Il cambiamento climatico

L'atmosfera terrestre influenza in modo sostanziale la temperatura della superficie del nostro pianeta. Infatti alcuni gas, come il vapore acqueo, il metano e l'anidride carbonica (CO₂) trattengono il calore solare impedendo che venga riemesso verso lo spazio (effetto serra).

Sappiamo ormai da più di un secolo che la combustione di combustibili fossili (carbone, petrolio, etc.) porta ad un aumento della concentrazione di CO₂ nell'atmosfera e quindi ad un aumento della temperatura. Infatti, già nel 1896, il fisico svedese Svante Arrhenius aveva calcolato l'effetto sul clima di un raddoppio della concentrazione di CO₂ nell'atmosfera (1).

E' importante qui sottolineare la differenza tra clima e tempo meteorologico. Semplificando possiamo dire che il clima rappresenta la media su un periodo piuttosto lungo (dell'ordine di diversi decenni) del tempo meteorologico.

Avere una valutazione abbastanza precisa degli effetti dell'aumento di CO₂ sul clima è molto difficile, perché la temperatura dell'atmosfera terrestre dipende da molti fattori, come ad esempio le variazioni periodiche dell'orbita terrestre e la quantità di cenere e di altre sostanze emesse nell'atmosfera durante le eruzioni vulcaniche.

Come valutarlo

Per arrivare quindi a separare l'effetto delle attività umane da quello dei fenomeni naturali, e prevedere l'evoluzione futura del clima, è necessario ricorrere a dei modelli numerici, rappresentando in un programma per computer la complessità della superficie terrestre e delle interazioni dell'atmosfera con i processi biologici e geologici del pianeta. Ogni volta che si ricorre a dei modelli numerici, diventa necessario verificarne la precisione utilizzando dei dati esterni. Nel caso dei modelli climatici, abbiamo la possibilità di questa verifica, perché i modelli sono disponibili ormai da anni e possiamo confrontare le loro previsioni con le misure dei parametri meteorologici rilevate nella realtà.

Ad esempio, si è visto che i modelli climatici sviluppati alla fine degli Anni '80 dalla compagnia petrolifera ExxonMobil e quelli raccolti in letteratura dalla stessa compagnia, prevedevano con grande precisione le concentrazioni di CO₂ misurate nei decenni successivi, e la temperatura media dell'atmosfera (2).

Validazioni simili sono possibili anche per modelli più recenti: ad esempio si può calibrare un modello utilizzando i dati climatici fino al 2010, poi usare il modello per "prevedere" il periodo successivo e confrontare i risultati con le misure reali.

Alla fine, possiamo fidarci delle previsioni dei modelli? In generale sì, anche se rimane possibile che vi siano cambiamenti "catastrofici" non prevedibili, cioè situazioni che cambiano l'insieme dei meccanismi di regolazione conducendoci ad una nuova situazione molto diversa da quella attuale.

La ionosfera

Come tutti sanno, i modelli numerici che descrivono i cambiamenti climatici in atto prevedono un riscaldamento della bassa atmosfera. E' invece meno noto che gli stessi modelli prevedono un raffreddamento degli strati più alti dell'atmosfera, al di sopra dei 7 km, dove si trova anche la ionosfera, la parte che interessa di più noi radioamatori, perché è quella che influenza la propagazione della onde radio, in particolare delle Onde Corte.

Infatti, l'aumento della CO2 intrappola una maggiore quantità di calore nella bassa atmosfera, e quindi la media ed alta atmosfera si raffreddano (3,4).

Secondo i primi calcoli effettuati già alla fine degli Anni '80, un raddoppio della concentrazione di CO₂ e metano a 60 km porterebbe ad un raffreddamento di 5° della mesosfera e di 40° della parte di termosfera al di sopra di 200 km, dove si trova lo strato F2, quello più importante per la propagazione delle Onde Corte.

Il raffreddamento della parte alta dell'atmosfera comporta una contrazione di questi strati (5) con un abbassamento previsto della quota dello strato ionosferico F2 di 15-20 km.

I modelli più recenti mostrano che i cambiamenti climatici stanno portando, e porteranno sempre di più, non solo alla diminuzione della quota dello strato F2, ma anche alla riduzione della sua densità elettronica (6), da cui dipende in modo diretto la propagazione delle Onde Corte (7).

Anche in questo caso, è possibile verificare questi modelli utilizzando dati raccolti per diversi decenni, in particolare le informazioni raccolte dalle ionosonde. Ad esempio, i dati della stazione ionosonda di Juliusruh in Germania mostrano che la quota dello strato F2, è diminuita di 8 km in 33 anni (8).

