Clima, meteo e l’atmosfera come sistema complesso

Clima e meteo: differenze e chiarimenti

Le condizioni meteorologiche e climatiche sono le principali manifestazioni della nostra atmosfera, sulle quali l’inquinamento dell’aria impatta sempre più in maniera significativa. In realtà le due parole “meteo” e “clima” sono usate spessissimo come sinonimi fra di loro, ma dovremmo invece usarle con maggiore attenzione, perché esprimono due concetti sì certamente associati, ma comunque distinti.

Navigando comunemente sul web, c’è il rischio di imbattersi in espressioni come “Clima impazzito”, “cambiamento climatico del meteo“, “clima estivo torrido oggi” e tanti altri titoli, a volte sensazionalistici, a volte completamente sbagliati. Di certo il comune denominatore rimane l’imprecisione: cerchiamo dunque di fornire al lettore un piccolo punto di riferimento.

Il meteo (o tempo meteorologico) è l’insieme dei comuni fenomeni atmosferici che tutti noi conosciamo (pioggia, neve, copertura nuvolosa, nebbia, grandine, vento, ondate di calore ecc.) che avvengono in un determinato istante in un preciso luogo geografico sulla superficie della Terra.

Il meteo è estremamente variabile e si riferisce ad un arco temporale ridotto al breve termine. Può dunque cambiare nel giro di minuti, di ore, di giorni e di stagioni.

Il clima invece è relativo ad un lasso di tempo maggiore, anche trentennale, ed è basato sulla media delle osservazioni meteorologiche nel lungo termine in un’area specifica. Il suo cambiamento perciò avviene su scale pluridecennali.

Dunque la descrizione del clima di un certo luogo fornisce solo un’idea dei fenomeni che possono accadere in esso, non si spinge nei dettagli giornalieri: il clima è ciò che ci si aspetta, il meteo quello che si ottiene.

Una metafora spiega il tutto simpaticamente: Il tempo meteorologico è quello che ti dice cosa si dovrebbe indossare durante una giornata; il clima invece indica quali tipologie di abiti dovresti tenere nell’armadio per ogni evenienza.

Delle volte, come sappiamo, le previsioni meteorologiche risultano errate e/o imprecise. Perché? Cosa denota la sua variabilità? Sono sviste umane, oppure è una questione più profonda, nascosta nella natura dell’atmosfera?

La meteorologia nel corso dei secoli

La registrazione delle osservazioni meteorologiche, le previsioni sulle piogge e sui venti, nonché le spiegazioni delle azioni atmosferiche sono tre antichissime pratiche.

Non è possibile stabilire con precisione esatta la nascita della meteorologia, anche se è facile dividerla in due sfaccettature: come scienza, essa è relativamente giovane; invece come parte della conoscenza umana, la sua storia accompagna l’uomo dalle origini della sua civilizzazione.

In quest’ultimo caso infatti, essendo anticamente cacciatori e coltivatori, è chiaramente comprensibile l’importanza dell’interpretazione e dell’osservazione dei “segni” del meteo atmosferico, soprattutto per predirne altri nel futuro.

Si sviluppò dunque la necessità di tramandare queste conoscenze di generazione in generazione attraverso dei brevi proverbi per facilitarne la memorizzazione: chi non conosce un epitaffio legato al tempo meteorologico?

Le culture del passato del Mediterraneo e del Vicino Oriente, lungo diversi millenni, hanno mostrato un particolare interesse per le previsioni del tempo. Eventi astronomici e condizioni meteorologiche venivano strettamente correlati anche in ottica religiosa, ed è dunque possibile parlare in questo caso più che altro di astrometeorologia.

Ad esempio, le fasi delle stelle compaiono sia nelle fonti egiziane, sia in quelle greche, romane e della civiltà babilonese, ed erano pure strettamente legate alla programmazione dei lavori agrari ed alla navigazione.

Sono giunte a noi dal mondo classico una serie di strumenti e testi, collettivamente chiamati parapegma ( παραπήγμα, pl. parapegmata), che servivano non solo per tenere una tracciabilità temporale di determinati fenomeni ciclici, ma anche per l’appunto in ottica di previsione degli stessi.

Aristotele (Meteorologia), Teofrasto (De signis tempestatum, De ventis), Claudio Tolomeo (Almagesto), Plinio il Vecchio (Naturalis Historia), Columella (De rustica), Seneca (Quaestiones Naturales) sono le principali fonti dell’antichità sugli argomenti del clima e del tempo meteorologico.

