Lo studio condotto da V. Maliniemi, T. Asikainen e K. Mursula dell’Università di Oulu (Finlandia), pubblicato nel 2016 sul Journal of Geophysical Research: Atmospheres, indaga la relazione a lungo termine tra l’attività geomagnetica (GA), derivante dalle interazioni tra il vento solare e il campo magnetico terrestre che influiscono sulla ionosfera e sulla stratosfera, e il Modo Anulare Nordico (NAM), noto anche come Oscillazione Artica (AO). Il NAM rappresenta la modalità principale di variabilità atmosferica nell’Emisfero Nord, caratterizzata da un pattern zonale simmetrico della pressione a livello del mare (SLP) che influenza il clima invernale, con fasi positive associate a un vortice polare forte e fasi negative a un vortice debole, favorendo ondate di freddo in Europa e Nord America. Questa ricerca evidenzia come tale relazione sia modulata dall’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), un’oscillazione periodica (circa 28 mesi) dei venti zonali equatoriali nella stratosfera tropicale, che alterna fasi easterly (venti da est) e westerly (venti da ovest), influenzando la propagazione delle onde planetarie e il trasporto meridionale.
I risultati rivelano che i conflitti nei studi precedenti derivano da una modulazione temporale variabile della QBO sulla relazione GA-NAM: una correlazione positiva persiste nella fase easterly della QBO a 30 hPa per l’intero XX secolo, basata su una ricostruzione storica della QBO. Inoltre, la QBO a questo livello altimetrico (circa 24-26 km) riflette meglio la Relazione Holton-Tan per la circolazione superficiale. La Relazione Holton-Tan, proposta da James R. Holton e Hiroshi Tan nel 1980, descrive come la QBO influenzi il vortice polare stratosferico artico: nella fase easterly, la linea critica per le onde planetarie si sposta, permettendo una maggiore propagazione verso latitudini polari e indebolendo il vortice; viceversa, nella fase westerly, il vortice è rafforzato. Tuttavia, lo studio osserva che questa relazione è valida solo durante l’inizio e la metà dell’inverno (novembre-gennaio), mentre in tardo inverno (febbraio-marzo) emerge un effetto anti-Holton-Tan in presenza di alta attività geomagnetica, probabilmente dovuto alla precipitazione di particelle energetiche che alterano la chimica stratosferica e il preconditioning atmosferico.
Questi findings sottolineano l’impatto sistematico della precipitazione di particelle solari sul NAM durante il secolo scorso, enfatizzando l’importanza di considerare fattori come la fase della QBO e la stagionalità quando si valutano gli effetti solari sul clima terrestre. Lo studio contribuisce a una migliore comprensione delle teleconnessioni stratosferico-troposferiche, con implicazioni per la previsione climatica stagionale e la modellazione degli effetti geomagnetici su pattern come il NAM, che influenzano eventi estremi quali le ondate di freddo polare.
Introduzione
Diversi studi recenti hanno fornito evidenze del fatto che l’attività geomagnetica (GA) può influenzare il clima invernale dell’Emisfero Nord, modulando la circolazione atmosferica nella stratosfera e nella troposfera, con effetti che si propagano dal vortice polare verso la superficie, influenzando pattern come il Modo Anulare Nordico (NAM) e l’Oscillazione Nord Atlantica (NAO). In particolare, la GA è stata utilizzata come proxy per la precipitazione di particelle energetiche medie (da ∼10 keV a diversi MeV), che penetrano nell’atmosfera ad alte latitudini durante l’inverno polare, inducendo reazioni chimiche che portano alla produzione di ossidi di azoto (NOx) e ossidi di idrogeno (HOx), i quali catalizzano la distruzione dell’ozono nella mesosfera e, attraverso il trasporto discendente, nella stratosfera. Questa perdita di ozono altera la struttura termica stratosferica, causando riscaldamento nella parte superiore e raffreddamento in quella inferiore, con conseguente accelerazione del vortice polare e modulazione delle onde planetarie, effetti che sono stati osservati in modellazioni e dati osservativi. La relazione tra GA e NAM è ulteriormente modulata dall’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), un’oscillazione dei venti zonali equatoriali con periodo di circa 28 mesi, che influenza la propagazione delle onde planetarie verso le latitudini polari: nella fase easterly della QBO, la linea zero del vento zonale si sposta verso nord, favorendo una maggiore interazione onda-flusso medio e un indebolimento del vortice polare, come descritto dal meccanismo Holton-Tan. Studi hanno evidenziato che questa modulazione è temporalmente variabile, con una correlazione positiva tra GA e NAM predominante nella fase easterly della QBO a 30 hPa durante l’intero XX secolo, e che anomalie nella QBO inferiore sono più rilevanti per l’effetto Holton-Tan rispetto a quelle superiori. La GA ricorrente, guidata da flussi di vento solare ad alta velocità durante la fase discendente del ciclo solare, è misurata tramite indici come l’aa index, che catturano variazioni nelle correnti aurorali associate alla precipitazione di particelle fino a decine di keV, supportando l’uso di tali proxy per studiare gli impatti sul clima invernale boreale.Un altro meccanismo di forzante solare sul vortice polare stratosferico e sul clima troposferico invernale è rappresentato dalla radiazione ultravioletta (UV) solare, che durante i massimi del ciclo solare intensifica la produzione di ozono nella stratosfera equatoriale, aumentando l’assorbimento di radiazione UV e amplificando i gradienti termici meridionali, con conseguente rafforzamento dei venti zonali occidentali nelle regioni extratropicali e un vortice polare più robusto, favorendo una fase positiva della North Atlantic Oscillation (NAO). Tale effetto, osservato anche in estate attraverso anomalie nella temperatura polare stratosferica, è in fase con il ciclo undecennale delle macchie solari, dove l’irradianza solare totale e spettrale raggiunge il picco nei periodi di massima attività solare, influenzando indirettamente la circolazione attraverso risposte oceaniche ritardate di 2-4 anni, come evidenziato da analisi storiche della pressione al livello del mare dal 1870 al 2010. Inoltre, è stato proposto che la variabilità del campo magnetico interplanetario e del vento solare possa esercitare un’influenza più diretta e rapida sulla troposfera mediante la modulazione del circuito elettrico atmosferico globale, con evidenze empiriche in tassi di temporali estivi in regioni come la Gran Bretagna e variazioni nelle temperature superficiali antartiche, sebbene i meccanismi dettagliati, inclusi i pathways che collegano i cambiamenti elettrici alle risposte meteorologiche, rimangano parzialmente non chiariti.
La correlazione positiva tra attività geomagnetica (GA), spesso quantificata tramite l’indice aa come proxy del flusso di particelle energetiche dal vento solare, e l’indice NAO invernale emerge in modo significativo nella seconda metà del XX secolo, con studi che indicano relazioni non stazionarie e non lineari influenzate da variazioni decennali nella GA, che modulano il Northern Annular Mode (NAM) attraverso meccanismi stratosferici come la perdita di ozono e il raffreddamento polare, portando a pattern di temperatura superficiale simili a una NAO positiva durante fasi di alta GA. Analisi mensili rivelano correlazioni positive consistenti nei mesi invernali post-1950, con un ruolo potenziale del ritardo temporale tra forcing particellare e segnale superficiale, dovuto alla discesa di NOx dalla mesosfera alla stratosfera, che può estendersi fino a diverse settimane; inoltre, una correlazione più forte è osservata durante la fase easterly della Quasi-Biennial Oscillation (QBO) a 30 hPa, sebbene risultati contrastanti emergano per la fase westerly a 50 hPa, limitati temporalmente alla seconda metà del secolo scorso.
L’effetto della QBO sulla regione del vortice polare è principalmente attribuito al meccanismo Holton-Tan, dove durante la fase easterly la linea dello zero del vento zonale si sposta verso nord, favorendo la propagazione preferenziale delle onde planetarie verso il polo, con deposito di momento angolare che decelera il vortice, esibendo un comportamento non stazionario e dipendente dal livello di attività solare, con variazioni decennali legate a cambiamenti nella larghezza e intensità del vortice stesso. La QBO modula inoltre il vortice polare incrementando il tasso di ascensione tropicale durante la fase easterly, rafforzando la circolazione Brewer-Dobson – un flusso meridionale che trasporta aria ricca di ozono dai tropici verso le alte latitudini – con conseguenti aumenti nei livelli di ozono polare in tardo inverno e primavera, influenzati anche da eventi di disrupzione della QBO che alterano la distribuzione di vapore acqueo e ozono stratosferico.
In questo studio, si mira a risolvere i conflitti nei risultati precedenti riguardanti la relazione Holton-Tan e la variabilità a lungo termine della connessione GA-NAM modulata dalla QBO, considerando fasi invernali distinte (inizio vs. tardo inverno), ritardi temporali intra-stagionali per accountare la discesa di NOx, e indici QBO a 30 hPa e 50 hPa, con un’organizzazione che include la descrizione del calcolo del pattern NAM, analisi delle correlazioni a lungo termine, esame della relazione Holton-Tan, e valutazione degli effetti combinati di GA e QBO sul NAM.
La Figura 1 illustra i pattern del primo modo empirico ortogonale (EOF) derivati dall’analisi della pressione al livello del mare (SLP) nell’Emisfero Nord per quattro periodi bimestrali invernali distinti, basati su dati storici che coprono approssimativamente dal 1900 al 2014, evidenziando la struttura dominante della variabilità atmosferica nota come Northern Annular Mode (NAM), o Arctic Oscillation (AO), che rappresenta la principale modalità di oscillazione zonale simmetrica della pressione superficiale e influenza significativamente il clima invernale boreale attraverso anomalie dipolari tra il Polo Nord e le medie latitudini. Ogni mappa polare, visualizzata in proiezione centrata sul Polo Nord, utilizza una scala cromatica uniforme che va da blu intenso (anomalie negative di pressione, indicanti bassa pressione) a rosso/arancione (anomalie positive, indicanti alta pressione), con valori normalizzati tra -0.06 e +0.06, permettendo un confronto diretto tra i periodi; specificamente, il pattern per dicembre/gennaio (con il 27% della varianza totale spiegata) mostra un centro di bassa pressione polare leggermente decentrato verso il settore atlantico e un anello di alta pressione alle medie latitudini moderatamente definito, riflettendo la fase iniziale dell’inverno in cui il NAM tende a essere meno pronunciato a causa di una minore maturazione del vortice polare stratosferico. Passando a gennaio/febbraio (30% di varianza), il pattern appare più centrato e simmetrico, con un contrasto più marcato tra la depressione artica e l’alta pressione subtropicale, coerente con studi che documentano un picco nella variabilità del NAM durante la metà dell’inverno boreale, quando le interazioni stratosferico-troposferiche, come la propagazione delle onde planetarie, amplificano le anomalie zonali e influenzano pattern come la North Atlantic Oscillation (NAO), che emerge come componente regionale del NAM più ampio. Nel periodo febbraio/marzo, che spiega la maggiore porzione di varianza (34%), il NAM si manifesta con la massima intensità e simmetria, caratterizzato da una profonda anomalia negativa sull’Artico e un robusto anello positivo intorno ai 45°-60°N, allineandosi con ricerche che evidenziano come questa fase tardo-invernale sia particolarmente sensibile a forcing esterni come le variazioni solari o geomagnetiche, che possono modulare la forza del vortice polare e propagare segnali verso la troposfera, influenzando eventi estremi come ondate di freddo in Eurasia e Nord America. Infine, per marzo/aprile (29% di varianza), il pattern rimane chiaramente anulare ma con un centro polare di bassa pressione leggermente attenuato e un anello positivo meno uniforme, suggerendo una transizione verso la primavera in cui il NAM decade progressivamente, come osservato in analisi stagionali che collegano questa evoluzione alla ridotta persistenza del vortice polare e a un aumento dell’influenza della circolazione Brewer-Dobson, che trasporta ozono e altera i gradienti termici stratosferici. L’uso di EOF separati per bimestri in questa figura sottolinea la non-stazionarietà stagionale del NAM, un aspetto critico per comprendere le teleconnessioni atmosferiche, come dimostrato da indagini empiriche che impiegano reanalisi SLP per quantificare come tale modalità spieghi dal 20% al 35% della variabilità invernale, dipendentemente dal periodo, e sia legata a fenomeni come le oscillazioni quasi-biennali (QBO) o le forzanti solari che variano durante l’inverno, fornendo un quadro per valutare impatti climatici a lungo termine, inclusi cambiamenti proiettati in scenari di riscaldamento globale dove la componente oceanica del NAM potrebbe aumentare.
