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UN ESTRATTO
5. Alle frontiere della conoscenza sul clima: i modelli e i loro risultati
di Antonello Pasini
La scienza contemporanea ci offre itinerari di conoscenza affascinanti nei campi più disparati. Tra questi, rimanendo nel contesto dei sistemi non viventi, particolarmente interessanti appaiono i viaggi nel mondo dell'estremamente piccolo o nell'universo dell'estremamente grande, intesi come ambiti dove ricercare gli elementi fondanti della nostra conoscenza della natura. Come noto, questi domini sono caratterizzati da una fisica talvolta esotica, la cui interpretazione appare spesso assai lontana dal senso comune.
Recentemente, tuttavia, nuovi studi osservativi, sperimentali e teorici hanno indotto a rivalutare la valenza fondamentale di quella "scala intermedia" dove i fenomeni appaiono più familiari e dunque, almeno in linea di principio, essi dovrebbero risultare più facilmente interpretabili. In realtà così non è, in quanto tali fenomeni avvengono in sistemi caratterizzati da un numero molto alto di retroazioni e dotati di una conseguente intrinseca complessità. Il capitolo precedente mostra in maniera molto chiara come questa sia proprio la situazione del sistema climatico.
In tale contesto, allora, lo scopo principale di questo capitolo è mostrare come gli scienziati contemporanei abbiano raccolto la sfida della complessità e come, dotandosi di nuovi strumenti di indagine (i modelli matematici), siano oggi in grado di ricostruire situazioni climatiche nel passato e di• effettuare proiezioni per il futuro. A tal proposito, nelle pagine seguenti, dopo una breve disamina del metodo modellistico simulativo, ci si concentrerà sui risultati più recenti ottenuti con tali modelli. Infine, si considererà una diversa strategia di approccio allo studio del clima (che può essere vista come alternativa o complementare alla metodica simulativa) e anche di essa si analizzeranno i risultati.
5.1 L'atteggiamento degli scienziati: dall'osservazione alla simulazione, passando per la manipolazione
Ho già avuto modo di accennare altrove (si veda, ad esempio, la Prefazione in Pasini (2005)) come gli scienziati vengano spesso considerati dei "bambini cresciuti". Ciò è dovuto in parte alla capacità che, come i bambini, essi hanno di estraniarsi e di vivere in un mondo tutto loro, in parte al loro atteggiamento nei confronti dell'ambiente naturale che li circonda e che essi vanno ad indagare. Questo mondo, che per i bambini è l'ambiente in cui si muovono e giocano e per gli scienziati è il sistema naturale che stanno studiando, inizialmente è poco conosciuto, ma ben presto diviene il loro habitat naturale. I bambini lo esplorano essenzialmente mediante il gioco, gli scienziati per mezzo di osservazioni, teorie, esperimenti.
Tra gli stessi bambini esistono quelli più contemplativi e quelli che interagiscono iri maniera più marcatamente manuale con l'ambiente: questi ultimi generano spesso la disperazione dei genitori perché sono quelli che rompono i giocattoli. In realtà, la rottura dei giocattoli è spesso il tentativo di comprenderne il funzionamento! Il problema è che ci sono giochi che si prestano ad essere smontati ed altri no. Una cosa è avere davanti un'automobilina a molla costituita da pezzetti di latta come nel Meccano e un'altra è essere di fronte ad un gioco elettronico. Nel primo caso l'auto si può facilmente smontare, si può giungere all'identificazione della molla e degli ingranaggi che la fanno muovere, la si può eventualmente riassemblare (magari con l'aiuto delle istruzioni) per giocarci nuovamente; nel secondo caso il gioco non mostra costituenti semplici e anche l'eventuale identificazione della forza motrice (le pile) non fornisce lumi così evidenti sul suo funzionamento.
Ebbene, da Galileo Galilei in poi gli scienziati moderni hanno assunto un metodo di indagine (il metodo sperimentale galileiano) che conduce a studiare un singolo fenomeno elementare in laboratorio in condizioni controllate, cioè "manipolando" la realtà naturale in modo che esso sia separato dal resto dei fenomeni che vi interagiscono in un sistema naturale. In tal modo si può studiare il comportamento dei vari "pezzi" del sistema, esattamente come si analizza il comportamento dei singoli pezzi del nostro giocattolo meccanico.
Il laboratorio, dove tutto è sotto il nostro controllo, è il luogo ideale in cui condurre tali studi. Così, ad esempio, nel campo che ci interessa è possibile analizzare l'aria come un miscuglio di gas e descriveme le trasformazioni mediante le leggi della termodinamica, è possibile pensarla come un fluido e comprendeme il. comportamento mediante l'equazione fondamentale della fluidodinamica (la cosiddetta equazione di Navier-Stokes). Sempre in laboratorio non è difficile esaminare l'interazione tra radiazione infrarossa e molecole di CO2, determinandone il tasso di assorbimento e il relativo effetto serra.
Pertanto, oggi è opinione comune che proprio il passaggio dalla visione aristotelica a quella galileiana, per nulla banale ed immediato', abbia condotto ai grandi successi delle cosiddette "scienze dure" nell'analisi della natura. Queste scienze appaiono molto efficaci per studiare i singoli "pezzi" di un sistema. Tuttavia, se non si ha a che fare con un semplice sistema meccanico, risulta spesso impossibile ricostruire il suo comportamento globale in laboratorio.
E così in effetti accade anche per il sistema climatico. Nella Figura 4.1 del capitolo precedente, ad esempio, abbiamo visto che il nostro sistema si può pensare come scomponibile in vari sotto sistemi (atmosfera, oceani, criosfera, biosfera, ecc.). In ognuno di questi sotto sistemi avvengono fenomeni e processi elementari che possono essere indagati in laboratorio: abbiamo appena indicato alcuni esempi per il sotto sistema atmosfera. Nello stesso laboratorio, però, non è effettuabile una ricomposizione del sistema climatico che tenga conto delle interazioni principali tra i vari sottosistemi, sia per la loro complessità che per la scala a cui essi avvengono.
Così il nostro "giocattolo" non è ricostruibile in laboratorio e, di fatto, fino a pochi decenni fa la scienza del clima era rimasta una disciplina puramente osservativa, caratterizzata da un'enorme difficoltà di sintesi teoriche. Oggi, con l'utilizzo del calcolatore come "laboratorio virtuale", tale situazione è mutata radicalmente.
Questo uso originale del computer si basa sul fatto che noi siamo a conoscenza delle leggi di base (trovate in un laboratorio reale) che regolano le dinamiche dei singoli costituenti del sistema clima e siamo anche in grado di misurare il valore di alcune sue variabili fondamentali in maniera ormai molto estesa sul globo. Ciò conduce a poter elaborare dei modelli matematici in cui singole equazioni (le quali rappresentano "pezzi" di teoria che descrivono i "pezzi" di realtà studiati separatamente in un laboratorio reale) vengono composte in un modello matematico costituito da uno o più sistemi accoppiati di equazioni. Le variabili presenti in queste equazioni hanno proprio un corrispettivo nel sistema reale e lì sono misurabili. Così, fornendo valori realistici per tutte le variabili ad un certo istante temporale, indicando i valori di quei fattori che influiscono dall'esterno sul comportamento del sistema (le cosiddette "forzanti") e risolvendo numericamente questi sistemi di equazioni al passare del tempo, il nostro modello matematico effettua una "simulazione" del sistema reale, ottenendo in tal modo informazioni sull'evoluzione di tutte le variabili importanti da un punto di vista climatico, ...continua sul libro
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