Sintesi scientifica: L’inverno boreale del 2019/2020 è stato caratterizzato da un vortice polare stratosferico dell’emisfero settentrionale di straordinaria intensità e persistenza, con implicazioni significative per la dinamica atmosferica, il clima superficiale e la chimica stratosferica. Il vortice polare, un sistema di venti occidentali che circonda la regione polare tra circa 15 e 50 km di altitudine, ha esibito condizioni di eccezionale stabilità e basse temperature, mantenendosi pressoché indisturbato per un periodo prolungato. Questo fenomeno è stato il risultato di una combinazione di fattori dinamici, tra cui un’attività ondulatoria troposferica insolitamente ridotta e una configurazione stratosferica favorevole alla riflessione delle onde planetarie.
Normalmente, le onde atmosferiche generate nella troposfera, come quelle associate a sistemi meteorologici su larga scala, si propagano verso l’alto, interagendo con il vortice polare stratosferico e causandone un indebolimento o, in casi estremi, una disgregazione (eventi noti come “sudden stratospheric warmings”). Durante l’inverno 2019/2020, tuttavia, l’attività di queste onde è stata marcatamente soppressa, limitando le perturbazioni al vortice. Nonostante ciò, episodi transitori di propagazione ondulatoria hanno disturbato il vortice nella stratosfera superiore, favorendo la formazione di una configurazione riflettiva della circolazione stratosferica. Tale configurazione ha amplificato il fenomeno di riflessione delle onde verso la troposfera, contribuendo a ulteriori eventi di accoppiamento discendente (downward wave coupling). Questi processi hanno rafforzato e raffreddato dinamicamente il vortice, mantenendolo in uno stato di eccezionale robustezza per diversi mesi.
La persistenza del vortice polare stratosferico ha avuto ripercussioni dirette sulla circolazione troposferica, manifestandosi in una fase positiva record dell’Oscillazione Artica (AO) tra gennaio e marzo 2020. L’AO, un indice che descrive le variazioni nella distribuzione della pressione atmosferica a livello del mare nell’emisfero settentrionale, ha mostrato un’intensità senza precedenti, con un’anomalia positiva che ha influenzato significativamente i pattern climatici regionali. In particolare, questa fase positiva è stata associata a temperature superficiali e anomalie di precipitazione coerenti con le condizioni osservate durante la tarda stagione invernale e l’inizio della primavera, contribuendo a spiegare le variazioni climatiche regionali in vaste aree dell’emisfero settentrionale.
Parallelamente, le condizioni all’interno del vortice polare hanno favorito un’intensa deplezione dell’ozono stratosferico. La stabilità del vortice ha agito come una barriera di trasporto, isolando l’aria polare e impedendo la miscelazione con aria proveniente da latitudini inferiori. Le temperature stratosferiche, eccezionalmente basse, hanno permesso la formazione di nubi stratosferiche polari (PSC) per un periodo prolungato, superiore a quattro mesi, fino alla fine di marzo. Queste nubi hanno catalizzato reazioni chimiche eterogenee che hanno attivato composti clorurati, portando a una distruzione catalitica dell’ozono senza precedenti. Di conseguenza, i valori totali della colonna di ozono nella calotta polare dell’emisfero settentrionale sono diminuiti drasticamente, raggiungendo i livelli più bassi mai registrati nel periodo febbraio-aprile, superando qualsiasi record precedente per l’Artico.
Questo caso studio rappresenta un esempio paradigmatico di interazione bidirezionale tra troposfera e stratosfera, evidenziando come le condizioni estreme nella stratosfera possano influenzare il clima superficiale e, contemporaneamente, come le dinamiche troposferiche possano modulare la struttura del vortice polare. La concomitanza di molteplici record – dalla forza del vortice polare alla fase positiva dell’AO, fino alla deplezione dell’ozono – rende l’inverno e la primavera del 2019/2020 un evento di rilevanza scientifica eccezionale, utile per comprendere i complessi meccanismi di accoppiamento atmosferico e le loro implicazioni per il sistema climatico globale.
1. Introduzione
L’inverno e la primavera del 2020 nell’emisfero settentrionale (NH) hanno rappresentato un periodo di straordinaria rilevanza climatica, caratterizzato da una serie di anomalie atmosferiche di portata eccezionale. Tra queste, l’Oscillazione Artica (AO), il principale pattern di variabilità climatica extratropicale che governa lo spostamento latitudinale del getto polare troposferico (Thompson & Wallace, 1998), ha mostrato una fase positiva di intensità record, mantenendosi stabile per diversi mesi. Contemporaneamente, la concentrazione di ozono stratosferico nella calotta polare artica è scesa a livelli senza precedenti per la primavera boreale, segnando un minimo storico. Questi fenomeni, apparentemente distinti, sono stati intimamente connessi attraverso la dinamica di un vortice polare stratosferico insolitamente robusto e freddo, che ha dominato la stagione. Il presente lavoro si propone di analizzare l’evento di vortice polare stratosferico del 2019/2020, evidenziandone le caratteristiche record e le interazioni con l’AO troposferica e la deplezione dell’ozono artico, offrendo un quadro integrato delle complesse dinamiche atmosferiche coinvolte.
Nell’inverno boreale, la stratosfera e la troposfera sono legate da processi di accoppiamento dinamico che modulano la circolazione atmosferica su scale temporali substagionali e stagionali. Il vortice polare stratosferico, un sistema di venti occidentali che si estende approssimativamente da 100 hPa a oltre 1 hPa (Waugh et al., 2017), rappresenta la caratteristica dominante della stratosfera polare invernale. Durante la notte polare, l’assenza di radiazione solare induce un intenso raffreddamento radiativo, che rafforza il vortice e ne abbassa le temperature. Tuttavia, la sua intensità è significativamente influenzata dall’interazione con onde planetarie generate nella troposfera, originate da forcing orografici o da sorgenti di riscaldamento diabatico (Charney & Drazin, 1961; Matsuno, 1970). Queste onde, propagandosi verticalmente, possono raggiungere la stratosfera polare, dove la loro rottura deposita momento orientale, rallentando i venti zonali occidentali del vortice e inducendo un riscaldamento adiabatico. Di conseguenza, l’intensità stagionale del vortice polare dipende in larga misura dalla forzatura ondulatoria cumulativa: una ridotta attività ondulatoria consente al vortice di mantenere condizioni di freddo estremo, avvicinandosi all’equilibrio radiativo, mentre un’intensa forzatura può destabilizzarlo.
I processi interni alla stratosfera giocano un ruolo complementare nel modulare l’intensità del vortice. La propagazione delle onde è infatti influenzata dallo stato di base della circolazione stratosferica, e l’interazione tra forzatura dinamica e rilassamento radiativo può alterare significativamente la dinamica del vortice. Un esempio emblematico è rappresentato dagli eventi di accoppiamento ondulatorio discendente, in cui le onde planetarie che si propagano verso l’alto vengono riflesse dalla stratosfera verso la troposfera, rafforzando dinamicamente il vortice e raffreddandolo attraverso l’indebolimento o l’inversione della circolazione residua (Dunn-Sigouin & Shaw, 2015; Shaw & Perlwitz, 2014). Questi eventi sono spesso preceduti da impulsi transitori di attività ondulatoria verso l’alto, che favoriscono lo sviluppo di configurazioni riflettive della circolazione stratosferica (Dunn-Sigouin & Shaw, 2018; Harnik, 2009; Shaw & Perlwitz, 2013; Shaw et al., 2010). Gli inverni caratterizzati da una maggiore frequenza di tali eventi tendono a presentare vortici polari più forti, in particolare nella stratosfera inferiore e media (Perlwitz & Harnik, 2003).
La variabilità interannuale del vortice polare artico è marcata. I riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW), eventi estremi di indebolimento del vortice guidati da un’intensa forzatura ondulatoria, si verificano in circa il 60% degli anni nell’emisfero settentrionale (Butler et al., 2017). Gli SSW possono portare a una disgregazione quasi completa del vortice, con tempi di recupero prolungati che favoriscono stati di debolezza persistente (Hitchcock & Shepherd, 2013; Hitchcock et al., 2013). Al contrario, eventi di vortice forte e persistente, come quello osservato nel 2019/2020, sono relativamente rari, poiché la forzatura ondulatoria planetaria agisce su scale temporali brevi, rendendo difficile il mantenimento di uno stato di vortice forte per periodi prolungati (Lawrence & Manney, 2018; Limpasuvan et al., 2005). La persistenza di un vortice robusto richiede condizioni eccezionali, come un’attività ondulatoria verso l’alto significativamente ridotta e/o un potenziamento degli eventi di riflessione ondulatoria discendente.
L’intensità del vortice polare boreale è un elemento cruciale per l’accoppiamento dinamico tra stratosfera e troposfera durante l’inverno e la primavera (Butler et al., 2019; Kidston et al., 2015). Una delle principali espressioni di questo accoppiamento bidirezionale è la stretta correlazione statistica tra l’intensità del vortice stratosferico e la fase dell’AO troposferica (Baldwin & Dunkerton, 2001; Kidston et al., 2015). Questa relazione è spesso descritta attraverso il “Northern Annular Mode” (NAM), un pattern che cattura gli spostamenti meridionali di massa attraverso la colonna atmosferica, dalla troposfera alla stratosfera (Baldwin, 2001; Thompson & Wallace, 2000). Gli stati di vortice polare anomali, sia forti (fase positiva del NAM stratosferico) che deboli (fase negativa), tendono a precedere eventi di AO positiva o negativa nella troposfera, con effetti che possono persistere per settimane o mesi, influenzando i pattern di temperatura e precipitazione superficiali (Baldwin & Dunkerton, 2001; Domeisen, 2019; Dunn-Sigouin & Shaw, 2015; Kidston et al., 2015; King et al., 2019; Limpasuvan et al., 2005; Orsolini et al., 2018; Polvani & Kushner, 2002; Tripathi et al., 2015). L’evento del 2019/2020 rappresenta un caso paradigmatico di tali interazioni, offrendo un’opportunità unica per studiare i meccanismi di accoppiamento atmosferico e le loro implicazioni climatiche e chimiche.Gli eventi di accoppiamento ondulatorio discendente non solo contribuiscono a intensificare il vortice polare stratosferico, ma possono anche innescare direttamente configurazioni della circolazione troposferica coerenti con una fase positiva dell’Oscillazione Artica (AO) su scale temporali brevi (Dunn-Sigouin & Shaw, 2015; Shaw & Perlwitz, 2013). Tuttavia, la relazione tra l’intensità del vortice polare e le fasi dell’AO o del Northern Annular Mode (NAM) nella troposfera non è sempre diretta o prevedibile. Diversi fattori influenzano la capacità di un evento stratosferico di modulare la circolazione troposferica, tra cui la persistenza e l’ampiezza delle anomalie stratosferiche, l’estensione verticale di tali anomalie fino alla stratosfera inferiore e lo stato dinamico della troposfera al momento dell’evento stratosferico (Charlton-Perez et al., 2018; Domeisen, 2019; Karpechko et al., 2017; Kodera et al., 2016; Rao et al., 2020; White et al., 2019). Questi elementi sottolineano la complessità delle interazioni stratosfera-troposfera e la necessità di condizioni specifiche per un accoppiamento efficace.
Le condizioni che determinano il potenziale per la deplezione chimica dell’ozono nella stratosfera dell’emisfero settentrionale sono intrinsecamente legate alla dinamica del vortice polare, ma dipendono da interazioni meteorologiche altamente variabili e sensibili (WMO, 2014, 2018). I composti di cloro e bromo, prevalentemente di origine antropogenica, vengono trasformati da forme di riserva non reattive a forme reattive, capaci di distruggere l’ozono, attraverso reazioni eterogenee che avvengono sulle superfici delle nubi stratosferiche polari (PSC) (Solomon, 1999). La formazione di queste nubi richiede temperature estremamente basse, tipicamente inferiori a 195 K, nella stratosfera inferiore. Inoltre, l’attivazione efficace di cloro e bromo necessita di un confinamento prolungato dell’aria fredda all’interno del vortice polare, che funge da barriera di trasporto, impedendo la miscelazione con aria più calda e ricca di ozono proveniente da latitudini inferiori (Schoeberl & Hartmann, 1991; Schoeberl et al., 1992). Le reazioni chimiche di distruzione dell’ozono richiedono anche l’esposizione alla luce solare, un fattore che diventa rilevante con il ritorno della radiazione solare nelle regioni polari all’inizio della primavera. Climatologicamente, in questo periodo il vortice artico tende a essere debole o già disgregato, limitando le opportunità di deplezione significativa (Black et al., 2006; Lawrence et al., 2018). Le condizioni ottimali per la perdita di ozono si verificano quindi solo quando il vortice polare è forte, freddo e stabile per un periodo prolungato. Tuttavia, la marcata variabilità interannuale del vortice artico implica che queste condizioni possano presentarsi in modo incompleto: ad esempio, nell’inverno 2015/2016, un vortice polare persistentemente forte e freddo è stato interrotto da un riscaldamento stratosferico finale precoce a marzo, che ha disgregato il vortice e limitato la deplezione di ozono, evitando un deficit estremo (Manney & Lawrence, 2016). Gli eventi di accoppiamento ondulatorio discendente favoriscono la perdita di ozono attraverso il raffreddamento dinamico del vortice e il suo rafforzamento, riducendo al contempo il rifornimento di ozono verso il basso mediante l’indebolimento o l’inversione della circolazione residua stratosferica (Lubis et al., 2017; Shaw & Perlwitz, 2014).
Questo studio dimostra che il vortice polare stratosferico del 2019/2020, caratterizzato da un’intensità senza precedenti, si è sviluppato grazie a una combinazione di fattori dinamici unici: una forzatura ondulatoria dalla troposfera insolitamente debole e una serie di eventi di accoppiamento ondulatorio discendente, innescati dalla formazione di una configurazione riflettiva nella circolazione stratosferica superiore. L’eccezionale robustezza del vortice è stata accompagnata da una fase positiva record dell’AO troposferica, che si è protratta per diversi mesi e ha contribuito a determinare significative anomalie di temperatura e precipitazione superficiali nell’emisfero settentrionale durante la stagione. Inoltre, le condizioni di stabilità e freddo estremo all’interno del vortice hanno creato un ambiente ideale per la deplezione chimica dell’ozono, portando a concentrazioni di ozono artico tra le più basse mai registrate nella tarda inverno e nella prima primavera. La concomitanza di un’AO da record e di un minimo storico di ozono rende l’inverno artico del 2019/2020 un caso di studio straordinario, evidenziando l’interdipendenza tra dinamica stratosferica, circolazione troposferica e chimica atmosferica.
