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La climatologia e la sufficiente accuratezza

La prima mappa delle isoterme del pianeta (Alexander von Humboldt,
Sulle Linee Isoterme e la Distribuzione di Calore sulla Terra, 1817)

 

Ma la climatologia non è una scienza esatta!” è un’affermazione a volte  utilizzata per minimizzare e cercare di ridurre l’importanza del riscaldamento globale in atto, di suoi impatti, e sulle proiezioni per il futuro. Innanzitutto, molto ci sarebbe da capire su cosa si intenda per ‘scienza esatta’: una scienza in grado di modellare i fenomeni di cui si occupa e prevederne gli effetti senza alcuna incertezza? Una scienza in cui non esistono ambiguità possibili, e in cui a una precisa causa o insieme di cause segue necessariamente un preciso effetto o insieme di effetti, preciso nella sua entità, nello spazio e nel tempo?

 

Se queste sono le condizioni, non esistono “scienze esatte”, e tantomeno lo è la climatologia. Se invece con “scienza esatta” si intende una scienza dotata di proprie leggi specifiche con la loro struttura matematica e fisica, in grado di riprodurre e prevedere fenomeni con sufficiente accuratezza, ecco che la climatologia diviene esatta, come lo sono altre scienze che descrivono la natura.

Climalteranti ha trattato spesso questo tema perché rappresenta una delle reazioni (diremmo quasi ‘obiezioni’) più comuni che vengono proposte alla climatologia come scienza: per citare due dei contributi più recenti, nel 2019 Climalteranti ha coperto gli aspetti più analitici e più moderni della questione, con un approfondito contributo sull’analisi dei dati climatici, la teoria del caos secondo Edward Lorenz e la gestione dell’incertezza (qui); ancora prima con l’intervista a Naomi Oreskes, autrice di “Mercanti di dubbi”, ha trattato anche gli aspetti più relazionali, politici ed economici del tentativo di minimizzare la credibilità della scienza del clima.

 

Proponiamo oggi una trattazione non necessariamente esaustiva di alcuni passaggi fondamentali della strana storia della climatologia come scienza e cerchiamo di capire come la climatologia abbia costruito il proprio ruolo sui pilastri solidi delle scienze chimiche e fisiche, e come non meriti il giudizio tranchant di chi cerca di minimizzare il valore di quanto non ritiene ‘scienza esatta’.  

Si potrebbe partire da molto lontano,  ma portiamo la nostra macchina del tempo intorno all’anno 1800, e alle spedizioni di Alexander von Humboldt in Sudamerica. Humboldt (1769-1859, nella foto), è avidissimo osservatore di ogni aspetto della natura, interessato alla geologia, alla zoologia, alla botanica, e registra con minuziosa attenzione temperature, precipitazioni, pressione atmosferica, e persino il grado di ‘blu’ del cielo: lo fa nella foresta, nelle piantagioni, mentre scala i vulcani delle Ande. La sua esperienza di esploratore lo porta a trovare relazioni tra i climi e gli ecosistemi che osserva in Sudamerica e i climi e gli ecosistemi che aveva osservato in Europa, e a riflettere in particolare su tre aspetti innovativi per il tempo: l’estendersi in tre dimensioni delle fasce climatiche terrestri, il loro estendersi su diversi continenti, e il ruolo dell’uomo nel cambiare il clima di un luogo, modificando in particolare l’uso del suolo per deforestazione.

Humboldt usa il termine di Naturgemälde [1] (‘Quadro della Natura’ o ‘Ritratto della Natura’) per indicare la fondamentale unità del mondo naturale, e la necessità di leggere fenomeni singoli e locali nella loro relazione con il tutto. Quest’ultimo concetto è il legame che, all’epoca, ancora mancava tra la meteorologia e i ‘discorsi sul clima’: fino alle spedizioni di Humboldt e alle sue riflessioni sulla Naturgemälde, infatti, la meteorologia era vissuta come una ‘Hilfswissenschaft’, come una ‘scienza di supporto’, ossia una disciplina pragmatica al servizio dell’agricoltura, della navigazione, dell’arte della guerra; dall’altra parte, invece, la climatologia non era usata nemmeno come parola nel lessico comune e il clima era un concetto in massima parte descrittivo, come fosse un’ulteriore coordinata geografica. Tra una scienza di supporto e una descrittiva, davvero non sembrava esserci spazio per una ‘scienza esatta’.

