In climatologia i modelli del clima (o modelli climatici ) sono modelli fisico-matematici che descrivono il funzionamento del clima terrestre a livello globale o locale attraverso metodi quantitativi basati su equazioni differenziali per simulare le interazioni tra le componenti fondamentali del sistema climatico, tra cui l' atmosfera terrestre , gli oceani , la superficie terrestre , la biosfera e la criosfera . In particolare la modellistica climatologica e una branca della climatologia che esiste sin dagli inizi degli anni 60 del XX secolo , con i modelli creati (a volte utilizzati congiuntamente ai modelli oceanici ) che vengono utilizzati per svariati scopi che vanno dallo studio delle dinamiche del clima passato alle proiezioni sul clima futuro nell'ambito dei mutamenti climatici della Terra .

Lo stesso argomento in dettaglio: Modello fisico , Modello matematico , Fisica dell'atmosfera , Retroazione e Teoria della complessita .

L'evidente difficolta di studio tramite riproduzione in laboratorio dell'intero sistema complesso climatico, come avviene invece per molti altri fenomeni fisici, e la necessita di tenere in considerazione tutti i processi rappresentativi in legame strettamente non-lineare ha portato via via i climatologi negli ultimi decenni ad un approccio di studio simulato, col ricorso a laboratori virtuali ovvero all'uso accoppiato di supercalcolatori e modelli matematici al fine di ottenere simulazioni sul clima passato e su quello futuro, preservando cosi, attraverso la validazione del modello sui dati passati, uno dei requisiti cardine della scienza fisica moderna qual e la riproducibilita galileiana dell' osservabile fisico nonche il superamento definitivo dell'approccio qualitativo con quello ben piu rigoroso di tipo quantitativo pesando i contributi di ciascun fattore ^[1] .

Tutti modelli climatici prendono in considerazione sia la radiazione proveniente dal Sole sotto forma di radiazione elettromagnetica , principalmente nel visibile e nel vicino infrarosso , che la radiazione che lascia il nostro pianeta sotto forma di radiazione infrarossa a lunghezza d'onda maggiore. L'equilibrio e regolato dalle leggi della termodinamica e da luogo alle variazioni di temperatura (vedi trasferimento radiativo ).

I modelli climatici piu evoluti cercano di tenere conto di tutti i fattori coinvolti nella regolazione del sistema climatico ovvero sono costruiti a partire dalla conoscenza dello stato dell'arte del funzionamento del clima tenendo conto delle leggi fisiche (es. irraggiamento , geofluidodinamica ecc...) e dei processi di retroazione . Questi modelli sono per costruzione simili ai modelli numerici di previsione meteorologica utilizzando set di equazioni simili, ma ne differiscono anche per aspetti sostanziali: essi rinunciano al livello di dettaglio spazio-temporale tipico delle previsioni meteorologiche (ad es. tramite linearizzazione ), ma si concentrano sui dettagli significati all'analisi climatica ovvero la temperatura media e la piovosita media per controllare il trend a medio lungo termine dell' effetto serra e del ciclo dell'acqua fornendo dunque in uscita solo valori medi nel tempo delle grandezze fisiche atmosferiche. Alcuni processi significativi, ma troppo complessi o a scala molto ridotta vengono risolti attraverso le cosiddette parametrizzazioni . Tali modelli, una volta costruiti, girano su supercomputer e vengono validati sulla scorta dei dati climatici passati facendo girare il modello indietro nel tempo e verificando la bonta o meno del clima simulato con quello presente nelle serie storiche .

In particolare i modelli differiscono tra loro per la complessita della loro struttura:

• Il semplice modello basato sul trasferimento del calore radiante considera la Terra come un punto singolo con un'energia in uscita uniforme. Questo modello puo essere espanso sia verticalmente (modelli radiativi-convettivi) che orizzontalmente.
• I modelli che accoppiano atmosfera-oceano-criosfera- circolazione risolvono in pieno le equazioni per il trasferimento energetico e di massa e per lo scambio termico.
• I modelli a box trattano il flusso attraverso e all'interno dei bacini oceanici.
• Altre modellizzazioni usano interconnessioni come l'utilizzo del territorio per valutare le interazioni tra clima e ecosistema .

Sul fronte strettamente implementativo , ovvero nell'applicazione del modello, gli scienziati suddividono il pianeta Terra in una griglia tridimensionale e valutano su di essa i risultati della computazione finale: i modelli atmosferici calcolano i venti , il trasferimento di calore , la radiazione solare , l' umidita relativa e l' idrologia superficiale all'interno di ogni griglia tenendo conto delle interazioni con i punti confinanti.

