L’entità del contributo umano al moderno riscaldamento globale è un argomento molto dibattuto negli ambienti politici, in particolare negli Stati Uniti.
Durante una recente audizione al Congresso, Rick Perry, il segretario all’energia degli Stati Uniti, ha osservato che “alzarsi e dire che il 100% del riscaldamento globale è dovuto all’attività umana, penso sia semplicemente indifendibile”.
Tuttavia, la scienza sul contributo umano al riscaldamento moderno è abbastanza chiara. Le emissioni e le attività umane hanno causato circa il 100% del riscaldamento osservato dal 1950, secondo il quinto rapporto di valutazione dell’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
Qui Carbon Brief esamina come ciascuno dei principali fattori che influenzano il clima della Terra influenzerebbe le temperature in modo isolato – e come i loro effetti combinati prevedono quasi perfettamente i cambiamenti a lungo termine della temperatura globale.
L’analisi di Carbon Brief trova che:
- Dal 1850, quasi tutto il riscaldamento a lungo termine può essere spiegato dalle emissioni di gas serra e da altre attività umane.
- Se le sole emissioni di gas serra stessero riscaldando il pianeta, ci aspetteremmo di vedere circa un terzo in più del riscaldamento che si è effettivamente verificato. Essi sono compensati dal raffreddamento da aerosol atmosferici prodotti dall’uomo.
- Si prevede che gli aerosol diminuiscano significativamente entro il 2100, portando il riscaldamento totale da tutti i fattori più vicino al riscaldamento da soli gas serra.
- È improbabile che la variabilità naturale del clima della Terra giochi un ruolo importante nel riscaldamento a lungo termine.
Animazione di Rosamund Pearce per Carbon Brief. Immagini via Alamy Stock Photo.
Quanto riscaldamento è causato dall’uomo?
Nel suo quinto rapporto di valutazione del 2013, l’IPCC ha dichiarato nella sua sintesi per i responsabili politici che è “estremamente probabile che più della metà dell’aumento osservato nella temperatura media globale della superficie” dal 1951 al 2010 sia stato causato dall’attività umana. Con “estremamente probabile”, intendeva dire che c’era una probabilità tra il 95% e il 100% che più della metà del riscaldamento moderno fosse dovuto all’uomo.
Questa dichiarazione un po’ contorta è stata spesso interpretata erroneamente come implicante che la responsabilità umana per il riscaldamento moderno si trova da qualche parte tra il 50% e il 100%. In realtà, come il dottor Gavin Schmidt della NASA ha sottolineato, la migliore ipotesi implicita dell’IPCC era che gli esseri umani fossero responsabili di circa il 110% del riscaldamento osservato (che va dal 72% al 146%), con i fattori naturali che, isolatamente, hanno portato a un leggero raffreddamento negli ultimi 50 anni.
Similmente, la recente quarta valutazione nazionale del clima degli Stati Uniti ha trovato che tra il 93% e il 123% del riscaldamento osservato dal 1951 al 2010 era dovuto alle attività umane.
Queste conclusioni hanno portato ad una certa confusione su come più del 100% del riscaldamento osservato possa essere attribuibile all’attività umana. Un contributo umano superiore al 100% è possibile perché i cambiamenti climatici naturali associati ai vulcani e all’attività solare avrebbero molto probabilmente prodotto un leggero raffreddamento negli ultimi 50 anni, compensando parte del riscaldamento associato alle attività umane.
‘Forcings’ che cambiano il clima
Gli scienziati misurano i vari fattori che influenzano la quantità di energia che raggiunge e rimane nel clima della Terra. Sono conosciuti come “forzanti radiative”.
Queste forzanti includono i gas serra, che intrappolano il calore in uscita, gli aerosol – sia dalle attività umane che dalle eruzioni vulcaniche – che riflettono la luce solare in entrata e influenzano la formazione delle nuvole, i cambiamenti nella produzione solare, i cambiamenti nella riflettività della superficie terrestre associati all’uso del suolo, e molti altri fattori.
Per valutare il ruolo di ogni diversa forzatura nei cambiamenti di temperatura osservati, Carbon Brief ha adattato un semplice modello statistico del clima sviluppato dal dottor Karsten Haustein e dai suoi colleghi dell’Università di Oxford e dell’Università di Leeds. Questo modello trova la relazione tra i forzanti climatici umani e naturali e la temperatura che meglio corrisponde alle temperature osservate, sia a livello globale che sulle sole aree terrestri.
