NUOVO STUDIO: CALCOLI ESATTI DELLE SENSIBILITÀ CLIMATICHE RIVELANO LA VERA CAUSA DEL RISCALDAMENTO GLOBALE

Di TALLBLOKE – 2 Maggio 2022

Sono lieto che Ned Nikolov e Karl Zeller abbiano scelto Talkshop come sede per la pubblicazione di questo nuovo documento aperto di revisione tra pari sulla sensibilità del clima. Il progresso scientifico all’avanguardia è sempre stato l’obiettivo più importante di questo blog e penso che questo articolo sia davvero un progresso nella nostra comprensione del sistema climatico e dei fattori che supportano e modulano la temperatura superficiale sulla Terra e su altri pianeti rocciosi.

L’articolo è matematicamente rigoroso, ma è anche accessibile a tutti, grazie allo sforzo esemplare di Ned e Karl nello spiegare completamente i loro concetti e definizioni in termini che possano essere compresi da qualsiasi lettore interessato che abbia una certa familiarità con il dibattito sul clima. Basandosi sui loro articoli del 2014 e del 2017, questo nuovo lavoro estende l’applicabilità e convalida i postulati di quei documenti precedenti esaminando le cause della variabilità nella temperatura della superficie planetaria e incorporando i risultati precedenti nella quantificazione e nella derivazione di equazioni per modellarli. Essi scoprono che la Terra è sensibile ai cambiamenti nella copertura nuvolosa, che influisce sulla quantità di radiazione solare a onde corte che raggiunge la superficie, ma non molto sensibile ai cambiamenti nell’irradianza solare totale che arrivano nella zona superiore dell’atmosfera. Scoprono inoltre che la sensibilità ai cambiamenti nei livelli di CO₂ è stata fortemente sopravvalutata dagli attuali modelli climatici. Essi mostrano che un raddoppio della concentrazione atmosferica di CO₂ da 280 ppm a 560 ppm causerà un riscaldamento globale non rilevabile di 0,004 K.

Il PDF del documento può essere scaricato qui: ECS_Universal_Equations.

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Formule esatte per stimare la sensibilità climatica di equilibrio di pianeti rocciosi e lune all’irraggiamento solare totale, alla radiazione a onde corte assorbita, all’albedo planetario e alla pressione atmosferica superficiale.

Ned Nikolov, Ph.D. e Karl Zeller, Ph.D.
Aprile 2022

1. Introduzione

Il termine “Equilibrium Climate Sensitivity” (ECS) è diventato sinonimo della risposta in stato stazionario della temperatura superficiale globale a un forcing radiativo modellato a onde lunghe causato da un raddoppio della concentrazione di CO₂ atmosferica rispetto a un livello preindustriale presunto di 280 ppm. Secondo i modelli climatici basati sulla teoria dell’effetto serra, un aumento della CO₂ atmosferica da 280 ppm a 560 ppm produrrebbe un forzante radiativo netto (cioè un intrappolamento del calore radiante atmosferico) di 3,74 W m ^-2 (Gregory et al. 2004) determinando un riscaldamento globale della superficie compreso tra 2,5 K e 4,0 K con una media stimata di 3,0 K secondo IPCC AR6 (vedi p. 11 in Cambiamenti climatici 2021: le basi della scienza fisica. Sintesi per i responsabili politici). Ciò implica un’unità ECS media di 3,0/3,74 = 0,8 K/(W m ^-2) con un intervallo di 0,67 ≤ ECS ≤ 1,07 K/(W m ^-2). La scienza climatica contemporanea e i rapporti di valutazione dell’IPCC non discutono la sensibilità della temperatura globale ai cambiamenti dell’albedo nelle nuvole, della radiazione solare assorbita o della pressione atmosferica totale della superficie. Di conseguenza, finora non sono state derivate/proposte equazioni per calcolare queste sensibilità. La ragione di tale omissione è l’assunto implicito proposto dall’IPCC sulla base della teoria dell’effetto serra del 19^° secolo (Arrhenius 1896) che il riscaldamento osservato durante la maggior parte del 20^° secolo, e soprattutto negli ultimi 40 anni, è stato principalmente causato da un aumento delle emissioni di CO₂ industriali, che si ritiene intrappolino le radiazioni a onde lunghe in uscita nella troposfera terrestre e riducano il tasso di raffreddamento a infrarossi della superficie verso lo spazio.

Tuttavia, una pletora di studi pubblicati negli ultimi 15 anni hanno dimostrato, sia attraverso osservazioni satellitari che di superficie, che l’assorbimento della radiazione solare da parte del sistema Terra-atmosfera è aumentato in modo significativo dal 1982 a causa della diminuzione della copertura nuvolosa/albedo, un fenomeno spesso indicato come “illuminazione globale” (eg Goode & Pallé 2007 ; Wild 2009 ; Herman et al. 2013 ; Stanhill et al. 2014 ; Hofer et al. 2017 ; Pfeifroth et al. 2018 ; Pokrovsky 2019 ; Delgado-Bonal et al. 2020 ; Dubal & Vahrenholt 2021 ; Yuan et al. 2021). Ciò implica un riscaldamento globale guidato da una radiazione solare superficiale in aumento piuttosto che dalla CO₂.

