L’entità del contributo umano al riscaldamento globale moderno è un argomento molto dibattuto nei circoli politici, in particolare negli Stati Uniti.

Durante una recente udienza al Congresso, Rick Perry, il segretario all’energia degli Stati Uniti, ha osservato che “alzarsi in piedi e dire che il 100% del riscaldamento globale è dovuto all’attività umana, penso a prima vista, è semplicemente indifendibile “.

Tuttavia, la scienza sul contributo umano al riscaldamento moderno è abbastanza chiara. Le emissioni e le attività degli esseri umani hanno causato circa il 100% del riscaldamento osservato dal 1950, secondo l’Intergovernmental Panel on Climate Change’s (IPCC ) quinto rapporto di valutazione.

Qui Carbon Brief esamina come ciascuno dei principali fattori che influenzano il clima della Terra influenzerebbe le temperature in isolamento e come i loro effetti combinati predicevano quasi perfettamente i cambiamenti a lungo termine della temperatura globale.

L’analisi di Carbon Brief rileva che th at:

• 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 riscaldassero il pianeta , ci aspetteremmo di vedere circa un terzo in più di riscaldamento rispetto a quanto effettivamente avvenuto. Sono compensati dal raffreddamento degli aerosol atmosferici prodotti dall’uomo.
• Si prevede che gli aerosol diminuiranno in modo significativo entro il 2100, portando il riscaldamento totale di tutti i fattori più vicino al riscaldamento dei soli gas a effetto serra.
• Naturale è improbabile che la variabilità del clima terrestre svolga un ruolo importante nel riscaldamento a lungo termine.

Animazione di Rosamund Pearce per Carbon Brief. Immagini tramite Alamy Stock Photo.

Quanto riscaldamento è causato dagli esseri umani?

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 della temperatura superficiale media globale “dal 1951 al 2010 è stato causato dall’attività umana. Con” estremamente probabile “, significava che c’era una probabilità compresa tra il 95% e il 100% che più della metà del riscaldamento moderno fosse a causa degli esseri umani.

Questa affermazione un po ‘contorta è stata spesso interpretata erroneamente nel senso che la responsabilità umana per il riscaldamento moderno è compresa tra il 50% e il 100%. Infatti, come ha sottolineato il dottor Gavin Schmidt della NASA, 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 fattori naturali isolati che portano a un leggero raffreddamento negli ultimi 50 anni.

Allo stesso modo, la recente quarta valutazione del clima nazionale degli Stati Uniti ha rilevato che tra il 93% e il 123% del riscaldamento osservato nel periodo 1951-2010 era dovuto alle attività umane.

Queste conclusioni hanno portato a una certa confusione su come più del 100% del riscaldamento osservato potrebbe essere attribuibile all’attività umana. Un contributo umano superiore al 100% è possibile perché il cambiamento climatico naturale associato ai vulcani e all’attività solare molto probabilmente avrebbe provocato un leggero raffreddamento negli ultimi 50 anni, compensando parte del riscaldamento associato alle attività umane.

“Forze” 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 note come “forzature radiative”.

Queste forzature includono gas a effetto serra, che intrappolano il calore in uscita, 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 , 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 climatico statistico sviluppato dal dott. Karsten Haustein e i suoi colleghi dell’Università di Oxford e dell’Università di Leeds. Questo modello trova la relazione tra le forzanti climatiche umane e naturali e la temperatura che meglio corrisponde alle temperature osservate, sia a livello globale che solo sulle aree terrestri.

La figura seguente mostra il ruolo stimato di ogni diversa forzatura climatica nel cambiare le temperature della superficie globale dall’inizio delle registrazioni nel 1850, inclusi i gas serra (linea rossa), gli aerosol (blu scuro e), uso del suolo (azzurro), ozono (rosa), solare (giallo) e vulcani (arancione).

