Didattica Stratosfera & Stratwarming

Stratwarming (parte prima): Coupling e Forcing Tropo-Stratosferico

N.B. - Questo articolo non ha la pretesa di essere un trattato didattico approfondito, ma ha lo scopo di rendere comprensibile anche ai meno esperti in materia, tramite l'illustrazione di alcuni dei suoi principali fattori, l'assai più complesso e articolato fenomeno atmosferico dello Stratwarming (Stratospheric Warming - riscaldamento della Stratosfera).

A tal fine, come base di riferimento per i vari concetti che prenderemo in esame di volta in volta nei singoli articoli, tornerà utile ai lettori avere come guida all'inizio di ognuno di essi il concetto riassuntivo semplificato di Stratwarming.

• Stratwarming: concetto riassuntivo semplificato

Lo Stratwarming (sw - riscaldamento della Stratosfera) o per meglio dire il Sudden Stratospheric Warming (ssw - improvviso riscaldamento della Stratosfera) è un fenomeno atmosferico invernale che si verifica principalmente nell'emisfero boreale (settentrionale) e molto raramente in quello australe (meridionale).

Il riscaldamento veloce della Stratosfera in inverno, può avere come conseguenza episodi di forti eventi freddi nella sottostante Troposfera. Ma vediamo il perchè.

Occorre sapere che in corrispondenza del Polo Nord terrestre, esiste una zona di Bassa Pressione permanente, caratterizzata da temperature molto basse, denominata Vortice Polare Troposferico (VPT).

Il rispettivo omologo presente in Stratosfera viene detto VPS, ovvero Vortice Polare Stratosferico.

• Stratwarming di tipo Wave1

Nel caso in cui in Stratosfera, si verifichi un forte riscaldamento del Vortice Polare ( per convenzione alla quota di 10 hPa, 31 Km di altezza circa ), la massa di aria fredda che prima lo componeva viene spostata a latitudini più meridionali e sostituita del tutto o in parte dalla nuova massa d'aria più calda appena costituitasi e avente caratteristiche altopressorie.

Di solito questo fenomeno avviene nella parte di Stratofera al di sopra del Pacifico settentrionale ad opera del cosiddetto Anticiclone delle Aleutine e in questo caso lo Startwarming viene denominato Stratwarming di tipo Wave 1 ( wave 1, nome attribuito all'onda altopressoria del Pacifico ).

Esso consiste in uno spostamento o parziale o dell'intera massa d'aria gelida artica costituente il VPS ( Vortice Polare Stratosferico ), fuori dalla propria sede naturale, alla conquista dei territori stratosferici principalmente delNord America orientale, dell'Europa e dell'Asia occidentale e centrale, determinato dalla spinta altopressoria della nuova massa di aria più calda.

Sotto un esempio tramite mappa dei geopotenziali previsti alla quota stratosferica di riferimenteo di 10 hPa per il 30 dicembre 2011, dove si evince come l'anticiclone aleutinico spinga il Vortice Polare sulle regioni sopra menzionate.

• Stratwarming di tipo Wave2

Quando invece ad intervenire in Stratosfera sono i due principali e contrapposi anticicloni stratosferici, ovvero l'Anticiclone delle Aleutine e quello delle Azzorre, costituitisi a seguito di 2 distinti riscaldamenti alla 10 hPa, essi unendosi in un'unica struttura altopressoria, dividono in due distinti lobi la Bassa Pressione che costituisce il VPS ( Vortice Polare Stratosferico ). 

Questo tipo di Stratwarming viene denominato Stratwarming di tipo Wave 2 ( wave 2, nome attribuito all'onda altopressoria dell'Atlantico).

In questo caso i due lobi artici derivanti dalla scissione del VPS, allontanati dalla loro sede naturale, scendono a latitudini stratosferiche inferiori, ad interessare però essenzialmente l'Asia centrale e l'America settentrionale. Difatti l'Europa e quindi anche il bacino del Mediterraneo e l'Italia, in questo caso non vengono interessati da fenomeni di freddo estremo in Troposfera.

E' anche vero che quest'ultimo tipo di Stratwarming ( wave 2 ), mette in condizione il sottostante VPT ( Vortice Polare Terrestre ) di impiegare più tempo a ricompattarsi nella sua sede naturale, protraendo la durata degli episodi freddi alle latitudini temperate dell'emisfero boreale, anche per periodi vicini ai due mesi.

