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Riscaldamento globale e contenuto di calore degli oceani

Traduciamo un post di Gavin Schmidt, su Real Climate, che spiega perché il riscaldamento degli oceani è una buona misura dello squilibrio energetico del pianeta, e un utile complemento alle serie storiche delle temperature alla superficie.

Noi di Real Climate abbiamo trattato l’argomento diverse volte, per esempio nel 2005, 2008 e 2010 [Su Climalteranti avevamo segnalato qui tre post sul tema di Antonello Pasini, ndt]. Tuttavia, negli ultimi mesi sono usciti diversi nuovi articoli su questo legame, che forniscono alcune interessanti prospettive sull’argomento che di certo rimarrà di attualità ora che i modelli in CMIP5 cominciano ad essere analizzati.

L’articolo più recente è stato un nuovo studio, pubblicato dal NCAR a fine settembre, che esaminava cosa succede nei modelli climatici all’OHC, quando si verificano occasionali periodi di 10 anni senza trend nelle temperature superficiali globali [Meehl et al, 2011].

E’ noto – o almeno dovrebbe esserlo – che le simulazioni della fine del 20° secolo e dell’inizio del 21° non producono incrementi termici monotònici a scala temporale annuale o decennale. In base alle stime delle forzanti attuali, nei modelli usati nel IV rapporto dell’IPCC i trend decennali attesi sono grosso modo N(0,2, 0,14), cioè una distribuzione gaussiana centrata sul valore di 0.2 °C/decennio con una deviazione standard di  ~0.14ºC/decennio. Ciò implica una probabilità dell’8% di rilevare trend di temperature superficiali minori di zero in un decennio qualunque.

Meehl et al. studiano i cambiamenti dell’OHC durante questi decenni occasionali e li confrontano con quelli osservati in decenni con trend superficiali positivi. Trovao che ai decenni con temperature superficiali in calo sono associati, in maniera statisticamente consistente, incrementi di OHC notevolmente superiori alla media. E’ de tutto logico se esiste – come infatti esiste – una variabilità decennale interna nei flussi che connettono l’oceano più profondo a quello superficiale. Un flusso di calore anomalo verso il basso riduce la temperatura superficiale dell’oceano (e dunque la temperatura superficiale globale), il che genera un flusso anomalo di calore dall’atmosfera verso l’oceano (perché il flusso verso l’oceano è legato alla differenza tra la temperatura dell’atmosfera e quella dell’oceano). E ciò ovviamente incrementa l’OHC totale.
Uno studio del Met Office (UK) ha affrontato la relazione tra i cambiamenti dell’OHC nello strato fino a 700m di profondità e quello dell’OHC totale dei modelli [Palmer et al., 2011]. Com’era logico attendersi, risulta esserci più variabilità nei primi 700m che nell’intero oceano. E’ importante quantificare questo dato, perché le stime del cambiamento di OHC superficiale sono migliori quelle per l’oceano intero. Le osservazioni indicano che gli aumenti al di sotto dei 700m non sono trascurabili, ma non sono ben caratterizzate [von Schuckmann et al, 2009]. Stando a Palmer et al., se si tiene conto solo del cambiamento dell’OHC nei primi 700m, l’incertezza nel cambiamento nell’OHC totale è di circa 0.15 W/m2 per decennio.

Cose ne possiamo dedurre circa il mondo reale?
Primo, possiamo concludere che stiamo tenendo conto delle quantità giuste: i cambiamenti totali dell’OHC sono una buona misura dello squilibrio radiativo complessivo.
Secondo, se guardiamo solo al cambiamento tra 0 e 700 metri è probabile che ci scontriamo con un problema sistematico e che la stima del cambiamento dell’OHC totale sia affetta da un “rumore” significativo.
Terzo, se le forzanti sono all’incirca quelle previste, dovremmo aspettarci che siano in parte assorbite dall’oceano più profondo (oltre i 700 m). Com’è ovvio, ci sono sorgenti di variabilità a più breve termine che influiscono anch’esse sulle misurazioni – cambiamenti di OHC associati all’ENSO e alla variabilità dell’irradianza solare dovuta al ciclo solare stesso – che complicano la situazione.

Di recente qui e altrove si sono discussi altri due aspetti dell’OHC. Il primo è capire se i suoi cambiamenti nell’oceano profondo abbiano un impatto diretto oltre a quello di smorzare la risposta dello strato superficiale allo squilibrio radiativo in corso. L’oceano profondo è davvero enorme e perfino le grandi variazioni dell’OHC di cui stiamo parlando hanno un effetto piccolo sulle temperature degli strati profondi (direi inferiore a 0,1°C circa). E’ improbabile che abbiano un impatto diretto sulla biosfera profonda o che quel calore riemerga tra poco dall’oceano profondo (l’idea che sia “nel pipeline” è sbagliata). E’ importante invece ciò che simili misure ci dicono sullo squilibrio radiativo in cima all’atmosfera  troposfera che poi è quello che conta per il riscaldamento futuro.

