Sui mass media generalisti, e soprattutto sul web, cercare di informarsi su questioni scientifiche è sempre un grosso problema in quanto si trovano notizie che sembrano descrivere tutto e il contrario di tutto. Gli articoli sul cambiamento climatico non sono da meno. A leggere i giornali o le notizie sul web sembrerebbe che gli scienziati cambino idea di continuo, nella più totale confusione. Un giorno si legge che moriremo tutti arrosto, un altro che moriremo ibernati a causa di un’imminente era glaciale. Addirittura alcuni quotidiani o siti web si spingono a parlare di bufale riguardo il riscaldamento globale causato dall’uomo (Fig.1a). Non è raro trovare conclusioni di scienziati (o pseudo tali) che sentenziano sul fatto che solo il sole, la nostra stella da cui attingiamo la gran parte dell’energia, può essere in grado di decidere le sorti del nostro clima e quindi i suoi cambi di umore (fig1b). In alcuni di questi articoli si legge, inoltre, che i climatologi non avrebbero preso in seria considerazione il ruolo dell’attività solare.

 

 
Figura 1 a)-b): esempio di articoli di giornale o siti web che parlano di bufala riguardo al riscaldamento globale (a)
o di sole come unico responsabile (b, fonte la nuovabq).

 

Ma è propri così? E’ vero che il sole ha un ruolo predominante sui cambiamenti del clima? E può davvero essere successo che migliaia di scienziati si siano dimenticati della nostra stella? Procediamo con ordine. 

Per chiarire al meglio la questione cercherò di portare avanti le mie argomentazioni con il supporto di alcuni grafici e anche qualche formula, ma su queste ultime invito a soffermarsi solo chi ne ha davvero voglia, evitando così di annoiare il lettore curioso, poco interessato alle elucubrazioni matematiche.

Quando si parla di cambiamento climatico, e di fattori che lo determinano, bisogna chiarire per prima cosa un concetto fondamentale: quello del bilancio energetico terrestre. 

Sono gli squilibri di tale bilancio, infatti, che portano a un cambiamento nella quantità di radiazione elettromagnetica, che colpisce il nostro Pianeta e, di conseguenza, un cambiamento nelle sue temperature medie superficiali.

Cosa si intende per bilancio energetico terrestre? Immaginiamo di essere in un giorno di estate, in una giornata calda con il sole forte, in alto nel cielo. Se dobbiamo uscire, ma non per andare al mare, oltre che le ovvie imprecazioni di rito, ci vediamo costretti a scegliere un abbigliamento adeguato. Solitamente, se siamo furbi, ci mettiamo qualcosa di chiaro. Questo perché qualsiasi corpo assorbe tanta più radiazione quanto più è scuro. Al contrario, se ci vestiamo con abiti chiari, la radiazione tenderà ad essere riflessa quanto più ci vestiamo verso il bianco. Avremo, di conseguenza, meno caldo. 

In generale, ogni corpo che assorbe energia la riemette verso l’esterno altrimenti si riscalderebbe di continuo. L’assorbimento e la riemissione della radiazione elettromagnetica generano, quindi, una sorta di equilibrio energetico. Se si scompensa tale equilibrio, si avranno necessariamente dei cambiamenti nella quantità di energia presente e quindi delle modifiche nelle temperature superficiali del corpo. La tipologia di radiazione che il corpo riemette dipende dalla sua temperatura, secondo le leggi della radiazione elettromagnetica (leggi di Planck e Wien). Tanto maggiore sarà il picco di temperatura, tanto maggiore sarà la potenza emessa e minore sarà la lunghezza d’onda associata (vedi Fig.3)

                                                                     

Figura 3: Distribuzione della densità dipotenza della radiazione di un "corpo nero" in funzione della lunghezza d'ondaper differenti temperature. Fonte: Scienze Unitn.

 

E’ possibile quantificare la potenza totale emessa da un corpo in ogni suo punto grazie alla legge di Stefan-Boltzmann (Equazione 1), che altro non è che l’integrale della legge di Planck, per cui l’energia emessa da un corpo varia proporzionalmente  alla quarta potenza della sua temperatura.

