La scomparsa delle nuvole basse amplifica il riscaldamento globale attraverso un processo di retroazione positiva

    Le nuvole basse sugli oceani svolgono un ruolo fondamentale nel mantenimento della temperatura del nostro pianeta e nell'equilibrio energetico. La loro scomparsa o diminuzione comporta conseguenze significative.

    Una rappresentazione 3D di una simulazione di grandi vortici, realizzata dal gruppo di ricerca, mostra nuvole stratocumuli sull'Oceano Pacifico. Il piano inferiore rappresenta la galleggiabilità della superficie. Crediti: Sheide Chammas / Google.

    Le nuvole basse sugli oceani svolgono un ruolo fondamentale nel mantenimento della temperatura del nostro pianeta, riflettendo la luce solare e impedendole di raggiungere la superficie.

    Tuttavia, modellare la loro risposta ai cambiamenti climatici si è rivelato complesso. Ora, i ricercatori del Caltech e di Google hanno scoperto nuovi e importanti dati su come le nuvole potrebbero reagire all’aumento della temperatura della superficie del mare e ai crescenti livelli di CO₂, utilizzando un ampio e potente set di dati di simulazioni sviluppato dal gruppo.

    L'importanza delle nuvole basse sull'oceano

    «Una delle maggiori incognite nelle previsioni climatiche è come reagiranno le nuvole basse al riscaldamento globale», afferma Zhaoyi Shen, ricercatore capo del Centro Ronald e Maxine Linde per la Scienza Ambientale Globale del Caltech e coautore di un articolo che riassume i risultati del team, pubblicato su Science Advances.

    «I nostri risultati mostrano possibili adattamenti rapidi e significativi delle nuvole basse alle elevate concentrazioni di CO₂, il che suggerisce che il clima terrestre potrebbe essere più sensibile agli alti livelli di CO₂ rispetto a quanto attualmente previsto da alcuni modelli climatici».

    Il team ha inoltre scoperto che l’assottigliamento delle nuvole basse — strati uniformi o vaste estensioni irregolari al di sotto dei 1.800 metri che coprono enormi porzioni dei mari subtropicali — amplifica il riscaldamento globale attraverso un ciclo di retroazione: l’aumento della temperatura della superficie del mare produce meno nuvole, il che significa meno luce solare riflessa e un pianeta più caldo.

    «Ciò conferma le prove sempre più numerose emerse negli ultimi anni», afferma Tapio Schneider, professore ordinario di Scienze Ambientali e Ingegneria al Caltech e coautore dell’articolo; Schneider è anche ricercatore capo presso Google. «Ora possiamo scartare con certezza l’idea che questo effetto sia nullo o che in qualche modo attenui il riscaldamento globale».

    Combinando un framework di modellizzazione per le simulazioni sviluppato da Shen con la potenza delle risorse informatiche di Google, il team di ricerca ha utilizzato dati meteorologici simulati su larga scala provenienti da un affidabile modello climatico globale sviluppato dall’Amministrazione Nazionale Oceanica e Atmosferica per eseguire migliaia di simulazioni di grandi vortici ad alta risoluzione.

    Le simulazioni hanno utilizzato condizioni atmosferiche e superficiali relative a 500 località selezionate casualmente nell’Oceano Pacifico tropicale, rilevate in quattro mesi diversi per rappresentare i cambiamenti stagionali.

    Ogni combinazione di località e stagione è stata utilizzata per eseguire simulazioni di grandi vortici relative a quattro scenari di cambiamento climatico: un aumento di 4 gradi Celsius della temperatura della superficie del mare rispetto al valore di riferimento; un quadruplicamento della CO₂ atmosferica; un riscaldamento di 4 gradi Celsius con il doppio della CO₂; e un riscaldamento di 4 gradi Celsius con il quadruplo della CO₂.