Il secondo punto riguarda un post di Roger Pielke Sr in cui dice che l’articolo di Meehl et al. ha ‘silurato’ l’uso dell’anomalia della temperatura superficiale, la quale non sarebbe più una metrica utile del riscaldamento globale. E’ un affermazione strana per diversi motivi. I dati relativi alla temperatura superficiale sono le registrazioni climatiche più lunghe che abbiamo tra le misure dirette e sono stati rilevati in maniera indipendente da diversi organismi indipendenti. A quanto ne so, nessuno ha mai pensato che le temperature oceaniche di superficie ci dicano tutto quello che c’è da sapere in merito ai cambiamenti climatici, in pratica però il riscaldamento globale è stato per anni identificato proprio con l’aumento di questo parametro. È sicuramente utile prendere in considerazione l’anomalia del l’OHC totale (nel miglior modo in cui possa essere stimato), ma le difficoltà nell’assemblare tale parametro e nell’estenderlo nel passato a più di qualche decennio ne preclude l’utilizzo come sostituto delle temperature superficiali.

In generale penso che questi studi mostrino come usare al meglio i modelli climatici. Se esaminiamo le relazioni tra le quantità chiave – quelle che possono essere osservate nel mondo reale e quelle che sono rilevanti per le previsioni – possiamo sfruttarli per interpretare quello che stiamo misurando nel mondo reale. Non sempre le deduzioni sono sorprendenti, ma è importante che siano quantificate. Come si vedere, equivale a riconoscere che, essendo il mondo reale più complicato di modelli (imperfetti), le deduzioni tratte dal mondo reale dovrebbero quanto meno essere riprodotte dai modelli prima di fidarsene al punto di applicarli alla realtà.
In questo caso per esempio, gli studi di Meehl et al. e di Palmer et al. non dimostrano che gli effetti previsti dai modelli stanno succedendo nel mondo reale, ma suggeriscono effetti che faremmo bene ad aspettarci.

 

 

Riferimenti bibliografici

  • S. Levitus, “Warming of the World Ocean”, Science, vol. 287, pp. 2225-2229. DOI.
  • G.A. Meehl, J.M. Arblaster, J.T. Fasullo, A. Hu, and K.E. Trenberth, “Model-based evidence of deep-ocean heat uptake during surface-temperature hiatus periods”, Nature Climate Change, vol. 1, 2011, pp. 360-364. DOI.
  • M.D. Palmer, D.J. McNeall, and N.J. Dunstone, “Importance of the deep ocean for estimating decadal changes in Earth’s radiation balance”, Geophysical Research Letters, vol. 38, 2011. DOI.
  • K. von Schuckmann, F. Gaillard, and P. Le Traon, “Global hydrographic variability patterns during 2003–2008”, Journal of Geophysical Research, vol. 114, 2009. DOI.

 

Articolo originale Realclimate: http://www.realclimate.org/index.php/archives/2011/10/global-warming-and-ocean-heat-content/

 

Traduzione di Emanuele Eccel e Riccardo Mancioli

Revisione di Simone Casadei e Sylvie Coyaud

14 responses so far

14 Responses to “Riscaldamento globale e contenuto di calore degli oceani”

  1. Antonioon Nov 23rd 2011 at 08:02

    I conti dello squilibrio radiativo arrivano dalla fisica di base, che ci siano delle conferme mi sembra abbastanza ovvio
    Per il resto, un altra figuraccia per Roger Pielke sr, proprio non ce la fa ad azzeccarne una, poveraccio, ma quanti anni ha ? era vecchiotto 10 anni fa…

  2. Riccardo Reitanoon Nov 23rd 2011 at 10:45

    Antonio
    non credo sia una questione di età. Tanto per dire, Ramanathan è più o meno suo coetaneo, Hansen è più grande di 5 anni e Syukuro Manabe di 15. E non è una questione di età considerare eccellente un post dello sconosciuto Tisdale contenente un errore davvero marchiano o ritenere scientificamente attendibile il blog di Watt.

    Più in tema, l’errore concettuale di Pielke per quanto riguarda l’OHC è che lui si ostina a considerare solo i dati, molto variabili, dei primi 700 metri di oceano. Lui sostiene che è sufficiente poiché il calore per arrivare in profondità deve necessariamente passare attraverso questo primo strato. Più volte gli è stato fatto notare che il sistema di monitoraggio disponibile non è sufficientemente sensibile e che l’oceano profondo si sta in effetti scaldando, quanto meno dove si è riusciti ad avere dei dati attendibili. Ma non sembra abbia sortito alcun effetto, è rimasto con i paraocchi a guardare solo i primi 700 m, ignorando i restanti 3300.

