La nuova era del clima: tra cicli naturali, squilibri antropogenici e miti climascettici

Ovvero, come i dati sul carbonio e il calore oceanico ridefiniscono la narrazione del riscaldamento globale.

Premessa
Diverse volte su queste pagine abbiamo fatto notare che scienza non è sinonimo di certezza, ma che è innanzi tutto mettere in discussione continuamente quanto finora appreso. Ecco servito sul famoso piatto d’argento uno di quei casi che genera una moltiplicazione di domande a cui andrà data risposta.

E più discussione di quanto sta accadendo a pochi giorni dalla pubblicazione, è difficile trovarne.

Allan Hills - Antartide

Uno studio appena pubblicato su Nature, rivista scientifica peer-reviewed tra le più prestigiose al mondo, ha portato un po’ di scompiglio ed anche qualche disagio ai sostenitori del cosiddetto “Net Zero”, ovvero la decarbonizzazione totale, zero emissioni di gas serra di origine antropica. La causa dello scompiglio proviene dai risultati delle analisi della cosiddetta aria fossile contenuta nelle carote di ghiaccio (il cosiddetto blue ice, ghiaccio estremamente denso e antico, caratterizzato da una colorazione azzurra o bluastra) estratte nella regione delle Allan Hills in Antartide, in grado di fornire indicazioni su alcuni parametri climatici fondamentali e che risalgono fino a circa tre milioni di anni fa. Il cuore operativo è l’impianto del COLDEX, Center for Oldest Ice Exploration, appartenente alla National Science Foundation, che a sua volta è una costola dello US Geological Service.

Carote di ghiaccio conservate al Coldex

Il principio è semplice: un ghiacciaio è il prodotto di alcuni semplici ingredienti – acqua, temperatura, pressione e tempo – che però lavorando insieme hanno la capacità di ricordare dettagli di una precisione straordinaria. Il ghiaccio nasce come fiocco esagonale che cadendo si fonde con altri esagoni, compattandosi poi con il peso di ogni successiva nevicata e stabilendosi in strati annuali simili agli anelli di un albero. Gli strati più in alto contengono tra gli esagoni depositi di aria ma, scendendo in profondità, quasi tutta l’aria viene espulsa a mano a mano che la neve si trasforma dapprima in firn, neve allo stato granulare, e alla fine in ghiaccio solido. La pressione costringe i fiocchi esagonali a ricristallizzarsi, intrappolando piccole quantità di aria in bolle, che sembrano una fascia di latte che attraversa il ghiaccio e possono servire per farsi un’idea di com’era il mondo durante la formazione di ogni singolo strato.

L’aria intrappolata in bolle di ghiaccio fornisce informazioni sulla composizione e concentrazione dell’atmosfera terrestre nel momento in cui cadde la neve, e le tracce chimiche e altre proprietà fisiche del ghiaccio rivelano informazioni su temperatura, vento e nevicate che possono essere ricondotte a particolari fluttuazioni stagionali di migliaia di anni fa. Il ghiaccio può rivelarci quali fossero la frequenza degli incendi forestali e l’estensione di zone umide e desertiche tanto tempo fa e in luoghi lontani. Le carote di ghiaccio possono servire a datare specifiche eruzioni vulcaniche e contribuiscono addirittura a tracciare il passato percorso della Terra attraverso il sistema solare. L’informazione è altamente condensata; nel corso di un centinaio di anni circa, un metro di neve può comprimersi, riducendosi a trenta centimetri di ghiaccio. Si ritiene che la calotta di ghiaccio della Groenlandia abbia circa 3 milioni di anni; quella molto più vasta che copre l’Antartide è oltre dieci volte più vecchia, ma c’è un limite all’età dell’archivio. Il ghiaccio alla base del ghiacciaio, a volte a parecchi chilometri di profondità, viene deformato dalla pressione e sciolto dal calore del substrato roccioso, cancellando gran parte delle informazioni e scombussolando il resto come se qualcuno avesse fatto a pezzi l’archivio con un paio di forbici.

È dal 1964 che si fa estrazione (carotaggio) di ghiaccio dalle calotte della Groenlandia prima e dell’Antartide dopo. E non mancano perforazioni nei ghiacciai continentali, persino sul nostro Adamello.

L'evidenza è una una chiara correlazione positiva tra aumento di CO₂ e incremento della temperatura. Questa relazione è robusta, statisticamente significativa, confermata da molteplici fonti indipendenti e coerente con i principi fisici dell’effetto serra. Cosa già nota da tempo, molto tempo.

Un archivio storico prezioso ed unico.

Punti di attenzione

Innanzitutto, è importante sottolineare che entrambi gli studi che vedremo utilizzano dati provenienti da una tecnica di analisi del ghiaccio sviluppata di recente. Le carote di ghiaccio antartiche convenzionali, che offrono un'elevata risoluzione temporale, risalgono solo a circa 800.000 anni fa. Esiste ghiaccio più antico, ma affiora in superficie, e come accennato, è fortemente deformato e pieno di difetti strutturali che spesso lo rendono difficoltoso da leggere o del tutto inutile. Non è possibile tracciare i singoli strati al suo interno, anche se le nuove tecniche possono ricavare dati da ghiaccio danneggiato risalente addirittura a circa 4 milioni di anni fa. Questi dati forniscono informazioni sul biossido di carbonio e persino sul contenuto di calore oceanico, per mezzo di un'altra tecnica innovativa che si basa sull'assorbimento di gas nobili atmosferici da parte degli oceani, che a sua volta dipende dalla temperatura. Insomma dati di qualità da ghiaccio di pessima qualità. La comunità scientifica che conduce questo progetto ha svolto un lavoro accurato ed è composta da persone di grande talento, ma si tratta di un campo nuovo e, con le nuove tecniche, c'è sempre spazio per le sorprese man mano che si approfondisce la loro conoscenza.

I critici che cercano di minimizzare le prove che si ottengano dall’analisi dell’aria fossile nelle carote di ghiaccio spesso suggeriscono che siano troppo imprecise per fornire un resoconto completamente accurato dei livelli dei gas atmosferici e della temperatura dell’aria. Ma indiscutibilmente sono accurate al punto di offrire un'ampia visione ciclica. Rimangono la fonte di alcuni dei migliori dati che abbiamo sul clima passato. Essendo dati misurati direttamente sono indubbiamente più accurati della maggior parte degli altri dati proxy. 

Ricostruzione della temperatura media globale e della concentrazione di CO₂ in atmosfera per gli ultimi 68 milioni di anni. Nel grafico è riportata  per confronto la proiezione per i futuri 100 anni nel caso di diversi scenari di emissione di gas serra in futuro. Sull’asse di sinistra la differenza con la media termodinamica del pianeta pari a 15 °C. Si notino i cambi di scala nell’asse dei tempi. (fonte)

Lo studio

Finora le carote di ghiaccio provenienti dall'Antartide documentano con precisione le variazioni continue dei gas serra atmosferici negli ultimi 800.000 anni, delineando i cicli glaciali-interglaciali che caratterizzano il medio e tardo Pleistocene. A gennaio 2025 fu estratto un campione che portava a circa 1,2 milioni di anni fa la data dei campioni più antichi. Nonostante sullo stesso sito COLDEX si affermi che, nell’area del blue ice delle Allan Hills, l’età massima raggiunta è di 1,5 milioni di anni (da aggiornare?), lo studio dichiara di aver esteso la ricerca con registrazioni ancora più antiche. Sono stati utilizzati i dati di carote di ghiaccio che coprono un intervallo che va da 3,1 a 0,5 milioni di anni fa, e pur trattandosi di istantanee con un certo grado di discontinuità, fatte le debite correzioni e normalizzazioni, quel che è emerso è che in quel periodo non si registra nessuna variazione significativa nella media del metano (CH₄), e oscillazioni di circa 20 ppm per il biossido di carbonio (CO₂). Dati che non si discostano significativamente da altre misure e modellazioni operate con i dati di altri campionamenti, anche in aree diverse del pianeta e relative soprattutto agli ultimi 800.000 anni.

