UN NUOVO MODELLO CLIMATICO ALLA BASE DELLA PEG: PARTE V

Un saluto a voi, popolo di NIA.
Come già anticipato al termine della precedente Parte IV, nella presente Parte ci occuperemo dello studio di un altro fenomeno chiave nelle dinamiche degli inverni europei: il ciclo ENSO. Ovviamente una trattazione completa sul ciclo ENSO e sulle conseguenze che esso ha sul clima terrestre mi porterebbe a dilungarmi in maniera eccessiva. Pertanto, ricollegandoci al discorso sin qui svolto e tenendo in mente l’obbiettivo primario di ricercare un nuovo modello climatico incentrato sulla variabile solare a lungo termine, svilupperemo la trattazione in maniera particolare. Nello specifico cercheremo di individuare i cambiamenti indotti nella stratosfera polare (e di conseguenza nella più sottostante troposfera) dal ciclo ENSO, in accordo con la con il ciclo solare e con il regime dei venti stratosferici equatoriali (QBO).
Onde evitare incomprensioni, preciso sin da subito che il senso ultimo del ragionamento emergerà solo leggendo le prossime Parti e dunque al termine dell’articolo. Raccomando inoltre a chi non l’avesse ancora fatto di leggere le precedenti Parti per avere una chiara visione dei concetti sin qui esposti e soprattutto per non perdere il filo del discorso (ricordo che l’articolo è una lunga dimostrazione). Per ora non posso che augurarvi una buona lettura.

Ciclo ENSO : El Nino Southern Oscillation è un oscillazione periodica riferita alle temperature delle acque del Pacifico nell’ambito della fascia equatoriale. Una corretta descrizione del fenomeno mi poterebbe a dilungarmi eccessivamente, dunque mi limiterò a descrivere solo alcuni degli aspetti più importanti che lo caratterizzano.
Come ben tutti sanno l’oscillazione ENSO è connessa a due fenomeni opposti: El Nino e la Nina. Il primo riguarda un anomalo riscaldamento delle acque dell’oceano Pacifico, che ricordiamo essere l’oceano di gran lunga più vasto del mondo. Il secondo invece corrisponde all’opposto raffreddamento delle acque dell’oceano stesso.
Tuttavia non tutti sanno che l’oscillazione ENSO è associata esclusivamente al regime di venti tropicali-equatoriali connessi alla circolazione di Walker e non al maggiore o minore riscaldamento del Pacifico indotto da agenti esterni. La circolazione di Walker in particolare, è una particolare circolazione connessa alla cella convettiva inerente il Pacifico che, a differenza della cella convettiva di Hadley (vedi Parte I), ha direttrice ovest-est e non nord-sud. All’interno di questa cella, l’aria sale nel ramo occidentale dove sono presenti acque calde (che comprendente l’Indonesia e le Filippine), si sposta in quota verso est e ridiscende sul ramo orientale dove le acque sono molto più fredde (zona prossima alle coste del Perù, Ecuador e Cile settentrionale). Sul ramo ascendente, dove le acque sono molto calde, si sviluppa un’intensa attività convettiva che favorisce lo sviluppo di intense precipitazioni sull’Indonesia (e zone limitrofe) e nord Australia. L’aria discendente sul pacifico orientale risulta invece estremamente secca. In questo caso il fenomeno di subsidenza porta alla formazione di un’alta pressione perenne. Ciò spiega perché le coste pacifiche del Perù, Ecuador e nord Cile nonché le isole Galàpagos sono soggette ad un clima estremamente siccitoso (in queste zone sono presenti estesi deserti costieri, come il deserto Sechura in Perù).

La circolazione si richiude grazie ai venti al suolo che spirano da est verso ovest, che nient’altro sono che gli alisei (trade winds). Proprio gli alisei, spirando sul livello del mare, raschiano la superficie del Pacifico provocando un accumulo delle acque superficiali sui settori più occidentali del pacifico ed innescando fenomeni di upwelling. La risalita d’acqua fredda dagli strati profondi verso quelli superficiali raffredda le acque del Pacifico (a partire dal pacifico orientale), mentre l’acqua “accumulata” sui bordi più occidentali del Pacifico (Indonesia) tende a riscaldarsi portando alla formazione di una estesa piscina di acqua calda (West Pacific Warm Pool). Al di sopra di questa piscina calda si genera un intensa attività convettiva, che come sopra detto favorisce lo sviluppo di un clima eccezionalmente umido nelle zone occidentali del Pacifico (Indonesia, Filippine, Micronesia, Nord-Australia ecc..). Al contrario, sulle fredde acque del Pacifico oientale il clima si presenta estremamente secco. In queste ultime zone inoltre, a causa della forte azione di raschiamento esercitata dagli alisei e dei conseguenti moti di upwelling, lo spessore del Termoclino si presenta estremamente ridotto (poche decine di metri). Sul versante opposto invece, a causa dell’ingente accumulo di acque calde, lo spessore del Termoclino raggiunge dimensioni considerevoli.

