5. EFFETTI DEL QBO SUI COSTITUENTI CHIMICI

5.1. Sfondo C’è una notevole mole di prove riguardo l’influenza del QBO sui costituenti chimici nell’atmosfera. Le prime prove provenivano da osservazioni basate a terra di ozono a colonne presso due stazioni subtropicali fatte da Funk e Garnham [1962], che furono mostrate da Ramanathan [1963] come associate all’oscillazione stratigrafica. In uno studio storico sull’ozono tropicale, Angell e Korshover [1964] dimostrarono che un segnale QBO era evidente nei dati di Shanghai (31°N) negli anni ’30. Le informazioni successive sulla struttura temporale, latitudinale e verticale dell’ozono QBO provengono principalmente da osservazioni satellitari, a causa della loro natura globale e del campionamento spaziale e temporale. Sebbene nessun satellite sia stato operativo per tutto il periodo, le scale e l’evoluzione dell’ozono QBO, inclusa la sua struttura in altezza, sono state ben caratterizzate in questo periodo, spesso con misurazioni che si sovrappongono da due o più strumenti.

Il primo modello dell’ozono QBO fu realizzato da Reed [1964] usando un modello linearizzato semplificato. Tuttavia, non fu fino al 1986 che il QBO fu studiato in un approccio matematico. Ling e London [1986] hanno incluso la variazione del QBO del vento zonale in un modello 1-D radiativo-chimico-fototermico della stratosfera. Ciò fu seguito da una simulazione 2-D da Gray e Pyle [1989] che includeva la struttura latitudinale e l’interazione con il ciclo annuale, seguita subito dopo da simulazioni 3-D di Hess e O’Sullivan, 1995 che includevano una migliore rappresentazione dell’onda trasmessa. Studi successivi utilizzando modelli sia 2-D che 3-D hanno aumentato la nostra comprensione dei meccanismi dell’ozono QBO, e questi sono descritti in dettaglio nelle seguenti sezioni.

Inoltre, Gray e Chipperfield [1990] hanno notato QBO in molti altri gas traccia. Alcuni di questi modelli, alcuni dei quali erano sostenuti, prevedevano presenze di Stratospheric Aerosol and Gas Experiment (SAGE) II NO2, misurate da Zawodny and McCormick, [1991] e tracce, principalmente misurazioni di CH4, H2O, HF, HCl, e NO dal Halogen Occultation Experiment (HALOE) [Luo et al., 1997; Randel et al., 1998; Dunkerton, 2001]. Inoltre, vi è una ben documentata modulazione QBO delle emissioni di aerosol vulcanico nella bassa stratosfera [Trepte and Hitchman, 1992; Hitchman et al., 1994; Grant et al., 1996; Choi et al., 1998].

5.2. Ozono: L’Anomalia Equatoriale La stretta associazione delle variazioni nell’ozono equatoriale con il vento zonale QBO è illustrata dalla serie temporale di ozono solare basato sull’ultravioletto (SBUV) e SBUV/2 equatoriale filtrato attraverso una serie di riferimento QBO del vento zonale (DU). L’anomalia varia di circa ±10 unità Dobson (UM), approssimativamente il ±4% dell’ammontare di sfondo totale. La serie temporale di riferimento del vento QBO è stata calcolata moltiplicando l’osservazione equatoriale dello spessore dell’ozono dal profilo di pesatura mostrato nella Figura 2b. Quest’ultimo è stato derivato empiricamente per ottimizzare l’adattamento all’ozono in colonna, trascurando le interferenze vulcaniche. Si nota l’eccellente corrispondenza tra le serie di anomalie di ozono osservate e la serie di venti di riferimento. Le anomalie sono positive quando i venti nella bassa stratosfera sono occidentali, mentre sono negative quando sono orientali. Le correlazioni più forti con l’ozono in colonna si ottengono con i venti intorno ai 20-30 hPa piuttosto che con i 40-50 hPa di vento di riferimento. Normalmente, le correlazioni con l’ozono extratropicale zonale variano in profondità.