In altre parole la ricerca rileva che i livelli di biossido di CO₂ e CH₄ sono rimasti sostanzialmente stabili negli ultimi tre milioni di anni mentre, e qui sta il punto, le temperature globali, nello stesso periodo, hanno subito cambiamenti significativi, inclusi quelli che alternavano grandi ere glaciali e cicli di riscaldamento. Oscillazioni di temperatura indipendenti dai livelli di CO₂? Qualcosa di completamente diverso dalla narrazione climatica tradizionale, e che negazionisti e climascettici non hanno tardato a far propria.

L'autrice principale dello studio, Julia Marks-Peterson, ha riconosciuto che i risultati erano inaspettati: «Siamo rimasti sicuramente un po' sorpresi». E ha aggiunto con cautela che i risultati «potrebbero suggerire che anche piccoli cambiamenti nei livelli di gas serra potrebbero innescare grandi cambiamenti climatici». Cautela, certamente, ma i dati rilevati dalle analisi dei carotaggi suggeriscono che un ruolo più importante dei gas serra potrebbero averlo avuto i cambiamenti nella circolazione oceanica o altri fattori, più determinanti di altri.  Forse la chiave di lettura migliore è che se anche il CO₂ non fosse la causa principale o una delle principali del riscaldamento, l’introduzione di gas serra di origine antropica non può che peggiorare lo scenario. La correlazione tra aumento della temperatura e tenore in CO₂  è provata fin dalla metà del XIX secolo, a cominciare dagli studi di Eunice Newton-Foote.

Stesso ghiaccio, altro studio
Sempre su Nature, a fare il paio con il primo studio ce n’è un altro, di poco successivo e realizzato con le stesse carote di ghiaccio del precedente che ci racconta qualcosa di analogo.

L'epoca del Pleistocene è stata caratterizzata da un raffreddamento globale e da un aumento dell'intensità e della durata dei cicli glaciali. Le registrazioni regionali della temperatura oceanica superficiale e subsuperficiale mostrano andamenti distinti in questo intervallo, suggerendo cambiamenti dinamici nel trasporto di calore e nella circolazione oceanica, rendendo ancor più complicato determinare l'evoluzione del contenuto totale di calore oceanico. A partire da misurazioni del contenuto di gas nobili (Xe/Kr) nelle carote di ghiaccio, sempre dopo aver normalizzato parecchie complicazioni, gli autori riscontrano un raffreddamento pronunciato che coincide approssimativamente con la transizione tra Pliocene e Pleistocene (circa 2,7 milioni di anni fa) e temperature stabili durante la transizione del Pleistocene medio (da 1,2 a 0,8 milioni di anni fa). I confronti con una recente raccolta di dati globali sulla temperatura superficiale del mare mostrano un'ampia coerenza nel raffreddamento a lungo termine, ma anche importanti differenze nelle transizioni Plio-Pleistocene e Medio-Pleistocene. Secondo gli autori le diverse tendenze nella temperatura superficiale e nella temperatura media dell'oceano durante questi intervalli sono correlate a una ridistribuzione del calore tra la superficie e le parti più profonde per mezzo di fenomeni di risalita (upwelling) e cambiamenti nella formazione di acque profonde. Unendo questi con altri dati proxy si confermano i grandi cambiamenti climatici nonostante si sia evidenziata la stabilità del tenore dei due principali gas serra. Ovvero, causa principale un raffreddamento oceanico a lungo termine piuttosto che un grande cambiamento nel CO₂.

Negazionismo in agguato

L’aspetto che sembra emergere soprattutto dal primo studio, non certamente rigorosamente scientifico, è che ci sia una sorta di doppiopesismo nell’interpretazione di questi dati. Ora, se le oscillazioni in tenore di biossido di carbonio sono rimaste più o meno intorno a 250 ± 20 ppm per praticamente tutto il Pleistocene, mentre il pianeta viveva diversi periodi glaciali e relativi interglaciali, soprattutto a partire da circa 2,7 milioni di anni fa, perché uno degli autori afferma che i risultati suggeriscono una sensibilità climatica maggiore dell'effetto riscaldante del CO₂? In breve, se per un’epoca si applicano fisica e chimica con rigore, ciò non sembra estendersi ad un’altra. Ovvero, se i gas serra non erano così fondamentali allora, perché dovrebbero esserlo oggi?

Argomento appetitoso per i negazionisti.

Innanzi tutto si noti che, entrambi gli articoli, non stanno riscrivendo il ruolo del CO₂ , ma più semplicemente sottolineano quanto sia sensibile il sistema climatico, ecco perché l'andamento delle emissioni a partire dall’era industriale deve continuare ad essere considerato allarmante.

Inoltre confondere quanto dovuto agli innegabili cicli orbitali con il forcing radiativo è un errore fisico fondamentale. I dati di Allan Hills confermano infatti che allora, privi della componente antropogenica, il ciclo del carbonio era stabile, e modulava le oscillazioni naturali della temperatura all'interno di un sistema ciclico, per intere ere geologiche. Le emissioni antropiche hanno ora aumentato il tenore in CO₂ a 430 ppm – oltre il 50% sopra quella linea di stabilità del ciclo naturale e con un’accelerazione evidente negli ultimi decenni - creando un enorme squilibrio termico. La fisica ignora i passati cambiamenti della circolazione oceanica e oggi reagisce solo all'energia intrappolata dal carbonio in eccesso. Dire che il CO₂ non è la manopola di controllo è come dire che i freni non funzionano perché un'auto una volta ha rallentato in salita.

Questi studi, ancora una volta, dimostrano che siamo usciti dal confine stabile del Pleistocene in un nuovo regime energetico planetario. La Terra saprà ritrovare l’equilibrio, con o senza l’umanità.

Abbaimo l'opportunità, rara, di osservare le transizioni climatiche degli ultimi 3 milioni di anni grazie all'utilizzo di ghiaccio antartico eccezionalmente antico. I dati sono interessanti, ma il ghiaccio è molto compresso e discontinuo, il che significa che le registrazioni riflettono principalmente le tendenze a lungo termine piuttosto che le ampie oscillazioni di CO₂ tra periodi glaciali e interglaciali che sappiamo essersi verificate.

Il messaggio chiave è che variazioni relativamente piccole nella forzante climatica possono spingere il sistema terrestre oltre determinate soglie, alterando il volume dei ghiacci, la circolazione oceanica e l'immagazzinamento di calore negli oceani. Questo concetto non è nuovo, ma le ricostruzioni della temperatura a partire dai tenori in gas nobili del secondo studio contribuiscono a rafforzarlo, dimostrando che la transizione climatica Plio-Pleistocene è stata accompagnata da un raffreddamento oceanico a lungo termine piuttosto che da un grande cambiamento nella CO₂.

