Ruoli delle Variazioni dell’Albedo Terrestre e dello Squilibrio Energetico alla Sommità dell’Atmosfera nel Riscaldamento Recente: Nuove Prospettive da Osservazioni Satellitari e di Superficie

Studi precedenti hanno riportato una diminuzione dell’albedo planetario e un aumento dell’assorbimento della radiazione solare da parte della Terra dall’inizio degli anni ’80, e in particolare dal 2000. Questo avrebbe dovuto contribuire al riscaldamento superficiale osservato. Tuttavia, l’entità di tale contributo solare è attualmente sconosciuta, e la questione se un maggiore assorbimento di energia a onde corte dal pianeta rappresenti un feedback positivo a un riscaldamento iniziale indotto dall’aumento delle concentrazioni di gas serra non è stata conclusivamente risposta. Anche il Rapporto di Valutazione del 6° IPCC non ha valutato adeguatamente questa questione. Qui, quantifichiamo l’effetto della diminuzione dell’albedo osservata sulla Temperatura Globale della Superficie dell’Aria (GSAT) della Terra dal 2000 utilizzando misurazioni del progetto Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) e un nuovo modello di sensibilità climatica derivato da dati planetari indipendenti della NASA impiegando regole oggettive di calcolo. La nostra analisi ha rivelato che la diminuzione osservata dell’albedo planetario insieme alle variazioni riportate dell’Irraggiamento Solare Totale (TSI) spiegano il 100% del trend di riscaldamento globale e l’83% della variabilità interannuale della GSAT come documentato da sei sistemi di monitoraggio basati su satellite e a terra negli ultimi 24 anni. I cambiamenti nell’albedo delle nuvole della Terra sono emersi come il principale motore della GSAT, mentre il TSI ha giocato solo un ruolo marginale. Il nuovo modello di sensibilità climatica ci ha anche aiutato ad analizzare la natura fisica dello Squilibrio Energetico della Terra (EEI) calcolato come una differenza tra radiazione a onde corte assorbita e radiazione a onde lunghe emessa dalla sommità dell’atmosfera. Osservazioni e calcoli del modello hanno rivelato che l’EEI risulta da un’attenuazione quasi adiabatica dei flussi di energia superficiale che viaggiano attraverso un campo di pressione atmosferica decrescente con l’altitudine. In altre parole, la dissipazione adiabatica dell’energia cinetica termica in parcelle d’aria ascendenti dà origine a un EEI apparente, che non rappresenta la “trappola di calore” da parte di gas serra atmosferici in aumento come attualmente si presume. Forniamo prove numeriche che l’EEI osservato è stato interpretato erroneamente come una fonte di guadagno energetico per il sistema terrestre su scale temporali pluri-decennali.

Analisi Critica del 6° Rapporto di Valutazione dell’IPCC sulla Valutazione delle Forzature Climatiche e l’Impatto dell’Albedo

Il 6° Rapporto di Valutazione dell’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC AR6) ha concluso che “è molto probabile che i gas serra ben miscelati [GHGs] fossero il principale motore del riscaldamento della troposfera dal 1979” [1] (p. 5). Questa affermazione suggerisce che tutte le forzature climatiche note siano state valutate correttamente utilizzando i dati disponibili, e che i GHGs abbiano avuto un effetto radiativo sproporzionatamente grande sulla Temperatura Globale della Superficie dell’Aria (GSAT) negli ultimi 45 anni. Tuttavia, un esame approfondito del Capitolo 7 del Contributo del Gruppo di Lavoro I (WG1) all’IPCC AR6 [2], che esamina il bilancio energetico della Terra, i feedback climatici e la sensibilità climatica, rivela che la diminuzione osservata dell’albedo terrestre e il corrispondente aumento dell’assorbimento della radiazione solare a onde corte dal pianeta negli ultimi 20 anni non sono stati considerati come fattori contribuenti al riscaldamento recente. La Sezione 7.2.2 del Capitolo 7, intitolata “Cambiamenti nel Bilancio Energetico della Terra”, riconosce che ci sono stati periodi multidecennali di significativi decrementi e incrementi nelle tendenze della radiazione solare superficiale (SSR), conosciuti rispettivamente come “oscuramento globale” (dagli anni ’50 agli anni ’80) e “illuminazione globale” (dopo gli anni ’80). Il Rapporto afferma con alta fiducia che queste tendenze [SSR] sono diffuse e non fenomeni localizzati o artefatti di misurazione. Nonostante l’esistenza di tali periodi sia stata riconosciuta da più di 10 anni [3,4], l’IPCC AR6 non fornisce una stima globale sull’ampiezza della tendenza positiva dell’SSR dagli anni ’80 né sulla sua importanza per l’incremento osservato nella GSAT. La discussione sulle variazioni dell’SSR si conclude con la dichiarazione che “l’origine di queste tendenze non è completamente compresa”. In riferimento ai flussi solari alla Sommità dell’Atmosfera (TOA), la Sezione 7.2.2 non analizza la sostanziale diminuzione della riflettanza a onde corte della Terra osservata dal 2000 e documentata dal progetto della NASA, Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) [5–8]. Il Rapporto omette di menzionare l’aumento di 2,0 W/m² nell’assorbimento di energia solare dal pianeta dal 2000 al 2020 e il suo effetto sulla GSAT. È sorprendente notare che la Sezione 7.2.2.1 del Contributo del WG1 dell’IPCC presenta due grafici nella Figura 7.3 (a p. 936) che mostrano una tendenza positiva nella radiazione solare riflessa dalla Terra e una tendenza negativa nel flusso termico uscente dal 2000, presumibilmente basati sui dati CERES. Tuttavia, queste tendenze sono l’opposto di quanto effettivamente misurato da CERES e contraddicono i risultati pubblicati precedentemente.

Diverse ricerche che hanno esaminato i dati del progetto CERES indicano che l’incremento dell’assorbimento delle radiazioni solari a onde corte da parte della Terra è stato probabilmente un fattore determinante nel riscaldamento globale degli ultimi vent’anni [5,8–10]. Fino ad ora, però, nessuna ricerca ha misurato in maniera precisa quanto del riscaldamento globale sia attribuibile solo alla forzatura solare, ossia all’aumento della Temperatura Globale della Superficie dell’Aria (GSAT) risultante dalla riduzione dell’albedo terrestre unita a variazioni dell’Irradianza Solare Totale (TSI). Senza un’analisi quantitativa specifica, l’impatto del riscaldamento dovuto ai gas serra atmosferici rimane una congettura teorica. Abbiamo cercato di colmare questa lacuna di conoscenza con un approccio denominato “seguire l’energia”, volto a quantificare il contributo specifico della forzatura solare all’aumento della GSAT dal marzo 2000 al dicembre 2023. Per farlo, abbiamo utilizzato un nuovo modello generico, basato su dati planetari indipendenti della NASA e su principi di calcolo oggettivi, applicato alle anomalie dei flussi radiativi alla Top of Atmosphere (TOA) rilevate da CERES. Questo modello stabilisce un collegamento diretto tra le variazioni della GSAT e quelle del TSI e dell’albedo Bond planetario. Grazie a questo modello, che non dipende dai dati specifici della Terra e quindi applicabile a qualsiasi corpo celeste sferico roccioso, siamo stati in grado di distinguere gli effetti dei driver solari da quelli delle forzature antropogeniche sul clima. Inoltre, il modello ha fornito nuove importanti informazioni sulla natura fisica dello Squilibrio Energetico della Terra (EEI), considerato oggi come il principale indicatore dei cambiamenti climatici.

2. Dati e Metodi: Analisi dei Datasets Satellitari e Superficiali

I dati utilizzati in questo studio comprendono serie temporali medie globali e mensili di flussi radiativi alla sommità dell’atmosfera (TOA), temperature della bassa troposfera e temperature oceaniche fino a 100 metri di profondità. Abbiamo impiegato i flussi radiativi a onde corte e lunghe misurati dal progetto CERES, insieme alle loro anomalie deseasonalizzate e alle anomalie della Temperatura Globale della Superficie dell’Aria (GSAT) fornite da sette diversi dataset basati su piattaforme di monitoraggio satellitare e terrestre. Le anomalie di temperatura globale dello strato oceanico superiore fino a 100 metri sono state ottenute dall’ultima versione del dataset grigliato sulle temperature sottomarine fornito dall’Institute of Atmospheric Physics (IAP) della Chinese Academy of Sciences [11]. La Tabella 1 elenca tutti i dataset impiegati in questo studio, fornendo anche gli URL validi per il download dei dati aggiornati al 19 agosto 2024.

Per focalizzarci sul comportamento climatico su scale temporali annuali e superiori, le serie di anomalie mensili sono state elaborate utilizzando medie mobili di 13 mesi. Le analisi qui presentate sono basate su tali dati levigati. Abbiamo utilizzato solamente le stime centrali (migliori) di ogni dataset, seguendo le raccomandazioni dei custodi ufficiali dei dati, e non discutiamo qui le incertezze dei singoli dataset, poiché sono documentate nelle referenze e negli URL di download forniti. La Figura 1 mostra esempi di anomalie dell’albedo globale della Terra e dell’assorbimento della radiazione a onde corte, sia grezze che levigate, nel periodo tra marzo 2000 e dicembre 2023, estratte dal dataset CERES Energy-Balanced and Filled (EBAF) 4.2. La Figura 2 illustra le anomalie mensili del TSI calcolate a partire dalle misure mensili di CERES sull’insolazione a onde corte. Si osserva che il TSI ha mostrato una tendenza quasi nulla negli ultimi 24 anni, con fluttuazioni di ±0.48 W m^-2 che rappresentano solo una frazione dei cambiamenti osservati nel flusso di onde corte assorbito, come mostrato nella Figura 1b. Secondo le osservazioni di CERES, l’albedo complessiva della Terra è diminuita di circa lo 0.79% dal 2000, causando un incremento dell’assorbimento di radiazione solare a onde corte del pianeta di circa 2.7 W m^-2. In confronto, l’IPCC AR6 ha stimato una forzatura antropogenica totale di 2.72 W m^-2 responsabile del cambiamento climatico dal 1750 al 2019 [2] (Sezione 7.3.5.2). Questo pone la forzatura solare misurata negli ultimi 2,4 decenni alla stessa magnitudine della forzatura antropogenica totale stimata dai modelli per i precedenti 27 decenni, sottolineando così l’importanza di quantificare il contributo dei cambiamenti dell’albedo osservati al recente riscaldamento planetario.

Analisi Dati e Modelli per l’Impatto delle Variazioni Climatiche

La Figura 3 presenta le anomalie della media mobile su 13 mesi della Temperatura Globale della Superficie dell’Aria (GSAT) basate sui dataset di temperatura elencati nella Tabella 1, coprendo il periodo di osservazione di 24 anni del progetto CERES. Nonostante le piccole differenze nei pattern di variazione della GSAT tra i dataset, abbiamo notato che il dataset UAH mostrava un tasso di riscaldamento significativamente inferiore rispetto agli altri dal 2000, come evidenziato nella Figura 4. Questa discrepanza ha portato alla decisione di escludere UAH dall’analisi. Le anomalie mensili della GSAT dei rimanenti sei dataset (ovvero, HadCRUT5, GISTEMP4, NOAA GlobalTemp, BEST, RSS e NOAA STAR) sono state aggregate per creare una serie rappresentativa delle temperature globali dal 1981 al 2023. Questa serie è stata successivamente levigata tramite una media mobile di 13 mesi, ottenendo un registro delle temperature annuali adatto per l’analisi. La Figura 5 mostra i risultati di questo approccio statistico. La serie temporale finale evidenzia un aumento significativo del tasso di riscaldamento planetario nel XXI secolo rispetto ai decenni precedenti.