A titolo di completezza, anche la civiltà araba ha fornito i suoi contributi di rilievo, specialmente con le opere di Al-Dinawari, importante homo universalis dell’Età dell’oro islamica (VIII-XIII sec.), fra i maggiori esponenti teorici della correlata rivoluzione agricola araba.

Successivamente, anche Cartesio nel Discorso sul Metodo (1637) tenta di spiegare la natura e le cause dei fenomeni atmosferici, più nello specifico nel saggio correlato “Le meteore”. L’enorme potenziale scientifico della meteorologia venne poi compreso, purtroppo, solo con l’avvento della Seconda Guerra Mondiale.

Proseguendo dunque fino ai giorni nostri, gli studi di climatologia e meteorologia si basano dagli anni ’50 e ’60 sull’uso del calcolatore e su sofisticati modelli fisici e matematici di previsione, i quali hanno fatto emergere nuovissimi punti di vista e nuove frontiere come i sistemi caotici.

L’enorme balzo in avanti dell’ analisi numerica applicata ai modelli meteorologici ha stimolato la ricerca scientifica verso strumenti di misura e di calcolo sempre più precisi e veloci, usati anche in altri campi come la medicina, astrofisica, chimica sperimentale ed informatica.

I recenti supercomputer Frontier (Oak Ridge National Laboratory) e l’italiano Leonardo (CINECA) sono stati sviluppati appositamente per questi ed altri scopi scientifici, e sono fra i più potenti al mondo, attualmente.

Capaci di effettuare miliardi di miliardi di operazioni matematiche al secondo, essi fungono da battistrada anche nella lotta all’inquinamento, con il supporto di tecnologie e teorie come l’intelligenza artificiale, deep learning, machine learnig e l’analisi dei dati.

Atmosfera e clima nel concetto di sistema

Perché le varie scienze dell’atmosfera hanno bisogno dei supercomputer?

Per rispondere compiutamente a questa ed alle altre domande di sopra, dovremmo tenere presente che l’atmosfera ed il clima sono, sostanzialmente, dei sistemi cui le componenti dell’aria vengono scambiate in continuazione tra gli esseri viventi ed altri ecosistemi. Tali scambi coinvolgono processi sia di natura fisica che di natura chimica.

Queste manifestazioni sono descritte attraverso molteplici e ben dettagliate equazioni matematiche, formule di reazione chimiche e principi fisici. Dunque, perché i modelli climatici, meteorologici ed atmosferici a volte non riescono a descrivere accuratamente i fatti che accadono?

Le cause sono insite nelle qualità del sistema climatico e atmosferico: dinamicità, complessità, non-linearità.

La dinamicità di un sistema ne esprime l’evoluzione nel corso del tempo. Attraverso un modello matematico, possiamo constatare il divenire attraverso un certo numero di grandezze misurabili (es. temperatura, umidità, pressione atmosferica ecc.) e identificare così lo stato del sistema (cioè la sua configurazione) ad un certo istante di tempo t.

Un sistema complesso inoltre assume dei tratti distintivi specifici:

• In esso sono presenti moltissimi “sottosistemi” che interagiscono fa di loro;
• Possiede caratteristiche emergenti; cioè precisi comportamenti che derivano dalle interazioni fra i sottosistemi quando questi oppure le loro connessioni superano un certo numero;
• È altamente strutturato, ovvero ci sono tante variabili e connessioni;
• Sono presenti dei cosiddetti meccanismi di retroazione (feedback), per cui una risposta in uscita diventa anche uno stimolo in entrata;

Un ultimo fattore importante da menzionare è la sensibilità alle condizioni iniziali: se queste cambiano in maniera impercettibile, il comportamento del sistema nel futuro varia decisamente, ed in modo rilevante.

Qui dunque entriamo nel campo della teoria del caos e della non-linearità. Nei sistemi non- lineari infatti si osservano dei passaggi da dinamiche regolari a comportamenti irregolari, la cui sensibilità dalle condizioni iniziali li rende completamente imprevedibili.

“Può il batter d’ali di una farfalla in Brasile provocare un tornado in Texas?” è la celebre metafora di Edward N. Lorentz che riassume efficacemente il pensiero sopra esposto.