Inoltre le transizioni climatiche sono sempre associate a un cambiamento nel contenuto di calore oceanico, ma è importante notare che nessuno, tanto meno gli autori, propongono questa come una connessione causale. Il contenuto di calore oceanico è di per sé una misura del cambiamento climatico generale, e il massimo che si può affermare da questi dati è che la tendenza generale al raffreddamento dal Pliocene (con un emisfero settentrionale non interessato dalle glaciazioni) all'era dei cicli glaciali-interglaciali del Pleistocene è correlata al contenuto di calore oceanico.

Un altro mondo

Misurazioni e tecniche più avanzate dimostrano che le variazioni dei gas serra non sono state il fattore principale dell’antico raffreddamento globale. È certamente un risultato importante, ma non del tutto inaspettato, dato che in questo sistema climatico passato il Nord e il Sud America si erano appena uniti con la formazione dell’istmo di Panama, alterando in maniera radicale la circolazione oceanica: i modelli meteorologici e le circolazioni oceaniche funzionavano in modo molto diverso. Una volta che il mondo ha dato il via alla presenza di ghiaccio nell'Artico e nei continenti settentrionali, le bolle di aria fossilizzata intrappolate in altre carote di ghiaccio più profonde dimostrano che i gas serra hanno invece svolto un ruolo di primo piano nell'amplificare le più recenti oscillazioni climatiche naturali, guidate dai cambiamenti periodici dell'orbita terrestre attorno al sole nell'arco di decine o centinaia di migliaia di anni.

Ma il contenuto di CO₂ attuale, e la velocità con cui si è concentrato, è enormemente superiore ai livelli osservati nei cicli glaciali naturali degli ultimi milioni di anni e, come ampiamente trattato su questo blog, molteplici prove dimostrano che è un fatto indiscutibile che l'aumento dei gas serra stia attualmente riscaldando il nostro clima.

Attenzione massima quindi alla nuova corrente climascettica in arrivo. Studi come questi, se rilanciati con veemenza a partire dai loro titoli (Broadly stable atmospheric CO₂ and CH₄ levels over the past 3 million years e Global ocean heat content over the past 3 million years) sono ghiottonerie per affermare quella del riscaldamento globale causato dall’attività umana è una storiella politica, che la Panda della nonna è la causa e l’auto elettrica la panacea di tutti i mali. O peggio, che i ricercatori cavalcano l’onda del catastrofismo per ottenere continui finanziamenti e, per finire, che la decarbonizzazione è di sinistra, estrema sinistra. Roba che Giorgio Gaber ci avrebbe riscritto una canzone.

Le cose stanno come le ho raccontate tante volte su queste pagine. Basta leggere.

La Terra non è soltanto un sasso al Sole

Sarà il caso di iniziare con una conclusione?

A volte fare storia è più divertente del solito, è come rileggere dopo anni un oroscopo all'epoca dato per certezza, e scoprire che l'astrologo o l'astrologa di turno aveva, come ovvio attendersi, scritto soltanto una montagna di fesserie.

In fondo, tutti vorremmo sperare che i negazionisti climatici abbiano ragione. Se per caso venisse fuori che, veramente, è stato tutto un abbaglio, che il clima non sta cambiando così velocemente come sembra o che, perlomeno, l’uomo non c’entra nulla…sarebbe come risvegliarsi da un incubo: il mostro che ti stava rincorrendo non esiste.

Durante le ricerche che puntualmente faccio a corredo di ogni mio articolo mi sono imbattuto in questo post, pubblicato su pagine autorevoli e che analizza il punto di vista diverso di un professore della Duke University, una persona con un curriculum scientifico a tutta prova e che pubblica su riviste scientifiche internazionali, non il solito negazionista arrogante.

Era l’anno 2009. A breve saranno passati 15 anni. Tre lustri di smentite clamorose delle tesi opposte e di prove concrete a sostegno che il cambiamento climatico in atto è indiscutibilmente opera nostra. Ci sarà qualcosa di naturale, ma è davvero poca roba.

Ma soprattutto, è il sapere come sono andate le cose in passato che rende evidente che la nuova normalità climatica è conseguenza diretta delle nostre attività.

Premessa

Sono ormai decenni che diverse fonti forniscono i dati che, oltre ogni ragionevole dubbio, ci raccontano come sia cambiato il clima sulla Terra nel corso di tutta la sua lunghissima storia geologica: sono le analisi stratigrafiche dei depositi sedimentari, i carotaggi di sedimenti marini o di lunghe colonne di ghiaccio prelevate nell’Artide così come in Antartide, o dai ghiacchiai[1] e la relativa analisi dei loro contenuti, compresa la composizione dell'aria "fossile" nelle micro bolle d'aria; lo studio dei depositi vegetali trasportati dal vento, le analisi palinologiche (dei pollini), la distribuzione di organismi unicellulari dal guscio calcareo (foraminiferi), quello del rapporto tra concentrazioni di isotopi diversi dell’ossigeno o del carbonio e persino le analisi dei microsedimenti lasciati sui fondali marini del Nord Atlantico: sedimenti rilasciati da giganteschi iceberg che andavano migrando e sciogliendosi, dopo essersi staccati per crollo dal fronte delle inimmaginabili estese calotte glaciali presenti nelle epoche più fredde del nostro pianeta. E questi ultimi studi sono quelli tra i più coraggiosamente intuitivi e curiosi, che hanno messo in relazione eventi tra loro apparentemente slegati quali la fusione di iceberg, normalmente collegata a periodi di riscaldamento, e che invece ha apportato enormi quantità di acqua dolce e fredda, talmente tanta da alterare lo schema della normale circolazione delle correnti oceaniche che avviene, di solito, per differenze di temperatura e salinità.

Tutti questi sono ciò che i climatologi chiamano proxy data, non potendo effettuare misurazioni dirette nel passato per ovvi motivi si deducono alcuni fatti dall’analisi indiretta, per procura, di altri elementi.

Le previsioni e le proiezioni che vengono quindi elaborate continuamente, o la possibilità statistica concretamente molto alta che le cose vadano e potranno andare proprio così è provato da come sono andate in passato.

Un esempio di correlazioni

Nel diagramma seguente sono riportati i cosiddetti eventi di Heinrich, il geologo marino tedesco che per primo ipotizzò che lo scioglimento di grandi masse glaciali a spasso nell’Oceano avrebbe lasciato una sorta di firma basata sul contenuto di sedimenti accumulati insieme alla neve che andava formando i ghiacci, tanto meno presenti quanto più lontani dalla zona glaciale. Oltre agli eventi, indicati con HS, è possibile seguire l’andamento del rapporto tra i due isotopi dell’ossigeno ¹⁸O e ¹⁶O, il cosiddetto δ¹⁸O (per approfondire qui) che, semplificando, viene utilizzato come indicatore di maggiori o minori temperature. Poichè ¹⁸O è più pesante dell'ossigeno comune occorre maggiore energia per far evaporare la molecola d'acqua: nel viaggio del vapore verso i poli gli isotopi più pesanti tenderanno, in caso di precipitazioni, a cadere sulla superficie più frequentemente e il tutto dipende dalla temperatura. Misurando quindi il rapporto δ¹⁸O nei carotaggi nei periodi più freddi troveremo sistematicamente meno isotopi pesanti, mentre nei periodi più caldi la diminuzione sarà meno marcata. I carotaggi sono un registro geologico non solo del tenore di gas serra ma anche delle temperature. L’andamento della curva in viola segue infine abbastanza fedelmente i dati di temperatura (curva arancione) ricavati dalle analisi del cosiddetto North Greenland Ice Core Project (NGRIP), un progetto finanziato dalla UE che ha effettuato carotaggi fino ad oltre 3.000 metri di profondità perforando la calotta glaciale groenlandese. Per confronto, la curva nera in basso, riporta i dati di un altro grandioso esperimento internazionale, European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA) con i dati δ¹⁸O ricavati da carotaggi record, 3.270 metri di profondità, estraendo ghiaccio sempre più vecchio, fino a quasi 800.000 anni fa. La sovrapponibilità delle curve ricavate da zone diverse della Terra nello stesso periodo è impressionante.

