Nel marzo del 1835, un giovane Charles Darwin si trovava in alta quota sulle Ande e stava lottando per cucinare la cena. “Le nostre patate, dopo essere rimaste per un tempo considerevole nell’acqua bollente, erano dure come non mai”, scrisse nel Voyage of the Beagle. I compagni affamati di Darwin diedero la colpa alla loro nuova pentola, ma il naturalista aveva una spiegazione più scientifica: l’altitudine. “L’acqua bolliva necessariamente, a causa della diminuzione della pressione dell’atmosfera, a una temperatura più bassa di quella che raggiunge in un paese meno elevato”, scrisse.Quasi nello stesso periodo, l’ingegnere e fisico francese Émile Clapeyron ha scoperto perché la pressione ridotta in altitudine influisce in questo modo sul punto di ebollizione dell’acqua. Il suo lavoro stabilì infine la relazione tra la pressione di una sostanza e la temperatura, quando due fasi di quella sostanza sono in equilibrio. Questa relazione è oggi nota come equazione di Clausius-Clapeyron.
Quasi 200 anni dopo, questa intuizione storica sta aiutando gli scienziati del clima a comprendere gli effetti del cambiamento climatico. L’equazione mostra come l’aria più calda sia in grado di trattenere una maggiore quantità di umidità, fattore cruciale per prevedere la maggiore forza delle tempeste e l’intensità delle precipitazioni. “Il punto chiave di questa equazione è che contiene un’esponenziale”, spiega Peter Stott, scienziato del clima presso il Met Office del Regno Unito. “Una curva esponenziale, ovviamente, sale più ripidamente quanto più si sale. Quindi, con l’aumento della temperatura, si arriva abbastanza rapidamente a cifre elevate per le precipitazioni aggiuntive“.Quindi, l’equazione indica un futuro più umido. Ma come i ricercatori stanno imparando, questo è solo l’inizio. Le tempeste future potrebbero produrre ancora più pioggia di quanto previsto dalla venerabile equazione.
Teste di vapore
Il Clausius dell’equazione è Rudolf Clausius, un fisico tedesco noto soprattutto per aver introdotto il concetto di entropia. Nell’arco di pochi decenni, a metà del XIX secolo, Clausius, Clapeyron e pochi altri hanno capito la maggior parte di ciò che conosciamo della termodinamica.
Clapeyron fu uno dei primi a considerare la teoria del comportamento delle fasi liquida e vapore dell’acqua quando il fluido all’interno di un motore a vapore viene riscaldato. Nel 1834 aveva tracciato il modo in cui la pressione del vapore, ossia la pressione esercitata dal vapore in equilibrio con il liquido, sarebbe cambiata con la temperatura. Nel 1850, Clausius perfezionò la relazione includendo il calore latente, l’energia necessaria per vaporizzare una determinata quantità di liquido, per ottenere la forma dell’equazione che utilizziamo oggi. L’equazione è in grado di spiegare le osservazioni di tutti i giorni, come ad esempio il fatto che una pentola a pressione possa accelerare i pasti facendo bollire l’acqua a 120 °C. Gli scienziati di varie discipline la usano per stimare qualsiasi cosa, dalla probabile composizione delle atmosfere e degli oceani di altri pianeti al potenziale energetico e ai rischi degli esotici cristalli di idrato di metano che si trovano sotto i sedimenti costieri e il permafrost. Ma uno dei suoi usi più importanti è quello della meteorologia, in particolare nelle simulazioni di come l’atmosfera e il tempo risponderanno ai cambiamenti climatici.
I meteorologi usano l’equazione di Clausius-Clapeyron per capire quando il vapore acqueo si condenserà in liquido. Ciò avviene in corrispondenza della cosiddetta pressione di saturazione del vapore, la pressione massima che può essere esercitata dal vapore acqueo prima che si condensi. L’equazione mostra che questa pressione aumenta esponenzialmente con la temperatura. In altre parole, l’aria calda può contenere più vapore acqueo, il che significa che può anche rilasciare più acqua liquida sotto forma di pioggia.
L’equazione dice che per ogni grado Celsius in più di riscaldamento, l’aria può contenere il 7% in più di acqua. Ciò sembrerebbe suggerire che con 2 °C di riscaldamento globale, il mondo potrebbe aspettarsi il 14% di umidità in più nell’aria. Con 3 °C di riscaldamento, l’aumento sarebbe del 21% e così via. In pratica, però, le cose sono un po’ più complicate.
Prevedere le inondazioni
La semplicità apparente dell’equazione di Clausius-Clapeyron potrebbe portare a previsioni fuorvianti che sottovalutano i probabili aumenti delle precipitazioni con l’ulteriore aumento della temperatura. “Significa che dobbiamo essere cauti nell’esaminare le registrazioni storiche e nel dedurre i cambiamenti futuri solo da ciò che vediamo”, afferma l’esperto. Ora stanno lavorando per quantificare meglio la relazione tra precipitazioni e temperatura superficiale del mare nei modelli.
Queste analisi dovrebbero aiutarci a prevedere come le precipitazioni future potrebbero influenzare le inondazioni, uno dei rischi più gravi del cambiamento climatico. Ma è solo una parte della storia. “L’acqua si allaga fino al punto più basso che può, il che significa che se c’è un 20% di pioggia in più, non significa che il livello di inondazione sarà del 20% più alto”, spiega Reed. “Potrebbe essere maggiore o minore”. L’unico modo per esserne certi è combinare i modelli di precipitazioni con previsioni dettagliate dell’idrologia in paesaggi specifici. Un primo tentativo in questo senso ha esaminato i livelli dell’acqua a seguito dell’uragano Florence, che ha devastato le Caroline nel 2018 (7). Si è scoperto che il bacino del fiume Cape Fear poteva ridurre i livelli d’acqua estremi durante la tempesta, in quanto tamponava le ondate provenienti dall’oceano.
Mentre questo lavoro sonda i dettagli di come le precipitazioni e le inondazioni cambieranno in un mondo in via di riscaldamento, l’equazione di Clausius-Clapeyron, risalente a 190 anni fa, continuerà ad essere un’utile regola empirica. Secondo Reed, però, è importante che altri studi esaminino i punti deboli dell’equazione e il motivo per cui i ricercatori che la utilizzano potrebbero dover prendere in considerazione una moltitudine di altri fattori.