Considerando le serie di dati delle ionosonde a lungo termine disponibili a livello globale, è stato possibile rilevare le tendenze temporali dei dati ionosferici, nonostante le forti variazioni dovute all'attività solare e al campo magnetico terrestre. In particolare, si è visto sia l'abbassamento della quota dello strato E sia l'aumento della densità elettronica degli strati E e F1.

Nello strato F2, invece, la dispersione dei trend sperimentali derivati per le diverse stazioni era piuttosto elevata e non era possibile stimare una tendenza globale media significativa (9). Un'analisi più recente dei dati delle ionosonde ha mostrato però che la tendenza alla diminuzione della densità elettronica è ormai rilevabile nella maggior parte delle stazioni, anche se in alcune regioni si misura invece un aumento. Inoltre, le tendenze dipendono dall'ora del giorno e dalla stagione e sono più marcati alle medie latitudini in inverno che in estate (10).

Secondo i modelli, la causa principale della riduzione di densità elettronica dello strato F2 è l'aumento di CO₂, ma in alcune regioni l'impatto dei cambiamenti secolari nel campo magnetico terrestre (negativo in alcune aree e positivo in altre) è più forte (10).

La riduzione dello spessore della troposfera viene studiato principalmente per i suoi effetti sui satelliti artificiali che orbitano intorno alla Terra: si riduce l'attrito dovuto agli strati alti dell'atmosfera, aumentando la durata in orbita dei satelliti, ma anche quella della "spazzatura spaziale" che rimane quindi in orbita per tempi più lunghi.

 E la propagazione?

Non ho trovato studi specifici sugli effetti di questi cambiamenti sulla propagazione delle Onde Corte: non so se mi sono sfuggiti o se è un argomento che ha perso interesse economico e scientifico, dal momento che ormai il traffico radiofonico internazionale avviene quasi sempre via satellite o Internet.

Possiamo però immaginare l'effetto di questi cambiamenti della ionosfera sulla propagazione delle onde radio: dobbiamo considerare che queste variazioni sul lungo periodo sono piccole in confronto alla grande influenza del ciclo solare di circa 11 anni sulla densità elettronica della ionosfera, ma si accumulano nel tempo.

Possiamo paragonare questo risultato a quello della bassa atmosfera, in cui ci sono variazioni annuali di temperatura molto marcate, a cui si sovrappone piccola tendenza all'aumento di temperatura: continuiamo ad avere estati calde, ma via via più calde, ed inverni freddi, ma sempre meno freddi, con possibili saltuarie eccezioni.

Lo stesso si può immaginare per la ionosfera: dipenderà sempre dai capricci del ciclo solare, ma la risposta si sommerà con un aumento costante della densità degli strati E e F1 e una riduzione di quella dello strato F2. Questo porterebbe nel tempo a dei cambiamenti nella propagazione a lunga distanza delle Onde Corte, a parità di attività solare e di intensità locale del campo magnetico terrestre, sempre che non vi sia un livello di soglia oltre il quale si possano avere cambiamenti più consistenti nella propagazione ionosferica.

Aldo Marchetto, IZ1ANT

1. Arrhenius, S., 1896. On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground. Philosophical Magazine and Journal of Science. Series 5, Volume 41: 237-276.
2. Supran G., Rahmstorf S. & Oreskes, N., 2023. Assessing ExxonMobil's global warming projections. Science, 379: 6628. https://doi.org/10.1126/science.abk0063
   
3. Brasseur, G. & Hitchman, M., 1988: Stratospheric Response to Trace Gas Perturbations: Changes in Ozone and Temperature Distributions. Science, 240, 634-7, https://doi.org/10.1126/science.240.4852.634.
   
4. Roble, R. & Dickinson, Robert, 1990: How will changes in carbon dioxide and methane modify the mean structure of the mesophere and thermosphere? Geophysical Research Letters, 16, https://doi.org/10.1029/GL016i012p01441.
5. Rishbeth, H., 1999: Chances and changes: The detection of long-term change in the ionosphere, Trans. Amer. Geophys. Union (EOS), 80, 590 & 593.
6. Cnossen, I., 2022. A realistic projection of climate change in the upper atmosphere into the 21st century. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL100693. https://doi.org/10.1029/2022GL100693
   
7. ITU, 1998. Handbook. The Ionosphere and its effect on radiowave propagation. 170 pp.
8. Bremer, J., 1992: Ionospheric trends in mid-latitudes as a possible indicator of the atmospheric greenhouse effect. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 54, 1505-1511, https://doi.org/10.1016/0021-9169(92)90157-G.
   
9. Bremer, J., 2001. Trends in the thermosphere derived from global ionosonde observations. Advances in Space Research, 28: 997-1006. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(01)80029-6.
10. Laštovička, J., 2022. Long-Term Changes in Ionospheric Climate in Terms of foF2. Atmosphere 13, no. 1: 110. https://doi.org/10.3390/atmos13010110