Dipartimento di Fisica Generale “Amedeo Avogadro” Come si studia il clima Prof. Claudio Cassardo Dipartimento di Fisica Generale “Amedeo Avogadro” Università di Torino

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Riassunto Le basi fisiche: l’esempio dell’effetto serra I dati per lo studio del paleoclima I dati per lo studio del clima attuale I modelli in climatologia: cosa sono e cosa possono prevedere Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Il sistema meteo-climatico Dal punto di vista climatico, la Terra può essere suddivisa in 5 componenti ATMOSFERA IDROSFERA CRIOSFERA LITOSFERA BIOSFERA + il Sole Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Il bilancio energetico della Terra Input = Output Energia assorbita = Energia emessa Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Input Energia assorbita Trascuriamo l’atmosfera = (costante solare) x (area opposta al fascio di radiazione solare) x (1 – albedo) = S0 p rp2 (1 – ap) Per la Terra S0 = 1367 W m-2, ap=0.3, rp ~ 6000 Km Costante solare: essendo la Terra lontana 149597870 Km dal Sole irradiando il Sole una potenza pari a 3.8 1026 W Costante solare = potenza / superficie (raggio=distanza Terra-Sole) Costante solare = 3.8 1026 W / [4 p (1.496 1011)2] ~ 1367 W m-2 Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Output Energia emessa Trascuriamo l’atmosfera = emissione di corpo nero = s x (temperatura del corpo)4 x (superficie emittente) = s Te4 4 p rp2 Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Il bilancio funziona? Trascuriamo l’atmosfera Bilancio planetario: S0 (1 – ap) p rp2 = s Te4 4 p rp2 La temperatura di emissione della Terra vale dunque: La Tosservata è 288 K, cioè + 15°C Ci sono ben 33°C di differenza!!! Il bilancio quindi non funziona! Perché? Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

La temperatura di emissione Un motivo è perché Te NON è la temperatura reale, ma la temperatura di un pianeta ideale senza atmosfera in equilibrio radiativo Infatti lo stesso calcolo non funziona neppure sugli altri pianeti (tranne su Marte, che ha un’atmosfera molto rarefatta) L’atmosfera influenza quindi la temperatura media Due motivi: Effetto serra Turbolenza atmosferica Te[K] Tsurf[K] calc mis Venere 227 750 Terra 255 288 Marte 216 218 Giove 98 134 Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

La radiazione di corpo nero L’energia emessa da qualunque corpo dipende molto fortemente dalla lunghezza d’onda della radiazione emessa secondo la legge di Planck, ed anche dalla temperatura del corpo Il picco di emissione è funzione della temperatura: il picco di emissione dei corpi più caldi si trova a lunghezze d’onda minori (la radiazione è più energetica) Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Radiazione solare e terrestre Sole Temperatura superficiale: 6000 K (6273°C) Picco ~500 nm (onda corta) Terra Temperatura superficiale: 288 K (15°C) Picco: ~11 mm (onda lunga) HANNO CARATTERISTICHE DIVERSE!!! Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

L’atmosfera terrestre ‘Il prezioso involucro’ 78% Azoto 20% Ossigeno 1% Argon 0.03% CO2 + elementi in tracce (H2O, …) Elio Azoto Ossigeno Vapore acqueo Argon Neon Biossido Di carbonio Aria WHAT IS IN AIR? The air we breathe is mostly nitrogen, an unreactive gas, with oxygen, which is essential for life, making up about a fifth. Traces of noble gases, pollution, and carbon dioxide, which animals breathe out and plants use to grow, make up the rest. Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

L’effetto serra naturale L’atmosfera è quasi trasparente per quanto riguarda la radiazione solare (nubi a parte) Invece alcuni gas (tra cui H2O, CO2, CH4,, N2O, O3) assorbono parte della radiazione terrestre Questo è l’effetto serra naturale!!! Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Assorbimento della radiazione infrarossa (effetto serra naturale) Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Perché si chiama effetto serra? I gas serra (tra cui il biossido di carbonio) atmosferici intrappolano il calore come un coperchio di vetro che non lascia scappare il calore del pianeta Nelle serre, tuttavia, gran parte del calore è anche prodotto dall’assenza di rimescolamento turbolento con l’atmosfera esterna!!! Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