Il QBO dell’ozono equatoriale è chiaramente evidente nella Figura 21, che mostra un diagramma latitudine-tempo dell’anomalia dell’ozono. Da notare che l’anomalia del segnale QBO equatoriale non è sincronizzata con la serie temporale del vento zonale di riferimento. Non c’è una frequenza preferita alla quale le anomalie cambiano segno o raggiungono la loro ampiezza massima.Un meccanismo per spiegare l’anomalia dell’ozono equatoriale è stato proposto da Reed [1964]. Questo meccanismo suggerisce che la tempistica del massimo spostamento verticale verso ovest si verifica durante la fase più calda della temperatura QBO all’equatore. Questa fase induce un raffreddamento diabatico, che a sua volta causa l’affondamento relativo di pacchetti d’aria attraverso livelli isentropici. Questo affondamento si verifica principalmente in una regione dell’atmosfera dove il rapporto di miscelazione dell’ozono aumenta con l’altitudine e dove la durata dell’ozono cambia rapidamente. Al di sotto dei 28 km, la durata chimica è relativamente lunga rispetto ai processi dinamici e l’ozono può essere considerato un tracciante a lunga durata. Al di sopra dei 28 km, la durata chimica cambia notevolmente. L’affondamento relativo dell’aria attraverso questa regione provoca un aumento nella colonna totale di ozono a quote superiori ai 28 km mentre l’ozono è sostituito dalla produzione chimica su scale di tempo relativamente brevi. Pertanto, il massimo dell’ozono si verifica quando la colonna è stata spostata al punto più basso all’interno della stratosfera. Questo avverrà durante lo spostamento verso ovest vicino alla stratosfera più bassa, cioè al momento dei massimi spostamenti verso ovest intorno ai 20-30 hPa (Figura 21). Il contrario è vero in caso di spostamento verso est. La continuità richiede anche che ci sia un ritorno di questa circolazione nella subtroposfera con un’associazione verso ovest associata alla variazione equatoriale verso ovest e all’affondamento associato alla variazione equatoriale verso est.Mentre questo meccanismo convenzionalmente accettato spiega una grande componente della variabilità, ci sono comunque ulteriori fattori importanti che contribuiscono all’anomalia della colonna. La Figura 22 mostra una sezione trasversale tempo-altitudine dell’anomalia della densità dell’ozono QBO (DU km⁻¹) proveniente dal set di dati SAGE II. È stata applicata un’analisi di regressione al fine di isolare la variabilità QBO. La densità dell’ozono può essere utilizzata per determinare visivamente i contributi all’anomalia dell’ozono in colonna (semplicemente una somma verticale delle anomalie di densità dell’ozono). Il QBO domina la variabilità dell’ozono all’equatore, con anomalie alternate positive e negative che si propagano verso il basso nel tempo [Zawodny e McCormick, 1991; Hasebe, 1994; Randel e Wu, 1996]. Ci sono due regioni di massima perturbazione dell’ozono: nella stratosfera inferiore (20–27 km) e nella stratosfera centrale (30–37 km). Le anomalie a questi due livelli sono approssimativamente sfasate di un quarto di ciclo. C’è quindi un piccolo contributo alla colonna dalla regione sopra i 28 km, che influisce anche sulla tempistica dell’anomalia massima dell’ozono in colonna. Il segnale dell’ozono in colonna QBO equatoriale è simulato abbastanza bene dai modelli [Ling e London, 1986; Gray e Pyle, 1989; Tung e Yang, 1994b; Chipperfield e Gray, 1992; Chipperfield et al., 1994; Kinnersley e Tung, 1998; Jones et al., 1998; Hess e O’Sullivan, 1995; Nagashima et al., 1998], in particolare quando i venti osservati vengono utilizzati per imporre un realistico periodo di vento zonale QBO [Gray e Ruth, 1993] e quando l’effetto dell’anomalia dell’ozono sul tasso di riscaldamento è incluso [Hasebe, 1994; Li et al., 1995; Huang, 1996].Si è dimostrato che l’anomalia dell’ozono QBO sopra i 28 km è controllata da cambiamenti nelle fonti fotochimiche e nei pozzi di ozono, principalmente attraverso variazioni indotte dal trasporto di NOy (il totale serbatoio di azoto reattivo) [Chipperfield e Gray, 1992; Chipperfield et al., 1994; Politowicz e Hitchman, 1997; Jones et al., 1998].

La Figura 20 presenta due grafici correlati all’anomalia dell’ozono equatoriale.

(a) Questo grafico mostra una serie temporale dell’anomalia dell’ozono equatoriale in unità Dobson (DU). Le unità Dobson sono una misura dell’ammontare totale di ozono nella colonna atmosferica. Il grafico copre gli anni dal 1979 al 1995. Tre diverse serie temporali sono rappresentate:

• Una linea continua che rappresenta l’ultravioletto retrodiffuso solare (SBUV) e SBUV/2.
• Una linea tratteggiata che rappresenta i dati SAGE II.
• Una linea punteggiata che rappresenta una serie temporale di riferimento QBO (Quasi-Biennial Oscillation, ovvero l’Oscillazione Quasi-Biennale, un fenomeno atmosferico tropicale che coinvolge i venti stratosferici).

(b) Questo grafico mostra un profilo di ponderazione. L’asse verticale rappresenta la pressione (in millibar, mb) che varia tipicamente dall’alto (bassa pressione, alta altitudine) al basso (alta pressione, bassa altitudine). L’asse orizzontale sembra rappresentare un fattore di ponderazione o una variabile correlata. I punti “X” con le linee tratteggiate potrebbero rappresentare come i venti osservati a Singapore vengono ponderati in diverse altitudini.

La didascalia fornita indica che il grafico è stato creato moltiplicando i venti osservati a Singapore con il profilo di ponderazione mostrato nel grafico (b).

In sintesi, la Figura 20 illustra le variazioni dell’ozono equatoriale nel tempo e come queste variazioni sono state calcolate o ponderate in base ai dati dei venti da una specifica località.

La Figura 21 presenta due grafici che mostrano sezioni temporali in funzione della latitudine delle anomalie dell’ozono.

(a) Questo grafico rappresenta le anomalie dell’ozono in funzione del tempo e della latitudine, utilizzando dati combinati da SBUV e SBUV/2. Le anomalie sono state “destagionalizzate” e “detrendate”, il che significa che sono state rimosse le variazioni stagionali e le tendenze a lungo termine per mostrare le fluttuazioni atipiche o le deviazioni dalla norma. Il grafico copre gli anni dal 1979 al 1994 e si estende da 60°N a 60°S in latitudine. Le linee di contorno rappresentano variazioni dell’ozono in unità Dobson (DU) con un intervallo di contorno di 3 DU. Le aree ombreggiate indicano valori positivi, mentre le aree senza contorni sono state omesse. L’incrociatura diagonale rappresenta dati non affidabili.