Ancora due parole sugli eventi di Heinrich. I sedimenti presenti negli accumuli glaciali derivavano dall’intensificarsi delle correnti atmosferiche nei periodi più freddi che trasportavano una maggior quantità di detriti a loro volta derivanti dall’incremento dell’aridità tipica dei periodi glaciali che favoriva la formazione di terreni più asciutti e sabbiosi[2]. Lo scioglimento di queste masse di ghiaccio va quindi a giustificare i momenti di brusca accelerazione del calo termico individuati con altri metodi.

I cambiamenti nel passato recente

Il clima della Terra si dice, è sempre cambiato, e proprio perché se ne conoscono ormai abbastanza bene le modalità e le cause, e soprattutto le tempistiche delle varie fasi, glaciali e interglaciali, si è oggi in grado di affermare inequivocabilmente che il cambiamento che stiamo misurando da almeno un paio di secoli se non prima, e vivendo in prima persona, ha certamente delle cause antropogeniche dirette, scatenate ovviamente dall’immissione in atmosfera di enormi quantità di gas serra ogni anno, attualmente pari a 55 miliardi di tonnellate di CO₂e[3]. Dire che il clima è sempre cambiato, con modalità del tutto naturali, è corretto. Non lo è invece fare questa affermazione per giustificare il cambiamento climatico in atto, così come definito scientificamente e ormai appurato dal vastissimo consenso internazionale, al di là di ogni ragionevole dubbio. Per approfondire si veda quest’altro mio post.

Oggi sappiamo con certezza, grazie soprattutto alle prospezioni polari ed oceaniche, che la Terra alterna ampi, in termini di tempo geologico, respiri di caldo e di freddo, ma che a volte sembra vada soggetta a periodi parossistici. In altre parole, durante le fasi progressive a fronte di una certa regolarità nell’aumento o nella diminuzione delle temperature medie, si possono notare intervalli di periodi in controtendenza o, durante ad esempio una discesa la tendenza può farsi più brusca, accelerata rispetto all’andamento medio.

Negli ultimi 800.000 anni le ricostruzioni ci mostrano un andamento generale relativamente regolare con il calo graduale della temperatura nel corso di 90-100.000 anni, accompagnato da un concordante aumento delle masse di ghiaccio, fino a raggiungere il massimo dello stadio glaciale. Poi la temperatura risale improvvisamente, sempre in termini di tempo geologico, e in poche migliaia di anni ritorna ai livelli caldi dell'interglaciale con una simultanea riduzione della massa dei ghiacci. Questo andamento coincide con i quantitativi di metano (ricavati dall'aria fossile contenuta nelle carote estratte dai ghiacci) che aumentano con l'aumentare del biossido di carbonio ma che, quando quest'ultimo ha raggiunto il massimo, fa un grande balzo e in poche migliaia di anni raggiunge il massimo dell'interglaciale. Si ricorda che ogni fase glaciale ed interglaciale è contemporaneamente accompagnata da estesi fenomeni di regressione od ingressione delle acque marine a causa dell’abbassamento o del sollevamento del livello medio: e non è un aspetto trascurabile dato che le variazioni di livello possono anche essere di decine di metri, superando anche i -100 come nell'ultimo picco freddo, circa 20.000 anni fa. Nel corso dell'ultima parte del Pleistocene questo saliscendi si è ripetuto per ben otto volte. Le ultime di queste glaciazioni sono state interrotte da fasi calde, che si sono manifestate rispettivamente 410.000, 300.000 240.000, 130.000 e, in termini di tempo geologico, appena, 10.000 anni fa, per una durata di poche migliaia di anni ciascuna. L'attuale interglaciale, iniziato poco più di 10.000 anni fa, è già uno dei più lunghi della serie.

Nel grafico successivo i risultati dei carotaggi antartici che indicano la lunghezza media dei cicli glaciali di 100.000 anni circa.

E nel seguente i principali periodi glaciali e relativi interglaciali del medio e tardo Pleistocene, con i primi della durata media di circa 100.000 anni ed i secondi da circa 10.000 a circa 15.000 anni.

E se ci interessa capire a fondo la storia del clima sulla Terra anche in tempi remoti, a maggior ragione dobbiamo farlo per tempi più recenti anche perché, una variazione tendente al raffreddamento, pur a cicli alterni, ha da sempre accompagnato l'evoluzione che ha portato fino a noi, all’uomo moderno.

Spiegazioni

Tra i molti e tra i primi che cercarono di mettere ordine tra quanto osservavano e le spiegazioni relative uno dei primi ad avere le idee chiare fu sicuramente l’ingegnere serbo Milutin Milanković. Nel tentativo di spiegare come mai le glaciazioni sembrano ripetersi con regolarità ciclica si concentrò sulla quantità di energia solare che raggiunge la Terra, sull’irraggiamento. Nel grafico seguente sono riportati gli andamenti dei vari parametri orbitali presi in considerazione rapportati agli stadi di glaciazione: come vedremo, un rapporto di causa-effetto ricavabile è piuttosto incerto. Non va tuttavia trascurato che, ad esempio, potrebbero quasi certamente essere state piccole variazioni nella radiazione solare, a causare deviazioni momentanee dalla tendenza generale al raffreddamento: nell'ultima glaciazione questo fenomeno si osserva ben 25 volte. Piccole variazioni di irraggiamento solare avrebbero innescato retroazioni positive legate allo scioglimento dei ghiacci artici, riduzione o interruzione momentanea delle correnti profonde dell'Atlantico settentrionale, cessione di biossido di carbonio con ulteriore aumento della temperatura, aumento del metano, finché l'irraggiamento solare non riprendeva a scendere in modo tale da invertire la tendenza.

La quantità totale di energia che ogni secondo investe la Terra, decurtata della parte riflessa (il 30% di quella incidente), è pari a 170.000 TW, ovvero 1,7¹⁷ Joule/s; per fare un confronto la quantità totale che viene utilizzata a scopi energetici sul pianeta, per tutto, dal traffico aereo ai caricabatteria, è pari a 13 TW, l'umanità nel suo complesso circa 40 TW. Questa energia è funzione della potenza di emissione del Sole -che tra l’altro è aumentata di circa il 30 percento dall’origine della Terra- ma è anche funzione della distanza del pianeta dalla sua stella e soprattutto dell’inclinazione della superficie del suolo rispetto al Sole in ogni determinato punto di questa. Milanković ipotizzò che la regolarità dei cambiamenti climatici vada ricercata nelle variazioni cicliche che subisce l’orbita della Terra e più in generale i suoi movimenti nello spazio compresi quelli relativi alla rotazione ed alla variazione di posizione dell’asse terrestre. In un lavoro del 1939 elaborò una teoria secondo cui la combinazione tra i cicli di variazione dei principali parametri orbitali fosse la chiave per comprendere le alternanze glaciale-interglaciale.