I punti neri mostrano le temperature osservate dal progetto Berkeley Earth surface temperature, mentre la linea grigia mostra il riscaldamento stimato dalla combinazione di tutti i diversi tipi di forzanti

La combinazione di tutte le forzature radiative generalmente corrisponde abbastanza bene ai cambiamenti a lungo termine nelle temperature osservate. C’è una certa variabilità di anno in anno, principalmente dagli eventi di El Niño, che non è guidata da cambiamenti nelle forzature. Ci sono anche periodi tra il 1900-1920 e il 1930-1950 in cui sono evidenti alcuni disaccordi più ampi tra il riscaldamento previsto e osservato, sia in questo modello semplice che in modelli climatici più complessi.

Il grafico evidenzia quello, tra tutti le forzanti radiative analizzate, solo gli aumenti delle emissioni di gas serra producono l’entità del riscaldamento registrato negli ultimi 150 anni.

Se le emissioni di gas serra da sole riscaldassero il pianeta, ci aspetteremmo di vedere circa un terzo di riscaldamento in più di quanto non sia realmente accaduto.

Quindi, che ruolo giocano tutti gli altri fattori?

Il riscaldamento extra dei gas serra è compensato dall’anidride solforosa e da altri prodotti della combustione di combustibili fossili che formare aerosol atmosferici. Gli aerosol nell’atmosfera riflettono la radiazione solare in entrata nello spazio e aumentano la formazione di nuvole alte e riflettenti, raffreddando la Terra.

L’ozono è un gas serra di breve durata che intrappola il calore in uscita e riscalda la Terra. L’ozono non viene emesso direttamente, ma si forma quando metano, monossido di carbonio, ossidi di azoto e composti organici volatili si degradano nell’atmosfera. L’aumento dell’ozono è direttamente attribuibile alle emissioni umane di questi gas.

Nell’alta atmosfera, 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 pochi decimi di grado.

I cambiamenti nel modo in cui viene utilizzata la terra alterano la riflettività della superficie terrestre. Ad esempio, sostituire una foresta con un campo aumenterà generalmente la quantità di luce solare riflessa nello spazio, in particolare nelle regioni innevate. L’effetto netto sul clima dei cambiamenti nell’uso del suolo 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 in alto nella stratosfera, dove possono rimanere in alto per alcuni anni, riflettendo la luce solare in arrivo nello spazio. Tuttavia, una volta che i solfati tornano in 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 di temperature fino a 0,4 ° C associati a grandi eruzioni.

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 fluttua modestamente su un ciclo di circa 11 anni. C’è stato un leggero aumento dell’attività solare complessiva dal 1850, ma la quantità di energia solare aggiuntiva che raggiunge la Terra è piccola rispetto ad altre forzature radiative esaminate.

Negli ultimi 50 anni, l’energia solare ha raggiunto il La Terra è in realtà leggermente diminuita, mentre le temperature sono aumentate notevolmente.

Le forzature umane corrispondono al riscaldamento osservato

L’accuratezza di questo modello dipende dall’accuratezza delle stime della forzatura radiativa. Alcuni tipi di forzanti radiativi come quello delle concentrazioni atmosferiche di CO2 possono essere misurati direttamente e hanno incertezze relativamente piccole. Altri, come gli aerosol, sono soggetti a incertezze molto maggiori a causa della difficoltà di misurare con precisione i loro effetti sulla formazione delle nuvole.

Questi sono spiegati nella figura seguente, che mostra le forzanti naturali combinate (linea blu) e forzature umane (linea rossa) e le incertezze che il modello statistico associa a ciascuna. Queste aree ombreggiate si basano su 200 diverse stime di forzanti radiative, incorporando la ricerca che tenta di stimare un intervallo di valori per ciascuna. Le incertezze sui fattori umani aumentano dopo il 1960, guidate in gran parte dall’aumento delle emissioni di aerosol dopo quel punto.

Nel complesso, il riscaldamento associato a tutte le forzature umane concorda abbastanza bene con il riscaldamento osservato, dimostrando che circa il 104% del totale dall’inizio del periodo “moderno” nel 1950 proviene dalle attività umane (e il 103% dal 1850), che è simile al valore riportato dall’IPCC.Le forzanti naturali combinate mostrano un modesto raffreddamento, principalmente causato da eruzioni vulcaniche.

