“Il complicato schema delle relazioni sole-meteo ha indubbiamente bisogno di ulteriori chiarimenti, ma il progresso in questo campo sarà ostacolato se prevarrà l’opinione che tali relazioni non debbano essere prese sul serio solo perché i meccanismi coinvolti nella loro spiegazione non sono ancora stati identificati”. Joe W. King (1975)
2.1 Introduzione.
Come illustrato nella prima parte di questa serie, all’inizio degli anni Ottanta si è assistito a un’inversione di tendenza nel consenso su un importante effetto sole-meteo. L’ambiente accademico conflittuale ha fatto sì che pochi scienziati dedicassero i loro sforzi di ricerca a questo argomento. Nonostante queste difficoltà, sono stati compiuti importanti progressi sull’effetto sole-clima. La mancanza di interesse e il disinteresse per l’ipotesi di un meccanismo di cambiamento climatico concorrente da parte dei climatologi mainstream ha fatto sì che questi progressi venissero ignorati. Rimangono poco citati e sconosciuti alla maggior parte dei sostenitori e degli scettici dell’ipotesi della CO2. E soprattutto, non vengono discussi nella maggior parte dei documenti sul clima, ma semplicemente ignorati.
Questi progressi si riferiscono a fenomeni climatici che di solito non sono adeguatamente inclusi nei modelli climatici a causa della mancanza di conoscenza di come avvengono o di quali sono le cause. Non sono riprodotti dai modelli, o lo sono solo debolmente, eppure nella maggior parte dei casi possono essere rilevati nelle rianalisi climatiche, dove i modelli sono vincolati da un numero enorme di osservazioni reali.
È importante sottolineare che nessuna ipotesi di effetto sole-clima può essere corretta se non è in grado di spiegare o accogliere la relazione tra questi fenomeni e la variabilità solare. La relazione sole-clima, al momento, rappresenta un buco nero nella climatologia moderna che continua a crescere senza che nessuno riesca a vedere al suo interno.
2.2 Effetti sulla temperatura e paleoclimatologia
La paleoclimatologia è l’unico sottocampo della climatologia in cui viene presa in considerazione la convinzione di un importante effetto solare-climatico. Questo perché i dati ottenuti dai proxy climatici dell’Olocene mostrano spesso una chiara associazione con i dati sull’attività solare ottenuti dai proxy solari. Quando uno di noi (JV) ha fatto una ricerca sugli effetti climatici del ciclo sole-clima di 2500 anni scoperto da Roger Bray nel 1968 (Fig. 2.1), ha trovato rapidamente 28 articoli che studiavano proxy che mostravano chiaramente questo ciclo (Vinós 2022). Di questi, 16 (57%) affermano esplicitamente che le variazioni dell’attività solare sono probabilmente la causa dei cambiamenti climatici osservati e solo uno esclude esplicitamente la connessione solare. Stiamo parlando di profondi cambiamenti climatici globali del lontano passato, di portata simile alla Piccola Era Glaciale (LIA) o al moderno riscaldamento globale. La maggior parte dei ricercatori paleoclimatici che li hanno studiati conclude che sono stati causati da cambiamenti nell’attività solare. La climatologia moderna non è in grado di spiegarli, poiché si sono verificati in periodi in cui il forcing radiativo dei gas serra è cambiato molto poco.
Fig. 2.1. Il ciclo solare e climatico di Bray a 2500 anni.Principali suddivisioni dell’Olocene: Le suddivisioni stratigrafiche sono in alto. Le suddivisioni biologiche sono immediatamente sotto, con un intervallo di circa 2.500 anni (dopo Ammann & Fyfe 2014). In basso, la classica suddivisione basata sulla temperatura. a) Dati climatici (curva nera), ricostruzione della temperatura globale da 73 proxy (dopo Marcott et al. 2013; con date dei proxy originali e differenziazione media), espressa come distanza dalla media in deviazioni standard (Z-score). b) Dati solari (curva blu-viola), curva di calibrazione del radiocarbonio IntCal13 utilizzata per convertire le date del radiocarbonio (verticali, non mostrate) in date del calendario (orizzontali). Secondo Reimer et al. (2013). La curva devia dalla linearità durante i grandi minimi solari. I grandi minimi Spörer, omerici, sumeri e boreali 1 (ovali blu) sono separati da multipli di circa 2.500 anni e segnano i minimi del ciclo solare di Bray da B-1 a B-5, eccetto B-4. Questi minimi sono stati identificati nelle date radiocarboniche (non mostrate). Questi minimi sono stati identificati nelle date al radiocarbonio. Questi minimi sono stati identificati nei dati al radiocarbonio fino a B-9 a 20.500 BP (Vinós 2022). c) Dati sulla popolazione umana (curva rossa spessa), distribuzione di probabilità sommata delle date antropiche al radiocarbonio di Gran Bretagna e Irlanda come proxy della popolazione umana. La curva rossa sottile è un modello logistico adattato di crescita e plateau della popolazione. Secondo Bevan et al. (2017). Le deviazioni significative verso il basso della popolazione corrispondono generalmente ai minimi del ciclo di Bray di 2500 anni di attività solare (barre verticali blu larghe etichettate da B-1 a B-5). Barre rosa, eventi climatici bruschi (ACE) di 8,2 e 4,2 anni.
