I modelli meteo-climatici

Dietro le quinte delle previsioni del tempo: i modelli meteo-climatici

Illustrazioni di Isabel Rasotto e Giulia Boiani

Cos’è un modello

Ogni volta che si guarda una previsione del tempo, dietro le quinte una grossa parte del lavoro è fatta da un modello. Ma che cosa significa?

Un modello rappresenta il funzionamento di un oggetto o di un sistema. Nella vita ne siamo circondati e ci aiutano a capire un fenomeno: un modellino che spiega come funziona il motore di un’automobile, un modello in scala di una centrale elettrica… Fanno vedere tutte le parti che compongono questi sistemi e come lavorano insieme. Ma un modello non serve solo a mostrare. Se lo si costruisce in modo che reagisca a un cambiamento, può anche aiutare a prevederne le conseguenze. Ecco quindi che i modelli diventano strumenti fondamentali anche per studiare l’atmosfera.

Ma vediamo prima un altro esempio più concreto. Quando vengono costruiti i grattacieli, una loro copia in miniatura viene posta in una galleria del vento, per studiare come si comporterebbe l’edificio vero una volta esposto a venti forti. Perciò una replica ci può aiutare a prendere decisioni informate sul mondo reale.

Un modellino però non è sempre la scelta più pratica o utile. Esistono anche modelli astratti, basate su leggi matematiche, che possono essere usati allo stesso modo per riprodurre e studiare oggetti o sistemi. In questo caso, il modello può diventare virtuale ed essere all’interno di un computer. Ed è quello che viene fatto per l’atmosfera, siccome è complicata e non è possibile riprodurla in scala ridotta.

Per capire come cambia l’atmosfera con il passare del tempo, sono necessari milioni di calcoli e l’unico modo pratico di farlo è con un computer. Anche semplificando molto, manualmente non ci sarebbe il tempo di finire i conti entro l’orizzonte temporale che si vuole prevedere. Nel caso di previsioni per periodi molto lunghi, o con grande dettaglio, servono addirittura supercomputer, grandi più o meno quanto un appartamento e che si trovano nei centri di calcolo. In Italia, ospitiamo il più potente d’Europa a Bologna.

Un computer grande quanto una stanza

Nella foto, un supercomputer moderno, capace di eseguire un numero molto grande di operazioni complesse in tempi rapidi.

Come funziona un modello meteo-climatico

Prima di tutto, se si vuole usare un modello, serve:

1) sapere com’è l’atmosfera in un certo momento

2) trovare un modo di comunicare questa informazione al computer

Si può “scattare” una fotografia dell’atmosfera con l’aiuto delle stazioni meteo a terra e altri strumenti su navi, aerei e anche palloni meteorologici, che vengono sganciati ogni giorno in tutto il mondo. Infatti, non bastano le misure prese in superficie: dobbiamo sapere cosa sta succedendo anche a quote più alte.

Ottenuti questi dati, bisogna comunicarli al computer, che ha bisogno di un dato digitale. Una possibilità è dividere la superficie della terra con una griglia. A ogni quadretto si assegna un certo valore per ogni quantità che di interesse, ad esempio temperatura, umidità e anche quantità più complesse legate al terreno e al sottosuolo. Poi bisogna descrivere cosa accade sopra al terreno, a ogni quota fino alla cima dell’atmosfera. Si può dividere tutto lo spazio in cubi, e ognuno di loro avrà come quelli a terra una certa temperatura, umidità, velocità e direzione del vento. Ogni strato di cubi corrisponderà a una quota diversa e in questo modo si può dare al computer una fotografia 3D di com’è fatta l’atmosfera in un certo momento. Adesso può entrare in gioco il modello.

Immagine digitale della Terra

L’atmosfera viene vista dal modello come un insieme di tanti volumetti, ognuno dei quali con una certa temperatura, umidità, velocità del vento e altre variabili specifiche.

Il modello consiste di un insieme di algoritmi che prendono l’immagine dell’atmosfera e in base a quello che contiene calcolano quello che succederà nei momenti successivi. E questo è possibile perché l’atmosfera è un fluido. Magari non è facile accorgersene nella vita quotidiana, ma con l’aiuto di riprese in time-lapse e immagini satellitari diventa più evidente. Esistono centinaia di video suggestivi che mostrano ad esempio onde che si propagano in atmosfera e che ricordano quello che vedremmo in uno specchio d’acqua.

Quindi si possono usare le stesse leggi fisiche dei fluidi per capire come si muoveranno le masse d’aria e come interagiranno fra loro. E tarando il modello è possibile simulare scale temporali diverse: dalla previsione per il giorno seguente in una certa città alle proiezioni climatiche su scala globale.