 

Equazione 1: equazione di Stefann-Boltmann 

dove F è la potenza totale emessa da ogni unità di area della superficie del corpo, σ è la costante di Stefan-Boltzmann e T è la temperatura del corpo. Da questa equazione possiamo calcolare, ad esempio, la temperatura di emissione del nostro Pianeta, come vedremo in seguito.

Il nostro Pianeta è soggetto agli stessi meccanismi e nel suo caso i vestiti sono rappresentati dalle terre emerse, dagli oceani, dalle nuvole e dai ghiacci. Gli ultimi due, in particolare, riescono a riflettere circa il 30% della radiazione solare che arriva sul nostro Pianeta.  Considerando tutti questi fenomeni legati all’assorbimento, alla riemissione e alla riflessione della radiazione solare da parte del nostro Pianeta possiamo calcolare che le temperature superficiali della Terra dovrebbero essere in media di -18°C, come vedremo ora.

La quantità di energia riemessa dal Pianeta è uguale a quella ricevuta dal sole secondo il bilancio radiativo terrestre (Equazione 2). Utilizzando la legge di Stefan-Boltzmann quindi:

 

Equazione 2: bilancio energetico planetario

 dove σ è la costante di Stefan-Boltzmann, Tp è la temperatura del Pianeta, Si è la costante solare, pari a circa 1367 W/m2, il fattore  1/4 riflette il fatto che il Pianeta, essendo una sfera (un geoide in realtà) intercetta solo un disco del fascio solare incidente, ma re-irradia da tutta la sua superficie; nella quantità tra parentesi, α rappresenta l’effetto albedo, ovvero la riflessione dei ghiacci, delle nuvole e delle terre, specie quelle più chiare, che corrisponde a circa 0.3 (30%) e che deve essere tolta nel computo della radiazione assorbita dal Pianeta. In questo bilancio, quindi, la parte sinistra dell’eguaglianza, il primo membro, rappresenta l’energia emessa dalla Terra, la parte destra quella ricevuta. Svolgendo questa equazione otteniamo un valore di Tp pari a circa 255°K, ovvero -18°C.

E’ l’equilibrio energetico del nostro Pianeta, senza che sia considerato, però, un effetto ormai noto a tutti. Infatti, la presenza di particolari gas in atmosfera, i cosiddetti gas serra, permette di intercettare una gran parte della radiazione che il nostro Pianeta riemette verso lo spazio, riflettendola in tutte le direzioni, anche verso la superficie terrestre. Ecco perché le temperature medie superficiali del Pianeta sono di 15°C e quindi ottime per il proliferare della vita sulla Terra. E’ questo il valore associato al vero equilibrio radiativo planetario nel bilancio energetico introdotto alcuni momenti fa. A questo valore, 15°C, corrisponde, secondo la legge di Planck, un’emissione di radiazione nelle bande dell’infrarosso, cosa che spiega il motivo per cui la radiazione riemessa dal nostro Pianeta è proprio quella infrarossa, tanto “apprezzata” dai gas serra, quali il vapore acqueo, l’anidride carbonica e il metano, considerando i tre principali in ordine decrescente di importanza.

Se qualcosa modifica tale bilancio, il Pianeta inevitabilmente cerca di ricomporre lo squilibrio, compensandolo. E’ una forma di "resilienza" terrestre su periodi tanto più lunghi quanto maggiore è lo squilibrio. E la transizione non è quasi mai indolore. Stiamo parlando proprio dei cambiamenti climatici.

Ma cosa può determinare tali modifiche? Quali sono i fattori (in climatologia prendono il nome di forzanti) che sono in grado di determinarle?

Sicuramente è la nostra stella che ci garantisce la gran parte dell’energia presente sul Pianeta. Grazie al sole noi osserviamo una circolazione atmosferica. E tutte le forme di energia primaria (ad esclusione di quella geotermica) derivano da esso.
Anche l’attività vulcanica ha un ruolo molto importante, in quanto può modificare le concentrazioni medie dei gas presenti in atmosfera, quali l’anidride carbonica o i solfati, ad esempio; la prima è un gas serra, dai secondi scaturisce un tipo di particolato, che riflette la radiazione solare (vedi qui). Per ultima, ma solo in ordine di apparizione, l’attività antropica, con le sue emissioni di gas serra, divenuta una protagonista importante della storia climatica recentissima di Gaia.