E’chiaro dunque che gli episodi di Nina sono associati ad un rafforzamento della circolazione di Walker. In questo caso infatti un intensa attività degli alisei favorisce un maggior raschiamento della superficie dell’oceano Pacifico, portando ad diminuzione delle SST su tutto il Pacifico. Al contempo si registra una riduzione dell’estensione della West Pacific Warm Pool (di qui in avanti WPWP) con conseguente soppressione semi-totale dell’attività convettiva equatoriale. In questi frangenti, oltre ad incrementare il dislivello barico-termico tra Pacifico orientale e Pacifico Occidentale (indice SOI), si registra un aumento del dislivello dell’altezza della superficie marina. Infatti, a causa dell’accumulo delle acque calde nell’area circoscritta dell’estremo Ovest Pacifico, in questa zona il livello del mare è decisamente più alto rispetto all’est-Pacifico (anche di 60 cm). Infine si registra un estremizzazione della differenza di Termoclino tra le due sponde del Pacifico.
Al contrario, il fenomeno opposto del Nino corrisponde ad una soppressione totale della circolazione di Walker. Anche in questo caso il fenomeno è comportato da un’alterazione della ventilazione al suolo. Infatti, quando ciclicamente si verifica un indebolimento degli alisei, il volume di acqua calda in precedenza accumulata sull’ovest Pacifico (WPWP) si riversa su tutto l’oceano. Ciò comporta un riscaldamento di tutto l’oceano con soppressione totale degli alisei (in quanto viene a mancare il gradiente barico orizzontale). Al contempo, l’attività convettiva equatoriale tende aumentare vertiginosamente (in quanto abbraccia quasi tutto il Pacifico) ed i moti ascensionali che causano le precipitazioni interessano il Pacifico in quasi tutto il suo sviluppo. Al contempo, fenomeni di subsidenza (discesa di aria) interessano le zone di Indonesia ed Australia da una parte ed Amazzonia dall’altra. In queste aree, la formazione di anomali anticicloni, comporta condizioni di siccità, mentre le aree notoriamente aride del Pacifico orientale sono interessate da abbondanti precipitazioni (Equador, Perù, Nord Cile, Isole Galapacos ecc..). E’ per questo motivo che il fenomeno del Nino è accompagnato da bassissimi valori dell’indice SOI.

Venendo a ciò che è di nostro interesse, il ciclo ENSO ha una capacità notevole di influenzare le caratteristiche della stratosfera polare invernale (in accordo con il segnale relativo all’attività solare). In particolar modo, durante le fasi di ENSO+ (Nino), aumenta notevolmente l’area del Pacifico interessata dalla convenzione profonda. Dunque, se si verifica un episodio di Nino in concomitanza con la fase negativa della QBO ed in un contesto di bassa attività solare si verifica un incremento straordinario delle quantità di vapore che, attraverso la tropopausa equatoriale, penetrano nella soprastante stratosfera. Infatti, in base a quanto visto la scorsa volta, nelle fasi di bassa attività solare la QBO negativa è associata ad un anomalo innalzamento della tropopausa equatoriale, producendo un aumento considerevole dell’attività convettive nelle regioni del Pacifico già di per sé occupate dalla convenzione profonda (non solo) ed un forte aumento della velocità di trasporto verso l’alto (stratosfera) dell’aria umida ricca di vapor acqueo. A sua volta El Nino, con la soppressione totale della circolazione di Walker, incrementa non di poco l’area interessata dalla convenzione profonda. In tali condizioni si osserverebbe un anomala (fuori dal comune) quantità di vapore attraversare la troposfera equatoriale e penetrare dunque in stratosfera. L’eccessivo aumento della forza della BDC che ne andrebbe scaturire avrebbe poi conseguenze “devastanti” sul VPS e dunque sull’intero VP.