  3. filippo sciaccaon Nov 24th 2011 at 12:21

    L’ambiente va difeso, se no la natura si vendica…

    http://www.letoviva.org/?p=461

  4. Luci0on Nov 29th 2011 at 11:19

    La temperatura di equilibrio radiativo della terra é circa -18°C mentre la temperatura media al livello del mare della terra é di circa 16°C … La temperatura media degli oceani in superficie é proprio 16°C (chissà perché) . Gli Oceani hanno una capacità termica infinita rispetto all’ atmosfera, se si ridistribuisce numericamente l’ acqua sulla superficie della terra viene fuori che per ogni mq. ci sono le capacità termiche di 10 tonnella d’ aria e 2200 tonnellate di acqua. Il volano termico del nostro pianeta é quasi infinito … come fanno 6 kg/mq di CO2 variamente dispersi in 40 km di altezza dell’ atmosfera a spostare di qualche decimo di grado questo volano di mi piacerebbe proprio saperlo !

  5. Luci0on Nov 29th 2011 at 11:32

    Secondo me bisogna rivedere il classico modello “effetto serra” http://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_serra se notate nel disegno non compaiono per niente le capacità termiche dell’acqua dell’ aria e del suolo … eppure queste andrebbero inserite nel modello, sulla terra abbiamo l’ alternanza giorno notte e la capacità termica … il modello radiativo che considera la terra un “corpo grigio” ovvero una superficie sferica grigia e dotata di una conduzione termica nel senso della superficie infinita é troppo semplicistico e andrebbe migliorato includendo l’ illuminazione diurna il raffreddamento notturno e le capacità termiche.
    Saluti !

  6. Riccardo Reitanoon Nov 29th 2011 at 15:19

    Luci0
    Incredibile che pochi W/m2 possano far aumentare la temperatura superficiale, vero? Ma a ben pensarci, solo 240 W/m2 mantengono la terra a quasi 290 K anziche lasciarla precipitare a temperature bassissime se il sole non ci fosse. Altrettanto incredibile, non credi?
    Forse dovresti provare a fare qualche semplice calcolo. Ad esempio (sperando di non aver sbagliato i conti!), un solo W/m2 di squilibrio sarebbe sufficiente a far aumentare di un grado la temperatura dell’intero oceano (opportunamente mescolato) in poco più di cento anni. Un W/m2 sembra poco, ma la superficie della terra è grande e la profondità dell’oceano piccola (in proporzione).

    La capacità termica degli oceani, è vero che è o sembra enorme ma comunque non influisce sulla temperatura di equilibrio. Quest’ultima è data solo dal bilancio fra l’energia in ingresso e quella in uscita, cioè il sole in ingresso e l’irraggiamento in uscita. La capacità termica è invece importante nell’evoluzione temporale della temperatura o, in altri termini, quanto rapidamente si scalda o raffredda per raggiungere il nuovo equilibrio.

    Le tue perplessità sono facilmente superabili anche solo con un minimo di buona volontà e di semplici calcoli. D’altra parte, la teoria della CO2 non può essere così ovviamente assurda se per un secolo gli scienziati l’hanno ritenuta quanto meno plausibile. Se errata dovesse mai risultare sarà di certo per qualche motivo molto sottile e ben nascosto.

  7. Luci0on Nov 29th 2011 at 16:22

    @Riccardo Reitano
    Per i satelliti artificiali il semplice modello radiativo non funziona, per questo debbono ruotare (tipo girarrosto) altrimenti la superficie esposta al Sole raggiungerebbe temperature improponibili per i materiali … Se il modello radiativo non funziona per i satelliti artificiali non vedo perché possa andar bene per la terra! Il motivo principale é che la conduzione termica delle superfici non é così elevata ed é insufficiente per distribuire il calore nelle zone in ombra. Una superficie normale ai raggi solari riceve una radiazione pari a circa 1365 W/mq … a terra ne arrivano circa 1000 e vengono immagazzinati dalla massa termica, aria acqua e terra. Ma possiamo dire senza paura di commettere grossi errori che la maggior parte di questo calore finisca in oceano dove risiede la maggior frazione della capacità termica ovvero il 99% e sia quindi l’ oceano a mantenere costante la temperatura dell’ atmosfera e non viceversa.

  8. Riccardo Reitanoon Nov 29th 2011 at 17:38

    Luci0
    chiedo scusa ma non capisco il tuo ragionamento.