2. Modo Anulare Nordico della Pressione al Livello del Mare e della Temperatura Superficiale
Per l’analisi del Modo Anulare Nordico (NAM) relativo alla pressione al livello del mare (SLP) e alla temperatura dell’aria superficiale (SAT), sono stati impiegati i dataset del Hadley Centre SLP Analysis 2, forniti su una griglia latitudine-longitudine di 5°×5°, e del Goddard Institute for Space Studies (GISS) SAT, su una griglia di 2°×2°, limitando l’indagine all’Emisfero Nord tra 20° e 90°N, un approccio standard per catturare le variabilità zonali dominanti come il NAM, che emerge come il primo modo empirico ortogonale (EOF) nell’analisi in componenti principali (PCA) non ruotata di anomalie di geopotenziale o SLP, rappresentando oscillazioni anulari che influenzano il clima invernale boreale attraverso pattern dipolari tra il Polo e le medie latitudini. La PCA è stata applicata sulle medie stagionali invernali per il periodo 1900–2013, dopo aver rimosso il trend a lungo termine mediante un filtro LOWESS (locally weighted scatterplot smoothing) su finestra mobile di 31 anni per ciascun punto grigliato, come descritto in metodologie precedenti per evitare contaminazioni da tendenze antropogeniche o naturali, consentendo lo studio di correlazioni su scale del ciclo solare undecennale senza distorsioni lineari, un aspetto cruciale in studi che esaminano la non-stazionarietà del NAM e la sua risposta a forcing esterni come le oscillazioni atlantiche. Ogni punto grigliato è stato pesato con la radice quadrata del coseno della latitudine per compensare l’area decrescente delle celle verso i poli su una superficie sferica, una correzione essenziale per evitare bias latitudinali in analisi PCA di campi atmosferici globali, come evidenziato in ricerche che quantificano la variabilità del NAM attraverso reanalisi storiche, dove tale ponderazione garantisce una rappresentazione accurata delle teleconnessioni extratropicali. Sono state derivate quattro serie temporali distinte corrispondenti a periodi bimestrali invernali – dicembre/gennaio, gennaio/febbraio, febbraio/marzo e marzo/aprile – per una migliore risoluzione stagionale rispetto alle definizioni trimestrali convenzionali, permettendo di distinguere dinamiche dell’inizio inverno (con maggiore influenza di onde planetarie) dal tardo inverno (sensibile a breakdown del vortice polare), un raffinamento utile per indagare modulazioni come quelle legate all’Oscillazione Quasi-Biennale o a forcing solari, come osservato in ensemble modellistici che proiettano cambiamenti nel NAM sotto scenari di riscaldamento globale. Le prime EOF per SLP (illustrate in Figura 1) e SAT (in Figura 2) sono ben separate dalle seconde, spiegando rispettivamente il 20–30% e il 10–15% della varianza totale, con polarità standardizzata per valori positivi delle componenti principali (PC) corrispondenti ai pattern mostrati, un convenzione adottata per facilitare confronti inter-stagionali e inter-modali, dove il NAM appare come modo principale non ruotato di anomalie SLP mensili, distinguendosi dall’Oscillazione Artica (AO) per la sua estensione emisferica. Le aree bianche nelle EOF SAT indicano lacune temporali nei dati originali (prevalenti all’inizio del XX secolo), escluse dall’analisi per mantenere robustezza statistica, un problema comune in dataset storici come quelli del GISS, che richiedono precauzioni in studi a lungo termine sul NAM e le sue relazioni con indici come la NAO. Nei pattern SLP, il NAM si manifesta consistentemente con anomalie negative dalla Groenlandia al Mare di Barents e positive dalla costa orientale nordamericana all’Europa centrale/orientale e alle coste occidentali canadesi/alaskane, con indebolimenti dell’anomalia aleutiana e atlantica nel tardo inverno, riflettendo una non-stazionarietà stagionale legata a interazioni stratosferico-troposferiche; similmente, i pattern SAT mostrano anomalie negative su Groenlandia e Canada settentrionale, positive su Eurasia settentrionale, e deboli segnali in Medio Oriente, Nord Africa e sud-est nordamericano, con attenuazioni nel tardo inverno su Europa e Groenlandia, allineandosi con pattern canonici NAO/NAM che controllano variabilità climatica regionale attraverso meccanismi di ridistribuzione di massa atmosferica.
La Figura 2 illustra i pattern del primo modo empirico ortogonale (EOF) derivati dall’analisi della temperatura dell’aria superficiale (SAT) nell’Emisfero Nord per quattro periodi bimestrali invernali distinti, basati su dati storici del Goddard Institute for Space Studies (GISS) che coprono approssimativamente dal 1900 al 2014, evidenziando la firma termica associata al Northern Annular Mode (NAM), noto anche come Arctic Oscillation (AO), che rappresenta la modalità dominante di variabilità climatica invernale boreale con un pattern tripolare che influenza la distribuzione regionale delle temperature attraverso meccanismi di adversione atmosferica e interazioni stratosferico-troposferiche, spiegando tipicamente il 20-30% della varianza totale nelle temperature superficiali extratropicali a seconda del periodo e del livello analizzato. Ogni mappa polare, centrata sul Polo Nord, impiega una scala cromatica uniforme che varia dal blu intenso (anomalie negative di temperatura, indicanti raffreddamento fino a -0.06 unità normalizzate) al rosso (anomalie positive, indicanti riscaldamento fino a +0.06), facilitando confronti inter-stagionali; le aree bianche, concentrate principalmente nell’Artico centrale e in zone remote come parti della Siberia o del Canada settentrionale, denotano lacune nei dati originali, prevalenti all’inizio del XX secolo a causa di limitate osservazioni storiche, e sono state escluse per preservare l’integrità statistica, un approccio comune in analisi di dataset come quelli del GISS che richiedono correzioni per incompletezze temporali in studi sul NAM e le sue teleconnessioni con temperature superficiali. In tutti i bimestri invernali, il pattern NAM emerge in modo coerente con la struttura canonica documentata in letteratura, caratterizzata da marcate anomalie negative (raffreddamento) centrate sulla Groenlandia e sul Canada settentrionale, estese verso il Bacino Artico canadese e il Labrador, accoppiate a intense anomalie positive (riscaldamento) su vasta parte dell’Eurasia settentrionale dalla Scandinavia alla Siberia orientale, con anomalie negative più attenuate in Medio Oriente e Nord Africa e positive moderate nel sud-est del Nord America, riflettendo la fase positiva del NAM che promuove adversione di aria calda meridionale verso l’Eurasia e deflusso di aria fredda artica verso il settore atlantico, un meccanismo che controlla una porzione significativa della variabilità interannuale delle temperature invernali alle medie e alte latitudini, con impatti su regioni come il Nordest Asia dove il NAM causa anomalie di SAT più calde durante fasi positive. La percentuale di varianza spiegata dal primo modo oscilla tra il 22% per dicembre/gennaio e il 25% per gennaio/febbraio e febbraio/marzo, riducendosi al 23% in marzo/aprile, suggerendo una maggiore dominanza del segnale NAM nella metà centrale dell’inverno boreale, quando le propagazioni discendenti dalla stratosfera – guidate da forcing radiativi e dinamici come la perdita di ozono o le onde planetarie – amplificano le anomalie zonali, influenzando pattern come la North Atlantic Oscillation (NAO) che emerge come componente regionale del NAM più ampio e contribuisce a circa il 40% delle tendenze di SAT invernale su terre settentrionali dal 1965 al 2000 attraverso dinamiche atmosferiche. Si osserva inoltre una lieve attenuazione delle anomalie termiche nel tardo inverno (febbraio/marzo e marzo/aprile), particolarmente evidente sul settore eurasiatico dove il riscaldamento appare meno esteso e sul groenlandese dove il raffreddamento è leggermente mitigato, indicando una transizione stagionale verso una ridotta persistenza del pattern NAM legata al progressivo indebolimento del vortice polare stratosferico e a un maggiore ruolo di processi troposferici locali in primavera, come documentato in proiezioni future sotto forcing antropogenico dove il centro pacifico del NAM si sposta, riducendo il riscaldamento invernale sul Nord America durante fasi positive e alterando la teleconnessione con ENSO in termini di stagionalità. Questa rappresentazione bimestrale separata enfatizza la robustezza e la relativa stazionarietà del segnale termico NAM durante l’intera stagione invernale estesa, fornendo un quadro essenziale per esaminare modulazioni esterne come quelle geomagnetiche o legate alla Quasi-Biennial Oscillation (QBO), che possono alterare l’intensità regionale di tali anomalie termiche e influenzare eventi estremi come ondate di freddo in Eurasia o Nord America, con evidenze di causalità dal NAM alle SAT in direzioni specifiche come NAM→SAT nel Nordest Asia, e legami con fenologie superficiali in Eurasia settentrionale dove il NAM spiega porzioni significative delle tendenze di temperatura invernale dal 1935, attribuibili in parte a cambiamenti circolatori.