(b) Questo grafico mostra la componente QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) derivata dall’analisi di regressione che varia stagionalmente. Anche in questo caso, il grafico copre gli anni dal 1979 al 1994 e varia da 60°N a 60°S in latitudine. La componente QBO rappresenta le oscillazioni quasi-biennali nell’atmosfera e può avere un impatto significativo sull’ozono.

In entrambi i grafici, le linee verticali rappresentano il mese di gennaio di ogni anno. Questo aiuta a identificare rapidamente le variazioni annuali.

Inoltre, la didascalia menziona che i dati in entrambi i pannelli sono stati moltiplicati per il coseno della latitudine per tener conto della ponderazione dell’area. Questo è un metodo comune per rappresentare accuratamente le variazioni globali su una mappa o un grafico, poiché la superficie effettiva di un’area geografica cambia a seconda della latitudine.

In sintesi, la Figura 21 fornisce una visione d’insieme delle anomalie dell’ozono su una vasta gamma di latitudini e anni, nonché l’effetto della componente QBO su tali anomalie.

5.3. Ozono: Subtropicale e Alte Latitudini Un segnale QBO nelle subtropicale che si estende alle medie e alte latitudini è chiaramente evidente nella Figura 21. C’è un cambio di fase di circa 15° in ciascun emisfero, con l’anomalia di alta latitudine che raggiunge il suo massimo a circa 30°-40° di latitudine. In generale, ciò concorda con la presenza di un braccio di ritorno della circolazione equatoriale QBO locale come descritto sopra, con ascesa (discesa) nei subtropicale associata a correnti equatoriali da ovest (est). Tuttavia, ci sono due deviazioni significative dall’aspettativa di questa semplice spiegazione. Primo, la circolazione equatoriale QBO teorica è limitata alle basse latitudini e non può spiegare il segnale di ozono QBO che si sposta verso i 30°. Secondo, la tempistica delle anomalie subtropicali non è simmetrica rispetto all’equatore. I massimi e i minimi di anomalia subtropicale e di alta latitudine nelle due emisfere sono distanti circa 6 mesi e coincidono con la stagione invernale/primaverile locale. Questa tempistica è confermata nella Figura 23, in cui mostriamo un adattamento della regressione del Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) alla colonna di ozono rispetto ai venti di Singapore a 30-hPa [Randel e Cobb, 1994]. In media, le regressioni subtropicali raggiungono il loro massimo a marzo e agosto nell’NH e SH, rispettivamente. Tuttavia, nota dalla Figura 21b che occasionalmente c’è una “mancata” anomalia subtropicale, ad esempio, nel 1981, 1986 e 1991 nell’NH e nel 1993 nello SH. Quindi c’è un cambiamento nel periodo dell’ozono QBO della colonna man mano che ci si sposta verso le latitudini più alte [Hilsenrath e Schlesinger, 1981], con una relazione di fase tra le anomalie equatoriali e subtropicali che è costantemente in cambiamento e è più complicata di quanto una circolazione QBO simmetrica farebbe presupporre.La tempistica delle anomalie subtropicali e di alta latitudine alla fine dell’inverno/primavera suggerisce una modulazione dell’ozono QBO da parte del ciclo annuale [Bowman, 1989; Hamilton, 1989; Lait et al., 1989]. I meccanismi proposti inizialmente per la sincronizzazione stagionale delle anomalie subtropicali si concentravano su una modulazione delle anomalie di ozono a bassa latitudine una volta che erano state prodotte dalla classica circolazione QBO simmetrica. Ad esempio, Holton [1989] ha proposto che il trasporto dell’anomalia equatoriale dalla circolazione invernale polare potrebbe spiegare la stagionalità, mentre Gray e Dunkerton [1990] hanno suggerito che la subsidenza durante l’inverno avrebbe preservato l’anomalia dell’ozono subtropicale mentre l’ascesa estiva l’avrebbe distrutta. D’altro canto, Hamilton [1989] ha suggerito la possibilità di una modulazione del trasporto eddy stagionalmente variabile di ozono nei subtropici. Tuttavia, Jones et al. [1998] e Kinnersley [1999] hanno dimostrato che esiste una significativa modulazione della circolazione meridionale media indotta dallo stesso QBO. Questa dipendenza stagionale della circolazione si verifica principalmente a causa dell’advezione orizzontale non lineare del momento zonale nei tropici e subtropici dalla circolazione meridionale media, che è altamente asimmetrica durante i periodi solstiziali.

Questo comporta una circolazione QBO fortemente asimmetrica in cui la circolazione dell’emisfero invernale è notevolmente rafforzata e la circolazione dell’emisfero estivo è indebolita (Tavola 3). Pertanto, la classica circolazione QBO simmetrica, descritta per la prima volta da Plumb e Bell [1982a] e mostrata nella Figura 13, potrebbe non essere presente se non, forse, nella stratosfera molto bassa dove si ritiene che l’advezione orizzontale da parte della circolazione media asimmetrica sia debole e all’equinozio quando la circolazione media è la più debole. L’asimmetria nelle anomalie dell’ozono subtropicale sorge quindi principalmente attraverso la sua formazione da una circolazione QBO asimmetrica piuttosto che dalla successiva interruzione di un modello di ozono simmetrico.