Vediamo fattivamente l'esempio dello Stratwarming di tipo Wave 2 che si verificò tra il 20 e il 27 gennaio 2009 e che non coinvolse con le sue gelide conseguenze il bacino del Mediterraneo, collocandole invece tra Asia centrale e America del nord.

Nella prima immagine animata la rappresentazione di come l'aumento dei geopotenziali alla 10 hPa in zona artica, vada a sostituire la normale zona di Bassa Pressione sull'Artico con una figura di Alta Pressione.

Nella seconda immagine animata l'esempio di come l'aumento delle temperature alla 10 hPa in zona artica, vada a dividere in due il lobo unico di aria gelida artica e a collocarla sotto forma di due lobi gelidi distinti tra Asia centrale e America del Nord.

ATTENZIONE! CLICCARE SULLE IMMAGINI PER VISUALIZZARE L'ANIMAZIONE.

E' bene sapere che in letteratura meteorologica oltre a questi 2 principali tipi di Stratwarming ne esistono altri, con dinamiche evolutive differenti, ma assai meno frequenti.

Come abbiamo visto sin qui, in caso di Stratwarming, nella sede del Vortice Polare Stratosferico non si trovera più una Bassa Pressione fredda, bensì un'Alta Pressione composta da una massa d'aria più calda.

Nell'arco di un periodo variabile dai 7 ai 10 giorni, questo riscaldamento del Vortice Polare Stratosferico si propaga verso il basso, fino a sconfinare nella Troposfera ( livello più basso dell'atmosfera a contatto col suolo terrestre ).

N.B. Se in letteratura siamo abituati a leggere da più parti il termine di 7-10 giorni dalla data del raggiungimento della massima scaldata alla 10 hPa, è vero che da parte di molti esperti della materia, su pubblicazioni, blog, siti e forum, il termine viene prolungato a 15 giorni. Troviamo poi autorevoli pubblicazioni scientifiche universitarie che parlano di inversione dei venti stratosferici a distanza di 10 giorni dall'apice della scaldata che raggiunge il suo massimo nei 10 giorni precedenti ( in totale 20 giorni ) e infine altri insigni esperti come quelli del Metoffice che parlano di alcune settimane di tempo necessarie al compimento dell'evento.

Anche in questa sede atmosferica, al posto del Vortice Polare Troposferico, composto da una zona di Bassa Pressione fredda, si instaurerà una zona di Alta Pressione, composta da unamassa d'aria più calda.

A questo punto l'aria fredda artica, scalzata dalla sua sede di appartenenza naturale, scenderà a latitudini più meridionali, finendo per interessare zone normalmente a clima mite, determinando intense precipitazioni nevose e irruzioni di aria gelida.

Vanno inoltre citate alcune differenze tipologiche di stratwarming.

• Major Warming:

Alla 10 hPa si registra un aumento della temperatura media di almeno 30°C in una settimana, dal parallelo 60 verso nord. Inoltre deve essere presente una circolazione contraria ( non zonale, quindi orientale ).

• Minor Warming:
  

Se in uno qualsiasi e almeno uno dei livelli stratosferici, dalla 70 alla 10 hPa e in una qualsiasi area dell´emisfero, si registra un significativo aumento della temperatura di almeno 25°C in una settimana o meno.

• Canadian Warming:
  

Si verifica frequentemente nella fase iniziale dell´inverno come conseguenza di una intensificazione dell'Alta Pressione stratosferica delle Aleutine, la quale tende a spostarsi verso il Polo Nord. Questo tipo di riscaldamento tuttavia non porta mai al collasso del Vortice Polare Stratosferico.

• Stratalert:
  

Allerta in presenza di un riscaldamento di almeno 25°C ad una qualsiasi quota stratosferica in una settimana.

• Geoalert/Stratwarming:
  

Se si registra un incremento di 30°C settimanale al livello della 10 hPa.

Ecco quindi, spiegato brevemente, come il riscaldamento veloce della Stratosfera, detto stratwarming, può in inverno avere come conseguenza episodi di forti eventi freddi nella Troposfera sottostante.

E passiamo ora all'argomento specifico di questa prima parte dedicata al fenomeno dello Stratwarming.

• Stratwarming (parte prima): Coupling e Forcing Tropo-Stratosferico

E' stato ormai provato da tempo, con importanti e validati studi scientifici, che i cambiamenti in Stratosfera sono molto importanti perché possono influenzare il tempo meteorologico della Troposfera e il suo clima.