La figura qui sotto mostra il ruolo stimato di ogni forzante climatica diversa nel cambiamento delle temperature superficiali globali dall’inizio delle registrazioni nel 1850 – compresi i gas serra (linea rossa), gli aerosol (blu scuro), l’uso del suolo (blu chiaro), l’ozono (rosa), il solare (giallo) e i vulcani (arancio).
I punti neri mostrano le temperature osservate dal progetto di temperatura superficiale Berkeley Earth, mentre la linea grigia mostra il riscaldamento stimato dalla combinazione di tutti i diversi tipi di forzanti
Temperature superficiali medie globali da Berkeley Earth (punti neri) e influenza modellata di diversi forzanti radiativi (linee colorate), così come la combinazione di tutti i forzanti (linea grigia) per il periodo dal 1850 al 2017. Vedi i metodi alla fine dell’articolo per i dettagli. Grafico di Carbon Brief usando Highcharts.
La combinazione di tutti i forzanti radiativi generalmente corrisponde abbastanza bene ai cambiamenti a lungo termine delle temperature osservate. C’è una certa variabilità da un anno all’altro, principalmente da eventi di El Niño, che non è guidata da cambiamenti nei forcings. Ci sono anche periodi dal 1900-1920 e dal 1930-1950 in cui sono evidenti alcune discrepanze maggiori tra il riscaldamento previsto e quello osservato, sia in questo semplice modello che in modelli climatici più complessi.
Il grafico evidenzia che, di tutti i forcing radiativi analizzati, solo l’aumento delle emissioni di gas serra produce la grandezza del riscaldamento sperimentato negli ultimi 150 anni.
Se le sole emissioni di gas serra stessero riscaldando il pianeta, ci aspetteremmo di vedere circa un terzo di riscaldamento in più di quello che si è effettivamente verificato.
Quindi, quali ruoli giocano tutti gli altri fattori?
Il riscaldamento extra dai gas serra viene compensato dall’anidride solforosa e da altri prodotti della combustione dei combustibili fossili che formano aerosol atmosferici. Gli aerosol nell’atmosfera riflettono la radiazione solare in arrivo nello spazio e aumentano la formazione di nuvole alte e riflettenti, raffreddando la Terra.
L’ozono è un gas serra a vita breve che intrappola il calore in uscita e riscalda la Terra. L’ozono non viene emesso direttamente, ma si forma quando il metano, il monossido di carbonio, gli ossidi di azoto e i composti organici volatili si scompongono nell’atmosfera. Gli aumenti dell’ozono sono direttamente attribuibili alle emissioni umane di questi gas.
Nell’atmosfera superiore, le riduzioni dell’ozono associate ai clorofluorocarburi (CFC) e ad altri alocarburi che riducono lo strato di ozono hanno avuto un modesto effetto di raffreddamento. Gli effetti netti dei cambiamenti combinati dell’ozono atmosferico inferiore e superiore hanno modestamente riscaldato la Terra di qualche decimo di grado.
I cambiamenti nel modo in cui la terra è usata alterano la riflettività della superficie terrestre. Per esempio, la sostituzione di una foresta con un campo generalmente aumenta la quantità di luce solare riflessa nello spazio, in particolare nelle regioni nevose. L’effetto climatico netto dei cambiamenti nell’uso della terra dal 1850 è un modesto raffreddamento.
I vulcani hanno un effetto di raffreddamento a breve termine sul clima a causa della loro iniezione di aerosol di solfato nella stratosfera, dove possono rimanere in alto per alcuni anni, riflettendo la luce solare in arrivo nello spazio. Tuttavia, una volta che i solfati scendono verso la superficie, l’effetto di raffreddamento dei vulcani scompare. La linea arancione mostra l’impatto stimato dei vulcani sul clima, con grandi picchi verso il basso delle temperature fino a 0,4C associati alle eruzioni più importanti.
3 gennaio 2009 – Eruzione di Santiaguito, Guatemala. Credito: Stocktrek Images, Inc. / Alamy Stock Photo.
