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La stratosfera è quello strato d’atmosfera stratificata, che si estende al di sopra della tropopausa fino ad un’altezza di circa 40-50 km, e ha composizione pressoché analoga allo strato precedente, ma la pressione è minima, bassa la densità e, quindi, i componenti gassosi si presentano sempre più rarefatti. La stratosfera contiene il 9.5% di tutta la massa gassosa dell’atmosfera. Il vapore acqueo ed il pulviscolo atmosferico diminuiscono rapidamente con la quota e non si verificano processi di formazione nuvolosa connessi con precipitazioni. La stratosfera è contraddistinta anche da assenza di moti turbolenti e dalla presenza di venti regolari e impetuosi che possono raggiungere i 200 km/h.
Dopo l’equinozio d’autunno (23 settembre) il riscaldamento delle zone stratosferiche polari dell’emisfero settentrionale, dovuto principalmente all’azione di assorbimento dei raggi UV da parte dello strato di ozono, viene meno a causa dell’espansione della notte polare verso latitudini inferiori. Le temperature decrescono rapidamente e nello stesso tempo forti correnti occidentali vengono generate dall’azione combinata della forza di Coriolis e del gradiente di temperatura, sempre più marcato, che viene a crearsi tra l’equatore ed il polo.
Si crea, così, nella parte alta della stratosfera un intensa corrente occidentale occidentale (da ovest verso est) chiamata vortice polare che delimita una zona di bassa pressione molto stabile, generalmente centrata sul polo nord.
La circolazione stratosferica viene perturbata, a volte in maniera anche piuttosto significativa, da oscillazioni che si sviluppano in tropopausa su scala planetaria e che trasportano energia verso la stratosfera. In opportune condizioni un’onda planetaria di ampiezza molto grande, solitamente associata allo sviluppo di condizioni di blocco, può propagare un impulso fino in stratosfera modificandone significativamente la struttura termica e circolatoria.
Il fenomeno del riscaldamento stratosferico (sudden stratospheric warming, SSW, o stratwarming) è dovuto all’azione di un anticiclone di blocco che si va a posizionare nelle regioni polari spostando verso latitudini più basse la struttura, estremamente fredda, creata dal vortice polare in fase di pre-riscaldamento (displacement). Si ha, così, un indebolimento del gradiente tra polo e basse latitudini e un’inversione della circolazione. Può anche accadere che il vortice si spezzi (splitting) in due lobi quasi diametralmente opposti rispetto all’alta pressione sul polo. In questi casi le temperature nella stratosfera possono aumentare di diverse decine di gradi in pochi giorni.
Il fenomeno dura, generalmente, una decina di giorni, ma occorrono all’incirca 4-6 settimane prima che la stratosfera ritorni allo stato iniziale. SSW che accadono sul finire dell’inverno (final warmings) non consentono il ripristino completo del vortice polare e pertanto la circolazione media della stratosfera siassesterà su una configurazione tipicamente primaverile. Secondo la World Meteorological Organization (WMO) un riscaldamento stratosferico si verifica quando il gradiente delle temperature medie zonali a 10 hPa tra 85°N e 60°N è positivo per più di 5 giorni.
Se contemporaneamente si ha un’inversione della circolazione, cioè, da occidentale diventa orientale (da est verso ovest) l’evento viene classificato major, altrimenti viene classificato minor. Affinché il riscaldamento abbia luogo è necessario, non solo che sia presente una propagazione d’energia verso l’alto a cura delle onde planetarie, ma anche che il vortice polare (VP) si trovi molto concentrato attorno al polo, in questo caso la massa d’atmosfera contenuta nel vortice ed il relativo momento d’inerzia saranno relativamente bassi e subiranno in maniera considerevole l’azione dell’onda planetaria. È stato verificato che le anomalie che si innescano nell’alta stratosfera si propagano, nel corso dell’evoluzione del SSW, verso il basso con tempi dell’ordine delle settimane, fino alla tropopausa e da lì vanno ad influenzare la circolazione nei bassi strati. Ciò è stato osservato analizzando le variazioni di
indici planetari relativi a fenomeni come la North Atlantic Oscillation (NAO) ,l’Arctic Oscillation (AO), Northern hemisphere Annular Mode (NAM) e la Quasi Biennal Oscillation (QBO).