Per determinare l’impatto dei cambiamenti osservati nell’Irradianza Solare Totale (TSI) e nell’albedo planetaria sull’aumento della GSAT della Terra, abbiamo utilizzato un nuovo modello che stabilisce una relazione diretta tra le risposte di temperatura globale e la forzatura solare. Questo modello è stato sviluppato applicando principi di calcolo a un modello universale di temperatura planetaria basato su dati NASA indipendenti provenienti da pianeti rocciosi e lune del nostro Sistema Solare [12]. Utilizzando i dati dei flussi radiativi di CERES, in particolare le anomalie di TSI e albedo planetaria, il modello ha generato previsioni sui cambiamenti della temperatura globale e su un trend di riscaldamento, che sono stati confrontati con le anomalie e il trend della GSAT realmente osservati nel periodo 2000-2023. Tutti i dati misurati e generati dal modello sono disponibili come materiale supplementare in un file Excel di facile consultazione che accompagna questa pubblicazione.

La Tabella 1 elenca i dataset utilizzati in uno studio scientifico, specificando il nome e la versione dei dataset, le piattaforme di monitoraggio utilizzate per raccogliere i dati e gli URL per accedere ai dati su Internet. Ecco un riassunto di ciascun dataset menzionato nella tabella:

1. CERES EBAF 4.2 (TOA Radiative Fluxes):
   • Piattaforma: Satellitare
   • Parametri: Flussi radiativi alla Top of Atmosphere (TOA)
   • URL: CERES Tool
2. HadCRUT5 (GSAT):
   • Piattaforma: Sensori di superficie
   • Parametri: Temperatura Globale della Superficie dell’Aria (GSAT)
   • URL: Hadley Centre
3. NOAA GlobalTemp (GSAT):
   • Piattaforma: Sensori di superficie
   • Parametri: GSAT
   • URL: NOAA Climate
4. NASA GISTEMP 4.0 (GSAT):
   • Piattaforma: Sensori di superficie
   • Parametri: GSAT
   • URL: NASA Data
5. BEST, Berkeley Earth Surface Temperature (GSAT):
   • Piattaforma: Sensori di superficie
   • Parametri: GSAT
   • URL: Berkeley Earth
6. NOAA STAR MSU/AMSU-A/ATMS 5.0 (Lower Troposphere Temperature):
   • Piattaforma: Satellitare
   • Parametri: Temperatura della bassa troposfera
   • URL: NOAA STAR
7. RSS 4.0 (Lower Troposphere Temperature):
   • Piattaforma: Satellitare
   • Parametri: Temperatura della bassa troposfera
   • URL: RSS Data
8. UAH 6.0 (Lower Troposphere Temperature):
   • Piattaforma: Satellitare
   • Parametri: Temperatura della bassa troposfera
   • URL: UAH Data
9. IAP 4.0 Global, gridded dataset of ocean subsurface temperatures (Ocean Temperatures):
   • Piattaforma: Sensori subacquei
   • Parametri: Temperature oceaniche sottomarine
   • URL: Ocean Data Service

Questa tabella è essenziale per capire quali fonti di dati sono state impiegate per analizzare e approfondire le variazioni climatiche e meteorologiche nell’ambito dello studio.

La Figura 1 presenta le anomalie radiative mensili derivate dal dataset CERES EBAF 4.2:

• (a) Albedo globale della Terra: Questo valore è calcolato dividendo l’anomalia della radiazione solare a cielo completo riflessa per il flusso solare incidente medio globale alla Top of Atmosphere (TOA), cioè l’insolazione globale, e moltiplicando il risultato per 100 per convertirlo in percentuale. Il grafico mostra una tendenza lineare negativa di -0.236% per decennio, indicando una diminuzione dell’albedo nel tempo.
• (b) Flusso solare assorbito dalla Terra: Questo valore è calcolato moltiplicando l’anomalia della radiazione solare a cielo completo riflessa da CERES per -1, basandosi sul fatto che l’assorbimento di radiazione è opposto (e complementare) alla riflessione. Il grafico mostra un aumento significativo nel flusso di radiazione solare assorbita, con una tendenza lineare di 0.797 W/m² per decennio.

Questi grafici forniscono una rappresentazione visiva delle variazioni nell’albedo della Terra e nell’assorbimento di radiazione solare su un periodo di oltre due decadi, evidenziando cambiamenti significativi che possono avere implicazioni dirette sul bilancio energetico del pianeta e sul riscaldamento globale.

La Figura 2 mostra le anomalie mensili desezionalizzate dell’Irradianza Solare Totale (TSI), calcolate utilizzando le osservazioni di CERES. Per ottenere questi dati, le anomalie della radiazione solare a onde corte a livello globale alla Top of Atmosphere (TOA) riportate da CERES sono state moltiplicate per un fattore di 4.0.

Il grafico presenta due linee principali:

• La linea viola scura rappresenta i dati mensili delle anomalie di TSI.
• La linea viola più chiara rappresenta la media mobile su 13 mesi di queste anomalie, che serve a evidenziare le tendenze a lungo termine riducendo il rumore delle fluttuazioni stagionali e a breve termine.

Il trend lineare, indicato dalla linea blu tratteggiata, mostra un leggero aumento di 0.068 W/m² per decennio. Questo trend indica che la quantità totale di radiazione solare che raggiunge la Terra è in aumento graduale nel periodo osservato, che va dal 2000 al 2024.

Questa analisi è essenziale per valutare come le variazioni nel TSI possano influenzare il clima terrestre, dato che l’irradiamento solare è una componente critica del bilancio energetico globale del pianeta.

La Figura 3 illustra le anomalie della media mobile su 13 mesi della Temperatura Globale della Superficie dell’Aria (GSAT) provenienti da sette diversi dataset. Ogni serie temporale è calibrata rispetto alla sua media nel periodo da marzo 2000 a dicembre 2023.

• Dataset basati su satellite: I dataset UAH 6.0, RSS 4.0 e NOAA STAR 5.0 (rappresentati in varie tonalità di verde e viola) misurano i cambiamenti nella temperatura della bassa troposfera (TLT) utilizzando le Unità di Sondaggio a Microonde (MSU).
• Dataset basati su superficie: I dataset HadCRUT5, NOAA GlobalTemp, NASA GISTEMP 4.0 e BEST (rappresentati in blu, rosso, viola scuro e viola chiaro) sono derivati da letture di termometri situati a terra.

Le curve mostrate riflettono tendenze simili di temperatura nel corso del tempo, evidenziando coerenza tra i diversi approcci di misurazione. Le variazioni locali nei picchi e nelle cadute tra i dataset possono riflettere differenze nelle metodologie di misurazione e nelle posizioni di rilevamento (atmosferiche rispetto a terrestri).

Questo grafico è cruciale per valutare le tendenze globali della temperatura e per verificare la coerenza tra le diverse metodologie e fonti di raccolta dati nel monitoraggio dei cambiamenti climatici.

La Figura 4 presenta i trend lineari delle temperature per sette dataset che monitorano le temperature della superficie globale e della bassa troposfera, coprendo il periodo da marzo 2000 a dicembre 2023.

Ogni colonna nel grafico rappresenta il tasso di riscaldamento calcolato per decennio per ogni dataset, espressi in gradi Celsius:

• HadCRUT5: 0.224 °C/decade
• BEST: 0.232 °C/decade
• GISTEMP4: 0.233 °C/decade
• NOAA: 0.232 °C/decade
• RSS: 0.201 °C/decade
• STAR: 0.231 °C/decade
• UAH: 0.176 °C/decade

Il dataset UAH è evidenziato per avere un tasso di riscaldamento notevolmente inferiore (0.176 °C/decade) rispetto agli altri, motivo per cui è stato escluso dalla nostra analisi principale. Questa discrepanza suggerisce differenze potenziali nelle metodologie di misurazione o nelle specifiche del dataset UAH rispetto agli altri.

Questo grafico è cruciale per valutare e confrontare come diverse fonti di dati documentano il riscaldamento globale, illustrando visivamente le variazioni nei tassi di riscaldamento dedotti da diverse metodologie di raccolta ed elaborazione dei dati.

La Figura 5 mostra le anomalie mensili della Temperatura Globale della Superficie dell’Aria (GSAT), calcolate mediante la media di sei dataset globali (HadCRUT5, GISTEMP4, NOAA GlobalTemp, BEST, RSS, e NOAA STAR). La media mobile su 13 mesi è utilizzata per levigare la variabilità stagionale presentata nei dati. Sono presentati due grafici che coprono diversi intervalli temporali:

• (a) Dal 1981 al 2023: Questo grafico visualizza l’andamento delle temperature globali lungo un arco temporale esteso. La linea rossa continua rappresenta i dati mensili delle temperature, mentre la linea rossa tratteggiata indica la media mobile su 13 mesi. Il trend lineare, evidenziato dalla linea nera continua, mostra un incremento di 0.19°C per decennio, segnalando un riscaldamento globale sostenuto durante questo periodo.
• (b) Periodo osservativo di CERES (Marzo 2000–Dicembre 2023): Questo grafico si focalizza sul periodo più recente, corrispondente alle osservazioni del satellite CERES. Ancora una volta, la linea rossa continua indica i dati mensili, e la linea rossa tratteggiata la media mobile su 13 mesi. Qui, il trend lineare è leggermente più alto, con un aumento di 0.23°C per decennio, suggerendo una possibile accelerazione del riscaldamento globale negli ultimi anni.

Questi grafici sono fondamentali per visualizzare l’aumento delle temperature globali nel tempo, permettendo di confrontare le tendenze di riscaldamento in differenti periodi storici. L’incremento nel tasso di riscaldamento nel periodo più recente evidenzia una crescente preoccupazione per le dinamiche del cambiamento climatico.

Modellazione della Risposta della Temperatura Superficiale Globale dell’Aria al Forzamento Solare

Nikolov e Zeller hanno sviluppato un modello matematico semiempirico utilizzando l’Analisi Dimensionale basata su osservazioni planetarie confermate dalla NASA. Questo modello descrive con precisione la temperatura media di lungo termine della superficie di pianeti rocciosi e lune utilizzando solo due variabili principali: la media annuale dell’irraggiamento solare e la pressione atmosferica media superficiale.

Il modello determina la temperatura superficiale globale di un corpo celeste privo di atmosfera utilizzando un coefficiente di proporzionalità derivato da una formula generica per calcolare la temperatura media superficiale di corpi senza atmosfera. Inoltre, considera un effetto termico atmosferico relativo, che è una funzione della pressione atmosferica e che rappresenta l’aumento della temperatura dovuto alla pressione dell’aria.

Questa funzione è stata quantificata empiricamente analizzando dati provenienti da sei corpi celesti rocciosi nel Sistema Solare, che variano ampiamente per condizioni fisiche. Sebbene il coefficiente di proporzionalità vari leggermente tra i diversi corpi celesti a causa delle differenze nel calore geotermico, rimane comunque entro un intervallo ristretto.

Questo approccio consente di prevedere accuratamente la temperatura media a lungo termine di vari corpi celesti, da Venere a Plutone, e può essere utilizzato per sviluppare formule analitiche che determinano come la temperatura reagisce a diversi fattori esterni.Supponendo che le variazioni della temperatura superficiale globale dell’aria siano causate da cambiamenti simultanei nell’irraggiamento solare totale, nell’albedo planetario e nella pressione superficiale media, possiamo descrivere come si modifica la temperatura globale. Se consideriamo che la pressione dell’aria non cambia significativamente su scale temporali che vanno da decenni a secoli, possiamo trascurare l’effetto di variazioni di pressione nel nostro calcolo del cambiamento della temperatura.

In questo modo, il cambiamento totale della temperatura superficiale globale può essere pensato come la somma degli effetti dovuti alle variazioni dell’irraggiamento solare e dell’albedo. Questi contributi possono essere analizzati per comprendere quanto ciascun fattore influisce sulla temperatura. In particolare, l’impatto dell’irraggiamento solare sulla temperatura può essere visto come una proporzione diretta rispetto alla sua variazione, considerando che altri fattori come la pressione atmosferica rimangono costanti.