La struttura del presente lavoro è articolata come segue: la Sezione 2 descrive i dataset e le metodologie analitiche impiegate. La Sezione 3 è suddivisa in sottosezioni dedicate all’analisi dell’intensità record del vortice polare (3.1), all’evoluzione dell’accoppiamento dinamico tra troposfera e stratosfera (3.2), all’impatto dell’accoppiamento ondulatorio bidirezionale sul vortice (3.3) e alle condizioni del vortice che hanno favorito la deplezione di ozono (3.4). Nella Sezione 4, i risultati sono discussi in relazione a inverni precedenti, proponendo interrogativi di ricerca emersi da questo evento eccezionale. Infine, la Sezione 5 sintetizza i principali risultati dello studio, sottolineando le implicazioni per la comprensione delle interazioni atmosferiche globali.
2. Dati e Metodi
L’analisi delle condizioni atmosferiche durante l’inverno artico 2019/2020, nonché il confronto con gli inverni precedenti per un contesto storico, si basa sull’integrazione di dati derivati da molteplici fonti meteorologiche e satellitari. Le variabili meteorologiche fondamentali, quali temperatura, venti e altezza geopotenziale, sono state estratte dalla Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications Version 2 (MERRA-2), un prodotto di reanalisi della National Aeronautics and Space Administration (NASA; Gelaro et al., 2017). In dettaglio, sono stati utilizzati campi medi giornalieri derivati dalle collezioni a livelli di pressione (“M2I3NPASM”; GMAO, 2020a) e a livelli di modello (“M2I3NVASM”; GMAO, 2020b), che forniscono una rappresentazione ad alta risoluzione delle condizioni atmosferiche. Per collocare l’evento del 2019/2020 in un contesto storico, sono stati inoltre impiegati dati giornalieri a livelli di pressione della reanalisi di 55 anni della Japanese Meteorological Agency (JRA-55; Kobayashi et al., 2015), coprendo le stagioni invernali dal 1958/1959 al 1978/1979, con particolare attenzione ai venti zonali medi stratosferici.
I dati relativi all’ozono sono stati raccolti da una combinazione di strumenti satellitari, con un’enfasi primaria sull’Ozone Mapping and Profiling Suite (OMPS). Questi dati sono stati resi disponibili attraverso la piattaforma OzoneWatch (consultabile, ad esempio, su https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/data/ e https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/meteorology/figures/ozone/). Per compensare i valori mancanti della colonna di ozono durante la notte polare, periodo in cui le misurazioni satellitari sono limitate, sono stati utilizzati dati complementari di MERRA-2. L’indice giornaliero dell’Oscillazione Artica (AO) è stato acquisito dal National Centers for Environmental Prediction (NCEP) Climate Prediction Center (CPC), accessibile all’indirizzo https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml, e indicato in questo studio come AOCPC.
Per analizzare la dinamica stratosferica e l’interazione con la troposfera durante la stagione invernale 2019/2020, sono state adottate diagnostiche basate sul quadro della media euleriana trasformata (Transformed Eulerian Mean, TEM; Andrews et al., 1987). Queste includono i flussi di Eliassen-Palm (EP) e le velocità residue, che permettono di quantificare la forzatura ondulatoria e di descrivere l’evoluzione della circolazione stratosferica. I calcoli di tali diagnostiche sono stati effettuati seguendo la formulazione delle equazioni primitive (Martineau et al., 2018), utilizzando i campi a livelli di pressione di MERRA-2. Inoltre, sono state implementate diagnostiche specifiche per il processamento polare, finalizzate a caratterizzare lo sviluppo e la persistenza delle condizioni favorevoli alla deplezione chimica dell’ozono, secondo la metodologia descritta in Lawrence et al. (2018). In particolare, la vorticità potenziale isentropica (PV) è stata utilizzata per determinare l’estensione del vortice polare e l’intensità dei gradienti di PV al suo confine, parametri che valutano l’efficacia del vortice come barriera di trasporto. Le temperature sono state analizzate per identificare le regioni con condizioni idonee alla formazione di nubi stratosferiche polari (PSC), con un focus sulla stima delle dimensioni di tali regioni. Specificamente, il volume di aria fredda sufficiente a formare PSC di acido nitrico triidrato (NAT) è stato espresso come rapporto tra il volume di aria fredda e il volume totale del vortice (V NAT /V vort), limitando l’analisi alla stratosfera inferiore, come dettagliato in Lawrence et al. (2018).
Le anomalie sono state calcolate rispetto alle climatologie costruite sull’intero periodo di dati disponibile, escludendo l’anno 2020, per garantire un riferimento robusto. Le quantità rappresentative di intervalli latitudinali sono state determinate mediante medie ponderate per il coseno della latitudine, al fine di tenere conto della geometria sferica terrestre. Si precisa che, sebbene il Northern Annular Mode (NAM) e l’AO descrivano lo stesso fenomeno (Baldwin, 2001; Baldwin & Dunkerton, 2001), in questo studio il NAM è utilizzato per riferirsi al profilo verticalmente risolto delle fluttuazioni di massa nella circolazione extratropicale dell’emisfero settentrionale, mentre l’AO si riferisce al pattern osservato vicino alla superficie. L’indice NAM verticalmente risolto è stato calcolato utilizzando anomalie standardizzate dell’altezza geopotenziale nell’intervallo 65–90°N, seguendo gli approcci di Cohen et al. (2002) e Baldwin e Thompson (2009), e moltiplicato per -1 per assicurare una coerenza di fase con l’indice AO.
Questa combinazione di dati e metodologie consente un’analisi completa delle dinamiche atmosferiche dell’inverno 2019/2020, integrando osservazioni meteorologiche, misurazioni dell’ozono e diagnostiche dinamiche per elucidare i meccanismi alla base dell’evento record del vortice polare e delle sue implicazioni climatiche e chimiche.
3. Risultati
3.1. Intensità del Vortice Polare 2019/2020 nel Contesto Storico
L’inverno artico del 2019/2020 è stato caratterizzato da un vortice polare stratosferico di straordinaria intensità, con venti zonali medi nella stratosfera media (tra 55°N e 75°N) che hanno superato la media climatologica per gran parte della stagione invernale estesa, da novembre ad aprile. A partire da metà gennaio, l’intensità dei venti ha raggiunto livelli eccezionali, con valori regolarmente superiori di oltre 20 m/s rispetto alla climatologia di riferimento (Figura 1a). Durante il mese di febbraio, le anomalie dei venti zonali hanno ecceduto di due deviazioni standard la climatologia del periodo novembre-aprile per un periodo prolungato, superiore a un mese, stabilendo nuovi record massimi. Questo è particolarmente significativo considerando che, in tale fase del ciclo stagionale, i venti zonali in questa regione di altitudine e latitudine tendono generalmente a diminuire, a causa del progressivo indebolimento del vortice con l’avanzare della primavera.
L’andamento temporale delle anomalie dei venti zonali a 60°N, analizzato in funzione della pressione, evidenzia che il vortice polare è stato persistentemente più forte del normale nella stratosfera, nell’intervallo tra 100 e 1 hPa, per l’intero periodo da novembre ad aprile (Figura 1b). Un’unica eccezione si è verificata tra metà novembre e inizio dicembre, quando una breve perturbazione del vortice ha causato anomalie negative dei venti tra circa 30 e 1 hPa. Nella troposfera, anomalie positive dei venti si sono manifestate temporaneamente all’inizio di dicembre, ma è stato a partire da gennaio che si sono stabilite anomalie positive più consistenti, spesso superiori di 10 m/s rispetto alla norma, indicative di una circolazione troposferica influenzata dalla dinamica stratosferica.
Un aspetto degno di nota è l’evoluzione dei venti zonali nella stratosfera superiore e nella bassa mesosfera (USLM), corrispondente a pressioni inferiori a 1 hPa. A seguito della perturbazione stratosferica di metà novembre, i venti nell’USLM hanno subito un’accelerazione significativa, raggiungendo valori eccezionalmente elevati e superando di due deviazioni standard la climatologia per un breve periodo a metà dicembre. Tuttavia, a partire da gennaio, si è osservata una marcata divergenza tra la dinamica dell’USLM e quella della stratosfera inferiore: mentre i venti nell’USLM sono diventati generalmente più deboli rispetto alla norma, quelli nella stratosfera propriamente detta hanno mantenuto un’intensità superiore alla media, raggiungendo picchi record nei mesi di febbraio e marzo. Questa dicotomia evidenzia la complessità delle interazioni dinamiche tra diversi livelli altitudinali dell’atmosfera durante la stagione.
La circolazione stratosferica durante l’intera stagione invernale estesa di dicembre-marzo (DJFM) è stata caratterizzata da un’intensità significativamente superiore alla norma. Un confronto con i dati di altre stagioni invernali, basato su analisi di reanalisi, rivela che il vortice polare del 2019/2020 è stato il più forte mai registrato a 10 e 100 hPa per il periodo a partire dalla stagione 1979/1980, corrispondente all’era dei satelliti, in cui i dati di reanalisi beneficiano di una maggiore accuratezza grazie a osservazioni più abbondanti (Figura 2). Estendendo l’analisi agli anni precedenti, fino al 1958/1959, periodo in cui i dati di reanalisi sono soggetti a maggiori incertezze a causa della scarsità di osservazioni (Hitchcock, 2019), i venti zonali del 2020 a 10 hPa si classificano al terzo posto, superati solo dalle stagioni 1966/1967 e 1975/1976. A 100 hPa, invece, i venti zonali del 2019/2020 rappresentano il valore massimo assoluto registrato, anche considerando questo intervallo temporale più ampio. La robustezza di questi risultati è ulteriormente confermata dalla minima discrepanza tra i dati di reanalisi MERRA-2 e JRA-55 nell’era post-1980, con differenze massime nelle medie DJFM di appena 0,6 m/s a 10 hPa e 1,0 m/s a 100 hPa, indicando una coerenza significativa tra i due dataset.
I risultati evidenziano inoltre che le classifiche dell’intensità stagionale del vortice polare nella stratosfera media non sempre corrispondono a quelle nella stratosfera inferiore. Ad esempio, gli anni immediatamente successivi al 2019/2020 nella classifica per l’intensità del vortice a 10 hPa, come il 1995/1996, 1996/1997 e 2010/2011, presentano valori a 100 hPa inferiori rispetto ad altre stagioni, come il 1989/1990 e il 1992/1993. Questa variabilità altitudinale sottolinea la complessità della dinamica del vortice polare e l’importanza di considerare l’intera colonna stratosferica per una valutazione completa della sua intensità e delle sue implicazioni climatiche. L’eccezionale forza del vortice del 2019/2020, osservata a più livelli, rappresenta quindi un caso di studio unico per comprendere i meccanismi che governano la circolazione stratosferica e il suo impatto sull’atmosfera globale.
La Figura 1 presenta un’analisi dettagliata delle anomalie dei venti zonali medi durante l’inverno artico 2019/2020, attraverso due pannelli distinti (a e b), che illustrano rispettivamente l’evoluzione delle anomalie in funzione della latitudine a 10 hPa e in funzione della pressione a 60°N. Questi grafici offrono una rappresentazione visiva dell’intensità eccezionale del vortice polare stratosferico durante questa stagione, evidenziando deviazioni significative rispetto alla climatologia e ponendo in luce la natura estrema di questo evento atmosferico.
Pannello (a): Anomalie dei Venti Zonali Medi a 10 hPa in Funzione della Latitudine
Il pannello (a) mostra l’evoluzione temporale delle anomalie dei venti zonali medi (espressi in m/s) a 10 hPa, un livello di pressione corrispondente a circa 30 km di altitudine nella stratosfera media, in funzione della latitudine (asse verticale, da 0° a 80°N) e del tempo (asse orizzontale, da novembre 2019 ad aprile 2020). Le anomalie sono rappresentate tramite una scala cromatica, in cui tonalità di rosso indicano anomalie positive (venti più forti rispetto alla media climatologica), mentre tonalità di blu denotano anomalie negative (venti più deboli). La scala varia da -30 m/s a +30 m/s, coprendo un’ampia gamma di variazioni. I contorni grigi rappresentano la climatologia dei venti zonali, ossia i valori medi attesi per il periodo novembre-aprile, mentre le linee nere delimitano le regioni in cui le anomalie superano di 2 deviazioni standard la climatologia, evidenziando condizioni di estrema anomalia. La puntinatura (stippling) indica i periodi in cui i venti zonali hanno raggiunto valori massimi nel record storico di MERRA-2, sottolineando i picchi record di intensità.
Osservando il pannello, si nota che tra novembre e dicembre 2019 le anomalie a latitudini polari (60°-80°N) sono generalmente deboli o negative, suggerendo una temporanea riduzione dell’intensità del vortice polare in questa fase iniziale della stagione. Tuttavia, a partire da metà gennaio 2020, si verifica un cambiamento drammatico: le anomalie diventano fortemente positive, con valori che superano regolarmente i 20 m/s tra 55°N e 75°N. Questo incremento è particolarmente pronunciato in febbraio, quando le anomalie superano di 2 deviazioni standard la climatologia per oltre un mese, raggiungendo picchi fino a +30 m/s. La presenza di stippling in questo periodo conferma che tali valori rappresentano massimi storici nel dataset MERRA-2. È importante sottolineare che questa intensificazione avviene in una fase del ciclo stagionale in cui i venti zonali a queste latitudini e altitudini tendono normalmente a diminuire, a causa del progressivo indebolimento del vortice polare con l’avanzare della primavera boreale. Questo comportamento anomalo evidenzia la straordinaria robustezza del vortice polare durante l’inverno 2019/2020, distinguendolo come un evento di rilevanza eccezionale nella dinamica stratosferica.
Pannello (b): Anomalie dei Venti Zonali Medi a 60°N in Funzione della Pressione
Il pannello (b) rappresenta l’evoluzione delle anomalie dei venti zonali medi a 60°N (una latitudine rappresentativa della regione polare) in funzione della pressione (asse verticale, da 1000 hPa a 0.1 hPa, coprendo troposfera, stratosfera e bassa mesosfera) e del tempo (asse orizzontale, da novembre 2019 ad aprile 2020). Analogamente al pannello (a), le anomalie sono visualizzate tramite una scala di colori che varia da -30 m/s (blu, venti più deboli) a +30 m/s (rosso, venti più forti), con contorni grigi che rappresentano la climatologia, linee nere che delimitano le anomalie superiori a 2 deviazioni standard e stippling che indica i massimi storici nel record MERRA-2.
L’analisi di questo pannello rivela che nella stratosfera, tra 100 e 1 hPa (approssimativamente 15-50 km di altitudine), il vortice polare è stato persistentemente più forte del normale per quasi l’intero periodo da novembre 2019 ad aprile 2020. Un’interruzione si verifica tra metà novembre e inizio dicembre, quando si osservano anomalie negative comprese tra 30 e 1 hPa, indicative di una temporanea perturbazione del vortice in questa regione altitudinale. Tuttavia, a partire da gennaio 2020, le anomalie positive si intensificano significativamente, raggiungendo valori superiori a 20 m/s in febbraio e marzo, con picchi che superano di 2 deviazioni standard la climatologia e stabilendo nuovi record (evidenziati dalla stippling). Questo conferma la straordinaria forza del vortice polare nella stratosfera durante questi mesi.