Sono numerosissimi gli studi sul legame tra ciclo ENSO e Vortice Polare Stratosferico. Tra questi ricordiamo quelli condotti da Labitzke – Van Loon, Baldwin – O’Sullivan, Hamilton e Sassi. In tutti i casi è emerso come il VPS tenda ad essere più disturbato e pertanto più caldo e debole durante gli inverni interessati da condizioni di ENSO + (El Nino). Infatti durante le fasi di ENSO+ le onde planetarie sono in numero maggiore e risultano soprattutto più ampie e quindi in grado di sfondare in molte più occasioni nella stratosfera polare, variando la sua temperatura e la sua composizione chimica. Nello specifico è stato osservato come in presenza del Nino sia favorita una maggiore ampiezza delle onde planetarie più lunghe (wave 1), aumentando così l’efficacia dei forcing tropo-stratosferici (aumento stratwarming). A tal proposito i Prof. Masakazu Taguchi e Dennis Hartman del “Department of Atmospheric Sciences, University of Washington” nella loro ricerca “) “Increased Occurrence of Stratospheric Sudden Warmings during El Niño as Simulated by WACCM”, hanno stabilito che fenomeni di stratwarming nella stratosfera polare invernale hanno il doppio delle possibilità di verificarsi durante gli episodi di El Nino.
Come segnalato dagli autori stessi, in tutte le suddette ricerche, il problema è stato quello di scindere l’effetto prodotto dal Nino sulla stratosfera invernale dagli effetti associati ad altri fenomeni in grado di disturbare egualmente il VPS invernale (QBO, attività solare, eruzioni vulcaniche ecc..). Alcuni, come Charles D. Camp e Ka-Kit Tung del “Department of Applied Mathematics, University of Washington”, hanno tentato di quantificare l’effetto che el Nino ha sulla stratosfera polare. Questi infatti, analizzando i dati di temperatura stratosferica NCEP 1959-2005, hanno scoperto che l’anomalia termica indotta dal Nino è quantificata attorno ai 4 gradi Kelvin.
Quello di assegnare un peso alla capacità di ciascun fenomeno (QBO, ENSO, attività solare) di alterare il Vortice Polare resta comunque un intento molto arduo nonché, a mio avviso, di poco senso. Infatti in assenza di bassa attività, sia la QBO negativa che el Nino perdono notevolmente efficacia nel riuscire disturbare il Vortice Polare invernale. Inoltre come verrà meglio chiarito in seguito, i tre fenomeni sono da considerare strettamente legati ed interagenti tra loro nell’intento di decifrare periodi storici eccezionali dal punto di vista climatico (quale fù la PEG). In qualche modo sono da ritenere “tre facce della stessa medaglia” (questo discorso verrà chiarito nei prossimi appuntamenti).
Volendo comunque stabilire una sorta di ordine gerarchico tra detti fenomeni, integrando l’inferenza statistica (adottata nell’ambito di queste ricerche) con la fisica del problema, si può certamente concludere che, nell’ambito dei periodi caratterizzati da bassa attività solare e per ciò che concerne le dinamiche prettamente invernali, la QBO negativa abbia una maggiore importanza rispetto al segno del ciclo ENSO. Infatti, salvo episodi eclatanti di Nina (in grado di limitare fortemente le aree del Pacifico favorevoli allo sviluppo dell’ attività convettiva), la QBO negativa negli anni di modesta attività solare è in grado da sola di “attivare” quei meccanismi che portano il Vortice Polare ad essere maggiormente disturbato/rallentato (innalzamento e raffreddamento troposfera equatoriale, aumento aria umida attraversante la troposfera equatoriale, rafforzamento BDC). In altre parole, se in condizioni ordinarie di ENSO -(neutrale/negativo), la QBO- insieme alla bassa attività solare è comunque in grado di apportare ingenti stravolgimenti alla circolazione invernale alle medie latitudini, non è vero il viceversa. Infatti, sempre in un contesto di bassa attività solare, in condizioni normali di ENSO+ (neutrale/positivo), la QBO+ può comunque implicare un eccessivo indebolimento della BDC con conseguente rafforzamento del VPS. Ribadisco tuttavia che si tratta di un discorso sensato solo nell’ottica di caratterizzare (prevedere) una singola stagione invernale poiché, nel contesto di lunghissimi periodi (secoli) di bassa attività solare, i due fenomeni (ENSO+ e QBO-) risultano strettamente correlati tra loro, sia nelle cause che nelle conseguenze. Personalmente mi piace definirli come “figli dello stesso meccanismo”.