Attraverso questa analisi, è possibile determinare come la temperatura risponde a specifiche variazioni nell’ambiente planetario, offrendo un modo per prevedere i cambiamenti climatici basati su variazioni misurabili di questi elementi fondamentali.La derivata totale della temperatura superficiale globale dell’aria (GSAT) rispetto all’albedo planetario può essere ottenuta combinando le informazioni di base sulle interazioni tra l’irraggiamento solare totale e l’albedo del pianeta, che determina quanto della radiazione solare viene assorbita dal pianeta. In pratica, questo si traduce nel valutare come variazioni nell’albedo, o quanto il pianeta è riflettente, influenzano la quantità di energia solare assorbita e quindi la temperatura globale.

Utilizzando principi di calcolo, possiamo dedurre come la temperatura cambia in risposta a modifiche dell’albedo, considerando che la pressione atmosferica non influenza l’albedo. Da questo studio, risulta che se l’albedo aumenta (cioè, il pianeta diventa più riflettente), la temperatura globale tende a diminuire, poiché meno energia solare viene assorbita.

Attraverso un approccio analitico, possiamo anche integrare questi cambiamenti su un intervallo di temperature e albedo per prevedere la variazione complessiva della temperatura dovuta a un cambiamento nell’albedo da uno stato di base a un nuovo stato.

Questa analisi può anche essere estesa per considerare come altri fattori come il flusso di energia solare assorbita si modifichino, e come questi cambiamenti influenzino a loro volta la GSAT. Se combiniamo queste analisi con studi sui cambiamenti nell’irraggiamento solare totale e altri fattori ambientali, possiamo formulare una previsione complessiva su come variazioni simultanee in più fattori ambientali influenzino la temperatura globale del pianeta.Questa formula è considerata universalmente valida perché la sua derivazione non si basa su dati specifici per la Terra, rendendola applicabile a qualsiasi pianeta roccioso e luna nel Sistema Solare. La formula suggerisce che la reazione del clima di un pianeta al forzamento solare dipende direttamente dalla sua temperatura superficiale globale di base e aumenta in maniera più marcata con l’aumentare dell’albedo di base.

Per applicare questo modello, è necessario conoscere i valori assoluti dell’albedo planetaria e dell’irraggiamento solare totale, calcolati come medie per il periodo di interesse. Per esempio, il record CERES indica che l’albedo medio e l’irraggiamento solare totale durante il periodo tra marzo 2000 e dicembre 2023 sono stati rispettivamente di 0.2907 e 1360.85 W m⁻². Anche se il record ACRIM mostra un leggero scarto per l’irraggiamento solare totale, questa differenza è considerata trascurabile per le analisi presentate.

Durante il periodo osservativo di CERES, la temperatura superficiale globale media della Terra è stata calcolata utilizzando le anomalie di temperatura globali mostrate nei grafici e una stima che poneva la temperatura media tra il 1981 e il 2010 a circa 14.05 ± 0.15 °C. Questo ha prodotto una stima della temperatura base di 287.51 K per il periodo tra marzo 2000 e dicembre 2023.

Utilizzando questi valori di base, il modello è stato impiegato per valutare l’impatto del forzamento solare sul riscaldamento globale osservato negli ultimi 24 anni. L’analisi è stata effettuata confrontando le previsioni del modello con le misurazioni effettive delle variazioni della temperatura superficiale globale, ottenendo una stima dell’influenza dei cambiamenti nel forzamento solare sul clima terrestre.

La Figura 6 mostra il Relative Atmospheric Thermal Effect/Enhancement (RATE) in funzione della pressione atmosferica superficiale media su sei corpi celesti rocciosi ben studiati del Sistema Solare. Il RATE è definito come il rapporto tra la temperatura superficiale globale a lungo termine osservata di un pianeta sotto un’atmosfera (Tb) e la temperatura superficiale globale stimata del pianeta senza un’atmosfera (Tna).

Nel grafico:

• I punti verdi rappresentano i dati misurati per i diversi corpi celesti.
• La curva rossa è il risultato di un’analisi di regressione non lineare dei dati planetari della NASA.

I corpi celesti evidenziati includono:

• Venus: Con la più alta pressione atmosferica superficiale tra i corpi mostrati, situato all’estrema destra del grafico con un RATE molto elevato. Questo indica un forte effetto termico della sua densa atmosfera.
• Earth e Titan of Saturn: Questi sono posizionati nella parte centrale del grafico, mostrando un RATE significativo che riflette il ruolo moderato delle loro atmosfere nel regolare le temperature superficiali.
• Mars: Si trova più a sinistra nel grafico con una pressione atmosferica molto inferiore rispetto a Terra o Titano, e un RATE inferiore, evidenziando che la sua atmosfera sottile ha un effetto termico relativamente minore.
• Triton of Neptune e Moon of Earth: Questi corpi hanno le pressioni atmosferiche più basse, situati vicino all’origine del grafico, e hanno i valori RATE più bassi, indicando un effetto termico atmosferico minimo o nullo.

Il grafico dimostra chiaramente come un aumento della pressione atmosferica superficiale media sia correlato a un aumento del RATE, suggerendo che i corpi con atmosfere più dense tendono a mostrare un maggiore riscaldamento atmosferico rispetto a quelli con atmosfere sottili o inesistenti.

Fattori che influenzano il riscaldamento recente

La figura 7 mostra la relazione tra le variazioni osservate nell’assorbimento di radiazione solare breve della Terra e le anomalie della temperatura globale di superficie (GSAT). Si osserva che le anomalie di GSAT seguono le variazioni nel flusso solare assorbito con un ritardo che varia da 0 a 9 mesi, con una media di circa 4 mesi. Questa stretta relazione empirica suggerisce un controllo diretto del flusso solare assorbito sulla GSAT. Dividendo il trend di riscaldamento superficiale misurato per il trend del flusso solare assorbito osservato, si ottiene una stima empirica della sensibilità climatica della Terra alla radiazione solare breve assorbita.

La Figura 7 illustra il confronto tra le anomalie della temperatura superficiale globale (GSAT) e le variazioni nel flusso solare assorbito dalla Terra, come documentato dai dati CERES. Le serie di dati visualizzate sono medie mobili calcolate su un periodo di 13 mesi e mostrano una forte correlazione.

Nel grafico, la linea rossa rappresenta la temperatura superficiale globale, che è stata osservata utilizzando una combinazione di sei diversi set di dati. La linea blu mostra la radiazione solare breve assorbita, misurata da CERES. Entrambe le linee seguono andamenti simili e mostrano variazioni strettamente correlate, il che indica che gran parte delle variazioni di temperatura globale possono essere spiegate dalle variazioni nel flusso solare assorbito.

Il grafico mette in evidenza come la GSAT tenda a seguire le variazioni della radiazione solare assorbita con un ritardo che varia tra 0 e 9 mesi. Questo suggerisce che i cambiamenti nell’assorbimento della luce solare influenzano direttamente e in maniera significativa la temperatura superficiale del pianeta. Questo ritardo potrebbe essere dovuto al tempo necessario affinché l’energia solare assorbita modifichi effettivamente la temperatura dell’atmosfera e della superficie terrestre.

Per confronto, un’altra formula che quantifica l’effetto dei flussi solari assorbiti sulla GSAT fornisce una stima molto simile della sensibilità climatica, con un valore leggermente più alto rispetto alla stima empirica. Questo accordo ravvicinato tra le due stime, insieme al valore leggermente superiore della sensibilità calcolata dal modello, indica che il riscaldamento osservato negli ultimi 24 anni è probabilmente causato da un aumento globale dell’assorbimento di radiazione solare dovuto a una riduzione dell’albedo terrestre.

La figura 8 mostra la relazione tra l’anomalia del cortocircuito solare assorbito della Terra e la temperatura media degli strati superiori dei 100 metri dell’oceano mondiale. L’IPCC attribuisce il riscaldamento degli oceani nelle ultime decadi all’aumento delle concentrazioni di gas serra che trappolano il calore nell’atmosfera. Tuttavia, è noto che la radiazione termica penetra meno di un millimetro nell’acqua di mare prima di essere completamente assorbita e quindi non può riscaldare direttamente l’oceano profondo. Una soluzione a questa limitazione fisica suggerisce che la radiazione termica atmosferica rallenta il raffreddamento dell’oceano profondo influenzando la temperatura in uno strato superficiale molto sottile dell’acqua oceanica, chiamato strato della pelle termica. In questo modo, la radiazione termica riscalda indirettamente l’oceano.Questa idea è simile al concetto dell’effetto serra atmosferico che si ritiene riscaldi la superficie del pianeta trattenendo il calore radiante che altrimenti sfuggirebbe nello spazio. Tuttavia, Wong & Minnett non hanno spiegato come uno Strato della Pelle Termica (TSL) possa formarsi e rimanere intatto nell’oceano aperto, dove i primi 100-200 metri di acqua sono soggetti a un’intensa miscelazione turbolenta a causa dei venti, risultando in un profilo di temperatura verticale uniforme in quel livello. Inoltre, non hanno preso in considerazione l’aumento osservato negli ultimi decenni della radiazione solare diretta come possibile causa del riscaldamento. La figura 8 mostra che la temperatura media annuale delle acque superficiali dell’oceano segue da vicino i cambiamenti nel flusso solare assorbito dal pianeta. La dinamica di questo flusso spiega la maggior parte della variabilità interannuale della temperatura nell’oceano superficiale. A differenza della radiazione infrarossa, la luce solare penetra facilmente fino a una profondità di 100 metri e oltre nell’oceano. Pertanto, i dati indicano che negli ultimi due decenni e mezzo, l’oceano globale è stato riscaldato direttamente dalla radiazione solare piuttosto che indirettamente dalla radiazione termica atmosferica, che si riteneva modificasse uno strato ipotetico e rallentasse il raffreddamento dell’oceano più profondo. La figura 8 mostra anche che la sensibilità climatica della parte superiore dell’oceano globale è notevolmente inferiore rispetto alla sensibilità climatica complessiva della Terra. Questa minore sensibilità dell’oceano superiore è spiegata dalla sua maggiore capacità di immagazzinare calore rispetto alla media della superficie terrestre.

La Figura 8 illustra il confronto tra le variazioni di temperatura degli strati superiori (fino a 100 metri) dell’oceano globale e i cambiamenti nel flusso solare assorbito dalla Terra, come documentato dai dati CERES. Le due serie di dati sono rappresentate come medie mobili su 13 mesi e, sebbene siano completamente indipendenti l’una dall’altra, dimostrano una forte correlazione.

Le temperature oceaniche provengono dal dataset IAP 4.0 e sono state fornite dal Prof. Lijing Cheng dell’Instituto di Fisica Atmosferica dell’Accademia Cinese delle Scienze. La linea blu nel grafico mostra la radiazione solare corta assorbita dal pianeta, che evidenzia un trend generale di aumento. Parallelamente, la linea viola, che rappresenta la temperatura degli strati superiori dell’oceano fino a 100 metri, mostra anch’essa una tendenza all’aumento nel corso del tempo.

Il grafico evidenzia visivamente la stretta relazione tra l’incremento della radiazione solare assorbita e l’aumento della temperatura dell’oceano negli strati superiori, indicando un diretto impatto dell’energia solare sulla riscaldamento di queste acque. Questa correlazione sottolinea l’importante ruolo che il flusso solare assorbito gioca nel determinare le variazioni di temperatura degli oceani.