Il ciclo solare-climatico di Bray, della durata di 2500 anni, fornisce un buon esempio degli effetti della variabilità solare sulla paleoclimatologia, poiché produce il ciclo climatico più drammatico osservato nell’Olocene. In termini di attività solare, è definito da una sequenza di grandi minimi solari di tipo Spörer della durata di 200 anni e che mostrano un aumento del 20‰ del radiocarbonio, intervallati da 2500 ± 200 anni, con un solo intervallo a circa 7.700 BP negli ultimi otto periodi dal 20.500 BP (Fig. 2.1b; Vinós 2022). In termini di clima, tutti i minimi del ciclo sono stati segnati da periodi di grave deterioramento climatico durati più di un secolo e riflessi in più proxy, di cui la LIA è l’esempio più recente e più freddo dell’Olocene (Fig. 2.1a). In termini di effetti sulle società umane del passato, i minimi del ciclo di Bray sono caratterizzati da periodi di sconvolgimento, declino della popolazione (Fig. 2.1c) e collasso della civiltà, seguiti da un successivo avanzamento della società in risposta a una situazione difficile.
La corrispondenza tra l’attività solare del passato e il clima del passato su scala centenaria e millenaria ha indotto autori come Rohling et al. (2002) ad affermare che:
“Alla luce di questi risultati, chiediamo una valutazione multidisciplinare approfondita del potenziale di modulazione solare del clima su scale centenarie”.
Magny et al. (2013) scrivono:
“Su scala centenaria, i successivi eventi climatici che hanno punteggiato l’intero Olocene nel Mediterraneo centrale hanno coinciso con eventi di raffreddamento associati a sfoghi deglaciali nell’area del Nord Atlantico e a diminuzioni dell’attività solare nell’intervallo 11700-7000 cal BP, e a una possibile combinazione di circolazione di tipo NAO e forzante solare da ca. 7000 cal BP in poi”.
Hu et al. (2003) esprimono:I nostri risultati implicano che piccole variazioni dell’irraggiamento solare hanno indotto pronunciati cambiamenti ciclici negli ambienti settentrionali delle alte latitudini. Forniscono inoltre la prova che gli spostamenti su scala centenaria del clima dell’Olocene erano simili tra le regioni subpolari del Nord Atlantico e del Nord Pacifico, forse a causa dei legami Sole-oceano-clima”.
Questi tre articoli, tra loro, hanno 50 co-autori, tra cui alcuni dei più rispettati in paleoclimatologia. O la nostra attuale comprensione dell’effetto sole-clima o la nostra attuale comprensione della paleoclimatologia è sbagliata, poiché sono incompatibili. Nella scienza, in caso di dubbio, bisogna seguire le prove. La paleoclimatologia ha le prove, mentre la nostra attuale comprensione si basa su modelli informatici che riflettono l’ignoranza e i pregiudizi dei programmatori
L’aumento dell’irraggiamento solare durante il ciclo di 11 anni è di circa 1,1 W/m2 . Il riscaldamento superficiale atteso per tale variazione di energia è di soli 0,025 °C e quindi inferiore al rilevamento (Wigley & Raper 1990). I dati di temperatura e le rianalisi mostrano costantemente che il segnale solare nella temperatura globale è di circa 0,1 °C, quattro volte più grande di quanto ci si aspetta dalla sola variazione di energia (Lean 2017), il che spiega la necessità di meccanismi di amplificazione. Ci si aspetta che un piccolissimo aumento di energia dal sole si traduca in un piccolissimo cambiamento di temperatura uniformemente distribuito alla superficie. Questo non è ciò che accade. La variazione della temperatura superficiale si manifesta con un’inspiegabile, ma significativa, variazione regionale ed emisferica e alcune regioni si raffreddano quando arriva più energia dal sole (Fig. 2.2). Queste differenze possono essere attribuite solo a significativi cambiamenti dinamici nell’atmosfera e negli oceani quando la produzione solare varia solo dello 0,1%.
Fig. 2.2 Effetti solari sulla temperatura e sulla paleoclimatologia. a) Mappa della variazione della temperatura superficiale durante il ciclo solare di 11 anni su una griglia di 5×5° dal minimo solare del 1996 al massimo solare del 2002, utilizzando la regressione multipla. Un modello di riscaldamento discontinuo dell’emisfero meridionale alle medie latitudini è indicato dai cerchi. Le principali correnti di confine occidentali nell’emisfero settentrionale sono indicate dalle frecce. Esempi di risposte del cambiamento climatico all’aumento dell’attività solare ottenuti da testimonianze paleo o da lunghe registrazioni climatiche sono sovrapposti alla loro posizione. b) Variazione media zonale della temperatura di superficie (linea nera) e di altezza di 20 km (linea rossa) (senza aggiustamento dell’area del coseno per la latitudine). Dopo Lean 2017.
Sebbene l’aumento della temperatura superficiale media globale dovuto al ciclo solare sia solo di 0,1 °C, raggiunge 0,4 °C a 60°N. (superiore a 1 °C in alcune aree). Questo schema generale di aumento del riscaldamento superficiale nelle aree extratropicali dell’emisfero settentrionale e di diminuzione del riscaldamento ai tropici e nell’emisfero meridionale, causato dall’aumento dell’attività solare, non differisce dal riscaldamento superficiale osservato negli ultimi 50 anni. L’effetto sulla temperatura superficiale del Nord America conferma la conclusione di Curry (1993) secondo cui l’effetto solare sulla temperatura è opposto su entrambi i lati delle Montagne Rocciose (vedi Parte I). Un’altra caratteristica del riscaldamento solare è l’alternanza di riscaldamento alle medie latitudini nell’emisfero meridionale (SP) e di variazioni minime o di raffreddamento a intervalli intorno ai 7000 km (Fig. 2.2a cerchi). Rappresentano un fenomeno troposferico-oceanico, più prominente a 5 km di altitudine (vedi Lean 2017) e probabilmente riflettono un’onda atmosferica globale con numero d’onda 4, la cui importanza per il clima dell’emisfero meridionale è stata recentemente rilevata (Chiswell 2021).
