Come la ricerca sulle armi nucleari ha rivelato nuove minacce climatiche

Dopo che la scienziata atmosferica Ivana Cvijanovic ha iniziato a spingere al limite una simulazione climatica computerizzata, ha notato un risultato inquietante: quando il ghiaccio marino artico è quasi scomparso, enormi sistemi ad alta pressione si sono formati a migliaia di chilometri di distanza, al largo della costa occidentale degli Stati Uniti.

La cresta atmosferica ha bloccato le principali tempeste dirette in California, interrompendo le precipitazioni. Il modello di Cvijanovic mostra che quando il ghiaccio marino estivo del Polo Nord svanirà, come previsto nei prossimi decenni, potrebbe abbassare il rubinetto per gli agricoltori della Central Valley, le stazioni sciistiche della Sierra Nevada e le città in tutto lo stato più popoloso della nazione (vedi The Year Climate Il cambiamento ha iniziato a girare fuori controllo).

La scienziata del clima Ivana Cvijanovic ha condotto un lavoro sul campo nell'Alaska North Slope come parte della sua ricerca di dottorato.

I risultati, pubblicato in Comunicazioni sulla natura a dicembre, suggeriscono anche che il restringimento del ghiaccio marino potrebbe aver avuto un ruolo nell'estrema e costosa siccità che ha afflitto la California per la maggior parte di questo decennio. Ciò è stato guidato da una cresta ridicolmente resiliente che assomiglia molto a quella prevista dalla simulazione di Cvijanovic.

I modelli climatici sono spesso derisi come approssimazioni inaffidabili dei complessi sistemi della Terra, in particolare tra i negazionisti del cambiamento climatico. Ma grazie ai progressi nella potenza di calcolo, all'inclusione di più componenti planetari e ad altri progressi tecnici, queste simulazioni stanno diventando incredibilmente potenti.

Possono prevedere con crescente certezza come il riscaldamento globale stia già alterando il pianeta e come è probabile che accada in futuro. In particolare, i miglioramenti stanno aiutando gli scienziati a districare i complessi meccanismi che guidano gli eventi meteorologici estremi.

Cvijanovic aveva cercato per anni di studiare le sconcertanti connessioni tra lo scioglimento dei ghiacci e le variazioni lontane delle precipitazioni. Ma i modelli climatici standard non offrivano un modo per simulare i processi in modo realistico, fino a quando non è arrivata una recente svolta da una fonte improbabile: la ricerca sulle armi nucleari.

Lanciando di nuovo la moneta

La curiosità di Cvijanovic aveva assunto una nuova urgenza quando è arrivata come ricercatrice post-dottorato presso il Lawrence Livermore National Laboratory della California nel 2014. Due estati prima, il ghiaccio marino artico si era sciolto molto più velocemente di quanto gli scienziati si aspettassero. Quasi cinque milioni di miglia quadrate di ghiaccio sono scomparse dal periodo di picco di fine marzo, di gran lunga la più grande perdita mai registrata.

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Storia di accompagnamento Una migliore tecnologia, tecniche e condivisione dei dati hanno consentito agli scienziati di provare nuovi esperimenti o semplicemente di eseguirne molti di più.

Era un segno lampante che qualcosa non andava nei modelli climatici e all'estremità più spaventosa dello spettro.

I modelli climatici sono simulazioni software che stimano come la Terra reagisce a varie influenze, come un massiccio aumento delle emissioni di anidride carbonica, eseguendo equazioni matematiche che rappresentano la nostra migliore comprensione delle leggi fisiche. Calcolano come le condizioni mutevoli si increspano nel tempo e nello spazio, rendendo gli oceani, la superficie e l'atmosfera in una griglia 3-D di riquadri. Negli ultimi decenni, la risoluzione dei modelli è notevolmente aumentata: l'area rappresentata da ciascuna scatola è passata da 500 chilometri quadrati a meno di 25 in alcuni casi, anche se i modelli incorporavano aerosol, ghiaccio marino, vegetazione e altri fattori interconnessi .

Nonostante tutti questi enormi miglioramenti, tuttavia, a volte ci sono ancora grandi divari tra ciò che i modelli prevedono e come si comporta il mondo reale, come ha sottolineato la drammatica perdita di ghiaccio marino (vedi Perché i modelli climatici non sono migliori).

Quell'evento ha attirato in particolare l'attenzione di Donald Lucas, un ricercatore presso Lawrence Livermore. Faceva parte di un team di ricercatori climatici e modellisti di armi nucleari del laboratorio che avevano precedentemente collaborato a un progetto triennale per migliorare i livelli di fiducia nei risultati delle simulazioni climatiche.

Donald Lucas, ricercatore presso Lawrence Livermore, ha condotto uno sforzo di ricerca per capire perché il ghiaccio marino artico si stava sciogliendo più velocemente di quanto previsto dai modelli climatici.

Gli Stati Uniti non hanno condotto esplosioni di prova su armi nucleari dal 1992, quindi devono fare affidamento su ispezioni e modelli per valutare l'affidabilità delle scorte di invecchiamento. Gli scienziati di Lawrence Livermore hanno utilizzato a lungo i supercomputer del laboratorio per simulare il degrado di materiali, come il plutonio, e hanno contribuito a sviluppare nuovi modi per calcolare i livelli di certezza.