L’effetto serra naturale è positivo Se non ci fosse l’effetto serra, l’energia assorbita dalla Terra non sarebbe sufficiente a permettere la vita Si avrebbe Temissione= -18 °C contro Tosservata= + 15 °C Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Il bilancio radiativo terrestre reale Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Non solo CO2: gli altri gas serra Il vapore acqueo è il “gas” naturale con il maggior effetto serra, ma la sua concentrazione nelle tre fasi è costante nel tempo Per semplicità si è deciso di introdurre un gas fittizio, l’anidride carbonica equivalente (CO2e) Esso rappresenta il quantitativo di CO2 che avrebbe lo stesso potenziale di riscaldamento globale (global warming potential, o GWP) di tutti gli altri gas serra messi insieme in relazione ad una scala temporale specifica, fissata a 100 anni Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Quali strumenti per le misure meteo-climatiche? Dove si mettono? Torino giardini reali Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie I termometri Convenzionali (liquido nel vetro) Elettronici (misurano la resistenza di un metallo) Bimetallici (misurano la torsione) Infrarossi (misurano la radiazione emessa) Unità di misura: gradi Celsius, Kelvin, Fahrenheit Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie 19

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie I barometri Sono costituiti da una vaschetta riempita di mercurio, entro cui è immerso un tubo di vetro La pressione atmosferica è equilibrata soltanto dal peso della colonna del mercurio: l’altezza di quest’ultima varia dunque al variare della pressione atmosferica Alcuni barometri misurano la pressione dalla deformazione subita da una scatola metallica vuota, che si deforma sotto l’azione della differenza di pressione esterna-interna, e sono detti aneroidi. Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Gli igrometri L’igrometro a capelli si basa sulla proprietà dei capelli di variare la loro lunghezza al variare dell’umidità dell’aria La lunghezza dei capelli aumenta (non linearmente) con l’aumentare dell’umidità relativa e viceversa Tali strumenti misurano direttamente la frazione di saturazione, ossia l’umidità relativa Lo psicrometro determina la temperatura dell’aria e del bulbo bagnato. Indirettamente questi dati forniscono la tensione del vapore acqueo presente nell’aria, da cui l’umidità Gli strumenti elettronici sfruttano le proprietà elettriche di alcuni mezzi porosi e la diversa costante dielettrica dell’acqua Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Gli anemometri La direzione del vento è indicata dagli anemoscopi (banderuole girevoli) La velocità si misura con gli anemometri a coppelle o a eliche Altri anemometri più precisi sono gli anemometri ultrasonici Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie I pluviometri In tutti i tipi di pluviometro, l’elemento raccoglitore è il cosiddetto imbuto Il pluviografo più conosciuto ed usato è quello ad altalena, il cui dispositivo contiene due recipienti uguali e non comunicanti che raccolgono alternativamente la precipitazione proveniente dall’imbuto Il pluviometro va disposto orizzontalmente e collocato ad un’altezza opportuna sul terreno onde tener conto dell’influenza determinata dalla presenza di ostacoli, delle perturbazioni prodotte dall’azione del vento, e dell’eventualità che sul terreno si accumuli una grande quantità di neve Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Dati meteo nel mondo Il Global Telecommunication System è il sistema del WMO (World Meteorological Organisation) finalizzato allo scambio delle osservazioni in tempo reale su scala mondiale Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Dati meteo in Piemonte Stazioni meteo automatiche ~410 Pluviometri 270 Termometri 252 Idrometri 130 Igrometri 103 Anemometri (velocità) 82 Anemometri (direzione) 75 Nivometri 74 Radiometri 49 Barometri 43 Proprietà chimiche acqua 14 Termometri neve 11 Dati ARPA Piemonte Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie 25