La Figura 9a mette a confronto le anomalie della temperatura globale di superficie (GSAT) osservate e quelle previste dai modelli a partire dal marzo del 2000. Le serie temporali modellate sono state generate utilizzando come input le anomalie del TSI e dell’albedo riportate da CERES. La tendenza della temperatura prevista dal modello mostra un incremento di 0,24 K per decennio, vicino a quello osservato di 0,23 K per decennio. Entrambe le serie mostrano cicli identici dell’El Niño-Oscillazione del Sud (ENSO), il che suggerisce che questi eventi sono influenzati più da fattori esterni come le variazioni dell’albedo legate al sole, piuttosto che da dinamiche interne come il rilascio di calore dall’Oceano Pacifico equatoriale, come si pensava in precedenza. Il modello ha spiegato completamente il trend di riscaldamento pluri-decennale della Terra e l’83% delle variazioni interannuali della GSAT negli ultimi 24 anni.

Questi risultati sollevano un interrogativo importante: se il forcing solare osservato spiega completamente l’aumento delle temperature globali dal 2000, quale ruolo giocano gli aumenti dei gas serra e il relativo forcing radiativo antropogenico nel riscaldamento recente? L’IPCC AR6 ha calcolato che il Forcing Antropogenico Totale (TAF) dall’anno 1750 al 2019 è stato tra 1,96 e 3,48 W/m^-2, con una stima aggiornata per il periodo fino al 2022 di 2,91 W/m^-2. In contrasto, l’extra assorbimento di energia solare dalla Terra negli ultimi 24 anni è stato stimato in 2,7 W/m^-2, e tra il 2011 e il 2022, l’incremento del TAF è stato di 0,61 W/m^-2, quasi la metà rispetto all’aumento dell’1,13 W/m^-2 dell’energia solare a onda corta misurata da CERES.

Se consideriamo queste misurazioni, l’efficacia del forcing antropogenico nel riscaldare il pianeta sembra inferiore rispetto a quella del forcing solare osservato. Utilizzando diversi valori di sensibilità climatica, derivati sia dalle misurazioni che dai modelli, possiamo stimare che il riscaldamento aggiuntivo dal 2000 al 2023 avrebbe dovuto essere significativo, variando da 0,34 K a 0,89 K, a seconda della sensibilità climatica applicata. Queste stime mostrano come la sensibilità climatica derivata dai dati storici e dai modelli sia coerente con il riscaldamento osservato, evidenziando un ruolo chiave sia del forcing solare che di quello antropogenico nel cambiamento climatico recente. L’assenza di un riscaldamento superiore rispetto a quello previsto dal solo forcing solare misurato mette in dubbio la validità del forcing radiativo teorico attribuito ai gas serra. Questo suggerisce anche la mancanza di feedback positivi nel sistema climatico reale, quali quelli del vapore acqueo, dell’albedo superficiale e delle nuvole, che l’IPCC AR6 ipotizza possano intensificare la risposta della temperatura superficiale globale (GSAT). Questo si deduce dal fatto che l’Equazione (16), che non include meccanismi di feedback, riesce comunque a descrivere accuratamente sia l’evoluzione osservata della GSAT, cicli ENSO inclusi, sia il trend di riscaldamento degli ultimi 24 anni. Tali osservazioni portano a ritenere che l’IPCC AR6 abbia sovrastimato la sensibilità climatica della Terra dal 56% al 158%.

Questo punto di vista è ulteriormente rafforzato dall’incapacità dei modelli climatici di spiegare l’insolita anomalia di calore del 2023 mediante variazioni nei gas serra e nelle emissioni di aerosol antropogenici. Il Dr. Gavin Schmidt, direttore dell’Istituto Goddard per gli Studi Spaziali della NASA, ha riconosciuto questa limitazione in un recente articolo su Nature World View, osservando che l’anomalia di temperatura del 2023 è stata inaspettata e ha evidenziato una lacuna di conoscenza mai osservata da quando, circa quarant’anni fa, i dati satellitari hanno iniziato a fornire una visione in tempo reale del sistema climatico terrestre.

È proprio questa visione in tempo reale, offerta dai dati satellitari, a fornire una spiegazione esaustiva per l’insolito riscaldamento del 2023. La Figura 10a documenta le variazioni nel flusso solare assorbito, nel TSI e nella GSAT dal gennaio 2019 al dicembre 2023, mostrando che il marcato riscaldamento del 2023 è iniziato nel febbraio del 2021, rispondendo principalmente a un incremento dell’assorbimento di radiazione a onda corta, supportato da un contemporaneo aumento del TSI. La Figura 10b confronta le anomalie della GSAT osservate e modellate, evidenziando come una diminuzione dell’albedo della Terra, unita a un leggero aumento del TSI, abbia provocato un significativo incremento nell’assorbimento di energia solare dal sistema climatico, portando a un picco delle temperature globali nel 2023. Tuttavia, è importante notare che l’anomalia di calore del 2023 rappresenta solo l’ultima manifestazione, seppur più estrema, del meccanismo che ha ridotto l’albedo terrestre negli ultimi 24 anni, sostenendo un trend di riscaldamento di 0,23 K per decennio.Il “vuoto di conoscenza” menzionato da Schmidt non si riferisce alla capacità della scienza attuale di identificare la causa immediata dell’anomalia di calore del 2023, che è stata una notevole riduzione dell’albedo, non legata alle emissioni industriali umane. Il vero “vuoto” sta nella nostra comprensione e nella nostra capacità di prevedere le forze cosmiche (e altre ancora sconosciute) che influenzano l’albedo terrestre attraverso il processo di formazione delle nuvole.

Questo articolo non si propone di analizzare in dettaglio le cause dell’assenza di effetti dei gas serra e dei feedback positivi modellati sul riscaldamento osservato negli ultimi 2,4 decenni. Tuttavia, è importante sottolineare che i risultati che attribuiscono al forcing solare il ruolo di unico motore del riscaldamento recente sono in linea con una recente scoperta di Nikolov e Zeller. Secondo loro studio, l’Effetto Termico Atmosferico (ATE) riscalda le superfici dei corpi celesti rocciosi attraverso un meccanismo adiabatico dovuto alla pressione dell’aria, e non tramite il trattenimento del calore radiante, come si pensava in precedenza. Questo processo rende l’ATE indipendente dalla composizione atmosferica, come confermato dalle osservazioni planetarie della NASA illustrate nella Figura 6.

In questo nuovo modello di interpretazione, la radiazione atmosferica a lunghe onde emerge come un semplice effetto collaterale delle temperature dell’aria, e non come un fattore direttamente responsabile delle variazioni climatiche. Secondo la Legge dei Gas, l’energia cinetica termica dell’atmosfera è determinata sia dal flusso solare assorbito che dal suo potenziamento termodinamico dovuto alla pressione del gas. Di conseguenza, la radiazione a lunghe onde atmosferica rappresenta solo l’energia termica già esistente nel sistema climatico, piuttosto che una fonte esterna di calore. Questo significa che il flusso radiativo a lunghe onde discendente non incide sulla temperatura globale di superficie del pianeta (GSAT). Da ciò consegue che il forcing radiativo a lunghe onde globale, predetto dai modelli climatici e attribuito all’aumento delle concentrazioni di gas nell’atmosfera, non esiste effettivamente. Il cambiamento climatico globale può verificarsi solo se si altera significativamente la pressione atmosferica superficiale media o la quantità di luce solare assorbita dal pianeta, principalmente attraverso variazioni dell’albedo delle nuvole. Questo meccanismo di cambiamento climatico tramite albedo è chiaramente dimostrato dalle misurazioni CERES.

Parte (a): Serie temporali delle anomalie GSAT osservate e modellate

• Linea rossa: Questa rappresenta le anomalie della temperatura globale di superficie (GSAT) osservate, calcolate come media di sei diversi dataset.
• Linea tratteggiata nera: Indica le anomalie di temperatura GSAT modellate, generate utilizzando l’Equazione (16) basata su anomalie di albedo e TSI (Total Solar Irradiance) riportate da CERES.
• La serie temporale modellata è stata spostata in avanti di 4 mesi a partire dal giugno del 2007 per compensare il ritardo osservato nelle temperature GSAT. Questo ritardo varia tra 0 e 9 mesi e riflette il tempo necessario perché i cambiamenti nel flusso solare assorbito influenzino la temperatura globale.

Parte (b): Grafico di dispersione delle anomalie GSAT osservate contro quelle modellate

• Punti rossi: Mostrano le relazioni punto per punto tra le anomalie GSAT osservate e quelle modellate.
• Linea tratteggiata blu: Rappresenta una regressione lineare, illustrando la relazione diretta tra i dati modellati e quelli osservati.
• R² (Coefficiente di Correlazione): Con un valore di 0.83, indica che il modello spiega l’83% della variabilità interannuale della GSAT dopo aver compensato parzialmente per i ritardi osservati, o il 79% se i ritardi non vengono considerati. Questo alto valore conferma una forte correlazione e un’accurata rappresentazione del modello rispetto alle osservazioni reali.

Implicazioni

La Figura 9 evidenzia l’efficacia del modello basato sul forcing solare nel spiegare non solo il trend di riscaldamento a lungo termine ma anche la variabilità interannuale delle temperature globali. Ciò supporta l’idea che le variazioni nel flusso solare assorbito siano un fattore predominante nel determinare le tendenze climatiche osservate durante il periodo monitorato da CERES.

La Figura 10 è composta da due parti principali che illustrano le dinamiche dietro l’anomalia di calore globale del 2023:Parte (a): Dinamiche tra GSAT osservata, TSI e radiazione solare breve assorbita

• Linea verde: Mostra l’Irraggiamento Solare Totale (TSI), che riflette le variazioni nell’energia solare emessa.
• Linea blu: Indica la radiazione solare breve assorbita dalla Terra, misurata da CERES, e rappresenta l’energia solare effettivamente catturata dalla superficie terrestre.
• Linea rossa: Rappresenta la temperatura globale di superficie (GSAT) osservata, calcolata come media di sei diversi dataset.

Questo grafico evidenzia come la GSAT segue le variazioni del TSI e della radiazione solare assorbita, suggerendo un legame diretto tra l’aumento dell’energia solare disponibile e l’aumento della temperatura globale.

Parte (b): Confronto tra GSAT osservata e modellata

• Linea rossa: Illustra la GSAT osservata.
• Linea nera: Mostra la GSAT modellata basata sull’albedo e il TSI, conformemente all’Equazione (16).

In questo grafico, si nota che la GSAT modellata predice la tendenza della GSAT osservata, che manifesta un ritardo temporale rispetto alle variazioni del flusso solare assorbito. Questo ritardo evidenzia il tempo necessario affinché i cambiamenti nella radiazione solare influenzino la temperatura globale.

Implicazioni

La parte (a) conferma una correlazione significativa tra l’aumento dell’assorbimento solare e l’incremento della GSAT, sostenendo l’idea che l’anomalia di calore del 2023 sia stata guidata da un rafforzamento dell’irraggiamento solare e da una maggiore capacità di assorbimento solare da parte della Terra. La parte (b) valida il modello utilizzato per prevedere le variazioni della GSAT, evidenziando l’efficacia del modello basato sul forcing solare nel rappresentare accuratamente le dinamiche climatiche osservate, e sottolinea l’importanza dei fattori solari nel determinare le tendenze climatiche attuali.

