Clima e gestione del territorio
(un bicchiere colorato – riflessioni sulla vita nell’universo)
di Freeman John Dyson
(pubblicato in Heretical thoughts about science and society l’8 luglio 2007)
Traduzione di Massimo Silvestri
See below the original English version.

Il tema principale di questo capitolo è il problema dei cambiamenti climatici. Questo è un argomento polemico che coinvolge la politica, l’economia e la scienza. La scienza è inestricabilmente confusa con la politica. Tutti concordano sul fatto che il clima sta cambiando, ma ci sono opinioni divergenti violente sulle cause del cambiamento, sulle conseguenze del cambiamento e sui possibili rimedi. Sto promuovendo un’opinione eretica, la prima delle tre eresie di cui parlerò in questo articolo.

La mia prima eresia dice che tutto il clamore sul riscaldamento globale è grossolanamente esagerato. Qui mi oppongo alla santa fratellanza degli esperti di modelli climatici e alla folla di cittadini illusi che credono nei numeri previsti dai modelli computerizzati. Certo, dicono, non ho una laurea in meteorologia e quindi non sono qualificato per parlare. Ma ho studiato i modelli climatici e so cosa possono fare. I modelli risolvono le equazioni della fluidodinamica e fanno un ottimo lavoro nel descrivere i movimenti fluidi dell’atmosfera e degli oceani. Fanno un lavoro molto povero nel descrivere le nuvole, la polvere, la chimica e la biologia dei campi, delle fattorie e delle foreste. Non iniziano a descrivere il mondo reale in cui viviamo. Il mondo reale è fangoso e disordinato e pieno di cose che non comprendiamo ancora. È molto più facile per uno scienziato sedersi in un edificio con aria condizionata e gestire modelli di computer, piuttosto che indossare abiti invernali e misurare cosa sta realmente succedendo fuori nelle paludi e nelle nuvole. Ecco perché gli esperti di modelli climatici finiscono per credere ai propri modelli.

Non c’è dubbio che le parti del mondo si stanno riscaldando, ma il riscaldamento non è globale. Non sto dicendo che il riscaldamento non causi problemi. Ovviamente lo fa. Ovviamente dovremmo cercare di capirlo meglio. Sto dicendo che i problemi sono grossolanamente esagerati. Staccano denaro e attenzione da altri problemi più urgenti e più importanti, come la povertà e le malattie infettive e l’istruzione pubblica e la salute pubblica, e la conservazione di creature viventi sulla terra e negli oceani, per non parlare di problemi facili come la costruzione tempestiva di dighe adeguate intorno alla città di New Orleans.

Discuterò in dettaglio il problema del riscaldamento globale perché è interessante, anche se la sua importanza è esagerata. Una delle principali cause del riscaldamento è l’aumento del biossido di carbonio nell’atmosfera derivante dalla nostra combustione di combustibili fossili come petrolio, carbone e gas naturale. Per capire il movimento del carbonio attraverso l’atmosfera e la biosfera, abbiamo bisogno di misurare un sacco di numeri. Non voglio confondervi con un sacco di numeri, quindi vi chiederò di ricordare solo un numero. Il numero che ti chiedo di ricordare è un centesimo di pollice all’anno (0,254 mm/a NDT). Ora spiegherò cosa significa questo numero. Considera la metà della superficie terrestre della terra che non è deserto o calotta di ghiaccio o città o strada o parcheggio. Questa è la metà della terra che è coperta di terra e sostiene la vegetazione di un tipo o dell’altro. Ogni anno assorbe e converte in biomassa una certa frazione del biossido di carbonio che emettiamo nell’atmosfera. La biomassa significa creature viventi, piante e microbi e animali, e i materiali organici che vengono lasciati indietro quando le creature muoiono e si deteriorano. Non sappiamo quanto una parte delle nostre emissioni sia assorbita dalla terra, poiché non abbiamo misurato l’aumento o la diminuzione della biomassa. Il numero che ti chiedo di ricordare è l’aumento di spessore, media di oltre la metà della superficie terrestre del pianeta, della biomassa che risulterebbe se tutto il carbonio che emettiamo bruciando combustibili fossili fosse assorbito. L’aumento medio dello spessore è pari a un centesimo di pollice all’anno.