Esempi di alcune stazioni Stazione meteo di Cuneo (300 m) Stazione meteo di Pancani (2020 m) Nivometro a Salbertrand Le Selle (1970 m) Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie I record storici Resoconti orali o scritti di eventi passati Informazioni su alluvioni e livelli fluviali Arte (antichi murali che mostrano piante o animali attualmente non viventi in quel posto) Storie di sviluppo e decadimento di antiche città o civiltà correlate con i cambiamenti climatici Limiti I resoconti o le informazioni sono: soggettivi, incompleti sia spazialmente che temporalmente Sono descritti più gli eventi estremi che il clima Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Gli strumenti per le misure del clima 1606: termoscopio di Galilei ~1630: i primi termometri XIX secolo: le scale La dendrocronologia: la temperatura media influenza lo spessore dell’anello annuo L’analisi dei sedimenti oceanici o glaciali: La popolazione marina dipende dalla temperatura dell’acqua Le abbondanze degli isotopi di ossigeno sono correlate alla massa globale di ghiaccio (16O evapora più facilmente di 18O, più pesante) Gli aerosol intrappolati nel ghiaccio conservano traccia della polvere e dei costituenti atmosferici passati Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Dendrocronologia La dendrocronologia (dal greco: dendron: albero; kronos: tempo; logos: discorso) studia l'accrescimento delle piante Nei climi temperati l'alternanza di stagioni calde e fredde si riflette nella diversa produzione di legno: nel legno primaverile le cellule sono più ampie e con pareti sottili nel legno estivo-autunnale le cellule sono più strette e con pareti più spesse per cui si formano, nella sezione trasversale del fusto, una serie di anelli concentrici Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Analisi nei ghiacciai Le abbondanze degli isotopi di ossigeno sono correlate alla massa globale di ghiaccio Gli aerosol intrappolati nel ghiaccio conservano traccia della polvere e dei costituenti atmosferici passati Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Ghiacciai polari Ghiacciai temperati ghiaccio “freddo” a temperatura nettamente inferiore al punto di fusione neve “fredda” deposta e conservata immune da fusione, trasformata in nevato e in ghiaccio per compattazione, sinterizzazione e metamorfismo profilo termico verticale f ( temperatura neve, tasso di accumulo, flusso geotermico) conservazione di molti dei segnali originali chimico-fisici acquisiti dalla neve nella massa d’aria in cui si è condensata interamente composti da ghiaccio” caldo” (temperatura di fusione) presenza d’acqua in tutta la loro massa profilo verticale isotermico, acquisito per ripetuti processi di fusione/rigelo con rilascio del calore latente segnali chimici e fisici acquisiti dalla neve nell’atmosfera cancellati Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Schema di una calotta glaciale polare con linee di flusso divergenti dal centro alla periferia. Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Meccanismo di intrappolamento dell’aria nei ghiacciai polari Legrand, Jouzel and Raynaud (1995) Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Carotaggi profondi in ghiacccio Antartide Groenlandia 2774 m 1387 m 3026 m 3085 m 3029 m 3623 m 2163 m 3270 m 3037 m Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Atmosfera Carote di ghiaccio Parametri climatici e corrispondenti indicatori nelle carote di ghiaccio Atmosfera Carote di ghiaccio dD, d18Oice, 10Be, spessore livelli annui Accumulo particolato atmosferico, Nd/Sr Provenienza e circolazione atmosferica O2, N2, CO, CO2, CH4, N2O, d18Oatm Gas: naturali e prodotti dall’uomo ECM, DEP, Al, Ca2+, Na+, SO42-, NO3-, pulviscolo atmosferico, picchi di acidità (ECM, DEP, SO42-), ceneri vulcaniche SO42-, NO3-, Pb, metalli in tracce, fallout radioattivo, composti organici Aerosol naturali prodotti dall’uomo eccesso di deuterio Aree sorgenti umidità δD, δ18Oice , profilo di temperatura in pozzo, ecc. Temperatura Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Metodi di datazione e correlazione nelle carote di ghiaccio Metodo Intervallo temporale Accuratezza 10 % Nessun limite di età Modelli di flusso glaciale 1000000 Stratigrafia isotopica Metano δ18Oatm 10% 1-5 % 3-10 % 200 45000 Variazioni stagionali, conteggio Incrementi annui stratigrafia, densità, cristallografia, livelli di polveri acidità (ECM) microparticelle isotopi stabili 1 anno Pochi anni dal 1954 2000 Stratigrafia: orizzonti di riferimento di età nota fallout atomico ceneri vulcaniche picchi di acidità vulcanica Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Il d18O nei sedimenti oceanici I gusci di carbonato di calcio (CaCO3) dei Foraminiferi sono i più comunemente usati per fare il test Il rapporto d18O/d16O viene usato per ricostruire la temperatura dell’acqua (dipende anche da altri fattori, come la salinità delle acque, e il volume di acqua rinchiusi nel ghiaccio) Quando il vapore acqueo evapora, le molecole di acqua leggera tendono ad evaporare prima; quando condensa, le molecole di acqua pesante tendono a condensare e precipitare prima Di conseguenza, la superficie degli oceani contiene una maggiore quantità di d18O nelle aree subtropicali e tropicali (> evaporazione) e minore alle medie latitudini (> pioggia): si crea un gradiente negativo di d18O muovendosi dai tropici verso i poli I cambiamenti climatici globali modificano la temperatura, il rateo di evaporazione e quindi il rapporto d18O/d16O Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Analisi dei pollini I granuli pollinici si liberano nell’aria per rottura della sacca pollinica e sono portati passivamente dal vento verso gli organi femminili (dispersione anemofila) Parte dei granuli si disperde e sedimenta sul terreno nelle depressioni superficiali insieme a particelle di polvere ed altri sedimenti Cl componente locale Cr componente con la pioggia Ct trunk space component Cw componente secondaria trasportata dall’acqua Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