I parametri orbitali fondamentali, infatti, oscillano con periodicità diverse. Per iniziare, l'inclinazione dell'asse di rotazione varia con un ciclo di 41.000 anni. La precessione, che determina lo spostamento nel tempo della data degli Equinozi, ha componenti ritmiche dominanti variabili da 19.000 a 25.000 anni, 21.000 oggi, e infine, l'orbita della Terra intorno al Sole passa da una forma ellittica ad una quasi circolare con un ritmo che ha varie componenti, da 100.000 a 400.000 anni. Modificando i parametri orbitali varia l'irraggiamento solare e quindi il bilancio termico della Terra. In base a queste ipotesi, alcuni paleoclimatologi sono convinti che questo componente, il cosiddetto forcing orbitale, sia un ingrediente importante delle variazioni. La rivoluzione climatica del Pleistocene Medio, marcata dal passaggio da un'oscillazione di 41.000 anni ad una di 100.000, sarebbe ad esempio il risultato di una accentuazione del peso relativo che hanno i cicli di eccentricità rispetto a quelli di obliquità. Inoltre molte oscillazioni climatiche che si registrano ai tropici, legate alle variabilità dei Monsoni presentano una ciclicità coerente con le variazioni della precessione di circa 20.000 anni.

Ma la Terra non è semplicemente un sasso esposto al Sole soggetto esclusivamente alle diverse condizioni di irraggiamento. Ci sono sicuramente delle relazioni tra i cicli climatici del pianeta e le variazioni cicliche dei parametri orbitali, tuttavia la teoria di Milanković non è ancora perfezionata: in particolare la risposta climatica più grande è relativa a una scala temporale di 400.000 anni, ma gli effetti su questi periodi, per quanto riguarda le glaciazioni, sono apparentemente lievi e non concordano con le previsioni. Le oscillazioni climatiche avvenute nel corso degli ultimi due milioni di anni circa sono "registrate" con buona risoluzione nel guscio dei foraminiferi planctonici accumulati nei fondali oceanici, o meglio nel parametro δ¹⁸O dell'ossigeno contenuto nei gusci, e questi sono ben correlabili, almeno per gli ultimi 400.000 anni, con i cicli astronomici proposti da Milanković. Restano comunque parecchie incertezze. Ad esempio, se fosse attribuibile soltanto alla quantità di radiazione solare che raggiunge il pianeta, variabile a seconda della posizione nello spazio o di un particolare momento orbitale, come spiegare l’assenza di correlazioni dirette tra la maggiore o minore quantità di macchie solari e le variazioni climatiche?

E tutto questo senza citare l’assenza di evidenze di cambiamenti climatici ciclici in ere molto più antiche del Pleistocene, in cui la circolazione oceanica e atmosferica era mediata, quando non governata, da diverse conformazioni paleogeografiche, dalla durata diversa dei cicli di precessione della teoria del serbo e da altri fattori.

Le macchie solari

Centinaia di anni di registrazione della numerosità delle macchie, dai tempi di Galileo in poi, mostra un andamento marcato da alternanza di picchi (massimi) e avvallamenti (minimi) con periodicità di circa 11 anni, testimoniando la grande variabilità dell’attività solare nel tempo. E’ evidente la presenza del cosiddetto grande Minimo di Maunder, un periodo di minimo prolungato tra il 1645 e il 1715 in cui il numero di macchie solari osservate fu insolitamente basso, ed è altrettanto vero che questo periodo coincise con quel che è chiamata “La piccola era glaciale”. Ma perché il raffreddamento interessò pressoché esclusivamente l’emisfero boreale e in particolare l’Europa del Nord? E inoltre come mai la ripresa del normale ciclo di macchie solari non ebbe effetti sul clima che perdurò in uno stato di particolare rigidità fino alla metà del XIX secolo non imputabile al successivo minimo? L’ultimo ciclo solare, il “ciclo solare 24”, è terminato nel 2018 (è in corso la transizione al ciclo 25) ed è risultato essere nettamente più basso dei precedenti, il più basso dal Minimo di Dalton.

Ciò nonostante qualcuno potrebbe concludere, in maniera un po’ grossolana, che le variazioni associate all’attività solare possano da sole pilotare le variazioni del clima terrestre. Ma sarebbe un grave errore basarsi esclusivamente su modelli di previsione dell’attività solare, poiché sono molteplici i fattori che contribuiscono alla variazione di temperatura del nostro pianeta. E di questi, l’attività solare è solo uno dei contributi.

Quest’ultimo ventennio è stato caratterizzato da una scarsa attività solare, tanto che il ciclo solare 24 risulta essere il più basso da circa 200 anni. Per il ciclo successivo, quello che ci apprestiamo ad affrontare, ci sono alcune previsioni secondo cui anch’esso sarà molto debole. Andremo quindi incontro ad un periodo di irrigidimento del clima? Così non sembra e anzi, le prove a conferma del riscaldamento in atto sono molteplici.

Nel grafico seguente (NASA/IPCC) in alto c’è il confronto tra la variazione di temperatura media della Terra osservata (tratto nero) e il contributo dei fattori naturali, compreso l’attività solare (tratto verde). In basso il confronto tra la variazione di temperatura media della Terra osservata (tratto nero) e il contributo dei fattori antropici (tratto blu). La coincidenza di questi ultimi due è quasi imbarazzante per qualsiasi negazionista.

Complicato, molto complicato…

Il clima della Terra è un sistema complesso relazionato ad un insieme di cause che, complessivamente, i climatologi chiamano «caos deterministico»: a definire le variazioni apparentemente casuali di un sistema, che sono invece determinate da relazioni causa-effetto precise ma molto complesse e non lineari. I fenomeni caotici sono molto sensibili alle variazioni: basta una minuscola variazione nelle condizioni di partenza per determinare traiettorie climatiche molto diverse. E una di queste differenze minime può essere data dai fattori che condizionano l’irraggiamento.

E questo sistema terribilmente complesso che vuol dire la sua in tutta questa faccenda complica, tanto per cominciare, gli effetti del forcing esterno di origine astronomica.

I fattori endogeni sono dati essenzialmente dall'attività tettonica e dai movimenti dei fluidi, aria ed acqua, sulla superficie terrestre. Sappiamo che le masse continentali si generano per affioramento di parti del mantello che vanno alla deriva sospinte dai movimenti convettivi della sottostante massa semi fluida[4]. La geometria della crosta terrestre è molto cambiata nel tempo da quando, fra 300 e 200 milioni di anni fa, esisteva una sola enorme massa continentale, la Pangea, a quando iniziarono a separarsi i due supercontinente della Laurasia e del Gondwana, che poi andarono ulteriormente a frazionarsi per assumere il familiare aspetto attuale. Nel periodo che ci interessa di più, il Cenozoico, importanti fenomeni di deriva hanno prodotto l'isolamento dell'Antartide dalle masse continentali dell'emisfero australe a seguito dell'apertura del cosiddetto passaggio di Drake, tra l'America Meridionale e l'Antartide, circa 40 milioni di anni fa, e di quello di Tasmania, circa 30 milioni di anni fa. Un altro evento tettonico con enormi conseguenze climatiche, la collisione della placca Indiana con quella Asiatica, si è verificato nella prima parte del Cenozoico, e che portò al sollevamento della catena himalayana. Anche l'istmo di Panama, che connette l'America settentrionale a quella meridionale, si è formato definitivamente nel Cenozoico, ma solo intorno a tre milioni di anni fa.