Questo wave-train atmosferico modulato dal sole potrebbe essere correlato al modo anulare baroclino (Thompson & Barnes 2014). Poiché l’atmosfera è intrinsecamente instabile, la variabilità atmosferica periodica su larga scala è molto rara al di fuori dei tropici, poiché la maggior parte dei fenomeni atmosferici presenta caratteristiche di rumore rosso. Uno dei pochi esempi è il modo anulare baroclino, un’oscillazione di 25-30 giorni nell’energia cinetica degli eddy extratropicali SH associata a variazioni nell’ampiezza delle onde che si propagano verticalmente, che ha importanti effetti sul clima regionale. La forte periodicità del modo anulare baroclino, che coincide con il periodo di rotazione solare, insieme all’andamento del numero d’onda 4 nel corso del ciclo solare di 11 anni, suggeriscono che il modo anulare baroclino sia modulato dai cambiamenti dell’attività solare.
Lon Hood ha dimostrato che i picchi di UV solari modulano un’altra oscillazione atmosferica, l’Oscillazione Madden-Julian. Le variazioni giornaliere dell’ampiezza dell’oscillazione di Madden-Julian sono modulate dalle variazioni di UV, con un aumento dell’ampiezza in seguito a minimi di UV. Questo effetto di modulazione dell’ampiezza è maggiore durante l’inverno e la primavera ed è più forte durante la fase orientale dell’Oscillazione Quasi-Biennale (Hood 2018). Dato che il periodo di rotazione solare è vicino a un mese, nei quattro cicli solari per i quali esistono dati satellitari ci sono circa 500 rotazioni solari, il che consente una valutazione statistica molto migliore dell’effetto solare a breve termine sul clima.
Un’altra caratteristica dell’andamento della temperatura superficiale associata al ciclo solare è il riscaldamento che si verifica in corrispondenza delle correnti extra-tropicali di confine occidentali, in particolare nell’NH (Fig. 2.2a, frecce). Questi sono i siti preferiti dove l’energia viene trasferita dall’oceano all’atmosfera (Yu & Weller 2007). La differenza nell’apporto energetico associato al ciclo solare è molto piccola, ma la variazione del flusso energetico oceano-atmosfera in questi siti suggerisce che i processi dinamici oceano-atmosfera sono governati dalle variazioni del ciclo solare. Infine, l’andamento della temperatura superficiale è essenzialmente l’inverso dell’andamento in prossimità della tropopausa (20 km; Fig. 2.2b), tranne che alle alte latitudini NH. Le variazioni della temperatura superficiale non sono il risultato di variazioni dirette della TSI, poiché sono molto diverse a livello regionale e quattro volte più grandi del bilancio energetico della TSI. Ciò suggerisce che i modelli contrastanti delle temperature zonali della superficie e della tropopausa derivano dall’accoppiamento troposfera-stratosfera.
Non solo la superficie, ma anche la parte superiore dell’oceano presenta una sconcertante variazione di temperatura quasi decadale di circa 0,1°C. White et al. (2003) hanno analizzato il bilancio globale dell’accumulo di calore diabatico tropicale e hanno scoperto che il riscaldamento anomalo dello strato superiore dell’oceano alla profondità dell’isoterma di 22°C produce un valore di ± 0,9 W/m2, che è quasi un ordine di grandezza superiore al forcing radiativo superficiale di ± 0,1 W/m2 associato al ciclo solare (il forcing radiativo solare è ΔTSI/4 x 0,7). Inoltre, la variazione quasi decadale della temperatura nell’oceano superiore è legata al ciclo solare, cosa che la climatologia moderna non può spiegare.La quasi totale mancanza di interesse da parte dei climatologi moderni per l’effetto sole-clima trascura le abbondanti prove della paleoclimatologia e le recenti variazioni climatiche che sono correlate al ciclo solare. Questo rivela la nostra mancanza di conoscenza dell’effetto solare sul cambiamento climatico.
2.3 Effetti sul vortice polare
Come discusso nella Parte I (Sezione 1.6), è noto dal 1980 che la QBO modula la forza del vortice polare (Holton & Tan 1980). Sette anni dopo, Labitzke (1987) ha scoperto che le variazioni dell’attività solare influenzano questa modulazione. Questo è stato il primo effetto affidabile, indiscutibile e climaticamente significativo del clima solare trovato in una ricerca durata 180 anni. Ha anche spiegato perché la ricerca è stata così difficile, perché l’effetto non è lineare (non è proporzionale alla differenza totale di irradianza) e indiretto, dipendendo dalla direzione (fase della QBO) e dalla forza dei venti stratosferici equatoriali.
La temperatura stratosferica del Polo Nord misurata da Labitzke riflette lo stato del vortice polare. Un forte vortice polare è circondato da forti venti, che si mantengono all’interno di un’area di bassa pressione, bassa altezza geopotenziale (altezza di una data pressione) e bassa temperatura a causa del raffreddamento radiativo. Temperature più elevate indicano un vortice polare più debole e/o spostato dalla sua sede. Quando il vortice polare si indebolisce e/o si sposta durante l’inverno (cioè, temperatura stratosferica del Polo Nord più alta), l’aria più calda entra nell’Artico, spingendo l’aria più fredda in basso, alle latitudini più basse. Un Polo Nord più caldo con un vortice polare più debole indica inverni più freddi alle medie latitudini. Una maggiore frequenza di inverni più freddi alle medie e alte latitudini settentrionali è stata una caratteristica della LIA.