Nella sua ricerca di unità generale tra i fenomeni locali, Humboldt ispira la ricerca di una teoria scientifica generale dei climi terrestri, che si manifesta nell’uso del termine climatologia da parte di Wilhelm Butte [2], come “la conoscenza delle cause che determinano la temperatura di una regione”; Butte sottolinea come sia necessario arrivare a definire una “climatologia generale”, ossia una disciplina scientifica che si doti di leggi che giustifichino tutti i climi diversi, così come la botanica ha “leggi” che rendono conto della fondamentale unità del regno delle piante, nonostante la grande diversità di forme e dimensioni delle stesse. Humboldt aveva inoltre cominciato a chiedersi di quali leggi potesse dotarsi la climatologia e le aveva individuate, ad esempio, nelle “funzioni fondamentali della foresta per l’ecosistema e per il clima”, e in particolare nelle capacità della foresta di trattenere umidità, proteggere il suolo e raffreddare l’atmosfera. In modo molto moderno, Humboldt aveva già riconosciuto nelle attività umane, che definisce ‘imprudenti’, il danno incalcolabile portato al clima (geografico, locale) da brutali interventi di deforestazione. A Humboldt e alla sua minuziosa raccolta dati planetaria si deve anche l’invenzione delle isoterme [3] e la creazione della prima carta delle isoterme del pianeta, con il primo legame diretto tra ‘fasce di temperature omogenee’ e climi omogenei, che daranno a Wladimir Köppen, qualche decennio dopo (1884, [4]) l’ispirazione per la classificazione delle fasce climatiche della Terra: unificata la climatologia globale, ora occorreva però farne una scienza.

A farne una scienza ‘analitica’ e non solo descrittiva concorreranno gli studi sulla luce e sul calore da una parte e la fluidodinamica applicate alla meteorologia dall’altra, nel secolo tra i primi decenni dell’Ottocento e i primi decenni del Novecento.

Joseph Fourier, nel suo lavoro del 1822, ‘Teoria analitica del calore[5], introduce gli elementi fondamentali di una teoria matematica del calore, le equazioni differenziali che descrivono gli scambi di calore nei solidi e nei fluidi, le variazioni indotte da fonti di calore esterne al sistema in esame, e la trasmissione di calore ‘attraverso mezzi diafani’, come l’atmosfera. Per Fourier, la teoria analitica del calore costituiva la ‘legge razionale del moto dell’atmosfera, di quello degli oceani, del cambiamento delle stagioni, e così via, una grande legge geofisica confermata in laboratorio ed espressa dal calcolo differenziale’. Nel 1824, nelle sue ‘Considerazioni generali sulle temperature del globo terrestre e degli spazi planetari’, Fourier discute il riscaldamento della Terra da tre diverse sorgenti, la radiazione solare, distribuita in modo disomogeneo durante l’anno e che produce ‘la diversità dei climi’, la temperatura trasmessa dallo spazio interplanetario irradiata dalla ‘luce di innumerevoli stelle’ e il calore che proviene dall’interno della Terra sin dalla sua formazione; e ammette che ‘è difficile sapere quanto l’atmosfera influenzi la temperatura media del globo; e in questa analisi non siamo assistiti da una regolare teoria matematica’ [6]. Una regolare teoria matematica anche per l’influenza dell’atmosfera sulla temperatura media del globo prenderà forma grazie ai lavori del 1836 di Claude Pouillet sulla determinazione della temperatura d’equilibrio di un corpo planetario circondato da un’atmosfera [7], ai saggi di John Tyndall sul potere d’assorbimento e di trasmissione di calore da gas e vapori del 1861 [8] e dal celebre saggio di Svante Arrhenius del 1896 [9], sull’effetto del biossido di carbonio in atmosfera sulla temperatura al suolo. Nello spazio di 80 anni circa si vanno completando le leggi fisiche che spiegano in modo analitico e rigoroso gli scambi di calore (in particolare alle lunghezze d’onda del visibile e dell’infrarosso) attraverso il mezzo atmosferico, e il ruolo dell’atmosfera stessa e della sua composizione nel regolare questi scambi di calore e nell’influenzare la temperatura planetaria. La base essenziale delle leggi fisiche della termodinamica atmosferica è completa: nel corso del XX secolo questa base sarà affinata e il ruolo dei singoli composti chimici sarà compreso meglio, ma le leggi fisiche e matematiche ‘esatte’ della moderna climatologia dinamica e termodinamica sono già al loro posto.