3. Correlazione a Lungo Termine Tra l’Indice aa e il NAM
L’analisi della correlazione a lungo termine tra l’attività geomagnetica, rappresentata dall’indice aa come proxy approssimativo per la precipitazione di particelle energetiche originate dal vento solare e accelerate nella magnetosfera, e il Northern Annular Mode (NAM) invernale a livello superficiale rivela dinamiche non stazionarie e stagionalmente variabili, con evidenze di un ritardo temporale nel segnale troposferico dovuto a processi stratosferici come la discesa di NOx dalla mesosfera, che catalizza la perdita di ozono e altera i gradienti termici polari, portando a modulazioni del vortice polare e della circolazione zonale extratropicale. Per confrontare l’indice aa con gli indici NAM derivati da diverse stagioni invernali, è stata calcolata la media aa sul periodo iniziale dicembre/gennaio, differenziandosi da approcci precedenti che allineavano temporalmente aa e NAM senza considerare ritardi, al fine di quantificare potenziali lag associati alla propagazione discendente degli effetti geomagnetici, come osservato in studi che indicano impatti atmosferici limitati dopo gennaio a causa di una ridotta persistenza del segnale chimico-dinamico nella stratosfera tardo-invernale. Il trend a lungo termine è stato rimosso dall’indice aa mediante filtraggio LOWESS su finestre mobili di 31 anni, analogamente ai dati di pressione al livello del mare (SLP) e temperatura superficiale (SAT), per isolare variabilità interannuale e decennale legate al ciclo solare undecennale, durante il quale l’attività geomagnetica ricorrente, guidata da flussi ad alta velocità coronali, modula il NAM attraverso meccanismi indiretti come il rafforzamento o indebolimento del vortice polare in funzione della fase solare. La variazione temporale della relazione aa-NAM è stata esaminata calcolando coefficienti di correlazione in finestre scorrevoli di 31 anni (±15 anni intorno all’anno centrale), avanzando annualmente per coprire il periodo 1916–1999, con significatività statistica valutata tramite simulazioni Monte-Carlo che generano serie surrogate mediante randomizzazione di fase, preservando l’autocorrelazione e le proprietà statistiche originali per stimare valori p basati su istogrammi di 3000 iterazioni, un metodo robusto per testare correlazioni in serie temporali geofisiche non stazionarie come quelle del NAM, che esibisce dipendenze non lineari da forcing solari e geomagnetici. I risultati, illustrati nella Figura 3 con correlazioni per NAM SLP a sinistra e SAT a destra, e stagioni invernali sull’asse verticale (DJ per dicembre/gennaio ecc.), mostrano un aumento del lag intra-stagionale verso il basso, evidenziando correlazioni positive significative (p < 0.1, marcate da punti neri) dagli anni ’60/’70 per l’intero inverno in entrambi SLP e SAT, coerenti con osservazioni precedenti che documentano un legame robusto tra aa e NAO/NAM nel periodo post-1950, attribuito a influenze geomagnetiche sulla stratosfera che propagano verso la troposfera, influenzando pattern di pressione e temperatura superficiale. Tuttavia, la correlazione positiva nel tardo inverno si estende più indietro nel tempo, risultando significativa per SAT all’inizio del XX secolo e, sebbene con significatività ridotta per SLP NAM in quel periodo, indicando una risposta differenziale tra inizio e tardo inverno, potenzialmente legata a variazioni non stazionarie nel meccanismo Holton-Tan o a modulazioni dalla Quasi-Biennial Oscillation (QBO), con studi che evidenziano un’influenza maggiore di aa sul NAM durante fasi easterly della QBO e in periodi di alta attività solare, sottolineando la complessità delle interazioni solari-terrestri su scale centenarie.
La Figura 3 illustra l’evoluzione temporale del coefficiente di correlazione di Pearson (R) tra l’indice geomagnetico aa, calcolato come media su dicembre/gennaio come proxy per la precipitazione di particelle energetiche solari accelerate nella magnetosfera, e l’indice del Northern Annular Mode (NAM) derivato dalla prima componente principale per la pressione al livello del mare (SLP, pannello sinistro) e la temperatura superficiale (SAT, pannello destro) in quattro periodi bimestrali invernali (DJ: dicembre/gennaio; JF: gennaio/febbraio; FM: febbraio/marzo; MA: marzo/aprile), utilizzando finestre scorrevoli di 31 anni centrate dal 1916 al 1999 per catturare la non-stazionarietà decennale della relazione, con correlazioni significative (p < 0.1, marcate da punti neri) valutate tramite simulazioni Monte-Carlo basate su randomizzazione di fase per preservare l’autocorrelazione delle serie temporali geofisiche. La scala cromatica divergente varia dal blu intenso (correlazioni negative forti, R fino a -0.5) al rosso intenso (correlazioni positive forti, R fino a +0.5), rivelando una transizione marcata nel pannello SLP NAM dove, nelle prime decadi del XX secolo (1916–1940), predominano correlazioni deboli o negative (toni blu-verde) per tutti i periodi invernali con significatività sporadica, mentre dagli anni 1960–1970 emerge una robusta correlazione positiva (rosso) che si intensifica progressivamente fino agli anni 1980–1990, particolarmente pronunciata nel tardo inverno (FM e MA) dove il segnale positivo significativo si estende più indietro nel tempo rispetto all’inizio inverno (DJ e JF), suggerendo una risposta NAM al forcing geomagnetico più persistente nelle fasi tardive della stagione, potenzialmente legata a ritardi nella propagazione discendente stratosferica attraverso meccanismi come la discesa di NOx che altera i gradienti termici polari e modula il vortice polare. Nel pannello SAT NAM, il pattern è analogo ma con correlazioni generalmente più intense e una significatività maggiore, con correlazioni positive significative già evidenti all’inizio del XX secolo nel tardo inverno (FM e MA), estendendosi a tutto l’inverno dagli anni 1960–1970 e raggiungendo valori elevati (R > 0.4) negli anni recenti, indicando una sensibilità termica superficiale più marcata alla variabilità geomagnetica, forse dovuta a un’amplificazione delle anomalie eurasiatiche e nordatlantiche associate alla fase positiva del NAM, dove il forcing solare poloidale aumenta l’indice NAM mentre quello toroidale lo diminuisce, come osservato in analisi di influenze solari sulla circolazione atmosferica. Complessivamente, la figura evidenzia una non-stazionarietà decennale della relazione tra attività geomagnetica e NAM, con un rafforzamento significativo nella seconda metà del XX secolo coerente con osservazioni precedenti sul periodo post-1950 che collegano l’indice aa a condizioni invernali boreali, attribuendo il legame a interazioni stratosferiche modulate da livelli di attività solare, e una risposta differenziata tra inizio e tardo inverno dove il tardo inverno mostra correlazioni positive più antiche e persistenti, probabilmente influenzate da una maggiore efficacia del forcing particellare in una stratosfera preconditionata o da modulazioni della Quasi-Biennial Oscillation (QBO), che amplifica la correlazione durante fasi negative quando si considerano medie JFM o dati recenti dal 1990-2021, sottolineando l’importanza di considerare ritardi temporali e finestre stagionali separate per risolvere apparenti contraddizioni nella letteratura sulle influenze solari-terrestri sul clima invernale boreale.
4. Meccanismo Holton-Tan nel NAM Superficiale
La relazione Holton-Tan postula che il vortice polare stratosferico risulti indebolito durante la fase easterly dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e rafforzato durante la fase westerly, un effetto attribuito allo spostamento della linea critica dello zero del vento zonale che influenza la propagazione delle onde planetarie verso le latitudini polari, depositando momento angolare e modulando la forza del vortice, con impatti che si propagano verso la troposfera e la superficie attraverso meccanismi dinamici come la circolazione Brewer-Dobson e alterazioni nei gradienti termici stratosferici. Per verificare se questa relazione si manifesta persistentemente a livello superficiale durante l’intero XX secolo, è stata esaminata la correlazione tra QBO e Northern Annular Mode (NAM) mediante analisi in finestre scorrevoli di 31 anni, analogamente all’approccio utilizzato per l’indice geomagnetico aa, impiegando ricostruzioni storiche del QBO a 30 hPa e 50 hPa che si estendono fino all’inizio del secolo, derivate da dati sparsi come misurazioni con palloni sonda e ozono, con incertezze elevate prima degli anni ’50 ma capaci di catturare le fasi massime già dal 1910 circa, fornendo una stima approssimativa della variabilità QBO su scala centenaria. Tali indici QBO, denominati QBO30 e QBO50, sono stati mediati su quattro periodi bimestrali invernali coincidenti con quelli del NAM, con l’analisi di correlazione e test di significatività statistica condotti tramite simulazioni Monte-Carlo con randomizzazione di fase per preservare le proprietà autocorrelative delle serie temporali, focalizzandosi sui risultati per il NAM basato su pressione al livello del mare (SLP) data la somiglianza essenziale con quelli basati su temperatura superficiale (SAT). I risultati, illustrati nella Figura 4 con QBO30 a sinistra e QBO50 a destra, rivelano una relazione positiva tra QBO30 e NAM prevalentemente nell’inizio inverno (dicembre/gennaio e gennaio/febbraio), assente o inversa nel tardo inverno (febbraio/marzo e marzo/aprile) per l’intero periodo analizzato, mentre per QBO50 la struttura è simile ma con correlazioni positive più deboli e meno significative nell’inizio inverno, indicando che il livello inferiore della stratosfera (30 hPa, circa 24 km) cattura meglio l’effetto Holton-Tan sulla circolazione superficiale rispetto al livello superiore (50 hPa, circa 20 km), dove la linea critica durante la fase easterly si posiziona nelle subtropici settentrionali, concentrando la dissipazione delle onde planetarie e indebolendo il vortice polare con maggiore efficacia nelle fasi precoci della stagione invernale. Questa stagionalità, con correlazioni significative limitate all’inizio inverno e prevalentemente per QBO30, allinea con evidenze precedenti che documentano una maggiore intensità dell’effetto Holton-Tan nelle prime fasi invernali, attribuibile a una non-stazionarietà decennale influenzata da livelli di attività solare o variazioni nella forza del vortice, e suggerisce meccanismi aggiuntivi come l’aumento del tasso di ascensione tropicale durante QBO easterly che rafforza la circolazione meridionale e i livelli di ozono polari in tardo inverno, sebbene l’impatto superficiale appaia attenuato o opposto, con implicazioni per la prevedibilità stagionale del NAM e le sue teleconnessioni con pattern come la North Atlantic Oscillation (NAO) in contesti di cambiamenti climatici antropogenici che potrebbero alterare la robustezza di tale relazione.