È chiaro che, come già sopra detto, se si verifica un episodio di Nino in concomitanza con la fase negativa della QBO ed in un contesto di bassa attività solare, la fortissima (anomala) attività convettiva in sede Pacifica porterebbe ad un vigoroso incremento della velocità e della potenza della BDC ed il VPS sarebbe soggetto a continui e feroci riscaldamenti. La particolare e duratura debolezza del VPS coinvolgerebbe agevolmente l’intera struttura del VP e ciò porterebbe a registrare per l’intero inverno valori estremamente negativi dell’indice AO.
Al contrario, negli di bassa attività solare in cui si verificano condizioni di QBO+ ed ENSO–l’attività convettiva viene fortemente inibita, per due motivi:
1) In un contesto di bassa attività solare, la QBO + comporta un abbassamento nonché un riscaldamento della tropopausa equatoriale inibendo l’intensità e la velocità di trasporto del vapore acqueo dalla troposfera alla stratosfera equatoriale;
2) In presenza di intensa Nina diminuisce l’area Pacifica interessata dalla convenzione profonda (relegata in questo caso a zone circoscritte del Pacifico occidentale).
In una simile circostanza si verifica una drastica frenata della BDC con conseguente raffreddamento ed isolamento del VPS (vedi l’anno in corso). Negli inverni dominati da tale quadro tele-connettivo il VPS si presenta quindi eccezionalmente freddo, forte ed interessato da veloci venti zonali. Come visto in precedenza, salvo eventi eccezionali (affetti da bassissima probabilità), anche la troposfera alle medie latitudini risulterebbe completamente bloccata (tipico pattern da AO++). Non mi dilungo a spiegare le nocive conseguenze che tale configurazione ha sul clima autunno-invernale europeo (anche perché le abbiamo vissute da poco e le stiamo sperimentando tutt’ora).
Questa particolare situazione è stata anche oggetto di studio in una ricerca condotta dai professori Charles D. Camp e Ka-Kit Tung del “Department of Applied Mathematics, University of Washington”. Questi infatti, tra le altre cose, attraverso ricerche statistiche hanno concluso che negli anni di minimo solare, QBO positiva ed ENSO- il Vorice Polare Stratosferico riceve il “minor disturbo possibile” e le probabilità che si verifichino fenomeni di Stratwarming tendono a zero.
In questi frangenti inoltre, a causa del blocco quasi totale della BDC e dell’assenza di Stratwarming, si verificano bassissimi afflussi di ozono nella stratosfera polare. Inoltre, per via delle bassissime temperature che si registrano in essa, aumenta notevolmente la capacità delle sostanze inquinanti antropogeniche di distruggere il poco ozono presente. Ciò porta al verificarsi di fenomeni improvvisi di “buco dell’ozono” anche sul polo nord, portando i fedelissimi dell’AGW a gridare alla catastrofe (questo concetto verrà meglio approfondito nella prossima Parte VI).
Poichè negli ultimi due inverni si sono verificate le situazioni opposte sin qui descritte, ho la possibilità di farvi comprendere a livello visivo la teoria che vi ho sin quì esposta. Infatti sono riuscito a reperire una video-sequenza che mostra il quantitativo di ozono stratosferico presente sul polo nord durante gli inverni 2010 e 2011 (esclusi i mesi di dicembre). A tal proposito ricordo che l’inverno 2010 è stato contraddistinto da QBO- ed ENSO+, mentre nell’ultimo inverno (2011) si sono avuti QBO+ ed ENSO-. In entrambi i casi l’attività solare si è mantenuta su valori molto bassi.