Infine, l’attività solare è misurata dai satelliti negli ultimi decenni e stimata in base al conteggio delle macchie solari nel passato più lontano. La quantità di energia che raggiunge la Terra dal sole oscilla modestamente in un ciclo di circa 11 anni. C’è stato un leggero aumento dell’attività solare complessiva a partire dagli anni 1850, ma la quantità di energia solare aggiuntiva che raggiunge la Terra è piccola rispetto agli altri forcing radiativi esaminati.
Negli ultimi 50 anni, l’energia solare che raggiunge la Terra è effettivamente diminuita leggermente, mentre le temperature sono aumentate drasticamente.
I forcing umani corrispondono al riscaldamento osservato
L’accuratezza di questo modello dipende dalla precisione delle stime del forcing radiativo. Alcuni tipi di forzanti radiativi, come quelli derivanti dalle concentrazioni atmosferiche di CO2, possono essere misurati direttamente e hanno incertezze relativamente piccole. Altri, come gli aerosol, sono soggetti a incertezze molto più grandi a causa della difficoltà di misurare accuratamente i loro effetti sulla formazione delle nuvole.
Queste sono prese in considerazione nella figura sottostante, che mostra i forcing naturali combinati (linea blu) e i forcing umani (linea rossa) e le incertezze che il modello statistico associa a ciascuno. Queste aree ombreggiate sono basate su 200 diverse stime di forzature radiative, incorporando la ricerca che cerca di stimare una gamma di valori per ciascuna. Le incertezze nei fattori umani aumentano dopo il 1960, guidate in gran parte dagli aumenti delle emissioni di aerosol dopo quel punto.
Le temperature superficiali medie globali dalla Terra di Berkeley (punti neri) e l’influenza modellata di tutti i forzanti radiativi combinati naturali (linea blu) e umani (linea rossa) con le loro rispettive incertezze (aree ombreggiate) per il periodo dal 1850 al 2017. La combinazione di tutti i forcing naturali e umani (linea grigia) è anche mostrata. Vedi i metodi alla fine dell’articolo per i dettagli. Grafico di Carbon Brief usando Highcharts.
In generale, il riscaldamento associato a tutti i forcing umani concorda abbastanza bene con il riscaldamento osservato, mostrando che circa il 104% del totale dall’inizio del periodo “moderno” nel 1950 proviene da attività umane (e il 103% dal 1850), che è simile al valore riportato dall’IPCC. Le forzature naturali combinate mostrano un modesto raffreddamento, principalmente guidato dalle eruzioni vulcaniche.
Il semplice modello statistico utilizzato per questa analisi da Carbon Brief differisce dai modelli climatici molto più complessi generalmente utilizzati dagli scienziati per valutare l’impronta umana sul riscaldamento. I modelli climatici non “adattano” semplicemente le forzanti alle temperature osservate. I modelli climatici includono anche le variazioni di temperatura nello spazio e nel tempo, e possono tenere conto della diversa efficacia dei forcing radiativi nelle diverse regioni della Terra.
Tuttavia, quando si analizza l’impatto dei diversi forcing sulle temperature globali, i modelli climatici complessi generalmente trovano risultati simili ai semplici modelli statistici. La figura qui sotto, dal quinto rapporto di valutazione dell’IPCC, mostra l’influenza di diversi fattori sulla temperatura per il periodo dal 1950 al 2010. Le temperature osservate sono mostrate in nero, mentre la somma dei forzanti umani è mostrata in arancione.
Figura TS10 dal quinto rapporto di valutazione dell’IPCC. Le temperature osservate provengono da HadCRUT4. GHG sono tutti i gas serra ben miscelati, ANT sono le forzanti umane totali, OA sono le forzanti umane oltre ai GHG (soprattutto aerosol), NAT sono le forzanti naturali (solari e vulcani), e la Variabilità Interna è una stima dell’impatto potenziale dei cicli oceanici multidecadali e fattori simili. Le barre di errore mostrano le incertezze di un sigma per ciascuno. Fonte: IPCC.
Questo suggerisce che le forzature umane da sole avrebbero portato a circa il 110% del riscaldamento osservato. L’IPCC ha anche incluso la grandezza stimata della variabilità interna in quel periodo nei modelli, che suggeriscono essere relativamente piccola e paragonabile a quella dei forcing naturali.