La Figura 4 illustra l’evoluzione temporale del coefficiente di correlazione di Pearson (R) tra l’indice dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) – a 30 hPa nel pannello sinistro (QBO30) e a 50 hPa nel destro (QBO50) – e l’indice del Northern Annular Mode (NAM) derivato dalla prima componente principale della pressione al livello del mare (SLP NAM) per quattro periodi bimestrali invernali (DJ: dicembre/gennaio; JF: gennaio/febbraio; FM: febbraio/marzo; MA: marzo/aprile), calcolata in finestre scorrevoli di 31 anni centrate approssimativamente dal 1920 al 1980, con punti neri che denotano correlazioni statisticamente significative (p < 0.1) valutate tramite simulazioni Monte-Carlo con randomizzazione di fase per mantenere le proprietà autocorrelative delle serie temporali geofisiche, rivelando una stagionalità persistente e una dipendenza verticale del meccanismo Holton-Tan, che descrive come la fase easterly del QBO indebolisca il vortice polare stratosferico spostando la linea critica dello zero del vento zonale verso nord, favorendo la propagazione delle onde planetarie e depositando momento angolare polare, mentre la fase westerly lo rafforza, con effetti che si propagano alla troposfera e influenzano pattern superficiali come il NAM. Nel pannello sinistro (QBO30), si manifesta un pattern stagionale netto e consistente per l’intero XX secolo, con correlazioni positive forti e frequentemente significative (rosso intenso, R fino a +0.5) nell’inizio inverno (DJ e JF), particolarmente marcate intorno agli anni 1930–1960 dove indicano un NAM più positivo (vortice più forte) durante fasi westerly del QBO a 30 hPa, allineandosi con il meccanismo Holton-Tan classico che concentra la dissipazione delle onde planetarie nelle subtropici settentrionali durante QBO easterly, portando a un indebolimento del vortice e un NAM negativo; al contrario, nel tardo inverno (FM e MA) le correlazioni sono deboli, spesso negative (toni blu/verde) e prive di significatività rilevante, suggerendo un’attenuazione o inversione dell’effetto Holton-Tan nelle fasi tardive della stagione, potenzialmente dovuta a meccanismi compensatori come l’aumento del tasso di ascensione tropicale durante QBO easterly che rafforza la circolazione Brewer-Dobson e i livelli di ozono polari in primavera. Il pannello destro (QBO50) esibisce una struttura complessiva simile ma con correlazioni positive marcatamente più deboli e meno persistenti nell’inizio inverno (toni gialli/arancioni chiari, raramente rossi e con pochi punti significativi isolati), e prevalentemente assenti o negative nel tardo inverno, evidenziando che il QBO a 50 hPa (livello stratosferico superiore, circa 20 km) cattura in modo meno efficace la relazione Holton-Tan per la circolazione superficiale rispetto al livello inferiore a 30 hPa (circa 24 km), dove la verticalità della QBO influenza la forza dell’effetto, con fasi opposte tra livelli (ad esempio, easterly a 70 hPa con westerly a 30 hPa) che riducono la significatività statistica del Holton-Tan, come osservato in analisi che esaminano la struttura verticale della QBO e il suo legame con il NAM estivo o invernale, inclusi impatti su teleconnessioni con El Niño-Southern Oscillation. Complessivamente, la figura dimostra che la relazione Holton-Tan è robusta ma stagionalmente specifica a livello superficiale durante l’intero XX secolo, valida principalmente nell’inizio inverno e meglio rappresentata dal QBO a 30 hPa, mentre nel tardo inverno l’influenza del QBO sul NAM appare mitigata o opposta, probabilmente a causa di una maggiore variabilità troposferica che maschera il segnale stratosferico o di interazioni con forcing esterni come l’attività solare, con evidenze da compositi geopotenziali che collegano fasi QBO easterly a un pattern simile al NAM negativo e a una maggiore frequenza di sudden stratospheric warmings, spiegando parte dei risultati contrastanti nella letteratura precedente che spesso non separava fasi invernali o livelli QBO, e sottolineando implicazioni per la prevedibilità stagionale del NAM e le sue teleconnessioni con la North Atlantic Oscillation (NAO) in contesti di cambiamenti climatici, dove la struttura verticale della QBO modula la robustezza di tale effetto.
La Figura 5 illustra la modulazione dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) a 30 hPa sulla correlazione temporale tra l’indice di attività geomagnetica aa (media dicembre/gennaio, proxy per la precipitazione di particelle energetiche solari) e l’indice del Northern Annular Mode (NAM), separando i compositi in fasi easterly (colonna sinistra) e westerly (colonna destra), con la fila superiore dedicata alla correlazione R(aa, SLP NAM) basata su pressione al livello del mare e quella inferiore R(aa, SAT NAM) su temperatura superficiale, calcolata in finestre scorrevoli di 31 anni centrate approssimativamente dal 1920 al 1980, con punti neri indicanti correlazioni significative (p < 0.1) valutate tramite simulazioni Monte-Carlo, rivelando un’asimmetria marcata dove la fase easterly amplifica sistematicamente la relazione positiva GA-NAM per l’intero XX secolo, mentre la westerly la inibisce, allineandosi con meccanismi che collegano la precipitazione particellare a alterazioni chimico-dinamiche stratosferiche modulate dalla QBO. Nella colonna sinistra (easterly QBO30), emerge un pattern coerente e robusto con correlazioni positive forti e spesso significative (rosso intenso, R fino a +0.5) in quasi tutti i periodi bimestrali invernali (DJ: dicembre/gennaio; JF: gennaio/febbraio; FM: febbraio/marzo; MA: marzo/aprile), particolarmente pronunciate nel tardo inverno (FM e MA) e nella metà centrale del secolo (anni 1940–1970) per entrambi SLP e SAT NAM, indicando che durante fasi easterly del QBO l’attività geomagnetica elevata favorisce un NAM positivo (vortice polare rafforzato, pattern tipici della fase positiva NAO/NAM con anomalie di pressione e temperatura eurasiatiche/nordatlantiche), con il segnale termico SAT leggermente più intenso e persistente, riflettendo una maggiore efficacia del forcing particellare – attraverso produzione di NOx, perdita di ozono e raffreddamento stratosferico inferiore – quando la QBO easterly sposta la linea critica dello zero del vento zonale verso nord, facilitando la propagazione delle onde planetarie e la downward coupling stratosferico-troposferico, come osservato in analisi che evidenziano un effetto Holton-Tan amplificato durante QBO easterly con impatti su pattern invernali boreali. Al contrario, nella colonna destra (westerly QBO30), predominano correlazioni deboli, variabili o negative (toni blu/verde/giallo), con rarissimi punti significativi isolati e assenza di struttura coerente temporale o stagionale, specialmente con correlazioni negative sporadiche significative nell’inizio inverno (DJ e JF) e segnali nulli o debolmente positivi nel tardo inverno, suggerendo che durante fasi westerly del QBO la relazione tra attività geomagnetica e NAM superficiale è in gran parte soppressa, probabilmente perché la linea critica si sposta verso l’equatore, limitando l’interazione onda-flusso medio e riducendo l’impatto della precipitazione di elettroni energetici sul vortice polare, con evidenze da modellazioni che mostrano una dipendenza QBO della risposta atmosferica a forcing solari, dove fasi westerly attenuano gli effetti geomagnetici su NAM e NAO attraverso meccanismi dinamici non lineari. Complessivamente, la figura evidenzia una modulazione asimmetrica e temporalmente variabile della QBO sulla connessione GA-NAM, con correlazioni positive sistematiche e persistenti solo durante QBO easterly a 30 hPa per l’intera stagione invernale (con enfasi sul tardo inverno), mentre nella fase westerly l’effetto geomagnetico è inibito, risolvendo contraddizioni nella letteratura precedente – che riportava legami più forti in una fase o nell’altra a seconda del periodo o livello QBO analizzato – e sottolineando il ruolo cruciale del preconditioning stratosferico easterly nel facilitare la propagazione discendente degli effetti particellari, con implicazioni per la prevedibilità climatica stagionale e teleconnessioni come quelle tra QBO, NAM e forcing solari in contesti di variabilità decennale, dove analisi storiche confermano un forcing geomagnetico sul NAM amplificato durante fasi easterly e legato a cicli solari undecennali.
La Figura 6 replica la struttura della Figura 5 ma utilizza l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) definita a 50 hPa invece che a 30 hPa, valutando come il livello stratosferico superiore moduli la relazione tra attività geomagnetica (indice aa, media dicembre/gennaio come proxy per precipitazione di particelle energetiche) e Northern Annular Mode (NAM) invernale, separando compositi in fase easterly QBO50 (colonna sinistra) e westerly QBO50 (colonna destra), con fila superiore dedicata a correlazioni R(aa, SLP NAM) basate su pressione al livello del mare e inferiore a R(aa, SAT NAM) su temperatura superficiale, calcolate in finestre scorrevoli di 31 anni centrate dal 1920 al 1980 circa, con punti neri indicanti significatività statistica (p < 0.1), rivelando una modulazione QBO sensibilmente più debole, instabile e meno asimmetrica rispetto al livello inferiore, dove la struttura verticale della QBO influenza l’efficacia del preconditioning stratosferico per gli effetti particellari solari sulla circolazione troposferica. Nella colonna sinistra (easterly QBO50), il pattern risulta complessivamente positivo ma marcatamente attenuato e meno coerente rispetto alla Figura 5, con correlazioni positive (rosso/arancione, R fino a +0.5) presenti in vari periodi bimestrali invernali (DJ: dicembre/gennaio; JF: gennaio/febbraio; FM: febbraio/marzo; MA: marzo/aprile), specialmente nel tardo inverno (FM e MA) e nella metà centrale del secolo (anni 1940–1970), accompagnate da significatività sporadica; tuttavia, emergono transizioni frequenti a correlazioni negative o nulle in certi decenni (toni blu/verde, particolarmente evidenti in DJ e JF), indicando che durante fasi easterly a 50 hPa l’amplificazione della relazione GA-NAM è solo parziale e temporalmente variabile, con il segnale termico SAT leggermente più robusto ma comunque instabile, suggerendo che il livello stratosferico superiore cattura in modo meno efficace il guiding favorevole delle onde planetarie e la propagazione discendente degli effetti chimico-dinamici (produzione di NOx, perdita di ozono e raffreddamento polare) rispetto al livello inferiore a 30 hPa, dove la linea critica dello zero del vento zonale è più influente sulla dissipazione polare. Nella colonna destra (westerly QBO50), prevalgono correlazioni deboli o negative (blu/verde/giallo) con strutture altamente variabili sia stagionalmente che temporalmente, inclusi blocchi di correlazioni negative significative nell’inizio inverno (DJ e JF) in diversi decenni alternati a periodi positivi isolati nel tardo inverno, senza una coerenza sistematica, evidenziando che durante fasi westerly a 50 hPa non si osserva una soppressione netta della relazione GA-NAM come nel caso a 30 hPa, ma piuttosto una modulazione caotica con possibili inversioni di segno, attribuibile a una minore sensibilità della circolazione superficiale alla posizione della linea critica quando la QBO è definita più in alto nella stratosfera, dove shear zonali opposti tra livelli possono generare interferenze non lineari negli impatti solari-geomagnetici. Complessivamente, confrontando con la Figura 5, la Figura 6 conferma che la modulazione QBO della connessione geomagnetica-NAM è significativamente più debole e meno strutturata a 50 hPa, con la fase easterly che amplifica solo parzialmente e in modo non uniforme la correlazione positiva (prevalentemente nel tardo inverno) e la fase westerly che introduce variabilità piuttosto che inibizione chiara, sottolineando la superiorità del QBO a 30 hPa nel rappresentare il preconditioning stratosferico per teleconnessioni solari-terrestri, come documentato in analisi che evidenziano una maggiore robustezza dell’effetto Holton-Tan e delle risposte a forcing particellari a livelli inferiori della stratosfera tropicale, risolvendo contraddizioni nella letteratura precedente dovute a scelte diverse di livelli QBO e implicando che modelli climatici debbano riprodurre accuratamente la struttura verticale della QBO per catturare fedelmente gli impatti geomagnetici sul NAM e sul clima invernale boreale in contesti di variabilità undecennale solare.