Di qui il concetto di Coupling ( accoppiamento ) tra Stratosfera e Troposfera.

Tuttavia, l'attuale mancanza di comprensione totale del ruolo della Stratosfera, che contiene circa il 25% della massa dell'atmosfera alle medio-alte latitudini, introduce incertezza nelle proiezioni climatiche.

Questo soprattutto perché ancora non capiamo che cosa richiedere ai modelli climatici per simulare effetti realistici dei cambiamenti stratosferici sul clima di superficie.

I cambiamenti stratosferici sono sia dinamici che chimici e quindi possono influenzare la sottostante Troposfera non solo attraverso l'accoppiamento dinamico ( Dinamic Couplig ), ma anche attraverso lo scambio di componenti chimici alterati e attraverso modifiche alle radiazioni UV.

Una buona comprensione dell'accoppiamento ( Coupling ) Stratosfera-Troposfera è di rilevante importanza.

Alcune citazioni di insigni scienziati del settore, aiuteranno a capire l'importanza di ciò che è determinato da questo fenomeno.

- Su scale di tempo intrastagionale, il tempo meteorologico, le traiettorie delle tempeste e la fase del NAM (North Annular Mode - Modo Anulare del Nord) sono influenzati dalla variabilità della stratosfera (Baldwin e Dunkerton, 2001. Thompson et al, 2005).

-  Le lente variazioni in Stratosfera forniscono un elemento di migliorata prevedibilità in Troposfera su una scala di tempo di almeno due mesi (Thompson et al., 2005).

Vediamo ora le basi dinamiche del Coupling e come esso generi fasi di "forzanti" ( forcing ) provenienti dalla Troposfera che influenzano l'equilibrio termo-barico e dinamico della Stratosfera ( Forcing Troposferico ), seguite da forzanti provenienti dalla Stratosfera che influenzano nella stessa maniera la Troposfera ( Forcing Stratosferico ). L'unione di queste due azioni atmosferiche viene detto Forcing Tropo-Stratosferico.

La Troposfera influenza la Stratosfera principalmente attraverso una serie di onde atmosferiche, che si propagano verso l'alto ( espansione verso l'alto delle onde Planetarie o onde di Rossby ), ma non solo. Vanno infatti ricordate anche le dinamiche atmosferiche derivanti dal massiccio trasporto verso il Polo di ozono stratosferico e di quello generato da forti fenomeni convettivi in area equatoriale ad opera della BDC ( Brewer Dobson Circulation ), che però affronteremo in un altro capitolo.

Dati relativamente recenti indicano che la Stratosfera organizza questa ondata caotica proveniente dal basso per creare longevi cambiamenti della circolazione stratosferica. Questi cambiamenti stratosferici possono retroagire ( tornare indietro verso il basso ) per influenzare tempo e clima nella sottostante Troposfera.

Nell'Emisfero Settentrionale, la connessione dei due fattori può essere descritta come un legame tra la forza del Vortice Polare Stratosferico ( VPS ) e il modello dominante di variabilità meteorologica al suolo, il NAM (North Annular Mode - Modo Anulare del Nord). Per la didattica sul NAM clicca il seguente link: NAM North Annular Mode

Per concludere la discussione sul Coupling ( accoppiamento ), va ricordato che tale connessione tra dinamiche stratosferiche e troposferiche ha la sua massima realizzazione e quindi valenza ai fini previsionali nei mesi invernali, mentre in quelli estivi, quando Stratosfera e Troposfera mostrano dinamiche differenti, si può parlare di Decoupling ( disaccoppiamento ).

Oltre a ciò va ricordato che recenti simulazioni numeriche indicano come l'accoppiamento bi-direzionale tra circolazioni stratosferiche e troposferiche ha applicazioni pratiche per le previsioni meteorologiche e in special modo per quelle a lungo termine, vista la risposta attendibile su una scala di tempo fino due mesi che la Stratosfera può offrire nell'individuare le future dinamiche troposferiche.

Nel prossimo articolo che costituisce la seconda parte dedicata al fenomeno dello Stratwarming, approfondiremo le spiegazioni sulla genesi, le dinamiche e i tempi di propagazione in Stratosfera del forcing proveniente dalla Troposfera ( Forcing Troposferico ) e sui tempi di ritorno e propagazione in Troposfera del forcing proveniente dalla Stratosfera ( Forcing Stratosferico ).

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