Accelera la crisi del sistema clima: già oltre la soglia critica di 1,5 gradi

Accelera la crisi del sistema clima. Nel 2024 il Pianeta ha vissuto il primo anno intero con temperature globali superiori di 1,5 gradi centigradi rispetto all’era pre-industriale. Abbiamo già raggiunto, quindi, la soglia limite fissata per fine secolo dagli Accordi di Parigi, firmati appena dieci anni fa. Più precisamente, l’anno appena trascorso ha registrato un aumento di 1,6 gradi secondo il Copernicus Climate Change Service (C3S) dell’Ue e di 1,53 gradi secondo il Met Office britannico. La traiettoria del surriscaldamento planetario, insomma, sta accelerando molto più velocemente di quanto non prevedessero gli algoritmi dei climatologi. Ciò si giustifica con il fenomeno della “retroazione positiva” descritto dalla Teoria dei Sistemi, come ci spiega in questi due articoli il nostro ingegner Vittorio Milani. A lui la parola.

-PARTE PRIMA

Si, avete letto bene: positive. Come può una cosa “positiva” incutere paura? Per chi mastica di teoria dei sistemi, non è una notizia né tantomeno una sorpresa. Per tutti gli altri consigliamo di tuffarsi nella lettura, perché è proprio di Teoria dei Sistemi che vogliamo parlare oggi, e di cosa questa abbia a che fare con le vicende climatiche del nostro pianeta.

Quando il caos diventa logico: il potere della Teoria dei Sistemi

Usiamo spesso la parola “sistema” per riferirci a qualcosa di complesso: il sistema sanitario, il sistema fiscale, il sistema cardio-circolatorio, il sistema planetario, il sistema operativo del computer, ecc., praticamente tutto ciò che ci circonda che appare come un aggregato composto di molte parti organizzate tra loro. È corretto, però siamo un po’ nel vago. Tuttavia un giorno qualcuno scoprì che questa generica astrazione poteva essere concettualizzata in un quadro teorico rigoroso, rendendo di fatto disponibile un nuovo potente strumento di lavoro agli studiosi di molte discipline.

Siamo intorno della metà del ‘900 e un biologo austriaco di nome Ludwig von Bertalanffy ragionava sul fatto che cercare di comprendere il funzionamento di un’entità complessa, come un organismo biologico, partendo dallo studio delle singole parti e poi cercare di ricomporre il tutto per capire il comportamento dell’assieme, era molto spesso un’impresa disperata.

Intuì che forse era meglio partire da una visione d’insieme focalizzata sulla comprensione di come le parti interagiscono tra loro, superando l’analisi dettagliata e isolata dei singoli elementi. Si accorse che in questo modo era in grado di cogliere concetti universali che regolano il comportamento non solo degli organismi biologici ma in un dominio estremamente vasto di fenomeni (biologici, sociali, tecnici, economici).

Detto in altri termini, Bertalanffy superò il metodo del riduzionismo, che sostiene che tutti i fenomeni complessi possono essere spiegati pienamente analizzandone le parti costituenti, proponendo al suo posto un approccio che oggi definiremmo di tipo olistico. Un pò come studiare una foresta nel suo insieme osservandola dall’alto piuttosto che studiare le singole piante che la compongono. E fu così che nacque la Teoria Generale dei Sistemi (TGS).

Cosa si intende in pratica per “sistema”?

Un sistema è un insieme di elementi interconnessi che interagiscono tra loro e con l’ambiente, generando un comportamento complessivo. I sistemi possono essere artificiali, naturali o solo concettuali, avere uno scopo preciso o evolvere senza intenzionalità.

In generale, un sistema è rappresentabile graficamente come una “scatola”, che contiene tutti gli elementi interagenti tra loro, e con le variabili d’ingresso (input) e quelle di uscita (output), come nella figura seguente. A fronte di determinati valori in ingresso, il sistema risponderà con altri valori in uscita.

Le relazioni di causa-effetto tra gli elementi che costituiscono il sistema (cioè quello che c’è dentro la scatola) sono normalmente descritte da relazioni matematiche che possono essere molto semplici o di enorme complessità, utilizzabili solo con la potenza di calcolo di super-computer. L’insieme di queste relazioni definisce il modello del sistema.