Sebbene la “forzatura radiativa” della CO₂ che viene generata da un modello, l’illuminazione della superficie terrestre negli ultimi 4 decenni è stata dedotta da misurazioni strumentali effettive. Tuttavia, la sensibilità climatica alle variazioni dei flussi di onde corte è stata ampiamente ignorata dalla scienza tradizionale. È stato fatto un presupposto a priori che la sensibilità della temperatura globale a qualsiasi tipo di forzante radiativo all’interno del sistema dovrebbe essere uguale all’ECS modellato alla CO₂. In questo articolo, mostreremo che l’ECS terrestre rispetto alla radiazione solare a onde corte è quantitativamente abbastanza diverso dall’ECS ipotizzato per la CO₂. A tal fine, dapprima deriveremo modelli analitici universali per il calcolo dell’ECS di pianeti rocciosi e lune ai cambiamenti della radiazione solare, dell’albedo planetario e della pressione atmosferica totale. In secondo luogo, verificheremo il modello dell’albedo-temperatura rispetto alle misurazioni satellitari CERES della radiazione riflessa a onde corte della Terra ottenute negli ultimi 20 anni. Infine, applicheremo i nuovi modelli analitici per confrontare le sensibilità climatiche della Terra con quelle di altri corpi planetari nel Sistema Solare e discutere le ragioni delle differenze stimate.

2. Derivazione di modelli analitici nelle sensibilità climatiche di equilibrio

I modelli analitici sono espressioni matematiche con una soluzione in forma chiusa, il che significa che la soluzione di un’equazione differenziale che descrive la modifica di un parametro di un sistema è esatta e può essere espressa come una funzione analitica matematica.

Analizzando i dati planetari della NASA, Nikolov e Zeller (2017) hanno scoperto che la temperatura superficiale globale a lungo termine (baseline) di pianeti rocciosi e lune (TBS,K) è principalmente una funzione di due variabili: Total Solar Irradiance (TSI) raggiungendo la sommità dell’atmosfera e la pressione atmosferica media in superficie. In termini matematici:

Dove T _na (S) è la temperatura superficiale media globale in assenza di atmosfera (cioè la temperatura di assenza di atmosfera), che dipende principalmente dalla TSI (S, W m ^-2); ed E _a (P) è il Relative Atmospheric Thermal Enhancement (RATE), una quantità adimensionale che descrive una forma di riscaldamento adiabatico causato dalla forza della pressione atmosferica indotta dalla gravità (P, Pa). La Figura 1 mostra i corpi planetari e i loro parametri chiave osservati utilizzati nell’analisi dimensionale di Nikolov & Zeller (2017).

Figura 1. Corpi planetari nel sistema solare con osservazioni di alta qualità disponibili delle variabili ambientali utilizzate nell’analisi dimensionale di Nikolov & Zeller (2017). Si noti che A e Ts in questa figura corrispondono a 𝛼 _b e T _sb nel testo.

Volokin & ReLlez (2014) hanno dimostrato che la temperatura superficiale globale senz’aria di un corpo sferico è data dalla formula:

Dove 𝛼 _e è l’albedo della regolite di superficie in condizioni airless (frazione); η _e è la frazione della radiazione solare diurna assorbita immagazzinata nella regolite e rilasciata sotto forma di calore durante la notte; R _c = 3.13𝑒 − 6 è la radiazione cosmica di fondo (W m ^-2 ); R _g è il flusso di calore geotermico medio in superficie (W m ^-2); ε è l’emissività ad onda lunga della regolite (≈0,98); e
σ = 5.67e − 8 W m ^-2 K ^-4 è la costante di Stephen-Boltzmann che mette in relazione il flusso radiativo da un corpo alla 4^° potenza della temperatura assoluta del corpo. L’equazione 2 è stata derivata tramite l’integrazione sferica della legge di radiazione di Stephen-Boltzmann.

RATE è calcolato utilizzando una funzione empirica derivata tramite l’analisi di regressione non lineare dei dati di 6 pianeti e lune che coprono una vasta gamma di condizioni fisiche nel Sistema Solare (Fig. 1), vale a dire:

Dove P _r = 0,61173 kPa è una pressione di riferimento assunta uguale al punto triplo dell’acqua. Lo scopo di utilizzare una pressione di riferimento nell’Eq. 3 è rendere i coefficienti di regressione indipendenti dalle unità di misura della pressione. Si noti che i coefficienti empirici nell’Eq. 3 differiscono in qualche modo da quelli pubblicati da Nikolov & Zeller (2017), perché l’analisi di regressione è stata aggiornata rispetto al documento originale utilizzando dati più nuovi e migliori per le temperature planetarie di base di Venere, Terra e Titano. La figura 2 mostra la curva descritta dall’Eq. 3.

Figura 2. Rappresentazione grafica dell’effetto termico relativo dell’atmosfera (RATE), una forma di riscaldamento adiabatico indotto dalla pressione descritto empiricamente dall’Eq. 3.

