Disseminazioni: Riscaldamento globale, effetto serra, clima futuro: di Roberto VACCA, 18 Dicembre 2024

 Riscaldamento globale, effetto serra, clima futuro: di Roberto VACCA, 18 Dicembre 2024

La percentuale di biossido di carbonio (CO2) nell'atmosfera cresce. Nel 1958 era di 315 ppm (parti per milione), nel 2024 è 424 ppm. Da 30 anni scienziati e pubblicisti ripetono: “Questa crescita intensifica l'effetto serra e fa salire la temperatura dell'atmosfera. Tale riscaldamento globale, farà crescere la temperatura di 4 o 5°C in 50 anni. Si scioglieranno masse di ghiaccio in Antartide e Artide innalzando il livello del mare di vari metri; le città costiere saranno sommerse. L'aumento del CO2 nell'aria sarà causato dall'uso dei combustibili fossili. Occorre limitare queste emissioni – ‘decarbonizzare’.” Questi punti di vista considerati verità ufficiale, sono affermati dal Protocollo firmato a Kyoto nel 1997 dai governi di 150 Paesi, che mira a diminuire le emissioni di CO2 per tornare a un livello del 7% minore di quello del 1990. Il Protocollo non fu ratificato dagli USA perché ritenuto dannoso alla loro economia: diminuirebbe i consumi energetici. Il CO2 è considerato da taluni come inquinante – sebbene assicuri la vita vegetale sulla terra. In effetti la temperatura media della terra è di 15°C (invece di -18°C) grazie all’effetto serra. Questo è dovuto per il 79% all’acqua e alle nubi e solo per il 14% al CO2. Ho calcolato con le equazioni differenziali di Volterra che nel ciclo attuale il valore massimo del tasso di CO2 nell’atmosfera supererà di poco 500 ppm (cioè metà dell’uno per mille).

L'argomento è critico: esiste davvero un rischio grave? I pareri sono divisi. I catastrofisti e i loro oppositori (secondo i quali le attività antropiche influiscono  poco sul clima globale) si affrontano sui media e in acri dibattiti pubblici. Firmano appelli e manifesti, pubblicano commenti venefici sostenendo che i documenti avversari sono poco qualificati. Il matematico Von Neumann elaborò una teoria dei modelli climatici (GCM - General Circulation Models), che prevede il tempo atmosferico con giorni di anticipo. I modelli, però, sono inadeguati a formulare previsioni a lungo termine.

Nel 1842 Adhemar sostenne che le ere glaciali fossero causate da variazioni nell'orbita terrestre. L'idea fu ripresa dal serbo M. Milankovitch che dal 1912 al 1940 calcolò gli effetti sull'energia solare irradiata sulla terra di 3 ordini di fenomeni: variazione dell'eccentricità dell'orbita della Terra con periodo di 100.000 anni; variazione dell'inclinazione dell'asse terrestre (tra 22° e 25°) con periodo di 40.000 anni; precessione degli equinozi con periodo di 22.000 anni. Attribuì a tali variazioni la causa delle ere glaciali degli ultimi 800.000 anni. La sua tesi fu confermata dall’analisi delle bolle d’aria nei carotaggi di ghiaccio fino a profondità di alcuni kilometri in Antartide dalla spedizione russa Vostok, in funzione del rapporto fra le quantità dei due isotopi dell’ossigeno ¹⁸O e ¹⁶O contenuti nelle bolle.

Se ne deduce che le variazioni della temperatura sono determinate da regolarità della posizione e del moto della terra. Sono esse, quindi, a causare le variazioni del CO2 nell’atmosfera e non viceversa. Non è l’aumentato effetto serra che produce il riscaldamento globale, ma è l’innalzamento di temperatura che fa crescere la percentuale di CO2 e questa contribuisce a sua volta all’aumento di temperatura.

Il carbonio presente nell'atmosfera come CO2 pesa 800 miliardi di tonnellate. La biosfera (alberi e piante) ne contiene 2.000 miliardi di tonnellate e i mari 37.000. E' ragionevole pensare che comandino i mari - in base a meccanismi ancora non del tutto compresi.