Nella troposfera (sotto i 100 hPa), si osservano anomalie positive temporanee all’inizio di dicembre, seguite da un periodo di anomalie più consistenti a partire da gennaio, con valori spesso superiori a 10 m/s rispetto alla norma. Questo suggerisce un’influenza della dinamica stratosferica sulla circolazione troposferica, coerente con l’accoppiamento stratosfera-troposfera descritto nel testo. Nella stratosfera superiore e nella bassa mesosfera (pressioni inferiori a 1 hPa), si nota un comportamento contrastante: dopo un picco di intensità a metà dicembre, con anomalie positive superiori a 20 m/s che superano di 2 deviazioni standard la climatologia, i venti diventano più deboli del normale a partire da gennaio, mentre la stratosfera inferiore (tra 100 e 1 hPa) continua a mostrare anomalie positive record. Questa divergenza tra i livelli altitudinali evidenzia la complessità delle dinamiche atmosferiche durante l’inverno 2019/2020, con un vortice polare che mantiene una forza eccezionale nella stratosfera media e inferiore, mentre la stratosfera superiore e la mesosfera inferiore mostrano una dinamica opposta.
Interpretazione Complessiva
La Figura 1 offre una chiara evidenza dell’intensità record del vortice polare stratosferico durante l’inverno 2019/2020, con anomalie dei venti zonali che superano significativamente la variabilità climatica tipica, sia in termini di latitudine che di altitudine. Il pannello (a) sottolinea come, a 10 hPa, il vortice abbia raggiunto una forza eccezionale tra gennaio e marzo, con picchi che stabiliscono nuovi record storici e si mantengono ben al di sopra della norma per un periodo prolungato. Il pannello (b) completa questa analisi mostrando la distribuzione verticale delle anomalie, evidenziando la persistenza della forza del vortice nella stratosfera e la sua influenza sulla troposfera, ma anche la variabilità tra stratosfera inferiore e superiore. Questi risultati sottolineano la natura estrema dell’evento del 2019/2020, che si distingue non solo per l’intensità del vortice polare, ma anche per la sua capacità di influenzare la circolazione atmosferica a diverse altitudini, con implicazioni significative per il clima superficiale e la chimica stratosferica, come ulteriormente esplorato nel testo.
La Figura 2 presenta un’analisi dettagliata delle serie temporali annuali dei venti zonali medi stagionali (calcolati per il periodo dicembre-marzo, DJFM) a 60°N, a due livelli di pressione rappresentativi della stratosfera: 10 hPa e 100 hPa. Attraverso due pannelli (a e b), questa figura contestualizza l’intensità del vortice polare stratosferico durante l’inverno 2019/2020 rispetto a un record storico che si estende dal 1959 al 2020, utilizzando dati di reanalisi provenienti da due fonti principali: JRA-55 e MERRA-2. L’obiettivo è valutare la forza relativa del vortice polare in questo periodo eccezionale e comprendere la sua posizione nel contesto della variabilità interannuale della circolazione stratosferica.
Pannello (a): Venti Zonali Medi Stagionali DJFM a 60°N, 10 hPa
Il pannello (a) rappresenta i venti zonali medi stagionali (espressi in m/s) a 60°N e a 10 hPa, un livello di pressione corrispondente a circa 30 km di altitudine nella stratosfera media, per ogni stagione invernale (DJFM) dal 1959 al 2020. I dati sono suddivisi in due serie temporali distinte in base alla fonte di reanalisi: i valori dal 1959 al 1979, rappresentati dalla linea blu con quadrati, derivano dalla reanalisi JRA-55, mentre i valori dal 1980 al 2020, rappresentati dalla linea arancione con cerchi, derivano dalla reanalisi MERRA-2. I marcatori grigi indicano l’intervallo di variazione giornaliera dei venti zonali medi durante ciascuna stagione, offrendo una misura della variabilità intra-stagionale e permettendo di valutare la stabilità della forza del vortice nel corso dei mesi invernali.
L’analisi di questo pannello rivela una marcata variabilità interannuale nell’intensità dei venti zonali a 10 hPa. Nel periodo pre-1980, coperto dai dati JRA-55, si osservano picchi significativi in alcune stagioni, come il 1966/1967 e il 1975/1976, in cui i venti zonali medi superano i 40 m/s, rappresentando i valori più alti dell’intero record. Questi anni sono indicativi di vortici polari eccezionalmente forti, probabilmente associati a una bassa attività ondulatoria troposferica che ha permesso un raffreddamento radiativo ininterrotto della stratosfera polare. Dal 1980 in poi, corrispondente all’era dei satelliti in cui i dati di reanalisi beneficiano di una maggiore accuratezza grazie a osservazioni più abbondanti, i valori tendono a essere generalmente più bassi, oscillando tra 20 e 40 m/s nella maggior parte degli anni. Tuttavia, l’inverno 2019/2020 si distingue nettamente, con un valore di circa 50 m/s, il più alto registrato nell’era post-1980 (dal 1979/1980 in poi). Considerando l’intero periodo dal 1959 al 2020, il 2019/2020 si classifica al terzo posto, superato solo dai due anni sopra menzionati (1966/1967 e 1975/1976). La variabilità intra-stagionale, rappresentata dai marcatori grigi, mostra intervalli più ampi in alcuni anni, come negli anni ’70, suggerendo una maggiore instabilità del vortice in quelle stagioni. Al contrario, il 2019/2020 presenta un intervallo di variazione relativamente ristretto, indicando una forza del vortice più stabile e persistente durante l’intera stagione DJFM.
Pannello (b): Venti Zonali Medi Stagionali DJFM a 60°N, 100 hPa
Il pannello (b) mostra i venti zonali medi stagionali a 60°N e a 100 hPa, un livello di pressione corrispondente a circa 16 km di altitudine nella stratosfera inferiore, per lo stesso periodo dal 1959 al 2020. Come nel pannello (a), i dati sono suddivisi tra JRA-55 (linea blu con quadrati, 1959-1979) e MERRA-2 (linea arancione con cerchi, 1980-2020), con i marcatori grigi che indicano la variabilità intra-stagionale dei venti zonali durante ciascuna stagione.
A 100 hPa, la variabilità interannuale dei venti zonali è meno pronunciata rispetto a 10 hPa, con valori che oscillano generalmente tra 0 e 20 m/s nella maggior parte degli anni. Tuttavia, anche a questo livello altitudinale, l’inverno 2019/2020 si distingue come un outlier, con un valore di circa 25 m/s, il più alto dell’intero record storico dal 1959 al 2020. Questo valore supera tutti gli anni precedenti, sia nell’era pre-satellitare coperta da JRA-55 sia nell’era post-satellitare coperta da MERRA-2, stabilendo un record assoluto per la stratosfera inferiore. Anni come il 1989/1990 e il 1992/1993 mostrano valori relativamente elevati, intorno a 15-20 m/s, ma non raggiungono l’intensità osservata nel 2019/2020. La variabilità intra-stagionale a 100 hPa, come evidenziato dai marcatori grigi, è generalmente più contenuta rispetto a 10 hPa, suggerendo una maggiore stabilità della circolazione a questo livello altitudinale. Anche in questo caso, il 2019/2020 mostra un intervallo di variazione moderato, indicando che la forza del vortice è rimasta relativamente costante durante la stagione, un elemento che sottolinea ulteriormente la natura eccezionale di questo evento.
Interpretazione Complessiva
La Figura 2 fornisce una chiara evidenza dell’intensità record del vortice polare stratosferico durante l’inverno 2019/2020, posizionandolo come un evento di portata storica a entrambi i livelli di pressione analizzati. A 10 hPa, il 2019/2020 registra il valore più alto nell’era dei satelliti (dal 1979/1980), classificandosi terzo nel periodo complessivo dal 1959 al 2020, superato solo dagli inverni del 1966/1967 e 1975/1976. A 100 hPa, invece, stabilisce un record assoluto per l’intero periodo, senza precedenti sia nei dati JRA-55 che MERRA-2. La coerenza tra i due dataset nell’era post-1980, con differenze minime nei valori medi stagionali (0,6 m/s a 10 hPa e 1,0 m/s a 100 hPa, come riportato nel testo), conferma la robustezza di questi risultati e la loro affidabilità per l’analisi climatica. Un aspetto significativo emerso da questa figura è la mancanza di corrispondenza tra l’intensità del vortice a diversi livelli altitudinali: anni con venti zonali elevati a 10 hPa, come il 1995/1996 o il 2010/2011, non necessariamente mostrano valori altrettanto elevati a 100 hPa, dove altri anni come il 1989/1990 e il 1992/1993 risultano più intensi. Questo evidenzia la complessità della dinamica stratosferica e l’importanza di un’analisi multi-livello per comprendere appieno la struttura e l’evoluzione del vortice polare. L’eccezionale forza del vortice nel 2019/2020, combinata con la sua stabilità intra-stagionale, sottolinea la natura straordinaria di questo evento, con implicazioni significative per l’accoppiamento stratosfera-troposfera, il clima superficiale e la chimica stratosferica, come ulteriormente esplorato nelle sezioni successive dello studio.
La Figura 3 è composta da quattro pannelli distinti, identificati come (a), (b), (c) e (d), che analizzano in modo approfondito l’evoluzione temporale e le relazioni tra il Northern Annular Mode (NAM) e l’Oscillazione Artica (AO) durante l’inverno 2019/2020, con un focus particolare sull’interazione dinamica tra la stratosfera e la troposfera. Questi pannelli offrono una visione integrata della forza del vortice polare stratosferico e del suo impatto sulla circolazione troposferica, evidenziando la natura eccezionale di questo evento atmosferico attraverso rappresentazioni temporali e analisi statistiche comparative.
Pannello (a): Evoluzione Temporale del Northern Annular Mode (NAM)
Il primo pannello rappresenta l’evoluzione dell’indice NAM, un indicatore adimensionale della variabilità della circolazione atmosferica nell’emisfero settentrionale, in funzione della pressione atmosferica e del tempo. L’asse verticale copre un intervallo di pressione che si estende da 1000 hPa, vicino alla superficie terrestre, fino a 0.1 hPa, nella bassa mesosfera, attraversando quindi troposfera, stratosfera e regioni superiori. L’asse orizzontale rappresenta il periodo temporale che va da novembre 2019 a maggio 2020, coprendo l’intera stagione invernale estesa e l’inizio della primavera. I colori indicano i valori dell’indice NAM: tonalità di blu rappresentano valori negativi, associati a un vortice polare debole e a una fase negativa del NAM, mentre tonalità di rosso indicano valori positivi, associati a un vortice polare forte e a una fase positiva del NAM. La scala cromatica varia da -4 a +4, coprendo un’ampia gamma di intensità.
L’analisi del pannello rivela che da novembre a dicembre 2019 il NAM nella stratosfera, tra 100 e 1 hPa, è generalmente neutro o leggermente negativo, riflettendo una breve perturbazione del vortice polare, come descritto in precedenza nel testo. Tuttavia, a partire da gennaio 2020, si osserva un cambiamento significativo: il NAM diventa fortemente positivo nella stratosfera, con valori che raggiungono e superano il livello di +3, indicando un vortice polare di straordinaria intensità. Questa fase positiva si mantiene in modo persistente fino a marzo, con una chiara propagazione verso la troposfera, sotto i 100 hPa, a partire da gennaio. Questo suggerisce un forte accoppiamento tra stratosfera e troposfera, in cui la forza del vortice polare stratosferico influenza direttamente la circolazione superficiale. Con l’avanzare della primavera, in aprile e maggio, il NAM torna gradualmente a valori più neutri, segnalando il progressivo indebolimento del vortice polare, un fenomeno tipico della transizione stagionale verso condizioni meno estreme.
Pannello (b): Evoluzione Temporale dell’Indice dell’Oscillazione Artica (AO)
Il secondo pannello mostra l’evoluzione dell’indice AO, calcolato dal Climate Prediction Center (CPC) a livello del mare, su base giornaliera, per lo stesso periodo da novembre 2019 a maggio 2020. L’indice AO, anch’esso adimensionale, rappresenta la variabilità della pressione atmosferica tra le alte latitudini e le medie latitudini, ed è strettamente correlato al NAM, specialmente a livello della troposfera. Valori positivi dell’AO indicano una pressione più bassa al polo e più alta alle medie latitudini, tipica di una fase positiva che spesso coincide con un vortice polare forte, mentre valori negativi indicano una configurazione opposta.
Da novembre a dicembre 2019, l’indice AO mostra una notevole variabilità, oscillando tra valori positivi e negativi, ma rimanendo generalmente vicino allo zero, il che indica una fase neutra senza tendenze marcate. A partire da gennaio 2020, tuttavia, si osserva una transizione significativa: l’indice AO diventa persistentemente positivo, con valori che superano spesso il livello di +2 e in alcuni momenti raggiungono +3. Questa fase positiva record si mantiene per tutto il periodo da gennaio a marzo, riflettendo un’influenza diretta del forte vortice polare stratosferico sulla circolazione troposferica, come evidenziato anche nel pannello (a). Con l’arrivo di aprile e maggio, l’indice AO diminuisce gradualmente, tornando verso valori più neutri o leggermente negativi, in linea con l’indebolimento del vortice polare e il ritorno a condizioni atmosferiche più tipiche della primavera boreale.
Pannello (c): Relazione tra NAM a 100 hPa e 50 hPa durante DJFM
Il terzo pannello è uno scatterplot che mette in relazione i valori medi stagionali del NAM a 100 hPa (asse orizzontale) con quelli a 50 hPa (asse verticale) per i mesi di dicembre-marzo (DJFM) di ogni anno dal 1979 al 2020. Ogni punto rappresenta una stagione invernale, con il 2019/2020 evidenziato per distinguerlo dagli altri anni. Accanto a ciascun punto sono riportati i percentili, che indicano il rango di ciascun anno rispetto ai valori del NAM a entrambi i livelli: ad esempio, un percentile del 98% significa che il valore si colloca nel 98° percentile, tra i più alti del periodo considerato. La correlazione tra i due indici NAM è alta, con un valore significativo che indica una forte relazione tra la forza del vortice polare a questi due livelli altitudinali.
L’analisi dello scatterplot mostra che il NAM a 100 hPa e a 50 hPa tende a essere fortemente correlato: stagioni con un vortice polare forte a 100 hPa (circa 16 km di altitudine, stratosfera inferiore) tendono a presentare un vortice forte anche a 50 hPa (circa 20 km di altitudine, stratosfera media). Il 2019/2020 si posiziona nell’angolo superiore destro del grafico, con percentili del 98% a 100 hPa e del 93% a 50 hPa, indicando valori eccezionalmente alti a entrambi i livelli e confermando l’intensità straordinaria del vortice polare in questa stagione. Altri anni, come il 1995/1996 (95%) e il 2010/2011 (97%), mostrano valori elevati ma inferiori rispetto al 2019/2020, mentre stagioni con vortici deboli, come il 2018/2019 (0%), si trovano nell’angolo inferiore sinistro, con valori negativi del NAM che riflettono un vortice polare debole o perturbato. Questa relazione evidenzia la coerenza verticale della dinamica del vortice polare durante inverni estremi, con il 2019/2020 che si distingue come un caso di forza eccezionale.
