Rudolf Clausius e gli altri pionieri della climatologia
Ad agosto 2021, l'Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ha pubblicato il primo capitolo del suo sesto rapporto di valutazione [1], incentrato sulle scienze fisiche alla base della comprensione dei cambiamenti climatici. L'obiettivo dei rapporti dell'IPCC è valutare la letteratura scientifica recente, estrarne un consenso scientifico e sviluppare un testo destinato ai decisori politici. In questo documento viene citato più volte il nome di Rudolf Clausius(1822-1888), di cui quest'anno si celebra il bicentenario della nascita.
Per capire come sia nata e si sia sviluppata una scienza così sofisticata come la climatologia, dobbiamo tornare indietro nel tempo di alcuni secoli.
In principio si studia l’oceano
La storia dello studio del clima viaggia, infatti, parallelamente allo studio degli oceani, che occupano un ruolo centrale nella regolazione del clima. La geografia del mare, come si chiamava un tempo l'oceanografia, è una disciplina antichissima nata dall'interesse economico verso le distese d'acqua per il commercio, la pesca, la caccia alle balene, l'esplorazione. Fino al XVI secolo, però, la conoscenza veniva acquisita empiricamente, attraverso informazioni aneddotiche basate sui racconti dei pescatori e su mappe talvolta accompagnate da spiegazioni magico-esoteriche.
Decisive per la conoscenza delle condizioni atmosferiche e marine furono le invenzioni del termometro e del barometro, tra il XVI e il XVII secolo in Italia (in particolare grazie all'opera di Galileo e poi di Evangelista Torricelli). Ma accanto alla nascente scienza moderna persistevano teorie mistiche e religiose sul globo terrestre, come le spiegazioni del rapporto tra le acque e il diluvio che si trovano in Telluris theoria sacra (1861) di Thomas Burnet. L'oceanografia, come disciplina scientifica, nacque tra il 1855, anno di pubblicazione della Physical Geography of the Sea da parte dell'americano Matthieu Fontaine Maury e il 1872, data di inizio della prima campagna oceanografica, la spedizione Challenger dello scozzese Charles Wyville Thomson. In Francia, nel 1774, l'abate Louis Cotte – che lavorò per la Société royale de médecine e poi per la Société royale d’agriculture – pubblicò il Traité de Météorologie[2], considerato oggi come uno dei primi testi di climatologia moderna.
Lo studio dell’atmosfera si precisa
Ma è all'inizio dell'Ottocento che lo studio dell'atmosfera e dei gas che la compongono si fece più complesso. Il concetto di effetto serra apparve per la prima volta nel 1824, in una pubblicazione di Jean-Baptiste Joseph Fourier, che studiò la matematica dei flussi di calore [3]. Questo grande fisico e matematico francese ipotizzò che l'atmosfera agisca come un isolante, senza il quale la Terra sarebbe completamente congelata.
Era necessario saperne di più sul ruolo dei gas atmosferici nell'effetto serra. Nel 1861, nel bel mezzo dell'acceso dibattito sull'origine delle glaciazioni, il fisico irlandese John Tyndall – successore di Michael Faraday alla Royal Institution e appassionato di glaciologia – scoprì sperimentalmente che il principale gas coinvolto è il vapore acqueo, seguito dall’anidride carbonica [4]. Questi gas assorbono parte dei raggi infrarossi e piccole variazioni nella loro concentrazione provocano cambiamenti climatici. Risultati simili, anche se meno completi, erano stati ottenuti cinque anni prima dall'inventrice e attivista per i diritti delle donne americana Eunice Foote, ma da questa parte dell'oceano non ci fu diffusione dei suoi studi, che furono in seguito dimenticati [5].
Il forte legame tra il ciclo del carbonio e la temperatura terrestre fu poi evidenziato dal premio Nobel Svante Arrhenius (1859-1927), ugualmente citato nel sesto rapporto dell'IPCC. Il chimico svedese dimostrò che un aumento della CO2 nell'atmosfera genera, come conseguenza, un consistente aumento della temperatura [6]. Arrhenius aveva calcolato che se la concentrazione di CO2 atmosferica fosse raddoppiata, la temperatura media sarebbe aumentata da 4°C fino a 6°C, il che non è molto lontano dalle stime attuali. Peccato che la comunità scientifica abbia accettato l'influenza della CO2 sul bilancio energetico dell'atmosfera solo negli anni '50. Ma Arrhenius aveva visto più lontano: aveva anche capito che l'aumento della CO2, già in atto ai suoi tempi, era da attribuire alle attività industriali legate al carbone e agli altri combustibili fossili. Sorprendentemente, questa per lui era una buona notizia: gli esseri umani del futuro non avrebbero sofferto a causa di una nuova glaciazione!
