I modelli climatici simulano il sistema climatico terrestre. Essi consentono di comprendere meglio i processi del sistema climatico, di ricostruire i cambiamenti climatici avvenuti in passato nella storia della Terra e di prevedere i possibili sviluppi futuri. Ma come funzionano esattamente?
Ogni giorno riceviamo dai nostri lettori e dalle nostre lettrici molte domande interessanti sul clima e sui cambiamenti climatici. In questa serie di articoli riprendiamo le domande più frequenti e rispondiamo ad esse.
Parte 1: "Come stimare il clima dei prossimi 100 anni".
I modelli climatici simulano il sistema climatico terrestre sulla base di leggi scientifiche come la conservazione della massa, della quantità di moto e dell'energia. Sono legati nelle loro origini ai modelli di previsione numerica del tempo, ma le domande poste dai modelli climatici sono diverse da quelle poste dalla previsione del tempo. I modelli climatici cercano di riprodurre i processi e le interazioni tra i singoli componenti del sistema climatico terrestre, ad esempio tra l'atmosfera, gli oceani e le masse di ghiaccio.
Oltre a descrivere i possibili stati climatici futuri sulla base di scenari di emissione (le cosiddette proiezioni o scenari climatici), i modelli climatici servono a rafforzare la comprensione dei processi e delle interazioni rilevanti nel sistema climatico. Inoltre, aiutano a quantificare l'influenza umana sul clima.
Per consentire ai climatologi e alle climatologhe di modellare il clima, la terra viene ricoperta con una griglia tridimensionale, similmente a quanto viene fatto nei modelli di previsione del tempo. La risoluzione orizzontale di una cella della griglia dei modelli climatici è solitamente compresa tra 50 e 150 km. Per ogni cella della griglia e per ogni intervallo di tempo, viene calcolato un gran numero di variabili misurate, ad esempio la temperatura, la velocità e la direzione del vento, la pressione, l'umidità, ecc.
Le leggi fisiche fondamentali sono rappresentate da molte migliaia di righe di codice informatico. I modelli climatici sono quindi tra i modelli più complessi e ad alta intensità di calcolo oggi esistenti. Grazie a computer sempre più potenti e ad alte prestazioni e al generale progresso delle conoscenze, negli ultimi anni i modelli climatici sono stati in grado di rappresentare un numero sempre maggiore di processi fisici e di simulare le interazioni tra i diversi componenti del sistema climatico. Un esempio sono i processi negli oceani e la loro interazione con l'atmosfera.
Affinando la risoluzione spaziale dei modelli climatici, è possibile simulare anche processi fisici complessi su piccola scala e rappresentare meglio regioni topograficamente molto strutturate come la regione alpina. Per la descrizione del clima a livello regionale e locale, ad esempio per la Svizzera, le simulazioni climatiche globali sono quindi integrate da modelli climatici regionali. Ciò consente, ad esempio, di rappresentare meglio le valli alpine e l’alta montagna.
Le proiezioni climatiche consentono di fare affermazioni su come il clima potrebbe cambiare nel corso del XXI secolo. Ciò dipende in larga misura dalla velocità e dalla misura in cui la concentrazione di gas serra nell'atmosfera continuerà ad aumentare e se le emissioni di gas serra aumenteranno o diminuiranno. Per poter fare delle affermazioni in merito, si fanno delle ipotesi sui cambiamenti sociali ed economici dei prossimi decenni e si traducono in vari scenari di emissione. Se, ad esempio, tutte le misure di protezione del clima conosciute saranno esaurite, sarà possibile ridurre le emissioni di gas serra in modo rapido e sostenibile. Se invece non verranno adottate misure, le emissioni continueranno a crescere senza controllo.
Per verificare l'affidabilità dei modelli climatici, i risultati dei loro calcoli vengono confrontati con i valori effettivamente misurati durante un periodo di osservazione sovrapposto. In questo modo si può dimostrare che i modelli climatici sono in grado di riprodurre bene i valori misurati: La curva del riscaldamento osservato rientra nell'intervallo di variabilità calcolato dai modelli (Figura 2). La Figura 2 mostra anche l'influenza umana sul clima. I modelli climatici sono molto utili per distinguerla dai fattori naturali.
Per descrivere meglio le incertezze dei modelli che si rispecchiano nelle proiezioni climatiche e per integrarle nelle nostre affermazioni, al giorno d'oggi non ci si limita a considerare le singole simulazioni dei modelli, ma, quando possibile, più simulazioni comparabili nella loro configurazione, i cosiddetti ensemble. In questo modo si dà meno peso ai singoli modelli, che potrebbero essere soggetti a errori, e si possono fare affermazioni basate sulla probabilità. Ai fini della comunicazione, i valori medi degli ensemble di modelli sono spesso indicati come la stima migliore, ma anche l'intervallo dei risultati ottenuti per mostrare incertezze o chiari accordi. Gli ensemble su cui si basa l'ultimo rapporto di valutazione dell'IPCC (link) sono costituiti da diverse centinaia di simulazioni, distribuite su cinque scenari di emissione, che vengono sempre esaminati singolarmente nella considerazione dei possibili cambiamenti climatici.
Nonostante i notevoli progressi compiuti negli ultimi anni, i modelli climatici rimangono rappresentazioni semplificate della realtà e le proiezioni climatiche in particolare contengono diverse incertezze. Queste hanno origini differenti. Esse nascono, ad esempio, dalla conoscenza limitata dei processi naturali, come la generazione di nubi e la convezione (ad esempio i temporali), dalla limitatezza dei dati di misura disponibili e dalle limitate capacità di calcolo. I modelli differiscono nella simulazione dei processi e nella loro semplificazione e possono reagire in modo diverso al variare delle concentrazioni di gas serra. Le incertezze associate sono riassunte sotto il termine di incertezza del modello.
Anche gli scenari di emissione utilizzati, che si basano su stime dei cambiamenti sociali ed economici difficilmente prevedibili nei prossimi decenni, sono per definizione incerti. Per questo motivo, sono stati definiti diversi scenari di emissione plausibili che coprono una gamma compresa tra una protezione del clima coerente e nessuna protezione del clima. La considerazione di diversi scenari di emissione consente di confrontare i benefici e i costi delle misure di protezione del clima con le conseguenze di un riscaldamento globale incontrollato, aiutando così molti decisori.
Oltre all'incertezza associata agli scenari di emissione, il clima presenta un'ampia variabilità naturale (o interna). Questa è caratterizzata da fluttuazioni del clima che non sono causate da cambiamenti climatici provocati dall'uomo, ma da interazioni naturali tra i componenti del sistema climatico. La variabilità naturale si sovrappone alla tendenza al riscaldamento globale ed è la ragione principale dell'alternanza di anni secchi e umidi e di periodi più caldi e più freddi.
Simulare tutte le sfumature del clima è impossibile per gli standard umani. Tuttavia, oggi i modelli climatici sono in grado di calcolare in modo affidabile le tendenze climatiche a lungo termine. Senza di essi, le simulazioni del clima del XXI secolo sarebbero impensabili. Queste ci forniscono un quadro dei possibili futuri climatici del nostro pianeta e costituiscono una base importante per le decisioni, ad esempio in materia di protezione del clima. Per la Svizzera, gli scenari climatici CH2018 mostrano dove e come i cambiamenti climatici influenzeranno il nostro territorio e come si inseriscono in questo contesto gli sforzi globali per la protezione del clima.