3.2. Contributi delle Variazioni di TSI e Albedo al Riscaldamento Recente

Poiché le Equazioni (8) e (15ᵃ) quantificano gli effetti individuali delle variazioni di TSI e albedo sulla Temperatura Superficiale Globale Media dell’Aria (GSAT), queste formule possono essere impiegate per valutare il contributo di ciascuna forzante solare al riscaldamento globale complessivo degli ultimi 24 anni. La Figura 11 confronta l’evoluzione osservata della GSAT tra marzo 2000 e dicembre 2023 con le anomalie della temperatura globale prodotte dalle Equazioni (8) e (15ᵃ) utilizzando i dati del flusso di radiazione solare a onda corta di CERES come input. I cambiamenti di albedo sembrano essere stati il principale motore della GSAT sia in termini di tendenza al riscaldamento a lungo termine che di variabilità interannuale, mentre il TSI ha avuto solo un ruolo minore e modulante nei decenni recenti. Questa conclusione è supportata anche dalla Figura 12, che rappresenta l’evoluzione della GSAT attribuibile separatamente ai cambiamenti di albedo e TSI dal 1981. L’assunzione che l’albedo terrestre sia diminuita negli ultimi 37 anni (e quindi stia guidando il cambiamento climatico) si basa sull’ultima versione del prodotto di flusso del profilo radiativo ISCCP-FH del Progetto Internazionale di Climatologia delle Nuvole Satellitari (ISCCP), che mostra una riduzione del 6,5% della frazione di copertura nuvolosa globale tra il 1986 e il 2018 [21]. I dati di CERES confermano questo declino della copertura nuvolosa durante il XXI secolo. La mancanza di un effetto significativo del TSI sulla GSAT nelle Figure 11 e 12 è spiegata dalla piccola variabilità interannuale e dalla quasi assenza di tendenza nel TSI (Figura 2), accoppiata con una bassa sensibilità della GSAT alla forzante TSI. Secondo il nostro modello, la sensibilità climatica della Terra è di 0,297 K/(W m⁻²) al flusso solare assorbito (Equazione (15ᵇ)), ma solo di 0,053 K/(W m⁻²) al TSI (Equazione (8)). La sensibilità della GSAT a un cambiamento di albedo è di −1,02 K per ogni aumento dell’1% di albedo (Equazione (15ᵃ)). Così, il clima terrestre è 5,6 volte più sensibile ai cambiamenti nell’assorbimento della luce solare rispetto alle variazioni di TSI. Questa stima concorda bene con i risultati empirici riportati da Shaviv [22] riguardo l’effetto dei cicli di TSI su diverse variabili climatiche. Questo autore ha scoperto che “la forzante radiativa totale associata alle variazioni dei cicli solari è circa 5 a 7 volte maggiore di quella associata solo alle variazioni di TSI”. Shaviv non ha proposto un meccanismo specifico di amplificazione del TSI, ma la nostra analisi indica che è probabile che sia il cambiamento dell’albedo delle nuvole mediato dal cambiamento dell’assorbimento della radiazione solare a onda corta della Terra. Questi risultati indicano che il TSI di per sé è un motore piuttosto debole del clima su scale temporali decennali. Pertanto, la ricerca climatica dovrebbe concentrarsi su decifrare e quantificare i processi fisici che controllano la dinamica dell’albedo della Terra e in particolare quella delle nuvole. Le prove disponibili attuali indicano che le forze cosmiche come i raggi cosmici galattici, i campi magnetici interplanetari solari e il vento solare che interagiscono con il circuito elettrico globale della Terra sono probabili motori delle variazioni di albedo delle nuvole [23–28].

La Figura 11 illustra le variazioni della temperatura superficiale globale (GSAT) nel periodo che va dal 2000 al 2023. Nel grafico sono presentate tre diverse serie di dati:

1. Temperatura Modellata Basata su Variazioni di Albedo (linea rossa): Questa curva mostra le variazioni della temperatura globale predette esclusivamente dalle variazioni dell’albedo terrestre, calcolate utilizzando l’Equazione (15a). La linea segue fedelmente l’andamento della temperatura osservata, indicando un impatto significativo delle variazioni di albedo sul riscaldamento globale.
2. Temperatura Modellata Basata su Variazioni di TSI (linea viola): Questa linea rappresenta le variazioni di temperatura previste utilizzando solo i cambiamenti dell’Indice di Radiazione Solare Totale (TSI), secondo l’Equazione (8). È evidente che questa curva è relativamente piatta e mostra poco cambiamento nel tempo, suggerendo un contributo minore del TSI al riscaldamento globale osservato.
3. Temperatura Osservata (linea nera): Rappresenta la temperatura effettivamente misurata, ottenuta come media di sei diversi set di dati. Mostra una tendenza al riscaldamento marcata, con un aumento significativo dopo il 2010, e continua a salire verso il 2023.

Il grafico dimostra in modo evidente come le variazioni di albedo siano state molto più significative nel determinare le anomalie della temperatura globale rispetto alle variazioni di TSI. Inoltre, eventi come l’El Niño-Southern Oscillation (ENSO) hanno probabilmente influenzato la variabilità interannuale osservata nella GSAT. In conclusione, il grafico supporta l’idea che le modifiche dell’albedo terrestre siano state il principale motore delle variazioni della temperatura globale nel periodo analizzato.

La Figura 12 illustra le stime delle contribuzioni delle variazioni di TSI (Total Solar Irradiance) e di albedo all’evoluzione della Temperatura Superficiale Globale Media dell’Aria (GSAT) della Terra dal 1981 fino al 2023. Due curve distintive rappresentano l’impatto isolato di ciascun fattore:

1. Variazione attribuita al TSI (linea viola): Questa curva mostra il cambiamento della temperatura attribuibile alle variazioni del TSI, calcolato usando l’Equazione (8) e basato sui dati di misurazione del TSI forniti dal progetto ACRIM. La linea evidenzia fluttuazioni relativamente minori e una tendenza quasi piatta nel lungo periodo, indicando che le variazioni di TSI hanno avuto un impatto limitato sul riscaldamento globale.
2. Variazione attribuita al Cambiamento di Albedo (linea rossa): Questa curva rappresenta le anomalie della GSAT attribuite ai cambiamenti di albedo, calcolate sottraendo il contributo del TSI dal record di GSAT mostrato nella Figura 5a. È evidente una tendenza significativa all’aumento della temperatura, particolarmente accentuata dal 2000 in poi, suggerendo che i cambiamenti di albedo hanno avuto un ruolo predominante nel riscaldamento osservato.

La premessa che l’albedo delle nuvole sia diminuita dalla metà degli anni ’80 si basa su una riduzione osservata della frazione di copertura nuvolosa globale, come riportato dal dataset ISCCP-FH. L’impatto della diminuzione dell’albedo è chiaramente visibile, soprattutto considerando l’aumento sostanziale e continuo della temperatura a partire dal 2000, evidenziando il ruolo critico che i cambiamenti di albedo hanno giocato nel riscaldamento globale rispetto alle variazioni di TSI.

4. Discussione
La nostra analisi dei flussi di radiazione solare a corto raggio CERES EBAF 4.2 ha evidenziato che il riscaldamento della superficie e del sottosuolo oceanico osservato dal 2000, inclusa l’anomalia di calore estremo del 2023, è stato esclusivamente dovuto a un incremento dell’assorbimento dell’energia solare causato da una riduzione dell’albedo planetaria (Figure 7–9). Di conseguenza, le prove empiriche disponibili non sostengono l’ipotesi di una forzatura radiativa antropogenica che alteri il flusso energetico nel sistema climatico terrestre. Tuttavia, se il riscaldamento recente non è stato provocato dai gas serra che intrappolano il calore (come si presume comunemente), quale è allora la vera natura fisica dello Squilibrio Energetico Terrestre (EEI) osservato da CERES e altre piattaforme di monitoraggio e ampiamente discusso nella letteratura scientifica [29–33]?

4.1. Lo Squilibrio Energetico della Terra
L’EEI, definito come la differenza tra il flusso solare assorbito e la radiazione infrarossa emessa alla sommità dell’atmosfera (TOA), è stato monitorato tramite i dati CERES, dove è denominato “Flusso Netto”. Le osservazioni indicano un incremento dell’EEI di 0,5 W m⁻² per decennio dal marzo 2000 al dicembre 2023, attribuibile all’aumento dell’assorbimento delle onde corte superiori al tasso di raffreddamento infrarosso del pianeta verso lo spazio. Questa tendenza, segnalata anche da Loeb e colleghi per il periodo 2005-2019, risulta in una media di 0,81 W m⁻² durante il periodo di osservazione di CERES, coerente con la stima dell’IPCC AR6 di 0,79 W m⁻² per il 2006-2018, e con le stime di von Schuckmann et al. di 0,87 ± 0,12 W m⁻² per il 2010-2018 e 0,76 ± 0,2 W m⁻² per il 2006-2020.
La comunità scientifica internazionale attribuisce inequivocabilmente questo squilibrio all’aumento antropogenico di gas serra come CO₂ e metano, che si ritiene trattenere il calore nella troposfera impedendo la normale dispersione del calore terrestre verso lo spazio. Questo squilibrio è interpretato come prova dell’accumulo di calore nel sistema climatico, che prelude a un riscaldamento globale persistente nei decenni a venire. Tale visione ha motivato gli scienziati a valutare l’EEI accumulato nel tempo, traducendolo in un guadagno energetico totale in Zetta Joule, come sottolineato dall’IPCC AR6, che quantifica un guadagno di 289,2 ZJ dal 1993 al 2018. L’EEI è quindi considerato un indicatore chiave del cambiamento climatico, proposto per includere misurazioni scientifiche rigorose nel bilancio globale dell’Accordo di Parigi, puntando alla riduzione delle concentrazioni di CO₂ atmosferica a 353 ppm per annullare l’EEI e stabilizzare il clima.Sorprendentemente, solo una minima parte, ovvero l’1-2%, del guadagno termico della Terra attribuito all’EEI si ritiene sia stata accumulata nell’atmosfera, contribuendo al riscaldamento globale superficiale osservato negli ultimi cinquant’anni. La maggior parte dell’energia, il 98-99%, è presumibilmente stata assorbita e immagazzinata sotto la superficie, specificamente negli oceani, nelle terre emerse e nei ghiacciai [2,33]. Nonostante ciò, gli studi esistenti non forniscono una spiegazione chiara di come il calore, che si suppone sia trattenuto nella troposfera dall’aumento dei gas serra, sia trasferito sotto la superficie terrestre, soprattutto considerando che i flussi di calore radiativo e turbolento tendono mediamente a spostarsi verso l’alto, allontanandosi dalla superficie.

Un’analisi preliminare della correlazione tra l’EEI misurato dal sistema CERES e la temperatura globale di superficie (GSAT) nel corso degli ultimi 24 anni mostra che esiste una correlazione debole tra questi due parametri (Figura 13). A differenza della forzatura solare, che spiega l’83% delle variazioni interannuali della GSAT (vedi Figura 9), l’EEI ne spiega solo il 36% (Figura 13b). Questa bassa correlazione deriva dal fatto che l’EEI è calcolato come la differenza tra due serie temporali che non sono sincronizzate.

Come discusso nella Sezione 3.1, i dati di CERES non avvalorano l’ipotesi che l’EEI osservato sia causato dal ritenimento di calore dovuto all’incremento dei gas serra nell’atmosfera. Al contrario, i dati suggeriscono che il sistema terrestre ha acquisito energia attraverso un aumento dell’assorbimento della radiazione solare (Figure 7–9). Il ritardo della GSAT rispetto all’assorbimento della radiazione solare suggerisce che l’energia solare è temporaneamente conservata nel sistema per alcuni mesi, fino a che non viene compensata dalla capacità calorica della superficie, e successivamente rilasciata attraverso variazioni nella temperatura superficiale. Non sono stati rilevati indizi di un ritenimento di calore che persista per più di un anno in alcun componente del sistema climatico, il che solleva la necessità di una nuova interpretazione dell’EEI a lungo termine osservato.