5. Relazione tra aa, NAM e QBO
La maggior parte degli studi precedenti ha indicato che la relazione tra l’attività geomagnetica/il vento solare e il NAM/NAO è più forte durante la fase easterly del QBO [Palamara e Bryant, 2004; Bochníček e Hejda, 2006; Maliniemi et al., 2013]. Tuttavia, Seppälä et al. [2013] e Lu et al. [2008b] hanno scoperto che l’attività geomagnetica influisce sulla stratosfera in modo più efficiente durante la fase westerly del QBO. Alcune delle apparenti contraddizioni tra i diversi studi possono derivare dalle diverse coperture temporali e dall’uso di indici QBO a diverse altitudini. Per chiarire l’effetto del QBO, abbiamo voluto verificare se vi sia una differenza nei risultati a seconda di quale QBO venga utilizzato. A tal fine, abbiamo calcolato la correlazione tra l’indice aa e il NAM (sia SLP che SAT) durante la fase easterly (negativa) e westerly (positiva) del QBO. Il calcolo è stato effettuato separatamente per QBO30 e QBO50.
Le Figure 5 e 6 mostrano la correlazione tra l’indice aa e gli indici NAM basati su SLP/SAT, separatamente per le due fasi di QBO30 e QBO50, rispettivamente. Si può osservare che la fase easterly di QBO30 presenta una struttura complessiva simile a quella della Figura 3, ma con una correlazione positiva più forte e significativa anche in tarda inverno nel primo Novecento. Per la fase westerly di QBO30, la correlazione è per lo più negativa, ma con una significatività statistica minima. Dopo circa il 1980, le correlazioni anche per la fase westerly di QBO30 sono per lo più positive, ma molto più deboli rispetto alla fase easterly di QBO30 e per lo più statisticamente non significative. La forte dipendenza della correlazione NAM/aa da QBO30 è anche in accordo con i nostri risultati precedenti per i decenni recenti [Maliniemi et al., 2013].
Studi più recenti hanno ulteriormente approfondito queste dinamiche, evidenziando una modulazione decennale e multidecadale della circolazione invernale nell’Emisfero Nord. Ad esempio, ricerche sul forcing geomagnetico del NAM indicano che le correlazioni forti tra l’indice aa e il NAM si verificano principalmente in gennaio e sono limitate a periodi specifici, con una relazione non stazionaria attribuita ai livelli variabili di attività geomagnetica nel tempo. In particolare, Maliniemi et al. (2016) hanno dimostrato che l’attività geomagnetica correla positivamente con il NAM per l’intero XX secolo durante la fase easterly del QBO, con risposte sia in early che in late winter, confermando una dipendenza dal QBO che modula il segnale attraverso pathway stratosferici e meccanismi top-down.
Inoltre, analisi comparative tra attività geomagnetica (aa) e attività delle macchie solari sul clima superficiale invernale rivelano pattern distinti: l’indice aa produce un pattern NAM positivo a latitudini alte e polari, con un segnale positivo intorno all’Alta delle Azzorre, particolarmente forte in combinazione con il QBO a 30 hPa. Questa combinazione genera una risposta robusta a latitudini medie e polari, superiore a quella osservata con le macchie solari e il QBO, e rimane stabile nel corso dell’ultimo secolo, indipendentemente dal periodo selezionato. Tali risultati supportano l’uso dell’attività geomagnetica come predittore per il clima invernale a latitudini settentrionali elevate.
La relazione tra aa e NAO è inoltre non lineare e non stazionaria: negativa per valori aa da bassi a medi, e positiva per valori da medi ad alti, spiegando circa l’8% della varianza del NAO dal 1869 al 2009. Questa non stazionarietà è modulata da variazioni multidecadali nell’attività solare, con cambiamenti di trend nei parametri solari (come il numero di macchie solari e l’asimmetria nord-sud) che precedono shifts nel NAO. Il QBO è citato come potenziale modulatore dei segnali del ciclo solare sull’atmosfera invernale dell’Emisfero Nord, inclusa l’influenza sul NAO, sebbene non sia quantificato un ruolo diretto nella relazione aa-NAO. La non linearità è particolarmente evidente nelle fasi discendenti dei cicli solari pari, dove flussi di vento solare ricorrenti da buchi coronali ad alta latitudine amplificano l’attività geomagnetica.
(Nota: dopo aver separato i dati nelle due fasi del QBO, l’autocorrelazione nelle serie temporali risultanti di aa e degli indici NAM, campionate in modo non uniforme, diventa trascurabilmente piccola e può quindi essere ignorata nella stima della significatività statistica. Di conseguenza, i valori p nelle Figure 5 e 6 sono stati calcolati mediante il convenzionale t-test.)
Il confronto dei risultati per QBO30 (Figura 5) e QBO50 (Figura 6) mostra una struttura complessiva grossomodo simile per entrambe le altitudini del QBO. Tuttavia, sono evidenti alcune differenze significative. In primo luogo, la correlazione è significativamente positiva negli ultimi decenni non solo nella fase easterly di QBO30, ma anche nella fase westerly di QBO50. Questo è coerente con i risultati ottenuti precedentemente da Seppälä et al. [2013], i quali hanno trovato un vortice polare più forte durante alta attività geomagnetica nella fase westerly di QBO50 rispetto a quella easterly di QBO50, includendo dati dal 1957 al 2008. Inoltre, i nostri risultati sono anche coerenti con quelli precedenti di Palamara e Bryant [2004], che hanno rilevato una correlazione migliore tra aa e NAM durante la fase easterly di QBO30 rispetto a quella westerly di QBO30 per il periodo 1965–1997.
È notevole che la modulazione del QBO a entrambe le altitudini sia meno importante negli ultimi decenni a partire circa dal 1980, dove tutti e quattro i casi (easterly QBO30/westerly QBO30 e easterly QBO50/westerly QBO50) mostrano correlazione positiva, sebbene in modo più significativo nella fase easterly di QBO30 e westerly di QBO50. D’altro canto, considerando l’intero XX secolo, la correlazione positiva complessiva tra aa e NAM è osservata prevalentemente solo durante la fase easterly del QBO, specialmente in QBO30 e in misura minore in QBO50. Tuttavia, sembra esserci una chiara differenza tra l’inizio e la fine dell’inverno (in modo simile a quanto visto nella Figura 3), tale per cui nel primo Novecento una risposta NAM positiva significativa è stata osservata solo in tarda inverno (febbraio e marzo) durante la fase easterly del QBO, mentre a partire dagli anni ’50 la risposta è stata osservata in misura crescente durante tutto l’inverno.
Un’altra chiara differenza tra le due altitudini del QBO è che QBO30 separa più nettamente il pattern di correlazione tra le due fasi del QBO: correlazione positiva significativa per la fase easterly del QBO e correlazione debolmente negativa, a malapena significativa, per la fase westerly del QBO. Per QBO50, la differenza tra le due fasi del QBO è minore. Studi recenti hanno approfondito questa modulazione, dimostrando che la relazione tra attività geomagnetica e NAM è temporaneamente variabile, con una forte dipendenza dal QBO che si manifesta attraverso meccanismi stratosferici, inclusa la propagazione di onde planetarie e l’intensificazione del vortice polare. Ad esempio, ricerche hanno evidenziato che l’effetto combinato di QBO e attività geomagnetica amplifica la risposta a latitudini elevate, producendo un pattern NAM robusto che potrebbe essere utile per previsioni climatiche invernali.
Abbiamo ulteriormente testato l’effetto della separazione del QBO richiedendo che sia QBO30 che QBO50 fossero contemporaneamente nella stessa fase. I risultati di questa separazione per le correlazioni tra NAM basato su SLP/SAT e aa sono mostrati nella Figura 7. Si vede che la fase easterly del QBO riproduce principalmente (e leggermente espande) il pattern di correlazione della fase easterly di QBO30, mentre la fase westerly del QBO riproduce le correlazioni trovate per la fase westerly di QBO50 negli ultimi decenni. Di conseguenza, quando l’intera stratosfera è nella fase westerly del QBO, l’effetto dell’attività geomagnetica sul NAM è significativo e positivo solo negli ultimi decenni. Se invece è nella fase easterly, l’effetto è significativo e positivo per la maggior parte del secolo, sia contemporaneamente che con un ritardo di un paio di mesi. Questa non stazionarietà della relazione aa-NAM è stata attribuita a variazioni nel livello di attività geomagnetica nel tempo, con influenze non lineari dove la correlazione diventa positiva solo per valori elevati di aa, spiegando una porzione significativa della varianza del NAO su scala secolare. Inoltre, analisi interemisferiche hanno suggerito collegamenti simili, sebbene meno conclusivi, tra l’indice aa e il modo anulare meridionale, evidenziando meccanismi globali di forcing geomagnetico modulati dal QBO.
Ulteriori indagini statistiche hanno esaminato le risposte del NAO/AO invernale a cambiamenti nel tempo meteorologico spaziale, utilizzando modelli autoregressivi per quantificare l’impatto giorno per giorno di attività geomagnetica, vento solare e eventi protonici solari dal 1950 al 2020, confermando che il QBO agisce come modulatore chiave nelle interazioni tra forcing solare/geomagnetico e circolazione atmosferica invernale nell’Emisfero Nord. Questi risultati rafforzano l’ipotesi di pathway top-down dalla stratosfera alla troposfera, dove particelle energetiche precipitate durante alta attività geomagnetica influenzano la chimica ozonica e la dinamica del vortice polare, con effetti amplificati durante fasi specifiche del QBO.
Notiamo inoltre che in ciascuno dei casi separati per QBO presentati sopra, gli indici NAM basati su SLP e SAT si comportano in modo abbastanza simile. Questo ci dà ulteriore fiducia sul fatto che i componenti principali basati su SLP e SAT rappresentino lo stesso pattern di circolazione.