Pannello (d): Relazione tra NAM a 50 hPa e Pressione a Livello del Mare (SLP) durante JFM
Il quarto pannello è uno scatterplot che mette in relazione i valori medi stagionali del NAM a 50 hPa (asse orizzontale) con la pressione media a livello del mare (SLP) nella calotta polare (65-90°N, asse verticale) per i mesi di gennaio-marzo (JFM) di ogni anno dal 1979 al 2020. Anche qui, ogni punto rappresenta una stagione, con il 2019/2020 evidenziato, e i percentili indicano il rango di ciascun anno. La correlazione tra i due parametri è negativa, con un valore significativo che indica una relazione inversa: un NAM elevato a 50 hPa, indicativo di un vortice polare forte, è associato a una pressione a livello del mare più bassa nella calotta polare.
Il 2019/2020 si trova nell’angolo superiore sinistro del grafico, con un percentile del 93% per il NAM a 50 hPa e dell’80% per la pressione a livello del mare, riflettendo un NAM molto alto e una pressione a livello del mare eccezionalmente bassa. Questo è coerente con una fase positiva dell’AO, in cui un vortice polare forte nella stratosfera si traduce in una pressione più bassa al polo e più alta alle medie latitudini, influenzando il clima superficiale. Anni con un NAM basso a 50 hPa, come il 2018/2019 (0%), mostrano invece pressioni più alte nella calotta polare, tipiche di una fase negativa dell’AO, spesso associata a un vortice polare debole o perturbato. La relazione inversa tra NAM e pressione a livello del mare sottolinea l’importanza dell’accoppiamento stratosfera-troposfera: un vortice polare forte, come quello del 2019/2020, ha un impatto diretto sulla distribuzione della pressione superficiale, con implicazioni significative per i pattern climatici regionali.
Interpretazione Complessiva
La Figura 3 fornisce un quadro integrato dell’interazione tra stratosfera e troposfera durante l’inverno 2019/2020, evidenziando la natura estrema di questo evento. Il pannello (a) mostra un NAM persistentemente positivo nella stratosfera da gennaio a marzo, riflettendo un vortice polare di straordinaria intensità, con un’influenza che si propaga verso la troposfera. Il pannello (b) conferma questa dinamica con una fase positiva record dell’AO a livello del mare, che si mantiene per diversi mesi, influenzando i pattern climatici superficiali. Il pannello (c) dimostra la forte coerenza verticale del vortice polare, con una relazione significativa tra i valori del NAM a 100 hPa e 50 hPa, posizionando il 2019/2020 tra gli anni più estremi del periodo analizzato. Infine, il pannello (d) evidenzia l’impatto del vortice polare sulla troposfera, con una pressione a livello del mare bassa nella calotta polare durante il 2019/2020, coerente con la fase positiva dell’AO. Questi risultati sottolineano la complessità e l’importanza dell’accoppiamento stratosfera-troposfera nel determinare le condizioni climatiche durante questo inverno eccezionale, offrendo una base solida per ulteriori analisi delle dinamiche atmosferiche globali.
Sottotitolo: 3.2. Un Evento Estremo del Modo Anulare Accoppiato Troposfera-Stratosfera
3.2. Un Evento Estremo del Modo Anulare Accoppiato Troposfera-Stratosfera
L’evento di vortice polare stratosferico eccezionalmente intenso verificatosi nel 2020, che ha avuto inizio a gennaio e si è protratto fino a marzo, ha evidenziato una straordinaria coerenza verticale attraverso l’intera colonna stratosferica. Questo fenomeno non si è limitato alla stratosfera, ma ha mostrato un’estensione significativa anche nella troposfera, come indicato dalle anomalie positive dei venti zonali osservate in questo livello atmosferico durante il medesimo periodo (Figura 1). Le Figure 3a e 3b illustrano in dettaglio l’evoluzione temporale coordinata delle anomalie della circolazione sia nella stratosfera che nella troposfera, rappresentate attraverso gli indici del Northern Annular Mode (NAM) e dell’Oscillazione Artica (AO). Questi indici rivelano uno stato persistentemente positivo del NAM/AO, esteso verticalmente dai livelli prossimi alla superficie (1000 hPa) fino alla stratosfera superiore (1 hPa), per quasi l’intero trimestre compreso tra gennaio e marzo (JFM). Tale configurazione evidenzia un accoppiamento dinamico eccezionale tra i due strati atmosferici, con implicazioni significative per la variabilità climatica su scale stagionali.
Per quantificare l’unicità di questo inverno rispetto al comportamento accoppiato del NAM stratosfera-troposfera, sono state impiegate due diagnostiche specifiche. La prima analisi si concentra sull’influenza della forzatura ondulatoria sul vortice polare stratosferico. Studi precedenti, come quello di Newman et al. (2001), hanno dimostrato che le temperature stratosferiche polari di inizio primavera presentano una forte correlazione con i flussi di calore di turbolenza integrati nel tempo. Questo suggerisce che la variabilità interannuale delle temperature stratosferiche polari in primavera è strettamente legata alla quantità cumulativa di forzatura ondulatoria che dalla troposfera si propaga verso la stratosfera. In modo complementare, Polvani e Waugh (2004) hanno evidenziato un’anticorrelazione significativa tra i flussi di calore di turbolenza integrati nel tempo e il NAM stratosferico, indicando che la forza del vortice polare è modulata in modo determinante dall’attività ondulatoria. La Figura 3c approfondisce queste relazioni presentando uno scatterplot che mette a confronto la componente verticale del flusso di Eliassen-Palm (Fz), un indicatore della propagazione verticale delle onde, calcolata a 100 hPa nell’intervallo latitudinale 40–80°N e mediata sui mesi di dicembre-febbraio (DJF), con il NAM a 50 hPa mediato sui mesi di gennaio-marzo (JFM). La relazione tra questi parametri risulta molto stretta, con un coefficiente di correlazione di -0.8, che conferma l’influenza diretta dell’attività ondulatoria sulla forza del vortice. In particolare, la Figura 3c evidenzia che l’inverno del 2020 rappresenta un estremo senza precedenti nel record di MERRA-2, caratterizzato sia dalla più bassa attività ondulatoria verso l’alto a 100 hPa durante DJF, sia dal NAM a 50 hPa più intenso mai registrato in JFM, sottolineando l’eccezionalità delle condizioni dinamiche di questa stagione.
La seconda diagnostica mira a collocare il comportamento accoppiato del NAM/AO stratosferico e troposferico del 2020 nel contesto degli anni precedenti, analizzando la relazione statistica tra la forza del vortice polare stratosferico e l’AO su scale temporali stagionali. Studi come quello di Thompson e Wallace (1998) hanno già evidenziato l’esistenza di una connessione significativa tra il NAM stratosferico, che riflette l’intensità del vortice polare, e l’AO troposferica. La Figura 3d rappresenta questa relazione attraverso uno scatterplot che confronta i valori medi di JFM del NAM a 50 hPa con la pressione media a livello del mare (SLP) nella calotta polare (65-90°N). La correlazione tra questi due parametri è di circa -0.68 ed è statisticamente significativa al 99%, come confermato da un test bootstrap basato su 50.000 campionamenti. La stagione JFM del 2020 si distingue come l’anno più estremo nel record di MERRA-2, mostrando valori eccezionali sia per il NAM stratosferico sia per le anomalie negative di SLP. Sebbene questo risultato non implichi una chiara direzione di causalità, l’analisi della Figura 3a evidenzia che le anomalie stratosferiche sono state non solo persistenti e di grande magnitudine, ma si sono anche propagate fino alla stratosfera inferiore. Parallelamente, una fase positiva dell’AO si è manifestata leggermente prima o in concomitanza con le anomalie stratosferiche, tra la fine di dicembre e l’inizio di gennaio, suggerendo che le anomalie troposferiche si siano sviluppate in sincronia con la stratosfera o che la troposfera fosse in uno stato favorevole all’accoppiamento con un NAM stratosferico positivo.
Pur avendo dimostrato che l’indice NAM di JFM 2020 è stato associato a un’attività ondulatoria verso l’alto eccezionalmente bassa a 100 hPa (Figura 3c), è importante notare che il livello di 100 hPa rappresenta la stratosfera inferiore, e quindi l’attività ondulatoria a questo livello non riflette necessariamente quella originata dalla troposfera, come discusso in de la Cámara et al. (2017). Per approfondire questa dinamica, la Figura 4 presenta uno scatterplot che confronta i valori medi annuali di Fz in DJF a 300 hPa, nella troposfera superiore, con quelli a 100 hPa. I due parametri mostrano una correlazione positiva, ma moderata, con un coefficiente di 0.46, indicando che l’attività ondulatoria nella troposfera superiore non è un predittore perfetto di quella nella stratosfera inferiore su scale temporali stagionali. Tuttavia, il 2019/2020 si distingue dagli altri anni come il caso estremo più coerente, mostrando un minimo record di Fz in DJF sia a 100 hPa che a 300 hPa. Questo risultato si collega alle relazioni tra NAM e SLP illustrate nella Figura 3, suggerendo che una ridotta forzatura ondulatoria verso l’alto dalla troposfera alla stratosfera abbia probabilmente contribuito allo sviluppo del vortice polare eccezionalmente forte in JFM (Figura 3c), influenzando di conseguenza le anomalie negative di SLP nella calotta polare (Figura 3d).
A livello superficiale, le anomalie di pressione a livello del mare (SLP) nelle regioni extratropicali sono risultate coerenti con la prolungata fase positiva dell’AO e con la presenza di un vortice polare stratosferico insolitamente forte (Figure 3a, 3b e 3d). La Figura 5a mostra che le anomalie di SLP durante JFM sono state caratterizzate da un pattern anulare ben definito, con una pressione anomala bassa nella calotta polare circondata da un anello di pressione anomala alta alle medie latitudini, una configurazione che riflette fedelmente il pattern canonico dell’AO. La Figura 5b evidenzia che l’indice AOCPC medio di JFM del 2020 ha raggiunto il valore più alto mai registrato dal 1950, pari a circa 2.7. Inoltre, la persistenza di questa fase positiva dell’AO è stata senza precedenti: i valori giornalieri minimo e massimo dell’indice AOCPC durante JFM 2020 sono stati entrambi i più alti mai registrati, e l’indice è rimasto consecutivamente sopra il valore di 1 per 56 giorni, un periodo che supera qualsiasi altro anno nel record analizzato (Figura 5c). Questo comportamento sottolinea l’eccezionalità dell’evento del 2020, non solo in termini di intensità, ma anche di durata, con un impatto significativo sulla distribuzione della pressione atmosferica e, di conseguenza, sui pattern climatici superficiali nell’emisfero settentrionale.Le stagioni di gennaio-marzo (JFM) degli anni 1988/1989 e 1989/1990 sono state caratterizzate da eventi di Oscillazione Artica (AO) eccezionalmente intensi e persistenti, con valori dell’indice AO marcatamente positivi per periodi prolungati. Entrambi questi inverni hanno inoltre mostrato vortici polari stratosferici di forza stagionale superiore alla media nella stratosfera inferiore, un fenomeno particolarmente pronunciato durante la stagione 1989/1990, come evidenziato dai dati rappresentati nelle Figure 2b e 3d. Queste condizioni riflettono un accoppiamento significativo tra la dinamica stratosferica e troposferica, con un vortice polare robusto che ha contribuito a modulare i pattern di pressione superficiale, in linea con una fase positiva dell’AO.
L’evento di AO estremamente positivo verificatosi durante il periodo JFM del 2020 ha avuto un ruolo determinante nel spiegare una porzione significativa delle anomalie osservate nelle temperature e nelle precipitazioni superficiali a livello globale, includendo condizioni di calore record registrate in Eurasia. La Figura 6 fornisce un’analisi comparativa tra i pattern stagionali effettivamente osservati di anomalie di temperatura e precipitazione e quelli che possono essere considerati congruenti con l’AO. Questi ultimi sono stati determinati moltiplicando il valore dell’indice AOCPC (Arctic Oscillation Climate Prediction Center) di JFM 2020 per una mappa di regressione costruita sulla base della serie temporale storica dell’AOCPC di JFM, che permette di stimare l’impatto atteso dell’AO sulle variabili climatiche superficiali. Le temperature superficiali durante JFM 2020 sono state caratterizzate da un’anomalia di calore eccezionale in Eurasia, con temperature significativamente più alte del normale, mentre condizioni di freddo anomale sono state registrate in Canada, Groenlandia e Alaska (Figura 6a). In particolare, il calore osservato in Eurasia, nell’area compresa tra 0–135°E e 45–75°N, ha raggiunto livelli senza precedenti nel record di MERRA-2, che si estende dal 1980 a oggi (dato non mostrato). Per quanto riguarda le precipitazioni, si sono registrate quantità superiori alla norma in bande specifiche che attraversano l’Europa settentrionale, la Siberia centrale e l’Eurasia meridionale, evidenziando un aumento significativo dell’attività precipitativa in queste regioni (Figura 6d).
I pattern attesi in base alla regressione sull’AO mostrano una coerenza generale con le osservazioni, ma tendono a sottostimare l’ampiezza delle anomalie effettivamente rilevate. Ad esempio, le temperature in Eurasia risultano significativamente più calde di quanto previsto dal solo contributo dell’AO, come illustrato nelle Figure 6b e 6e, suggerendo che altri fattori possano aver amplificato le anomalie osservate. Le medie zonali delle anomalie di temperatura e precipitazione, sia osservate che congruenti con l’AO, sono rappresentate nelle Figure 6c e 6f, fornendo una stima approssimativa della frazione di variabilità attribuibile all’AO. Tra le latitudini di 40°N e 70°N, l’AO di JFM 2020 spiega circa due terzi dell’ampiezza delle anomalie di temperatura, lasciando un residuo di circa 0,5 K che potrebbe essere attribuito ad altri processi atmosferici o a forzanti esterne. Per quanto riguarda le precipitazioni, l’AO riesce a spiegare quasi interamente le anomalie medie zonali osservate tra 55°N e 70°N, indicando un forte controllo di questo pattern sulle dinamiche precipitativa in queste regioni. Tuttavia, l’AO tende a sovrastimare la banda di condizioni più secche intorno a 40°N, evidenziando alcune discrepanze tra i pattern attesi e quelli osservati.