I dati di Labitzke hanno dimostrato che la correlazione tra la temperatura stratosferica del Polo Nord e la forzante solare dipende dallo stato della QBO. Negli anni della QBO orientale, la temperatura stratosferica polare è più bassa quando l’attività solare è maggiore e più alta quando l’attività solare è minore. Il contrario avviene negli anni della QBO occidentale (Fig. 2.3a). Poiché le temperature più basse negli anni orientali e le temperature più alte negli anni occidentali sono simili, le maggiori differenze di temperatura per i due diversi stati della QBO si verificano negli anni di minimo solare. La differenza media della temperatura stratosferica invernale al Polo Nord tra le due fasi QBO durante i minimi solari raggiunge i 20 °C (Fig. 2.3b). L’effetto climatico invernale della bassa attività solare su vaste regioni dell’emisfero settentrionale è chiaramente sproporzionato rispetto alla differenza di energia di irraggiamento totale. Questa differenza diventa insignificante al Polo Nord durante l’inverno boreale, quando è permanentemente buio.
Fig. 2.3 Effetto dell’attività solare sulla temperatura stratosferica invernale al Polo Nord. a) Curva nera e area grigio chiaro, media del flusso invernale (DJF) di 10,7 cm e deviazione standard nel periodo compreso tra dicembre 1955 e febbraio 2013, un proxy dell’attività solare, adattato a un ciclo solare di 11 anni. Le curve colorate corrispondono alla temperatura invernale a 30 hPa (stratosfera) sopra il Polo Nord, calcolata come media dei tre valori più centrati tra le temperature medie mensili DJFM (scartando gli outlier) e tracciata in base alla posizione nel ciclo solare di 11 anni. La curva spessa rosso scuro è la temperatura degli inverni in cui la QBO ha presentato valori medi di DJF inferiori a -5,8 ms-1 (i valori negativi indicano un vento orientale), corrispondenti alla QBOe (orientale). La curva sottile rosso scuro è la regressione quadratica. La curva spessa di colore azzurro è la temperatura per gli inverni in cui la QBO ha presentato valori medi di DJF superiori a 1,1 ms-1 (valori positivi indicano vento da ovest), corrispondenti alla QBOw (da ovest). La curva sottile blu chiaro è la regressione quadratica. b) Grafico di dispersione della temperatura invernale del Polo Nord a 30 hPa, determinata come in (a), rispetto alla velocità del vento tropicale invernale a 30 hPa, per gli anni con attività solare molto bassa, corrispondenti agli anni da 9 a 11 del ciclo solare come definito in (a), e indicati nel grafico. I punti riempiti di rosso scuro sono i valori di QBOe/temperatura utilizzati per la stessa curva di colore in (a). I punti riempiti di azzurro sono i valori QBOw/temperatura utilizzati per la stessa curva di colore in (a). La curva nera sottile è la regressione quadratica. Sono indicati gli anni di El Niño forte. Dati sulla temperatura stratosferica del Polo Nord provenienti dall’Istituto di meteorologia della Freie Universität di Berlino. Dati sul flusso solare di 10,7 cm dall’Osservatorio Reale del Belgio.
Il libro di Peixoto e Oort (1992), Physics of Climate, afferma che la correlazione insolitamente alta tra l’attività solare e la pressione al livello del mare o la temperatura superficiale su vaste aree del NH, quando si considera la fase QBO, sembra spiegare una frazione importante della variabilità interannuale totale della circolazione invernale. Ma l’attività solare non è l’unico fattore che influenza la forza del vortice polare: essa dipende anche dalla QBO attraverso l’effetto Holton-Tan (cfr. Parte I, Paragrafo 1.6) e da El Niño/Southern Oscillation (ENSO). Gli anni di El Niño destabilizzano il vortice, mentre le eruzioni vulcaniche tropicali lo stabilizzano, producendo un inverno più caldo alle medie e alte latitudini settentrionali.
Da Peixoto e Oort (1992), la climatologia moderna sembra aver dimenticato l’importante effetto solare sul vortice polare e sulla circolazione invernale. Global Physical Climatology di Dennis Hartmann (2a ed. 2016) non cita Labitzke o la sua scoperta di un effetto solare sulla circolazione invernale, né menziona il vortice polare (non nell’indice degli argomenti). Sorprendentemente, anche il libro più specialistico An Introduction to Dynamic Meteorology (5a ed. Holton & Hakim 2013) presenta la stessa situazione. Ricordiamo che James Holton (1982) ha esaminato i possibili meccanismi fisici dell’effetto della variabilità solare sul clima attraverso l’accoppiamento dinamico dell’atmosfera, quindi non è che non ne fosse a conoscenza. La climatologia moderna sta deliberatamente ignorando ciò che è noto sull’effetto sole-clima.
2.4 Effetti su El Niño/Southern Oscillation
L’effetto solare sull’ENSO è assolutamente misconosciuto dalla climatologia moderna. Una recente revisione sulla complessità dell’ENSO da parte di 45 importanti esperti del fenomeno (Timmermann et al. 2018) omette completamente di menzionare qualsiasi implicazione solare, nonostante l’abbondante bibliografia sull’argomento (Anderson 1990; Landscheidt 2000; White & Liu 2008; Wang et al. 2020; Leamon et al. 2021; Lin et al. 2021). Deser et al. (2010) analizzano lo spettro di potenza della serie temporale delle SST del Niño-3.4 (5°N-5°S, 170-120°W) e citano solo l’intervallo 2,5-8 anni, ignorando completamente il picco distinto di 11 anni nella serie (Fig. 2.4b).