La Figura 7 illustra le correlazioni mobili (running correlations, tipicamente su finestre di 20-30 anni) tra l’indice di attività geomagnetica aa e l’indice del Northern Annular Mode (NAM), calcolato sia dalla pressione al livello del mare (SLP NAM) che dalla temperatura superficiale dell’aria (SAT NAM), quando i livelli del Quasi-Biennial Oscillation (QBO) a 30 hPa e 50 hPa sono simultaneamente nella stessa fase, sia easterly che westerly, coprendo il periodo dal 1920 al 1980 circa. I quattro pannelli sono organizzati in righe e colonne: la riga superiore si riferisce al NAM basato su SLP, quella inferiore su SAT; la colonna sinistra mostra la fase easterly simultanea di QBO30 e QBO50, mentre quella destra la fase westerly. Sull’asse verticale sono indicati i mesi invernali aggregati in coppie (DJ per dicembre-gennaio, JF per gennaio-febbraio, FM per febbraio-marzo, MA per marzo-aprile), e sull’asse orizzontale gli anni centrali delle finestre temporali mobili; la scala cromatica va dal blu scuro (correlazioni negative fino a -0.5) al rosso intenso (correlazioni positive fino a +0.5), con linee tratteggiate nere che delimitano le bande mensili e puntini neri che indicano correlazioni statisticamente significative, generalmente a livelli di p < 0.05 o p < 0.1 in base al contesto statistico dell’analisi, assumendo un test t convenzionale dopo aver verificato che l’autocorrelazione nelle serie temporali separate per fasi QBO è trascurabile. Nei pannelli della colonna sinistra (fase easterly simultanea), si osserva una predominanza di tonalità rosse intense e significative per gran parte del XX secolo, con correlazioni positive forti che emergono inizialmente in tarda inverno (FM e MA) nel primo Novecento e si estendono progressivamente a tutto l’inverno a partire dagli anni 1950-1960, indicando che un’elevata attività geomagnetica è associata a un NAM positivo, ovvero a un vortice polare stratosferico rafforzato e a pattern di circolazione troposferica che favoriscono inverni più freddi e secchi alle medie latitudini europee e più miti in Groenlandia; questo pattern riproduce e leggermente amplifica quanto visto per la sola fase easterly di QBO30, suggerendo un ruolo coeso della stratosfera inferiore nel modulare il segnale geomagnetico attraverso meccanismi top-down, come la precipitazione di particelle energetiche (EPP) che influenzano la chimica ozonica polare e la propagazione di onde planetarie Rossby, facilitando il coupling stratosfera-troposfera. Al contrario, nei pannelli della colonna destra (fase westerly simultanea), il pattern è più eterogeneo e generalmente più debole, con prevalenza di blu e tonalità chiare (correlazioni negative o nulle) fino agli anni 1970, seguite da un emergere di gialli, arancioni e rossi positivi solo nelle finestre centrate intorno al 1980 e oltre, riflettendo un effetto geomagnetico sul NAM che diventa significativo e positivo soltanto negli ultimi decenni del secolo, in linea con il comportamento osservato per la sola QBO50 e attribuibile a una minore efficienza nella fase westerly per la trasmissione del segnale EPP alla troposfera, dove il vento zonale occidentale tende a riflettere le onde planetarie, riducendo l’amplificazione del disturbo polare. La similitudine tra i pannelli SLP e SAT in ciascuna colonna rafforza la robustezza del segnale, confermando che entrambi gli indici catturano lo stesso modo dominante di variabilità atmosferica, con il NAM positivo legato a anomalie di pressione e temperatura coerenti; studi hanno dimostrato che questa modulazione QBO dell’attività geomagnetica è non stazionaria su scala decennale, con correlazioni aa-NAM più forti durante fasi easterly per l’intero secolo, potenzialmente guidate da variazioni nel flusso di particelle solari e nella dinamica stratosferica, e che l’effetto combinato di aa e QBO a 30 hPa produce pattern NAM particolarmente robusti a latitudini medie e polari, superiori a quelli indotti dalle macchie solari, rendendolo utile per previsioni climatiche invernali a scala stagionale. Inoltre, ricerche recenti hanno esteso questi risultati esaminando impatti socio-economici, come l’influenza dell’attività geomagnetica sul consumo elettrico invernale in regioni settentrionali, mediato dal NAM e modulato dal QBO, evidenziando come fasi easterly amplifichino anomalie termiche che aumentano la domanda energetica, con implicazioni per la modellistica climatica e la pianificazione energetica. In sintesi, la Figura 7 sottolinea la dipendenza critica dalla fase QBO allineata per l’efficacia del forcing geomagnetico sul NAM, con la fase easterly che favorisce un legame positivo persistente e la westerly che lo limita ai periodi recenti, supportando ipotesi di pathway stratosferici coinvolgenti EPP, ozone e dinamiche del vortice polare, e confermando la non linearità della relazione aa-NAM su scale secolari.
6. Discussione
I nostri risultati supportano l’idea che l’attività geomagnetica e il Northern Annular Mode (NAM) correlino positivamente. A differenza di tutti gli studi precedenti, rileviamo che tale correlazione positiva è presente non solo negli ultimi decenni, ma anche nel primo Novecento, purché si permetta una variazione temporale del segnale NAM superficiale durante la stagione invernale e si tenga conto della fase del QBO. Troviamo che nel primo Novecento la correlazione positiva tra NAM e attività geomagnetica appare solo in tarda inverno (FM/MA) quando il QBO30 è in fase easterly. A partire dagli anni ’60 circa, negli ultimi decenni, la correlazione positiva tra NAM e attività geomagnetica si manifesta già all’inizio dell’inverno (a partire da DJ). Complessivamente, questa correlazione nella fase easterly del QBO è più evidente quando si utilizza il QBO30 piuttosto che il QBO50. Verifichiamo inoltre che la relazione Holton-Tan è valida per tutto il secolo, ma in modo molto più sistematico per il QBO30 rispetto al QBO50. Inoltre, rileviamo che la relazione Holton-Tan si applica solo all’inizio dell’inverno (si veda la Figura 4). Ricerche dettagliate hanno confermato che l’effetto dell’attività geomagnetica sul NAM è dipendente dalla fase del QBO, con correlazioni positive significative durante la fase easterly del QBO30 per l’intero XX secolo, attribuibili a meccanismi che coinvolgono la precipitazione di particelle energetiche (EPP) che alterano la composizione chimica stratosferica e la dinamica del vortice polare, favorendo un coupling top-down verso la troposfera. Tali studi hanno evidenziato che il QBO a 30 hPa rappresenta meglio la relazione Holton-Tan per la circolazione superficiale, con un segnale più robusto in early winter durante fasi easterly, dove lo spostamento del jet subtropicale permette una maggiore propagazione di onde planetarie verso il polo.
La relazione Holton-Tan è considerata derivare dallo spostamento verso nord della linea zero del vento zonale durante la fase easterly del QBO, per cui le onde planetarie vengono dirette verso nord, disturbando così il vortice polare [Baldwin et al., 2001] e portando a un NAM superficiale più negativo. Tuttavia, diversi studi hanno dimostrato che l’attività solare può influenzare questa relazione [ad es., Labitzke e van Loon, 1988, 2000; Naito e Hirota, 1997; Ruzmaikin e Feynman, 2002]. Labitzke e van Loon [1988] hanno mostrato che la stratosfera polare era più calda (più fredda), ovvero il vortice era più debole (più forte) durante la fase easterly (westerly) del QBO e bassa attività solare, ma durante alta attività solare la relazione si invertiva. Inoltre, Naito e Hirota [1997] hanno dimostrato che l’attività solare modificava il meccanismo Holton-Tan in modo tale che esso funzionasse solo durante bassa attività solare. Recentemente è stato mostrato che il rafforzamento del vortice polare a partire dagli anni ’70 ha portato a un meccanismo Holton-Tan alquanto più debole quando si considera il QBO50 [Lu et al., 2014]. Analisi comparative hanno ulteriormente rivelato che driver solari e geomagnetici, inclusi flussi di vento solare ad alta velocità, modulano la variabilità decennale della circolazione invernale nell’Emisfero Nord, con effetti amplificati durante fasi specifiche del QBO che alterano l’intensità del Holton-Tan, potenzialmente attraverso interazioni onda-media e cambiamenti nella stabilità stratosferica. In contesti di intervento aerosol stratosferico, il meccanismo Holton-Tan può subire variazioni, con un indebolimento della teleconnessione QBO-vortice polare artico sotto condizioni di geoingegneria, dove iniezioni di solfati modificano la propagazione delle onde e la forza del vortice, rendendo la relazione meno pronunciata durante fasi westerly.
Questi risultati suggeriscono che esistono altri forcing (come l’attività solare o geomagnetica) che influenzano la forza del vortice polare e la relazione Holton-Tan. Per verificare se la relazione tra QBO30 e NAM superficiale illustrata nella Figura 4 sia influenzata dall’attività geomagnetica, abbiamo calcolato il valore medio del NAM basato su SLP in quattro casi: QBO30 east/low aa, QBO30 west/low aa, QBO30 east/high aa e QBO30 west/high aa. NAM e aa sono stati standardizzati sull’intero periodo temporale prima del raggruppamento. (Il QBO non è stato standardizzato, poiché presenta ampiezze maggiori nella fase easterly. Come discusso sopra, il trend è stato rimosso da aa e NAM prima dell’analisi.) Abbiamo inoltre calcolato i livelli di significatività per le differenze tra ciascun caso utilizzando un t-test a due campioni. (Notiamo che l’autocorrelazione temporale dell’indice NAM medio invernale, dopo la rimozione del trend, è piuttosto bassa (<0.12) con lag da 1 a 10 sia all’inizio (DJ) che in tarda inverno (FM) e può quindi essere trascurata nel calcolo dei livelli di significatività). Studi hanno esteso queste analisi esaminando l’impatto dell’attività geomagnetica sul consumo elettrico invernale, dove fasi easterly del QBO amplificano le interazioni onda-flusso medio indotte da EPP, portando a variazioni nel NAM che influenzano le anomalie termiche superficiali e, di conseguenza, la domanda energetica in regioni settentrionali. Inoltre, indagini sul segnale solare nella stratosfera globale durante l’inverno boreale hanno quantificato l’effetto del QBO, mostrando correlazioni con il ciclo undecennale solare che variano per fase, con un’inversione del pattern termico polare sotto alta attività solare, integrando così il ruolo di forcing geomagnetici correlati.
La Figura 8 mostra i valori medi del NAM per i quattro casi e i valori p delle differenze tra ciascun caso (indicati dalle frecce) durante l’inizio dell’inverno nel periodo 1900–2013. La relazione Holton-Tan risulta significativa solo nel caso di bassa aa. La Figura 8 mostra inoltre chiaramente che la correlazione tra aa e NAM durante la fase easterly di QBO30 deriva dal basso valore del NAM nel caso QBO east/low aa, e non tanto dal valore debolmente positivo del NAM nel caso QBO east/high aa. Per la fase westerly di QBO30 si osserva una correlazione complessiva tra aa e NAM non significativa, in accordo con i risultati discussi sopra. Ricerche sulla struttura verticale del QBO hanno rivelato legami con il NAM estivo, dove la profondità e la fase del QBO influenzano la circolazione extratropicale attraverso meccanismi di memoria stratosferica, con implicazioni per la modulazione stagionale del segnale geomagnetico.Il valore più elevato del NAM si ottiene per QBO westerly con alta aa, quando gli effetti delle onde planetarie sono deboli e il forcing da precipitazione di particelle è forte, mentre il valore più basso del NAM corrisponde a QBO easterly con bassa aa, quando il forcing delle onde planetarie è elevato e quello da precipitazione di particelle è ridotto. Sembra inoltre che la differenza nel NAM medio tra bassa aa e alta aa sia circa il doppio nella fase easterly di QBO30 rispetto a quella westerly di QBO30, il che rappresenta un’ulteriore indicazione di una correlazione aa/NAM migliore nella fase easterly di QBO30. Durante la fase easterly di QBO30, una precipitazione di particelle potenziata rende il vortice abbastanza forte da resistere all’effetto delle onde planetarie. Nella fase westerly di QBO30, quando l’effetto delle onde planetarie sul vortice polare è piccolo, il potenziamento del vortice dovuto alla precipitazione di particelle avrebbe un effetto relativo minore. Studi hanno quantificato questa interazione, dimostrando che la modulazione del QBO influenza la risposta del vortice polare all’attività geomagnetica, con correlazioni positive tra aa e NAM più pronunciate durante la fase easterly, attribuibili a un rafforzamento del vortice attraverso meccanismi chimico-dinamici che coinvolgono la produzione di NOx da precipitazione energetica di elettroni (EEP), la quale catalizza la distruzione dell’ozono stratosferico e altera il gradiente termico polare. Tali ricerche evidenziano che l’effetto Holton-Tan, che prevede un vortice più debole in fase easterly del QBO a causa di una maggiore propagazione di onde planetarie verso il polo, può essere modificato da forcing esterni come l’attività geomagnetica, portando a un’inversione parziale della relazione in condizioni di alta EEP.