Una nuova intuizione chiave dal modello neozelandese (Eq. 1) è che il sistema climatico non è guidato solo dalla radiazione, che è una forma di riscaldamento adiabatico (esterno), ma è anche controllato da un aumento adiabatico dell’energia solare assorbita (riscaldamento interno) a causa della pressione dell’aria. Il riscaldamento adiabatico è un fenomeno termodinamico standard nei fluidi comprimibili come i gas. La teoria dell’effetto serra sul cambiamento climatico si concentra esclusivamente sulla forzatura radiativa e sui feedback radiativi positivi e non considera l’effetto di riscaldamento  adiabatico della pressione atmosferica sulla superficie di un pianeta.

Nikolov & Zeller (2017) hanno dimostrato che, per corpi con atmosfere tangibili, l’Eq. 2 può essere semplificato (senza sacrificare l’accuratezza numerica) utilizzando valori generici costanti per 𝛼 _e e η _e  basati sui dati lunari della NASA e ignorando i termini di flusso di energia piccolo R _c e R _g ie

Questo riduce l’Eq. 1 per corpi planetari con un’atmosfera alla seguente semplice espressione:

L’equazione 5 non contiene termini espliciti per la radiazione solare assorbita o l’albedo provocato dalle nuvole. Tuttavia, fornisce una solida base matematica per la derivazione di formule analitiche esatte per quantificare la sensibilità climatica planetaria alla radiazione a onde corte in entrata, all’albedo e alla pressione superficiale totale. Questo perché il modello integrale descrive in modo accurato e completo la temperatura superficiale globale di base dei corpi planetari su un’ampia gamma di ambienti fisici nel Sistema Solare (vedi Figure 1 e 2). In quanto tale, l’Eq. 5 può essere combinato con le regole del calcolo per produrre soluzioni in forma chiusa per varie sensibilità climatiche di equilibrio definite in termini di perturbazioni alla temperatura globale di base.

2.1 Modellazione della sensibilità della temperatura globale all’irraggiamento solare totale

La sensibilità di T _sb alla TSI può essere dedotta dalla derivata totale di T _sb rispetto a S, dT _sb /dS. Usando l’Eq. 5 in combinazione con la regola della catena del calcolo, otteniamo:

Poiché la pressione atmosferica superficiale media (P) è una funzione della gravità e della massa di una colonna atmosferica al di sopra di una superficie unitaria, P può essere considerato indipendente da S per piccole variazioni dell’orbita di un pianeta attorno al Sole come quelle causate di cicli di Milankovitch. Ciò implica ∂P⁄∂S = 0, che riduce l’Eq. 6a a:

Pertanto, la derivata totale dT _sb /dS diventa uguale alla derivata parziale di dT _sb rispetto a S, che si ottiene differenziando l’Eq. 5:

Dopo la separazione delle variabili e l’integrazione di entrambi i membri dell’Eq. 7, si arriva all’espressione:

che ha la soluzione in forma chiusa:

Nell’eq. 8, ΔT _sb è una variazione della temperatura di riferimento T _sb causata da una perturbazione della TSI Δs. Pertanto, la sensibilità della temperatura globale alla TSI è proporzionale alla temperatura di base attuale di un pianeta e aumenta logaritmicamente con l’entità della perturbazione della TSI.

2.2 Modellazione della sensibilità alla temperatura globale alla radiazione solare assorbita

La sensibilità di T _sb alla radiazione solare assorbita (S _a, W m ^-2) può essere valutata utilizzando un approccio simile a quello impiegato nella Sezione 2.1. Applicando la regola della catena del calcolo all’Eq. 5 fornisce la seguente espressione per la derivata totale dT _sb /dS _a:

Anche in questo caso, poiché la pressione atmosferica media P alla superficie è indipendente da S _a per piccole variazioni del flusso di onde corte assorbito causate dalle fluttuazioni dell’albedo, possiamo tranquillamente assumere ∂P/∂S _a = 0, il che semplifica l’Eq. 9a a:

La derivata parziale ∂T _sb /∂S è stata già valutata nell’Eq. 7. La seconda derivata parziale ∂S _a /∂S può essere ottenuta dalla formula standard per calcolare l’assorbimento medio della radiazione ad onde corte da parte di una sfera:

Dove α _b è l’albedo di legame a lungo termine (linea di base) del pianeta definito come la frazione integrata di fase della radiazione solare incidente nella parte superiore dell’atmosfera che viene riflessa nello spazio e quindi persa nel sistema climatico. l’Eq differenziante 10 rispetto ai rendimenti S:

Combinando le equazioni 7, 9b e 11 si ottiene una formula differenziale che descrive ECS in S _a:

La quantificazione della risposta alla temperatura di equilibrio ΔT (K) ad una variazione finita del flusso di onde corte assorbito ΔS _a (W m ^-2) richiede una separazione delle variabili nell’Eq. 12 seguita dall’integrazione di entrambe le parti, ovvero:

L’equazione 13 ha la soluzione in forma chiusa:

Sostituendo S _a nell’eq. 14 con il suo equivalente dall’Eq. 10 fornisce la formula analitica finale per il calcolo di ΔT in funzione di ΔS _a:

Nell’eq. 15, ΔT è la deviazione della temperatura superficiale globale da un valore di riferimento T _sb. Simile alla sensibilità della TSI, anche qui ΔT è proporzionale a T _sb e varia logaritmicamente con la perturbazione di assorbimento della radiazione ΔS _a.