Attualità degli studi pionieristici
Veniamo ora all’equazione di Clausius–Clapeyron citata 36 volte nel sesto rapporto di valutazione (IPCC). Émile Clapeyron (1799-1864) era un ingegnere e fisico parigino che, nella prima parte della sua carriera, aveva apportato significativi progressi nel campo dell'ingegneria dei ponti. Fu il suo profondo interesse per la nascente industria ferroviaria che lo portò a lavorare sui motori a vapore e a dirigerne la costruzione; ma egli era principalmente interessato a migliorare l'efficienza delle locomotive [7].
Venne a conoscenza dell'opera di Sadi Carnot, oggi considerato il fondatore della termodinamica ma all'epoca poco conosciuto (era appena morto). Clapeyron divulgò i suoi lavori sulla meccanica del calore, li rese più comprensibili e aggiunse un enorme contributo personale. A lui dobbiamo una delle prime enunciazioni della seconda legge della termodinamica, la formulazione della legge dei gas perfetti (PV=nRT) e la rappresentazione grafica dell'evoluzione della pressione del cambiamento di stato di un corpo in funzione della temperatura (equazione di Clapeyron).
Pochi anni dopo, un altro padre fondatore della termodinamica, il fisico e matematico prussiano Rudolf Clausius(1822-1888), riformulò la seconda legge della termodinamica nella sua forma attuale: "Il calore si trasmette spontaneamente da un corpo più caldo a un corpo più freddo” e introdusse anche il concetto di entropia. Parallelamente alla sua attività di insegnamento al Politecnico di Zurigo e nelle università di Berlino, Würzburg e Bonn, Clausius contribuì alle grandi scoperte della fisica del XIX secolo, ispirandosi ai suoi contemporanei Carnot, Joule, Kelvin e Clapeyron. Infatti, Clausius prese l’equazione di Clapeyron e la applicò al caso particolare di un equilibrio liquido-vapore [8].
Questa formula è estremamente utile per lo studio dei cambiamenti climatici. Secondo l’equazione di Clausius-Clapeyron, un aumento della temperatura di 1°C corrisponde a un aumento dell'umidità dell'atmosfera di circa il 7%, ovvero dall'1 al 3% circa delle precipitazioni in più a livello globale. In parole semplici, questa equazione aiuta a comprendere la formazione di nubi, pioggia, neve e risulta essere molto coerente con la previsione di fenomeni meteorologici estremi come l'aumento della frequenza delle precipitazioni e delle precipitazioni massime annuali, la velocità del vento, le inondazioni fluviali. Inoltre, l'aumento dell'umidità corrisponde ad un aumento della massa di vapore acqueo e quindi dell'effetto serra, con un meccanismo di retroazione positiva.
L’equazione di Clausius-Clapeyron è quindi una buona base di fisica per guidare le previsioni future, almeno su scala globale. Variazioni regionali significative, infatti, possono verificarsi a seconda delle condizioni locali, come aveva già capito Alexander von Humboldt (1769-1859) studiando le diverse condizioni climatiche dei paesaggi sudamericani.
Traduzione dell'articolo pubblicato su Polytechnique Insights:
NOTE:
[1] https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/
[2] https://gallica.bnf.fr/blog/30112015/lhistoire-de-la-climatologie
[3] http://perso.ens-lyon.fr/patrick.flandrin/Fourier250/Dufresne-lamet-2006-1.pdf
[4] https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/histoire-effet-de-serre.xml
[5] https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsnr.2020.0031
[6] Comprendre le changement climatique de Lawrence M. Krauss, éditeur H&O science
[7] https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k6489450f/f291.item
FONTI IMMAGINI:
Figure di Pixabay, libere da copyright
Ritratto di Rudolf Clausius di pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Clausius_Rudolf.jpg