La creazione dell'Oceano Antartico, la chiusura del passaggio tra le due Americhe e la formazione della catena dell'Himalaya hanno prodotto grandiose modificazioni nella circolazione oceanica e atmosferica che hanno contribuito a loro volta a determinare il regime climatico del tardo Cenozoico, cioè del Plio-Pleistocene, quando si sono verificati i fatti che interessano l'origine e l'evoluzione dell'uomo.

Il movimento delle correnti oceaniche è prodotto dallo scorrimento dei venti sulla superficie dell'oceano e dalle differenze di densità tra le masse d'acqua. Questi movimenti si verificano in tutti gli oceani e in tutti i bacini marini minori. Sebbene su scale molto diverse dal punto di vista macro climatico, ad interessare sono soprattutto le grandi correnti oceaniche, come la Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), un complesso sistema di flussi caldi che dalle basse-medie latitudini si spingono fino alla Groenlandia, e di correnti fredde che ridiscendono dalle aree polari verso Sud. Le correnti atlantiche proseguono anche nell'emisfero australe lungo le coste dell'America meridionale e dell'Africa, andando a connettersi con un altro grande sistema, quello della Antarctic Circumpolar Current (ACC).  

I flussi d'acqua non sono solo superficiali ma sprofondano anche negli abissi oceanici. Quando le acque profonde risalgono in superficie fanno affiorare i nutrienti che assicurano la produzione primaria dell'ecosistema oceanico. AMOC ha preso il suo aspetto attuale a seguito della chiusura dell’istmo di Panama e questo è un esempio di come la tettonica possa avere conseguenze grandissime sul clima. Lo stesso vale per ACC la cui nascita, determinata dall'apertura dei passaggi tra l'Antartide e le masse continentali australi, ha rivoluzionato il clima del pianeta nel corso del Cenozoico, consentendo le prime grandi formazioni di ghiaccio antartici e creando le premesse per l'assetto climatico attuale. 

L'importanza di questi enormi movimenti è data dal fatto che funzionano da trasportatori di calore e di umidità, quindi di energia, tra regioni molto diverse; formano quindi grandi sistemi di raccordo, trasferimento e amplificazione degli effetti locali, veri e propri meccanismi di telecomunicazione tra aree polari e tropicali e tra l'Antartide e l'Artide. Una modificazione di questi sistemi può quindi avere ripercussioni devastanti sul clima dell'intero pianeta. E’ per questo che i climatologi stanno monitorando con attenzione e preoccupazione AMOC, per cercare di capire come mai la sua intensità stia variando e se questo potrà sfociare in un collasso del sistema di correnti oceaniche addirittura entro il XXI secolo.

I processi endogeni legati alle correnti aeree e oceaniche hanno avuto effetti molto importanti sul clima e sugli ecosistemi di specifiche aree della Terra, e tra queste l'Africa, che interessa da vicino l'infanzia dell'uomo.

Ad esempio, in corrispondenza di alcuni Eventi di Heinrich degli ultimi 125.000 anni il distacco e lo scioglimento degli iceberg artici ha determinato modificazioni nelle correnti oceaniche atlantiche, che a loro volta hanno prodotto la variazione del regime degli Alisei e dei Monsoni che interessano l'Africa e conseguentemente la modificazione della struttura vegetazionale, con ovvie ripercussioni sulla composizione delle comunità biotiche locali, uomo compreso. 

Nel mio precedente post ho scritto di come la relazione tra tenore in biossido di carbonio e temperatura atmosferica influenzi lo sviluppo di vegetazione con processi fotosintetici diversi. La vegetazione è infatti protagonista di un importante feedback di natura biochimica, legato alla dipendenza che la fotosintesi ha in relazione alla concentrazione atmosferica questo gas. Ci sono piante estremamente sensibili alle variazioni di CO₂ che riducono la loro capacità di fotosintesi quando la concentrazione di questo gas in atmosfera diminuisce e l’aumentano quando il quantitativo di questo gas sale: il tipo di fotosintesi di questo tipo di piante forma molecole a tre atomi di carbonio, e per questo vengono definite di tipo C₃. Altre invece, che formano molecole a quattro atomi di carbonio, dette C₄, sono relativamente insensibili alla quantità di CO₂ in atmosfera. Accade quindi che, durante i periodi glaciali, quando la concentrazione di biossido di carbonio diminuisce, le piante C₃ siano svantaggiate; al contrario, durante i periodi di riscaldamento interglaciale queste aumentano la loro diffusione sulla superficie terrestre perché la loro attività aumenta all'aumentare della temperatura, con un maggior consumo del CO₂ ed una conseguente riduzione dell’effetto serra. In questo caso il feedback è negativo: quando fa più caldo la fotosintesi aumenta, il CO₂ atmosferico diminuisce e quindi si riduce l'effetto serra, con conseguente raffreddamento[5].

Ma l’effetto della vegetazione non si riflette soltanto sulla maggior o minore quantità di biossido di carbonio gestibile o sul maggior o minore effetto albedo, ma soprattutto sulle maggiori o minori capacità di adattamento e integrazione con tutti gli altri componenti di un ecosistema. Alcuni antropologi hanno dimostrato come i processi a cascata che hanno prodotto la riduzione delle foreste tropicali, dovuti a climi che hanno favorito piante a fotosintesi C₃ tipiche di climi più freschi rispetto alle C₄, hanno di conseguenza favorito l'espansione degli ecosistemi aridi nelle aree del Sahara, provocando inoltre fenomeni di dispersione nelle faune africane, con notevoli conseguenze paleoantropologiche. Il passaggio da ambienti tipicamente forestali a savane erbose potrebbe aver spinto l’evoluzione a selezionare la postura bipede, soprattutto per esporre al Sole una quantità inferiore di superficie della pelle, potrebbe, come qualcuno ha scherzosamente detto, aver indotto l’uomo…a scendere dagli alberi.

Una piccola variazione di irraggiamento solare può generare una cascata di effetti che vengono amplificati dai meccanismi endogeni producendo modificazioni improvvise del clima che influenzano la struttura degli ecosistemi e la dinamica delle comunità e delle singole popolazioni biotiche comprese quelle umane: ciò che i paleoclimatologi e i paleoecologi intendono quando parlano di sistemi a feedback e di risposte non lineari.

Anche le correnti aeree partecipano a questi complessi meccanismi di trasferimento energetico e alla cascata di effetti che arrivano fino agli ecosistemi e all'uomo. Ne è un esempio la circolazione degli Alisei orientali che spirano sull'Oceano Pacifico, che si è sviluppata nel corso del Pleistocene, con conseguenze notevoli sugli ecosistemi tropicali, inclusi quelli africani. A causa delle differenze di temperatura fra l'Oceano Pacifico occidentale e quello orientale, si formano correnti convettive d'aria calda nel primo e correnti discendenti di aria fresca nel secondo. La circolazione si chiude nell'alta troposfera con correnti aeree verso est e, a livello del mare, con flussi d'aria verso ovest. Questa circolazione[6] influenza a sua volta le correnti marine superficiali, normalmente rivolte dalle coste dell'America del Sud alle zone centrali dell’Oceano Pacifico. E’ grazie a queste che vengono richiamate acque profonde, fredde e ricche di nutrienti, in prossimità delle coste del Perù e in parte del Cile. La risalita, garantendo un buon rifornimento di nutrienti al plancton fotosintetico che popola la fascia superiore ben illuminata dell'oceano -la cosiddetta zona eufotica- assicura un'elevata produzione primaria negli ecosistemi oceanici. La Circolazione di Walker non è costante ma subisce oscillazioni sia di intensità che di direzione a seguito della variazione delle zone calde e fredde della superficie oceanica, sulle quali incidono le variazioni di irraggiamento solare. Queste variazioni, note come Southern Oscillation, comportano lo stravolgimento delle correnti oceaniche, che possono anche invertirsi, portando sulle coste sudamericane acque calde e povere di nutrienti; quando questo accade, la produzione del fitoplacton crolla e con essa tutta la catena trofica subisce un degrado nutrizionale importante. E’ quel che accade con il fenomeno cosiddetto ENSO (El Niño Southern Oscillation), che si sviluppa irregolarmente nel corso del tempo e che si sta facendo più frequente ed ampio negli ultimi tempi, in connessione con il riscaldamento globale in atto. Quando arriva El Niño la pesca cola a picco e il problema ulteriore è che l'aumento dei costi delle proteine d'origine marina associato a questo crollo determina una spinta all'immissione sul mercato di altre proteine per far fronte alla richiesta, tra cui quelle di origine vegetale ricavate dalla coltivazione della soia. L'accresciuta domanda di questo legume provoca l'espansione delle sue aree di coltivazione, che viene ottenuta aumentando il ritmo della deforestazione. 