2.3 Modellazione della sensibilità della temperatura globale all’albedo planetario

Poiché l’albedo è un parametro chiave che determina la quantità di radiazione solare assorbita da un corpo planetario, possiamo usare l’Eq. 15 come punto di partenza per derivare una formula per la risposta di temperatura globale ΔT a una perturbazione di albedo finita Δα. A tal fine, prima differenziamo l’Eq. 10 rispetto ad α _p:

La soluzione a questo è semplicemente

Successivamente, sostituiamo ΔS _a nell’Eq. 15 con il suo equivalente dall’Eq. 17 per arrivare ad una formula analitica albedo-temperatura:

Usando l’Eq. 18 possiamo ora scrivere un’espressione matematicamente robusta che descrive la temperatura superficiale globale di un pianeta roccioso o luna (T _s) in funzione di 3 termini: (a) la  temperatura superficiale globale senza atmosfera T _na (S) essendo principalmente una funzione della TSI; (b) il potenziamento termico atmosferico adiabatico indotto dalla pressione Ea (P); e (c) l’anomalia di temperatura ΔT causata dall’allontanamento dell’albedo del pianeta (Δα) da un valore basale α _b (Eq. 18) cioè:

Dopo aver sostituito i tre termini nell’eq. 19 con le loro espressioni equivalenti dalle equazioni 2, 3 e 18 arriviamo a un modello generico che descrive la temperatura superficiale globale media di pianeti rocciosi e lune con atmosfere di quantità e composizione arbitraria:

Le equazioni da 18 a 20 hanno importanti nuove implicazioni per il ruolo dell’albedo nei climi planetari che possono essere riassunte come segue:

a) La TSI e la pressione atmosferica media in superficie determinano la temperatura superficiale globale di base (a lungo termine) (Tsb) dei pianeti rocciosi, dando origine anche a un albedo di base.  Quindi, α _b è un sottoprodotto del sistema climatico. Essendo una proprietà intrinseca di quel sistema, α _b non influisce su T _sb. Questa conclusione segue dal modello Nikolov-Zeller del 2017 (Eq. 1), che descrive accuratamente le temperature superficiali globali a lungo termine dei corpi planetari su una vasta gamma di ambienti del Sistema Solare senza tenere esplicitamente conto delle differenze di Bond albedo. Osservazioni controllate della NASA suggeriscono che, in un’ampia gamma di ambienti fisici, α _b non può essere previsto dalle temperature e dalle pressioni atmosferiche misurate. Questo fatto rafforza ulteriormente l’idea che α _b sia un parametro emergente del sistema climatico piuttosto che un controllore del clima. Tale comprensione della natura fisica di α _b spiega la stabilità osservata degli albedi planetari, poiché la pressione atmosferica e la TSI che danno origine all’interno di α _b tendono a essere stabili per lunghi periodi di tempo.

b) Se la TSI e la pressione dell’aria superficiale sono costanti, la temperatura superficiale globale T _s può deviare da T _sb solo se l’albedo delle nubi del pianeta è costretto a discostarsi dal suo valore di base. Quindi, l’albedo influisce sulla temperatura globale di un pianeta solo se Δα ≠ 0,0. Poiché Δα è molto più piccolo di α _b a causa dei feedback negativi che operano all’interno del sistema climatico che limitano le fluttuazioni dell’albedo, la maggior parte dell’albedo su qualsiasi pianeta o luna con un’atmosfera tangibile non ha alcun impatto su T _s. Ciò implica che i grandi feedback positivi di ghiaccio-albedo simulati da modelli teorici sono probabilmente irreali, il che è controintuitivo e costituisce una nuova scoperta nella scienza del clima.

Per una discussione più completa sul ruolo dell’albedo nel clima, guarda questo video presentato al 101^° Meeting AMS nel gennaio 2021.

2.4 Modellazione della sensibilità alla temperatura globale rispetto alla pressione atmosferica totale

L’attuale scienza del clima non riconosce gli effetti termodinamici diretti della pressione atmosferica sulla temperatura superficiale globale. La teoria dell’effetto “serra” riconosce solo l’influenza della pressione sulla temperatura attraverso l’allargamento della pressione delle linee di assorbimento dell’infrarosso gassoso. Il modello semi-empirico di Nikolov & Zeller (2017) è l’unico che quantifica correttamente l’effetto termico atmosferico come una forma di riscaldamento adiabatico indotto dalla pressione che opera su pianeti rocciosi e lune con atmosfere. Ciò rende il modello NZ particolarmente adatto per valutare la sensibilità climatica a un cambiamento della pressione atmosferica totale (Δp). Poiché il potenziamento termico atmosferico E _a (P) descritto dall’Eq. 3 è una funzione integrale esplicita della pressione, non sono necessarie derivate e la regola della catena del calcolo per elaborare un modello di sensibilità climatica corretto. Invece, si deve semplicemente eseguire una differenziazione dell’Eq. 1 rispetto alla pressione per calcolare la sensibilità climatica ΔT _sb (K) a questo forzante termodinamico è:

Si noti che l’Eq. 21 quantifica la risposta della stessa temperatura di riferimento ad una variazione della pressione superficiale totale Δp. Al contrario, le formule che descrivono la sensibilità climatica alle variazioni dell’albedo e alla radiazione solare assorbita (Equazioni 15 e 18) valutano la deviazione della temperatura globale ΔT da un valore di riferimento T _sb. Questa differenza principale è dovuta al fatto che la TSI e la pressione atmosferica totale sono le variabili che definiscono la temperatura di base di un pianeta T _sb (Eq. 1).

