14 Gennaio 2019
Ned Nikolov e Karl Zeller hanno scatenato una tempesta di polemiche nella scienza del clima pubblicando uno studio che descrive un modello matematico che prevede accuratamente la temperatura annuale media globale prossima alla superficie per tutti i pianeti rocciosi del Sistema Solare, compresa la Terra. La controversia: il modello è accurato indipendentemente dalla composizione atmosferica, minando la teoria ampiamente accettata del cambiamento climatico guidata dall’effetto serra. Un ulteriore studio di Robert Ian Holmes descrive in dettaglio un modello climatico globale basato sulla compressione adiabatica dei gas per gravità, in cui i cambiamenti nella concentrazione di gas a effetto serra hanno un’influenza trascurabile sul riscaldamento atmosferico.
Il documento al centro della controversia, intitolato Modello emergente per prevedere la temperatura media della superficie dei pianeti rocciosi con diverse atmosfere, è stato pubblicato in Advances in Space Research sotto pseudonimi (i nomi effettivi degli autori sono stati scritti al contrario). Le vere identità degli autori furono presto scoperte e la rivista ritirò il documento per ragioni “non legate al merito scientifico dello studio”. La coppia ha spiegato che gli pseudonimi sono stati usati solo per evitare una revisione tra pari prevenuta a causa delle precedenti ricerche degli autori. Una versione estesa del documento è stata successivamente pubblicata su Inquinamento ambientale e cambiamenti climatici con il titolo: Nuove intuizioni sulla natura fisica dell’effetto serra atmosferica dedotte da un modello di temperatura planetaria empirica.
Zeller e Nikolov hanno identificato una serie di parametri che potrebbero influenzare il bilancio energetico di un pianeta (compresa la densità atmosferica dei gas a effetto serra) e condotto un adattamento della curva parametrica per diverse combinazioni di parametri. Lo studio ha escluso specificamente “funzioni non monotoniche come i polinomi a causa della loro capacità di adattarsi con precisione a quasi tutti i set di dati, dato un numero sufficientemente elevato di coefficienti di regressione, mostrando allo stesso tempo scarse capacità predittive oltre l’intervallo dei dati di calibrazione”. Tutti i parametri specifici per i gas a effetto serra hanno determinato una precisione inferiore rispetto al modello basato sulla sola pressione atmosferica, con un ampio margine. Il risultato sorprendente: la densità parziale dei gas serra ha avuto un’influenza trascurabile sulla temperatura atmosferica e sul miglioramento termico planetario. Gli autori concludono che la temperatura annuale media superficiale globale prossima alla superficie deve essere una funzione dell’irradiazione solare e della pressione atmosferica sotto un gradiente gravitazionale costante, indipendente dalla composizione atmosferica e dalla concentrazione di gas serra. Se questo è corretto, i cicli glaciali del pleistocene (ere glaciali) devono corrispondere ad anomalie della pressione atmosferica terrestre. Poiché non sono noti proxy geo-chimici per i cambiamenti storici della pressione atmosferica superficiale, questa ipotesi non può essere confermata in questo momento. Un’altra fonte di dubbio è l’insieme di variabili senza dimensioni utilizzate per l’adattamento delle curve poiché potrebbe non essere riuscito a catturare le variabili critiche nella loro disposizione matematica critica. Ad esempio, il parametro adimensionale per l’effetto serra [P ^ 3/(ρ.S ^ 2)] include l’irraggiamento solare sul lato inverso della pressione parziale dei gas a effetto serra, uno essenzialmente contrario all’effetto dell’altro, e tuttavia entrambe queste variabili potrebbero essere positivamente correlate alla temperatura atmosferica. Un resoconto più rappresentativo dell’effetto dei gas serra potrebbe essere acquisito con un parametro adimensionale costituito da (Mgh/M p). (S/S r), dove M gh è la massa totale dei gas serra nell’atmosfera, M p è la massa del pianeta, S è l’irradiazione solare per unità di superficie, S r è un valore di riferimento di irradianza. In alternativa, il rapporto di massa potrebbe essere sostituito da un rapporto di densità, basato sulla densità media dei gas serra vicino alla superficie su un certo valore di densità di riferimento, come ho fatto di seguito. Per ottenere il parametro indipendente dimensionless (asse X), divido la densità del gas serra per un valore di riferimento di 1,0 [kg/m ^ 3] e l’irradiazione solare per 1,0 [W/m ^ 2]. La modifica della grandezza del riferimento non ha influito sui risultati.