Il punto di questo calcolo è il tasso di scambio molto favorevole tra carbonio nell’atmosfera e carbonio nel suolo. Per impedire che il carbonio nell’atmosfera aumenti, abbiamo solo bisogno di crescere la biomassa nel suolo di un centesimo di pollice l’anno. Il buon terriccio contiene circa il dieci percento di biomassa, [Schlesinger, 1977], quindi un centesimo di pollice di crescita di biomassa significa circa un decimo di pollice di terreno vegetale. I cambiamenti nelle pratiche agricole come l’agricoltura senza lavorazione, evitando l’uso dell’aratro, fanno sì che la biomassa cresca almeno altrettanto rapidamente. Se pianifichiamo colture senza arare il terreno, una parte maggiore della biomassa entra in radici che rimangono nel terreno e meno ritorno nell’atmosfera. Se usiamo l’ingegneria genetica per mettere più biomassa nelle radici, possiamo probabilmente ottenere una crescita molto più rapida del suolo. Concludo da questo calcolo che il problema del biossido di carbonio nell’atmosfera è un problema di gestione del territorio, non un problema di meteorologia. Nessun modello informatico di atmosfera e oceano può sperare di prevedere il modo in cui gestiremo la nostra terra.

Ecco un altro pensiero eretico. Invece di calcolare le medie mondiali della crescita della biomassa, potremmo preferire esaminare il problema localmente. Considera un possibile futuro, con la Cina che continua a sviluppare un’economia industriale basata in gran parte sulla combustione del carbone, e gli Stati Uniti decidono di assorbire il biossido di carbonio risultante aumentando la biomassa nel nostro suolo. La quantità di biomassa che può essere accumulata nelle piante e negli alberi viventi è limitata, ma non c’è limite alla quantità che può essere immagazzinata nel terreno vegetale. Per coltivare il terriccio su scala massiccia può essere o meno pratico, a seconda dell’economia dell’economia e della silvicoltura. È almeno una possibilità da considerare seriamente, che la Cina potrebbe diventare ricca bruciando carbone, mentre gli Stati Uniti potrebbero diventare virtuosi per l’ambiente accumulando terriccio, con il trasporto di carbonio dalla miniera in Cina verso il suolo in America fornito gratuitamente dal atmosfera, e l’inventario del carbonio nell’atmosfera rimane costante. Dovremmo prendere in considerazione tali possibilità quando ascoltiamo le previsioni sul cambiamento climatico e sui combustibili fossili. Se la biotecnologia prende il sopravvento sul pianeta nei prossimi cinquant’anni, come la tecnologia informatica ha preso il controllo negli ultimi cinquant’anni, le regole del gioco sul clima saranno radicalmente cambiate.

Quando ascolto i dibattiti pubblici sul cambiamento climatico, sono colpito dalle enormi lacune nelle nostre conoscenze, dalla scarsità delle nostre osservazioni e dalla superficialità delle nostre teorie. Molti dei processi fondamentali dell’ecologia planetaria sono capiti male. Devono essere capiti meglio prima di poter raggiungere una diagnosi accurata della condizione attuale del nostro pianeta. Quando stiamo cercando di prenderci cura di un pianeta, proprio come quando ci prendiamo cura di un paziente umano, le malattie devono essere diagnosticate prima che possano essere curate. Dobbiamo osservare e misurare ciò che accade nella biosfera, piuttosto che basarci su modelli di computer.

Tutti concordano sul fatto che la crescente abbondanza di anidride carbonica nell’atmosfera ha due importanti conseguenze, in primo luogo un cambiamento nella fisica del trasporto di radiazioni nell’atmosfera, e in secondo luogo un cambiamento nella biologia delle piante sul terreno e nell’oceano. Le opinioni divergono sull’importanza relativa degli effetti fisici e biologici e sul fatto che gli effetti, separatamente o congiuntamente, siano benefici o dannosi. Gli effetti fisici sono osservati nei cambiamenti di pioggia, nuvolosità, forza del vento e temperatura, che sono normalmente raggruppati insieme nella frase fuorviante “riscaldamento globale”. Nell’aria umida, l’effetto dell’anidride carbonica sul trasporto di radiazioni non è importante perché il trasporto delle radiazioni termiche è già bloccato dal più ampio effetto serra del vapore acqueo. L’effetto del biossido di carbonio è importante quando l’aria è secca e l’aria è solitamente asciutta solo dove è fredda. L’aria calda del deserto può sembrare secca ma spesso contiene molto vapore acqueo. L’effetto di riscaldamento dell’anidride carbonica è più forte dove l’aria è fredda e secca, principalmente nell’Artico piuttosto che nei tropici, principalmente nelle regioni montagnose piuttosto che nelle pianure, principalmente in inverno piuttosto che in estate, e principalmente di notte piuttosto che durante il giorno . Il riscaldamento è reale, ma rende più caldi i luoghi freddi piuttosto che riscaldare i luoghi caldi. Rappresentare questo riscaldamento locale con una media globale è fuorviante.