3. Verifica del Modello Albedo-Temperatura rispetto ai Dati CERES EBAF

Abbiamo deciso di verificare l’ipotesi che le variazioni della temperatura globale negli ultimi decenni siano state causate da cambiamenti nell’albedo delle nuvole piuttosto che dalla concentrazione di CO₂ atmosferica. A tal fine, abbiamo invertito l’Eq. 20, che incorpora il nuovo modello analitico della temperatura dell’albedo (Eq. 18) per stimare i cambiamenti mensili e annuali dell’albedo terrestre (Δα) e del Flusso solare riflesso (RSF) nella parte superiore dell’atmosfera dai record della temperatura globale vicino alla superficie osservati forniti da due set di dati ufficiali: l’UAH satellitare e l’HadCRUT4 di superficie. Le anomalie della temperatura riportate da UAH e HadCRTU4 sono state convertite in temperature superficiali globali assolute assumendo che, durante il periodo 1981-2010, la temperatura media dell’aria superficiale della Terra fosse 287,2 K (Jones & Harpham 2013). Un valore di 0,3 è stato utilizzato per l’albedo di base nell’eq. 20 corrispondente a una temperatura di riferimento globale preindustriale di 286,4 K. La TSI è stata quantificata nel nostro modello utilizzando il record osservazionale di AcrimSat. RSF è stato calcolato da Δα modellato utilizzando le equazioni 10 e 17. Successivamente, abbiamo confrontato la dinamica modellata di RSF con la radiazione a onde corte riflessa misurata indipendentemente dall’orbita dalle nuvole e dal sistema energetico radiante terrestre (CERES) dal 2001 al 2019. Abbiamo utilizzato l’edizione 4.1 del prodotto dati CERES Energy Balanced and Filled (EBAF). Se le anomalie dell’albedo (Δα) previste dall’Eq 20 invertita (che non contengono “forzature di gas serra”) utilizzando le temperature superficiali globali osservate da due fonti indipendenti concordano con i cambiamenti misurati dal satellite della radiazione a onde corte riflessa da CERES, quindi la nostra ipotesi sarebbe considerata convalidata.

La figura 3 mostra i risultati del confronto modello-dati utilizzando dati mensili uniformi. La figura 4 illustra i risultati del confronto basati su dati annuali. Si noti che i flussi solari riflessi modellati rientrano in un terzo dell’intervallo di incertezza di calibrazione CERES, il che indica una stretta relazione funzionale tra l’albedo planetario e la temperatura della superficie globale.

Figura 3. Dinamica mensile della radiazione a onde corte riflessa modellata dalla Terra basata sull’Eq. 20 e i record della temperatura globale vicino alla superficie rispetto ai flussi di onde corte riflessi  osservati sono cambiati di 7 mesi in avanti indipendentemente misurati da CERES.

Figura 4. Dinamica annuale della radiazione a onde corte riflessa modellata dalla Terra basata sull’Eq. 20 e record di temperatura globale vicino alla superficie rispetto ai flussi di onde corte riflessi  osservati misurati indipendentemente da CERES.

I cambiamenti dell’albedo modellato dedotti dai record di temperatura vicino alla superficie che utilizzano metodi di misurazione diversi corrispondono notevolmente bene alla variazione interannuale e all’andamento pluriennale della radiazione solare riflessa misurata da CERES. Ciò suggerisce un controllo dell’albedo sulle variazioni della temperatura superficiale globale dal 2001. La nostra analisi ha anche mostrato che la migliore corrispondenza modello-dati si ottiene quando i flussi di onde corte CERES riflessi vengono spostati di 7 mesi in avanti. Ciò implica che la temperatura superficiale globale risponde ai cambiamenti dell’albedo delle nubi con un ritardo di 7 mesi. La presenza di un tale ritardo rafforza ulteriormente l’argomento secondo cui le variazioni interannuali osservate e l’andamento multidecennale complessivo della temperatura globale sono effettivamente guidate dai cambiamenti nell’albedo delle nuvole della Terra piuttosto che dalle emissioni di CO₂ antropica. Una precedente ricerca pubblicata ha dimostrato che l’attività del Sole probabilmente forza i cambiamenti nell’albedo delle nubi della Terra sia direttamente attraverso la modulazione del campo elettrico interplanetario da parte del vento solare (Voiculescu et al. 2013) sia indirettamente attraverso il campo magnetico del Sole che limita il flusso dei raggi cosmici galattici nella troposfera terrestre. È noto che i raggi cosmici ionizzano le molecole d’aria e aumentano il tasso di produzione dei nuclei di condensazione delle nuvole, aumentando così le nuvole di basso livello (Svensmark et al. 2021). Sebbene gli esatti meccanismi di controllo delle nubi da parte del Sole non siano ancora sufficientemente compresi per essere incorporati matematicamente nei modelli climatici, sta diventando sempre più chiaro che, su una scala temporale decennale, il clima terrestre è governato dal parametro Δα nell’eq. 20. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche nell’area delle interazioni magnetico/elettriche tra la Terra e il Sole e l’effetto di tali interazioni sulla dinamica delle nuvole. A questo proposito, è importante sottolineare che, secondo recenti osservazioni satellitari, lo Spazio interplanetario non è elettricamente neutro come si pensava in precedenza, ma è invece pieno di correnti elettriche abilitate al plasma (aka correnti di Birkeland) che misurano milioni e miliardi di Ampere (vedi questo articolo EOS del 2018 intitolato “Correnti elettriche nello spazio cosmico Run the Show“). I modelli climatici non simulano gli effetti ionizzanti ed elettrici dei raggi cosmici e del vento solare sulla dinamica delle nuvole.