20.000 anni fa Canada e Nord Europa erano coperti da uno strato di ghiaccio spesso 2000 metri. Anche a Sud il clima era più rigido. Da allora la temperatura è salita di oltre 10 gradi in modo abbastanza discontinuo e, come accennato,  c’è una correlazione (ma non una relazione di causa-effetto) con le variazioni del tasso di CO2. 

Nel 15° secolo rivolgimenti climatici dovuti probabilmente alla scarsità di macchie solari abbassarono la temperatura nell'Atlantico settentrionale producendo la mini era glaciale (dal 15° al 17° secolo): la Groenlandia fu abbandonata, l'Islanda aveva un solo porto libero da ghiacci e gli abitanti stavano per tornare in Danimarca. Poi la temperatura cominciò a salire di nuovo verso il 1700 - e non si bruciavano ancora combustibili fossili - indizio che l'effetto delle attività industriali viene sopravvalutato.

Negli ultimi decenni il tasso di CO2 atmosferico misurato a Mauna Loa, Hawaii, aumenta di continuo Ho calcolato l’equazione di Volterra 

   x = A/[1 + e(B t + C)] che descrive l'andamento delle serie storiche 1958-76, 1976-2006, 2007-2024.

I parametri delle 3 equazioni sono riportate nella tabella seguente. L'errore standard è la radice quadrata della somma dei quadrati delle differenze fra valori calcolati e valori misurati, divisa per la media dei valori. La costante di tempo è il tempo per passare dal 10% al 90% del valore dell'asintoto.

Serie storica	asintoto	Errore standard	Costante di tempo	B	C
1959-76	512 ppm	5.12 E-04	513 anni	-0.856	-0.897
1976-2006	424 ppm	1.04 E-03	153 anni	2.865	-3.829
2007-24	546 ppm	3.18 E-04	196 anni	2.238	-3.774

A partire dal 1976 la concentrazione atmosferica di CO2 aumenta più velocemente che negli anni precedenti, ma mira ad asintoti bassi vicini allo 0.5 per mille,

Non è ragionevole pensare, dunque, che gli uomini stiano causando danni ecologici gravi e irreversibili per il fatto che bruciano combustibili fossili. Non stiamo producendo, noi, un riscaldamento globale su scala planetaria. 

Una misura efficace da prendere in ogni caso, consiste nello sviluppare energie alternative che evitino di bruciare i combustibili fossili. Fra queste il fotovoltaico solare ad alto rendimento: teoricamente si potrebbe salire dal 15% attuale all'85%. Anche se bruciare petrolio e metano non è rischioso ai fini dell'impatto sul clima, tali sostanze sono la base dell'industria petrolchimica e della plastica con utilità ben maggiore di quella ottenuta bruciandole. 

Gli esperti hanno capito parecchie cose, ma non tutte. Non siamo in grado di fare previsioni a lungo termine sul clima. Il fisico danese H. Svensmark ritiene che l’aumento di 0,6°C della temperatura atmosferica verificatosi nell’ultimo secolo dipenda sopratutto dalla diminuzione delle nuvole a bassa altitudine. Cicli climatici di circa 1000 anni sono causati da variazioni del campo magnetico solare: se è forte, devia dalla Terra i raggi cosmici galattici per cui diminuisce la condensazione a bassa quota del vapore acqueo e la scarsità delle nuvole basse causa un aumento della temperatura.. Questo sta succedendo da qualche secolo e successe anche 1000 anni fa. Succede il contrario se il campo magnetico solare è debole: i raggi cosmici galattici sono forti e ci sono più nuvole a bassa quota: la temperatura si abbassa come accadde nella mini era glaciale fra il XIII e il XVII secolo. 

Ricordiamo, però, che i modelli matematici, anche se ci impressionano mentre girano sui computer, vanno usati con prudenza prima di essere validati, non danno certezze. In questo settore della climatologia a lungo termine finora non abbiamo validazioni. Nessun modello ha previsto accuratamente eventi futuri con decenni di anticipo. Ricordiamo la frase di Galileo Galilei:"Ciò che l'esperienza e i sensi ne dimostrano devesi anteporre a ogni discorso, ancorché ne paresse assai fondato".