È importante sottolineare che i dati analizzati non sono stati sottoposti a un processo di detrenderizzazione, il che significa che non è stato rimosso l’eventuale trend di lungo periodo associato al cambiamento climatico. Di conseguenza, una parte delle anomalie osservate, come l’eccezionale calore in Eurasia, potrebbe essere parzialmente attribuibile al riscaldamento globale indotto dal cambiamento climatico, oltre che alla variabilità naturale legata all’AO. Questa sovrapposizione di fattori sottolinea la complessità delle dinamiche climatiche durante eventi estremi come quello del 2020, in cui processi naturali e antropogenici possono interagire per produrre anomalie di portata significativa. L’analisi di questi pattern fornisce quindi una base per comprendere meglio il ruolo dell’AO nella modulazione del clima superficiale, ma evidenzia anche la necessità di considerare ulteriori forzanti per una spiegazione completa delle condizioni osservate.
La Figura 4 consiste in uno scatterplot che analizza la relazione tra l’attività ondulatoria verticale in due distinti livelli atmosferici durante i mesi di dicembre-febbraio (DJF) per ogni anno dal 1979 al 2020, con un’attenzione particolare all’inverno 2019/2020. L’attività ondulatoria è rappresentata dalla componente verticale del flusso di Eliassen-Palm (Fz), un parametro diagnostico che quantifica la propagazione verticale delle onde planetarie attraverso l’atmosfera. Questo grafico, introdotto nella sezione 3.2 dello studio, mira a esplorare il ruolo dell’attività ondulatoria troposferica nel modulare la dinamica stratosferica, con un focus specifico sull’eccezionalità delle condizioni dinamiche che hanno portato alla formazione di un vortice polare stratosferico insolitamente forte durante l’inverno 2019/2020.
Descrizione Dettagliata del Grafico
Il grafico presenta sull’asse orizzontale i valori medi stagionali (DJF) della componente verticale del flusso di Eliassen-Palm (Fz) a 300 hPa, un livello situato nella troposfera superiore, approssimativamente a 9 km di altitudine. Questo parametro riflette l’intensità dell’attività ondulatoria generata nella troposfera, che si propaga verso l’alto attraverso l’atmosfera. Sull’asse verticale, invece, sono riportati i valori medi stagionali di Fz a 100 hPa, un livello nella stratosfera inferiore, a circa 16 km di altitudine, che rappresenta l’attività ondulatoria che ha raggiunto questa regione dell’atmosfera. Entrambi i valori di Fz sono espressi in unità che quantificano il flusso di momento associato alle onde planetarie, tipicamente in kg m^-1 s^-2, anche se l’unità esatta potrebbe non essere esplicitamente specificata nel grafico. Ogni punto nello scatterplot corrisponde a un anno nel periodo 1979-2020, con l’inverno 2019/2020 evidenziato in modo distinto, ad esempio tramite un colore o un simbolo diverso, per sottolinearne la posizione anomala rispetto agli altri anni.
Il testo associato alla figura riporta un coefficiente di correlazione di 0.46 tra i valori di Fz a 300 hPa e a 100 hPa, indicando una correlazione positiva ma moderata. Questo valore suggerisce che, sebbene vi sia una tendenza generale per cui un’elevata attività ondulatoria nella troposfera superiore si traduca in una maggiore attività nella stratosfera inferiore, questa relazione non è diretta né perfetta. La moderata correlazione implica che altri fattori, come i processi di assorbimento o riflessione delle onde nella stratosfera, possono influenzare quanta attività ondulatoria effettivamente raggiunge i livelli superiori. Inoltre, potrebbero essere presenti annotazioni accanto ai punti, come i percentili, per indicare il rango di ciascun anno nella distribuzione storica di Fz: ad esempio, un percentile del 0% indica il valore minimo, mentre un percentile del 100% rappresenta il valore massimo nel periodo considerato.
Analisi e Interpretazione dei Dati
L’analisi dello scatterplot rivela che l’inverno 2019/2020 si posiziona in una regione estrema del grafico, specificamente nell’angolo inferiore sinistro, corrispondente a valori eccezionalmente bassi di Fz sia a 300 hPa che a 100 hPa. Questo indica che durante i mesi di DJF 2019/2020 l’attività ondulatoria verticale è stata minima a entrambi i livelli altitudinali, un risultato descritto nel testo come “il minimo più coerente” tra tutti gli anni analizzati. In altre parole, il 2019/2020 si distingue per la più bassa propagazione di onde planetarie sia nella troposfera superiore che nella stratosfera inferiore, un’anomalia che ha avuto implicazioni significative per la dinamica atmosferica dell’inverno in questione.
La correlazione positiva di 0.46 tra Fz a 300 hPa e 100 hPa suggerisce che anni con un’intensa attività ondulatoria nella troposfera superiore (valori elevati di Fz a 300 hPa) tendono a presentare una maggiore propagazione di onde nella stratosfera inferiore (valori elevati di Fz a 100 hPa). Tuttavia, la natura moderata di questa correlazione evidenzia che la relazione non è lineare e che esistono anni in cui l’attività ondulatoria a 300 hPa non si traduce direttamente in un’analoga attività a 100 hPa. Ad esempio, anni come il 2018/2019, che potrebbero mostrare valori elevati di Fz a 300 hPa, potrebbero non presentare un’altrettanta intensa attività a 100 hPa, a causa di fattori come la riflessione delle onde nella stratosfera o variazioni nella configurazione della circolazione atmosferica che ne impediscono la propagazione verso l’alto.
Implicazioni Dinamiche per il Vortice Polare
La bassa attività ondulatoria osservata nel 2019/2020 a entrambi i livelli altitudinali ha avuto un impatto diretto sulla dinamica del vortice polare stratosferico. Le onde planetarie che si propagano dalla troposfera verso la stratosfera giocano un ruolo cruciale nel disturbare il vortice polare, depositando momento orientale che tende a rallentare i venti zonali occidentali e a riscaldare la stratosfera polare. Un’attività ondulatoria ridotta, come quella registrata nel 2019/2020, implica una minore perturbazione del vortice, consentendo un raffreddamento radiativo ininterrotto nella stratosfera polare e favorendo così la formazione di un vortice polare eccezionalmente forte e freddo. Questo risultato è coerente con quanto mostrato nella Figura 3 (pannelli c e d), che evidenzia come la bassa attività ondulatoria a 100 hPa durante DJF 2019/2020 sia associata a un NAM a 50 hPa estremamente elevato in JFM, indicativo di un vortice polare di forza record, e a anomalie negative di pressione a livello del mare (SLP) nella calotta polare, tipiche di una fase positiva dell’AO.
Confronto con Altri Anni e Significato Scientifico
Confrontando il 2019/2020 con altri anni, si osserva una maggiore variabilità nella distribuzione dei punti nello scatterplot. Anni con un’elevata attività ondulatoria a 300 hPa, come il 2018/2019, sono spesso associati a un vortice polare più debole, poiché l’intensa propagazione di onde tende a disturbare e indebolire il vortice, portando a eventi come i riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSW). Tuttavia, la correlazione moderata di 0.46 sottolinea che questa relazione non è universale: fattori come la configurazione riflettiva della circolazione stratosferica, discussa nel testo, possono amplificare o ridurre l’effetto dell’attività ondulatoria troposferica sulla stratosfera. Nel caso del 2019/2020, la coerenza del minimo di Fz a entrambi i livelli altitudinali suggerisce che la ridotta forzatura ondulatoria troposferica sia stata un fattore determinante nel mantenimento di un vortice polare forte e stabile, un elemento chiave per comprendere le condizioni estreme di questo inverno.
La Figura 4 rappresenta quindi un contributo fondamentale per comprendere le dinamiche atmosferiche dell’inverno 2019/2020, evidenziando come la bassa attività ondulatoria abbia favorito un vortice polare di forza record, con ripercussioni significative sull’accoppiamento stratosfera-troposfera. Questo grafico sottolinea l’importanza di analizzare l’attività ondulatoria a più livelli altitudinali per ottenere una visione completa dei processi che governano la variabilità del vortice polare e i suoi impatti sul clima superficiale, offrendo un caso di studio unico per approfondire le complesse interazioni tra troposfera e stratosfera su scale stagionali.
La Figura 5 si articola in tre pannelli distinti, identificati come (a), (b) e (c), che offrono un’analisi dettagliata delle anomalie di pressione a livello del mare (SLP) e dell’indice dell’Oscillazione Artica (AO) durante i mesi di gennaio-marzo (JFM) del 2020. Questi pannelli combinano rappresentazioni spaziali, serie temporali e statistiche di persistenza per evidenziare l’eccezionalità della fase positiva dell’AO in questo periodo, sottolineando il suo ruolo nel modulare i pattern climatici superficiali e la sua connessione con il vortice polare stratosferico insolitamente forte descritto nelle sezioni precedenti dello studio. Di seguito, ciascun pannello viene descritto e interpretato in dettaglio, con un focus sull’impatto scientifico di queste osservazioni.
Pannello (a): Distribuzione Spaziale delle Anomalie di Pressione a Livello del Mare (SLP) durante JFM 2020
Il primo pannello presenta una mappa delle anomalie di pressione a livello del mare (SLP) nell’emisfero settentrionale durante il periodo di gennaio-marzo (JFM) 2020, con valori espressi in hPa. L’asse orizzontale copre l’intera gamma di longitudini, da 0° a 360°, mentre l’asse verticale rappresenta le latitudini, estendendosi da 20°N fino al Polo Nord (90°N). La scala cromatica utilizzata varia generalmente da tonalità di blu a tonalità di rosso: le aree in blu indicano anomalie negative di pressione (SLP inferiore alla media climatologica), mentre le aree in rosso denotano anomalie positive (SLP superiore alla media). La scala potrebbe variare, ad esempio, da -10 hPa a +10 hPa, coprendo un’ampia gamma di deviazioni rispetto alla norma.
L’analisi della mappa rivela un pattern anulare distintivo, tipico della fase positiva dell’AO: una vasta regione di pressione anomala bassa è centrata sulla calotta polare, approssimativamente tra 65°N e 90°N, circondata da un anello di pressione anomala alta che si estende alle medie latitudini, tra circa 40°N e 60°N. Questo pattern riflette una configurazione classica della fase positiva dell’AO, in cui un gradiente di pressione più marcato tra il polo e le medie latitudini intensifica i venti occidentali, influenzando profondamente i pattern climatici superficiali. Ad esempio, questa distribuzione è coerente con temperature più calde in Eurasia e più fredde in regioni come il Canada, la Groenlandia e l’Alaska, come descritto in sezioni successive dello studio. La presenza di questo pattern anulare durante JFM 2020 conferma la stretta relazione tra il forte vortice polare stratosferico, che ha caratterizzato questo inverno, e la circolazione troposferica, evidenziando un accoppiamento dinamico significativo tra i due strati atmosferici. La distribuzione spaziale delle anomalie SLP sottolinea quindi il ruolo dominante dell’AO nel determinare le condizioni meteorologiche su larga scala durante questo periodo.
Pannello (b): Serie Temporale dell’Indice AOCPC Medio per JFM dal 1950 al 2020
Il secondo pannello mostra una serie temporale dell’indice AOCPC (Arctic Oscillation Climate Prediction Center) medio per i mesi di gennaio-marzo (JFM) di ogni anno dal 1950 al 2020. Sull’asse orizzontale sono riportati gli anni, coprendo un intervallo di oltre 70 anni, mentre sull’asse verticale sono rappresentati i valori adimensionali dell’indice AOCPC, che misura l’intensità dell’AO a livello del mare. I dati sono probabilmente rappresentati come una linea continua o una serie di punti, con il valore corrispondente al 2020 evidenziato in modo distinto, ad esempio tramite un colore diverso (come il rosso) o un simbolo specifico, per sottolinearne la posizione anomala.
L’indice AOCPC medio di JFM mostra una variabilità significativa nel corso del periodo analizzato, con valori che oscillano generalmente tra -2 e +2 nella maggior parte degli anni. Valori positivi indicano una fase positiva dell’AO, caratterizzata da una pressione più bassa al polo e più alta alle medie latitudini, mentre valori negativi riflettono una fase negativa, con una configurazione opposta. Nel 2020, l’indice AOCPC medio di JFM raggiunge un valore di circa 2.7, il più alto mai registrato nel record storico che si estende dal 1950. Questo valore supera tutti gli anni precedenti, inclusi eventi significativi come quelli del 1988/1989 e del 1989/1990, che avevano raggiunto valori intorno a 1.5-2. L’eccezionale intensità dell’AO nel 2020 è coerente con la forza record del vortice polare stratosferico descritto nelle sezioni precedenti e con il pattern anulare delle anomalie SLP mostrato nel pannello (a). Questo risultato evidenzia l’unicità dell’inverno 2019/2020, in cui la fase positiva dell’AO ha raggiunto un’intensità senza precedenti, con implicazioni significative per la distribuzione della pressione atmosferica e i pattern climatici associati.
Pannello (c): Persistenza dell’Indice AOCPC durante JFM 2020
Il terzo pannello si concentra sulla persistenza dell’indice AOCPC durante JFM 2020, confrontandola con gli anni precedenti attraverso statistiche specifiche. Questo pannello potrebbe essere rappresentato come un grafico a barre o un diagramma alternativo, illustrando due metriche principali: i valori minimo e massimo giornalieri dell’indice AOCPC durante JFM 2020, messi a confronto con il record storico, e il numero di giorni consecutivi in cui l’indice AOCPC è rimasto al di sopra di una determinata soglia, nello specifico il valore di 1.0, per ogni anno dal 1950 al 2020.
L’analisi rivela che durante JFM 2020 sia il valore minimo che il valore massimo giornaliero dell’indice AOCPC sono i più alti mai registrati dal 1950. Questo indica che anche nei giorni in cui l’AO era meno intenso, l’indice è rimasto eccezionalmente positivo, riflettendo una fase positiva dell’AO di straordinaria stabilità. Inoltre, l’indice AOCPC è rimasto consecutivamente sopra il valore di 1 per un periodo di 56 giorni, un intervallo di tempo che supera qualsiasi altro anno nel record storico. Per confronto, anni come il 1988/1989 e il 1989/1990, pur avendo registrato fasi positive significative, non hanno raggiunto né la stessa intensità né una persistenza comparabile a quella osservata nel 2020. Questo livello di persistenza senza precedenti sottolinea la durata eccezionale della fase positiva dell’AO durante questo inverno, un elemento che amplifica il suo impatto sui pattern climatici superficiali e che la distingue come un evento di rilevanza climatica straordinaria.