Vilhelm Bjerknes, fondatore della Scuola Norvegese di Meteorologia, si pone nel 1904 [10] il problema di conoscere lo stato dell’atmosfera in ogni dato istante per rendere più solide le previsioni meteorologiche. Nel suo lavoro “Il problema della previsione del tempo, considerato dal punto di vista della meccanica e della fisica” dichiara, nel preambolo: “Se è vero, come ogni scienziato ritiene, che gli stati dell’atmosfera derivano da quelli precedenti secondo precise leggi fisiche, dobbiamo convenire che le seguenti siano le condizioni necessarie e sufficienti per la soluzione dei problemi meteorologici: 1) che si conosca con sufficiente accuratezza lo stato dell’atmosfera ad ogni dato istante; 2) che si conoscano con sufficiente accuratezza le leggi attraverso le quali gli stati dell’atmosfera derivano gli uni dagli altri.”  Il lavoro di Bjerknes è considerato il manifesto chiave per una trattazione analitica della meteorologia: il modello matematico alla base include le tre equazioni idrodinamiche del moto, l’equazione di continuità, l’equazione di stato dell’atmosfera, e i primi due teoremi fondamentali della teoria meccanica del calore. Ma l’articolo va al di là dell’identificazione delle 7 equazioni fondamentali per conoscere con sufficiente accuratezza lo stato dell’atmosfera: si pone l’obiettivo di rendere affidabili le previsioni del tempo cercando di rendere la meteorologia una scienza esatta dell’atmosfera, ossia una scienza, una volta ancora, che funzioni con sufficiente accuratezza [11]. Bjerknes non provvede a fornire soluzioni analitiche o integrazioni numeriche dirette alle equazioni che descrive, ma pone le basi della trattazione della meteorologia terrestre come di un problema matematico dipendente dalle condizioni iniziali, che è possibile addomesticare risolvendo le equazioni con metodi numerici, migliorando la nostra base di dati osservativi e provvedendo a formulare opportune parametrizzazioni, un determinismo temperato dalla… sufficiente accuratezza. Una solida revisione, con proposta di parametrizzazioni e di schemi numerici di soluzione delle 7 equazioni di Bjerknes, arriverà con il lavoro di Lewis Fry Richardson del 1922 [12], Previsioni del tempo con Processi Numerici.

In pochi decenni si completano dunque le leggi termodinamiche, ottiche, fisiche e meccaniche per la trattazione sempre più esatta del concetto sfuggente di clima, ma sarà il meteorologo svedese Tor Bergeron (nella foto) a preparare delle vere e proprie Linee Guida di una Climatologia Dinamica nel 1930 [13], attraverso le quali introdurre nella climatologia alcuni dei concetti che erano stati sviluppati in connessione con l’analisi sinottica della meteorologia. Bergeron parte dalla consapevolezza che, fino ad allora, la climatologia è stata rappresentata essenzialmente dalla compilazione statistica di singole variabili meteorologiche, ma afferma che una vera climatologia dinamica debba nascere dall’osservazione del tipo di massa d’aria prevalente in ogni data località secondo un metodo integrale (andando cioè a individuare le caratteristiche più conservative e isotrope di una massa d’aria, come la temperatura e l’umidità specifica), e un metodo differenziale, ossia descrivendo le proprietà più variabili di una massa d’aria, come ad esempio il gradiente termico e la turbolenza. La classificazione delle masse d’aria e l’utilizzo dei due metodi permettono non solo la descrizione del clima come integrale nel tempo (cronologico!) del tempo meteorologico medio di un luogo, ma permettono anche la comprensione dei fenomeni dinamici e termodinamici alla base sia del suo stadio medio sia, in modo rivoluzionario, del suo discostarsi dallo stato medio.

La ricetta per una climatologia scienza esatta si fa sempre più completa: vi sono posizione, attività, estensione orizzontale dei principali centri d’azione, intesi come aree in cui vi sia una particolare persistenza di determinate masse d’aria nel tempo e nello spazio; sono inoltre tenute presenti le variazioni di lungo periodo dalla media e i fattori dinamici e termodinamici determinanti queste variazioni, tra cui fattori astronomici, fattori connessi alla chimica dell’atmosfera e al suo bilancio radiativo, fattori legati alla temperatura superficiale degli oceani, fattori connessi alla stratosfera. Bergeron indicava già la possibilità di individuare il cambiamento climatico proprio nell’instaurarsi di variazioni di lungo periodo nelle caratteristiche dinamiche e termodinamiche del clima, individuando nella climatologia dinamica null’altro che… la base fisica della previsione di lungo periodo.

La ricetta di Bergeron verrà ulteriormente arricchita pochi anni dopo con il lavoro di Guy Callendar del 1938 [14], trattato anche da Climalteranti (qui), in cui l’intervento umano, attraverso la produzione di biossido di carbonio artificiale, è in grado di modificare in tempi ‘umani’ le caratteristiche radiative dell’atmosfera.

Roger Revelle e Hans Suess,  nel 1957 (nella foto), definiscono inoltre i processi principali di scambio di biossido di carbonio, con particolare riferimento a quello di produzione antropica, alla principale interfaccia terrestre, quella tra atmosfera e oceani, introducendo un ulteriore tassello scientifico essenziale nella definizione del cambiamento climatico e nella proiezione della sua evoluzione futura [15].