Un modello molto semplice per l'equilibrio radiativo della Terra e:

${\displaystyle (1-a)S\pi r^{2}=4\pi r^{2}\epsilon \sigma T^{4}}$

dove

• a sinistra si ha l'energia proveniente dal Sole
• il membro destro rappresenta l'energia che lascia la Terra, calcolata con la legge di Stefan-Boltzmann assumendo come temperatura fittizia T , quella che viene talvolta chiamata "temperatura di equilibrio della Terra" e che deve essere trovata,

e

• S e la costante solare , cioe la radiazione solare incidente per unita di area, pari a circa 1367 W·m ^?2
• ${\displaystyle a}$ e l' albedo media della Terra, pari a 0,3. ^{[2] [3]}
• r e il raggio terrestre, circa 6,371×10 ⁶ m
• π = 3,141...
• ${\displaystyle \sigma }$, e la costante di Stefan-Boltzmann ?circa 5,67×10 ^?8 J·K ^?4 ·m ^?2 ·s ^?1
• ${\displaystyle \epsilon }$ e l' emissivita della Terra, pari a circa 0,612

Il fattore comune πr ² puo essere eliminato, dando

${\displaystyle (1-a)S=4\epsilon \sigma T^{4}}$

Risolvendo per la temperatura,

${\displaystyle T={\sqrt[{4}]{\frac {(1-a)S}{4\epsilon \sigma }}}}$

Questo produce un'apparente temperatura media effettiva della terra di 288 K (15 °C; 59 °F), ^[4] che tiene conto anche delle nuvole e dell'atmosfera. L'impiego dell'emissivita e dell'albedo tiene conto dell' effetto serra .

Questo modello molto semplice e molto istruttivo ed e anche l'unico che riesce a stare in un'unica pagina. E in grado di determinare facilmente l'effetto sulla temperatura media terrestre delle variazioni della costante solare, o di variazioni dell'albedo o dell'emissivita della Terra.

L'emissivita media terrestre puo essere stimata facilmente dai dati disponibili. Le emissivita delle superfici terrestri cadono tutte nell'intervallo 0,96-0,99 tranne per alcune piccole aree desertiche dove il valore puo scendere a 0,7. ^{[5] [6]} Le nubi invece, che coprono in media meta della superficie terrestre, hanno un'emissivita media di circa 0,5 ^[7] (che va ridotta per la quarta potenza del rapporto tra la temperatura assoluta delle nubi e la temperatura media assoluta della Terra) e una temperatura media di circa 258 K (?15 °C; 5 °F). ^[8] Tenuto conto di tutto si ottiene un'emissivita effettiva della terra di 0,64 (con temperatura media della terra pari a 285 K (12 °C; 53 °F).

Il modello zero-dimensionale appena descritto, che utilizza la costante solare e una data temperatura media della Terra, determina la reale emissivita terrestre della radiazione a grande lunghezza d'onda emessa nello spazio. Questo puo essere raffinato in verticale a un modello unidimensionale radiativo-convettivo, che considera due processi di trasporto dell'energia:

• transfer radiativo in upwelling e downwelling attraverso gli strati atmosferici che assorbono ed emettono radiazione infrarossa
• trasporto verso l'alto del calore per convezione (importante soprattutto nella bassa troposfera )

Rispetto al modello semplificato, i modelli radiativi-convettivi hanno il vantaggio di poter determinare gli effetti della variazione della concentrazione di gas serra sull'emissivita effettiva e di conseguenza la temperatura superficiale. Sono pero richiesti parametri addizionali per determinare l'emissivita e l'albedo locali e per includere i fattori che muovono l'energia attorno alla Terra.

L'albedo dovuta al ghiaccio ha inoltre un effetto sulla sensibilita globale di un modello del clima radiativo-convettivo monodimensionale. ^{[9] [10] [11]}

Il modello zero-dimensionale puo essere espanso per includere l'energia trasportata orizzontalmente nell'atmosfera. Si ottiene cosi il vantaggio di permettere una dipendenza razionale dell'albedo e dell'emissivita locale dalla temperatura (cioe i poli possono essere ghiacciati e l'equatore caldo), ma la mancanza di vere dinamiche implica che deve essere specificato il tipo di trasporto orizzontale. ^[12]

A seconda della natura delle questioni poste e della corrispondente scala temporale richiesta, si possono avere ai due estremi modelli concettuali piu induttivi o modelli generali della circolazione che operano alla piu alta risoluzione spaziale e temporale oggi disponibile. I modelli di complessita intermedia servono a colmare il divario tra i due estremi.
Un esempio e il modello Climber-3. La sua atmosfera e un modello statistico-dinamico 2,5-dimensionale con una risoluzione di 7,5° × 22,5° e un gradino temporale di mezza giornata; l'oceano e MOM-3 ( Modello modulare dell'oceano ) con un reticolo 3,75° × 3,75° e 24 livelli verticali. ^[13]

Lo stesso argomento in dettaglio: Modello generale della circolazione .