Le anomalie subtropicali e di media latitudine mancate nel 1981, 1986 e 1991 nell’NH e nel 1993 nello SH (Figura 21B) sono ritenute dovute al tempismo della formazione QBO rispetto al ciclo annuale. La formazione di una significativa anomalia subtropicale invernale richiede non solo una forte deviazione del vento all’equatore affinché venga indotta una circolazione QBO, ma anche la presenza di un’advezione orizzontale di sfondo che rafforzerà il lato invernale della circolazione QBO indotta come descritto in precedenza. Queste condizioni devono durare un mese o due per consentire la formazione dell’ozono. Se uno di questi requisiti non è presente per un tempo sufficientemente lungo, è improbabile che si formi un’anomalia subtropicale significativa in quell’anno.

Analogamente, il tempismo e la durata della circolazione QBO equatoriale a causa del vento è tale che se persiste nella stessa fase per due stagioni successive in uno degli emisferi, si verificheranno anomalie dello stesso segno in successione in inverni dell’emisfero. Quest’ultimo si è verificato nello SH nel 1983-1984 e nel 1988-1989. Questo fenomeno può essere considerato come un’interazione tra il ciclo annuale e il QBO [Gray e Dunkerton, 1990], che si traduce in una modulazione a bassa frequenza dell’ampiezza delle anomalie subtropicali e di media latitudine con un periodo di circa 5-13 anni. Sull’arco del periodo di dati mostrato nella Figura 23, ciò fa sì che l’anomalia SH risulti casualmente di dimensioni significativamente maggiori rispetto all’anomalia NH. Su un arco temporale più lungo, entrambe le anomalie sarebbero presumibilmente di dimensioni simili.Una tipica sezione trasversale di latitudine-altezza del QBO modellato nell’ozono dal modello di Jones et al. [1998] è mostrata nella Figura 24 per il solstizio invernale nell’NH con un massimo di vento QBO diretto a est a circa 26 km nei tropici. Sia nei tropici che nelle subtropicale, il QBO dell’ozono consiste in due massimi centrati nella stratosfera inferiore e media, con le anomalie tropicale e subtropicale approssimativamente sfasate di 180°, in accordo con le osservazioni. Inoltre, in accordo con le osservazioni, le anomalie modellate sono grandi nell’emisfero invernale e piccole in quello estivo in entrambe le regioni controllate fotochimicamente e dinamicamente. Ciò è dovuto all’asimmetria nella circolazione indotta dal QBO, come illustrato dalla corrispondente funzione di flusso di massa mostrata anche nella Figura 24. L’anomalia asimmetrica dell’ozono sorge direttamente attraverso l’advezione dell’ozono ai livelli inferiori e indirettamente attraverso l’advezione di NO_y ai livelli superiori.

Il modello di Jones et al. (1998) non ha incluso influenze extra-tropicali come la modulazione del QBO attraverso la rottura planetaria. Sebbene produca una buona simulazione nelle aree subtropicali, le anomalie modellate dell’ozono non si estendono così in profondità come suggerito dalle anomalie di livello basate su osservazioni. Le anomalie delle osservazioni massimizzano tra 10° e 40°, mentre nel modello si estendono almeno fino a 60° [Randel e Wu, 1996]. Il meccanismo per l’estensione verso nord dell’anomalia dell’ozono controllata dinamicamente non è ben compreso, anche se coinvolge un’interazione tra le onde planetarie e l’equatoriale QBO. La modulazione delle forze delle onde planetarie attraverso il vento equatoriale QBO produce una circolazione su larga scala più forte nelle fasi orientali negli anni. Una discesa più forte nelle medie latitudini invernali produrrà una relativamente più grande anomalia dell’ozono nelle fasi orientali rispetto agli anni occidentali, come osservato [Tung e Yang, 1994b]. D’altra parte, l’estensione delle anomalie dell’ozono nei modelli di Gray e Pyle [1989] e Kinnersley e Tung [1998] è il risultato dei trasporti eddy stagionali nei loro modelli, che trasferiscono le anomalie subtropicali alle alte latitudini.

La Figura 25 mostra la correlazione tra l’anomalia dell’ozono simulata da Kinnersley e Tung [1998] e l’anomalia osservata tra il 1978 e il 1993. A latitudini medie, pertanto, si riscontrano diversi fattori e processi di feedback che contribuiscono all’anomalia finale dell’ozono QBO. Il QBO potrebbe effettivamente essere responsabile di una porzione maggiore dell’anomalia dell’ozono osservata rispetto a quanto suggerirebbe una semplice correlazione con il vento QBO.