Disseminazioni: Ritmi biologici giornalieri, di Roberto Vacca 18/03/2023 – L’Orologio

 Ritmi biologici giornalieri, di Roberto Vacca   18/03/2023 – L’Orologio

Ogni 23 ore, 56 minuti e 4 secondi, la Terra compie un giro attorno al proprio asse. Si alternano giorno e notte. Cambiano temperature, umidità, venti, . pressione atmosferica, alimenti disponibili dalle piante. Animali e piante hanno un loro temporizzatore interno che governa la loro fisiologia e il loro comportamento e li modifica in anticipo rispetto alle citate variazioni del ciclo giornaliero in modo da ottimizzare le loro condizioni di vita. Questi ritmi  interni si chiamano [dal latino circa (“intorno a”) e dies (“giorno”)] circadiani. Hanno durate diverse per: batteri, alghe, funghi, piante, insetti, crostacei, vertebrati, rettili, mammiferi.

I periodi dei ritmi circadiani a seconda delle specie biologiche, tendono a variare fra 22 e 25 ore, misurate con animali e piante tenuti nell’oscurità, ma vengono ri-sincronizzati dalle variazioni della luce solare. L’occhio dei pesci impiega circa 20 minuti a riacquistare la sua funzionalità dopo l’oscurità della notte. Il processo di adattamento parte, quindi, in anticipo rispetto all’alba in modo da evitare tempestivamente i predatori e localizzare le prede.  Le api cominciano le loro attività di ricerca del nettare (cui si accompagnano le funzioni di impollinazione) in sincronia con l’apertura dei fiori.

Molti dei nostri geni sono attivati  e disattivati a tempo e  governano le evoluzioni di enzimi, grassi, proteine, acidi nucleici, metabolismo, processi di distribuzione dell’energia nell’economia cellulare, riparazione e riproduzione delle cellule. Il nostro cervello anche nelle ore di sonno, consolida le nostre memorie. Si chiama “cronoterapia” la scelta dell’ora del giorno più appropriata per somministrare certe medicine. Le statine, che regolano la biosintesi del colesterolo riducendo la produzione di lipoproteine a bassa densità, sono più efficaci di notte. La  chemioterapia mira ad eliminare cellule cancerose che si suddividono velocemente, ma elimina anche altre cellule a suddivisione rapida, ad esempio i follicoli piliferi, con conseguente perdita dei capelli. I ritmi circadiani dei 2 tipi di cellule sono diversi. si può così temporizzare la terapia con effetto massimo sulle cellule cancerose e minimo sulle altre.

Al mattino la velocità e la potenza prodotta dalle contrazioni dei nostri muscoli sono più limitate di quanto siano più tardi nelle varie ore della giornata. Lo sanno bene gli sportivi che devono programmare le ore delle gare cui partecipano. Alcuni tennisti che in viaggi aerei per partecipare a campionati tagliano rapidamente  parecchi fusi orari, dedicano anche  una settimana al riadattamento in aree di longitudine molto diversa da quella della loro residenza abituale. Non ci rendiamo nemmeno conto di questi e di molti altri processi fisiologici periodici del nostro corpo. Solo in anni relativamente recenti abbiamo avuto a disposizione strumenti di misura  accurati, economici e di facile impiego con cui quantificare l’andamento delle nostre funzioni corporee.

Galileo Galilei misurava i tempi di oscillazione dei pendoli costituiti dalle lanterne appese nel duomo di Pisa contando le pulsazioni del suo cuore che, per brevi tratti di tempo considerava giustamente  uniformi.  Oggi sappiamo bene che la frequenza cardiaca di un uomo in buona salute e a riposo varia fra 50 e 80 pulsazioni al minuto. La sua pressione sistolica può variare fra 70 e 140 mm/Hg e la sua temperatura corporea fra 36°C  e 37,5°C.

Le differenze individuali sono notevoli e lo sono anche quelle rilevate a distanza di tempi anche brevi per una stessa persona. Chi resta sveglio e operativo fino a tarda ora, tende, in genere, a dormire fino a tardi e, specie dagli anglofoni, viene chiamato “gufo” (owl). Chi si corica presto e si sveglia presto senza sforzo, viene chiamato “allodola” (lark).

