Dai un'occhiata alle nuvole, se ce ne sono nel tuo cielo in questo momento. guarda i flutti, i bianchi cespi alti si stagliano contro il cielo azzurro. O, a seconda del tempo, guarda i morbidi bordi grigi che si uniscono in toni misti che si trascinano nell'aria fino a terra.

Sono un'ispirazione per la maggior parte di noi, ma un incubo per gli scienziati del clima. Le nuvole sono creature eccezionalmente complesse, e questa complessità rende difficile prevedere come e dove si formeranno, il che è un peccato, poiché tali previsioni sono essenziali per comprendere i modelli delle precipitazioni e come cambierà il nostro clima in futuro.

Ma i ricercatori dell'Università dello Utah potrebbero aver trovato un modo per ridurre notevolmente la difficoltà di prevedere la formazione delle nuvole. I risultati, pubblicato oggi in Journal of Geophysical Research-Atmospheres potrebbe colmare una lacuna chiave nella comprensione da parte degli scienziati di come potrebbe svolgersi il cambiamento climatico.

"Abbiamo usato la semplice termodinamica, " dice il professore di scienze atmosferiche Tim Garrett, "prevedere che dovrebbero esserci molte nuvole piccole e poche nuvole grandi in proporzioni che obbediscono a semplici leggi matematiche".

Le nuvole sono jolly per il clima

Nuvole, in particolare quelli ai tropici, fanno parte del sistema terrestre per eliminare il calore in eccesso generato dal sole. Ecco perché sono importanti per gli scienziati del clima. Fanno parte di un nastro trasportatore verticale, sollevando aria calda e fluttuante fino a un'altitudine in cui il calore può essere facilmente irradiato nella fredda oscurità dello spazio. Ma le nuvole possono giocare con il calore in altri modi.

"Pensa a quanto velocemente una nuvola può cambiare la temperatura durante un picnic estivo, ", afferma lo studioso postdottorato e coautore dello studio Ian Glenn. "Un leggero cambiamento nella frazione o nella distribuzione anche di poche piccole nuvole in una giornata altrimenti bella e limpida può creare o distruggere una gita".

Le nuvole crescono e si restringono costantemente mentre scambiano aria con l'aria secca circostante. Finora, non è chiaro in che modo le nuvole influiscano sugli effetti del cambiamento climatico globale:le nuvole rallenteranno il riscaldamento? O potenziarlo? Il riscaldamento creerà più nuvole? Se è così, quali saranno le regioni più colpite?

Tale incertezza può essere vista nella gamma di valori della sensibilità climatica, o la risposta della temperatura a un raddoppio dell'anidride carbonica nell'atmosfera. Le proiezioni attuali dicono che l'aumento potrebbe essere compreso tra 1,5 e 4,5 gradi Celsius. È difficile definire qualcosa di più di questo a causa del problema di comprendere il ruolo delle nuvole e delle precipitazioni in un clima che cambia.

"Sia la gamma bassa che la gamma alta sono cattive notizie per la civiltà, " Garrett dice, "ma uno è chiaramente molto più catastrofico, quindi è un problema piuttosto importante da risolvere".

Le nuvole sono profondamente complesse

I ricercatori hanno affrontato in precedenza il problema delle nuvole cercando di comprendere gli strati di complessità inerenti al modo in cui le nuvole interagiscono con la superficie, l'aria e anche se stessi. Il coautore dello studio Steven Krueger afferma che i processi fisici nelle nuvole variano da goccioline di nuvole, alla scala micrometrica, a sistemi cloud su larga scala che possono estendersi su un continente. E la turbolenza intrinseca delle nuvole crea vortici, spirali di energia turbolenta, che estendono il potere predittivo anche dei migliori modelli di nuvole eseguiti su supercomputer.

"Per modellare tutte le scale dell'atmosfera globale, dal più piccolo vortice turbolento alla scala globale ci vorrebbe circa un miliardo di miliardi di volte quello che possiamo utilizzare attualmente nei nostri computer, " Dice Krueger. "Possiamo calcolare completamente tutta la fisica delle nuvole in un volume di circa 1 metro di lato, per circa 10 minuti, ad un costo computazionale di 10, 000 ore di CPU."

Per aggirare questa complessità, i modellisti climatici simulano su larga scala mentre fanno ipotesi semplificatrici sui processi su piccola scala. Ma se esistesse un altro modo, e se i cloud seguissero semplici principi matematici in grado di ricreare le statistiche della complessità dei cloud senza bisogno di enormi risorse di elaborazione?