Un’analisi simile per la tarda inverno rivela alcune differenze interessanti (si veda la Figura 9). Durante bassa aa, la differenza tra fase easterly e westerly di QBO30 non è così marcata (in effetti statisticamente non significativa) come all’inizio dell’inverno. Questo è un’indicazione che il meccanismo Holton-Tan è più debole in tarda inverno (come suggerito, ad esempio, da Lu et al. [2008a, 2014]). Ciò è visibile anche nella Figura 4, dove non si osserva correlazione tra QBO e NAM in FM/MA. D’altro canto, la Figura 9 mostra che esiste una differenza abbastanza chiara e statisticamente significativa tra le fasi di QBO30 durante valori elevati di aa, in modo tale che nella fase easterly di QBO30 i valori alti di aa corrispondono a valori di NAM fortemente positivi, mentre nella fase westerly producono un NAM debolmente negativo. Questo dimostra che in tarda inverno e con alta attività geomagnetica esiste effettivamente una relazione anti-Holton-Tan, che riduce ulteriormente la relazione Holton-Tan complessiva in tarda inverno. Si osserva inoltre una differenza altamente significativa tra alta e bassa aa durante la fase easterly di QBO30 (in accordo con la Figura 5, fase easterly QBO), che ora deriva principalmente dal valore elevato nel caso QBO easterly/alta aa. Analisi modellistiche hanno confermato questa non stazionarietà stagionale del meccanismo Holton-Tan, mostrando che in late winter il QBO easterly favorisce un’accelerazione del Brewer-Dobson circulation, che trasporta più ozono verso le alte latitudini, amplificando l’impatto della EEP sulla perdita ozonica catalizzata da NOx e HOx, con conseguente rafforzamento del vortice polare durante periodi di alta attività geomagnetica. Ulteriori studi hanno esaminato l’influenza della EEP sul vortice polare boreale, rivelando che durante fasi easterly del QBO, la modulazione della circolazione residua porta a un maggiore confinamento delle particelle energetiche nella regione polare, esacerbando la deplezione ozonica e generando anomalie termiche che rafforzano il jet stratosferico, con effetti che si propagano downward verso la troposfera e il NAM superficiale.
Sulla base di questi risultati, proponiamo che la relazione anti-Holton-Tan osservata in tarda inverno per valori elevati di aa sia probabilmente dovuta all’effetto che la fase del QBO ha sulla circolazione Brewer-Dobson [Baldwin e Dunkerton, 2001]. È stato dimostrato che la circolazione Brewer-Dobson ai tropici è potenziata durante la fase easterly del QBO [si veda, ad esempio, Flury et al., 2013]. Un’ascesa potenziata dell’aria ai tropici aumenta i livelli di ozono nella stratosfera equatoriale alta e alle medie latitudini durante la fase easterly del QBO e in tarda inverno [si veda, ad esempio, Randel e Cobb, 1994, Figura 11; Baldwin e Dunkerton, 2001, Figura 23]. Ciò aumenta anche il contenuto di ozono alle alte latitudini, specialmente in tarda inverno [Li e Tung, 2014]. Bowman [1989] ha mostrato che il QBO anticorrela fortemente con la quantità di ozono nelle regioni polari tra 70 e 90°N in tarda inverno (febbraio–aprile). La perdita di ozono all’interno del vortice polare, catalizzata da NOx e HOx, ci si aspetta che sia proporzionale non solo alla concentrazione di queste molecole, ma anche al contenuto di ozono. Pertanto, un contenuto di ozono maggiore durante la fase easterly del QBO porterebbe a una perdita di ozono più elevata in risposta a una data quantità di NOx/HOx (o livello di attività geomagnetica/precipitazione di particelle). In tarda inverno, la maggiore perdita di ozono all’interno del vortice polare e la maggiore quantità di ozono all’esterno del vortice polare nella fase easterly del QBO porterebbero a un gradiente di temperatura più elevato tra la regione del vortice polare e le medie/basse latitudini durante alta attività geomagnetica/da particelle, aumentando così i venti occidentali agli extratropici. Ciò si manifesta come un vortice più forte in tarda inverno durante periodi di alta attività geomagnetica nella fase easterly del QBO, che si tradurrebbe in un NAM superficiale più positivo in questi periodi. Ricerche recenti hanno approfondito questi processi, utilizzando modelli chimico-climatici per simulare l’impatto della EEP sulla temperatura stratosferica e sul vortice polare durante condizioni disturbate, confermando che la deplezione ozonica indotta da particelle solari raffredda la stratosfera polare, con effetti amplificati in fasi easterly del QBO dove la circolazione Brewer-Dobson è intensificata, trasportando più ozono disponibile per la distruzione catalitica e generando un feedback dinamico che rafforza il vortice. Inoltre, studi osservazionali e modellistici hanno evidenziato che la EEP modula la variabilità del vortice polare attraverso la produzione di NOx, che persiste nella stratosfera polare invernale, estendendo gli effetti chimici oltre la regione polare e influenzando la stabilità del vortice in modo dipendente dalla fase del QBO, con una maggiore efficacia durante easterly phases dove l’upwelling tropicale è potenziato.
La Figura 8 illustra i valori medi standardizzati dell’indice Northern Annular Mode (NAM) basato sulla pressione al livello del mare (SLP NAM) per il periodo dicembre-gennaio (early winter) dal 1900 al 2013, suddivisi in quattro combinazioni di fasi del Quasi-Biennial Oscillation a 30 hPa (QBO30) e livelli di attività geomagnetica (indice aa standardizzato, con aa < 0 per bassa attività e aa > 0 per alta attività), rappresentati da cerchi colorati: blu per valori negativi e rossi per positivi, con frecce che indicano le differenze medie tra i casi e i relativi p-value da t-test a due campioni, dove frecce rosse denotano differenze significative (p < 0.1) e frecce verdi non significative (p > 0.1); specificamente, il caso QBO easterly con bassa aa mostra un NAM medio di -0.36 (cerchio blu in basso a sinistra), QBO westerly con bassa aa un NAM di 0.09 (cerchio rosso in alto a sinistra), QBO easterly con alta aa un NAM di 0.10 (cerchio rosso in basso a destra), e QBO westerly con alta aa un NAM di 0.33 (cerchio rosso in alto a destra), evidenziando che la relazione Holton-Tan—che prevede un vortice polare più debole e NAM negativo durante la fase easterly del QBO a causa di una maggiore propagazione di onde planetarie verso il polo indotta dallo spostamento verso nord della linea zero del vento zonale—è statisticamente significativa solo in condizioni di bassa attività geomagnetica (freccia rossa verticale con p ≈ 0.05 tra i casi low aa), come confermato da studi che dimostrano una modulazione del meccanismo Holton-Tan da forcing esterni quali l’attività solare e geomagnetica, con un indebolimento del segnale QBO sul vortice polare boreale quando si considera il QBO a livelli inferiori come 50 hPa o in presenza di alto forcing geomagnetico. In contrasto, durante alta attività geomagnetica, il NAM tende a valori positivi in entrambe le fasi del QBO, con una differenza orizzontale altamente significativa nella fase easterly (da -0.36 a 0.10, freccia rossa con p = 0.07), indicante che l’alta aa rafforza il vortice polare contrastando l’effetto disturbante delle onde planetarie, che è più pronunciato in fase easterly, mentre nella fase westerly la differenza è meno marcata e non significativa (freccia verde), riflettendo una minore efficacia delle onde planetarie nel perturbare il vortice quando il vento zonale è occidentale e la linea zero è spostata verso sud, in accordo con analisi che attribuiscono questa asimmetria a un’anomala convergenza di onde planetarie ai fianchi del QBO già nelle fasi iniziali, influenzando la circolazione extratropicale e riducendo l’impatto del Holton-Tan in presenza di forcing geomagnetici elevati. Questa configurazione spiega la correlazione positiva tra aa e NAM osservata prevalentemente nella fase easterly del QBO30, derivante principalmente dal basso NAM in condizioni di bassa aa (dove domina il meccanismo Holton-Tan) piuttosto che da un NAM particolarmente elevato in alta aa, con ricerche che quantificano come il QBO a 30 hPa rappresenti meglio la relazione Holton-Tan per la circolazione superficiale, modulata da variazioni decennali nell’attività geomagnetica e solare che alterano la forza del vortice polare attraverso pathway top-down coinvolgenti la precipitazione di particelle energetiche (EPP) e la produzione di NOx, catalizzando la deplezione ozonica stratosferica e generando anomalie termiche che rafforzano il jet polare. Inoltre, la figura sottolinea che l’effetto geomagnetico è circa il doppio nella fase easterly rispetto a quella westerly, supportando ipotesi di un’interazione non lineare dove l’alta pressione dinamica del vento solare—correlata all’attività geomagnetica—modula la durata e la fase del QBO, influenzando indirettamente il breakdown del vortice polare invernale e la severità delle anomalie NAM, con evidenze osservazionali che legano fluttuazioni ad alta frequenza del vento solare al QBO e al suo impatto sul vortice, amplificando il segnale in fasi easterly attraverso un maggiore confinamento di EPP nella regione polare. Tali dinamiche sono coerenti con simulazioni modellistiche che replicano l’indebolimento del Holton-Tan in late winter o sotto forcing solari/geomagnetici elevati, dove la circolazione Brewer-Dobson potenziata in fasi easterly trasporta più ozono verso le alte latitudini, esacerbando la perdita ozonica indotta da EPP e generando feedback termici che stabilizzano il vortice, con implicazioni per la prevedibilità stagionale del NAM e delle anomalie climatiche boreali.
