Cambiamenti climatici: alla ricerca dell'energia nascosta (2)

Scherzando recentemente con un amico astronomo, gli dicevo che anche noi che ci occupiamo di clima abbiamo la nostra dark energy (energia oscura)...

Quando in fisica si parla di qualcosa di "oscuro" o "nascosto", di solito si tratta di qualcosa che "manca" nel nostro quadro teorico e di cui si ipotizza l'esistenza per spiegare completamente i dati osservativi che abbiamo a disposizione. In questo modo, ad esempio, Pauli ipotizzò l'esistenza del neutrino, che dopo qualche tempo venne effettivamente scoperto.

Certo, la situazione della cosmologia è eclatante: si tratta di spiegare l'accelerazione nell'espansione dell'universo! Se l'ipotesi dell'esistenza di energia nascosta fosse corretta, oltre il 70% della massa-energia dell'universo dovrebbe essere composta da dark energy!

Il problema dell'energia nascosta nel sistema clima appare a prima vista più semplice. Qui, infatti, non si tratta di andare a cercare una nuova forma di energia, ma, come accennato nel post precedente, dobbiamo solo capire dove può essere finita una porzione del calore intrappolato in maniera crescente nel sistema Terra durante gli ultimi decenni, dato che la temperatura alla superficie del pianeta, oltre ad un trend in crescita, mostra anche dei periodi di stasi o di fluttuazione negativa che non sembrano consistenti con l'energia sempre maggiore assorbita dal sistema. In particolare, negli ultimi anni la temperatura si è assestata su valori stazionari, facendo pensare ad una fase di stasi, anche se in realtà si tratta dei valori più alti degli ultimi 150 anni...

Non sarà che in quei periodi l'energia trattenuta dalla Terra sia andata a confinarsi in "serbatoi" energetici lontani dalla superficie del pianeta (cioè dal luogo dove usualmente misuriamo la temperatura)? Oppure, non sarà che una certa quantità di energia sia stata "consumata" in qualche modo vicino al suolo, ma senza che vi sia stato un evidente cambiamento di temperatura?

Analizziamo brevemente la seconda ipotesi. Come si può "consumare" energia senza che vi sia un evidente cambiamento di temperatura? A prima vista ciò sembrerebbe contrastare con le nostre esperienze comuni... Se metto una pentola di acqua sul fornello della cucina per cuocere la pasta, ad esempio, pian piano l'energia (il calore) fornita dalla fiamma fa innalzare la temperatura dell'acqua, portandola infine all'ebollizione. Sottoposta ad una fonte di calore, quindi, la temperatura dell'acqua cambia, eccome!

Ma cosa succede quando l'acqua inizia a bollire? Se inserisco un termometro (molto resistente) nell'acqua, noterò che la temperatura non sale più: si ferma a 100 °C fino a che tutta l'acqua non sia evaporata. In realtà l'energia fornita all'acqua viene ora "consumata" per rompere i legami delle molecole di acqua liquida e permettere loro di passare nello stato di vapore, in cui le stesse molecole sono "slegate" le une dalle altre. L'energia consumata in tal modo si chiama calore latente di evaporazione.

Ovviamente, questo fenomeno di arresto della crescita di temperatura avviene in tutti i passaggi di stato, anche nel passaggio da ghiaccio ad acqua liquida. In questo caso l'energia viene spesa per rompere i legami "rigidi" del ghiaccio e renderli più "morbidi" nell'acqua liquida: il ghiaccio si scioglie (in termini scientifici diciamo "si fonde") rimanendo a una temperatura costante di 0 °C e si parla di calore latente di fusione.

A questo punto, come diceva Lubrano, una domanda sorge spontanea... Dato che negli ultimi decenni si è assistito ad una enorme fusione di ghiacci, sia nella calotta glaciale artica (vedi figura a lato) sia sui ghiacciai continentali, non sarà che la temperatura vicino al suolo non rispecchia tutta l'energia accumulata nel sistema climatico perché una parte di tale energia è stata spesa per fondere questi ghiacci?

Ebbene, in un articolo recente (già citato nel precedente post) un collega americano si è posto questo problema e ha effettuato una stima quantitativa dell'energia impiegata per fondere i ghiacci nelle quantità osservate.

In realtà, date le incertezze delle misure da satellite relative alla quantità di ghiaccio fuso negli ultimi decenni, ci si è aiutati anche con i dati (sempre provenienti da misure satellitari) di incremento del livello del mare. Quest'ultimo, infatti, è stato causato in gran parte dalla fusione dei ghiacci che si trovano sulla terraferma (Groenlandia, Antartide, ghiacciai himalayani, alpini, andini, ecc.). In questo senso la diminuzione dei ghiacci artici non conta, in quanto essi sono ghiacci marini che stanno "a galla" nell'oceano artico, proprio come un cubetto di ghiaccio galleggia in un bicchiere d'acqua. Se questo è colmo fino all'orlo, allo sciogliersi del cubetto di ghiaccio il livello dell'acqua non sale e l'acqua stessa non esce dal bicchiere...

Ricordando che negli ultimi anni si è avuto uno sbilanciamento tra energia entrante ed energia uscente nel sistema Terra di circa 0.9 Watt/m2, il collega Trenberth ha fatto un po' di conti. Se questa energia fosse stata spesa tutta per fondere i ghiacci artici, avrebbe sciolto uno spessore di un metro per circa 42 milioni di metri quadrati di superficie ghiacciata. Dato che negli ultimi anni abbiamo perso "solo" un paio di milioni di metri quadrati di ghiacci artici alla fine delle estati (vedi figura più sopra) e 42 non ce ne sono proprio (attualmente siamo a circa 5), è chiaro che l'energia mancante non è finita lì, almeno nella sua massima parte.

Ci rimangono i ghiacci continentali... Tenendo sempre presente la quantità di 0.9 Watt/m2 di surplus di energia, se questa fosse stata spesa per fondere quei ghiacci, essi si sarebbero sciolti in una quantità tale che avremmo avuto un innalzamento del livello del mare di più di un metro negli ultimi anni: cosa che, fortunatamente, non è accaduta.

Insomma, il calcolo dell'energia consumata per fondere i ghiacci nelle quantità osservate ci dice che l'energia mancante nel sistema Terra non è finita nel calore latente di fusione, ma si deve essere nascosta da qualche altra parte.

L'avventura continua...

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