La ragione fondamentale per cui il biossido di carbonio nell’atmosfera è di fondamentale importanza per la biologia è che ce n’è così poco. Un campo di grano che cresce alla piena luce del sole nel mezzo del giorno consuma tutta l’anidride carbonica entro un metro dal terreno in circa cinque minuti. Se l’aria non fosse costantemente agitata dalle correnti di convezione e dai venti, il grano smetterebbe di crescere. Circa un decimo di tutto il biossido di carbonio nell’atmosfera viene convertito in biomassa ogni estate e restituito all’atmosfera ogni autunno. Questo è il motivo per cui gli effetti della combustione dei combustibili fossili non possono essere separati dagli effetti della crescita e del decadimento delle piante. Ci sono cinque riserve di carbonio che sono biologicamente accessibili in tempi brevi, senza contare le rocce carbonatiche e gli oceani profondi che sono accessibili solo su una scala temporale di migliaia di anni. I cinque bacini accessibili sono l’atmosfera, le piante terrestri, il terriccio in cui crescono le piante terrestri, lo strato superficiale dell’oceano in cui crescono le piante oceaniche e le nostre riserve provate di combustibili fossili. L’atmosfera è il più piccolo serbatoio e i combustibili fossili sono i più grandi, ma tutti e cinque i serbatoi sono di dimensioni comparabili. Tutti interagiscono fortemente tra loro. Per comprenderne uno, è necessario comprenderli tutti.

Come esempio del modo in cui i diversi serbatoi di anidride carbonica possono interagire tra loro, considerare l’atmosfera e il suolo. Gli esperimenti in serra mostrano che molte piante che crescono in un’atmosfera arricchita con anidride carbonica reagiscono aumentando il loro rapporto radice-germoglio. Ciò significa che le piante mettono più della loro crescita in radici e meno in steli e foglie. Ci si deve aspettare un cambiamento in questa direzione, perché le piante devono mantenere un equilibrio tra le foglie che raccolgono il carbonio dall’aria e le radici che raccolgono i nutrienti minerali dal terreno. L’atmosfera arricchita inclina l’equilibrio in modo che le piante abbiano bisogno di meno area fogliare e più area radice. Considerate ora cosa succede alle radici e ai germogli quando la stagione vegetativa è finita, quando le foglie cadono e le piante muoiono. La nuova biomassa decade e viene mangiata da funghi o microbi. Parte di esso ritorna nell’atmosfera e parte di essa viene convertita in terreno vegetale. In media, più della crescita fuori terra tornerà nell’atmosfera e più della crescita del sottosuolo diventerà terreno. Pertanto, le piante con un maggiore rapporto tra radice e germoglio provocheranno un aumento del trasferimento di carbonio dall’atmosfera al suolo. Se l’aumento del biossido di carbonio atmosferico dovuto alla combustione di combustibili fossili ha provocato un aumento del rapporto medio tra radice e germoglio delle piante su vaste aree, allora il possibile effetto sul serbatoio del suolo superiore non sarà limitato. Al momento non abbiamo modo di misurare o addirittura di indovinare la dimensione di questo effetto. La biomassa aggregata del terriccio del pianeta non è una quantità misurabile. Ma il fatto che il terriccio non sia misurabile non significa che non sia importante.

Al momento non sappiamo se il terreno vegetale degli Stati Uniti sia in aumento o in diminuzione. Nel resto del mondo, a causa della deforestazione su larga scala e dell’erosione, il bacino del terreno vegetale probabilmente sta diminuendo. Non sappiamo se una gestione intelligente del territorio potrebbe aumentare la crescita del bacino del suolo terrestre di quattro miliardi di tonnellate di carbonio all’anno, la quantità necessaria per fermare l’aumento di anidride carbonica nell’atmosfera. Tutto ciò che possiamo dire con certezza è che questa è una possibilità teorica e che dovrebbe essere seriamente esplorata.