Le nuvole sono condotti che perdono

Torniamo al concetto di nuvole come condotti di calore nell'alta atmosfera. Affatto, affilato, nuvola bianca è composta da goccioline d'acqua, in contrasto con il chiaro, blu, aria relativamente più secca intorno. Il bianco, nuvole bagnate e il blu, aria secca sono in costante contatto tra loro, condividendo un confine comune. È questo confine che ha fatto pensare a Garrett.

Quando le gocce d'acqua si formano all'interno delle nuvole, viene rilasciato un po' di calore, rendendo le nuvole galleggianti nell'atmosfera. Garrett afferma che questo rende le nuvole efficienti nel loro compito di sollevare il calore dal suolo e significa anche che il caldo, l'aria che sale è turbolenta e può fuoriuscire dai lati della nuvola mentre si alza.

"Questa consapevolezza sulle nuvole come condotti che perdono mi ha fatto pensare che il posto dove cercare di capire le nuvole e il clima non fossero le loro aree che guardano verso il basso, come è stato comunemente il focus, ma invece i loro bordi, " dice Garrett.

Iniziò a studiare la termodinamica lungo i perimetri e i bordi delle nuvole, e ha scoperto che il perimetro orizzontale totale delle nuvole, Gli scambi turbolenti di calore e umidità attraverso i bordi delle nuvole e il profilo verticale di temperatura e umidità dell'atmosfera potrebbero essere tutti correlati. Un notevole vantaggio:i profili di temperatura e umidità atmosferica verticale sono relativamente semplici da prevedere nei climi che cambiano, quindi il collegamento alla quantità di nuvole semplifica un problema notoriamente difficile.

Alcuni altri principi della dinamica delle nuvole che sono emersi dalle equazioni degli autori:la competizione tra le nuvole per il calore e l'umidità atmosferica aiuta a spiegare quante nuvole si formano. Il prodotto del numero di nuvole e il loro perimetro rimane costante, una legge matematica nota come invarianza di scala. Ciò significa che un gran numero di nuvole è povero di perimetro mentre pochi fortunati sono ricchi. Anche, queste relazioni tra le diverse classi dimensionali di nubi risultano essere indipendenti dalla temperatura atmosferica. Più su quello in un minuto.

Garrett e i suoi colleghi hanno testato le loro scoperte teoriche confrontando il loro modello statistico con uno dei mega-modelli di formazione delle nuvole, il modello Giga-LES. Simula 24 ore complete di tempo atmosferico su un'area di 150 miglia quadrate (400 chilometri quadrati) ad alta risoluzione. Una simulazione di 24 ore richiede 300, 000 ore di elaborazione da completare. Il modello di Garrett, basato su poche righe di equazioni fisiche, ha riprodotto le statistiche chiave delle dimensioni e delle forme delle nuvole nel modello dinamico Giga-LES entro il 13%.

Ci sono cose che un modello statistico non può fare, Certo. "Non può mostrare, Per esempio, una nuvola che assomiglia a Topolino che si presenta in un determinato momento o luogo, " Garrett dice, "quindi è più adatto per previsioni sul clima a lungo termine piuttosto che sul tempo a breve termine".

Le nuvole seguono le regole

Così, cosa significa questo per i modellisti del cambiamento climatico che vogliono sapere come reagiranno le nuvole al riscaldamento delle temperature globali?

"Questo è abbastanza speculativo, " Garrett dice, "ma il suggerimento del nostro studio è che i feedback sul clima delle nuvole potrebbero essere piccoli, perché le nuvole tropicali si riorganizzano in un clima più caldo in modo da continuare il loro attuale basso impatto sulle temperature di superficie." In altre parole, mentre la quantità totale di copertura nuvolosa può aumentare, le proporzioni delle dimensioni delle nuvole a diverse altitudini probabilmente non cambieranno molto. Se questo modello è dimostrato, gli scienziati del clima potrebbero essere in grado di respirare un po' più facilmente sapendo che le nuvole probabilmente non amplificheranno il riscaldamento globale.

"Se questi feedback sul cloud sono inferiori a quanto previsto in precedenza, " Garrett dice, "la Terra potrebbe non riscaldarsi così velocemente come le nostre peggiori paure".

Leggi lo studio completo qui.