Oltre ai segnali del QBO nelle regioni tropicali e a latitudini medie, l’analisi dei dati TOMS e altri registri a lungo termine suggerisce una regione aggiuntiva di influenza del QBO nelle regioni polari invernali [Oltmans e London, 1982; Garcia e Solomon, 1987; Bowman, 1989; Lait et al., 1989; Randel e Cobb, 1994]. L’ozono polare QBO è approssimativamente in fase con le latitudini medie ed è sincronizzato stagionalmente allo stesso modo, con ampiezza massima in primavera. L’evidenza osservativa per l’ozono QBO polare è meno statisticamente significativa rispetto a quella nelle regioni tropicali o a latitudini medie, in parte a causa dell’elevato livello di variabilità interannuale nel vortice primaverile associato alla forzatura delle onde planetarie dalla troposfera [Kinnersley e Tung, 1998]. Vi è un suggerimento di un circuito di feedback tra la modulazione della temperatura extra-tropicale attraverso il QBO, la formazione delle nubi stratosferiche polari e, di conseguenza, con la distruzione chimica sottostante che dà origine al buco dell’ozono [Poole et al., 1989; Mancini et al., 1991; Butchart e Austin, 1996].

La Figura 22 mostra una serie temporale dell’altitudine delle anomalie interannuali nella densità dell’ozono. Le anomalie sono mostrate in Dobson Unit per chilometro (DU km⁻¹).

La figura è stata creata per evidenziare le variazioni della QBO (Quasi-Biennial Oscillation, in italiano Osservazione Quasi Biennale). La QBO è un fenomeno meteorologico che riguarda l’alternanza di venti est-ovest nella stratosfera equatoriale e che si verifica approssimativamente ogni 28 mesi.

Alcuni punti chiave della figura sono:

1. Asse delle ordinate (verticale): Mostra l’altitudine in chilometri, che varia da 20 km a 50 km.
2. Asse delle ascisse (orizzontale): Rappresenta gli anni, specificamente dal 1985 al 1991.
3. Contorni: Indicano le anomalie nella densità dell’ozono. Le anomalie positive sono ombreggiate, mentre le anomalie negative non hanno ombreggiatura. L’intervallo tra i contorni è di 0.3 DU km⁻¹.
4. Scala della pressione sulla destra: Si tratta di una scala logaritmica di pressione in millibar (mb). Questa scala mostra la relazione inversa tra l’altitudine e la pressione atmosferica: a maggiore altitudine corrisponde una pressione minore.

La figura è stata riprodotta da un articolo di Randel e Wu del 1996, con il permesso della American Meteorological Society.

In sintesi, la figura rappresenta come la densità dell’ozono varia con l’altitudine e nel tempo, evidenziando le anomalie interannuali e la loro relazione con la QBO.

La Figura 23 rappresenta una sezione di latitudine-tempo associata alla regressione QBO (Osservazione Quasi Biennale) della media zonale dell’ozono totale, come misurato dallo strumento Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) in Dobson Unit (DU).

Ecco come interpretare la figura:

1. Asse delle ordinate (verticale): Rappresenta la latitudine, variando da 60 gradi sud a 60 gradi nord.
2. Asse delle ascisse (orizzontale): Mostra i mesi dell’anno, da gennaio (J) a gennaio (J) dell’anno successivo, coprendo quindi un anno intero.
3. Contorni: Questi contorni mostrano le anomalie dell’ozono in DU a una specifica latitudine e in un dato mese. I numeri sui contorni indicano l’entità delle anomalie.
4. Ombreggiatura: L’ombreggiatura indica le regioni in cui l’anomalia statistica dell’ozono non è significativamente diversa da zero al livello del 2%.
5. Regioni tratteggiate: Queste regioni indicano la notte polare, un periodo in cui il sole non sorge per un’intera giornata a certe latitudini. Durante la notte polare, non sono disponibili dati sull’ozono.
6. Periodo di osservazione: La figura mostra dati dal 1979 al 1994.

In sintesi, la Figura 23 mostra come le anomalie dell’ozono variano in base alla latitudine e al mese dell’anno, con particolare attenzione alle variazioni associate alla QBO. La figura è stata aggiornata da un lavoro di Randel e Cobb del 1994.

La Figura 24 illustra le anomalie del QBO (Osservazione Quasi Biennale) nell’ozono, espresse in Dobson Unit per chilometro (DU km⁻¹), nel mese di gennaio. Queste anomalie sono basate sul modello 2D proposto da Jones et al. nel 1998.

Ecco come interpretare la figura:

1. Asse delle ordinate (verticale): Questo asse rappresenta l’altitudine, che varia da 0 a 40 km.
2. Asse delle ascisse (orizzontale): Questo asse mostra la latitudine, che varia da -60 gradi (Sud) a 60 gradi (Nord).
3. Contorni: Rappresentano le anomalie dell’ozono. Gli intervalli dei contorni sono di 0.2 DU km⁻¹, ma i contorni con valore 0 sono stati omessi per chiarezza.
4. Ombreggiatura: Le regioni ombreggiate più chiaramente indicano valori positivi delle anomalie dell’ozono, mentre le regioni più scure indicano valori negativi.
5. Contorni pieni: Questi contorni indicano una funzione di corrente positiva, che è una rappresentazione del movimento dell’aria (o massa) in un fluido.

In sostanza, la Figura 24 mostra come l’ozono varia in funzione della latitudine e dell’altitudine nel mese di gennaio, con particolare attenzione alle anomalie associate alla QBO. La figura combina questi dati con informazioni sulla funzione di corrente di massa, che aiuta a comprendere i movimenti dell’aria in relazione a queste anomalie.