L’elevata precisione dei flussi solari riflessi modellati inferita da due set di dati indipendenti sulla temperatura globale (Figure 3 e 4) convalida la nostra ipotesi che il clima terrestre del 21^° secolo sia molto probabilmente guidato dalle fluttuazioni dell’albedo delle nubi piuttosto che da un’inafferrabile CO₂ “radiative forzatura” dedotta dalla teoria.

I risultati di cui sopra indicano anche che i modelli analitici qui derivati ​​che quantificano le sensibilità climatiche di equilibrio alle variazioni dell’albedo e della radiazione solare assorbita sono matematicamente corretti e fisicamente robusti. In un articolo successivo che apparirà presto su questo blog, applicheremo le equazioni 15 e 18 per rivalutare l’evoluzione della temperatura superficiale globale della Terra negli ultimi 60 anni utilizzando un nuovo set di dati a griglia della radiazione solare di superficie misurata (SSR) prodotta da Yuan et al. (2021). L’articolo analizzerà anche l’aumento osservato dell’SSR (global brightening) dal 1982 come motore del recente riscaldamento globale.

4. Confronto delle sensibilità climatiche di equilibrio dei corpi planetari in tutto il sistema solare

I risultati di cui sopra aumentano la fiducia nella capacità dei nuovi modelli analitici di quantificare correttamente l’ECS per gli agenti forzanti chiave. Ciò giustifica l’applicazione di questi modelli per confrontare le sensibilità di equilibrio dei climi planetari in tutto il Sistema Solare. La tabella 1 fornisce un tale confronto quantitativo per i corpi planetari più studiati: Venere, Terra, Luna, Marte, Titano e Tritone.

Tabella 1. Equilibrium Climate Sensitivity (ECS) dei corpi planetari nel Sistema Solare all’irraggiamento solare totale (TSI), radiazione solare assorbita, albedo totale e pressione atmosferica superficiale. ECS si riferisce a una variazione in stato stazionario della temperatura superficiale globale in risposta a una forzatura unitaria.

Le sensibilità climatiche mostrano un complesso modello di variazione tra i corpi studiati a causa delle differenze nelle temperature superficiali della linea di base, negli albedi di legame e nelle pressioni atmosferiche totali. In generale, l’ECS alla radiazione a onde corte aumenta con T _sb e α _b, e diminuisce con TSI (S). L’ECS alle variazioni di pressione è alto per corpi quasi senz’aria in prossimità del Sole come la Luna e diminuisce progressivamente in modo non lineare con P, prossimo allo zero per corpi con atmosfere massicce come Venere o con atmosfere considerevoli ma situati lontano dal Sole come Titano. Ciò è spiegato in parte dalla risposta fortemente non lineare di RATE alla pressione dell’aria superficiale (vedi Fig. 2).

Le sensibilità di equilibrio della temperatura globale della Terra alla radiazione a onde corte (ossia TSI e flusso solare assorbito) sono molto inferiori a quanto ipotizzato dalla teoria della serra basata su un ECS modellato alla CO₂. Questo perché i modelli climatici simulano numerosi feedback positivi, di natura fittizia, che amplificano la risposta iniziale del sistema a un “forzamento radiativo” di CO_{2 tra 2 e 4,5 volte.} Tuttavia, come dimostrato da Nikolov & Zeller (2017), il sistema climatico reale non ha una sensibilità misurabile alla CO₂ ambientale a causa di un contributo minimo di questo gas traccia alla pressione totale dell’atmosfera terrestre. Distinguere tra una teorica forzatura interna (generata dal modello) e una forzatura climatica esterna misurata sono fondamentali per far progredire la nostra comprensione e capacità predittive. La radiazione solare in entrata e la sua modulazione dinamica da parte dell’albedo acqua-nube sembrano essere la vera forzatura del clima terrestre su scale temporali da decenni a centenari. L’ECS della Terra relativamente basso alla TSI e la radiazione solare assorbita garantiscono una stabilità potenzialmente maggiore del nostro clima rispetto a quella di altri corpi planetari come Marte, Titano e Tritone. Ad esempio, la sensibilità della Terra di 0,053 K/W m ^-2 alla TSI implica che le variazioni attese della luminosità del Sole e dell’orbita terrestre che causano fluttuazioni annuali della TSI nell’ordine di 1 – 5 W m ^-2 non avrà mai un impatto significativo sul clima terrestre. Tuttavia, si prevede che la modulazione della copertura nuvolosa terrestre che influenza l’assorbimento dell’energia solare da parte del pianeta, forzata direttamente dal vento solare o indirettamente dal campo magnetico del Sole attraverso il suo effetto sul flusso dei raggi cosmici galattici, avrà un  notevole impatto sulla temperatura globale da 4,4 a 10 volte maggiore dell’impatto delle sole fluttuazioni della TSI. Questo perché l’ECS terrestre per la radiazione solare assorbita è quasi 6 volte superiore alla sensibilità alla TSI e la variabilità decennale dell’assorbimento delle onde corte è in genere maggiore della variabilità della TSI. Si noti nella tabella 1 che uno spostamento dell’1% nell’albedo terrestre causerebbe una variazione di -1 K nella temperatura della superficie globale. Per mettere in prospettiva questa sensibilità, si consideri che, secondo il record della temperatura superficiale HadCRUT5, 1 K è quasi l’intero riscaldamento sperimentato dalla Terra dal 1850, cioè in un periodo di 170 anni.