Come dice a Carbon Brief il Prof Gabi Hegerl dell’Università di Edimburgo: “
Le aree terrestri si stanno riscaldando più velocemente
Le temperature terrestri si sono riscaldate molto più velocemente delle temperature medie globali nell’ultimo secolo, con temperature che hanno raggiunto circa 1,7°C sopra i livelli pre-industriali negli ultimi anni. Il record della temperatura terrestre va anche più indietro nel tempo rispetto al record della temperatura globale, anche se il periodo precedente al 1850 è soggetto a incertezze molto maggiori.
I forzanti radiativi sia umani che naturali possono essere abbinati alle temperature terrestri utilizzando il modello statistico. L’ampiezza dei forcing umani e naturali differirà un po’ tra le temperature terrestri e quelle globali. Per esempio, le eruzioni vulcaniche sembrano avere una maggiore influenza sulla terraferma, in quanto è probabile che le temperature terrestri rispondano più velocemente ai rapidi cambiamenti dei forcing.
La figura qui sotto mostra il contributo relativo di ogni diverso forcing radiativo alle temperature terrestri dal 1750.
Temperature superficiali medie terrestri da Berkeley Earth (punti neri) e l’influenza modellata di diversi forcing radiativi (linee colorate), così come la combinazione di tutti i forcing (linea grigia) per il periodo dal 1750 al 2017. Grafico di Carbon Brief utilizzando Highcharts.
La combinazione di tutti i forzanti generalmente corrisponde abbastanza bene alle temperature osservate, con una variabilità a breve termine intorno alla linea grigia guidata principalmente da eventi di El Niño e La Niña. C’è una variazione più ampia nelle temperature prima del 1850, che riflette le incertezze molto più grandi nelle registrazioni osservative fino a quel punto.
C’è ancora un periodo intorno al 1930 e al 1940 in cui le osservazioni superano ciò che il modello prevede, anche se le differenze sono meno pronunciate rispetto alle temperature globali e la divergenza del 1900-1920 è per lo più assente nelle registrazioni terrestri.
Le eruzioni vulcaniche della fine del 1700 e dell’inizio del 1800 si distinguono nettamente nelle registrazioni terrestri. L’eruzione del Monte Tambora in Indonesia nel 1815 potrebbe aver raffreddato le temperature terrestri di un enorme 1,5°C, anche se le registrazioni all’epoca erano limitate a parti dell’emisfero settentrionale ed è, quindi, difficile trarre una conclusione definitiva sugli impatti globali. In generale, i vulcani sembrano raffreddare le temperature terrestri di quasi il doppio delle temperature globali.
Cosa potrebbe accadere in futuro?
Carbon Brief ha usato lo stesso modello per proiettare i futuri cambiamenti di temperatura associati ad ogni fattore di forzatura. La figura qui sotto mostra le osservazioni fino al 2017, insieme alle future forzature radiative post-2017 da RCP6.0, uno scenario di riscaldamento futuro medio-alto.
Temperature superficiali medie globali dalla Terra di Berkeley (punti neri) e influenza modellata di diversi forcing radiativi (linee colorate) per il periodo dal 1850 al 2100. Forzanti post-2017 prese da RCP6.0. Grafico di Carbon Brief usando Highcharts.
Quando vengono forniti i forcing radiativi per lo scenario RCP6.0, il modello statistico semplice mostra un riscaldamento di circa 3C entro il 2100, quasi identico al riscaldamento medio che i modelli climatici trovano.
Il futuro forcing radiativo da CO2 dovrebbe continuare ad aumentare se le emissioni aumentano. Gli aerosol, d’altra parte, si prevede che raggiungano il picco ai livelli di oggi e diminuiscano significativamente entro il 2100, spinti in gran parte dalle preoccupazioni per la qualità dell’aria. Questa riduzione degli aerosol aumenterà il riscaldamento complessivo, portando il riscaldamento totale da tutte le forzature radiative più vicino al riscaldamento dai soli gas serra. Gli scenari RCP presuppongono che non ci siano future eruzioni vulcaniche specifiche, poiché la tempistica di queste è inconoscibile, mentre la produzione solare continua il suo ciclo di 11 anni.