La Figura 13 illustra la relazione tra lo Squilibrio Energetico della Terra (EEI) misurato da CERES e le anomalie della Temperatura Globale di Superficie (GSAT) basate su sei dataset globali. Ecco una spiegazione dettagliata delle due parti della figura:Parte (a) – Confronto delle serie temporali

• Linea Blu: Mostra l’EEI osservato, rappresentato come la media dei dati su 13 mesi. Questo grafico indica come l’energia che la Terra accumula o perde varia nel tempo.
• Linea Rossa: Mostra la GSAT, anch’essa su una media di 13 mesi, che illustra come cambia la temperatura media globale nel corso degli anni.
• Entrambe le linee mostrano un trend di aumento nel periodo analizzato, suggerendo che la Terra sta accumulando più energia, il che si traduce in un aumento della temperatura globale.

Parte (b) – Correlazione lineare

• Punti Verdi: Ogni punto rappresenta i dati di EEI e GSAT per vari mesi, permettendo di visualizzare la loro relazione nel tempo.
• Linea Rossa tratteggiata: È una linea di tendenza che tenta di modellare il rapporto tra EEI e GSAT.
• Il grafico indica che la relazione diretta tra l’accumulo di energia (EEI) e le variazioni di temperatura (GSAT) è relativamente debole. Questo suggerisce che l’EEI non è l’unico fattore che influisce sulla temperatura globale.

In sintesi, mentre la parte (a) mostra una correlazione generale tra l’aumento dell’EEI e quello della GSAT, la parte (b) rivela che questa correlazione diretta è relativamente modesta. Questo indica che altri fattori, come la forzatura solare, potrebbero avere un ruolo più significativo nelle variazioni della temperatura globale rispetto all’EEI.

4.2. Natura Fisica dello Squilibrio Energetico Terrestre

Per comprendere la natura fisica dell’EEI, abbiamo prima analizzato come variano i flussi energetici totali della superficie terrestre in risposta alla forzatura solare, confrontandoli con le anomalie del flusso di radiazione infrarossa a lunghezza d’onda lunga (LW) rilevate da CERES alla sommità dell’atmosfera (TOA). Poiché il flusso solare assorbito ha guidato le variazioni della temperatura globale di superficie (GSAT) negli ultimi 24 anni, abbiamo potuto utilizzare questa relazione per stimare come cambia il flusso energetico totale alla superficie della Terra.

Abbiamo denominato l’anomalia del flusso di superficie come ∆FS per distinguerlo dal termine delle anomalie del flusso solare, anche se in realtà i due sono equivalenti dal punto di vista fisico. Questo significa che ogni variazione nel flusso solare assorbito si converte direttamente in un cambiamento equivalente nel flusso energetico di superficie, non appena la GSAT risponde alla forzatura solare.

La Figura 14 mette a confronto le anomalie del flusso LW in uscita misurate alla TOA con le anomalie del flusso energetico di superficie calcolate. Le due serie di dati mostrano una forte correlazione e presentano tendenze positive chiare e consistenti nel periodo di 24 anni, conformemente alle aspettative di un ambiente che si sta riscaldando, come previsto dalla seconda legge della termodinamica. Tuttavia, è interessante notare che l’aumento del flusso energetico di superficie è molto più rapido rispetto a quello del flusso LW alla TOA. Infatti, in media, meno della metà dell’energia emessa dalla superficie raggiunge effettivamente la TOA e viene rilevata come radiazione LW in uscita verso lo spazio.

Questo fenomeno di attenuazione del flusso nella troposfera è fondamentale per capire l’EEI osservato, poiché dimostra che una porzione significativa del calore emesso dalla superficie terrestre non riesce a sfuggire nello spazio ma viene invece trattenuta all’interno del sistema climatico terrestre.

Nel bilancio energetico globale medio della Terra, presentato nell’IPCC AR6 e illustrato per comodità nella Figura 15, troviamo un rapporto quasi identico tra i flussi energetici in uscita dalla superficie terrestre e quelli alla sommità dell’atmosfera (TOA). Questo schema, che rappresenta le condizioni climatiche all’inizio del XXI secolo, indica che il flusso energetico totale che lascia la superficie della Terra è di 501 W m², comprendendo la radiazione infrarossa, il calore sensibile e il calore latente. Al TOA, il flusso termico in uscita è indicato come 239 W m². Questo rapporto, che risulta essere di circa 0,477, viene confermato anche dai dati di CERES per i primi anni del XXI secolo, suggerendo che la misura leggermente superiore ottenuta, 240,1 W m², è in perfetta concordanza con i nostri modelli.

Il fatto che queste misurazioni concordino così strettamente non è una coincidenza. Indica piuttosto che c’è un meccanismo fisico comune alla base di queste osservazioni. Questo ci porta a chiederci perché i flussi energetici di superficie si dissipano, o perdono forza, mentre attraversano la troposfera. La spiegazione a questo fenomeno è fornita dai principi di base della fisica atmosferica, che sono ben documentati nei testi accademici e insegnati nei corsi di scienze atmosferiche universitarie.

La diminuzione dei flussi energetici di superficie nella troposfera è dovuta a un raffreddamento quasi adiabatico, causato dalla diminuzione della pressione atmosferica con l’aumento dell’altitudine. I flussi energetici emessi dalla superficie sono principalmente assorbiti dalle masse d’aria vicine. Quando queste masse d’aria si riscaldano, si innalzano e si espandono verso livelli di pressione più bassi, perdendo così parte della loro energia cinetica termica, che si traduce in una diminuzione della loro temperatura interna. Quando queste masse d’aria raggiungono un’altitudine da cui possono irradiare liberamente nello spazio, la loro temperatura è significativamente inferiore a quella della superficie, riducendo così anche il flusso di radiazione infrarossa emesso.

Pertanto, l’attenuazione del flusso energetico osservata non è dovuta al “trattenimento del calore” atmosferico, come spesso si presume nella teoria climatica dei gas serra, ma è piuttosto il risultato di una perdita di energia termica quasi adiabatica nei flussi convettivi ascendenti che attraversano zone di pressione atmosferica decrescente. Questo meccanismo di raffreddamento è un concetto chiave per comprendere le dinamiche dei flussi energetici nella nostra atmosfera.

La Figura 14 illustra due aspetti chiave del flusso energetico osservato e modellato nella Terra:Parte (a) – Serie temporali e tendenze

• Linea Rossa: Mostra il flusso di radiazione infrarossa a lunghezza d’onda lunga (LW) in uscita osservato alla sommità dell’atmosfera (TOA) misurato da CERES. Questa linea traccia le variazioni di questo flusso dal 2000 al 2024, mostrando come si è modificato nel tempo.
• Linea Nera: Indica il flusso energetico totale modellato alla superficie della Terra. Questo flusso è stato calcolato utilizzando i dati di temperatura globale di superficie (GSAT) come input e ci mostra come il flusso energetico alla superficie sia cambiato nel corso degli anni.

Entrambe le linee mostrano un aumento nel tempo, indicando che i flussi sia alla superficie che alla TOA sono in crescita, riflettendo un ambiente che si sta riscaldando.

Parte (b) – Relazione tra anomalie dei flussi

• Punti Rossi: Questi punti rappresentano la relazione tra le anomalie del flusso energetico totale alla superficie e le anomalie del flusso termico in risalita alla TOA.
• Linea Magenta tratteggiata: Una regressione lineare che modella questa relazione. Il coefficiente di determinazione mostra una forte correlazione tra i due set di dati, indicando che le variazioni del flusso alla superficie sono strettamente legate alle variazioni del flusso alla TOA.

Il grafico dimostra che, in media, il flusso alla TOA è circa il 47,9% di quello alla superficie. Questo sottolinea come una parte significativa dell’energia emessa dalla superficie sia attenuata prima di raggiungere o essere misurata alla TOA, probabilmente a causa di interazioni complesse nella troposfera che riducono l’energia trasferita.

In conclusione, la Figura 14 fornisce una visione dettagliata del modo in cui l’energia si muove e si trasforma nel sistema terrestre, evidenziando le tendenze di aumento nei flussi di energia e la stretta correlazione tra i cambiamenti a livello di superficie e quelli alla TOA.

La Figura 15 mostra il bilancio energetico medio globale della Terra, come presentato nell’IPCC AR6. Questo diagramma rappresenta come l’energia solare e i vari flussi di energia interagiscono nel sistema climatico della Terra all’inizio del XXI secolo.

Energia Solare e Riflessione

• Energia solare entrante: La Terra riceve 340 W m² di energia solare.
• Energia riflessa: Di questa, 100 W m² vengono riflessi nello spazio dalle nuvole, dall’atmosfera e dalla superficie, e quindi non sono assorbiti dal sistema terrestre.
• Energia solare assorbita dall’atmosfera: Circa 80 W m² di energia solare sono assorbiti direttamente dall’atmosfera.
• Energia solare assorbita dalla superficie: La superficie terrestre assorbe direttamente circa 160 W m² di energia solare.

Flussi di Energia Interna

• Irraggiamento verso il basso: L’atmosfera irradia circa 185 W m² di energia verso la superficie, combinando radiazione a lunghezza d’onda lunga e una parte di quella solare trasmessa.
• Flusso energetico dalla superficie: La superficie emette un totale di 398 W m² di energia verso l’atmosfera, inclusi la radiazione infrarossa e il calore trasportato attraverso processi come convezione ed evaporazione.
• Calore latente: Circa 82 W m² di energia sono trasferiti dall’evaporazione dell’acqua.
• Calore sensibile: Altri 21 W m² di energia sono trasferiti come calore sensibile, ovvero il calore scambiato tra aria e superficie senza cambio di fase.

Energia in Uscita

• Energia termica in uscita: Alla sommità dell’atmosfera, 239 W m² di energia termica lasciano la Terra, inclusa la radiazione infrarossa che sfugge all’effetto serra e viene radiata nello spazio.

Interpretazione del Coefficiente

• Coefficiente di attenuazione del flusso energetico troposferico (TEFAC): Questo valore indica quanto del flusso energetico emesso dalla superficie è effettivamente trasmesso attraverso l’atmosfera fino alla sommità di essa (TOA). La proporzione calcolata mostra che meno della metà dell’energia emessa dalla superficie raggiunge la TOA, con la rimanente energia che viene assorbita o riflessa indietro verso la superficie.

Questa rappresentazione offre una visione comprensiva di come l’energia solare viene distribuita e trasformata nel sistema climatico terrestre, mettendo in luce l’interazione tra superficie terrestre, atmosfera e spazio.

Processo Polytropico nella Troposfera

Nella troposfera, la dinamica del cambiamento di temperatura e pressione dell’aria è influenzata da un processo chiamato politropico. Questo processo descrive come l’aria, mentre si muove verso l’alto o verso il basso attraverso l’atmosfera, non segue un cambiamento di temperatura completamente isolato dal suo ambiente. Invece, ci sono scambi di calore tra l’aria che si muove e l’ambiente circostante.

Il comportamento dell’aria in questo contesto segue un principio secondo il quale, nonostante i cambiamenti di altitudine, la relazione tra la pressione e il volume dell’aria si mantiene costante. Questo principio stabilisce che l’aria può espandersi o comprimersi con cambiamenti minimi o nulli nella quantità di energia interna, a seconda di come il calore entra o esce dall’aria stessa.

Gli indici che descrivono quanto strettamente questo processo segue un ideale isolato variano, ma generalmente si mantengono entro certi limiti. Questi limiti sono definiti dal rapporto tra le capacità di l’aria di trattenere il calore a pressione costante e a volume costante. Questo rapporto è cruciale per comprendere quanto efficacemente l’aria può trasportare il calore durante i suoi movimenti verticali senza perdere o guadagnare energia dall’ambiente esterno. Per l’atmosfera terrestre, i valori specifici di queste capacità termiche pongono un limite all’indice che descrive questo processo, confermando che l’aria si comporta in modo relativamente prevedibile quando si muove verticalmente.