Significato Scientifico
La Figura 5 fornisce un’analisi completa dell’eccezionalità della fase positiva dell’AO durante JFM 2020, evidenziandone sia l’intensità che la persistenza. Il pannello (a) dimostra come questa fase positiva si sia tradotta in un pattern anulare di anomalie SLP, con una pressione anomala bassa al polo e alta alle medie latitudini, che ha influenzato profondamente i pattern climatici superficiali, portando a temperature più calde in Eurasia e più fredde in Nord America, come descritto in sezioni successive dello studio. Il pannello (b) conferma che l’indice AOCPC medio di JFM 2020 è il più alto dal 1950, superando tutti gli anni precedenti e posizionando questo inverno come un evento record in termini di intensità dell’AO. Il pannello (c) aggiunge un ulteriore livello di analisi, mostrando come la persistenza dell’AO positiva, con 56 giorni consecutivi sopra la soglia di 1, sia anch’essa senza precedenti, evidenziando la stabilità eccezionale di questa fase. Questi risultati sottolineano la stretta connessione tra il forte vortice polare stratosferico e la circolazione troposferica, dimostrando il ruolo dominante dell’AO nel determinare le condizioni climatiche dell’inverno 2019/2020. La combinazione di intensità e persistenza record rende questo evento un caso di studio cruciale per comprendere gli impatti dell’accoppiamento stratosfera-troposfera sul clima globale, offrendo spunti significativi per future indagini sulla variabilità climatica e le sue implicazioni regionali.
Controllo dinamico della forza del vortice polare: interazioni tra onde atmosferiche e riflessione
La stagione invernale 2019/2020 si è distinta per le condizioni eccezionali del sistema atmosferico che collega la stratosfera e la troposfera, culminando nella formazione di un vortice polare stratosferico insolitamente intenso. Per comprendere meglio i meccanismi che hanno portato a questa configurazione, è necessario analizzare in dettaglio i processi legati alla guida delle onde atmosferiche durante questa stagione, con particolare attenzione alle dinamiche che hanno influenzato la forza del vortice polare.
L’intensità straordinaria del vortice polare stratosferico osservata nel 2020 può essere parzialmente spiegata esaminando l’evoluzione delle condizioni di guida delle onde nella troposfera nel corso della stagione. Le onde atmosferiche che si sviluppano nella troposfera possono interagire con i modelli di onde stazionarie tipiche del clima in modo costruttivo o distruttivo. Quando l’interferenza è costruttiva, l’attività delle onde si amplifica, influenzando significativamente il vortice polare; al contrario, un’interferenza distruttiva tende a sopprimere tale attività. Le mappe delle anomalie dell’altezza geopotenziale a 300 hPa, un livello atmosferico rappresentativo della troposfera superiore, forniscono un quadro dettagliato di queste interazioni durante la stagione 2019/2020, confrontando le anomalie osservate con i modelli di onde stazionarie climatologiche.
Nel mese di novembre 2019, si è osservata una configurazione favorevole alla guida delle onde, caratterizzata da un rafforzamento delle dorsali atmosferiche in regioni chiave come il Golfo dell’Alaska e i monti Urali. Queste anomalie nell’altezza geopotenziale si sono allineate in modo costruttivo con le onde stazionarie climatologiche, favorendo un’intensificazione dell’attività delle onde verso la stratosfera. Questo processo è stato associato a un aumento dell’attività di propagazione verticale delle onde, che ha temporaneamente indebolito il vortice polare in un breve evento registrato tra metà e fine novembre. Al contrario, il mese di dicembre ha mostrato un quadro più complesso, con anomalie dell’altezza geopotenziale meno coerenti e periodi alternati di attività di onde sia positiva che negativa, riflettendo una dinamica troposferica più variabile.
Gennaio 2020 si è distinto per una configurazione marcatamente diversa. Le anomalie dell’altezza geopotenziale hanno assunto una disposizione che interferiva in modo distruttivo con le onde stazionarie climatologiche, specialmente sopra il Nord America e l’Oceano Pacifico. Questa configurazione ha portato a una riduzione persistente dell’attività di propagazione delle onde verso la stratosfera, con valori anomali bassi di attività verticale osservati sia nella troposfera che nella stratosfera. Questo periodo prolungato di bassa attività di onde verso l’alto ha contribuito a mantenere e rafforzare il vortice polare. Nei mesi di febbraio e marzo 2020, le anomalie dell’altezza geopotenziale hanno riflesso lo sviluppo di uno stato atmosferico caratteristico, con valori negativi nella regione polare e valori positivi alle medie latitudini, un pattern coerente con uno stato positivo della modalità anulare settentrionale e dell’oscillazione artica.
Nonostante il quadro generale di bassa attività di propagazione delle onde verso l’alto durante i mesi di dicembre, gennaio e febbraio, ci sono stati momenti specifici nella stagione 2019/2020 in cui l’attività delle onde nella stratosfera è risultata anomala alta. Questi episodi si sono verificati, ad esempio, tra metà e fine novembre, da metà dicembre a inizio gennaio, a fine gennaio/inizio febbraio e a metà marzo. Sorprendentemente, questi periodi di intensa attività di onde nella stratosfera sembrano aver contribuito, in modo apparentemente paradossale, al rafforzamento del vortice polare.
Un elemento chiave per comprendere questo fenomeno è l’osservazione di periodi in cui il flusso di calore associato alle onde atmosferiche, un indicatore critico della direzione di propagazione delle onde, risultava negativo nella stratosfera. In queste fasi, la propagazione delle onde non avveniva verso l’alto, come tipicamente accade, ma verso il basso, un processo noto come riflessione delle onde. La componente verticale del flusso di energia associato alle onde atmosferiche è fortemente influenzata dal flusso di calore, e i periodi prolungati di flusso negativo osservati in gennaio, febbraio e marzo indicano che l’attività di onde verso il basso ha dominato in questi momenti. Di conseguenza, i valori medi stagionali di attività verticale delle onde, specialmente a livelli stratosferici bassi, riflettono non solo una riduzione della propagazione verso l’alto, ma anche un contributo significativo di propagazione verso il basso.
Le interazioni tra le onde atmosferiche e il flusso medio giocano un ruolo cruciale nel modulare le temperature stratosferiche polari durante l’inverno. Normalmente, le onde planetarie che si propagano verso l’alto depositano momento verso est, generando una circolazione residua che induce una discesa d’aria nella regione polare. Questo processo provoca un riscaldamento adiabatico della stratosfera polare, mantenendo le temperature lontane dall’equilibrio radiativo. Tuttavia, quando si verificano eventi di flusso di calore negativo, associati alla propagazione delle onde verso il basso, la circolazione residua può invertirsi, portando a un movimento ascendente nella regione polare. Questo movimento ascendente causa un raffreddamento adiabatico transitorio della stratosfera polare, che contribuisce a rafforzare il vortice polare.
Gli eventi di riflessione delle onde, che facilitano questa propagazione verso il basso, tendono a verificarsi in configurazioni specifiche dei venti stratosferici, particolarmente favorevoli alla riflessione delle onde di grande scala, come quelle con numero d’onda zonale pari a uno. Queste condizioni erano presenti durante la stagione 2019/2020, e la loro influenza ha contribuito a creare le condizioni per un vortice polare eccezionalmente robusto. In sintesi, la complessa interplay tra guida delle onde troposferiche, interferenza con le onde stazionarie climatologiche e episodi di riflessione delle onde nella stratosfera ha determinato la straordinaria forza del vortice polare osservata durante l’inverno 2019/2020.Durante l’inverno del 2020, il modello dei venti zonali nell’atmosfera stratosferica ha assunto una configurazione che ha favorito la riflessione delle onde atmosferiche, un fenomeno particolarmente evidente a partire dalla metà della stagione invernale. Le analisi dei venti zonali medi mensili e dei vettori del flusso di Eliassen-Palm (EP) offrono una visione dettagliata di questa evoluzione dinamica. Nei mesi di novembre e dicembre, il flusso atmosferico nella stratosfera era dominato da un getto zonale ampio e continuo, con un gradiente positivo di vento zonale (shear) che si estendeva su gran parte delle regioni extratropicali. In questo contesto, i vettori del flusso EP indicavano una propagazione delle onde atmosferiche prevalentemente all’interno delle zone caratterizzate da forti venti occidentali, mentre la propagazione verso le latitudini equatoriali risultava ostacolata dalla presenza di venti orientali nella stratosfera tropicale. Tuttavia, a partire da gennaio e proseguendo fino a marzo, si è instaurata una struttura di getto più complessa, definita come “sdoppiata”. Questa configurazione presentava due massimi distinti: uno situato ad alte latitudini, intorno a 60–70°N, nella stratosfera inferiore e superiore, e un altro a latitudini subtropicali, tra 30–40°N, nella stratosfera medio-alta. Tale struttura era caratterizzata da una marcata curvatura dei venti zonali, un minimo di vento zonale nella stratosfera inferiore e media che si estendeva dalle basse alle medie latitudini, e un gradiente negativo di vento zonale intorno a 60°N nella stratosfera media e superiore.
Questa configurazione del vortice polare si è dimostrata particolarmente favorevole alla riflessione delle onde stazionarie di grande scala, in particolare quelle con numero d’onda zonale pari a uno. Il minimo di vento zonale nella stratosfera inferiore e media agiva come una barriera che confinava meridionalmente le onde, mentre il forte gradiente negativo di vento zonale nella stratosfera superiore fungeva da ostacolo verticale, limitando la propagazione delle onde verso altitudini maggiori. Data la natura transitoria degli eventi di riflessione, i vettori medi mensili del flusso EP non mostravano chiari segnali di propagazione verso il basso nei mesi da gennaio a marzo. Tuttavia, evidenziavano la presenza di una regione ad alta latitudine con gradiente negativo di vento zonale, dove la propagazione verticale delle onde risultava inibita, nonostante la persistenza di venti occidentali.
La formazione iniziale di questa struttura di getto sdoppiato è stata innescata da un disturbo transitorio all’inizio di gennaio, che ha influenzato principalmente il vortice polare nella stratosfera medio-alta. Le serie temporali dei venti zonali e dell’accelerazione indotta dalla divergenza del flusso EP, analizzate a livelli di pressione di 10 e 1 hPa da novembre a marzo, mostrano che il massimo del getto a 1 hPa, inizialmente posizionato a latitudini relativamente basse (circa 40°N), si è spostato verso il polo sotto l’effetto della guida delle onde, per poi essere quasi completamente eroso all’inizio di gennaio. A causa della diminuzione della densità atmosferica con l’altitudine, le onde che raggiungono la stratosfera superiore tendono ad amplificarsi e a rompersi, causando un riscaldamento della stratosfera polare superiore e uno spostamento verso il polo del bordo del vortice. Tuttavia, i tempi di rilassamento radiativo a queste altitudini sono brevi, consentendo un rapido raffreddamento radiativo e la ricostituzione del massimo del getto stratosferico superiore a latitudini più basse. Questo processo si è manifestato nell’evoluzione dei venti zonali a 1 hPa in gennaio e si è ripetuto in febbraio. Al contrario, il getto a 10 hPa è rimasto relativamente stabile durante questi periodi, grazie alla natura transitoria delle pulsazioni di onde verso l’alto, portando allo sviluppo di un gradiente negativo di vento tra la stratosfera media e superiore intorno a 60–70°N.
Gli eventi di flusso di calore negativo, indicativi di propagazione delle onde verso il basso, si sono verificati solo dopo l’instaurazione di questo gradiente negativo di vento e durante la fase di recupero del getto stratosferico medio-alto a medie latitudini, associato alla struttura sdoppiata dei venti zonali. Questa configurazione riflettente, insieme agli episodi di flusso di calore negativo, ha contribuito a un raffreddamento dinamico e a un rafforzamento del vortice polare durante la stagione del 2020. L’analisi della velocità verticale media di pressione nella regione polare tra 60–90°N e delle variazioni temporali delle altezze geopotenziali della calotta polare rivela che i periodi con flussi di calore negativi a 60°N coincidevano con inversioni della velocità residua, che si estendevano attraverso quasi l’intera colonna stratosferica polare. Questi eventi erano associati a tendenze negative delle altezze geopotenziali della calotta polare, che riflettono variazioni nello spessore della colonna stratosferica e sono strettamente legate alla dinamica della modalità anulare settentrionale. Le tendenze negative indicano che, durante questi episodi, il vortice polare si è raffreddato e rafforzato, in linea con quanto riportato in studi precedenti.
La stagione di gennaio-marzo 2020 si è distinta per un numero eccezionalmente elevato di giorni con flussi di calore negativi a 60°N e con una velocità verticale residua invertita a 50 hPa, secondo i dati del record MERRA-2. Anni precedenti con un numero significativo di giorni con flussi di calore negativi, come il 1989/1990, il 1999/2000 e il 2010/2011, erano anch’essi caratterizzati da vortici polari stagionali particolarmente intensi. Tuttavia, il 2019/2020 si è distinto per un numero di giorni con flussi di calore negativi circa doppio rispetto a questi anni. Inoltre, le stagioni invernali con un numero elevato di giorni con flussi di calore negativi (10 o più) mostravano spesso una configurazione di getto sdoppiato nei venti zonali medi per uno o più mesi, simile a quella osservata nel 2019/2020. Questa combinazione di fattori evidenzia il ruolo cruciale delle dinamiche di riflessione delle onde e della struttura dei venti zonali nel determinare l’intensità straordinaria del vortice polare durante l’inverno 2020.
La Figura 6 offre un’analisi approfondita delle anomalie climatiche osservate nell’emisfero settentrionale durante il periodo di gennaio-marzo (JFM) del 2020, concentrandosi sulle variazioni di temperatura superficiale e precipitazioni, e sulla loro relazione con due indici climatici chiave: l’Oscillazione Artica (AO) e un indice denominato AC0cpc. La figura è strutturata in sei pannelli, ciascuno dei quali fornisce una prospettiva specifica su questi fenomeni, combinando rappresentazioni cartografiche e grafici di medie zonali per una comprensione dettagliata delle dinamiche atmosferiche in gioco.
Il primo pannello, identificato come (a), presenta una mappa delle anomalie di temperatura superficiale registrate nel periodo JFM 2020. Le anomalie sono espresse in gradi Kelvin (K), con una scala cromatica che varia da -5 K (in blu, per indicare temperature inferiori alla media) a +5 K (in rosso, per temperature superiori alla media). La distribuzione geografica delle anomalie rivela pattern significativi: si osserva un marcato riscaldamento in vaste aree della Siberia e dell’Europa orientale, dove le temperature hanno superato la media climatologica di diversi gradi, mentre regioni come il Canada settentrionale e parte della Groenlandia mostrano un raffreddamento, con temperature inferiori alla norma. Questo contrasto riflette l’influenza di dinamiche atmosferiche su larga scala, come la configurazione del vortice polare e le oscillazioni climatiche dominanti in quel periodo.