Questo approccio può anche essere applicato alle temperature terrestri, come mostrato nella figura sottostante. Qui, le temperature terrestri sono mostrate tra il 1750 e il 2100, con forzature post-2017 anche da RCP6.0.
Temperature superficiali medie terrestri da Berkeley Earth (punti neri) e l’influenza modellata di diversi forcing radiativi (linee colorate) per il periodo dal 1750 al 2100. Forzanti post-2017 prese da RCP6.0. Grafico di Carbon Brief usando Highcharts.
Si prevede che la terraferma si riscalderà circa il 30% più velocemente del globo nel suo complesso, in quanto il tasso di riscaldamento sugli oceani è tamponato dall’assorbimento del calore oceanico. Questo si vede nei risultati del modello, dove la terra si riscalda di circa 4C entro il 2100 rispetto ai 3C a livello globale nello scenario RCP6.0.
C’è una vasta gamma di riscaldamento futuro possibile da diversi scenari RCP e diversi valori per la sensibilità del sistema climatico, ma tutti mostrano un modello simile di diminuzione delle emissioni future di aerosol e un ruolo maggiore per il forcing dei gas serra nelle temperature future.
Il ruolo della variabilità naturale
Mentre le forzature naturali provenienti dal sole e dai vulcani non sembrano giocare un ruolo importante nel riscaldamento a lungo termine, esiste anche una variabilità naturale associata ai cicli oceanici e alle variazioni nell’assorbimento del calore oceanico.
Poiché la maggior parte dell’energia intrappolata dai gas serra viene assorbita dagli oceani piuttosto che dall’atmosfera, i cambiamenti nel tasso di assorbimento del calore oceanico possono avere un grande impatto sulla temperatura superficiale. Alcuni ricercatori hanno sostenuto che i cicli multidecadali, come l’Oscillazione Multidecadale Atlantica (AMO) e l’Oscillazione Decadale Pacifica (PDO), possono giocare un ruolo nel riscaldamento su scala decadale.
Mentre i fattori umani spiegano tutto il riscaldamento a lungo termine, ci sono alcuni periodi specifici che sembrano essersi riscaldati o raffreddati più velocemente di quanto possa essere spiegato sulla base delle nostre migliori stime del forcing radiativo. Per esempio, la modesta discrepanza tra la stima basata sul forcing radiativo e le osservazioni durante la metà del 1900 potrebbe essere la prova di un ruolo della variabilità naturale durante quel periodo.
Un certo numero di ricercatori ha esaminato il potenziale di impatto della variabilità naturale sulle tendenze del riscaldamento a lungo termine. Hanno scoperto che generalmente gioca un ruolo limitato. Per esempio, il dottor Markus Huber e il dottor Reto Knutti dell’Istituto per le Scienze dell’Atmosfera e del Clima (IAC) di Zurigo hanno trovato un contributo massimo possibile della variabilità naturale di circa il 26% (+/- 12%) negli ultimi 100 anni e del 18% (+/- 9%) negli ultimi 50 anni.
Knutti dice a Carbon Brief:
“Non possiamo mai escludere completamente che la variabilità naturale sia più grande di quanto pensiamo attualmente. Ma questo è un argomento debole: non si può, ovviamente, mai escludere l’ignoto sconosciuto. La questione è se c’è una forte, o addirittura una qualsiasi prova per questo. E la risposta è no, a mio parere.
I modelli ottengono la variabilità della temperatura a breve termine approssimativamente giusta. In molti casi, ne hanno addirittura troppa. E per il lungo termine, non possiamo essere sicuri perché le osservazioni sono limitate. Ma la risposta forzata spiega abbastanza bene le osservazioni, quindi non ci sono prove del 20° secolo che ci manchi qualcosa…
Anche se i modelli dovessero sottostimare la variabilità interna di un fattore tre, è estremamente improbabile che la variabilità interna possa produrre una tendenza così grande come quella osservata.”
Similmente, il dottor Martin Stolpe e colleghi, sempre allo IAC, hanno recentemente analizzato il ruolo della variabilità naturale multidecadale sia nell’oceano Atlantico che nel Pacifico. Hanno scoperto che “meno del 10% del riscaldamento globale osservato durante la seconda metà del 20° secolo è causato dalla variabilità interna in questi due bacini oceanici, rafforzando l’attribuzione della maggior parte del riscaldamento osservato ai forzanti antropogenici”.