Ma questo a sua volta riduce la cattura di CO₂ da parte delle foreste, con la conseguenza di un aumento di questo gas serra nell'atmosfera e quindi di un'ulteriore riscaldamento. Non solo, questi effetti non riguardano solo l'America del Sud e l'Oceano Pacifico centrale ed orientale, perché durante le fasi di inversione delle correnti si registra una marcata variazione delle precipitazioni anche in altre parti del mondo e particolarmente in Africa. E ancora, gli effetti del fenomeno ENSO sono tali da provocare profonde alterazioni climatiche a migliaia di chilometri di distanza come è stato ampiamente dimostrato anche in occasione del fenomeno nel 2010, che provocò eventi meteorologici estremi pressoché contemporaneamente negli Stati Uniti centro-occidentali e nel Pakistan.

Una perversa catena di effetti non proprio positivi.

 

Una complessa serie di eventi caotico-deterministici in un sistema altrettanto complesso a sviluppo non lineare. Ma ciò non impedisce di ribadire che le lezioni che possiamo trarre dal passato possono aiutarci ad accettare quanto la comunità scientifica ci sta dicendo da anni.

  

E concludo ribadendo la premessa. Ci piacerebbe tanto esserci sbagliati.

Quel post era del 2009.

Sono passati quasi 15 anni, anni di smentite clamorose delle tesi opposte e di prove concrete a sostegno che il cambiamento climatico in atto è indiscutibilmente opera nostra. Ci sarà qualcosa di naturale, ma è davvero poca roba.

Ma soprattutto, è il sapere come sono andate le cose in passato che rende evidente che la nuova normalità climatica è conseguenza diretta delle nostre attività.

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[1] Uno dei progetti più recenti è quello di ADA270, del carotaggio in profondità, fino a 270 metri, del ghiacciaio dell’Adamello, il più esteso di tutte le Alpi.
[2] E’ controintuitivo ma presto spiegato. Più acqua viene intrappolata sottoforma di ghiaccio meno ce n’è libera di circolare in atmosfera: di conseguenza le condizioni complessive sono di maggiore aridità.
[3] “CO₂ equivalente” a sommare gli effetti di tutti i gas serra di origine antropogenica
[4] Recentemente il modello originale è stato rivisto. L’amico Aldo Piombino riassume qui le novità principali.
[5] Senza entrare nei dettagli non si pensi però che questo ciclo sia compensativo delle emissioni antropogeniche.
[6] I meteorologi definiscono questo tipo di circolazione “di Walker”

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Riferimenti bibliografici
Gianluca Lentini. La Groenlandia non era tutta verde. Egea, 2023
Wolfgang Behringer. Storia culturale del clima. Bollati Boringhieri, 2016
Guido Chelazzi. L’impronta originale. Einaudi, 2013
Lawrence M. Krauss. La fisica del cambiamento climatico. Raffaello Cortina, 2022

Complessità, clima...e gamberi!

Parafrasando Tolstoj[1] «Tutti i sistemi semplici sono semplici allo stesso modo; ogni sistema complesso è complesso a modo suo». Ma cos’è un sistema complesso? Certamente la varietà è uno dei suoi evidenti aspetti ma dietro di esso ci sono alcune caratteristiche comuni.

Non esiste una definizione canonica di complessità, cioè in grado di cogliere tutte le sfumature del termine in modo unanime e condiviso, una definizione che quindi non generi fraintendimenti.

Innanzi tutto sicuramente “complesso” differisce da “semplice” ma occorre precisare che comunque “complesso” non è sinonimo di “complicato”. Un aereo è certamente complicato, con centinaia di migliaia di componenti e funzioni, ma non per questo è complicato: il suo funzionamento interno e il suo moto possono essere descritti sulla base di poche grandezze ed alcune semplici leggi.

Con un altro esempio il sistema nervoso degli insetti si ripete identico in tutti gli esemplari di una data specie, selezionato durante l’evoluzione di queste per svolgere certe funzioni e con limitata capacità di apprendimento: è certamente complicato ma la sua rigidità non lo rende particolarmente complesso. Di contro, il sistema nervoso umano è probabilmente quanto di più complesso si possa avere, per qualcuno persino nell’intero Universo: le sue connessioni sono in parte casuali, non sono ottimizzate in partenza per svolgere i compiti e soprattutto cambia e si adatta imparando dall’esperienza. Rita Levi Montalcini definiva il cervello un accrocco evolutosi riciclando di volta in volta quel che c’era a disposizione e adattandone le parti a nuove funzioni. Un accrocco estremamente complesso.

In poche parole, si può anticipare una definizione di sistema complesso inteso come qualcosa di cui si può parlare a lungo, ovvero più cose possiamo dire sul comportamento di un sistema, più ricco è il linguaggio da usare, più variegata la sua descrizione, maggiore è la complessità del sistema. E se state pensando ai trattati filosofici non posso darvi torto in quanto a complessità.

Tornando ad essere seri facciamo due esempi e compariamoli. Un bicchiere d’acqua e un cane. Per quanto riguarda l’acqua una volta che se ne conoscano temperatura e pressione in genere non c’è altro da dire (a meno che non ci si trovi in quelle condizioni in cui due fasi, ad esempio liquido e solido, coesistono), ed è del tutto inutile cercare di specificare tutte le posizioni e le traiettorie di ogni singola molecola d’acqua perché esiste un unico stato macroscopico: quello determinato dalla temperatura e dalla pressione. Un bicchiere d’acqua è un sistema semplice.

Un cane, invece, ha una ricca descrizione di stati, e ognuno può essere scomposto in altri: può saltare, abbaiare, stare seduto, correre, scodinzolare, e da uno qualsiasi di questi comportamenti può passare rapidamente ad un altro. E ciò lo rende un sistema complesso.

Ancora, confrontiamo un cristallo con un vetro: ogni cristallo ha una struttura cristallina che si ripete nello spazio, identica a se stessa e può essere identificato con pochi parametri; un vetro è un sistema disordinato con gli atomi e le molecole che possono trovarsi in un innumerevole di configurazioni diverse.

E possiamo dire lo stesso dei polimeri biologici come quelli che costituiscono le proteine o gli acidi nucleici DNA ed RNA, che possono esistere in moltissimi stati diversi di ripiegamento e passare dall’uno all’altro rapidamente.