La Figura 25 presenta un’analisi della correlazione tra le colonne mensili medie di ozono detrendizzate misurate dal TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) e le colonne di ozono previste da un modello proposto da Kinnersley e Tung nel 1998.

Ecco i principali punti da considerare per interpretare la figura:

1. Asse delle ordinate (verticale): Mostra la latitudine, che varia da 90 gradi Sud a 90 gradi Nord. L’etichetta “EQU” sta probabilmente per “Equatore”.
2. Asse delle ascisse (orizzontale): Rappresenta i mesi dell’anno, da gennaio (J) a dicembre (D).
3. Contorni: Questi contorni mostrano livelli di correlazione tra le misure osservate dal TOMS e quelle previste dal modello. L’intervallo tra ciascun contorno è di 0.1.
4. Ombreggiatura: Rappresenta la forza e la direzione della correlazione. Le aree più chiare indicano correlazioni positive (quando le misure del TOMS e le previsioni del modello si muovono nella stessa direzione), mentre le aree più scure indicano correlazioni negative (quando si muovono in direzioni opposte).

La figura mira a mostrare in quale misura le misurazioni reali (osservate) dell’ozono concordano con quelle previste dal modello di Kinnersley e Tung durante il periodo da novembre 1978 ad aprile 1993, in particolare in relazione ai venti osservati a Singapore.

In sintesi, la Figura 25 visualizza come le misure effettive dell’ozono nel periodo specificato si correlino con le previsioni del modello, con particolare attenzione alle variazioni latitudinali e mensili.

5.4. Anomalie del QBO in Altre Specie di Tracce Il QBO influisce su molti altri gas traccia nell’atmosfera, inclusi metano, vapore acqueo, aerosol vulcanico e specie a vita più breve come NO₂ e N₂O₅. La distribuzione di aerosol vulcanico a seguito di grandi eruzioni in latitudini equatoriali illustra i diversi schemi di circolazione associati alle due fasi del QBO, come mostrato nella Figura 26, da Trepte e Hitchman [1992]. In una fase discendente di venti occidentali (Figura 26a), l’aerosol mostra un distintivo “picco doppio” con massimi relativi nei subtropici e un minimo all’equatore nella regione da 20 a 50 hPa; la fase discendente di venti orientali (Figura 26b) presenta un unico picco equatoriale. Le frecce grasse indicano l’orientamento approssimativo delle circolazioni indotte dal QBO. La quasi simmetria del picco doppio nella distribuzione degli aerosol, in contrasto con l’asimmetria emisferica discussa nella sezione precedente, è probabilmente una conseguenza del fatto che queste osservazioni sono state ottenute vicino all’equinozio, quando il flusso trasversale all’equatore è debole, e forse anche a causa del fatto che lo strato di aerosol è situato nel basso strato stratosferico equatoriale, dove l’influenza della circolazione media asimmetrica è relativamente piccola.

Le misurazioni di traccianti a lunga durata indicano anche i grandi effetti della QBO nelle latitudini medie. La Figura 28 mostra le distribuzioni di CH₄ di gennaio e aprile da HALOE nel 1993 (fase di ovest) e nel 1994 (fase di est). Nel gennaio 1994, le isolinee formano un distintivo schema a “scalini” tra i tropici e le latitudini medie dell’emisfero nord, che è molto diverso dal gennaio 1993; questa struttura si vede anche nei dati del Microwave Limb Sounder (MLS) e del Cryogenic Limb Array Etalon Spectrometer (CLAES) [Dunkerton e O’Sullivan, 1996; O’Sullivan e Dunkerton, 1997; Gray e Russell, 1999; Gray, 2000]. Gray [2000] ha dimostrato che questa grande asimmetria nella QBO tra gli emisferi nel 1994 è coerente con la circolazione asimmetrica della QBO del 1995 di Jones et al. [1998] e Kinnersley [1999] discussa in precedenza. Il dettagliato schema a scalini nella Figura 28c riflette l’effetto di una complessa interazione dell’avvezione dalla circolazione QBO locale e degli effetti di advezione nelle latitudini medie.

Nell’aprile 1993 (Figura 28b) la distribuzione mostra un semplice picco di altezza 0,3-0,5 hPa, significativamente più alto di quello mostrato dall’aerosol vulcanico nella Figura 26. Questi risultati provengono dall’avvezione verticale causata dalla circolazione associata con la fase di ovest del 1986; Sassi e Garcia, 1997], [Gray e Pyle, 1986; Sassi e Garcia, 1997]. Le osservazioni HALOE mostrano una distinta variazione nell’ampiezza di questo SAO con picchi doppi, con un prominente picco doppio nella fase di ovest del 1993 (Figura 28b) ma a malapena distinguibile nella fase di est del 1998 (Figura 28d) [Ruuth et al., 1997; Randel et al., 1998]. Questa osservazione va controintuitiva, poiché durante una fase di QBO di est c’è un potenziamento verticale della propagazione delle onde e quindi un SAO ovest più forte. Tuttavia, nel 1992-4, Kennaugh e Gray [1997] mostrarono che l’aumento del vento verso est causato dalla fase di ovest della QBO potrebbe aver causato anche la doppia risposta del SAO durante una fase di QBO di est. Pertanto, la circolazione del SAO potrebbe non essere rimasta abbastanza a lungo per far reagire i traccianti a un solo livello.