Uno degli autori (JV) ha recentemente studiato la correlazione tra l’aumento dell’attività solare e le condizioni di La Niña nella regione di El Niño-3.4 Oceanic Niño Index (ONI). Un’analisi Monte Carlo ha mostrato che gli eventi La Niña, che si sono verificati durante i periodi di maggiore attività solare (dal 35 all’80% della fase crescente del ciclo solare) tra il 1950 e il 2018, hanno solo lo 0,7% di probabilità di essere dovuti al caso, dimostrando che l’ENSO è modulato dall’attività solare (Vinós 2019; 2022). Le recenti condizioni di La Niña verificatesi dal 2020, dopo il minimo solare del dicembre 2019, potrebbero aver solo ridotto la già bassa probabilità che l’associazione sia dovuta al caso.
La modulazione solare-ENSO è rivelata da una semplice analisi della frequenza dei modi ENSO. L’ENSO ha tre modalità temporali: El Niño (modalità calda), La Niña (modalità fredda) e Neutro. Il sistema ENSO viene solitamente visto come un’oscillazione tra i modi El Niño e La Niña a causa delle loro temperature opposte. Questa visione sembra essere errata. Il Climate Prediction Center della NOAA classifica le modalità invernali dell’ENSO (anno corrispondente a gennaio) in base ai dati SST nella regione di El Niño-3.4 (Domeisen et al. 2019). Utilizzando questa classificazione, è banale mostrare che gli anni La Niña sono fortemente anticorrelati con gli anni Neutrali, non con gli anni El Niño (Fig. 2.4a) per il periodo 1960-2020 (1962-2018 mostrato utilizzando un filtro gaussiano).
Fig. 2.4 Modalità ENSO e attività solare. a) Frequenza degli anni Niña (linea spessa blu medio) e degli anni Neutrali (linea spessa marrone chiaro) in una media mobile centrata di 5 anni (filtrata gaussiana) tra il 1962-2018 che mostra un’anticorrelazione quasi perfetta per l’intero periodo. I riquadri piccoli rappresentano la classificazione delle modalità ENSO secondo Domeisen et al. 2019, con riquadri rosso scuro per gli anni Niño e dello stesso colore delle curve per gli anni Niña e Neutrali. Gli asterischi indicano gli eventi di Niño forte e Niña con anomalia ≥1 °C nell’Oceanic Niño Index. La linea grigia sottile rappresenta il numero di macchie solari annuali. b) Spettro di potenza della serie temporale di anomalie SST del Niño-3.4 1900-2008, secondo Deser et al. 2010. Una freccia indica il picco di frequenza di 11 anni che potrebbe corrispondere all’effetto del ciclo solare. c) Anomalia media del volume di acqua calda tra dicembre e febbraio al di sopra dell’isoterma di 20 °C tra 5°N-5°S, 120°E-80°W. Dati dell’Ufficio progetti TAO del NOAA/PMEL.
I Los Niños si verificano in genere ogni 2-3 anni (intervallo 1-4 anni), quindi ci sono sempre 1-3 Niños in un periodo di 5 anni. Gli anni La Niña e Neutrali sono più variabili, in quanto possono verificarsi da 0 a 4 in un periodo di 5 anni. La forte anticorrelazione tra La Niña e gli anni neutri indica che l’ENSO è stato profondamente frainteso e anche il suo nome è errato, in quanto dovrebbe essere La Niña/Oscillazione Meridionale. L’analisi del volume di acqua calda nel Pacifico equatoriale (Fig. 2.4c) indica che l’energia tende ad accumularsi durante gli anni La Niña e viene rilasciata durante gli anni El Niño, mentre gli anni neutri si collocano nel mezzo. L’energia tende ad accumularsi nel Pacifico equatoriale, uno dei principali punti di ingresso dell’energia solare nel sistema climatico. Il sistema ENSO oscilla tra accumulo (anni Niña) e distribuzione inefficiente (anni Neutri). Quando il sistema accumula energia in eccesso, si verificano Los Niños per distribuire in modo efficiente l’eccesso al resto del sistema climatico.
La Niña e l’oscillazione neutra sono in fase con il ciclo solare (Fig. 2.4a). Anche la frequenza di El Niño è influenzata dal ciclo solare, come hanno notato altri autori (Landscheidt 2000), ma non in modo così marcato, e il verificarsi di anni Niño perturba leggermente l’adattamento della Niña/Neutral al ciclo solare. Questo effetto solare sull’ENSO spiega il picco di frequenza di 11 anni nello spettro di potenza del Niño-3,4 SST. Spiega anche perché i periodi multidecadali di alta attività solare, come il moderno massimo solare, tendono a mostrare meno Niñas e perché il periodo di ridotta attività solare dal 1998 ha mostrato Niñas più frequenti con valori di anomalia del volume di acqua calda meno negativi. In coincidenza con la pausa del riscaldamento globale, le anomalie del volume di acqua calda hanno registrato un numero significativamente inferiore di valori negativi, raggiungendo meno di un quarto dei valori negativi precedenti (Fig. 2.4c). El Niño è l’elemento anomalo dell’oscillazione Niña/Neutro, il che spiega perché El Niño si presenta con caratteristiche diverse (Pacifico centrale contro Pacifico orientale) e presenta un’enorme variabilità durante l’Olocene (Moy et al. 2002), con un’attività del Niño molto ridotta durante l’Optimum climatico dell’Olocene. Le caratteristiche, la frequenza e l’intensità di El Niño rispondono ai requisiti del processo di trasporto dell’energia verso il polo meridionale.