La variabilità interna ha probabilmente un ruolo molto più grande nelle temperature regionali. Per esempio, nel produrre periodi insolitamente caldi nell’Artico e negli Stati Uniti negli anni ’30. Tuttavia, il suo ruolo nell’influenzare i cambiamenti a lungo termine delle temperature superficiali globali sembra essere limitato.
Conclusione
Sebbene ci siano fattori naturali che influenzano il clima della Terra, l’influenza combinata dei vulcani e dei cambiamenti nell’attività solare avrebbe portato a un raffreddamento piuttosto che a un riscaldamento negli ultimi 50 anni.
Il riscaldamento globale testimoniato negli ultimi 150 anni corrisponde quasi perfettamente a ciò che ci si aspetta dalle emissioni di gas serra e da altre attività umane, sia nel modello semplice qui esaminato che in modelli climatici più complessi. La migliore stima del contributo umano al riscaldamento moderno è intorno al 100%.
Alcune incertezze rimangono a causa del ruolo della variabilità naturale, ma i ricercatori suggeriscono che è improbabile che le fluttuazioni oceaniche e fattori simili siano la causa di più di una piccola frazione del riscaldamento globale moderno.
Metodologia
Il modello statistico semplice utilizzato in questo articolo è adattato dal Global Warming Index pubblicato da Haustein et al (2017). A sua volta, si basa sul modello di Otto et al (2015).
Il modello stima i contributi al cambiamento climatico osservato e rimuove l’impatto delle fluttuazioni naturali da un anno all’altro mediante una regressione lineare multipla delle temperature osservate e delle risposte stimate alle forzanti naturali e indotte dall’uomo totali del cambiamento climatico. Le risposte alle forzanti sono fornite dal modello climatico semplice standard fornito nel capitolo 8 dell’IPCC (2013), ma la dimensione di queste risposte è stimata dall’adattamento alle osservazioni. Le forzanti sono basate sui valori dell’IPCC (2013) e sono state aggiornate al 2017 usando i dati del NOAA e di ECLIPSE. Piers Forster dell’Università di Leeds, che riflette l’incertezza nelle stime di forzatura. Viene anche fornito un foglio di calcolo Excel contenente il loro modello.
Il modello è stato adattato calcolando le risposte di forzatura per ciascuno dei diversi forzanti climatici principali piuttosto che semplicemente il totale dei forzanti umani e naturali, utilizzando il record di Berkeley Earth per le osservazioni. Il tempo di decadimento della risposta termica usato per convertire le forzanti in risposte di forzatura è stato regolato per essere di un anno piuttosto che di quattro anni per le forzanti vulcaniche per riflettere meglio il tempo di risposta veloce presente nelle osservazioni. Gli effetti di El Niño e La Niña (ENSO) sono stati rimossi dalle osservazioni utilizzando un approccio adattato da Foster e Rahmstorf (2011) e l’indice Kaplan El Niño 3.4 quando si calcola la risposta di temperatura vulcanica, in quanto la sovrapposizione tra vulcani e ENSO altrimenti complica le stime empiriche.
La risposta di temperatura per ogni singola forzatura è stata calcolata scalando le loro risposte di forzatura per i coefficienti umani o naturali totali dal modello di regressione. Il modello di regressione è stato anche eseguito separatamente per le temperature della terra. Le risposte di temperatura per ogni forzatura tra il 2018 e il 2100 sono state stimate utilizzando i dati di forzatura da RCP6.0, normalizzati per corrispondere alla grandezza delle forzanti osservate alla fine del 2017.
Le incertezze nella risposta totale della temperatura umana e naturale sono state stimate utilizzando un’analisi Monte Carlo di 200 diverse serie di forzatura, così come le incertezze nei coefficienti di regressione stimati. Il codice Python utilizzato per eseguire il modello è archiviato su GitHub e disponibile per il download.
I dati osservativi del 2017 mostrati nelle figure si basano sulla media dei primi 10 mesi dell’anno ed è probabile che siano abbastanza simili al valore annuale definitivo.
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Perché gli scienziati pensano che il 100% del riscaldamento globale sia dovuto agli esseri umani