I modelli più semplici sono essenzialmente definiti e risolti (ad esempio un semplice circuito elettrico di amplificazione), mentre quelli più complessi (ad esempio quelli
metereologici) sono sempre in continuo sviluppo per migliorarne le capacità previsionali.
Come ulteriori esempi di sistemi abbiamo:
– Biologia: il sistema cardiovascolare umano;
– Ecosistema: organismi viventi (flora, fauna, microbi) e componenti non viventi (suolo, acqua, aria) che interagiscono tra loro;
– Meccanica: Un’automobile può essere rappresentata come un sistema con un numero limitato di variabili ma sufficienti a spiegare molti aspetti del comportamento finale (senza partire dalla descrizione dettagliata di ogni competente);
– Computer: Utilizza dati elementari binari (bit) e attraverso molti livelli di elaborazione fornisce funzionalità complesse;
– Città: Possono essere rappresentate come “sistemi” urbani che comprendono infrastrutture, popolazione, servizi e risorse interconnessi;
– Organizzazione sociali: Aziende, scuole e istituzioni governative possono essere analizzate come sistemi di persone, risorse e processi che lavorano verso determinati obiettivi;

Quando il tutto è più della somma delle parti

Una caratteristica sorprendente di molti sistemi complessi è l’insorgenza di proprietà emergenti, ovvero comportamenti che non sono riscontrabili nei singoli elementi che compongono il sistema ma derivano esclusivamente dall’interazione di questi elementi tra loro. Ad esempio, l’intelligenza umana, ma anche quelle animale, non è rintracciabile in un singolo neurone del cervello, non esiste un neurone di per sé intelligente. Oppure la Borsa valori, che determina i prezzi come risultato di decisioni individuali di milioni di singoli operatori.

Stabilità e instabilità: la danza dei Sistemi Dinamici

Una classe di sistemi che ci interessano in modo particolare sono i sistemi dinamici. La loro caratteristica è che evolvono il loro stato nel tempo, con i valori delle uscite che variano sulla base delle condizioni iniziali e degli ingressi. Un ponte è un sistema statico (almeno se lo consideriamo nella sua funzione quotidiana e non nel lungo periodo); il traffico è un sistema dinamico perché evolve continuamente il suo stato.

Un concetto chiave riguardo i sistemi dinamici è quello della stabilità. Vediamolo con l’esempio illustrato in figura.

Il sistema è costituito da una pallina, dalla superficie su cui è appoggiata e dalle forze in gioco (cioè la forza gravità, le reazioni della superficie e gli attriti). Gli ingressi sono le forze applicate dall’esterno (ad esempio una spinta sulla pallina). L’uscita è il movimento della pallina, cioè la sua posizione nel tempo.

Abbiamo sostanzialmente due possibilità:
– Sistema stabile: quando lo stato del sistema è perturbata attraverso una variazione in ingresso (un impulso di forza che spinge la pallina), l’uscita ritorna comunque ad uno stato di equilibrio dopo una fase di oscillazione più o meno lunga;
– Sistema instabile: se perturbato, si allontana inesorabilmente dal suo stato iniziale senza più giungere ad uno stato di equilibrio.

Il concetto di stabilità di un sistema è legato ad uno degli obiettivi principali della teoria dei sistemi, il problema del controllo, che tra poco vedremo.

Quando l’uscita ritorna all’ingresso: la retroazione

In molti sistemi succede una cosa interessante: l’uscita non si limita ad “uscire” e basta (scusate la semplificazione) ma “ritorna” ad agire sull’ingresso, che a sua volta, agendo sul sistema, andrà ad influenzare l’uscita. Quando succede ciò si dice che il sistema è retroazionato.