Le leggi “esatte” della climatologia, ossia quelle che funzionano con sufficiente accuratezza, ci sono tutte già nel 1957. E certamente le leggi sono molte, e concatenate in modo complesso, nel tentativo di descrivere il comportamento di un sistema grande e complesso come quello climatico, che evolve a grandi scale spaziali e temporali. Ma queste leggi sono leggi esatte tanto quanto quelle che sottendono qualunque altra scienza, proprio perché sono leggi di ‘altre scienze’ che sono diventate, in uno strano gioco del destino, ‘Hilfwissenschaften’, o scienze di supporto, della moderna concezione della climatologia.

 

Testo di Gianluca Lentini con contributi di Stefano Tibaldi e Stefano Caserini

 

Bibliografia:

[1] Wulf A., 2016: The Invention of Nature – Alexander von Humboldt’s new world. Vintage Books Penguin Random House, New York. ISBN 978-0-345-80629-1. 

[2] Griffith R., 1813. Prolegomènes de l’arithmétique de la vie humaine by W. Butte. (Book review). Monthly Review (London) 72: 505–509.

[3] von Humboldt A., 1817: Sur les lignes isothermes. Par A. de Humboldt. (Extrait) In: Annales de Chimie et de Physique, T. 5 (1817), S. 102–112

[4] Köppen W. 1884a: Die Wärmezonen der Erde, nach der Dauer der heissen, gemässigten und kalten Zeit und nach der Wirkung der Wärme auf die organische Welt betrachtet, Meteorol. Z. 1, 215–226; Meteorol. Z. 20, 351–360.

[5] Fourier J., 1822: Théorie analythique de la chaleur,

https://www.irphe.fr/~clanet/otherpaperfile/articles/Fourier/N0029061_PDF_1_676.pdf

[6] Fourier, J., 1824: Remarques genérales sur les temperatures du globe terrestre et des espaces planetaires, Ref. 2, pp. 151-155 and 165-167.

[7] Pouillet C.S.M., 1836: Memoir on the Solar Heat, on the Radiating and Absorbing Powers of the Atmospheric Air, and on the Temperature of Space’. trans. Richard Taylor (I 846) Scientific Memoirs 4, 68- 69.

[8] Tyndall J., 1861: On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapours, and on the Physical Connection of Radiation, Absorption. and Conduction, Phil. Mag. ser. 4, 22. 169-194 and 273-285.

[9] Arrhenius S., 1896: On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground, Phil. Mug. ser. 5,4 I, 237-276.

[10] Bjerknes V., 1904: Das Problem der Wettervorhersage, betrachtet vom Standpunkte der Mechanik und der Physik. Met. Zeit., 21, 1-7.

[11] Gramelsberger G., 2009: Conceiving Meteorology as the exact science of the atmosphere: Vilhelm Bjerknes’s paper of 1904 as a milestone. Meteorol. Z., vol 18, n. 6, 669-673.

[12] Richarson L. F., 1922: Weather Predictions by Numerical Processes. Cambridge University Press.

[13] Bergeron. T., 1930: Richtlinien einer dynamischen Klimatologie, Meteorologische Zeitschrift 47, n. 7, 246–262

[14] Callendar G. S., 1938: The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature. Q. J. R. Meteorol. Soc. 64: 223–240, DOI: 10.1002/qj.49706427503.

[15] Revelle R. and Suess H. E., 1957: Carbon Dioxide Exchange between Atmosphere and Ocean and the Question of an Increase of Atmospheric CO2 During the Past Decades. Tellus 9: 18-27.

2 responses so far

2 Responses to “La climatologia e la sufficiente accuratezza”

  1. giulio03on Nov 9th 2020 at 13:59

    Ottimo articolo. Grazie. Ci voleva.
    Una piccola svista Eunice Newton Foote giunse prima di John Tindall. Vedasi:
    Eunice Foote, “Circumstances affecting the Heat of the Sun’s Rays”, The American Journal of Science and Arts, vol. 22, pp. 382–383, novembre 1856.
    Cordialità vivissime

  2. Gianluca Lentinion Nov 9th 2020 at 15:20

    Grazie per il commento, Giulio.
    Abbiamo in effetti trattato Eunice Newton Foote e della sua preminenza sul tema del riscaldamento globale nell’articolo dedicato a Guy S. Callendar, che si può trovare qui: https://www.climalteranti.it/2020/06/10/il-futuro-visto-dal-passato-guy-callendar-e-il-riscaldamento-globale/

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