Stiamo cambiando il sistema Terra a una velocità senza precedenti senza conoscerne le conseguenze in dettaglio. Sempre più dettagliato, i modelli basati sulla fisica stanno migliorando costantemente, ma manca ancora una comprensione approfondita delle persistenti incertezze. Le due sfide principali sono state ottenere la quantità di dettagli necessaria nei modelli e prevedere con precisione come l'anidride carbonica antropogenica disturba l'intrinseco clima, variabilità naturale. Un percorso per superare entrambi questi ostacoli è ora delineato in una recensione completa pubblicata in Recensioni di Fisica Moderna di Michael Ghil e Valerio Lucarini del progetto di scienze del clima EU Horizon 2020 TiPES.

"Proponiamo idee per eseguire simulazioni climatiche molto più efficaci di quanto consentito dall'approccio tradizionale di affidarsi esclusivamente a modelli sempre più grandi. E mostriamo come estrarre molte più informazioni con un potere predittivo molto più elevato da quei modelli. Pensiamo che sia un prezioso, modo originale e molto più efficace di tante cose che si stanno facendo, "dice Valerio Lucarini, professore di matematica e statistica presso l'Università di Reading, Regno Unito e al CEN, l'Istituto di meteorologia, Università di Amburgo, Germania.

Un tale approccio è urgentemente necessario, perché gli attuali modelli climatici generalmente falliscono nello svolgere due compiti importanti. Primo, non possono ridurre l'incertezza nella determinazione della temperatura globale media in superficie dopo un raddoppio dell'anidride carbonica (CO ₂ ) nell'atmosfera. Questo numero è chiamato sensibilità climatica di equilibrio, e nel 1979, è stato calcolato da 1,5 a 4 gradi Celsius. Da allora, l'incertezza è cresciuta. Oggi è da 1,5 a 6 gradi nonostante decenni di miglioramenti ai modelli numerici e enormi guadagni di potenza di calcolo nello stesso periodo.

Secondo, i modelli climatici faticano a prevedere i punti di non ritorno, che si verificano quando un sottosistema, cioè una corrente marina, una lastra di ghiaccio, un paesaggio, un ecosistema si sposta improvvisamente e irrevocabilmente da uno stato all'altro. Questi tipi di eventi sono ben documentati nei documenti storici e rappresentano una grave minaccia per le società moderne. Ancora, non sono previsti dai modelli climatici di fascia alta su cui si basano le valutazioni dell'IPCC.

Queste difficoltà sono fondate sul fatto che la metodologia matematica utilizzata nella maggior parte dei calcoli climatici ad alta risoluzione non riproduce adeguatamente un comportamento caotico deterministico né le incertezze associate in presenza di forzanti dipendenti dal tempo.

Il comportamento caotico è intrinseco al sistema Terra, altrettanti fisici, chimico, i processi geologici e biologici variano in tempi che vanno da microsecondi a milioni di anni, compresa la formazione di nubi, sedimentazione, agenti atmosferici, Correnti oceaniche, modelli di vento, umidità, fotosintesi ecc. A parte questo, il sistema è forzato principalmente dalla radiazione solare, che varia naturalmente nel tempo, ma anche da alterazioni antropiche dell'atmosfera. Così, il sistema Terra è molto complesso, deterministicamente caotico, stocasticamente perturbato e mai in equilibrio.

"Quello che stiamo facendo è essenzialmente estendere il caos deterministico a un quadro matematico molto più generale, che fornisce gli strumenti per determinare la risposta del sistema climatico a tutti i tipi di forzanti, deterministico e stocastico, " spiega Michael Ghil, professore all'Ecole Normale Supérieure e all'Università PSL di Parigi, Francia e all'Università della California, Los Angeles, NOI..

Le idee fondamentali non sono così nuove. La teoria è stata sviluppata decenni fa, ma è una teoria matematica molto difficile che richiede una cooperazione multidisciplinare tra esperti per essere implementata nei modelli climatici. Tali approcci interdisciplinari stanno lentamente emergendo, coinvolgendo la comunità delle scienze del clima e gli esperti di matematica applicata, fisica teorica e teoria dei sistemi dinamici. Gli autori sperano che il documento di revisione acceleri questa tendenza poiché descrive gli strumenti matematici necessari per tale lavoro.

"Presentiamo una comprensione autoconsistente del cambiamento climatico e della variabilità climatica in un quadro coerente ben definito. Penso che sia un passo importante nella risoluzione del problema. Perché prima di tutto devi porlo correttamente. Quindi l'idea è:se usiamo gli strumenti concettuali di cui discutiamo ampiamente nel nostro articolo, potremmo sperare di aiutare la scienza del clima e i modelli climatici a fare un balzo in avanti, "dice Valerio Lucarini.