Per alcuni fenomeni particolarmente complessi però, la legge fisica che li descrive è ancora sconosciuta. Ad esempio, la formazione e la crescita delle goccioline all’interno di una nube, che gli scienziati stanno ancora studiando per colmare questa lacuna. Nel frattempo, siccome questi elementi sono necessari, usiamo delle leggi semplificate, che vengono chiamate parametrizzazioni perché sono costruite attorno a parametri trovati grazie a numerosi esperimenti.

I modelli per studiare il cambiamento climatico

Come si può studiare il cambiamento climatico usando questi modelli? Semplicemente lasciando che la simulazione proceda per molti decenni. Per farlo, ovviamente, serve qualche aggiustamento e non si può avere il dettaglio che si ha su previsioni a breve termine.

Durante questo lungo periodo, si lascia che il modello faccia il suo lavoro, specificando uno scenario che si vuole studiare. Uno scenario consiste in un possibile percorso futuro, che tiene conto di possibili decisioni politiche e sociali associate a una diminuzione o un aumento delle emissioni di gas serra. Stimate le emissioni per ogni anno del futuro in base a queste considerazioni, si osservano gli effetti che queste hanno sul modello.

Ma non si può essere certi di quale scenario futuro si avvererà. Per questo, per capire le implicazioni delle nostre azioni sul clima, si testano diversi scenari, alcuni ottimistici altri meno, e si considerano le differenze. Un esempio lo puoi trovare nel nostro articolo sulle ondate di calore, dove in base allo scenario mostriamo come cambia il numero di giorni estremamente caldi che ci si aspetta in futuro.

Quanto sono precisi i modelli?

Nessuna previsione è esatta, tutte hanno un’incertezza che dipende da moltissimi aspetti.

Uno di questi è che la fotografia dell’atmosfera di cui si parlava prima non sarà mai perfetta, perché è impossibile avere contezza di ogni punto nello spazio con dettaglio altissimo. Servirebbe un numero infinitamente grande di strumenti in terra e in aria che registrano continuamente tutte le informazioni necessarie e senza mai commettere errori. E in ogni caso, l’immagine virtuale che costruiamo resta un’approssimazione: l’atmosfera non è veramente un insieme di cubetti, ma un continuo, e finché i computer non potranno vederla come tale ci saranno differenze fra quello che il modello produce e la realtà. Poi c’è l’incertezza che riguarda tutti i fenomeni non ancora compresi e per i quali costruiamo le parametrizzazioni citate prima: si basano su esperimenti, ma potrebbero non essere adatte in tutte le situazioni. E come se non bastasse, a peggiorare la questione si aggiunge che l’atmosfera è caotica. Questo significa che ogni piccola imprecisione iniziale può propagarsi e aumentare l’incertezza mano a mano che la simulazione procede.

Di fronte a tutte queste fonti di errore, ci si potrebbe chiedere: ci si può veramente fidare dei modelli?

Prima di tutto, è importante ricordare che viene fatto ogni sforzo per migliorare la capacità dei modelli di rappresentare in modo realistico quello che succede. Infatti, si possono valutare per capire se funzionano bene o no e agire di conseguenza. Ma come si fa se il risultato riguarda il futuro? In pratica, ci si immagina nel passato e si prova con lo stesso modello a prevedere gli anni successivi, che sono già avvenuti. Così si può verificare se funziona correttamente. Avendo diverse opzioni a disposizione, si possono testare per scegliere la più appropriata in ogni situazione.

Detto questo, l’incertezza in parte rimane ed è importante esserne consapevoli. La si può comunicare in modo semplice, assieme al risultato, per far capire quanto si è sicuri che una situazione si possa verificare. Nelle previsioni a breve termine, lo si vede ad esempio quando si indicano percentuali di probabilità di pioggia invece di dire solo se pioverà o meno. Nelle proiezioni climatiche, viene sempre dato un intervallo di confidenza attorno al risultato più probabile, e questo ventaglio di possibilità rappresenta le strade che possono comunque essere percorse tenendo conto degli eventuali errori commessi.

L’incertezza in una proiezione

Quando si parla di clima futuro, oltre al valore più probabile per un certo scenario si fornisce un intervallo di valori comunque possibili, che tengono conto dei limiti nella nostra stima.

Le simulazioni dei modelli meteo-climatici sono in costante evoluzione, alla ricerca di risultati sempre migliori, che rappresentano la nostra finestra sul futuro. Essere consapevoli dei loro limiti ci consente di dare il massimo valore ai risultati che producono. E anche se la previsione perfetta non è dietro l’angolo (e forse non lo sarà mai) sono comunque fondamentali per prendere decisioni importanti in merito ai cambiamenti climatici e alle loro conseguenze.