16 W/m² inclusi 0,095 W/m² di riscaldamento geotermico. L’incertezza associata a tale valore si aggira intorno al 30% circa (due deviazioni standard) e rappresenta il suo limite inferiore.

Tale tasso di riscaldamento degli oceani non è molto diverso da quello calcolato da Levitus per il periodo 1955-2010, per cui non credo di sbagliare se scrivo che il tasso di riscaldamento degli oceani è praticamente costante da oltre mezzo secolo.

Sono rimasto molto sorpreso dal fatto che il calore geotermico (vulcani, decadimento di nuclei radioattivi e via cantando) rappresenta un’aliquota considerevole del riscaldamento oceanico: poco meno del 20%. In passato ho avuto qualche scambio di opinioni con un lettore di CM in cui sostenevo che il calore geotermico avesse influenza trascurabile sull’aumento del contenuto di calore oceanico: alla luce di questo studio devo riconoscere pubblicamente che avevo torto.

Alla luce di quanto ho avuto modo di illustrare in questo articolo, giungo alla conclusione che le nostre conoscenze circa il contenuto di calore degli oceani sono piuttosto limitate e che ciò dipende sia dal ridotto numero di rilievi effettuati (da un punto di vista spaziale e da un punto di vista temporale), sia dalla scarsa conoscenza delle dinamiche con cui il calore si trasmette all’interno degli oceani.

Altro aspetto di estremo rilievo è che una percentuale notevole (oltre il 40%) del contenuto di calore oceanico, dipende da cause cui io non avevo mai pensato: il raffreddamento delle acque abissali ed il calore geotermico. Questo comporta, come ho già avuto modo di scrivere, la necessità di una drastica riduzione dei valori della sensibilità climatica all’equilibrio e di quella transitoria, una drastica revisione delle cause che determinano l’innalzamento del livello del mare (relativamente alla componente sterica, ovvero volumetrica legata alla dilatazione termica) e, quindi, delle ipotesi a base dei modelli empirici del livello del mare.

Bisogna, infine, rivedere molte delle ipotesi a base dei modelli di circolazione globale accoppiati oceano-atmosfera. E questo non lo dico solo sulla base di quanto ho letto negli studi citati, ma anche sulla base di un report interno alla NOAA che nella post fazione, scrive a chiare lettere che

For the ocean, almost all of the net energy of the earth from the sun is absorbed in its volume from the surface to the bottom. More quantitatively, in the atmosphere/ocean system, approximately 95 percent of the heat is in the ocean. Therefore, it is essential that scientists know where this heat is being stored in the ocean water column, and how it might be impacting the circulation of the ocean, not just in the near surface region, but also at depth.

Questo tema viene sviluppato ed approfondito nel corso della post-fazione fino a giungere alla conclusione che le previsioni dei modelli matematici potranno essere precise solo nel momento in cui riusciremo a conoscere in modo corretto tanto i valori delle temperature superficiali (regolate dalla CO₂ e dal particolato e dalle nuvole, aggiungo io), quanto il contenuto di calore degli oceani. Oggi come oggi la conoscenza del contenuto di calore degli oceani, è molto approssimativa per cui non siamo in grado di modellarlo in modo soddisfacente e, quindi, i modelli matematici di previsione del clima ne risentono in modo considerevole. Nonostante tutto ciò decisori politici, attivisti climatici ed ambientali e via cantando ci assicurano che abbiamo una ventina d’anni per mettere le cose a posto riducendo drasticamente le emissioni. Ne sarebbero convinti il 97% dei climatologi, sulla base degli output dei modelli matematici, anzi di una suite di modelli matematici.