Nelle distribuzioni di CH₄​ di gennaio, c’è anche un chiaro segnale QBO nella ripidezza delle isolinee nei subtropici intorno a 30 hPa. Nel 1993 (Figura 28a) inclinano dolcemente dall’equatore alle latitudini medie, ma nel 1994 (Figura 28c) queste isolinee sono quasi verticali [Gray e Russell, 1999]. Questa differenza non è così evidente nelle distribuzioni di aerosol della Figura 26, probabilmente a causa della ripida distribuzione dei gradienti immediatamente dopo un’eruzione vulcanica, ma è più evidente nel 1994, come visibile nella mappa [Hitchman et al., 1994]. Di nuovo, non è chiaro se ciò sia dovuto all’advezione da parte della circolazione QBO o all’influenza della QBO sulla portata equatoriale della miscelazione delle onde di Rossby e quindi sui gradienti verticali di PV e traccia ai margini subtropicali della zona di surf. Alcuni studi suggeriscono una sensibilità del segnale QBO [Dunkerton e Baldwin, 1991; O’Sullivan e Young, 1992; O’Sullivan e Chiche, 1996; O’Sullivan e Dunkerton, 1997], e ci sono prove di ciò nei dati satellitari [Grant et al., 1996]. D’altra parte, Waugh [1996] ha utilizzato venti analizzati e tecniche di advezione dei contorni per fare stime quantitative delle zone di miscelazione nei subtropici, ma non ha trovato sensibilità alla QBO, principalmente a causa della mancanza di dati affidabili e nel gradiente dei subtropici. Gray e Russell [1999] hanno notato che la non-QBO circolare è presente nella ripidezza delle isolinee e nei gradienti isotropici, il che suggerisce che l’advezione da parte della circolazione QBO sia importante nel fissare questa caratteristica. Questa inferenza è supportata dalla modellazione di Jones et al. [1998] e Kinnersley [1999], che riproduce alcuni aspetti di questo aumento utilizzando solo il trasporto advettivo.

La Figura 26 mostra delle sezioni trasversali latitudine-altezza delle osservazioni del rapporto di estinzione degli aerosol per due periodi di 40 giorni che rappresentano le due fasi dell’QBO (Oscillazione Biennale Quasi).

La prima immagine (a) rappresenta la fase di shear (variazione) da ovest. Questa è centrata sul 11 novembre 1984 e l’intervallo di contorno è di 2.5. L’immagine mostra diversi livelli di concentrazione degli aerosol, rappresentati dalle linee di contorno. L’asse delle ordinate indica l’altezza (in km) mentre l’asse delle ascisse indica la latitudine, da -80°S a 80°N. La freccia E indica la direzione est mentre la W indica la direzione ovest.

La seconda immagine (b) rappresenta la fase di shear da est. Questa è centrata sul 4 ottobre 1988 e l’intervallo di contorno è di 0.5. Anche in questo caso, le linee di contorno mostrano diversi livelli di concentrazione degli aerosol. La direzione delle correnti viene anche qui indicata dalle frecce E e W.

In generale, queste figure mostrano come il rapporto di estinzione degli aerosol varia in funzione dell’altezza e della latitudine durante le due fasi diverse dell’QBO. Queste informazioni sono fondamentali per comprendere l’effetto degli aerosol sull’atmosfera e come essi si distribuiscono in relazione ai cambiamenti nelle correnti atmosferiche.

La Figura 27 mostra delle sezioni temporali e in altezza delle anomalie interannuali in H₂O (vapore acqueo) all’equatore. Queste osservazioni provengono dallo strumento HALOE (Halogen Occultation Experiment).

L’asse verticale rappresenta l’altezza in chilometri, che varia da 20 km a 50 km. Sul lato destro dello stesso asse, la pressione è rappresentata in mbar (millibar) e varia da 1 mbar a 100 mbar. L’asse orizzontale rappresenta gli anni, che vanno dal 1992 al 1999.

All’interno del grafico, le linee di contorno rappresentano le anomalie del vapore acqueo. L’intervallo di contorno è di 0,1 ppmv (parti per milione in volume), e la linea di contorno con valore 0 è omessa, come specificato nella didascalia.

Le anomalie del vapore acqueo mostrano variazioni nell’atmosfera nel corso degli anni. Queste variazioni possono essere influenzate da diversi fattori, come cambiamenti climatici, variazioni nelle correnti atmosferiche o eventi specifici come eruzioni vulcaniche.

In sintesi, questa figura fornisce una visualizzazione delle variazioni del vapore acqueo all’equatore nel corso di diversi anni e a diverse altitudini, utilizzando dati provenienti dallo strumento HALOE.

Il “Plate 6” presenta le misure effettuate dal High Resolution Doppler Imager (HRDI) sulla velocità del vento zonale media nell’atmosfera tropicale, specificamente nella stratosfera e nella mesosfera, dal 1992 al 1998.