Il comportamento termodinamico della troposfera si colloca tra due condizioni ideali: quella in cui la temperatura rimane costante con l’altitudine e quella in cui non si verifica alcuno scambio di calore (processo completamente reversibile). Quest’ultimo scenario è conosciuto come processo isentropico, dove i cambiamenti nella temperatura e nell’energia cinetica di un pacchetto d’aria sono dovuti unicamente al lavoro svolto dal o sul pacchetto stesso, come nella compressione o espansione dell’aria, senza che ci sia scambio di calore con l’esterno.

Nell’atmosfera reale, però, le cose sono diverse: i pacchetti d’aria possono guadagnare o perdere calore attraverso processi come la condensazione del vapore acqueo e la vaporizzazione delle gocce d’acqua. Questi processi influenzano la temperatura dell’aria vicino alla superficie e in altezza, modificando così il modo in cui la temperatura diminuisce con l’aumentare dell’altitudine, rendendola meno pronunciata rispetto a quella che si avrebbe in un processo secco.

L’atmosfera terrestre, inoltre, assorbe direttamente una parte della radiazione solare e emette radiazione verso lo spazio. Nonostante questi scambi di calore, il processo di riscaldamento e raffreddamento nell’aria non è così efficiente da mantenere la temperatura costante con l’aumentare dell’altitudine. Di conseguenza, il comportamento termico dell’aria si avvicina a quello di un processo quasi-adiabatico, con caratteristiche che variano entro un certo intervallo.

In termini generali, il modo in cui pressione e temperatura si relazionano nella troposfera segue una certa regola che stabilisce che, nonostante i cambiamenti di altitudine, il rapporto tra questi due parametri rimane abbastanza costante. Ciò significa che, se conosciamo la pressione e la temperatura al livello del mare, possiamo prevedere abbastanza accuratamente questi valori anche a diverse altitudini, riflettendo i principi di questo comportamento quasi-adiabatico. La descrizione generale di come pressione e temperatura si modificano con l’altitudine indica che la variazione di temperatura dovuta alla variazione di altitudine rimane all’interno di un intervallo specifico.In atmosfere planetarie, la temperatura dell’aria è direttamente influenzata dalla pressione atmosferica, ma la natura precisa di questa relazione dipende dal valore di un indice noto come indice politropico. Questo indice aiuta a descrivere come cambiano la temperatura e la pressione insieme all’altitudine. Per esempio, in situazioni ideali definite dalla termodinamica e dalle leggi dei gas, si osserva che la temperatura che un pacchetto d’aria potrebbe avere se fosse compresso o espanso fino al livello del mare senza perdere calore può essere calcolata utilizzando un particolare rapporto di calori specifici dell’aria.

Nel contesto della legge dei gas, la temperatura e l’energia cinetica di un gas sono direttamente legate al suo volume e alla pressione che esercita. Ad esempio, l’energia termica di un pacchetto d’aria in un punto dato dell’atmosfera può essere confrontata con quella dell’aria al livello del mare per vedere come cambia con l’altitudine. Questo confronto rivela che l’energia termica tende a diminuire con l’aumentare dell’altitudine a causa della diminuzione della pressione ambientale, un fenomeno che può essere osservato in tutti i livelli verticali dell’atmosfera.

Il fenomeno della riduzione dell’energia termica con l’aumentare dell’altitudine può anche essere interpretato in termini di quanto efficacemente l’energia emessa dalla superficie terrestre si propaga attraverso l’atmosfera. Mentre questa energia si muove verso l’alto, diventa meno intensa principalmente a causa della minore pressione atmosferica che incontra. Per quantificare questo effetto, gli scienziati usano un coefficiente che esprime il rapporto tra l’energia che lascia la superficie terrestre e quella che effettivamente raggiunge i livelli superiori dell’atmosfera. Questo coefficiente aiuta a comprendere quanto dell’energia originale viene mantenuta mentre si eleva attraverso diversi strati atmosferici, e include considerazioni sia per i flussi di energia radiativa che non radiativa.Dal diagramma del bilancio energetico della Terra dell’IPCC, emerge che la relazione tra due specifiche misure di radiazione solare indica un fattore di conversione. Utilizzando questo fattore in una formula termodinamica, possiamo calcolare come l’energia termica si disperde nell’atmosfera al variare dell’altitudine. I valori utilizzati nella formula sono rappresentativi delle condizioni medie globali attuali, come la temperatura iniziale dell’aria al livello del mare e la costante gravitazionale. Questo calcolo ci mostra come varia l’energia termica con l’altitudine, specialmente all’altezza dove la radiazione termica della Terra sfugge nello spazio. Secondo il modello, esiste un’intervallo di altitudine, definito da vari studi, dove questa energia termica è particolarmente attenuata.

Questi risultati mettono in discussione la definizione standard dell’effetto serra atmosferico, che è comunemente descritto come la differenza tra i flussi di radiazione a lunga lunghezza d’onda che salgono dalla superficie terrestre rispetto a quelli misurati alla sommità dell’atmosfera. Tale definizione, tuttavia, sembra non tenere conto dell’assorbimento reale di calore nell’atmosfera, ma piuttosto descrive una perdita di energia termica che avviene in modo naturale con l’ascensione dell’aria calda. Questo approccio genera risultati discutibili quando applicato a regioni specifiche, come l’Antartide centrale, dove il modello prevede un effetto serra nullo o addirittura negativo.

Il vero effetto termico atmosferico su queste aree può essere meglio compreso confrontando le temperature medie della superficie di regioni interne dell’Antartide con quelle del polo sud della Luna, che non ha atmosfera e presenta condizioni simili alla Terra in termini di distanza dal Sole e albedo superficiale. Questo confronto rivela una notevole differenza di temperatura, che evidenzia le limitazioni delle definizioni basate esclusivamente su flussi radiativi.

Infine, per ottenere una corrispondenza accurata tra i dati di flusso energetico modellati e le misurazioni reali dall’alto della troposfera, è necessario correggere i flussi di energia superficiale per tener conto dell’effetto di raffreddamento adiabatico della troposfera. Questa correzione permette di allineare i dati osservati e modellati riguardo alla variabilità annuale e alle tendenze a lungo termine. Una simile correzione è applicata anche ai dati di radiazione solare, migliorando ulteriormente la corrispondenza tra i modelli previsti e le osservazioni effettive.

La Figura 16 illustra come la pressione atmosferica cambia con l’altitudine per tre diversi ambienti: aria secca adiabatica, aria umida ambientale, e aria umida adiabatica. Ogni ambiente è rappresentato da una linea colorata diversa nel grafico.

• La linea rossa rappresenta l’aria secca adiabatica, dove non avviene scambio di calore con l’ambiente circostante. Qui, osserviamo la riduzione più rapida della pressione man mano che si sale in altitudine.
• La linea blu mostra l’aria umida ambientale, dove la presenza di vapore acqueo modera la velocità di riduzione della pressione rispetto all’aria secca.
• La linea verde è per l’aria umida adiabatica, dove il calore latente rilasciato dalla condensazione del vapore acqueo rallenta ulteriormente la diminuzione della pressione.

Nonostante le differenze nei tassi di diminuzione della temperatura, il grafico dimostra che queste variazioni influenzano solo marginalmente il modo in cui la pressione diminuisce con l’aumento dell’altitudine. Tutte e tre le curve seguono una tendenza generale simile, sottolineando come la pressione atmosferica diminuisca significativamente con l’innalzarsi dall’altitudine. Questo ci mostra l’effetto relativo minore dei diversi ambienti sulla pressione generale a varie altitudini.

La Figura 17 illustra come l’energia cinetica termica nell’atmosfera si riduce in relazione all’altitudine, rispetto all’energia al livello del suolo, per un’atmosfera standard in tre scenari differenti. Ogni scenario corrisponde a condizioni atmosferiche distinte, che variano da aria secca a aria umida e aria molto umida.

• La linea rossa mostra l’ambiente di aria secca, dove l’energia cinetica termica cala molto rapidamente man mano che si sale di quota. Questo è indicativo di un ambiente con un minore scambio di calore e umidità, accelerando la perdita di energia termica con l’altitudine.
• La linea blu rappresenta l’ambiente di aria umida, dove la diminuzione dell’energia è meno marcata rispetto all’aria secca. L’umidità nell’aria aiuta a trattenere più calore, rendendo il calo di energia più graduale.
• La linea verde indica l’ambiente di aria molto umida, che mostra la diminuzione più lenta di energia. Questo scenario sottolinea come l’alta umidità e i tassi di diminuzione della temperatura più bassi aiutano a conservare l’energia termica per altitudini maggiori.

Il grafico mostra l’energia cinetica termica relativa come una frazione del valore alla superficie dell’asse orizzontale, mentre l’asse verticale descrive sia la pressione atmosferica che l’altitudine.

In sintesi, la figura evidenzia come differenti condizioni atmosferiche influenzano il tasso di perdita di energia termica con l’aumento dell’altitudine. Aree più secche perdono energia più rapidamente, mentre ambienti più umidi mostrano una perdita più graduale, illustrando l’effetto dell’umidità nell’atmosfera sulla conservazione dell’energia.

La Figura 18 presenta un confronto tra i flussi radiativi termici in uscita misurati e quelli modellati alla cima dell’atmosfera (TOA). Il grafico è fondamentale per valutare l’accuratezza dei modelli climatici nel rappresentare le variazioni reali del rilascio di energia termica dalla Terra verso lo spazio.

• La linea rossa continua rappresenta i dati effettivamente osservati dal satellite, mostrando come il flusso di energia cambia anno dopo anno. Questi dati sono fondamentali per capire le tendenze reali dell’energia che la Terra emette.
• La linea rossa tratteggiata evidenzia la tendenza di aumento nel flusso di energia osservata nel corso del tempo, indicando che ogni decennio, la quantità di energia emessa aumenta leggermente.
• La linea nera tratteggiata mostra i risultati del modello climatico, che è stato adeguato per considerare la perdita di energia che avviene naturalmente mentre l’energia si muove attraverso l’atmosfera. Questo adeguamento si basa su un fattore di correzione che aiuta il modello a riflettere più accuratamente la realtà.
• La linea nera continua riflette la tendenza nel modello corretto, che mostra un aumento leggermente superiore a quello osservato, ma molto vicino a esso.

L’alta corrispondenza tra i dati modellati, una volta corretti, e i dati osservati dimostra che il modello, con le dovute correzioni, è molto efficace nel simulare il comportamento effettivo dei flussi di energia termica al limite superiore dell’atmosfera terrestre. Questo conferma l’efficacia del modello nel prevedere le dinamiche climatiche relative al rilascio di energia dalla Terra.

La Figura 19 confronta due tipi di flussi di energia misurati alla cima dell’atmosfera (TOA): il flusso di lunga onda in uscita (LW) e il flusso solare assorbito (SW), entrambi osservati dal sistema di osservazione CERES. La particolarità di questa figura sta nel modo in cui sono stati trattati i dati del flusso solare assorbito.

• La linea rossa mostra il flusso di lunga onda in uscita, che rappresenta l’energia termica che la Terra emette nello spazio. Questa misura è fondamentale per comprendere quanto calore viene perso dall’atmosfera terrestre.
• La linea blu rappresenta il flusso solare assorbito, che è stato corretto adiabaticamente. Questa correzione è stata fatta per rendere i dati del flusso solare più comparabili con quelli del flusso di lunga onda in uscita, considerando gli effetti del raffreddamento adiabatico che si verifica nella troposfera a causa della diminuzione della pressione con l’altitudine.

Il grafico mostra che, una volta apportata la correzione, il flusso solare assorbito corrisponde molto vicino alla tendenza e alla variabilità interannuale del flusso di lunga onda. Questo suggerisce che la differenza misurata tra l’energia solare assorbita e il flusso di lunga onda emesso potrebbe non essere un indicatore accurato del bilancio energetico della Terra, ma piuttosto un risultato degli effetti del raffreddamento nella troposfera.