La differenza principale tra la mia analisi e quella di Zeller-Nikolov è che ho usato una stima diversa per la temperatura media della superficie di Marte, a 240 K invece dei 190 K insolitamente bassi assunti dagli autori. Sono stato anche in grado di ottenere un adattamento eccellente utilizzando solo un formato di curva esponenziale a 2 parametri invece del formato a 4 parametri utilizzato dagli autori, che è stato criticato da alcuni per eccesso di adattamento. Per inciso, la riproduzione dell’analisi di regressione Zeller-Nikolov del modello 12 (basato solo sulla pressione atmosferica) con una stima diversa per la temperatura superficiale di Marte ha comportato un adattamento inadeguato. I risultati sono molto sensibili alle temperature stimate e questa è probabilmente la principale fonte di errore.
Oltre alle obiezioni sulla metodologia e alla mancanza di una teoria globale del clima per fondare i risultati, il modello di aumento termico guidato dalla pressione deve affrontare un’altra grave obiezione. Se i gas a effetto serra non presentano alcuna resistenza speciale alla radiazione termica in uscita, quindi, per un albedo planetario costante (riflettività termica), qualsiasi potenziamento termico in superficie comporterebbe una maggiore emissione di radiazione termica (radiazione del corpo nero), raffreddando progressivamente il pianeta come se non avesse avuto alcuna atmosfera. Holmes (2018) sostiene che il potenziamento termico atmosferico attraverso la compressione adiabatica dei gas per gravità è perfettamente coerente con l’idea che i gas a effetto serra assorbono e riemettono radiazioni termiche a lunga lunghezza d’onda, proprio come sostenuto dai sostenitori della teoria dell’effetto serra, ma i gas serra in eccesso non provocano un riscaldamento anomalo. Qualsiasi aggiunta di calore provoca l’espansione dell’atmosfera perché l’atmosfera non è limitata nel volume. Di conseguenza, qualsiasi aumento della temperatura provocherebbe un’espansione verso l’alto del gas e quindi “aumenterebbe l’energia potenziale a spese dell’energia cinetica, raffreddando di nuovo l’aria”.
Secondo la classica teoria dell’effetto serra, la superficie terrestre assorbe le radiazioni solari a onde corte e riemette una parte significativa dell’energia assorbita come radiazione termica a onde lunghe. Sebbene questa radiazione non influisca su determinati gas, come ossigeno e azoto, che sono trasparenti alle radiazioni infrarosse, viene assorbita dai gas serra (vapore acqueo, anidride carbonica, metano, protossido di azoto e ozono) e quindi riemessa in tutte le direzioni, parte di essa viene emessa di nuovo verso la superficie terrestre, intrappolando così il calore all’interno dell’atmosfera inferiore. Questo è noto come forzatura radiativa; si dice che il grado di riscaldamento dipenda dalla concentrazione di gas serra nell’atmosfera. Il modello adiabatico di auto compressione del potenziamento termico di Holmes è coerente con la premessa che la radiazione termica a onde lunghe viene assorbita dai gas a effetto serra allo stesso ritmo in cui viene riemessa quando si trova in uno stato di equilibrio termodinamico; L’equazione di Schwarzschild del trasferimento radiativo si applica solo a questa condizione. L’implicazione critica del modello di auto compressione è che se la quantità di energia assorbita dalle molecole serra supera il valore di equilibrio, il gas interessato guadagna energia cinetica marginalmente più alta e quindi una pressione marginalmente più alta e converte qualsiasi energia cinetica in eccesso (calore) in potenziale energia tramite espansione verso l’alto; ciò è (presumibilmente) possibile perché l’atmosfera non è limitata nel volume. La legge del gas ideale impone che l’espansione volumetrica marginale non vincolata di un sistema termodinamicamente isolato provoca un raffreddamento marginale, ristabilendo rapidamente l’equilibrio. Se questo è vero, raddoppiando la concentrazione di gas a effetto serra a pressione costante, densità e irraggiamento termico raddoppia la quantità di energia cinetica assorbita dai gas, ma l’energia cinetica in eccesso ora costringe il sistema ad espandersi contro gravità verso un nuovo equilibrio termodinamico. Nel processo, metà dell’energia cinetica assorbita viene convertita in energia potenziale, mentre la temperatura atmosferica e la velocità complessiva alla quale l’energia termica viene riemessa dai gas serra non cambiano. Ciò si manifesterebbe comunque nello spettro delle radiazioni ad onde lunghe emesse nello spazio, come depressioni nel profilo radiante del corpo nero in uscita del pianeta, proprio come se le bande di radiazione specifiche dei gas serra fossero riflesse sulla Terra. Il fatto che l’intensità di alcune bande di radiazione sia ridotta raddoppiando la concentrazione di gas serra non significa che l’energia associata sia convertita in calore, come ipotizzano i sostenitori della teoria classica dell’effetto serra. Ciò accadrebbe solo a una miscela di gas in un contenitore sigillato, ma poiché l’atmosfera non ha limiti di volume, l’energia “mancante” svolge invece il lavoro di espansione atmosferica. Ciò accadrebbe solo a una miscela di gas in un contenitore sigillato, ma poiché l’atmosfera non ha limiti di volume, l’energia “mancante” svolge invece il lavoro di espansione atmosferica. Ciò accadrebbe solo a una miscela di gas in un contenitore sigillato, ma poiché l’atmosfera non ha limiti di volume, l’energia “mancante” svolge invece il lavoro di espansione atmosferica.
