Come scienziato del clima, sono stato entusiasta di apprendere che Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann e Giorgio Parisi hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica 2021. Ho incontrato Manabe per la prima volta quando ero uno studente laureato nei primi anni ’70, quindi sono stato particolarmente contento che il premio riconosca la profonda importanza del lavoro decennale di Manabe sulla creazione di modelli climatici, nonché l’applicazione di tali modelli per capire come sempre più i livelli di gas serra hanno portato al riscaldamento globale.
Quanto è complicato il sistema meteorologico e climatico?
Il tempo è quello che vedi ora per ora e giorno per giorno. Il tempo coinvolge solo l’atmosfera. Il clima è il tempo medio per decenni ed è influenzato dagli oceani e dalle superfici terrestri.
Il tempo e il clima sono complicati perché coinvolgono molti processi fisici diversi – dal movimento dell’aria al flusso di radiazioni elettromagnetiche, come la luce solare, la condensazione del vapore acqueo – attraverso un’ampia gamma di scale spaziali e temporali.
Il sistema è incredibilmente complesso e interconnesso. Ad esempio, un gruppo di piccoli temporali può influenzare un sistema meteorologico che abbraccia un continente.
Prima del 1955 circa, i meteorologi estrapolavano il tempo futuro dai cambiamenti dai giorni precedenti. Hanno usato metodi semplici ma laboriosi, in parte quantitativi e in parte basati sull’esperienza.
La nascita dei modelli climatici
Alla fine degli anni ’50, divenne possibile fare previsioni eseguendo modelli meteorologici su computer digitali appena emergenti ma in rapido miglioramento. Un modello meteorologico è un sistema di equazioni che esprime le leggi fisiche che governano il tempo. “Eseguire” un modello meteorologico significa risolvere le equazioni su un computer, utilizzando i dati del tempo di oggi per prevedere il tempo di domani.
In parte a causa delle limitazioni del computer, i primi modelli meteorologici potevano coprire solo porzioni della Terra, come ad esempio il Nord America. Ma all’inizio degli anni ’60, computer più veloci hanno permesso di creare modelli che rappresentano l’intera atmosfera globale.
Manabe ha guidato lo sviluppo di uno di questi modelli, costruendo una rete interconnessa di migliaia di equazioni in grado di simulare il clima e il cambiamento climatico.
Con questo modello, Manabe e i suoi colleghi sono stati in grado di produrre simulazioni abbastanza realistiche di cose come correnti a getto e monsoni. Sebbene le moderne previsioni meteorologiche globali e i modelli climatici siano molto più potenti, possono essere visti come discendenti del primo modello di Manabe.
Quando Manabe iniziò il suo lavoro nei primi anni ’60, alcuni scienziati avevano già sottolineato la possibilità che l’aumento dell’anidride carbonica atmosferica potesse portare al riscaldamento globale. Nel 1967, Manabe e il collega Richard Wetherald hanno utilizzato una versione semplificata del loro modello climatico per eseguire il primo studio quantitativo degli effetti dell’aumento dell’anidride carbonica nell’atmosfera. Oltre a confermare che l’anidride carbonica aumenta le temperature globali, hanno anche scoperto che l’aumento del contenuto di vapore acqueo nell’aria più calda amplifica il riscaldamento generale perché il vapore acqueo stesso è un gas serra.
Fare previsioni
Il clima coinvolge sia gli oceani che l’atmosfera, ma i primi modelli non avevano unito i due. Nel 1969, Manabe e il suo collega oceanografo Kirk Bryan costruirono il primo modello climatico per includere sia gli oceani che l’atmosfera.
Basandosi su questi progressi, nel 1975 Manabe e Wetherald pubblicarono i risultati di una simulazione del riscaldamento globale utilizzando un modello climatico globale. In questa simulazione, hanno raddoppiato la frazione molare di anidride carbonica nell’atmosfera da 300 parti per milione di volume a 600 parti per milione di volume e hanno lasciato che il modello macinasse i numeri.
Quasi 50 anni fa, hanno previsto il riscaldamento globale della superficie terrestre, un riscaldamento molto più forte nell’Artico, una diminuzione del ghiaccio e della copertura nevosa, un aumento del tasso medio globale di precipitazioni e un raffreddamento della stratosfera. Durante gli anni ’80, il team di Manabe ha utilizzato i propri modelli anche per identificare la possibilità di un aumento della siccità in alcune regioni continentali.
Tutte queste previsioni ora si sono avverate.
Collegare clima, meteo e caos
Il lavoro degli altri vincitori del Premio Nobel per la Fisica 2021, Hasselman e Parisi, ha seguito la scia delle prime ricerche di Manabe e mostra come le interazioni su larga scala in tutto il mondo diano origine al comportamento caotico e difficile da prevedere del sistema climatico su scale temporali quotidiane.
Giorgio Parisi ha studiato il ruolo del caos in un’ampia varietà di sistemi fisici e ha mostrato che anche i sistemi caotici si comportano in modo ordinato. Le sue teorie matematiche sono fondamentali per produrre rappresentazioni più accurate dei sistemi climatici caotici.
Hasselman ha colmato un’altra lacuna contribuendo a collegare ulteriormente clima e condizioni meteorologiche. Ha mostrato che il tempo altamente variabile e apparentemente casuale dell’atmosfera viene convertito in segnali che cambiano molto più lentamente nell’oceano. Questi cambiamenti lenti e su larga scala negli oceani a loro volta modulano poi il clima.
In combinazione, il lavoro di Manabe, Hasselman e Parisi ha permesso agli scienziati di prevedere come cambierà nel tempo il comportamento caotico e accoppiato dell’atmosfera, degli oceani e della superficie terrestre. Sebbene non siano possibili previsioni meteorologiche dettagliate a lungo termine, la capacità dell’umanità di comprendere questo complicato sistema è un risultato incredibile. Per come la vedo io, Manabe, Hasselman e Parisi sono ampiamente meritevoli del premio Nobel per la fisica.
Autore
David Randall, University Distinguished Professor of Atmospheric Science, Colorado State University
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