Il pannello (d) complementa questa analisi mostrando le anomalie delle precipitazioni nello stesso periodo, misurate in millimetri al giorno (mm/giorno). La scala cromatica varia da -2 mm/giorno (in marrone, per indicare precipitazioni inferiori alla media) a +2 mm/giorno (in verde, per precipitazioni sopra la media). La mappa evidenzia una distribuzione eterogenea: l’Europa settentrionale, in particolare la Scandinavia, registra precipitazioni superiori alla norma, suggerendo condizioni più umide del solito, mentre alcune regioni dell’Asia centrale mostrano un deficit di precipitazioni, indicative di condizioni più secche. Questi pattern di precipitazioni sono influenzati da fattori come la posizione dei sistemi di bassa pressione e l’interazione con le correnti a getto, modulate a loro volta da oscillazioni climatiche.
I pannelli (b) ed (e) approfondiscono l’analisi esaminando la relazione tra le anomalie osservate e gli indici climatici. Il pannello (b) mostra la componente delle anomalie di temperatura superficiale che risulta congruente con l’indice AO, ovvero quella parte delle variazioni di temperatura che può essere direttamente associata alla variabilità dell’Oscillazione Artica. Anche in questo caso, la scala cromatica utilizza il blu per anomalie negative e il rosso per quelle positive. La mappa evidenzia un pattern tipico di una fase positiva dell’AO: un raffreddamento pronunciato alle alte latitudini, come in Groenlandia, dove le temperature sono inferiori alla media, e un riscaldamento alle medie latitudini, come in Europa, dove le temperature sono superiori alla norma. Questo schema riflette la dinamica dell’AO, che in fase positiva tende a rafforzare il vortice polare, confinando l’aria fredda alle alte latitudini e permettendo l’ingresso di aria più mite alle latitudini inferiori.
Il pannello (e) applica un’analisi simile alle precipitazioni, mostrando la componente delle anomalie di precipitazioni che è congruente con l’indice AC0cpc. La mappa rivela che le precipitazioni sopra la media osservate in regioni come la Scandinavia sono in parte spiegate dall’influenza di questo indice, mentre altre aree, come alcune regioni dell’Asia centrale, mostrano un deficit di precipitazioni correlato a questa dinamica climatica. Questo suggerisce che l’indice AC0cpc abbia avuto un ruolo significativo nel modulare i pattern di precipitazione durante il periodo JFM 2020, probabilmente attraverso la sua influenza sulla posizione dei sistemi di bassa pressione e sulle traiettorie delle tempeste.
I pannelli (c) ed (f) offrono una prospettiva complementare attraverso grafici delle medie zonali, che rappresentano le anomalie medie calcolate lungo le latitudini, da 0 a 90°N. Il pannello (c) analizza le anomalie di temperatura superficiale, con l’asse verticale che varia da -1 a +2 K. La linea nera rappresenta le anomalie osservate, la linea tratteggiata rossa indica la componente congruente con l’AO, e la linea tratteggiata blu rappresenta la componente residua, ovvero quella parte delle anomalie non spiegata dall’AO. Il grafico mostra che alle alte latitudini (60–80°N) le anomalie osservate sono prevalentemente negative, coerenti con il raffreddamento osservato in regioni come la Groenlandia, mentre alle medie latitudini (30–50°N) le anomalie sono positive, riflettendo il riscaldamento in Europa e in altre aree. La componente congruente con l’AO spiega una porzione significativa di queste variazioni, soprattutto alle alte latitudini, ma la presenza di una componente residua indica che altri fattori, come variazioni locali o influenze di altri modi climatici, hanno contribuito al pattern complessivo.
Il pannello (f) applica lo stesso approccio alle precipitazioni, con l’asse verticale che varia da -0,3 a +0,3 mm/giorno. La linea nera rappresenta le anomalie osservate, la linea tratteggiata rossa la componente congruente con l’indice AC0cpc, e la linea tratteggiata blu la componente residua. Il grafico evidenzia variazioni significative lungo le latitudini, con anomalie positive alle alte latitudini (ad esempio, precipitazioni sopra la media in Scandinavia) e anomalie negative in altre regioni. L’indice AC0cpc contribuisce a spiegare una parte rilevante di queste variazioni, soprattutto alle alte latitudini, ma la componente residua suggerisce che altri fattori abbiano influenzato i pattern di precipitazione, come la variabilità regionale o l’interazione con altri sistemi climatici.
In sintesi, la Figura 6 fornisce un’analisi dettagliata delle anomalie di temperatura superficiale e precipitazioni osservate nell’emisfero settentrionale durante il periodo JFM 2020, evidenziando l’importante ruolo dell’Oscillazione Artica e dell’indice AC0cpc nel modulare questi pattern climatici. Le mappe e i grafici di medie zonali offrono una visione integrata, mostrando sia la distribuzione geografica delle anomalie sia la loro distribuzione latitudinale, e separando il contributo degli indici climatici da altre influenze. Questa analisi sottolinea la complessità delle dinamiche atmosferiche durante l’inverno 2020, caratterizzate da una forte interazione tra il vortice polare, le oscillazioni climatiche e le condizioni meteorologiche locali.
La Figura 7 offre un’analisi dettagliata delle dinamiche atmosferiche che hanno caratterizzato l’inverno 2019/2020, con particolare attenzione all’evoluzione delle anomalie di altezza geopotenziale a 300 hPa, alla loro interazione con le onde stazionarie climatologiche, e al ruolo della propagazione delle onde nella modulazione del vortice polare stratosferico. La figura si articola in sei pannelli, che coprono il periodo da novembre 2019 a marzo 2020, combinando rappresentazioni cartografiche mensili e una serie temporale per evidenziare i cambiamenti nelle condizioni di guida delle onde e nel flusso di calore meridionale, entrambi elementi chiave per comprendere la straordinaria intensità del vortice polare durante quella stagione.
I primi cinque pannelli, identificati come (a) a (e), presentano mappe mensili dell’emisfero settentrionale che mostrano le anomalie di altezza geopotenziale a 300 hPa, rappresentate mediante una scala cromatica che varia da -200 metri (blu, per anomalie negative) a +200 metri (rosso, per anomalie positive). Sovrapposte a queste anomalie, sono tracciate le onde stazionarie climatologiche sotto forma di contorni, con intervalli di 40 metri nel range compreso tra -200 e 200 metri. Le altezze geopotenziali a 300 hPa sono un indicatore della pressione atmosferica nella troposfera superiore e riflettono la configurazione dei sistemi di alta e bassa pressione, mentre le onde stazionarie climatologiche rappresentano la struttura media delle onde planetarie su scala stagionale. L’interazione tra le anomalie osservate e queste onde stazionarie determina se la guida delle onde verso la stratosfera risulta amplificata (interferenza costruttiva) o soppressa (interferenza distruttiva), influenzando direttamente la dinamica del vortice polare.
Nel mese di novembre 2019, illustrato nel pannello (a), si osservano anomalie positive marcate in regioni specifiche, come il Golfo dell’Alaska e i monti Urali, dove le altezze geopotenziali sono significativamente superiori alla media (zone rosse). Queste anomalie si allineano in modo costruttivo con le onde stazionarie climatologiche, indicando un’amplificazione dell’attività di propagazione delle onde verso la stratosfera. Tale configurazione è coerente con un aumento della guida delle onde, che ha portato a un temporaneo indebolimento del vortice polare in quel mese, come evidenziato da altre analisi della stagione. Passando a dicembre 2019, mostrato nel pannello (b), le anomalie di altezza geopotenziale appaiono meno coerenti, con un’alternanza di regioni con valori sopra e sotto la media. Questa distribuzione suggerisce un’interferenza meno definita con le onde stazionarie, riflettendo una dinamica più variabile e un’attività di guida delle onde altalenante, con periodi di amplificazione e soppressione che si susseguono.
Gennaio 2020, rappresentato nel pannello (c), segna un cambiamento significativo. Le anomalie di altezza geopotenziale mostrano una configurazione che interferisce in modo distruttivo con le onde stazionarie climatologiche, in particolare sopra il Nord America e l’Oceano Pacifico, dove si registrano altezze geopotenziali inferiori alla media (zone blu). Questa disposizione ha portato a una riduzione persistente dell’attività di propagazione delle onde verso la stratosfera, contribuendo a mantenere e rafforzare il vortice polare durante questo mese. Nei mesi di febbraio e marzo 2020, illustrati nei pannelli (d) ed (e), emerge uno schema caratteristico di uno stato positivo della modalità anulare settentrionale (NAM) e dell’Oscillazione Artica (AO). Si osservano anomalie negative (blu) nella calotta polare, indicative di una maggiore pressione e di un vortice polare più forte, e anomalie positive (rosse) alle medie latitudini, che riflettono condizioni più miti in quelle regioni. Questo pattern è tipico di una fase positiva dell’AO, che tende a intensificare il vortice polare e a confinare l’aria fredda alle alte latitudini.
Il pannello (f) completa l’analisi con una serie temporale delle anomalie della componente verticale del flusso di Eliassen-Palm (Fz), mediata tra 40 e 80°N, a diversi livelli di pressione che vanno da 0,1 a 1000 hPa, nel periodo compreso tra novembre 2019 e aprile 2020. Fz è un indicatore dell’attività di propagazione delle onde verso l’alto, e le anomalie sono rappresentate in unità standardizzate, con una scala cromatica che va da -4 (blu, per anomalie negative) a +4 (rosso, per anomalie positive). I contorni tratteggiati in questo pannello evidenziano i periodi in cui il flusso di calore meridionale medio tra 40 e 80°N era negativo, un segnale di propagazione delle onde verso il basso, ovvero di riflessione. La serie temporale mostra diversi episodi di Fz positivo, come a metà-fine novembre, da metà dicembre a inizio gennaio, a fine gennaio-inizio febbraio e a metà marzo, che indicano un’attività di propagazione delle onde verso l’alto. Tuttavia, si registrano anche periodi di Fz negativo, particolarmente evidenti in gennaio, febbraio e marzo, associati a flussi di calore negativi. Questi episodi di riflessione delle onde hanno contribuito al rafforzamento del vortice polare, poiché la propagazione verso il basso tende a ridurre il trasferimento di momento verso est nella stratosfera, favorendo un raffreddamento adiabatico e un’intensificazione del vortice.
In sintesi, la Figura 7 fornisce un quadro completo delle dinamiche atmosferiche che hanno influenzato il vortice polare durante l’inverno 2019/2020. Le mappe mensili delle anomalie di altezza geopotenziale a 300 hPa, combinate con le onde stazionarie climatologiche, mostrano come l’interferenza costruttiva o distruttiva abbia modulato l’attività di guida delle onde, con effetti significativi sulla stratosfera. La serie temporale di Fz e del flusso di calore meridionale evidenzia i periodi di propagazione delle onde verso l’alto e verso il basso, sottolineando il ruolo della riflessione nel promuovere un vortice polare eccezionalmente forte. Questa analisi dimostra la complessità delle interazioni tra troposfera e stratosfera e il loro impatto sulla variabilità climatica stagionale.
La Figura 8 offre un’analisi approfondita delle dinamiche atmosferiche che hanno caratterizzato l’evoluzione dei venti zonali medi e della propagazione delle onde durante la stagione invernale 2019/2020, con particolare attenzione alla configurazione del vortice polare e al suo ruolo nella modulazione della riflessione delle onde. La figura si articola in sette pannelli, suddivisi in due sezioni principali: le sezioni trasversali latitudine-pressione, che mostrano la distribuzione mensile dei venti zonali e dei vettori del flusso di Eliassen-Palm (EP), e le serie temporali, che illustrano l’evoluzione temporale dei venti zonali e dell’accelerazione indotta dalla divergenza del flusso EP a livelli di pressione specifici. Questa analisi copre il periodo da novembre 2019 a marzo 2020 e fornisce una visione dettagliata delle condizioni che hanno portato alla formazione di un vortice polare eccezionalmente forte.
I pannelli da (a) a (e) presentano sezioni trasversali latitudine-pressione dei venti zonali medi, rappresentati tramite una scala cromatica che varia da -40 m/s (blu, per indicare venti orientali) a +80 m/s (rosso, per venti occidentali), sovrapposti ai vettori del flusso EP, che indicano la direzione di propagazione delle onde atmosferiche. L’asse verticale di queste sezioni copre i livelli di pressione da 0,1 a 1000 hPa, rappresentando l’intera colonna atmosferica dalla troposfera alla stratosfera superiore, mentre l’asse orizzontale si estende da 0 a 90°N, coprendo tutte le latitudini dell’emisfero settentrionale. Nei mesi di novembre e dicembre 2019, mostrati nei pannelli (a) e (b), si osserva una struttura di getto stratosferico ampia e relativamente semplice, con venti occidentali predominanti che raggiungono intensità fino a 60 m/s su gran parte delle latitudini extratropicali. I vettori del flusso EP in questi mesi indicano una chiara propagazione delle onde verso l’alto nelle regioni dominate da venti occidentali, con traiettorie che si estendono attraverso la stratosfera. Tuttavia, la propagazione verso l’equatore è inibita dalla presenza di venti orientali nella stratosfera tropicale, visibili come aree blu tra 0 e 20°N, che agiscono come una barriera per le onde planetarie.
A partire da gennaio 2020, e proseguendo fino a marzo, come illustrato nei pannelli (c), (d) ed (e), la struttura del getto stratosferico subisce una trasformazione significativa, evolvendo verso una configurazione definita come “sdoppiata”. Questa configurazione è caratterizzata da due massimi distinti: un massimo ad alta latitudine, intorno a 60–70°N, che si manifesta nella stratosfera inferiore e superiore, e un massimo subtropicale, tra 30 e 40°N, localizzato nella stratosfera medio-alta. Tra questi due massimi si sviluppa un minimo di vento zonale nella stratosfera inferiore e media, che si estende dalle basse alle medie latitudini (20–50°N). Inoltre, si osserva un gradiente negativo di vento zonale (shear) intorno a 60°N nella stratosfera media e superiore, una caratteristica che indica un cambiamento nella direzione del vento con l’altitudine. Questa struttura sdoppiata è nota per essere altamente riflettente per le onde stazionarie di numero d’onda 1, poiché il minimo di vento zonale confina meridionalmente le onde, mentre il gradiente negativo di vento agisce come un “coperchio” verticale che impedisce la loro propagazione verso altitudini superiori. I vettori del flusso EP in questi mesi confermano questa dinamica, mostrando un’inibizione della propagazione verticale delle onde nelle regioni ad alta latitudine con shear negativo, un segnale chiaro di riflessione, nonostante i venti rimangano occidentali.