In base a questo discorso viene naturale pensare, che coloro i quali “inneggiano” al sole e alla sua attività, come principale fattore climatico, abbiano tutte le loro ragioni. In realtà non è proprio così e aver chiarito il concetto di bilancio energetico ci aiuterà a capirne i motivi.

L’attività solare può essere indicata secondo un parametro, la luminosità, ovvero la sua potenza di emissione, che viene espressa, dal modello di evoluzione solare standard, come

Equazione 3: modello standard di evoluzione solare 

dove Lo è la luminosità del sole al tempo t e to è la corrente età del sole, circa 4.6 miliardi di anni.

La luminosità di una stella tende, quindi, ad aumentare nel tempo. Dall’equazione si calcola, infatti, che 4 miliardi di anni fa l’attività solare era il 75% inferiore ad oggi. Al tempo dell’estinzione dei dinosauri era circa il 4% inferiore. Ma proprio qui nasce un primo “scricchiolio” nel ragionamento dei sostenitori della causa solare. Al tempo dell’estinzione dei dinosauri, alla fine del Cretaceo, 65 milioni di anni fa, le temperature erano tra gli 8 e i 12 gradi maggiori di oggi (Fig. 4a). Se il sole fosse stato il principale protagonista del clima del Pianeta, le temperature sarebbero dovute essere inferiori rispetto ad oggi.

 


Figura 4 a)-b) : Ricostruzioni di Temperatura media (a) e CO2 (b) per gli ultimi 60 milioni di anni da Zachos et al., 2008.

 

Ma così non è stato. Erano, però, molto superiori le concentrazioni di CO2 (dalle tre alle cinque volte le concentrazioni attuali, Fig. 4b).

Andando molto più indietro nel tempo, troviamo come, nonostante un’attività solare decisamente inferiore, la Terra non abbia mai conosciuto periodi di totale “congelamento”, come sarebbe dovuto accadere se fosse stato il sole a guidare tutti i cambiamenti del clima.  L’unico modo per spiegare quello che viene definito come “paradosso del giovane sole debole” è chiamare in causa il ruolo dei gas presenti in atmosfera. Prima di tutto, CO2 e CH4, anidride carbonica e metano. In particolare quest’ultimo, con una potenza di gas serra di oltre 20 volte maggiore rispetto alla CO2 su scale di 100 anni, avrebbe avuto un ruolo fondamentale. La presenza in alte concentrazioni di questi gas avrebbe compensato la minore radiazione solare in entrata. Le motivazioni alla base sono complesse e legate al grande termostato terrestre rappresentato dal ciclo del carbonio di lunghissimo periodo.  

Anche le cinque grandi estinzioni di massa sono legate a cambiamenti climatici epocali causati da improvvise (geologicamente parlando) modifiche nelle concentrazioni di gas in atmosfera o da cause esogene, quali l’impatto di un’asteroide (che si pensa abbia contribuito alla grande e ultima estinzione di massa, quella del Cretaceo, famosa, come precedentemente ricordato, per la scomparsa dei dinosauri

L’arcano è quindi presto svelato. Il sole assume un ruolo fondamentale (quasi esclusivo) come fornitore dell’energia sula superficie del nostro Pianeta, quindi il suo contributo è preponderante in termini di valore assoluto, all’interno dell’equilibrio energetico terrestre (la Si la dell'eq.2). Ma a determinare i cambiamenti climatici sono piccole modifiche di tale equilibrio. E’ l’entità di tali modifiche che determina il manifestarsi di ere calde, alcune particolarmente calde (Hothouse) o di ere glaciali (come quella attuale che stiamo vivendo), sino a periodi estremi, come quelli denominati di SnowBall Earth, con una terra ricoperta dai ghiacci per una sua buona parte. Tutto il Fanerozoico (tempo geologico che va dal Cambriano, 500 milioni di anni fa sino ai giorni nostri, periodo legato all’esplosione delle specie animali) è stato caratterizzato da queste grandi “escursioni termiche” planetarie, sebbene le ere caratterizzate dalla presenza di ghiaccio sembrano essere decisamente minoritarie.