Invece di eseguire una simulazione una volta, la ripetono molte volte, regolando leggermente alcune variabili per produrre una serie di possibilità. Da lì, i ricercatori possono calcolare la probabilità statistica di determinati risultati basandosi, in parte, sulla frequenza con cui si verificano nei risultati e sulla corrispondenza con i dati delle ispezioni fisiche.

Torna indietro e lancia di nuovo la moneta, spiega Lucas. Lo fai più volte e costruisci una distribuzione della probabilità dell'output.

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Lui e i suoi colleghi hanno deciso di applicare lo stesso approccio ai modelli climatici, scrivendo programmi per modificare dozzine di parametri nel codice sorgente di un modello climatico pubblico. Hanno sfruttato circa la metà di un supercomputer a Lawrence Livermore per quasi tre anni, producendo 100.000 anni di simulazioni in un'ampia gamma di scenari climatici.

Ma nell'estate del 2012, Lucas si è reso conto che anche quei risultati non erano riusciti a prevedere la perdita di ghiaccio marino artico effettivamente avvenuta. Quindi lui e i colleghi hanno intrapreso un altro esperimento di modellazione, incentrato sul ghiaccio marino. Consultandosi con esperti su quali variabili potrebbero essere in gioco e modificando tali parametri, il suo team è stato in grado di simulare la scomparsa di molto più ghiaccio marino artico, avvicinandosi molto alla realtà.

Tre variabili hanno rappresentato il 95 percento del cambiamento. Due di loro hanno specificato la dimensione delle particelle di neve sul ghiaccio marino, che influisce sulla quantità di luce solare riflessa. L'ultimo, noto come conducibilità termica della neve, definisce essenzialmente la velocità con cui il calore può muoversi attraverso il ghiaccio. Come le altre due variabili, viene normalmente trattata come una costante nel modello di ghiaccio dedicato utilizzato dal team. Ma in questo caso, i ricercatori l'hanno spostato all'interno di un intervallo che rifletteva la sua variabilità nel mondo reale.

Lucas si ferma prima di dire che hanno individuato i pezzi del puzzle mancanti nei modelli di ghiaccio marino. Ma consentendo una gamma di variazioni plausibili, scopriamo che possiamo spiegare la maggior parte, ma non tutte, le differenze tra le osservazioni e le simulazioni [modello del ghiaccio marino], ha affermato in una e-mail.

Lucas controlla i nuovi supercomputer al Lawrence Livermore Lab.

La configurazione perfetta

L'esperimento ha anche creato uno strumento molto migliore per Cvijanovic per esplorare la domanda su cui aveva a lungo meditato: perché antichi periodi di riscaldamento rapido nell'emisfero settentrionale, noti come Dansgaard – Oeschger gli eventi sembrano coincidere con i drammatici cambiamenti delle precipitazioni fino in fondo ai tropici?

Verso la fine del suo dottorato di ricerca presso l'Università di Copenaghen, nel 2011 e nel 2012, Cvijanovic ha fatto parte di un gruppo di modellisti che ha cercato di dare un senso a questi bruschi cambiamenti climatici evidenti nei campioni di carote di ghiaccio della Groenlandia.

Aveva fatto alcuni rozzi tentativi di esplorare queste connessioni aggiungendo flussi di energia nelle simulazioni, che essenzialmente aumentavano la perdita di ghiaccio marino in modi artificiali. Ma il lavoro del suo collega alla Lawrence Livermore le ha permesso di modellare la perdita di ghiaccio estrema in un modo più realistico, modificando i parametri all'interno di quello che è considerato il possibile livello di variazione della natura.

Quella era la configurazione perfetta, dice. Non stai facendo nulla di non fisico; non stai barando per osservare questa perdita di ghiaccio marino.

Cvijanovic si è concentrato sulle tre variabili che secondo il lavoro di Lucas hanno avuto gli effetti più potenti. Ha eseguito il modello diverse dozzine di volte, aumentando alla fine quelle variabili fino all'estremo limite dei loro intervalli. A volte ci voleva un'intera settimana per eseguire una singola analisi sui supercomputer di Lawrence Livermore, quindi il processo richiedeva mesi. Ma alla fine iniziò a formarsi un quadro chiaro.

Con poco ghiaccio per riflettere il calore nello spazio, la regione si riscalda costantemente. Una piccola quantità di quel calore aggiuntivo raggiunge i tropici, ma è sufficiente per innescare cambiamenti nel vento e nelle precipitazioni che alterano i modelli di convezione e circolazione. Questi, a loro volta, producono enormi ondate di aree di alta e bassa pressione nell'atmosfera, costruendo una cresta persistente che atterra nel Pacifico settentrionale. Questa caratteristica guida le tempeste a nord, lontano dalla California e verso l'Alaska e il Canada.

È stato un esperimento difficile che è dipeso da anni di miglioramenti collettivi nella tecnologia e nelle tecniche di modellazione climatica. È necessario ulteriore lavoro per testare i risultati e determinare in che modo altri processi possono amplificare o diminuire l'effetto dello scioglimento del ghiaccio marino artico, affermano altri scienziati. Ma la simulazione ha fornito alcune delle prime prove reali della connessione teorizzata tra la perdita di ghiaccio e siccità lontane, e ha suonato un duro avvertimento sui pericoli incombenti della California.

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