    Perchè se i satelliti devono ruotare, il modello radiativo non funziona? Così come sulla terra c’è differenza fra giorno e notte, su qualunque corpo ci sarà differenza fra il lato esposto al sole e quello in ombra. Quindi non si può più fare un bilancio energetico?

    A parte il fattore 1/4 sull’energia che dimentichi, siamo daccordo che gran parte della capacità termica è negli oceani che quindi hanno un ruolo fondamentale nella regolazione della temperatura. Chi ha sostenuto che è invece la capacità termica dell’atmosfera ad avere questo ruolo?

  9. Luci0on Nov 29th 2011 at 20:37

    @Riccardo Reitano
    Il modello radiativo é troppo semplicistico …
    Ho cercato invano studi comprensibili sulla questione, però mi sono fatto una mia idea.

    Per capire quello che intendo dire bisogna passare da un’astrazione. Immaginiamo di esporre una superficie corpo nero ai raggi solari nello spazio raggiungerà aumenterà la propria temperatura fino a che l’ energia ricevuta e quella emessa diventeranno uguali ad una temperatura di equilibrio Teq e questo accadrà in un tempo infinitesimo o meglio istantaneamente t=0 .

    Se abbiamo una superficie corpo nero dotato di capacità termica, esponendolo alla luce solare, la cosa funziona allo stesso modo la temperatura arriverà alla Teq ma un tempo non nullo e questo tempo dipenderà dalla capacità termica. Se ora sottoponiamo l’ oggetto ad un ciclo in di esposizione e oscuramento in cui i tempi delle sue fasi sono identici e cerchiamo di intuire cosa possa accadere …
    Se la capacità termica é bassa la temperatura crescerà durante la fase di esposizione fino alla Teq oscurandolo la temperatura scenderà fino allo 0 assoluto. Se invece la capacità termica é notevole la temperatura di Teq non sarà raggiunta nel primo intervallo di esposizione e nella fase di oscuramento non sarà possibile disperdere tutta l’energia accumulata e la temperatura non potrà raggiungere lo zero assoluto. La temperatura dell’ oggetto potrà variare in un intervallo di temperatura sempre più basso e quanto più é elevata la capacità termica.

  10. Luci0on Nov 29th 2011 at 20:45

    @Riccardo Reitano
    Volevo concludere il discorso che aggiungendo la capacità termica probabilmente la temperatura di equilibrio varierà in funzione del tempo e probabilmente la temperatura media non corrisponderà alla temperatura dell’ oggetto non dotato di capacità termica. Volevo solo far notare questo.

  11. Riccardo Reitanoon Nov 29th 2011 at 22:58

    Luci0
    ovviamente la capacità termica smorzerà la risposta ad un forcing periodico, farà salire meno la temperatura e la farà discendere meno. E’ quello che vediamo quotidianamente nei giorni di soleggiati e possiamo anche vedere l’effetto della capacità termica confrontando un clima marittimo con uno continentale.
    La temperatura oscillerà fra un valore minimo e massimo che dipenderanno dalla capacità termica, ma il valore medio è indipendente da quest’ultima. L’equazione del bilancio energetico è risolvibile analiticamente se assumiamo un forcing sinusoidale. Ho a portata di mano un grafico con un un esempio di forcing medio zero e per vari tempi di risposta (proporzionali alla capacità termica); se la media del forcing non fosse zero il risultato sarebbe identico ma spostato più in alto.

    In ogni caso, qui non siamo nel caso di un forcing periodico, non globalmente; sulla parte esposta arriveranno sempre 240 W/m2. Questa radiazione viene bilanciata dall’emission IR che invece avviene da tutta la superficie. Avremo la parte in ombra e quella al sole a temperature diverse, ma in media possiamo semplicemente bilanciare i flussi.
    A voler essere precisi, questa semplificazione è ammissibile finchè il ciclo diurno di temperatura è ragionevomente piccolo, come è sulla terra. Sulla luna, ad esempio, andrebbe invece calcolato l’equilibrio locale.

  12. Luci0on Nov 30th 2011 at 15:20

    Comunque attualmente sta succedendo questo …
    http://www.climate4you.com/SeaTemperatures.htm#Recent%20sea%20surface%20temperature
    Le anomalie nella zona equatoriale del pacifico sono negative …

  13. oca sapienson Nov 30th 2011 at 19:23

    @Luci0

    L’ENSO per debuttanti: http://www.esrl.noaa.gov/psd/enso/

  14. […] Climalteranti abbiamo pubblicato la traduzione di molti suoi post (l’ultimo qui). Si distinguono per la chiarezza nell’esposizione scientifica e la capacità di far capire la […]