Piante come la soia che fioriscono in autunno, quando si sta accorciando la durata del giorno, vengono chiamate “piante dei giorni corti”. Quelle che fioriscono in primavera, quando la durata del giorno sta crescendo, si chiamano “piante dei giorni lunghi”. Altre piante, fra cui riso, orzo e cetrioli, non sono sensibili alla durata della luce solare e sono dette “neutre”.

 

Disseminazioni: Cronometro marino e intelligenza somma, di Roberto Vacca, L’Orologio 16/1/2024

Cronometro marino e intelligenza somma, di Roberto Vacca, L’Orologio 16/1/2024 

La flotta inglese al comando dell’Ammiraglio Cloudesley Shovell, durante  la guerra di Successione Spagnola nell’Agosto 1707, bombardò il porto di Tolone e inflisse danni alle navi da guerra francesi ivi ormeggiate. Quindi, secondo gli ordini, veleggiò con 15 navi diretta a  Portsmouth sulla Manica. Passata Gibilterra, in Atlantico incontrò una grossa tempesta. La visibilità era scarsa e si annullò. Le bussole di bordo erano poco precise, ma - cosa grave – anche gli orologi erano affetti da errori, quindi i calcoli della longitudine, già prima del maltempo, erano erronei. Avvicinandosi all’imbocco del canale della Manica, quelle navi si trovavano parecchie decine di miglia  più a Nord di quanto ritenessero.

Fecero rotta verso Nord Est e alcune di esse cozzarono contro  gli scogli disabitati a Sud Ovest delle Isole Scilly che sono sparse a seguire la direzione della Cornovaglia verso l’Oceano Atlantico (Land’s End). La Association (90 cannoni) – nave ammiraglia di Shovell – affondò rapidamente subito seguìta da Eagle, Romney e Firebrand. 2000 uomini e l’ammiraglio perirono nel naufragio. 

Quel disastro fece una grossa impressione, eppure ci vollero 7 anni prima che il governo inglese promulgasse il Longitude Act. Questa legge  stabiliva un premio di 20.000 sterline per l’orologiaio che producesse un cronometro di alta precisione: confrontando l’ora segnata con le osservazioni astronomiche, si sarebbe calcolata la longitudine a ogni istante di lunghe traversate. Il cronometro doveva mantenere la sua accuratezza malgrado le più forti variazioni di temperatura, pressione atmosferica, umidità e moto ondoso e non doveva subire nessuna corrosione dovuta alla salsedine dell’aria marina.

John Harrison, carpentiere-orologiaio inglese, fra il 1730 e il 1761 produsse 5 cronometri sempre più perfezionati.  Contenevano molle a spirale compensate e ingranaggi c all’Ammiragliato on le corone in legno di quercia e i denti in lignum vitae [una zigofillacea durissima dell’America centrale e della Florida (guaiacum sanctum) che emette anche una sostanza oleosa e, quindi, non ha bisogno di lubrificante]. Harrison presentò all’Ammiragliato il suo modello H5  che fu messo alla prova e sulla nave Deptford viaggiò per 7000  chilometri da Portsmouth a Kingston in Jamaica. Negli 81 giorni della traversata, il cronometro perse pochi secondi e Harrison fu premiato. Da allora le navi non solo britanniche sono state munite di cronometri sempre più perfezionati e poi, notoriamente, di radar e di navigatori satellitari,

Attualmente in Michigan, l’orologiaio Rick Hole progetta e costruisce su commissione repliche ispirate al cronometro Harrison.

È verosimile che il famoso matematico, fisico e astronomo francese Pierre Simon de Laplace (1749-1827), che perfezionò la teorie e gli algoritmi di Isaac Newton, sia venuto a conoscenza delle invenzioni di Harrison. Il concetto di una macchina atta a funzionare per tempi lunghissimi e ad elaborare dati numerici, può avergli ispirato l’idea che le equazioni della dinamica potessero in avvenire essere utilizzate  per gestire il funzionamento di una macchina ancora non descrivibile al tempo suo. Concepì dunque tale macchina come una intelligenza superiore capace di calcolare il passato e l’avvenire se si fosse trovato il modo di immettervi l’immane insieme dei dati completi di condizioni iniziali.