Le variazioni da ECS ad albedo potrebbero essere un indicatore di quanto siano forti i feedback interni che mantengono (supportano) la maggior parte degli albedo planetari come proprietà intrinseca del sistema. Tra i corpi elencati nella tabella 1, Venere ha di gran lunga la più alta sensibilità climatica alle perturbazioni dell’albedo a causa della sua superficie calda e di una copertura nuvolosa fortemente riflettente (vedi Eq. 18). Ciò implica che è probabile che anche l’albedo venusiano mostri le più piccole variazioni temporali tra i corpi studiati. La Terra ha la seconda ECS più alta per perturbazioni dell’albedo, suggerendo che gli albedo di Marte, Titano e Tritone potrebbero essere più dinamici (meno stabili) su scale temporali da decade a centenaria rispetto all’albedo terrestre.

La stima di cui sopra dell’ECS terrestre rispetto alla pressione totale (0,161 K/kPa) può essere utilizzata per calcolare la risposta della temperatura superficiale globale al raddoppio della CO₂ atmosferica rispetto a un livello preindustriale di 280 ppm. Secondo la scoperta di Nikolov-Zeller sulla natura adiabatica dell’effetto termico atmosferico, un cambiamento nella quantità di qualsiasi gas nell’atmosfera (compresa la CO₂) ha un impatto sulla temperatura globale solo attraverso il contributo di tale cambiamento alla pressione dell’aria superficiale totale. In altre parole, ciò che conta per l’ambiente termico globale in superficie è la pressione parziale dei gas, non le loro proprietà radiative nell’infrarosso. Pertanto, un aumento di 280 ppm di CO₂ atmosferica implica un aumento di 0,0276 kPa della pressione dell’aria superficiale (cioè 98,55*280/10 ⁶ = 0,0276 kPa). Moltiplicando questa perturbazione per l’ECS alla pressione si ottiene la vera risposta della temperatura superficiale globale del nostro pianeta a un raddoppio di CO₂ : 0,0276*0,161 = 0,0044 K. Questa quantità di riscaldamento globale è praticamente non rilevabile. Quindi, gli attuali modelli climatici sovrastimano la sensibilità della temperatura globale della Terra alla CO₂ atmosferica di circa 682 volte o in media del 68.100% (cioè 3,0/0,0044 = 681,8).

5. Conclusione

La derivazione di formule analitiche esatte per stimare la sensibilità climatica di equilibrio dei corpi planetari alla forzatura radiativa a onde corte e alla pressione atmosferica superficiale è stata possibile grazie a un nuovo modello robusto della temperatura superficiale globale dedotto dai dati planetari della NASA di Nikolov & Zeller (2017). Il modello fornisce nuove informazioni sul ruolo dell’albedo nel clima e sulla natura fisica dell’effetto termico atmosferico (attualmente chiamato “effetto serra”) come forma di riscaldamento adiabatico causato da una pressione totale indipendente dalla composizione atmosferica. Le equazioni ECS 8b, 15 e 18 sono state derivate dal modello NZ utilizzando regole standard di differenziazione e integrazione nel calcolo. I precedenti tentativi di stimare l’ECS si sono concentrati sulla radiazione a onda lunga in uscita (OLR) come regolatore della temperatura basata su un’ipotesi a priori nella teoria dell’effetto “serra” secondo cui l’atmosfera riscalda la Terra  impedendo la velocità di raffreddamento radiativo superficiale nello spazio, un processo noto anche come intrappolamento del calore radiante o ritardo del raffreddamento. Tuttavia, la velocità di raffreddamento non è mai un fattore limitante nel bilancio energetico di sistemi aperti come l’atmosfera, perché la riduzione del raffreddamento richiede una forma di isolamento termico che impedisca la conduzione/convezione o rifletta la radiazione termica. Nessuno di questi meccanismi opera in un’atmosfera libera. Poiché l’OLR è un effetto (conseguenza) delle temperature atmosferiche e superficiali, questo flusso infrarosso non può influenzare tali temperature soprattutto in un ambiente termodinamico caratterizzato da una dissipazione di energia disinibita attraverso convezione e avvezione turbolenta. L’approccio dell’utilizzo di OLR per valutare la sensibilità climatica produce risultati errati anche in parte perché si basa su parametri fittizi (non fisici) come la “temperatura radiante effettiva” e l'”altitudine di emissione effettiva” (per i dettagli, vedere Volokin & ReLlez 2014). Uno studio di Harde (2017) fornisce un esempio recente di utilizzo di questo approccio imperfetto e di ottenere di conseguenza stime ECS completamente errate. Concentrarsi su un OLR come controllore climatico invece di analizzare i flussi a onde corte in entrata che riscaldano il sistema diabaticamente è arretrato rispetto alla catena di causalità fisica. Il clima terrestre è controllato dalla quantità di energia solare assorbita e dal potenziamento adiabatico di tale energia dalla pressione atmosferica, non dall’OLR. Quindi, la temperatura superficiale globale di un pianeta è indipendente dal trasferimento radiativo atmosferico a onde lunghe e dalla velocità di raffreddamento a infrarossi nello spazio, perché questi sono sottoprodotti del sistema climatico.