Si può solo pensare che, se la climatologia moderna non fosse così cieca nei confronti dell’effetto sole-clima, la modulazione solare dell’ENSO sarebbe di dominio pubblico e discussa in rassegne come quelle di Timmermann et al. (2018) e Domeisen et al. (2019). È imbarazzante, e indica che la climatologia moderna ha perso la strada, che ci sia voluto un biologo molecolare per accorgersene.
2.5 Effetti sulla rotazione terrestre
L’attività solare influisce sulla velocità di rotazione della Terra. L’effetto è piccolo, ma è stato misurato dall’avvento degli orologi atomici alla fine degli anni Cinquanta. Questo effetto solare è stato notato periodicamente dai ricercatori, segnalato, ignorato e dimenticato, per poi essere notato nuovamente da un altro ricercatore che credeva fosse una scoperta originale. La prima segnalazione sembra essere di René Danjon nel 1962. Nel 1971 Rodney Challinor, con 14 anni di dati, mise in relazione le variazioni annuali della lunghezza del giorno (LOD) con il ciclo delle macchie solari. Egli suggerì che i cambiamenti nella circolazione atmosferica globale indotti dalle variazioni dell’attività solare potevano essere responsabili dell’effetto sul tasso di rotazione della Terra (Challinor 1971). Anche Jan Vondrák (1977) e Robert Currie (1980) hanno riscoperto la relazione tra rotazione solare e terrestre. Negli anni Novanta Daniel Gambis (Gambis & Bourget 1993) e negli anni Duemila Rodrigo Abarca del Río (Abarca del Río et al. 2003) hanno proseguito gli studi sulla relazione di rotazione Sole-Terra. Più recentemente Le Mouël et al. (2010) e Barlyaeva et al. (2014) hanno indagato sui possibili meccanismi di questa relazione.
Fig. 2.5 Modulazione della variazione semestrale del LOD da parte del ciclo solare di Schwabe di 11 anni. a) ΔLOD mensile per il periodo 1962-2018. L’inserto mostra due anni di dati con quattro componenti semestrali corrispondenti agli inverni dell’emisfero settentrionale (NH) e dell’emisfero meridionale (SH). b) Curva nera, scala di sinistra, ampiezza smussata di 3 punti della variazione invernale NH di ΔLOD dai dati settimanali dopo uno smussamento di 31 giorni. Valori più bassi indicano una maggiore variazione della velocità di rotazione della Terra. Curva rossa, scala di destra, attività solare determinata dal flusso di 10,7 cm (unità di flusso solare, smoothing gaussiano). Curva tratteggiata, scala di destra, trasformata veloce di Fourier con una finestra di 4 anni della componente temporale derivata di 0,5 anni del LOD, lisciata a 30 mesi, secondo Barlyaeva et al. 2014.
È stato dimostrato che, per periodi di tempo compresi tra 14 giorni e 4 anni, le variazioni del momento angolare atmosferico (AAM) della troposfera e della stratosfera sono responsabili di oltre il 90% delle variazioni del LOD (Rosen & Salstein 1985), poiché il tasso di rotazione terrestre deve adattarsi per mantenere costante il momento totale del sistema Terra. Le variazioni stagionali del ∆LOD sono note da decenni e riflettono i cambiamenti nella circolazione zonale (Lambeck & Cazennave 1973). La componente biennale del ∆LOD riflette i cambiamenti della QBO (Lambeck & Hopgood 1981), mentre la componente di 3-4 anni corrisponde al segnale ENSO (Haas & Scherneck 2004). L’El Niño 2015-16 ha prodotto un’escursione del ∆LOD di 0,81 ms nel gennaio 2016. Una corrispondenza molto stretta tra la componente di 6 anni del ∆LOD e l’attività solare non dovrebbe essere prevista visti gli altri agenti causali.
Il legame tra le variazioni del ΔLOD, le variazioni dell’AAM e la variabilità solare è molto semplice e deve necessariamente andare nella direzione “solare → atmosfera → rotazione”. La quantità di moto del sistema terrestre si conserva alle scale coinvolte e non è possibile che cambiamenti nella velocità di rotazione della Terra influenzino l’attività solare. Una relazione tra le variazioni multidecadali del ΔLOD e i cambiamenti climatici è stata proposta da Lambeck e Cazenave (1976). Senza considerare un’implicazione solare, hanno riportato la somiglianza tra le tendenze di diversi indici climatici negli ultimi due secoli e le variazioni di ΔLOD. In particolare, Lambeck e Cazenave hanno notato che le variazioni del LOD si correlavano bene con la temperatura globale e la pressione al suolo, entrambi indicatori della circolazione globale dei venti. Hanno concluso che i periodi di aumento dei venti zonali sono correlati a un’accelerazione della Terra, mentre i periodi di diminuzione della circolazione zonale sono correlati a una decelerazione della Terra. Hanno riscontrato un ritardo di 5-10 anni negli indici climatici. Il loro risultato è stato riprodotto più volte (ad esempio, Mazzarella 2013).
Fig. 2.6 Serie temporale decadale filtrata in banda del numero di macchie solari (rosso) e (B) la modulazione annuale dell’ampiezza AAM; e (C) la modulazione semestrale invertita dell’ampiezza AAM. Da Abarca del Río & Gambis (2011).