    «Abbiamo scoperto che le nuvole rispondono direttamente alle variazioni di CO₂, un fatto ben noto in fisica, ma che forse sorprenderà molti», afferma Schneider. «Una semplice variazione della CO₂ atmosferica modifica il modo in cui la radiazione infrarossa si propaga nell’aria, influenzando direttamente le nuvole anche se le temperature vengono mantenute artificialmente costanti. Fondamentalmente, questo effetto non è lineare; accelera man mano che aumentano

    Rappresentazione 3D di simulazioni di nuvole sulle acque oceaniche. Le rappresentazioni 3D mostrano esempi di simulazioni a grandi vortici (LES) generate dal team di ricerca. Il pannello centrale rappresenta le posizioni campionate nell'Oceano Pacifico. In ogni angolo, le rappresentazioni volumetriche della frazione di massa d'acqua delle nuvole nelle simulazioni LES, generate dall'output di un modello climatico globale per le condizioni meteorologiche attuali in quattro località rappresentative (cerchi neri) durante il mese di luglio, rivelano modelli distinti di nuvole basse (in senso orario da in basso a sinistra: cumuli bassi, stratocumuli, stratocumuli costieri con nebbia e stratocumuli sopra i cumuli). Il piano inferiore rappresenta la galleggiabilità superficiale. Crediti: Sheide Chammas / Google
    Rappresentazione 3D di simulazioni di nuvole sulle acque oceaniche. Le rappresentazioni 3D mostrano esempi di simulazioni a grandi vortici (LES) generate dal team di ricerca. Il pannello centrale rappresenta le posizioni campionate nell'Oceano Pacifico. In ogni angolo, le rappresentazioni volumetriche della frazione di massa d'acqua delle nuvole nelle simulazioni LES, generate dall'output di un modello climatico globale per le condizioni meteorologiche attuali in quattro località rappresentative (cerchi neri) durante il mese di luglio, rivelano modelli distinti di nuvole basse (in senso orario da in basso a sinistra: cumuli bassi, stratocumuli, stratocumuli costieri con nebbia e stratocumuli sopra i cumuli). Il piano inferiore rappresenta la galleggiabilità superficiale. Crediti: Sheide Chammas / Google

    Il team ha utilizzato oltre 7.000 simulazioni nella propria ricerca, un aumento significativo della dimensione del campione rispetto ai lavori precedenti. Ad esempio, uno studio precedente di Shen aveva combinato i dati di 500 simulazioni, un numero già superiore alle decine di simulazioni utilizzate negli esperimenti precedenti.

    Questa enorme scalabilità è stata resa possibile dal punto di vista computazionale da un codice di simulazione "large-swirl" che sfrutta i cluster di unità di elaborazione tensoriale (TPU) di Google per creare una solida raccolta di stati delle nuvole in diverse condizioni. Le TPU sono chip di calcolo specializzati progettati per accelerare i carichi di lavoro di intelligenza artificiale (IA) e apprendimento automatico.

    "Questo esperimento dimostra la potenza di calcolo che le capacità hardware di Google consentono", ha affermato Yi-Fan Chen, direttore dell'ingegneria del software di Google e responsabile del team di ricerca. "Si tratta di calcolo su una scala straordinaria, che dimostra come i processori originariamente sviluppati per l'IA e l'apprendimento automatico possano accelerare le scoperte scientifiche, consentendo simulazioni prima irraggiungibili."

    Osservare e simulare il passato

    Oltre a modellare il futuro, questo set di dati può aiutare i ricercatori a chiarire i climi passati del pianeta, come ad esempio durante l'Eocene (iniziato 56 milioni di anni fa e terminato 33,9 milioni di anni fa), quando i livelli di CO₂ erano fino a quattro volte superiori a quelli odierni. Inoltre, il set di dati è disponibile pubblicamente, il che significa che chiunque con un computer portatile può utilizzarlo per creare i propri modelli.

    "Questo nuovo set di dati pubblico ha il potenziale per aiutare la più ampia comunità scientifica a valutare e addestrare modelli di turbolenza, convezione e nuvolosità per i modelli climatici globali", afferma Shen. Shen fa anche parte della Climate Modelling Alliance (CliMA), una coalizione di scienziati, ingegneri e matematici applicati del Caltech e del MIT, con sede al Caltech. "Nella Climate Modelling Alliance stiamo sviluppando un nuovo modello climatico progettato per apprendere dai dati utilizzando l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico, e sto usando questo set di dati per calibrare i nuovi schemi di turbolenza e convezione del nostro modello."

    Fonte: Instituto Tecnológico de California, Caltech

    Riferimento della notizia

    Sheide Chammas et al. High-resolution simulations reveal positive global warming feedback from Pacific low clouds, Science Advances.