I modelli generali della circolazione trattano in modo separato le equazioni differenziali che regolano il moto dei fluidi e il trasferimento di energia ; queste sono poi integrate in funzione del tempo. Diversamente dai modelli piu semplici, i GCM dividono l'atmosfera e/o gli oceani in griglie di celle separate che rappresentano unita computazionali. Mentre i modelli piu semplici fanno assunzioni miste, i processi interni a una cella (come la convezione) che avvengono su scale troppo piccole per essere risolte direttamente, vengono parametrizzate a livello della cella, mentre altre funzioni governano l'interfaccia tra le celle.

I GCM atmosferici ( Modello generale della circolazione atmosferica o AGCM) modellano l'atmosfera e impongono la temperatura superficiale marina come condizione al contorno. I GCM accoppiati atmosfera-oceano (AOGCM come ad esempio HadCM3, EdGCM, GFDL CM.X, ARPEGE-Climat) ^[14] combinano i due modelli. Il primo modello climatico generale della circolazione che combinava sia i processi atmosferici che quelli oceanici, fu sviluppato alla fine degli anni 1960 al Geophysical Fluid Dynamics Laboratory del NOAA . ^[15]

Gli AOGCM rappresentano il vertice della complessita nei modelli climatici e analizzano quanti piu processi e possibile. Tuttavia sono ancora in fase di sviluppo e rimango ancora alcune incertezze. Possono essere accoppiati a modelli di altri processi, come il ciclo del carbonio , per meglio modellizzare gli effetti di ritorno. Questi modelli integrati multisistema sono a volte chiamati "modelli del sistema Terra" o "modelli globali del clima".

Esistono a partire dagli anni 2000 anche dei modelli climatici basati sulle reti neurali artificiali ^{[16] [17]} .

Lo stesso argomento in dettaglio: Controversia sul riscaldamento globale .

Sono state avanzate diverse critiche che riguardano sostanzialmente l'incertezza nella stima della sensitivita climatica , le cosiddette parametrizzazioni (approssimazioni di processi fisici alla scala del modello) e la completezza del modello nella descrizione del sistema climatico, nei suoi vari sottosistemi, con tutte le sue retroazioni . Il fisico delle particelle Antonino Zichichi ha criticato i modelli del clima sotto il profilo matematico, ^[18] ma diversi climatologi hanno espresso il loro dissenso sulle affermazioni di Zichichi. ^{[19] [20]} Va notato che la quasi totalita delle critiche arriva da scienziati che non si sono mai occupati della fisica del sistema climatico e la cui competenza a riguardo e quantomeno discutibile.

Altri contestano sostanzialmente la validita del metodo predittivo utilizzato, cosi come l'affermazione che le cause del riscaldamento globale abbiano origine antropiche ^[21] , ma l'IPCC e la comunita degli scienziati del climati e unanime sulla questione, che deriva da principi fisici fondamentali prima ancora che dalle predizioni dei modelli climatici. J. Scott Armstrong , professore in economia e statistica alla Wharton School, Universita della Pennsylvania , propose nel 2007 ad Al Gore una scommessa di 10.000 dollari da destinare in beneficenza, che nel periodo dei dieci anni a venire le temperature del pianeta non sarebbero aumentate. Nonostante Armstrong abbia rivendicato la vittoria della scommessa, i dati dei termometri mostrano che nel periodo 2007-2020 il trend di riscaldamento e continuato in maniera inconfutabile, e tutti gli anni dell'ultima decade sono tra i 15 anni piu caldi di sempre a livello globale. ^{[22] [23]} La scommessa di Armstrong e stata inoltre criticata dal meteorologo Gavin Schmidt , che l'ha descritta come una scommessa basata sul "rumore meteorologico (fluttuazione della temperatura) di anno in anno" piuttosto che sul cambiamento climatico . ^[24] Per parlare di cambiamento climatico e infatti necessario effettuare misurazioni nell'arco di trent'anni: una valutazione nell'arco di dieci anni non e quindi significativa ai sensi del cambiamento climatico, ma solo delle variazioni del tempo meteorologico . ^[25]

• ( EN ) Ian Roulstone e John Norbury, Invisible in the Storm: the role of mathematics in understanding weather , Princeton University Press, 2013, ISBN   978-0-691-15272-1 .

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• Modelli numerici di previsione meteorologica

• (IPCC 2001 section 8.3) ? tratta della gerarchia dei modelli
• (IPCC 2001 section 8) ? informazioni sui sistemi accoppiati GCM
• Coupled Model Intercomparison Project
• On the Radiative and Dynamical Feedbacks over the Equatorial Pacific Cold Tongue
• Basic Radiation Calculations Archiviato il 30 luglio 2012 in Internet Archive . ? La scoperta del riscaldamento globale
• Henderson-Sellers, A.; Robinson, P. J., Contemporary Climatology , New York, Longman, 1999, ISBN   0-582-27631-4 .
• Climate Modeling 101 website by the U.S. National Research Council ? This site is a primer on how climate models work. The information is based on expert, consensus reports from the U.S. National Research Council's Board on Atmospheric Sciences and Climate. The most recent is A National Strategy for Advancing Climate Modeling .

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