Il semplice modello statistico utilizzato per questa analisi da Carbon Brief differisce da modelli climatici molto più complessi generalmente utilizzati dagli scienziati per valutare l’impronta digitale umana sul riscaldamento . I modelli climatici non si limitano a “adattare” le forzature alle temperature osservate. I modelli climatici includono anche variazioni di temperatura nello spazio e nel tempo e possono tenere conto di differenti efficacia delle forzanti radiative in diverse regioni della Terra.

Tuttavia, Quando si analizza l’impatto di differenti forzanti sulle temperature globali, i modelli climatici complessi generalmente trovano risultati simili a semplici modelli statistici. La figura seguente, 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 delle forzanti umane è mostrata in arancione.

Ciò suggerisce che le forzature umane da sole avrebbero provocato circa il 110% del riscaldamento osservato. L’IPCC ha incluso nei modelli anche l’entità stimata della variabilità interna in quel periodo, che suggeriscono essere relativamente piccola e paragonabile a quella delle forzanti naturali.

Come dice il prof Gabi Hegerl dell’Università di Edimburgo a Carbon Brief : “Il rapporto IPCC ha una stima che sostanzialmente dice che la migliore ipotesi non è un contributo con non molta incertezza.”

Le aree terrestri si stanno riscaldando più velocemente

Le temperature della terra si sono riscaldate notevolmente più velocemente di temperature globali medie nel secolo scorso, con temperature che negli ultimi anni hanno raggiunto circa 1,7 ° C al di sopra dei livelli preindustriali. Il record della temperatura terrestre risale anche più indietro nel tempo rispetto al record della temperatura globale, sebbene il periodo precedente al 1850 sia soggetto a incertezze.

Le forzanti radiative sia umane che naturali possono essere abbinate alla temperatura del terreno utilizzando il modello statistico. L’entità delle forzature umane e naturali differirà leggermente tra la temperatura terrestre e quella globale S. Ad esempio, le eruzioni vulcaniche sembrano avere un’influenza maggiore sulla terra, poiché è probabile che le temperature del suolo rispondano più rapidamente ai rapidi cambiamenti nelle forzanti.

La figura seguente mostra il contributo relativo di ciascuna diversa forzatura radiativa alle temperature del terreno dal 1750.

La combinazione di tutte le forzature corrisponde generalmente abbastanza bene alle temperature osservate, con variabilità a breve termine attorno alla linea grigia guidata principalmente da El Niño e gli eventi di La Niña. Vi è una variazione più ampia delle temperature prima del 1850, che riflette le incertezze molto più grandi nei registri delle osservazioni che risalgono a molto tempo fa.

C’è ancora un periodo intorno al 1930 e al 1940 in cui le osservazioni superano quanto previsto dal modello, sebbene le differenze sono meno pronunciate rispetto alle temperature globali e la divergenza 1900-1920 è per lo più assente nei registri terrestri.

Le eruzioni vulcaniche alla fine del 1700 e all’inizio del 1800 si distinguono nettamente nei record del terreno. L’eruzione del Monte Tambora in Indonesia nel 1815 potrebbe aver raffreddato le temperature della terra di un enorme 1,5 ° C, sebbene i record all’epoca fossero limitati a parti dell’emisfero settentrionale ed è, quindi, difficile trarre una conclusione definitiva sugli impatti globali. In generale, i vulcani sembrano raffreddare la temperatura della terra di quasi il doppio della temperatura globale.

Cosa potrebbe accadere in futuro?

Carbon Brief ha utilizzato lo stesso modello per prevedere i futuri cambiamenti di temperatura associato a ciascun fattore di forzatura. La figura seguente mostra le osservazioni fino al 2017, insieme alle future forzature radiative post-2017 da RCP6.0, uno scenario di riscaldamento futuro medio-alto.