Concentriamoci allora su queste modifiche dell’equilibrio energetico planetario e riavviciniamoci ad epoche più vicine. Come già ho avuto modo di chiarire in questo articolo nell’alternanza tra fasi glaciali e interglaciali che hanno caratterizzato il Quaternario, il sole ha avuto, sostanzialmente, un ruolo indiretto, grazie ai moti astronomici planetari. Anche qui l’importanza del sole sui grandi cambiamenti del clima diviene secondaria.

Proseguendo il nostro viaggio nel tempo, nella cosiddetta Piccola Era Glaciale, un periodo di relativo raffreddamento (fino a un massimo di un grado di diminuzione rispetto alla media del secondo millennio dopo Cristo) di alcuni secoli, tra il XV e il XIX secolo circa,  il sole ha avuto, ancora una volta, un ruolo secondario rispetto ai vulcani e ai meccanismi di risposta legati ai ghiacci e alla circolazione oceanica (vedi qui), nonostante la comparsa di alcuni minimi solari (periodi di ridotta attività solare, che si manifestano con una forte diminuzione nelle macchie solari) molto profondi.

Veniamo finalmente ai giorni nostri.

E’ vero che, nonostante quanto visto in precedenza, siano i cambiamenti dell’attività media solare ad aver determinato il rapido aumento delle temperature degli ultimi decenni. E che gli scienziati non abbiano dato peso a questo contributo?

Per avere una riposta a questa domanda dobbiamo vedere cosa effettivamente gli scienziati hanno chiarito in questi anni. In particolare esistono degli studi, denominati di attribution, che hanno l’obiettivo di quantificare i singoli contributi dei vari forzanti climatici, naturali e non, sull’andamento delle temperature medie planetarie dell’ultimo secolo e non solo. Per fare questo si sono serviti di modelli climatici, inserendo via via i vari fattori. L’obiettivo era cercare di riprodurre al meglio la curva delle temperature planetarie passate.

Uno degli studi più famosi, quello di Meehl et al., 2004 ha mostrato come l’attività solare non è in grado di spiegare l’aumento delle temperature degli ultimi decenni. In Figura 5 è evidente come le curve delle temperature osservate (in nero) e quella relativa al contributo solare (in rosso) divergano in modo significativo a partire da metà Novecento. L'attività solare non spiega in alcun modo l'aumento degli ultimi decenni.

 

Figura 5: da Meehl et al., 2004. In nero le osservazioni di temperature reali, in rosso le temperature virtuali con il solo contributo solare.

 

Al contrario i gas serra di natura antropica (in rosso, Fig. 6), spiegano abbastanza bene tale aumento.

 

Figura 6 : da Meehl et al, 2004. In nero le osservazioni di temperatura reali, in rosso le temperature virtuali con il solo contributo dei gas serra antropici.

 

Se poi consideriamo tutti i contributi naturali e antropici (in rosso, Fig. 7) otteniamo un risultato, chiaramente, migliore.

 

Figura 7 : da Meehl et al, 2004. In nero le osservazioni di temperatura reali, in rosso le temperature virtuali con il contributo di forzanti antropici e naturali insieme. In blu i soli forzanti naturali. 

Quest’ultimo grafico ci mostra come, considerando solo il contributo naturale (in blu), le temperature del Pianeta non sarebbero dovute aumentare.

E’ una delle prove che “incolpano” l’uomo e scagionano l’attività solare e vulcanica medie. Ci sono decine di questi studi di attribution, alcuni molto recenti (vedi questo NASA, diffuso su Bloomberg) e tutti convergono alle stesse conclusioni. Il sole, e più in generale, i fattori naturali, non spiegano l’aumento delle temperature medie globali degli ultimi decenni. Le attività antropiche lo fanno molto bene.

Questi risultati sono confortati dalle misure osservative. Si può vedere, infatti, che l’attività solare media è sostanzialmente costante, se non in leggero calo, da metà Novecento, mentre sia le temperature che le emissioni di CO2 sono in aumento (Fig.8).