I modelli di previsione meteorologica Un modello è un codice numerico in grado di risolvere le equazioni di base dei processi e dei fenomeni studiati, ed in grado di fornire i valori delle variabili in un istante futuro Il primo tentativo di modello numerico risale al 1922 ad opera di L. F. Richardson: egli risolse numericamente e manualmente le equazioni del moto usando la tecnica delle differenze finite e discretizzando le variabili; impiegò un anno di lavoro per prevedere i valori relativi al giorno successivo; il suo tentativo fallì a causa dell’instabilità numerica Il tentativo successivo fu effettuato nel 1950 dal gruppo di Charney, Fjorton e Von Neumann usando un titanico calcolatore ENIAC, e stavolta ebbe successo Da allora lo sviluppo della modellistica numerica ha avuto un inarrestabile progresso legato allo sviluppo progressivo della potenza di calcolo dei calcolatori Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Le 6 equazioni “primitive” per la previsione meteorologica Equazione di Navier-Stokes (bilancio quantità di moto in un fluido, per il campo di vento orizzontale – Eq. non lineari – eq. differenziali alle derivate parziali) Equazione della termodinamica (scambi energia) Equazione del vapore acqueo (passaggi di stato) Equazione di continuità (massa che entra = massa che esce) Equazione di stato dei gas (PV=nRT) Equazione idrostatica (variaz. pressione e densità aria con la quota) Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie La discretizzazione Suddivisione del volume in blocchi tridimensionali In ogni “blocco” le variabili sono considerate costanti ed assegnate al “centro” del blocco Il volume del blocco può variare con la quota e la latitudine L’ampiezza del blocco è legata alla risoluzione del modello Minore è l’ampiezza, maggiore è la risoluzione del modello Per i modelli meteorologici, la risoluzione è pari a 35-40 Km Per i modelli climatici, 50-200 Km Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

L’effetto della risoluzione 5.0°x5.0° 4.0°x4.0° 3.0°x3.0° 2.0°x2.0° 1.0°x1.0° 0.5°x0.5° 0.3°x0.3° 0.1°x0.1° A 2°x2° (150x150 Km) di risoluzione non si vede l’Italia! Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Il limite di predicibilità Le previsioni del tempo sono valide al massimo per alcuni giorni, al più una settimana Problematiche sono la capacità di modellazione e l’inadeguatezza delle osservazioni, ma anche se queste ultime fossero perfette, il limite di predicibilità sarebbe di circa 2 settimane (Lorentz) Questo limite è una proprietà dell’atmosfera stessa, non un errore della nostra scienza! Le equazioni dinamiche che regolano i moti atmosferici ed oceanici sono fortemente non lineari, per cui il modello diventa fortemente dipendente dalle condizioni iniziali Errori nelle condizioni iniziali, non importa quanto piccole o insignificanti, crescono rapidamente in grandezza e si propagano alle scale (analogia della farfalla di Lorenz, 1963) Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie Modelli globali (passo di griglia 40 km) affidabilità decrescente nel tempo, max 10 gg Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Le previsioni climatiche Il clima è una “raccolta di possibilità”, ed è determinato dalle proprietà del sistema terrestre (le condizioni al contorno) “Se non si riesce a prevedere il tempo più in là di 7-10 giorni, come si può pensare di prevedere il clima?” Analogia dell’aeroplano: il flusso attorno ad un’ala di un aeroplano è governato dalle stesse equazioni di Navier-Stokes fortemente non-lineari che governano l’atmosfera Per la stessa ragione per cui non si può prevedere il tempo un mese in anticipo, non si possono prevedere i dettagli del flusso d’aria attorno all’ala Eppure, dati i valori al contorno ed alcuni parametri, si può prevedere con successo la statistica relativa a tale flusso, altrimenti volare sarebbe impossibile!!! Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Struttura di un modello climatico Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Le “celle” di un modello climatico Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Lezione corso aggiornamento Clima/Energie I modelli regionali Modelli globali: Risoluzione da 200 Km (UKMO) a 50 Km (ICTP) Modelli regionali: Risoluzione fino a 35 Km (ICTP) Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

L’evoluzione dei modelli climatici Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

I modelli sono attendibili? Il modello con le sole forzanti naturali non spiega il riscaldamento recente Quello con le forzanti naturali e quelle antropogeniche sì! Forzanti naturali: Radiazione solare Gas serra costanti (salvo eruzioni) Forzanti antropiche: Incremento gas serra, aerosol Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Le variazioni hanno lo stesso segno ovunque Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie

Sensitività agli scenari di emissione Emissions CO2 Uncertainty about human decisions is a major driver of uncertainty in climate change Model ensemble simulated warming ranges ~ 2.5º K in 2100 Temperature Alessandria, 22 aprile 2009 Lezione corso aggiornamento Clima/Energie