Chiaramente, le stesse bande di radiazione termica devono essere enfatizzate nel profilo di frequenza discendente sulla superficie del pianeta, poiché solo i gas a effetto serra possono emettere radiazioni termiche a onde lunghe, ma lo fanno SOLO nella misura in cui l’atmosfera è in equilibrio termodinamico. Qualsiasi forzatura radiativa oltre l’equilibrio (a parità di tutto il resto) provoca semplicemente l’espansione atmosferica, secondo Holmes. Per questo motivo, l’unica capacità di forzatura termica dei gas a effetto serra è correlata alla loro massa molare leggermente superiore rispetto all’ossigeno e all’azoto. Ciò rappresenta solo il 3,7% della forzatura termica prevista secondo il modello classico effetto serra (Holmes 2018, 115).
Ho seri dubbi su questa parte dell’argomento. Quando il calore viene lentamente aggiunto ai gas serra come radiazione termica, segue l’espansione isobarica e viene ristabilito l’equilibrio, ma non TUTTO il calore aggiunto viene utilizzato per eseguire il lavoro di espansione. Per mantenere una pressione costante è richiesto solo il 30% circa del calore in eccesso per eseguire il lavoro, mentre il restante 70% si manifesta con un aumento della temperatura. Quindi a questo proposito prevale la storia ufficiale. Potrebbero esserci molti feedback negativi nel sistema, come nella discussione che segue, ma i gas serra evidentemente contribuiscono con una forzatura termica, e non necessariamente solo una forzatura radiativa perché anche la convezione e la conduzione possono svolgere un ruolo. La domanda quindi non è se ma quanto la forzatura si verifica a causa dei gas a effetto serra.
Il fenomeno dell’espansione e della contrazione atmosferica non è controverso. È noto che “la termosfera contratta, in cui molti satelliti, inclusa la Stazione Spaziale Internazionale, operano … riduce la resistenza atmosferica sui satelliti”. (Phys.org) Nella termosfera, il fenomeno della contrazione atmosferica è causato dal raffreddamento associato all’accumulo di CO2: “La CO 2 è il principale agente di raffreddamento radiativo e influenza fondamentalmente il bilancio energetico e la temperatura di questo strato atmosferico ad alta quota” (Emmert et al. 2012). Attualmente c’è un “aumento globale di CO x (CO 2 e CO, combinate) concentrazioni di 23,5 ± 6,3 ppm per decade a un’altitudine di 101 km, circa 10 ppm per decade più velocemente di quanto previsto da un modello atmosferico superiore.” Ciò suggerisce che una parte sostanziale di CO2 migra verso le altitudini dove, secondo Emmert (2012), “l’energia termica viene trasferita attraverso le collisioni da altri componenti atmosferici alla CO2, che quindi emette l’energia sotto forma di calore che fuoriesce nello spazio”. La migrazione continua di CO2 dalla troposfera all’atmosfera superiore, dove funge da agente di raffreddamento, suggerisce che fino alla completa miscelazione l’atmosfera superiore sarà soggetta al raffreddamento continuo. Il flusso di calore netto per il pianeta è quindi probabilmente negativo in questo momento.