La Figura 9 illustra i valori medi standardizzati dell’indice Northern Annular Mode (NAM) basato sulla pressione al livello del mare (SLP NAM) per il periodo febbraio-marzo (late winter) dal 1901 al 2014, organizzati in quattro combinazioni di fasi del Quasi-Biennial Oscillation a 30 hPa (QBO30) e livelli di attività geomagnetica (indice aa standardizzato, con aa < 0 per bassa attività e aa > 0 per alta attività), rappresentati da cerchi colorati—blu per valori negativi e rossi per positivi—con frecce che indicano le differenze medie tra i casi e i relativi p-value da t-test a due campioni, dove frecce rosse denotano differenze significative (p < 0.1) e frecce verdi non significative (p > 0.1); specificamente, il caso QBO easterly con bassa aa presenta un NAM medio di -0.27 (cerchio blu in basso a sinistra), QBO westerly con bassa aa un NAM di -0.01 (cerchio blu in alto a sinistra), QBO easterly con alta aa un NAM di +0.50 (cerchio rosso in basso a destra), e QBO westerly con alta aa un NAM di -0.17 (cerchio blu in alto a destra), evidenziando che in condizioni di bassa attività geomagnetica la differenza verticale tra QBO easterly e westerly è modesta e non significativa (freccia verde con p = 0.32), confermando un indebolimento stagionale del meccanismo Holton-Tan in tarda inverno, dove la maggiore propagazione di onde planetarie verso il polo in fase easterly—dovuta allo spostamento verso nord della linea zero del vento zonale—non produce più un disturbo significativo del vortice polare, come dimostrato da analisi che mostrano una relazione Holton-Tan limitata all’early/mid winter con un effetto anti-Holton-Tan emergente in late winter sotto forte attività geomagnetica. In contrasto, durante alta attività geomagnetica emerge un marcato anti-Holton-Tan con una differenza significativa tra le fasi del QBO, dove la fase easterly genera un NAM fortemente positivo (+0.50) mentre la westerly produce un NAM negativo (-0.17), con la transizione orizzontale da bassa a alta aa altamente significativa nella fase easterly (freccia rossa con p = 0.01), indicando che l’alta aa rafforza drammaticamente il vortice polare proprio nella fase easterly—contrariamente alle aspettative del Holton-Tan—attraverso meccanismi chimico-dinamici amplificati dalla precipitazione di particelle energetiche (EEP), che catalizza la produzione di NOx e HOx portando a una maggiore deplezione ozonica all’interno del vortice polare, esacerbata dal potenziamento della circolazione Brewer-Dobson in fase easterly che trasporta più ozono dalle regioni tropicali verso le alte latitudini, creando un gradiente termico maggiore tra polo e medie latitudini che accelera i venti zonali occidentali e stabilizza il vortice. Questa amplificazione dell’effetto EEP nella fase easterly del QBO è supportata da studi che quantificano come la modulazione della circolazione meridionale residua da parte del QBO controlli l’impatto dell’EEP sul vortice polare, con una maggiore efficacia in fasi easterly dove l’upwelling tropicale intensificato trasporta ozono aggiuntivo disponibile per la distruzione catalitica, generando anomalie termiche che rafforzano il jet stratosferico e propagano downward verso la troposfera, influenzando il NAM superficiale con correlazioni positive tra attività geomagnetica e NAM più pronunciate in easterly QBO a 30 hPa. Inoltre, ricerche osservazionali e modellistiche hanno rivelato che sia l’easterly QBO che la bassa EEP indeboliscono il vortice polare aumentando la dissipazione di onde planetarie nella stratosfera ad alte latitudini, mentre l’alta EEP in fase easterly lo rafforza attraverso feedback ozonici, con implicazioni per la variabilità decennale della circolazione invernale boreale e per la prevedibilità stagionale, dove il segnale EEP-QBO combinato produce risposte amplificate nel NAM a latitudini elevate, superiori a quelle indotte da altri driver solari come l’irradiazione ultravioletta. Tali dinamiche sono coerenti con simulazioni che replicano l’anti-Holton-Tan in late winter sotto EEP elevata, attribuendolo a un maggiore confinamento di particelle energetiche nella regione polare durante fasi easterly, che esacerba la perdita ozonica e genera un feedback dinamico positivo sul vortice, con effetti che si estendono oltre la stratosfera influenzando anomalie termiche superficiali e potenzialmente il consumo energetico in regioni settentrionali mediante modulazioni del NAM.
7. Sintesi dei Risultati
Abbiamo studiato qui la correlazione modulata dal QBO tra l’attività geomagnetica (indice aa) e il Northern Annular Mode, rappresentato dal primo componente principale della pressione al livello del mare e della temperatura superficiale. Abbiamo considerato la loro relazione per due altitudini del QBO comunemente utilizzate, 30 hPa e 50 hPa, nonché la combinazione di queste due. Inoltre, abbiamo esaminato come questa relazione si manifesti in diverse fasi della stagione invernale. Analisi dettagliate hanno rivelato che la modulazione del QBO influenza significativamente la propagazione di onde planetarie e il coupling stratosfera-troposfera, con effetti che variano decennalmente e dipendono dal livello di attività geomagnetica, come evidenziato da studi che quantificano il forcing geomagnetico sul NAM attraverso pathway top-down coinvolgenti la precipitazione di particelle energetiche (EPP) e alterazioni nella chimica ozonica stratosferica.
Utilizzando il QBO a 30 hPa, abbiamo confermato il risultato di Palamara e Bryant [2004] secondo cui la correlazione media nel periodo 1965–1997 è più forte (e positiva) durante la fase easterly di QBO30 rispetto a quella westerly di QBO30. Abbiamo anche dimostrato che negli ultimi decenni la modulazione del QBO è meno importante e che la correlazione positiva è più forte durante la fase westerly di QBO50 rispetto a quella easterly di QBO50, in accordo con i risultati di Seppälä et al. [2013]. Troviamo inoltre che il QBO30 distingue meglio le differenze nella relazione tra indice aa e NAM tra le due fasi del QBO: correlazione significativamente positiva durante la fase easterly di QBO30 e correlazione debole, prevalentemente negativa e non significativa, durante la fase westerly di QBO30 per la maggior parte del secolo. La correlazione positiva durante la fase easterly di QBO30 si sposta verso la tarda inverno procedendo verso l’inizio del XX secolo. Ricerche comparative tra attività geomagnetica e sunspot hanno mostrato pattern NAM distinti, con l’indice aa che produce un segnale positivo robusto a latitudini alte e polari, particolarmente amplificato in combinazione con il QBO a 30 hPa, e stabile sull’ultimo secolo indipendentemente dal periodo analizzato. Ulteriori indagini hanno evidenziato influenze non lineari e non stazionarie dell’attività geomagnetica sul NAO, con correlazioni negative per valori aa bassi-medi e positive per medi-alti, spiegando circa l’8% della varianza del NAO dal 1869 al 2009, modulate da variazioni multidecadali nell’attività solare e dal QBO come potenziale amplificatore dei segnali solari sull’atmosfera invernale boreale.
Abbiamo dimostrato qui che la relazione Holton-Tan è complessivamente più sistematicamente valida per il QBO30 rispetto al QBO50 e che si osserva solo all’inizio dell’inverno. Abbiamo rilevato che all’inizio dell’inverno la relazione Holton-Tan è significativa solo durante debole attività geomagnetica e non durante forte attività. Questo è dovuto al fatto che il valore medio del NAM è fortemente negativo per indice aa debole e fase easterly di QBO30, mentre è positivo per le altre tre combinazioni. Tuttavia, in tarda inverno non vi è una significativa relazione Holton-Tan durante debole attività geomagnetica. Al contrario, esiste una significativa relazione anti-Holton-Tan durante forte attività geomagnetica. Questo è dovuto al fatto che il valore medio del NAM è molto più elevato (positivo) per indice aa forte e fase easterly di QBO30 rispetto alle altre tre combinazioni. Studi hanno esteso questi risultati analizzando l’impatto dell’attività geomagnetica sul consumo elettrico invernale, dove correlazioni tra aa e NAM durante fasi negative del QBO (easterly) amplificano anomalie termiche, con segnali più forti dal 1990 al 2021, influenzando la domanda energetica in regioni settentrionali attraverso modulazioni del vortice polare. Inoltre, ricerche sul forcing geomagnetico hanno confermato correlazioni forti tra indice aa e NAM limitate a gennaio, con effetti restritti a periodi specifici e dipendenti dal QBO eastward, dove coefficienti di correlazione raggiungono 0.85, attribuibili a perturbazioni atmosferiche dinamiche indotte dal vento solare.
La differenza nel NAM tra attività geomagnetica forte e debole all’inizio dell’inverno è significativa e circa il doppio nella fase easterly di QBO30 rispetto a quella westerly di QBO30. Questo è probabilmente dovuto al fatto che l’efficienza del drag delle onde planetarie sul vortice polare è maggiore quando il vortice è più debole (fase easterly del QBO). Di conseguenza, nella fase easterly del QBO, le variazioni nella forza del vortice legate alla perdita di ozono influenzano la deposizione del momento delle onde planetarie in modo relativamente più efficiente rispetto alla fase westerly del QBO, quando il vortice è più forte a causa di un drag delle onde planetarie meno efficace. Ricerche hanno quantificato questa asimmetria, dimostrando che durante la fase easterly del QBO30, la correlazione positiva tra attività geomagnetica e NAM è persistente per l’intero XX secolo, con un effetto amplificato in early winter dove la modulazione del Holton-Tan è più pronunciata, attribuibile a un maggiore impatto delle onde planetarie sulla stabilità del vortice polare e a interazioni con la precipitazione di particelle energetiche (EPP) che catalizzano la deplezione ozonica stratosferica. Tali studi evidenziano che il meccanismo Holton-Tan, che prevede un vortice più debole in fase easterly a causa di una propagazione potenziata di onde Rossby verso il polo, è modificato da forcing geomagnetici, con un’efficienza del drag ondulatorio che varia non linearmente con la forza del vortice, portando a risposte NAM più sensibili in condizioni di bassa attività geomagnetica.
La differenza nel NAM tra attività geomagnetica forte e debole in tarda inverno è anch’essa significativa e molto maggiore durante la fase easterly del QBO rispetto a quella westerly. Proponiamo che questo effetto in tarda inverno sia possibilmente mediato da una circolazione Brewer-Dobson potenziata durante la fase easterly del QBO. Una circolazione Brewer-Dobson intensificata aumenta il contenuto di ozono nella stratosfera ad alte latitudini in tarda inverno. Un contenuto di ozono maggiore ci si aspetta che porti a una perdita di ozono più elevata in risposta alla precipitazione di particelle energetiche all’interno del vortice polare, rafforzando così il gradiente di temperatura tra la regione del vortice polare e le medie latitudini. Questo porterebbe a una risposta NAM maggiore alle variazioni dell’attività geomagnetica (precipitazione di particelle) durante la fase easterly del QBO. Analisi dettagliate hanno confermato questo pathway, mostrando che l’EPP modula il vortice polare boreale attraverso la produzione di NOx e HOx, con effetti amplificati in fasi easterly del QBO dove la circolazione meridionale residua è intensificata, trasportando ozono aggiuntivo dalle regioni tropicali verso il polo e esacerbando la deplezione ozonica catalitica, che genera anomalie termiche radiative che rafforzano il jet stratosferico e propagano downward verso la troposfera, influenzando il NAM superficiale con correlazioni positive significative. Ulteriori indagini modellistiche e osservazionali hanno quantificato come la QBO easterly potenzi l’upwelling tropicale, aumentando i livelli di ozono stratosferico alle alte latitudini in late winter e rendendolo più suscettibile alla distruzione indotta da EPP, con un conseguente aumento del gradiente termico zonale che accelera i venti occidentali extratropicali e produce un NAM positivo più robusto durante alta attività geomagnetica.
Questi risultati forniscono nuove evidenze di un possibile meccanismo alla base della modulazione del QBO nella relazione tra indice aa e NAM, ma è necessaria ulteriore ricerca per verificare il meccanismo di feedback stratosferico. I nostri risultati non solo mettono in evidenza la risposta sistematica del NAM alla precipitazione di particelle durante l’intero XX secolo, ma mostrano anche l’importanza di considerare il preconditioning atmosferico quando si studia l’effetto di un driver esterno, ad esempio l’attività geomagnetica, sul NAM. Studi recenti hanno esteso queste osservazioni esaminando la variabilità decennale della circolazione invernale boreale, attribuendo la non stazionarietà della relazione aa-NAM a interazioni tra QBO, EPP e driver solari, con meccanismi che coinvolgono la convergenza di onde planetarie e cambiamenti nella stabilità stratosferica, rendendo il preconditioning QBO un fattore critico per la prevedibilità stagionale del NAM e delle anomalie climatiche associate.
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