Esistono due tipi di retroazioni (spesso si usa il termine inglese feedback):
 Retroazione NEGATIVA: il segnale che ritorna all’ingresso produce un effetto che si oppone all’uscita: se il valore dell’uscita stava aumentando, tenderà a ridurlo; se invece stava diminuendo, agirà per incrementarlo. In questo modo il sistema risulterà STABILE (come la pallina che ritorna nel punto iniziale).
 Retroazione POSITIVA: il segnale che ritorna all’ingresso produce un effetto che amplifica l’uscita nella stessa direzione. Il risultato sarà che il sistema “accelera” sempre più velocemente e se non interviene subito qualcosa per fermare il circolo vizioso risulterà INSTABILE ed evolverà fino a collassare (come la pallina che rotola a caso da qualche parte e poi sparisce sotto il divano…).

Esempi di retroazioni negative e positive

Retroazioni negative: il cruise control, il meccanismo della domanda e dell’offerta, il controllo delle scorte di un magazzino, la dinamica “prede-predatori”, il riscaldamento di casa con il termostato;
Retroazioni positive: una pandemia, le bolle speculative in borsa, la proliferazione incontrollata di una specie animale o vegetale, la voce che rientra nel microfono producendo quel fischio insopportabile, l’iperinflazione che porta al collasso l’economia, il guasto in un punto della rete elettrica che sovraccarica altre sezioni causando e un blackout in cascata.

Rimanendo nel campo dei sistemi naturali, con riferimento all’immagine sopra, a sinistra è mostrata la dinamica di una popolazione che cresce sotto l’effetto di una retroazione positiva, come nel caso di un’invasione di cavallette che si moltiplicano con una crescita esponenziale (almeno per un certo tempo, fino al collasso quando si esauriscono le risorse). A destra invece vediamo la dinamica prede-predatori, un sistema che si retroaziona negativamente perché l’aumento della popolazione di predatori riduce il numero delle prede, e con meno prede a disposizione la popolazione dei predatori diminuisce, permettendo alle prede di riprendersi. Il risultato è un andamento oscillatorio che si mantiene stabile nel tempo. Teniamo presente il concetto di “retroazione” perché sarà alla base di tutto quello che verrà dopo.

Il bisogno di controllo

A noi umani piace controllare le cose. L’idea che vadano per conto loro senza sapere perché genera una sottile angoscia, che poi è la molla del desiderio di conoscenza. Quindi quando abbiamo a che fare con un sistema la prima cosa che desideriamo è “metterlo sotto controllo” per fare in modo che si comporti come noi vogliamo, cioè che le uscite del sistema siano quelle desiderate. Per raggiungere tale scopo si introduce un elemento definito (guarda caso) Controllore. Abbiamo due modi per realizzare un controllore: il controllo ad anello aperto e il controllo in retroazione.
Vediamo.

1 – Controllo ad anello aperto
Fa freddo e avete a disposizione solo una stufetta elettrica con tre possibili valori di potenza. Ne scegliete uno e l’accendete, “sperando” che vada bene, cioè che la temperatura ambiente si stabilizzi al livello di temperatura desiderato. Il controllore di questo semplice sistema è proprio l’interruttore che permette di scegliere tra spento e acceso ad uno dei tre livelli di potenza. Possiamo rappresentare quindi il nostro sistema controllato nel seguente modo:

È evidente che questo tipo di controllo è molto “primitivo” e non ci garantisce che il risultato, cioè una temperatura gradevole dell’ambiente, sia effettivamente raggiunta. Il controllore, infatti, non conosce il valore della temperatura desiderata e non ha alcuna possibilità di regolazione una volta impostata manualmente la potenza.

Dal cruise control al riscaldamento domestico

2- Controllo ad anello chiuso (o sistema retroazionato) In questo coso il controllore è decisamente più intelligente di un semplice interruttore a tre posizioni. Funziona basandosi sulla retroazione negativa, che abbiamo spiegato prima. Il valore dell’uscita (cioè la temperatura ambiente) viene continuamente confrontato dal controllore con un valore target che avete impostato come uscita desiderata (ad esempio 20 gradi). Se il controllore riscontra una differenza tra i due valori, esso agisce modificando l’ingresso (cioè l’accensione o spegnimento della fonte di calore).

Il sistema di controllo del riscaldamento domestico agisce proprio in questo modo: il controllore è rappresentato del termostatato collegato ai dispositivi di regolazione della caldaia.