Climate and Land Management
(A many coloured glass – reflections on the place of life in the universe)
by Fremann Dyson
(published on Heretical thoughts about science and society on July 8th 2007)

The main subject of this piece is the problem of climate change. This is a contentious subject, involving politics and economics as well as science. The science is inextricably mixed up with politics. Everyone agrees that the climate is changing, but there are violently diverging opinions about the causes of change, about the consequences of change, and about possible remedies. I am promoting a heretical opinion, the first of three heresies that I will discuss in this piece.

My first heresy says that all the fuss about global warming is grossly exaggerated. Here I am opposing the holy brotherhood of climate model experts and the crowd of deluded citizens who believe the numbers predicted by the computer models. Of course, they say, I have no degree in meteorology and I am therefore not qualified to speak. But I have studied the climate models and I know what they can do. The models solve the equations of fluid dynamics, and they do a very good job of describing the fluid motions of the atmosphere and the oceans. They do a very poor job of describing the clouds, the dust, the chemistry and the biology of fields and farms and forests. They do not begin to describe the real world that we live in. The real world is muddy and messy and full of things that we do not yet understand. It is much easier for a scientist to sit in an air-conditioned building and run computer models, than to put on winter clothes and measure what is really happening outside in the swamps and the clouds. That is why the climate model experts end up believing their own models.

There is no doubt that parts of the world are getting warmer, but the warming is not global. I am not saying that the warming does not cause problems. Obviously it does. Obviously we should be trying to understand it better. I am saying that the problems are grossly exaggerated. They take away money and attention from other problems that are more urgent and more important, such as poverty and infectious disease and public education and public health, and the preservation of living creatures on land and in the oceans, not to mention easy problems such as the timely construction of adequate dikes around the city of New Orleans.

I will discuss the global warming problem in detail because it is interesting, even though its importance is exaggerated. One of the main causes of warming is the increase of carbon dioxide in the atmosphere resulting from our burning of fossil fuels such as oil and coal and natural gas. To understand the movement of carbon through the atmosphere and biosphere, we need to measure a lot of numbers. I do not want to confuse you with a lot of numbers, so I will ask you to remember just one number. The number that I ask you to remember is one hundredth of an inch per year. Now I will explain what this number means. Consider the half of the land area of the earth that is not desert or ice-cap or city or road or parking-lot. This is the half of the land that is covered with soil and supports vegetation of one kind or another. Every year, it absorbs and converts into biomass a certain fraction of the carbon dioxide that we emit into the atmosphere. Biomass means living creatures, plants and microbes and animals, and the organic materials that are left behind when the creatures die and decay. We don’t know how big a fraction of our emissions is absorbed by the land, since we have not measured the increase or decrease of the biomass. The number that I ask you to remember is the increase in thickness, averaged over one half of the land area of the planet, of the biomass that would result if all the carbon that we are emitting by burning fossil fuels were absorbed. The average increase in thickness is one hundredth of an inch per year.

The point of this calculation is the very favorable rate of exchange between carbon in the atmosphere and carbon in the soil. To stop the carbon in the atmosphere from increasing, we only need to grow the biomass in the soil by a hundredth of an inch per year. Good topsoil contains about ten percent biomass, [Schlesinger, 1977], so a hundredth of an inch of biomass growth means about a tenth of an inch of topsoil. Changes in farming practices such as no-till farming, avoiding the use of the plow, cause biomass to grow at least as fast as this. If we plant crops without plowing the soil, more of the biomass goes into roots which stay in the soil, and less returns to the atmosphere. If we use genetic engineering to put more biomass into roots, we can probably achieve much more rapid growth of topsoil. I conclude from this calculation that the problem of carbon dioxide in the atmosphere is a problem of land management, not a problem of meteorology. No computer model of atmosphere and ocean can hope to predict the way we shall manage our land.

Here is another heretical thought. Instead of calculating world-wide averages of biomass growth, we may prefer to look at the problem locally. Consider a possible future, with China continuing to develop an industrial economy based largely on the burning of coal, and the United States deciding to absorb the resulting carbon dioxide by increasing the biomass in our topsoil. The quantity of biomass that can be accumulated in living plants and trees is limited, but there is no limit to the quantity that can be stored in topsoil. To grow topsoil on a massive scale may or may not be practical, depending on the economics of farming and forestry. It is at least a possibility to be seriously considered, that China could become rich by burning coal, while the United States could become environmentally virtuous by accumulating topsoil, with transport of carbon from mine in China to soil in America provided free of charge by the atmosphere, and the inventory of carbon in the atmosphere remaining constant. We should take such possibilities into account when we listen to predictions about climate change and fossil fuels. If biotechnology takes over the planet in the next fifty years, as computer technology has taken it over in the last fifty years, the rules of the climate game will be radically changed.