Quando viene fornito con le forzature radiative per lo scenario RCP6.0, il semplice modello statistico mostra un riscaldamento di circa 3 ° C entro il 2100, quasi identico al riscaldamento medio che i modelli climatici trovano.

Si prevede che la futura forzatura radiativa da CO2 continuerà ad aumentare se le emissioni aumenteranno.Gli aerosol, d’altra parte, dovrebbero raggiungere il picco ai livelli odierni e diminuire in modo significativo entro il 2100, spinti in gran parte dalle preoccupazioni per la qualità dell’aria. Questa riduzione degli aerosol aumenterà il riscaldamento generale, portando il riscaldamento totale dovuto a tutte le forzature radiative più vicino al riscaldamento dovuto ai soli gas serra. Gli scenari RCP non presuppongono alcuna eruzione vulcanica futura specifica, poiché la tempistica di queste è inconoscibile, mentre la produzione solare continua il suo ciclo di 11 anni.

Questo approccio può essere applicato anche alle temperature del terreno, come mostrato nella figura sotto. Qui, le temperature della terra sono mostrate tra il 1750 e il 2100, con forzature post-2017 anche da RCP6.0.

Si prevede che la terra si riscaldi circa il 30% più velocemente del globo nel suo insieme, poiché la velocità di riscaldamento degli oceani è attenuata dall’assorbimento di calore dell’oceano. Questo si vede nei risultati del modello, dove la terra si riscalda di circa 4 ° C entro il 2100 rispetto ai 3 ° C a livello globale nello scenario RCP6.0.

Esiste un’ampia gamma di riscaldamento futuro possibile da diversi scenari RCP e valori diversi. per la sensibilità del sistema climatico, ma tutti mostrano un modello simile di diminuzione delle future emissioni di aerosol e un ruolo più ampio per la forzatura dei gas a effetto serra nelle temperature future.

Il ruolo della variabilità naturale

Sebbene le forze naturali del solare e dei vulcani non sembrino svolgere un ruolo molto importante nel riscaldamento a lungo termine, esiste anche una variabilità naturale associata ai cicli oceanici e alle variazioni nell’assorbimento di calore dell’oceano.

Poiché la stragrande maggioranza degli l’energia intrappolata dai gas a effetto serra viene assorbita dagli oceani piuttosto che dall’atmosfera, i cambiamenti nel tasso di assorbimento del calore oceanico possono potenzialmente avere grandi impatti sulla temperatura superficiale. Alcuni ricercatori hanno sostenuto che i cicli multidecadali, come l’Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) e il Pacific Decadal Oscillation (PDO), possono svolgere un ruolo nel riscaldamento su scala decennale.

Mentre i fattori umani spiegano tutto 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 di forzatura radiativa. Ad esempio, la modesta discrepanza tra la stima basata sulla forzatura radiativa e le osservazioni durante la metà del 1900 potrebbe essere la prova di un ruolo per la variabilità naturale durante quel periodo.

Un certo numero di ricercatori ha esaminato il potenziale del naturale variabilità per influenzare le tendenze di riscaldamento a lungo termine. Hanno scoperto che generalmente gioca un ruolo limitato. Ad esempio, il dott.Markus Huber e il dott.Reto Knutti dell’Istituto di scienze atmosferiche e climatiche (IAC) di Zurigo hanno riscontrato un contributo massimo possibile della variabilità naturale di circa il 26% (+/- 12%) negli ultimi 100 anni e il 18% (+/- 9%) negli ultimi 50 anni.

Knutti dice a Carbon Brief:

“Non possiamo mai dominare completamente scoprire che la variabilità naturale è più ampia di quanto pensiamo attualmente. Ma questo è un argomento debole: ovviamente non puoi mai escludere l’ignoto sconosciuto. La domanda è se esiste una forte o addirittura alcuna prova per esso. E la risposta è no, a mio avviso.