 


Figura 8: su cortesia di S. Rahmstorf. In Grigio le temperature osservate, in blu e verde le concentrazioni di CO2 in atmosfera, in giallo l'attività solare media.

 

La quantificazione delle stime di quanto i vari forzanti abbiano agito proprio sull’equilibrio energetico planetario a partire dal periodo preindustriale è visibile in Figura 9.

Figura 9: stime dei forzanti radiativi al 2011 a partire dal 1750 e relative incertezze. (Fonte: IPCC, AR5).

Possiamo vedere chiaramente quello di cui si era accennato in precedenza. Sebbene come valore assoluto l’energia fornita dal sole è di gran lunga superiore a quella di qualsiasi altro contributo, in termini di cambiamento del bilancio energetico planetario, quindi di forzante, il suo ruolo è ancora una volta marginale. Parliamo probabilmente di meno di un decimo di quello costituito dalla sola CO2 emessa dall’uomo.

C’è un’ulteriore evidenza che esclude l’attività solare nell’attuale riscaldamento globale e riguarda le misure delle temperature stratosferiche. La Stratosfera è uno strato dell’atmosfera che va dai 12 km ai 50 km circa. E’ lo strato al di sopra della troposfera, che sovrasta la superficie terrestre (Fig.10a), ed è famosa per la presenza dell’ozono, che ci protegge dai raggi solari ultra-violetti più energetici.
Se fosse il sole ad aver determinato il cambiamento climatico degli ultimi decenni ci aspetteremmo che sia la troposfera, che la stratosfera, si riscaldino. Al contrario, se i responsabili fossero i gas serra emessi dall’uomo ci aspetteremmo un aumento delle temperature troposferiche e una diminuzione di quelle stratosferiche, in quanto la Stratosfera vedrebbe intercettata parte della radiazione infrarossa terrestre uscente verso lo spazio. Ed è proprio quello che sta accadendo (vedi fig. 10b). 

Figura10 a)-b): Strati atmosfera (a, Fonte pas.rochester.edu); Serie temporale anomalie di temperatura media nella bassa stratosfera (Fonte: Real Climate).

Un’ultima questione interessante è capire se eventuali futuri minimi solari potrebbero contrastare il riscaldamento globale causato dall’uomo. Abbiamo visto come minimi solari profondi avrebbero favorito periodi di raffreddamento, ma non ne sarebbero la causa principale, come avvenuto nella Piccola Era Glaciale. Gli scienziati hanno dato anche una risposta a questa domanda (vedi qui e qui).

E, come potevamo prevedere, alla fine di tutto questo ragionamento, la risposta è no. O meglio, un minimo solare profondo sarebbe in grado di rallentare per alcuni decenni il riscaldamento, ma non arrestarlo o, addirittura, invertirne la tendenza.

In conclusione, si è visto come siano le variazioni nel bilancio energetico terrestre a determinare i grandi cambiamenti climatici, variazioni dovute a diversi fattori, detti forzanti climatici. Tra questi vi è sicuramente il sole, ma la sua influenza è relativamente minore rispetto ad altri più significativi. Le dimostrazioni le abbiamo nelle ricostruzioni paleo-climatiche, dalla comparsa dell’atmosfera, qualche miliardo di anni fa, sino all’alternarsi di periodi glaciali e inter-glaciali dell’ultimo milione di anni, ma anche e soprattutto dalla quantificazione dei singoli fattori, che ci viene dalle osservazioni e dagli studi di attribution. Attribuire quindi alla nostra stella un ruolo preponderante, che non ha, è solo un tentativo, semplicistico, di nascondere le nostre responsabilità sui grandi cambiamenti che stiamo arrecando al Pianeta. Compresi quelli climatici.

 

Bibliografia:

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  • Miller G.H. et al., 2012. “Abrupt onset of the Little Ice Age triggered by volcanism and sustained by sea-ice/ocean feedbacks”. Geophysical Research Letters Vol.39, Issue 2.
  • Pierrehumbert R.T., 2010. “Principles of Planetary Climate”. Cambridge University Press.
  • Zachos J.C. et al., 2008. "An early Cenozoic perspective on greenhouse warming and carbon-cycle dynamics”. Nature 451, p. 279-283.