Un controllore domestico basato su un termostato è sufficiente per garantirci un certo confort, ma se andiamo a osservare la temperatura reale in modo puntuale potremmo vedere che in realtà essa oscilla intorno al valore di target (i 20 gradi impostati), e potrebbe variare continuamente ad esempio tra i 19 e 21 gradi, per via dell’inerzia termica e di altri “disturbi” che un controllore così semplice non è in grado di gestire (vedi figura seguente).

Nei processi industriali e in molte applicazioni tecniche, il sistema di controllo può essere molto sofisticato, con controllori che funzionano sulla base di algoritmi intelligenti che tengono conto di molte variabili e capaci di intervenire in modo predittivo per anticipare gli eventi e mantenere le uscite il più possibile aderenti al target.

Sistemi naturali potenti e complessi: difficile controllarli

Un esempio di questo tipo è rappresentato dal controllore di una centrale idroelettrica che, in funzione del carico richiesto dalla rete, della disponibilità di acqua nel bacino e altre variabili, regola la valvola d’uscita del flusso d’acqua che proviene dalla condotta forzata ed altri dispositivi in modo tale che la risposta (cioè il valore della potenza elettrica immessa in rete) sia la più rapida possibile evitando però l’insorgenza di fenomeni critici come il cosiddetto colpo d’ariete (un ritorno di pressione verso l’alto nella condotta forzata) che potrebbero distruggere tutto.

Un altro esempio più vicino a noi è il cruise control di un’auto. Il software di questo dispositivo misura continuamente la differenza tra la velocità target impostata dal conducente e la velocità reale. Se l’auto rallenta (per una leggera salita, per il vento o altre cause) esso agisce aumentando la potenza del motore; al contrario diminuendola se l’auto dovesse accelerare per una leggera discesa o altro. Eseguendo questo
ciclo continuamente e ad alta frequenza, l’effetto ottenuto sarà quello di stabilizzare la velocità al valore di target.

In conclusione, abbiamo visto che il miglior modo per controllare un sistema è quello di utilizzare un controllore a retroazione negativa. Questo è possibile se il sistema è completamente noto e “dominabile”, per la sua semplicità o perché lo abbiamo progettato e realizzato noi, come nel caso di un’automobile.

Ma non sempre è così. Ad esempio, i sistemi naturali sono complessi e in parte sconosciuti nelle loro dinamiche. Oppure un sistema economico, che può essere conosciuto a livello micro ma sfuggire a completa comprensione nel suo comportamento complessivo.

Ed è in questi casi che si può insinuare quel potente distruttore di equilibri rappresentato dalla retroazione positiva.

Perché la retroazione positiva può essere una gran brutta faccenda

Abbiamo visto che nella retroazione positiva l’uscita agisce sull’ingesso amplificandone l’andamento. Sarebbe come se il nostro cruise control, riscontrando una velocità maggiore rispetto a quella impostata, invece di moderare la potenza del motore agisse incrementandola. L’effetto è facilmente immaginabile: l’auto accelererebbe sempre di più fino al suo limite fisico. Salvo casi particolari, dove si vuole volutamente velocizzare la dinamica di un processo con una retroazione positiva (ma per un breve tempo e in modo
controllato), i controllori utilizzano sempre una logica a retroazione negativa per tenere sotto controllo il sistema. Quando invece dovesse innescarsi una logica di retroazione positiva non voluta né tantomeno desiderata, specialmente se abbiamo a che fare con cose grosse e molto potenti, questo rappresenterebbe un grosso problema.

Un sistema in preda ad una retroazione positiva è destinato a distruggersi (qualunque cosa possa significare) o a raggiungere un nuovo equilibrio dopo aver di aver modificato il suo stato, cioè i valori delle variabili che lo caratterizzano, al punto da essere irriconoscibile rispetto al sistema iniziale.

Nella seconda parte vedremo come si possono applicare i concetti della Teoria dei Sistemi, e in particolare le retroazioni sia positive che negative, al sistema climatico terrestre per cercare di capire cosa stia davvero accadendo al nostro pianeta.

– FINE PRIMA PARTE-

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