Laplace  precorse l’invenzione del matematico e ingegnere inglese  Charles Babbage (1791-1871) di una macchina calcolatrice differenziale, quando scrisse:

“Un’intelligenza che potesse conoscere in un certo istante tutte le forze che animano la natura e la posizione rispettiva delle entità che la compongono, e che fosse anche tanto vasta da poter analizzare i dati citati, includerebbe nella stessa formula i moti dei più grandi corpi dell’universo e quelli dell’atomo più leggero. Tale intelligenza non avrebbe incertezze: sia l’avvenire, sia il passato sarebbero presenti ai suoi occhi.”

Pierre Simon de Laplace – Saggio filosofico  sulle probabilità.  (1814)

Possiamo pensare che abbia tratto ispirazione da questa pagina di Laplace anche Jay W. Forrester, i cui modelli di sistemi dinamici destarono notevoli interessi, ma non condussero a formulare efficaci previsioni socio-economiche. 

Disseminazioni: LEVATA DI SOLE E LUNA - L’OROLOGIO – 13/5/2023 - Roberto Vacca

 LEVATA DI SOLE E LUNA -  L’OROLOGIO – 13/5/2023

La levata del sole è il momento in cui vediamo che il bordo  superiore del disco solare inizia ad apparire all’orizzonte orientale. Tranne che in inverno, la guardiamo raramente, mentre, in genere, prestiamo  attenzione all’occaso solo se il tramonto è bello – accompagnato da gradevoli effetti di colore. Il tempo fra l’istante in cui il bordo inferiore del disco solare tocca l’orizzonte occidentale e quello in cui il disco scompare del tutto è circa uguale al precedente

Le effemeridi riportano esattamente i tempi in cui si verificano questi fenomeni a ogni latitudine e in ogni giorno dell’anno. Non registrano, invece, il tempo intercorrente fra l’istante della levata del sole e  quello  in cui il disco del sole appare nella sua interezza o al tramonto quanto tempo passa dal momento in cui il bordo inferiore del disco tocca l’orizzonte fino alla sua scomparsa totale.  

I tempi citati subiscono variazioni  dovute alle condizioni dell’atmosfera  che influiscono sulla rifrazione.

Se provate a chiederne la stima a persone anche colte, ma non abituate per lavoro o per curiosità ad alzatacce diuturne, non avrete alcuna risposta o sentirete stime di questo periodico intervallo di tempo molto vaghe e imprecise [da “qualche minuto” a “una decina  di minuti”]. Gli astronomi lo calcolano e lo misurano con alta precisione. È facile calcolarlo in modo approssimativo, almeno all’equatore.

Il diametro del sole è D = 1,38 milioni di kilometri e la sua distanza dalla Terra è L = 149,6 milioni di kilometri. L’angolo  eliocentrico  α  fra le due rette che congiungono l’occhio dell’osservatore terrestre con gli estremi del diametro solare perpendicolare alla retta dall’occhio al centro del sole è 

α  = arctan (D/L) = (1,38/149,6) = 9,2246 E-03 = 0,533° = 31,98’ = 1918,8”

I   360 gradi della circonferenza percorsa dal sole in cielo vengono percorsi in 24 ore, cioè in 1440 minuti. Quindi il tempo fra levata e visione dell’intero disco è

T = 1440 [32/(360*60)] = 2,13  minuti

Questo valore vale all’equatore. Cresce a latitudini crescenti: 3.3 minuti a 41° (latitudine di Roma) e 4 minuti a 60°  (latitudine di Oslo).

Gli analoghi calcoli per la luna sono semplici. In 30 giorni (un mese) la luna percorre 360° attorno alla Terra. Dunque 12° al giorno e, dato che l’angolo selenocentrico è di mezzo grado come quello eliocentrico, dobbiamo attendere gli stessi tempi dalla levata della luna fino all’apparizione dell’intero disco lunare e anche dal momento in cui il bordo inferiore del disco lunare tocca l’orizzonte occidentale al momento in cui il disco scompare del tutto. 

Passa circa un’ora anche dal momento in cui il bordo inferiore del disco lunare tocca l’orizzonte occidentale al momento in cui il disco scompare del tutto.