I modelli ottengono la variabilità della temperatura a breve termine approssimativamente corretta. In molti casi, ne hanno anche troppe. E a lungo termine, non possiamo esserne sicuri perché le osservazioni sono limitate. Ma la risposta forzata spiega più o meno le osservazioni, quindi non ci sono prove del XX secolo che ci manchino ething…

Anche se si è scoperto che i modelli sottostimano la variabilità interna di un fattore tre, è estremamente improbabile che la variabilità interna possa produrre una tendenza ampia quanto osservata. “

Allo stesso modo, il dottor Martin Stolpe e colleghi, anche a IAC, hanno recentemente analizzato il ruolo di variabilità naturale multidecadale negli oceani Atlantico e Pacifico. Hanno scoperto che “meno del 10% del riscaldamento globale osservato durante la seconda metà del 20 ° secolo è causato dalla variabilità interna di questi due bacini oceanici, rafforzando l’attribuzione della maggior parte del riscaldamento osservato a forzanti antropogeniche”.

È probabile che la variabilità interna abbia un ruolo molto più importante nelle temperature regionali. Ad esempio, nella produzione di periodi insolitamente caldi nell’Artico e negli Stati Uniti negli anni ’30. Tuttavia, appare il suo ruolo nell’influenzare i cambiamenti a lungo termine nelle temperature superficiali globali essere limitato.

Conclusione

Sebbene ci siano fattori naturali che influenzano il clima della Terra, l’influenza combinata dei vulcani e i cambiamenti nell’attività solare avrebbe portato al raffreddamento piuttosto che al riscaldamento sul negli ultimi 50 anni.

Il riscaldamento globale a cui si è assistito negli ultimi 150 anni corrisponde quasi perfettamente a quanto ci si aspetta dalle emissioni di gas serra e da altre attività umane, sia nel modello semplice esaminato qui che in modelli climatici più complessi. La migliore stima del contributo umano al riscaldamento moderno è di circa il 100%.

Rimane una certa incertezza 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 semplice modello statistico utilizzato in questo articolo è adattato dal Global Warming Index pubblicato da Haustein et al (2017). A sua volta, si basa sul modello Otto et al (2015).

Il modello stima i contributi ai cambiamenti climatici osservati e rimuove l’impatto delle fluttuazioni naturali di anno in anno mediante una regressione lineare multipla delle temperature e risposte stimate ai fattori naturali del cambiamento climatico indotti dall’uomo e totali. Le risposte 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 forzature si basano sui valori IPCC (2013) e sono state aggiornate al 2017 utilizzando i dati di NOAA ed ECLIPSE. 200 variazioni di queste forzature sono state fornite dal Dr. Piers Forster dell’Università di Leeds, riflettendo l’incertezza nella forzatura delle stime. Viene fornito anche un foglio di calcolo Excel contenente il loro modello.

Il modello è stato adattato calcolando le risposte di forzatura per ciascuna delle diverse forzature climatiche principali piuttosto che semplicemente forzature umane e naturali totali, utilizzando il record di Berkeley Earth per le osservazioni. Il tempo di decadimento della risposta termica utilizzato per convertire i forzanti in risposte forzanti è stato regolato per essere un anno anziché quattro anni per le forzature vulcaniche per riflettere meglio il tempo di risposta veloce presente nelle osservazioni. Gli effetti degli eventi 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 della temperatura vulcanica, come altrimenti la sovrapposizione tra vulcani ed ENSO complica le stime empiriche.

La risposta alla temperatura per ogni singola forzatura è stata calcolata scalando le loro risposte di forzatura in base ai coefficienti umani o naturali totali del modello di regressione. Il modello di regressione è stato eseguito anche separatamente per le temperature del terreno. Le risposte di temperatura per ciascuna forzatura tra il 2018 e il 2100 sono state stimate utilizzando i dati di forzatura da RCP6.0, normalizzati per corrispondere all’entità delle forzature osservate alla fine del 2017.

Le incertezze nella risposta totale della temperatura umana e totale naturale erano stimato utilizzando un’analisi Monte Carlo di 200 diverse serie di forzanti, nonché le incertezze nei coefficienti di regressione stimati. Il codice Python utilizzato per eseguire il modello è archiviato con 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 simile al valore annuale finale.