Quindi, riformulando, un sistema complesso è caratterizzato dal fatto di poter esistere in tanti stati macroscopici, tutti rilevanti, e di poter passare velocemente da uno stato a un altro[2]. E ciò rende impossibile prevedere in modo esatto il comportamento macroscopico di questi sistemi. Sottolineo macroscopico perché sappiamo dalla Meccanica Quantistica che avvicinandosi alle dimensioni del mondo atomico e subatomico, il microscopico, la determinazione dello stato di un sistema o meglio, di una delle sue grandezze osservabili, abbandona definitivamente il mondo deterministico potendo coesistere ad esempio in due stati contemporaneamente, indeterminati e non prevedibili, che diventano reali solo al momento della misura.

L’idea e i concetti di base da applicare invece ai sistemi macroscopici complessi risalgono ai lavori di Ludwig Boltzmann che inventò la Meccanica Statistica, in grado di calcolare la distribuzione di probabilità delle molte diverse realizzazioni microscopiche (a livello atomico) di un determinato macrostato: in parole più che semplici temperatura e pressione dell’acqua in un bicchiere dipendono dalla media statistica delle energie delle singole molecole (i microstati) che compongono l’acqua (il macrostato) in un determinato momento.

Ma nella meccanica statistica dei sistemi complessi le cose…si complicano! E parecchio perché in questi casi si calcola la probabilità di avere certi macrostati e si determinano le relazioni tra di essi, oppure si calcola il tempo medio che un sistema passa in un certo macrostato piuttosto che in altri possibili. Si tiene in altre parole conto delle relazioni e nelle interazioni tra i possibili innumerevoli macrostati.

Una delle conseguenze della complessità è che un sistema complesso è tale che piccoli cambiamenti nella sua dinamica lo fanno passare in uno stato completamente diverso: è il caos, un comportamento “caotico” in senso stretto perché i sistemi caotici dipendono fortemente dalle condizioni iniziali, basta una loro variazione insignificante che le traiettorie, dopo un certo tempo, saranno completamente differenti. Ed è proprio questo il modo di comportarsi dei sistemi complessi: piccolissime perturbazioni hanno effetti enormi sui macrostati.

E arriviamo ad un punto complicato ma non troppo. Le condizioni iniziali, l’input di un sistema complesso, possono essere addirittura amplificate, rendendo l’evoluzione conseguente ancor più caotica e imprevedibile. Si tratta della cosiddetta Risonanza Stocastica che è parte integrante dei sistemi complessi, altresì detti sistemi dinamici non lineari, che non evolvono nel tempo con linearità e prevedibilità, e della teoria del caos. In alcuni sistemi non lineari si può osservare una certa frequenza caratteristica, si mostrano in cicli evidenti, al momento in cui una determinata quantità di rumore di fondo produce un’amplificazione del segnale (non tutto il rumore di fondo copre il segnale, a volte può esaltarlo).

La prima volta che si teorizzò questo fenomeno fu all’inizio degli anni ’80, per spiegare un apparente paradosso climatico.

Era noto da tempo, dati paleoclimatici alla mano, che nel corso della storia della Terra si sono succedute, più o meno ogni 100.000 anni, variazioni di temperatura dell’ordine di 10 °C, strettamente correlate con il flusso di energia proveniente dal Sole che, a causa dell’ellitticità dell’orbita terrestre, dell’inclinazione dell’asse e delle sue variazioni, e della cosiddetta precessione degli equinozi[3], cambia periodicamente con cicli di periodo simile (sono i cosiddetti, e piuttosto famosi, Cicli di Milanković).

Approfondendo si notò immediatamente che le variazioni dell’energia solare sono insufficienti da sole a spiegare i cambiamenti di temperatura osservati: ed ecco che entra in gioco la risonanza stocastica. La circolazione atmosferica e quella oceanica hanno dinamiche certamente complesse ma possono essere correlate a periodi molto più brevi dei cicli di 100.000 anni: possiamo quindi considerarle come un rumore, combinate con i cambiamenti periodici del flusso di energia solare inducono grandi variazioni della temperatura globale.

Oltre alle ovvie applicazioni in climatologia, nel corso degli anni si è capito che la risonanza stocastica è un fenomeno generale, del quale sono state trovate centinaia di manifestazioni e applicazioni (dall’ottica alla chimica, dalla biologia all’economia finanziaria) e addirittura in un gambero d’acqua dolce che possiede un sistema di recettori in grado di rivelare, mediante il meccanismo della risonanza stocastica, i deboli movimenti d’acqua prodotti dall’avvicinarsi di un predatore.

Nella figura successiva sono illustrati i cicli di variazione relativa della temperatura media della Terra.

Tornando alla climatologia, argomento molto di moda da qualche anno a questa parte, appare evidente che, oltre ad essere una scienza relativamente giovane[4], è strettamente legata alla complessità ed alle leggi probabilistiche dei sistemi non lineari, con parametri tali per cui le condizioni iniziali possono variare a volte inavvertitamente ma provocare enormi cambiamenti nell’evoluzione del sistema. Tant’è che ancora oggi le cosiddette previsioni del tempo si fanno in qualche modo al contrario. Si elabora un modello climatico, lo si confronta con i dati climatici e meteorologici di un evento certo, misurato, e si annota la sua adeguatezza, applicandolo poi a quanto potrebbe accadere in futuro. Nulla toglie però alla certezza che la climatologia è scienza dura e pura, serissima e completissima nei metodi d'indagine e nella scrupolosità scientifica.

Ma, anche se il clima è sempre cambiato, e continuerà a cambiare, anche se la complessità regna sovrana nella fisica teorica alla base delle determinazioni e delle previsioni complessive (non quelle relative al se pioverà domani!), anche se Milanković aveva intuito qualcosa all’inizio del XX secolo[5] non va certo accantonata la realtà dei fatti: che occorre prepararsi ad adattarsi al massiccio e veloce cambiamento climatico in atto dovuto soprattutto alla componente antropica che ha certamente accelerato un fenomeno probabilmente già in atto ma con tempi maggiori. Sempre che non sia troppo tardi per adattarsi, contromisure o meno.

La risonanza stocastica del gambero non ci aiuterebbe affatto.

 

Nella figura precedente l’architettura d’insieme delle fibre nervose cerebrali dove vengono illustrati gli orientamenti delle stesse: rosso=sinistra-destra, verde=anteriore-posteriore, blu=trasversale al tronco cerebrale.

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[1] «Tutte le famiglie felici sono uguali, ogni famiglia infelice è infelice a modo suo». Lev Tolstoj. “Anna Karenina”, 1877.

[2] Come direbbe Giorgio Parisi, Nobel per la fisica nel 2021 proprio per i suoi studi sui sistemi complessi.

[3] Per approfondire si veda la scheda sui Moti della Terra in Wikipedia.

[4] Le prime ricerche serie risalgono alla Seconda Guerra Mondiale, dove i vari reparti di Meteorologia e Climatologia delle Aeronautiche Militari cercavano di fare previsioni il più possibile precise, per ovvi motivi.

[5] Va doverosamente notato, tanto per complicare ancor di più il tutto, che la teoria di Milanković sui cambiamenti climatici non risulta tuttavia ancora perfezionata; in particolare la risposta climatica più grande è relativa a una scala temporale di 400 000 anni, ma gli effetti su questi periodi, per quanto riguarda le glaciazioni, sono apparentemente lievi e non concordano con le previsioni. Per giustificare questa discrepanza, sono chiamati in causa vari fenomeni.