L’AAM può essere ricostruito fino al 1870 e le sue variazioni decadali nelle componenti annuali e semestrali (correlate con le componenti annuali e semestrali del ∆LOD) mostrano una correlazione con il ciclo solare di 11 anni. È interessante notare che la correlazione tra la componente annuale e il numero di macchie solari si sposta verso il 1920 (Fig. 2.6B). Questo è un periodo in cui diverse correlazioni sole-clima si sono invertite (vedi Parte I, Fig. 1.3), screditando gli studi di correlazione sole-clima. Non sappiamo quali siano le cause di queste inversioni nella risposta del clima all’attività solare e probabilmente non lo sapremo fino a quando non si verificherà una nuova inversione, poiché dobbiamo sapere cosa succede nella stratosfera durante queste inversioni. Sembra che si verifichino ogni 80-120 anni (Hoyt & Schatten 1997). Tuttavia, possiamo concludere due cose importanti dall’esistenza di queste inversioni sole-clima. In primo luogo, che l’attività solare influisce sul clima attraverso il suo effetto sulla circolazione atmosferica (AAM), non attraverso differenze nell’irraggiamento totale. In secondo luogo, quando l’effetto solare sulla componente annuale dell’AAM cambia fase, l’andamento dell’effetto solare sulla temperatura superficiale e sulle precipitazioni si inverte. La simultaneità dello spostamento di fase dell’AAM (rotazione terrestre) e dell’inversione del modello solare-climatico intorno al 1920 dimostra che questi spostamenti sono una caratteristica intrinseca dell’effetto solare-climatico.
Poiché l’effetto solare sul tasso di rotazione della Terra e la circolazione atmosferica globale sono deliberatamente ignorati dalla climatologia moderna, non sono inclusi nei modelli di circolazione generale. Ciò consente all’IPCC di concludere erroneamente che la variabilità solare non ha avuto alcun effetto significativo sul cambiamento climatico dal 1850. La realtà, tuttavia, è che gran parte dei cambiamenti climatici avvenuti nel XX secolo sono dovuti al moderno massimo solare.
2.6 Effetti sulle onde planetarie
Nel 1974, Colin Hines propose che l’effetto sole-clima potesse essere ottenuto modulando le proprietà di propagazione delle onde planetarie dell’atmosfera, e James Holton concordò sulla fattibilità di tale meccanismo, ma obiettò che all’epoca esistevano poche prove al riguardo (Hines 1974; Holton 1982). Ciò non era del tutto corretto. Geller e Alpert (1980) non solo hanno dimostrato la fattibilità del meccanismo di Hines, ma hanno anche dimostrato che i cambiamenti nelle emissioni ultraviolette (UV) del Sole, alterando la struttura termica stratosferica, potrebbero essere responsabili di cambiamenti nel vento zonale medio, con conseguenti variazioni interannuali nell’andamento delle onde stazionarie planetarie che potrebbero indurre cambiamenti molto significativi nel clima regionale. I risultati della modellazione non solo hanno quantificato l’entità degli effetti attesi, ma hanno indicato che la risposta delle onde planetarie troposferiche ai cambiamenti indotti dal sole nello stato medio zonale della stratosfera dovrebbe essere regionale, molto evidente ad alcune longitudini e latitudini e assente ad altre (Fig. 2.2).
Le onde nell’atmosfera (Fig. 2.7) sono moti oscillatori che derivano da un equilibrio tra l’inerzia di una particella d’aria che è stata messa in movimento e una forza di ripristino. Questi moti oscillatori producono cambiamenti periodici nelle variabili atmosferiche (pressione, altezza geopotenziale, temperatura o velocità del vento) che possono rimanere stazionari o propagarsi orizzontalmente o verticalmente. Le onde atmosferiche trasmettono energia e quantità di moto, senza il trasporto materiale di particelle d’aria, a regioni remote su scale temporali molto più brevi del tempo di transito delle particelle d’aria. La quantità di moto e l’energia vengono immesse nel flusso di fondo quando l’onda si dissipa o si rompe, alterandolo. La maggior parte delle perturbazioni meteorologiche è associata a uno o più tipi di onde atmosferiche (Holton 2003).
Fig. 2.7 Esempi di onde atmosferiche. a) Onde atmosferiche osservate a causa della polvere sahariana sulla costa nord-occidentale dell’Africa. Credito: NASA. b) Onde atmosferiche causate dall’eruzione di Tonga 2022 che ha fatto il giro del mondo, catturate dal canale IR del satellite GOES-West della NOAA. Tonga è in basso a sinistra nell’immagine. Credito: Matthew Barlow. Dopo Duncombe (2022).
Le onde planetarie (Rossby-Haurwitz) a propagazione verticale sono generate dal flusso sulla topografia a scala continentale, dai contrasti di riscaldamento continente-oceano e dalle interazioni non lineari tra le perturbazioni ondulatorie transitorie della troposfera. La loro forza di ripristino è il gradiente di vorticità potenziale latitudinale indotto dal parametro Coriolis dovuto alla rotazione planetaria. Il wavenumber zonale delle onde planetarie è un numero intero che designa il numero di onde attorno a un cerchio di latitudine, quindi a 60° un’onda planetaria di wavenumber 1 ha una scala meridiana di circa 12.000 km. La propagazione verticale delle onde planetarie stazionarie richiede la presenza di venti medi occidentali di velocità inferiore a un valore critico, secondo il cosiddetto criterio di Charney-Drazin. In pratica, i wavenumbers zonali 1-3 rappresentano oltre il 96% della propagazione delle onde nella stratosfera extratropicale, e questo avviene solo nell’emisfero invernale.