Il raffreddamento atmosferico superiore a sua volta estrae il calore dalla troposfera tramite convezione/miscelazione, contribuendo al feedback termico negativo associato all’aumentata concentrazione di gas serra nell’atmosfera. Un’altra possibile fonte di feedback termico negativo è la relazione positiva tra albedo e copertura nuvolosa (Stephens et al. 2015). Il riscaldamento provoca una maggiore evaporazione che a sua volta può comportare un aumento della copertura nuvolosa, facendo sì che l’atmosfera rifletta una maggiore frazione della radiazione solare in arrivo nello spazio, quindi il raffreddamento atmosferico. “L’effetto non è piccolo, una mera variazione dell’1% in albedo è una forzatura maggiore di tutta la forzatura antropogenica rivendicata dall’IPCC dal 1750 ad oggi.”
Nonostante l’accettazione quasi univoca dell’effetto serra come principale motore del cambiamento climatico, non vi sono prove empiriche che i gas a effetto serra contribuiscano ai cambiamenti netti [globali] della temperatura atmosferica. Esiste solo uno studio (Feldman et al. 2015) che ha quantificato la correlazione tra le variazioni del flusso di calore verso il basso (0,2 W/m²) e le variazioni della concentrazione di CO2 tra il 2000-2010, in due siti di misurazione. Lo studio, tuttavia, ignora il già noto raffreddamento stratosferico associato alla CO2, che a sua volta raffredda la troposfera inferiore tramite convezione. Osservare la sola forzatura radiativa non è affatto indicativo di un aumento della temperatura globale in quanto non cattura tutti gli input e output di energia interessati dalla CO2.
Come discusso in precedenza, il modello adiabatico di auto compressione descritto da Holmes non è negato dalle proprietà radiative dei gas a effetto serra, ma differisce solo per l’effetto che ciò ha sull’atmosfera. Nel classico modello ad effetto serra, un aumento della forzatura radiativa provoca un aumento della temperatura globale media annua nei pressi della superficie; nel modello adiabatico di auto-compressione provoca un’espansione incrementale dell’atmosfera e nessun riscaldamento netto. Ma il modello adiabatico di auto compressione non riesce a spiegare come il 70% dell’energia termica non necessaria per ristabilire l’equilibrio di pressione non provochi immediatamente un aumento della temperatura locale. Allo stesso modo, Zeller e Nikolov potrebbero non aver considerato la combinazione più rilevante di termini nella giusta relazione matematica. Un buon adattamento ai dati empirici basati solo sulla pressione e su parametri arbitrari non ci dice molto senza mostrare che le altre variabili non contano, cosa che gli autori non hanno fatto.
La conclusione generale è che i cambiamenti nella temperatura atmosferica sono determinati principalmente dall’irradiazione solare, dalla gravità, dalla massa molecolare e dalla concentrazione di gas serra. Gli autori di entrambi gli articoli non riescono a convincere che la storia ufficiale sia falsa, ma potrebbero comunque essere vicini alla verità se vi è una quantità sufficiente di feedback negativo nel sistema. La presa in considerazione del raffreddamento stratosferico indotto da CO2 potrebbe essere cruciale per la modellazione accurata del bilanciamento energetico della Terra. Il feedback negativo al riscaldamento anomalo attraverso l’effetto serra non è stato adeguatamente quantificato, né esistono prove credibili che l’attuale clima si trovi in un punto vicino al punto in cui potrebbe diventare instabile (passare da feedback negativo a feedback positivo). Mentre l’intensificazione dell’effetto serra potrebbe mettere un po’ di stress sull’ecosistema e creare nuove sfide per alcune comunità, l’ipotetica minaccia di una “catastrofe climatica” improvvisa o irreversibile in un futuro prevedibile, a corto di un disturbo planetario esterno, non è attualmente supportata da prove.
Forse le prove più forti contro il riscaldamento globale antropogenico provengono dal seguente studio sulla sensibilità climatica di Humlum et al. (2013): la relazione di fase tra anidride carbonica atmosferica e temperatura globale. Gli autori dimostrano, analizzando i set di dati ufficiali, che le variazioni stagionali del tasso di variazione della concentrazione atmosferica di CO2 non hanno alcun effetto misurabile sulla velocità di variazione della temperatura media globale; un risultato radicalmente incompatibile con il modello di riscaldamento antropogenico. Un altro modo, se la CO2 è la causa dominante del riscaldamento troposferico, l’aggiunta di CO2 più veloce dovrebbe causare un aumento più rapido della temperatura, ma questa correlazione di secondo ordine non è presente. Le tre risposte critiche a questo documento travisano le affermazioni in essa contenute e non riescono a convincere perché i risultati non debbano essere considerati come una confutazione dell’ipotesi popolare secondo cui la CO2 è la “manopola di controllo” del clima terrestre.