Combinando il modello NZ originale con una formula analitica che quantifica la risposta della temperatura globale alle perturbazioni dell’albedo (Eq. 18) si ottiene l’Eq. 20, che descrive in modo completo la temperatura superficiale globale di pianeti rocciosi e lune senza ricorrere a un forzante radiativo di gas serra. Quest’ultima è una quantità generata da un modello basata su un’ipotesi congetturale del XIX secolo, che non è supportata dalle moderne osservazioni satellitari. Ad esempio, la definizione classica di “effetto serra” come differenza dei flussi di onde lunghe in uscita tra la superficie e la parte superiore dell’atmosfera (Ramanathan 1989 ; Schmidt et al. 2010) produce risultati fisicamente privi di senso sull’Antartide centrale, dove il diventa “effetto serra” negativo (Schmithüsen et al. 2015 ; Sejas et al. 2018). Tuttavia, l’effettivo effetto termico atmosferico sul Polo Sud terrestre misurato rispetto all’ambiente termico del Polo Sud senz’aria della Luna è di circa 144 K (Fig. 5). Quindi, l'”effetto serra” radiativo come attualmente definito non ha alcuna relazione significativa con l’effettivo riscaldamento della superficie causato dalla presenza di un’atmosfera. Ciò non sorprende dal momento che “l’effetto serra” è stato arbitrariamente definito dal Prof. Veerabhadran (Ram) Ramanathan (presso la Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego) come una differenza di flusso radiativo negli anni ’80 basata su nient’altro che il suo a priori convinzione che l’atmosfera agisca come una coperta intrappolando calore, il che è termodinamicamente errato. Un’atmosfera aperta e convettiva senza coperchio sulla parte superiore non può intrappolare il calore e non impedisce il raffreddamento! Il Prof. Ramanathan ha ammesso di aver escogitato la sua definizione di “effetto serra” in un articolo del 2014 intitolato “Cambiamento climatico e protezione dell’habitat: prove empiriche per l’effetto serra e il riscaldamento globale” che è stato pubblicato su un periodico della Città del Vaticano intitolato “Complessità e analogia nella scienza: aspetti teorici, metodologici ed epistemologici”. Egli presumeva erroneamente che la differenza dei flussi termici radiativi tra la superficie e la parte superiore dell’atmosfera misurasse “lo spessore della coperta della serra”.

Figura 5  L’effetto termico atmosferico sull’Antartide centrale valutato rispetto all’ambiente termico senz’aria al Polo Sud della Luna.

La capacità dell’Eq. 20 di riprodurre accuratamente una tendenza ventennale e una variabilità interannuale della radiazione solare riflessa misurata da CERES utilizzando come input le registrazioni osservate della temperatura globale vicino alla superficie (Figure 3 e 4) costituisce una prova fisica che il recente riscaldamento è stato causato da una riduzione dell’albedo delle nuvole e non un aumento delle concentrazioni di gas serra come affermato dall’IPCC.

La robusta derivazione delle Equazioni 8b, 15, 18 e 21 rende significativo l’applicazione di questi modelli ad altri corpi planetari del Sistema Solare per confrontare i cambiamenti nelle ECS lungo un gradiente ambientale cosmico. Le stime mostrate nella tabella 1 indicano che la Terra ha un ECS relativamente basso alla radiazione a onde corte rispetto ad altri corpi, il che rende il clima terrestre forse più stabile. La sensibilità della Terra alla radiazione solare assorbita (~0,3 K/W m ^-2) è 2,7 volte inferiore alla tipica sensibilità modellata a una “forzatura radiativa” di CO₂ (0,8 K/W m ^-2). La realtà è che l’ECS terrestre della CO₂ è essenzialmente zero a causa di un minuscolo contributo di questo gas alla pressione atmosferica totale sul nostro pianeta. Vale anche la pena ricordare che l’ECS terrestre rispetto alla TSI è circa 6 volte inferiore alla sensibilità del pianeta al flusso solare assorbito. La Terra ha una sensibilità climatica relativamente alta alle variazioni dell’albedo delle nubi (-1,02 K/1% di variazione dell’albedo), il che indica la presenza di feedback negativi relativamente forti all’interno del sistema che tendono a stabilizzare le fluttuazioni dell’albedo. Questa è una buona notizia per il nostro clima globale.

Il PDF del documento può essere scaricato qui: ECS_Universal_Equations

Fonte : Tallbloke