Piccole variazioni nell’energia UV solare possono causare grandi cambiamenti nell’energia e nella quantità di moto trasmessa dalle onde planetarie alla stratosfera. Questi si riflettono poi in cambiamenti nella troposfera, attraverso l’accoppiamento stratosfera-troposfera, come suggerito da Hines (1974) e dimostrato da Geller e Alpert (1980). Questo processo costituisce la base del meccanismo “top-down” dell’effetto sole-clima. Questo processo o meccanismo aggira il problema della piccola variazione dell’energia solare emessa durante il ciclo solare, in quanto l’energia per influenzare il clima è fornita dalle onde planetarie, che alterano la circolazione atmosferica globale con modelli diversi a livello regionale. Kodera e Kuroda (2002) hanno dimostrato che con l’arrivo dell’inverno, la circolazione stratosferica passa da uno stato controllato radiativamente a uno stato controllato dinamicamente e la transizione è modulata dall’attività solare, con il massimo solare che prolunga lo stato controllato radiativamente. Questa modulazione influenza la forza dei jet night stratosferici subtropicali e polari e la circolazione di Brewer-Dobson.
Perlwitz e Harnik (2003) hanno dimostrato che le onde planetarie riflesse nella stratosfera in alcuni inverni hanno un impatto sulla troposfera. Nathan et al. (2011) hanno dimostrato che il campo di ozono asimmetrico a livello zonale è molto importante nel mediare gli effetti della variabilità solare sulla circolazione ondulatoria nella stratosfera. Lo studio delle onde planetarie nella stratosfera è recente e difficile da realizzare. Powell e Xu (2011), utilizzando due serie di dati di rianalisi e osservazioni di unità di scandaglio a microonde satellitari, hanno costruito un indice di ampiezza delle onde planetarie per la stratosfera a 55-75°N e hanno dimostrato che è associato all’oscillazione artica. Sono stati riscontrati cambiamenti sostanziali nello stato stratosferico dovuti a variazioni dell’ampiezza delle onde e ad anomalie del modello. Le principali erano associate a un’oscillazione biennale in fase con il ciclo solare. Durante i massimi solari l’ampiezza delle onde planetarie è stata ridotta, mentre durante i minimi solari i cambiamenti nel gradiente di temperatura meridionale e nel wind shear verticale hanno portato a un aumento dell’ampiezza delle onde planetarie (Fig. 2.8). L’effetto del ciclo solare rilevato può spiegare il 25% della variabilità dell’ampiezza delle onde (Powell & Xu 2011).
Fig. 2.8 La variabilità dell’ampiezza delle onde planetarie stratosferiche a 55-75°N mostra l’allineamento della sua oscillazione biennale con il ciclo solare, con una variazione massima dell’ampiezza durante i minimi solari.
Il risultato di Powell e Xu (2011) fornisce una prova osservativa diretta dello studio di Geller e Alpert (1980). Nel loro studio, Geller e Alpert hanno dimostrato che un cambiamento del 20% nel flusso zonale medio a 35 km di altezza o inferiore sarebbe l’ordine di grandezza necessario per produrre la variabilità interannuale osservata nell’andamento delle onde troposferiche alle medie e alte latitudini. La scoperta di Powell e Xu, secondo cui l’effetto solare potrebbe spiegare il 25% dell’ampiezza delle onde stratosferiche, indica che l’effetto solare UV, unito alla variabilità dell’ozono, può spiegare l’importante effetto sole-clima sulla circolazione atmosferica invernale rilevato per la prima volta da Labitzke e van Loon (1988).
2.7 Conclusione
Questa parte (la seconda della serie) dimostra l’esistenza di un patrimonio di conoscenze sull’effetto sole-clima, faticosamente prodotto da scienziati che non hanno ricevuto il giusto riconoscimento per aver fatto luce su quello che è probabilmente il problema più complesso e controverso della climatologia. Queste conoscenze forniscono sufficienti indizi sul meccanismo dell’effetto sole-clima.
Non è più accettabile dire che la variabilità solare nell’irradianza totale è troppo piccola per avere un effetto significativo sul clima, quando ci sono così tante prove che le variazioni nell’irradianza totale non sono il modo in cui la variabilità solare influisce principalmente sul clima.
Non è più accettabile dire che gli effetti indiretti della variabilità solare sono troppo incerti perché non se ne conosce il meccanismo, quando sono state pubblicate e ignorate prove evidenti del meccanismo.
Non è più accettabile considerare solo le variazioni dell’irradianza totale negli studi sui modelli e poi dichiarare che il massimo solare moderno non ha contribuito al riscaldamento globale moderno.
Non è più accettabile rifiutare un effetto sole-clima basato sulla mancanza di una semplice corrispondenza tra la temperatura superficiale e l’attività solare, quando le prove suggeriscono che l’effetto solare sul clima agisce attraverso cambiamenti nella circolazione atmosferica.
Se questo rimane accettabile, allora stiamo costruendo le fondamenta della scienza del cambiamento climatico su una falsa premessa che ci impedisce di comprenderlo. Ciò farà arretrare di decenni il progresso scientifico della climatologia, proprio come il rifiuto di accettare le prove della deriva dei continenti fece arretrare di quattro decenni la geologia. E avrà enormi ripercussioni sulla reputazione della scienza, dal momento che la maggior parte dei climatologi fornisce una giustificazione per costose politiche socioeconomiche ignorando un’importante e ben documentata connessione tra sole e clima.