When I listen to the public debates about climate change, I am impressed by the enormous gaps in our knowledge, the sparseness of our observations and the superficiality of our theories. Many of the basic processes of planetary ecology are poorly understood. They must be better understood before we can reach an accurate diagnosis of the present condition of our planet. When we are trying to take care of a planet, just as when we are taking care of a human patient, diseases must be diagnosed before they can be cured. We need to observe and measure what is going on in the biosphere, rather than relying on computer models.

Everyone agrees that the increasing abundance of carbon dioxide in the atmosphere has two important consequences, first a change in the physics of radiation transport in the atmosphere, and second a change in the biology of plants on the ground and in the ocean. Opinions differ on the relative importance of the physical and biological effects, and on whether the effects, either separately or together, are beneficial or harmful. The physical effects are seen in changes of rainfall, cloudiness, wind-strength and temperature, which are customarily lumped together in the misleading phrase “global warming”. In humid air, the effect of carbon dioxide on radiation transport is unimportant because the transport of thermal radiation is already blocked by the much larger greenhouse effect of water vapor. The effect of carbon dioxide is important where the air is dry, and air is usually dry only where it is cold. Hot desert air may feel dry but often contains a lot of water vapor. The warming effect of carbon dioxide is strongest where air is cold and dry, mainly in the arctic rather than in the tropics, mainly in mountainous regions rather than in lowlands, mainly in winter rather than in summer, and mainly at night rather than in daytime. The warming is real, but it is mostly making cold places warmer rather than making hot places hotter. To represent this local warming by a global average is misleading.

The fundamental reason why carbon dioxide in the atmosphere is critically important to biology is that there is so little of it. A field of corn growing in full sunlight in the middle of the day uses up all the carbon dioxide within a meter of the ground in about five minutes. If the air were not constantly stirred by convection currents and winds, the corn would stop growing. About a tenth of all the carbon dioxide in the atmosphere is converted into biomass every summer and given back to the atmosphere every fall. That is why the effects of fossil-fuel burning cannot be separated from the effects of plant growth and decay. There are five reservoirs of carbon that are biologically accessible on a short time-scale, not counting the carbonate rocks and the deep ocean which are only accessible on a time-scale of thousands of years. The five accessible reservoirs are the atmosphere, the land plants, the topsoil in which land plants grow, the surface layer of the ocean in which ocean plants grow, and our proved reserves of fossil fuels. The atmosphere is the smallest reservoir and the fossil fuels are the largest, but all five reservoirs are of comparable size. They all interact strongly with one another. To understand any of them, it is necessary to understand all of them.

As an example of the way different reservoirs of carbon dioxide may interact with each other, consider the atmosphere and the topsoil. Greenhouse experiments show that many plants growing in an atmosphere enriched with carbon dioxide react by increasing their root-to-shoot ratio. This means that the plants put more of their growth into roots and less into stems and leaves. A change in this direction is to be expected, because the plants have to maintain a balance between the leaves collecting carbon from the air and the roots collecting mineral nutrients from the soil. The enriched atmosphere tilts the balance so that the plants need less leaf-area and more root-area. Now consider what happens to the roots and shoots when the growing season is over, when the leaves fall and the plants die. The new-grown biomass decays and is eaten by fungi or microbes. Some of it returns to the atmosphere and some of it is converted into topsoil. On the average, more of the above-ground growth will return to the atmosphere and more of the below-ground growth will become topsoil. So the plants with increased root-to-shoot ratio will cause an increased transfer of carbon from the atmosphere into topsoil. If the increase in atmospheric carbon dioxide due to fossil-fuel burning has caused an increase in the average root-to-shoot ratio of plants over large areas, then the possible effect on the top-soil reservoir will not be small. At present we have no way to measure or even to guess the size of this effect. The aggregate biomass of the topsoil of the planet is not a measurable quantity. But the fact that the topsoil is unmeasurable does not mean that it is unimportant.

At present we do not know whether the topsoil of the United States is increasing or decreasing. Over the rest of the world, because of large-scale deforestation and erosion, the topsoil reservoir is probably decreasing. We do not know whether intelligent land-management could increase the growth of the topsoil reservoir by four billion tons of carbon per year, the amount needed to stop the increase of carbon dioxide in the atmosphere. All that we can say for sure is that this is a theoretical possibility and ought to be seriously explored.

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