In sintesi, la Figura 19 dimostra che, con le dovute correzioni, i flussi di energia in entrata e in uscita dalla Terra si allineano strettamente, suggerendo che alcune delle variazioni osservate nei bilanci energetici potrebbero essere attribuite a processi atmosferici interni piuttosto che a cambiamenti nella quantità di energia ricevuta o perduta dalla Terra.

4.3. Analisi dei Risultati sull’Imbalance Energetico Terrestre La discussione precedente illustra come uno squilibrio energetico planetario emerga quando i flussi energetici generati dalla superficie in risposta a variazioni nell’assorbimento della luce solare vengano ridotti nel loro cammino verso la TOA a causa di una riduzione della pressione atmosferica che dipende dall’altitudine. Ciò indica che l’Imbalance Energetico della Terra (EEI) è il risultato di un variabile assorbimento delle radiazioni solari corte del pianeta e scomparirebbe solo se l’albedo terrestre cessasse di variare e l’assimilazione di energia solare da parte del pianeta si stabilizzasse. Tuttavia, ciò è improbabile, poiché le oscillazioni dell’albedo dovute alle nuvole sono continue e persisteranno nel generare periodi di riscaldamento e raffreddamento su scale temporali pluriennali. È essenziale comprendere che un EEI positivo osservato per decenni non implica necessariamente un accumulo di calore nel sistema terrestre che condannerebbe il mondo a un riscaldamento continuo nei decenni futuri, come si teme comunemente [33]. L’EEI non è infatti legato alla trattenuta di calore (ovvero, all’impedimento alla dispersione del calore) causato dall’aumento dei gas serra nell’atmosfera, quindi non comporta un’energia in eccesso che possa essere immagazzinata negli oceani e successivamente liberata causando ulteriori riscaldamenti, come sostengono alcuni studiosi [43]. In altre parole, l’EEI non rappresenta un “riscaldamento programmato”, ma è piuttosto una conseguenza della perdita adiabatica di energia termica in masse d’aria che si elevano (convezione) nella troposfera. Di conseguenza, una quantificazione dell’EEI estesa nello spazio e nel tempo risulta priva di significato fisico. Questa interpretazione errata dell’EEI come motore del cambiamento climatico trova conferma anche in una significativa incongruenza logica nel Capitolo 7 del Contributo del WG1 all’AR6 dell’IPCC [2]. La Sezione 7.2.2.2 di quel capitolo, intitolata “Cambiamenti nell’Inventario Energetico Globale”, riporta che, tra il 1971 e il 2018, solo l’1.3% dei 434.9 ZJ di guadagno energetico totale risultante dall’EEI è stato trattenuto nell’atmosfera, mentre il 98.7% è stato assorbito dal sottosuolo, prevalentemente dagli oceani globali. Contestualmente, la Sezione 7.3.5, intitolata “Sintesi delle Forzature Radiative Globali, Passate e Future”, evidenzia che la quasi totalità della forzatura antropogenica stimata come responsabile dell’EEI è necessaria solo per giustificare il riscaldamento atmosferico superficiale, senza lasciare energia residua per spiegare l’accumulo di calore nel sottosuolo. Ciò denota un significativo disallineamento nei calcoli del bilancio energetico dell’IPCC AR6 che richiede un’urgente revisione.Le evidenze mostrate nelle Figure 18 e 19 indicano chiaramente che, considerando il raffreddamento quasi-adiabatico della troposfera e i ritardi nei flussi di energia emessa rispetto all’energia solare assorbita, non si verifica un vero squilibrio energetico (EEI) tra la radiazione solare corta assorbita e la radiazione termica emessa alla sommità dell’atmosfera (TOA) su una scala temporale di più anni. In altre parole, gli squilibri energetici osservati in diversi periodi sono stati interpretati erroneamente dai ricercatori, e i guadagni di calore calcolati su scale decennali, che derivano da tali squilibri apparenti [2] (Sezione 7.2.2.2) [32,33], sono in realtà illusori, rappresentando energia che si disperde adiabaticamente dal sistema climatico. Negli ultimi 45 anni, la Terra ha indubbiamente accumulato una quantità significativa di calore a causa di un incremento continuo nell’assorbimento della radiazione solare, un processo del tutto diverso dal presunto intrappolamento teorico di energia radiante proposto per i gas serra. La rapida risposta della temperatura globale della superficie terrestre (GSAT) ai cambiamenti nella forzatura solare, evidenziata nella Figura 7, e l’allineamento delle anomalie della GSAT con i flussi termici in uscita alla TOA dimostrano l’assenza di un accumulo di calore a lungo termine nel sistema, il quale potrebbe condurre il pianeta verso un riscaldamento futuro prolungato. In altre parole, si prevede che la Terra inizi a raffreddarsi entro un anno, non appena si invertirà l’attuale tendenza positiva nell’assorbimento delle radiazioni solari corte.

5. Conclusioni

Analogamente al noto approccio “segui il denaro” frequentemente utilizzato nelle scienze sociali e politiche per spiegare comportamenti umani e movimenti sociali, questo studio si propone come un percorso di “segui l’energia” per esplorare le cause del recente riscaldamento climatico. Il Gruppo di Lavoro I dell’IPCC AR6 ha concluso che i gas serra ben miscelati erano “molto probabilmente il principale motore del riscaldamento troposferico dal 1979” [1]. Tuttavia, il Capitolo 7 del contributo di questo gruppo non ha adeguatamente considerato l’incremento dell’assorbimento della radiazione solare dalla Terra, conosciuto come “global brightening” [2] (Sezione 7.2.2.3). Il rapporto non ha valutato la riduzione della riflettanza di onde corte della Terra, come evidenziato dal dataset CERES EBAF negli ultimi 20 anni, né il suo impatto sulla GSAT (Temperatura Globale della Superficie Aerea). Gli studi pubblicati concordano sul fatto che la diminuzione dell’albedo planetaria e l’aumento dell’assorbimento dell’energia solare hanno avuto un impatto significativo sulla temperatura globale, ma non sono stati fatti tentativi per quantificare l’effetto reale di questa forzatura solare sulla GSAT. Abbiamo cercato di colmare questa lacuna di conoscenza sviluppando un nuovo modello di processo non statistico basato sui Principi Primi che collega direttamente i cambiamenti del TSI e dell’albedo alle anomalie della temperatura globale. Questo modello (Equazione (16)) è stato derivato da osservazioni planetarie indipendenti della NASA e principi fondamentali del calcolo, senza utilizzare dati specifici della Terra, forzature radiative dei gas serra o feedback positivi amplificanti.

Il nostro obiettivo era verificare la conclusione sopra citata dell’IPCC AR6 valutando l’effetto diretto dei cambiamenti misurati nel TSI e nell’assorbimento solare della Terra sul riscaldamento globale della superficie del 21° secolo, come documentato da sei set di dati sulla temperatura.

La nostra analisi ha rivelato che la forzatura solare, misurata da CERES (cioè, i cambiamenti nel TSI e nell’albedo), spiega il 100% della tendenza osservata nel riscaldamento globale e l’83% della variabilità interannuale della GSAT negli ultimi 24 anni (Figura 9), inclusa l’estrema anomalia di calore del 2023 (Figura 10). I cambiamenti dell’albedo sono risultati essere il principale fattore di guida della GSAT, mentre le variazioni del TSI hanno avuto un ruolo minore, modulante (Figure 11 e 12). L’incremento continuo dell’assorbimento della luce solare dal pianeta è stato identificato come il probabile responsabile del riscaldamento degli oceani negli ultimi decenni, basato su un’alta correlazione (R² = 0.8) tra l’assorbimento delle radiazioni a onde corte e l’anomalia della temperatura media annuale dello strato oceanico globale da 0 a 100 m (Figura 8). Questi risultati mettono in dubbio la realtà fisica sia della forzatura radiativa antropogenica attribuita all’aumento dei gas serra sia dei feedback positivi amplificanti ipotizzati dalla teoria dei gas serra e simulati dai modelli climatici, poiché qualsiasi vera forzatura o feedback amplificante al di fuori dell’incremento dell’assorbimento solare planetario avrebbe dovuto produrre un riscaldamento aggiuntivo rispetto a quello spiegato dai cambiamenti dell’albedo planetaria e del TSI. Tuttavia, non è stato osservato alcun riscaldamento extra nei record di temperatura disponibili. Pertanto, è probabile che la forzatura radiativa antropogenica e i feedback positivi associati siano artefatti dei modelli piuttosto che fenomeni reali. I dati empirici e i calcoli del modello analizzati nel nostro studio indicano inoltre che la sensibilità climatica della Terra alla forzatura radiativa è solo di 0.29-0.30 K/(W m^-2), il che significa che la teoria dei gas serra sovrastima questo parametro del 56-158%. La mancanza di prove sull’effetto di trappola del calore dei gas serra nel sistema climatico nel XXI secolo solleva interrogativi significativi sulla natura fisica dello Squilibrio Energetico della Terra (EEI). Definito come la differenza tra il flusso di radiazioni solari corte assorbite e quello di radiazioni a lunghezza d’onda lunga emesse alla cima dell’atmosfera (TOA), l’EEI è stato monitorato e calcolato attraverso diverse piattaforme per decenni. Negli ultimi quindici anni, l’EEI è diventato un punto focale nella ricerca climatologica, percependolo come indicativo dell’accumulo di calore antropogenico nel sistema terrestre, una condizione che presumibilmente condurrebbe il mondo verso un prolungato riscaldamento futuro, anche oltre il raggiungimento di emissioni di carbonio umane nette pari a zero. Di conseguenza, l’EEI è ora considerato “l’indicatore più essenziale del cambiamento climatico” [33]. Tuttavia, le nostre analisi dei dati osservati, dei calcoli modelistici e della teoria termodinamica standard indicano che l’EEI è stato interpretato erroneamente dalla comunità scientifica, poiché origina dalla dissipazione adiabatica dell’energia termica in masse d’aria che salgono nella troposfera, a causa della diminuzione della pressione atmosferica con l’altitudine (vedi discussione nella Sezione 4). Quindi, l’integrazione dell’EEI nello spazio e nel tempo nel tentativo di calcolare un “guadagno energetico” totale per il sistema terrestre, come fatto recentemente dai ricercatori, risulta essere un approccio fisicamente ingannevole, poiché l’EEI comprende energia che viene persa adiabaticamente dal sistema durante il processo di raffreddamento convettivo. Le nostre analisi hanno inoltre rivelato che questo squilibrio energetico è causato da variazioni nell’assorbimento della radiazione solare dal pianeta e cesserà solo se l’albedo terrestre smetterà di variare e l’assorbimento di radiazioni solari corte si stabilizzerà, evento estremamente improbabile. Le riduzioni delle emissioni di gas serra umane non influenzano e non influenzeranno l’EEI. Nonostante ciò, la Terra ha accumulato una notevole quantità di energia termica negli ultimi 45 anni, a causa di un incremento prolungato dell’assorbimento delle radiazioni solari corte, un meccanismo completamente distinto dall’ipotizzato trattenimento del calore radiante da parte dei gas serra, poiché non implica un immagazzinamento occulto di energia.

Questi risultati suggeriscono la necessità di una profonda revisione del paradigma attuale di interpretazione del cambiamento climatico e delle iniziative socio-economiche correlate, volte a ridurre drasticamente le emissioni di carbonio industriale a qualsiasi costo. Un elemento cruciale di questo cambio di paradigma dovrebbe essere l’allocazione prioritaria di finanziamenti a supporto di ricerche interdisciplinari su larga scala sui meccanismi fisici che regolano l’albedo terrestre e la fisica delle nuvole, i veri fattori determinanti del clima su scale temporali di decine di anni.

https://www.mdpi.com/2920200#:~:text=Our%20analysis%20revealed%20that%20the,over%20the%20past%2024%20years.