Avrete sicuramente notato la differenza lampante tra i due anni. In particolare, nell’ultimo inverno, lo sfavorevolissimo quadro tele connettivo, ha portato ad eccezionale isolamento del VPS che per diversi mesi è risultato inscalfito da qualsiasi tentativo di forcing troposferico (espansione delle Onde di Rossby). Ciò ha portato alla formazione di un anomalo buco dell’Ozono di cui si parla ancora in questi giorni. Sempre in riferimento all’ultimo inverno, avrete notato come il quantitativo di ozono sul polo era maggiore ad inizio gennaio che a febbraio-marzo. Questo è un fatto straordinario se si pensa che, causa i frequenti stratwarming che di norma con l’arrivo della radiazione solare interessano l’ultima parte dell’inverno, i quantitativi maggiori di ozono si hanno sempre alla fine della stagione fredda. Questa cosa può essere spiegata semplicemente considerando che la QBO va letta con qualche mese di ritardo (circa 4 mesi). Pertanto, poichè nel 2010 la QBO a 50 hpa è passata in campo positivo solo a metà settembre, per tutto dicembre 2010 e metà gennaio 2011 si è beneficiato del Pattern QBO- /bassa attività solare, che come visto è in grado di rendere efficace la BDC con tutte le conseguenze del caso (VPS/VP deboli e buono contenuto di ozono nella stratosfera polare). Non è un caso che per tutto dicembre 2010, fino a metà gennaio 2011gli indici AO e NAO si sono tenuti su livelli bassissimi. Nella fase successiva dell’inverno invece, la QBO+, favorita dall’azione della Nina, ha iniziato a dare i suoi effetti negativi portando l’intera struttura del VP ad essere estremamente compatta (AO ++).
Nell’inverno 2009-2010 invece, la concomitanza tra QBO- ed ENSO+ ha dato vita ad una situazione a dir poco eccezionale nell’ambito del Vortice Polare. La stratosfera polare ha ricevuto per tutti i mesi invernali grossi apporti di ozono e l’intera struttura del VP è stata continuamente sfaldata (in questo inverno si sono registrati i valori negativi record dell’indice AO).

La foto dal satellite immortala lo scenario “apocalittico”che vede il Regno Unito completamente sommersodal ghiaccio e dalla neve durante l’inverno 2009-2010.

Restando in tema, voglio infine presentarvi la ricerca forse più significativa in questo campo. Intitolata “Effect of QBO and ENSO on the Solar Cycle Modulation of Winter North Atlantic Oscillation” e pubblicata nel 2007 dal Prof. Yuhji Kuroda del “Meteorological Research Institute di Tsukuba”, detta ricerca analizza in comportamento dell’indice NAO in relazione alla bassa attività solare. Nello specifico Kuroda sostiene che, con QBO Occidentale e La Nina, la NAO Index, divenendo un pattern locale, ha meno influenza sulle dinamiche Emisferiche a larga scala e non ha ripercussioni forti sulla Stratosfera.
Al contrario, in anni caratterizzati da QBO Orientale e El Nino, il NAO Index ha ripercussioni in modo marcato sull’intero Emisfero Nord nonché sull’intera stratosfera polare.
Se si pensa che l’indice NAO quando assume valori negativi in inverno è segno dell’anomalo stazionamento di un anticiclone caldo nei pressi del Vortice Polare (Islanda), alla luce di quanto sin qui detto si comprendono le ragioni del Prof. Kuroda. Infatti in presenza di minimo solare, QBO- ed ENSO+ il VPS si presenta estremamente rallentato ed in queste condizioni l’onda anticiclonica associata al Pattern NAO- ha molte più probabilità di approfondirsi e penetrare nella stratosfera polare (onda stazionaria) gettando le basi per la formazione di eventi importanti aventi ripercussioni marcate su tutto l’emisfero nord. Al contrario, negli anni con minimo solare,QBO+ ed ENSO- , l’onda difficilmente potrà approfondirsi ed i fenomeni ad essa associati risulteranno limitati sia spazialmente che temporalmente.
Come detto la ricerca è stata pubblicata nel 2007 e pertanto il Professor Kuroda ha dovuto attendere appena un paio d’anni per verificare a pieno la bontà dei suoi studi.
Finisce qui la Parte V. Dalla prossima Parte cercheremo di capire quali configurazioni tele-connettive dominavano nella PEG. In altre parole, alla luce di quanto imparato sino ad ora e servendoci di numerose ricerche scientifiche nonchè di svariati documenti storici, cercheremo di inquadrare il meccanismo responsabile del raffreddamento delle medie latitudini boreali (Europa in particolare) che, iniziato alla fine dell’epoca medioevale, arrivò al culmine nella prima metà del 1800.

Riccardo

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