Per valutare i rischi a lungo termine per gli alimenti, acqua, energia e altre risorse naturali critiche, i responsabili delle decisioni spesso si affidano a modelli del sistema Terra in grado di produrre proiezioni affidabili dei cambiamenti ambientali regionali e globali nell'arco di decenni.

Un componente chiave di tali modelli è la rappresentazione della chimica atmosferica. Le simulazioni atmosferiche che utilizzano meccanismi chimici complessi all'avanguardia promettono le simulazioni più accurate della chimica atmosferica. Purtroppo le loro dimensioni, complessità, e i requisiti computazionali hanno teso a limitare tali simulazioni a brevi periodi di tempo ea un numero limitato di scenari per tenere conto dell'incertezza.

Ora un team di ricercatori guidato dal Programma congiunto del MIT sulla scienza e la politica del cambiamento globale ha ideato una strategia per incorporare meccanismi chimici semplificati nelle simulazioni atmosferiche in grado di eguagliare i risultati prodotti da meccanismi più complessi per la maggior parte delle regioni e dei periodi di tempo. Se implementato in un modello tridimensionale del sistema Terra, la nuova strategia di modellazione potrebbe consentire a scienziati e decisori di eseguire operazioni a basso costo, simulazioni rapide di chimica atmosferica che coprono lunghi periodi di tempo in un'ampia gamma di scenari. Questa nuova capacità potrebbe sia migliorare la comprensione da parte degli scienziati della chimica atmosferica sia fornire ai responsabili delle decisioni un potente strumento di valutazione del rischio.

In un nuovo studio apparso sulla rivista Geoscientific Model Development dell'Unione europea di geoscienze, il team di ricerca ha condotto tre simulazioni di 25 anni della chimica dell'ozono troposferico utilizzando meccanismi chimici di diversi livelli di complessità all'interno del quadro di modellazione CAM-chem ampiamente utilizzato del CESM, e confrontato i loro risultati con le osservazioni. Hanno studiato le condizioni in cui questi meccanismi semplificati corrispondevano all'output del meccanismo più complesso, così come quando divergevano. I ricercatori hanno dimostrato che, per la maggior parte delle regioni e dei periodi di tempo, differenze nella chimica dell'ozono simulato tra questi tre meccanismi è minore delle differenze di osservazione del modello stesse. Hanno trovato risultati simili per le simulazioni di monossido di carbonio e protossido di azoto.

"Il meccanismo più semplificato che abbiamo testato, chiamato Super-Veloce, ha funzionato tre volte più velocemente del più complesso (MOZART-4) producendo in gran parte gli stessi risultati, "dice Benjamin Brown-Steiner, l'autore principale dello studio ed ex postdoc presso il Programma congiunto del MIT e il Dipartimento della Terra, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS). "Questo livello di efficienza potrebbe, ad esempio, consentire agli scienziati di studiare un aspetto della chimica atmosferica nel corso del 21° secolo, gestendo il modello semplificato per 100 anni, e verificarne l'accuratezza eseguendo il modello complesso all'inizio, metà e fine del secolo».

Brown-Steiner e i suoi collaboratori hanno anche esplorato come l'utilizzo simultaneo di meccanismi chimici di diversa complessità possa favorire la nostra comprensione della chimica atmosferica a varie scale. Hanno determinato che gli scienziati potrebbero semplificare le indagini sulla chimica atmosferica sviluppando simulazioni che includono meccanismi chimici sia complessi che semplificati. In tali simulazioni, meccanismi complessi fornirebbero una rappresentazione più completa della complessa chimica atmosferica, e meccanismi semplici simulerebbero in modo efficiente periodi di tempo più lunghi per comprendere meglio i ruoli della variabilità meteorologica e di altre fonti di incertezza.

"Notando dove i risultati prodotti da meccanismi semplici e complessi divergono in particolari regioni, stagioni o periodi di tempo, puoi determinare dove e quando le simulazioni richiedono una chimica più complessa, e aumentare la complessità della modellazione secondo necessità, "dice Brown-Steiner.

È una strategia di modellizzazione che promette di migliorare sia la comprensione degli scienziati dell'atmosfera terrestre sia la capacità dei responsabili delle decisioni di valutare le politiche ambientali, dicono i ricercatori.

"Il nostro studio mostra che i modelli più complessi non sono sempre più utili per il processo decisionale, "dice Noelle Selin, coautore dello studio, professore associato presso l'Institute for Data del MIT, Sistemi e società e EAPS, e affiliato di facoltà del programma congiunto. "I ricercatori devono riflettere in modo critico sul fatto che approcci semplici ed efficienti come questo possano essere ugualmente informativi a costi inferiori".

Finalmente, lo studio potrebbe portare all'inclusione di meccanismi di chimica atmosferica semplificati in strutture di modellazione tridimensionale del sistema Terra. Questa capacità consentirebbe a scienziati e decisori di operare a lungo termine, simulazioni 3D dell'atmosfera terrestre entro un ragionevole periodo di tempo dell'orologio (che copre più scenari per rappresentare un intervallo di incertezza nei parametri chiave di modellazione) di grandi gruppi.

"Attualmente rappresentiamo l'ozono, aerosol di solfato, e altri fattori chiave che contribuiscono al forzante radiativo nel sistema Terra in modelli bidimensionali che non forniscono il livello di precisione che vogliamo, "dice Ronald Prinn, Professore EAPS e co-direttore del Joint Program, chi è coautore dello studio.

"A tal fine vorremmo rappresentarli in modelli tridimensionali ed eseguire insiemi [scenari multipli], ma una volta inserito un pacchetto chimico completo in 3D, il tempo del computer diventa insostenibile, " aggiunge Prinn. "Questo studio mostra che per i calcoli della forzatura radiativa, incorporare un pacchetto chimico veloce in un sistema di modellizzazione può ottenere un accordo credibile tra meccanismi e osservazioni chimici semplici e complessi."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.