Equatorial Winds (Venti Equatoriali):

• Nel pannello superiore, possiamo vedere l’andamento dei venti equatoriali dal 1992 al 1998 a diverse altitudini.
• L’asse verticale mostra l’altitudine in chilometri, mentre l’asse orizzontale rappresenta il tempo, diviso in mesi e anni.
• I colori rappresentano la velocità e la direzione dei venti: i venti orientali (da est) sono rappresentati in tonalità dal verde al blu, mentre i venti occidentali (da ovest) vanno dal rosso al giallo.
• La parte inferiore del pannello superiore, che mostra un’altitudine tra 20-40 km, è denominata QBO (Quasi-Biennial Oscillation) ed evidenzia un’oscillazione quasi biennale tra venti orientali e occidentali.
• Nella fascia d’altitudine 60-80 km, la struttura del vento è dominata dalla SAO (oscillazione semi-annuale).

Equatorial Winds with AO and SAO Removed (Venti Equatoriali con AO e SAO Rimossi):

• Il pannello inferiore rappresenta i venti equatoriali con l’effetto della QBO e della SAO rimossi, permettendo di evidenziare altre caratteristiche dei venti.
• In questo pannello, possiamo notare come l’influenza della QBO si estenda nella mesosfera (circa 80 km).
• Ci sono anche delle linee ondulate o frecce ondulate che indicano le onde di gravità che si propagano verso l’alto. Queste onde sono ritenute responsabili dell’interazione tra la mesosfera e la stratosfera.

In sintesi, questo grafico fornisce una visualizzazione dettagliata dei venti equatoriali nell’atmosfera tropicale, mettendo in luce le variazioni e le oscillazioni nel tempo e in base all’altitudine. Si evidenzia l’importanza della QBO, della SAO e delle onde di gravità nella dinamica atmosferica in queste regioni.

La Figura 28 mostra delle sezioni trasversali di concentrazione di metano (CH4) in funzione dell’altitudine e della latitudine, basate sulle osservazioni HALOE. Ecco una dettagliata spiegazione dei vari componenti del grafico:

• Sezioni trasversali: Si tratta di “fette” verticali dell’atmosfera che mostrano come varia la concentrazione di metano a diverse altitudini e latitudini.
• Latitudine: L’asse orizzontale di ogni grafico rappresenta la latitudine, variando da 90°S (polo sud) a 90°N (polo nord). “Eq.” sta per Equatore.
• Altitudine: L’asse verticale rappresenta l’altitudine in chilometri, variando generalmente da 20 km a 50 km.
• Linee di contorno: Le linee curve rappresentano livelli di concentrazione costante di metano. L’intervallo di contorno è di 0,1 ppbv (parti per miliardo in volume). Ciò significa che ogni linea rappresenta un incremento (o decremento) di 0,1 ppbv nella concentrazione di metano rispetto alla linea adiacente.
• Dati temporali: Vi sono quattro pannelli distinti che rappresentano misurazioni in momenti diversi:
  • (a) Gennaio 1993
  • (b) Aprile 1993
  • (c) Gennaio 1994
  • (d) Aprile 1994

Questi momenti sono scelti per mostrare variazioni stagionali nella distribuzione del metano.

In sintesi, questa figura mostra come la concentrazione di metano varia nell’atmosfera a diverse latitudini e altitudini in due anni consecutivi e in due mesi specifici. Si può osservare come le concentrazioni di metano tendono a variare con la latitudine e l’altitudine e come queste variazioni possono cambiare da un mese all’altro e da un anno all’altro.

La Figura 29 mostra una sezione trasversale di anomalia del QBO (Quasi-Biennial Oscillation) in NO₂ attraverso diverse altitudini e anni, tra il 10°S e il 10°N di latitudine. Ecco un’analisi dettagliata:

• Sezione trasversale di altezza-tempo: Questo tipo di grafico mostra come una particolare variabile (in questo caso l’anomalia di NO₂) cambia nel tempo (rappresentato sull’asse orizzontale) e in funzione dell’altitudine (rappresentata sull’asse verticale).
• Anno: L’asse orizzontale rappresenta gli anni, da 1992 a 1999.
• Altitudine: L’asse verticale rappresenta l’altitudine, misurata in chilometri, che varia da 20 km a 50 km.
• Pressione: Sul lato destro, c’è una scala di pressione, misurata in millibar (mb). La pressione atmosferica diminuisce con l’aumento dell’altitudine.
• Linee di contorno: Le linee curve mostrano livelli di anomalia costante del NO₂. L’intervallo di contorno è di 0,2 ppbv, ma le linee che rappresentano un’anomalia di 0 sono omesse per chiarezza. Queste linee aiutano a visualizzare dove e quando le concentrazioni di NO₂ sono state al di sopra o al di sotto della media.
• Anomalia QBO: La QBO è un fenomeno atmosferico che rappresenta l’oscillazione quasi-biennale dei venti equatoriali nella stratosfera. L’anomalia qui rappresentata indica deviazioni dalla media a lungo termine del NO₂.
• Fonte dei dati: I dati sono basati sulle osservazioni HALOE al tramonto e le anomalie sono state derivate da analisi di regressione, seguendo una metodologia descritta da Randel e Wu nel 1996.

In sintesi, questa figura illustra come le anomalie nella concentrazione di NO₂ hanno variato in altitudine e nel tempo tra il 10°S e il 10°N di latitudine dal 1992 al 1999. Le linee di contorno aiutano a identificare le regioni e i periodi di tempo in cui le concentrazioni erano al di sopra o al di sotto della media attesa.