Nuovi modelli per rilevare il clima della Terra su scala chilometrica
Sino ad ora, la ricerca sul clima non ha avuto a disposizione gli strumenti adatti per rispondere a vari interrogativi, come ad esempio quali eventi meteorologici è probabile che si verifichino, nonché quando, dove e con quale frequenza. Semplicemente, la tecnologia non era abbastanza potente per gestire questa complessità. «La scoperta fondamentale è che i nuovi modelli sono ora in grado di colmare il divario tra le condizioni meteorologiche su scala planetaria, su cui si concentrano i modelli climatici tradizionali, e i moti su scala inferiore che danno origine a tali condizioni», osserva Bjorn Stevens, che ha rivestito il ruolo di coordinatore del progetto NextGEMS(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE. «A differenza dei modelli più vecchi, che fanno forte affidamento su approssimazioni empiriche, queste nuove simulazioni si fondano in maniera migliore sulle leggi fisiche della termodinamica e della dinamica dei fluidi. Questo sviluppo è reso possibile dai massicci progressi compiuti nel campo della potenza di calcolo, alimentati in parte dalle crescenti esigenze dell’IA.»
Dai modelli globali agli impatti locali
Ad esempio, è ora possibile simulare i modelli locali relativi al vento e alle correnti oceaniche che contribuiscono a sostenere molti dei sistemi naturali della Terra; analogamente, possiamo simulare le tempeste di pioggia, compresi i cicloni tropicali, i cui effetti venivano ignorati o trattati a livello statistico in precedenza. Queste tempeste esercitano un profondo impatto sulla società, in quanto sono in grado di causare inondazioni, danneggiare le infrastrutture e minacciare le vite umane. Un altro passo in avanti è rappresentato dall’acquisizione della capacità di includere i vortici oceanici nelle simulazioni. «Questi sistemi di circolazione vorticosi contribuiscono a bilanciare il bilancio energetico del pianeta e influenzano la struttura dell’oceano globale, interagendo inoltre con le lastre di ghiaccio, un processo fondamentale per comprendere i cambiamenti che si verificano nel livello del mare», sottolinea Stevens. Oltre a questi fenomeni su larga scala, i nuovi modelli sono ora in grado di tenere conto anche di effetti localizzati di entità sempre minore, come i microclimi creati da una topografia complessa, i sistemi di vento associati agli incendi o gli effetti di raffreddamento generati dalle brezze marine lungo le linee costiere.
Far progredire la conoscenza delle precipitazioni e del comportamento delle nuvole
NextGEMS ha sviluppato due modelli avanzati di risoluzione delle tempeste destinati all’utilizzo scientifico e operativo da Destination Earth, uno costruito sulla base della struttura di modellizzazione di ICON e l’altro sul sistema di previsione integrato del CEPMMT. Questi modelli dimostrano un’impressionante spaziatura della griglia, fino a 1 km. I nuovi modelli presentano altri vantaggi innovativi: «Possono essere messi a confronto più facilmente con le misurazioni del mondo reale, in particolare con i dati ricavati dai più recenti satelliti Earth Explorers», spiega Stevens. Ciò li rende più semplici da valutare e migliorare, offrendo la speranza di dare origine a una rappresentazione fisica più accurata del clima. Grazie alla potenza di calcolo di EURO HPC, questi modelli sono stati utilizzati al fine di esplorare un’ampia gamma di questioni scientifiche, tra cui i fattori che controllano i modelli di precipitazioni tropicali, la formazione e l’organizzazione delle nuvole, le modalità di risposta al riscaldamento e agli aerosol attuate dal clima e l’influenza esercitata dai cambiamenti nell’uso del suolo sulle precipitazioni. Le principali scoperte realizzate includono il ruolo svolto dallo scambio energetico tra aria e mare nella formazione delle precipitazioni tropicali, un ciclo di feedback tra le precipitazioni e l’umidità del suolo, il modo in cui il mescolamento verticale in condizioni stabili influenza la distribuzione delle nuvole e il ruolo rivestito dai vortici oceanici nel regolare l’andamento del riscaldamento globale a livello spaziale.
Una sinergia tra modelli semplificati e ad alta risoluzione
I nuovi modelli eccellono nell’obiettivo di fornire previsioni più fisiche sulle modalità con cui il clima cambierà nei prossimi decenni; ciononostante, per scale temporali più lunghe ( secoli o millenni), i modelli statistici più vecchi continuano ad essere indispensabili. Essendo più semplici dal punto di vista computazionale, questi modelli possono funzionare più a lungo per produrre grandi insiemi, nell’ambito di un processo in cui lo stesso calcolo viene ripetuto molte volte allo scopo di comprendere in maniera migliore quanta variabilità è intrinseca al sistema stesso: questo li rende preziosi in relazione all’attuazione degli sforzi intesi a cogliere i cambiamenti a lungo termine e la variabilità su scala decennale. «Un modo semplice di pensare ai nuovi modelli riguarda la loro progettazione, intesa ad aiutarci a ragionare sull’adattamento locale ai cambiamenti climatici. I modelli più vecchi, invece, si concentrano su cambiamenti mediati a livello globale, il che risulta utile per ragionare sulle strategie di mitigazione», conclude Stevens.