La complessità del sistema climatico

Per comprendere meglio il comportamento atmosferico, sarebbe più opportuno parlare di sistema Terra-atmosfera, un “pulsante organismo biofisico” che è formato da cinque sottoinsiemi:

• Atmosfera vera e propria;
• Idrosfera ( l’insieme delle acque presenti sul nostro pianeta);
• Criosfera ( l’agglomerato dei ghiacci);
• Litosfera ( la crosta terrestre, il suolo);
• Biosfera (il raggruppamento di tutti gli ecosistemi).

Queste componenti si evolvono nel tempo ed interagiscono fra di loro sotto gli influssi di tre principali agenti: il riscaldamento da parte del Sole, la rotazione della Terra e la gravità terrestre.

Il sistema Terra – atmosfera è in sé un “sistema chiuso”, ovvero non scambia con lo Spazio nessuna massa, ma solo energia. Di converso invece, i sottosistemi elencati poco sopra sono “aperti”, ovvero scambiano sia massa che energia fra di loro: Il ciclo dell’acqua è un semplice esempio di questo concetto.

L’acqua può evaporare, per formare nuvole e poi pioggia, ricadendo sulla superficie terrestre. Inoltre, l’anidride carbonica, uno dei principali gas serra, è regolarmente scambiato tra la terra e l’atmosfera, o fra l’atmosfera e gli oceani.

L’atmosfera è la parte del sistema che consideriamo di “risposta rapida”, o che risponderà alle forze su una scala temporale da pochi secondi a poche settimane.

Le altre parti del sistema climatico sono una “risposta lenta” e la maggior parte dei cambiamenti in queste componenti su scale temporali da pochi giorni a milioni di anni o più.

I modelli climatici tentano dunque di rappresentare la parte atmosferica di questo sistema. Stiamo parlando ora più in dettaglio dei feedback, ovvero i circuiti di retroazione che si suddividono in positivi e negativi.

I feedback positivi sono meccanismi in cui l’output in uscita si somma all’input in entrata, dando vita ad una amplificazione: ad esempio, i risultati del riscaldamento globale portano ad un effetto palla di neve, che porterà come conseguenza un rafforzamento del fenomeno in questione e portando l’intero sistema ad andare fuori equilibrio, divergendo.

Al contrario, in un feedback negativo l’output in uscita viene sottratto all’input in entrata, generando uno smorzamento degli eventi e che condurrà di converso il sistema verso l’equilibro.

Conclusioni

Le ragioni esposte nel paragrafo precedente danno contezza del fatto che le previsioni del tempo meteorologico non siano prevedibili se non per alcuni giorni per le ragioni summenzionate, anche se alcuni aspetti del clima potrebbero esserlo prevedibile per anni, decenni e forse anche di più.

Tutto questo è regolato da centinaia di equazioni fisico-chimiche ed un enorme quantità di dati, elaborati anche grazie alle teorizzazioni della statistica e del data mining. Dunque ecco spiegata l’uso massiccio dei mainframe e dei supercomputer al giorno d’oggi: con un regolo calcolatore sarebbe un processo non impossibile, ma lunghissimo!

Nonostante questo, sotto le influenze delle leggi della termodinamica e del moto, nelle previsioni del tempo e nella modellazione del clima c’è sempre un certo grado di incertezza e di necessità di sole ipotesi, anche per il semplice fatto che a volte non ne comprendiamo appieno le loro manifestazioni a causa delle qualità sopra descritte dei sistemi complessi.

Se a tutto questo aggiungiamo le azioni dell’uomo ad altissimo impatto come l’inquinamento atmosferico, la situazione diventa enormemente più complessa: quest’ultimo tratto è il fulcro della questione.

Con le immissioni di sostanze inquinanti “perturbiamo” il sistema complesso-atmosfera e sconvolgiamo il delicatissimo equilibrio iniziale creatosi; pertanto quali “meccanismi di retroazione” entrano in gioco? Quali conseguenze abbiamo?

Le attività umane immettono in atmosfera, compromettendone la qualità dell’aria, migliaia di sostanze. Nuovi nomi sono entrati, entrano o entreranno a far parte del nostro linguaggio: Clorofluorocarburi, Idroclorofluorocarburi, Alogeni ecc.

Non si deve percepire disinteresse in tutto questo, ma curiosità. Al lettore verranno dati opportuni riferimenti per conoscere al meglio queste particolari classi di sostanze inquinanti, per avere maggior consapevolezza del mondo che ci circonda ed in cui viviamo la nostra esistenza.

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