I pannelli (f) e (g) approfondiscono l’analisi attraverso serie temporali dei venti zonali e della divergenza del flusso EP a due livelli di pressione specifici: 1 hPa e 10 hPa, rispettivamente, coprendo il periodo da novembre 2019 ad aprile 2020. L’asse orizzontale rappresenta il tempo, mentre l’asse verticale mostra la latitudine da 0 a 90°N. I venti zonali sono rappresentati con una scala cromatica che varia da 0 a 100 m/s, e la divergenza del flusso EP, che misura l’accelerazione dei venti indotta dalle onde, è indicata tramite contorni a ±8, 16, 32, 64 m/s/giorno (escludendo i contorni per valori nulli). A 1 hPa, illustrato nel pannello (f), il massimo del getto inizia la stagione a latitudini relativamente basse, intorno a 40°N, ma si sposta verso il polo sotto l’influenza della guida delle onde, come indicato dalla divergenza negativa del flusso EP, che rappresenta una decelerazione dei venti. All’inizio di gennaio, il getto a 1 hPa viene quasi completamente eroso, un processo legato all’amplificazione e alla rottura delle onde nella stratosfera superiore, che causano un riscaldamento locale e uno spostamento del bordo del vortice verso il polo. Tuttavia, a causa dei brevi tempi di rilassamento radiativo a queste altitudini, il getto si ricostituisce rapidamente a latitudini più basse, un ciclo che si ripete in febbraio.
A 10 hPa, mostrato nel pannello (g), il getto del vortice polare si dimostra più stabile, con un massimo persistente intorno a 60–70°N durante l’intera stagione. Tuttavia, si nota lo sviluppo di un gradiente negativo di vento tra la stratosfera media e superiore, associato alla configurazione riflettente osservata nei pannelli precedenti. Questo gradiente è il risultato della natura transitoria delle pulsazioni di onde verso l’alto, che influenzano principalmente la stratosfera superiore, lasciando il livello di 10 hPa relativamente indisturbato. La divergenza del flusso EP a 10 hPa mostra variazioni meno pronunciate rispetto a 1 hPa, ma evidenzia comunque periodi di decelerazione dei venti associati all’attività delle onde, che contribuiscono alla dinamica complessiva del vortice polare.
In sintesi, la Figura 8 fornisce una visione completa dell’evoluzione della struttura del vortice polare durante l’inverno 2019/2020, evidenziando il passaggio da un getto stratosferico unico e ampio a una configurazione sdoppiata e riflettente a partire da gennaio 2020. Questa struttura ha favorito la riflessione delle onde, limitando la loro propagazione verso l’alto e contribuendo al raffreddamento dinamico e al rafforzamento del vortice polare, come dimostrato dalle variazioni nei venti zonali e nella divergenza del flusso EP. Le sezioni trasversali e le serie temporali offrono una prospettiva integrata, mostrando come le condizioni atmosferiche abbiano interagito su diverse scale temporali e spaziali per produrre un vortice polare eccezionalmente robusto.
La Figura 9 fornisce un’analisi dettagliata delle dinamiche atmosferiche nella regione polare dell’emisfero settentrionale (60–90°N) durante l’inverno 2019/2020, con un’enfasi particolare sull’interazione tra la velocità verticale residua, le variazioni delle altezze geopotenziali e la frequenza degli eventi di flusso di calore negativo e di inversione della velocità verticale. La figura si compone di tre pannelli, ciascuno dei quali esplora un aspetto specifico di queste dinamiche su scale temporali diverse, offrendo un quadro completo delle condizioni che hanno contribuito al rafforzamento del vortice polare in quella stagione. Questa analisi si inserisce nel contesto di una stagione invernale eccezionale, caratterizzata da un vortice polare stratosferico insolitamente intenso, e mette in luce il ruolo della riflessione delle onde e delle sue conseguenze sulla circolazione stratosferica.
Il primo pannello, identificato come (a), presenta una sezione temporale-pressione della velocità verticale residua media nella calotta polare (60–90°N), coprendo il periodo da dicembre 2019 ad aprile 2020. L’asse orizzontale rappresenta il tempo, mentre l’asse verticale indica i livelli di pressione, che si estendono da 1 a 100 hPa, corrispondenti alla stratosfera media e inferiore. La velocità verticale residua, denotata come ω*, è espressa in millipascal al secondo (mPa/s), con una scala cromatica che varia da -1 mPa/s (blu, indicativo di un movimento ascendente) a +1 mPa/s (rosso, indicativo di un movimento discendente). I contorni tratteggiati sovrapposti alla mappa evidenziano i periodi in cui il flusso di calore meridionale a 60°N (v’T’) risultava negativo, un segnale di riflessione delle onde atmosferiche, durante il quale la propagazione delle onde avviene verso il basso anziché verso l’alto. Si osservano chiaramente episodi significativi di inversione della velocità verticale residua, in particolare nei mesi di gennaio, febbraio e marzo 2020. In queste fasi, la velocità verticale residua passa da valori negativi, che indicano un movimento discendente tipico della circolazione residua invernale (associata a un riscaldamento adiabatico della stratosfera polare), a valori positivi, che indicano un movimento ascendente. Queste inversioni si estendono attraverso gran parte della colonna stratosferica polare e coincidono temporalmente con i periodi di flusso di calore negativo, suggerendo che la riflessione delle onde abbia alterato la circolazione residua, portando a un movimento ascendente che contribuisce al raffreddamento adiabatico della stratosfera polare.
Il secondo pannello, identificato come (b), complementa questa analisi mostrando una sezione temporale-pressione delle tendenze delle altezze geopotenziali medie nella stessa regione polare e nello stesso periodo. Le tendenze sono espresse in metri al giorno (m/giorno), con una scala cromatica che varia da -250 m/giorno (blu, indicativo di una diminuzione delle altezze geopotenziali) a +250 m/giorno (rosso, indicativo di un aumento). Anche in questo caso, i contorni tratteggiati indicano i periodi di flusso di calore negativo a 60°N. Durante questi eventi, si registrano tendenze negative pronunciate delle altezze geopotenziali, specialmente nei mesi di gennaio, febbraio e marzo 2020. Una diminuzione delle altezze geopotenziali è indicativa di una riduzione dello spessore della colonna stratosferica, un fenomeno che si verifica in presenza di un raffreddamento adiabatico causato dal movimento ascendente dell’aria. Questo processo è coerente con l’inversione della velocità verticale residua osservata nel pannello (a) e con il rafforzamento del vortice polare, poiché un raffreddamento della stratosfera polare tende a intensificare i venti zonali occidentali, stabilizzando e rafforzando il vortice. Le tendenze negative delle altezze geopotenziali sono strettamente legate alla dinamica della modalità anulare settentrionale (NAM), che in questo contesto riflette un’anomalia negativa nella regione polare, tipica di un vortice polare forte.
Il terzo pannello, identificato come (c), offre una prospettiva storica attraverso un istogramma che riporta il numero di giorni durante il periodo di gennaio-marzo (JFM) di ogni anno dal 1980 al 2020 in cui si sono verificati due tipi di eventi a 50 hPa: il flusso di calore meridionale negativo a 60°N (v’T’ < 0, rappresentato da barre nere) e la velocità verticale residua invertita (ω* < 0, rappresentata da barre grigie). Questi eventi sono indicatori di condizioni favorevoli alla riflessione delle onde e al raffreddamento dinamico della stratosfera polare. L’istogramma rivela che il 2020 si distingue come un anno eccezionale, con circa 30 giorni di flusso di calore negativo e un numero simile di giorni con velocità verticale residua invertita, il valore più alto nella serie storica analizzata. Altri anni con un numero significativo di giorni con flusso di calore negativo includono il 1989/1990, il 1999/2000 e il 2010/2011, tutti noti per aver registrato vortici polari stagionali mediamente forti. Tuttavia, il 2020 presenta un numero di giorni circa doppio rispetto a questi anni, sottolineando la singolarità di questa stagione. La correlazione tra un numero elevato di giorni con flusso di calore negativo e la presenza di un vortice polare forte è coerente con il ruolo della riflessione delle onde nel modulare la temperatura e la dinamica stratosferica, un fenomeno che sembra essere stato particolarmente pronunciato durante l’inverno 2019/2020.
In sintesi, la Figura 9 evidenzia il ruolo cruciale della riflessione delle onde nel determinare le condizioni atmosferiche della regione polare durante l’inverno 2019/2020. I periodi di flusso di calore negativo hanno portato a inversioni della velocità verticale residua, causando un movimento ascendente nella colonna stratosferica che ha indotto un raffreddamento adiabatico, come confermato dalle tendenze negative delle altezze geopotenziali. Questi processi hanno contribuito al rafforzamento del vortice polare, un effetto che si riflette anche nella modalità anulare settentrionale. L’eccezionalità del 2020 è ulteriormente avvalorata dal record storico di giorni con flusso di calore negativo e velocità verticale invertita, che posizionano questa stagione come un caso estremo nella climatologia recente. Questa analisi sottolinea la complessità delle interazioni tra la propagazione delle onde, la circolazione residua e la dinamica del vortice polare, offrendo una comprensione approfondita dei meccanismi che hanno reso l’inverno 2019/2020 un evento di rilevanza scientifica.
La Figura 10 presenta un’analisi dettagliata della durata e dell’intensità del vortice polare stratosferico a 490 K (circa 10 hPa) durante la stagione invernale 2019/2020, mettendo in evidenza la sua eccezionalità rispetto a un periodo storico che si estende dal 1980 al 2020. La figura si articola in quattro pannelli, organizzati in due colonne: la colonna di sinistra mostra serie temporali giornaliere dell’area del vortice e dei gradienti di vorticità potenziale (PV), mentre la colonna di destra fornisce statistiche annuali derivate, come l’ultimo giorno in cui l’area del vortice supera una determinata soglia e la media stagionale dei gradienti di PV. Questa analisi si concentra su due parametri chiave: l’area del vortice polare, che indica la sua estensione spaziale, e i gradienti massimi di vorticità potenziale, che riflettono l’intensità e la compattezza del vortice, offrendo una visione completa della sua dinamica durante l’inverno 2019/2020.
Il primo pannello, identificato come (a), mostra l’evoluzione giornaliera dell’area del vortice polare a 490 K, espressa in milioni di chilometri quadrati (km²), nel periodo che va da novembre a giugno. La stagione 2019/2020 è rappresentata con una linea blu, mentre altri anni significativi sono evidenziati con colori diversi: il 2015/2016 in verde, il 2010/2011 in arancione e il 1996/1997 in rosa. Le linee grigie rappresentano tutti gli altri anni della serie storica, e un’area ombreggiata grigia delimita l’intervallo climatologico, calcolato escludendo i quattro anni con valori estremi per evitare distorsioni. Durante l’inverno 2019/2020, l’area del vortice polare si mantiene eccezionalmente ampia per un periodo prolungato, raggiungendo valori massimi vicini a 30 milioni di km² nei mesi centrali dell’inverno, un’estensione che supera significativamente la media climatologica. Inoltre, il vortice rimane al di sopra della soglia di 10 milioni di km² fino a maggio, un periodo molto più lungo rispetto alla maggior parte degli anni analizzati, dove l’area del vortice tende a ridursi drasticamente già a marzo o aprile. Questo indica una persistenza straordinaria del vortice polare, che si è mantenuto ben definito e ampio fino a tarda primavera, un comportamento anomalo rispetto agli standard climatologici.
Il secondo pannello, identificato come (b), approfondisce la persistenza del vortice polare attraverso un istogramma che riporta l’ultimo giorno dell’anno (espresso in giorni dall’inizio dell’anno) in cui l’area del vortice a 490 K supera la soglia di 10 milioni di km², per ogni anno dal 1980 al 2020. Una linea orizzontale tratteggiata rappresenta la media climatologica di questa metrica. Nel 2020, l’area del vortice polare rimane sopra questa soglia fino a circa il 120° giorno dell’anno, corrispondente all’inizio di maggio, un valore che rappresenta un record nella serie storica analizzata. Questo dato è significativamente più alto rispetto alla media climatologica, che si attesta intorno all’80° giorno (fine marzo), e supera anche altri anni notevoli, come il 2016 (verde) e il 2011 (arancione), in cui il vortice si è dissolto prima. La persistenza eccezionale del vortice polare nel 2020 è indicativa di una stabilità e di una resistenza fuori dal comune, probabilmente legata alla ridotta attività di propagazione delle onde verso l’alto e agli episodi di riflessione delle onde, che hanno contribuito a mantenere il vortice intatto per un periodo prolungato.
Il terzo pannello, identificato come (c), analizza l’intensità del vortice polare attraverso i gradienti massimi di vorticità potenziale (PV) a 490 K, scalati rispetto alla latitudine equivalente e espressi in unità di 10⁻⁵ s⁻¹ deg⁻¹, da novembre a giugno. Anche in questo caso, la stagione 2019/2020 è rappresentata in blu, con gli stessi anni di confronto del pannello (a). I gradienti di PV sono un indicatore della compattezza e dell’intensità del vortice: valori elevati indicano un vortice ben definito con forti contrasti di vorticità al suo bordo, che lo rendono più resistente alle perturbazioni. Nel 2019/2020, i gradienti di PV raggiungono valori eccezionalmente alti, superando spesso 0,2 10⁻⁵ s⁻¹ deg⁻¹ per gran parte dell’inverno, un livello che si mantiene ben al di sopra della media climatologica. Anche in questo caso, il vortice polare mostra una persistenza notevole, con gradienti elevati che si protraggono fino a tarda primavera, a differenza della maggior parte degli anni, dove i gradienti tendono a diminuire più rapidamente dopo il picco invernale. Questo comportamento riflette un vortice polare non solo ampio, ma anche estremamente intenso e ben strutturato, capace di resistere alle dinamiche che tipicamente lo indeboliscono verso la fine dell’inverno.
Il quarto pannello, identificato come (d), offre una sintesi stagionale attraverso un istogramma della media di novembre-marzo dei gradienti massimi di PV a 490 K per ogni anno dal 1980 al 2020. La linea tratteggiata indica la media climatologica di questa metrica. Il 2020 (blu) registra il valore medio più alto della serie storica, pari a circa 0,12 10⁻⁵ s⁻¹ deg⁻¹, superando anche anni noti per la loro intensità, come il 1997 (rosa) e il 2011 (arancione). Questo dato conferma che l’inverno 2019/2020 non è stato solo caratterizzato da un vortice polare di dimensioni eccezionali, ma anche da un’intensità senza precedenti, con gradienti di PV che riflettono una struttura particolarmente robusta e stabile. La media climatologica, calcolata escludendo i quattro anni estremi, si attesta a un valore significativamente più basso, evidenziando ulteriormente l’anomalia del 2020 rispetto al contesto storico.
In sintesi, la Figura 10 dimostra che l’inverno 2019/2020 ha registrato un vortice polare stratosferico a 490 K di dimensioni, intensità e persistenza eccezionali. L’area del vortice si è mantenuta ampia fino a tarda primavera, come evidenziato dalla serie temporale e dall’ultimo giorno sopra la soglia di 10 milioni di km², mentre i gradienti di PV indicano un’intensità record, sia in termini di valori giornalieri che di media stagionale. Questi risultati sottolineano la singolarità della stagione 2019/2020, che si distingue non solo per l’estensione spaziale del vortice, ma anche per la sua capacità di mantenere una struttura intensa e ben definita per un periodo insolitamente lungo, un fenomeno probabilmente legato alla dinamica delle onde atmosferiche e alla configurazione riflettente dei venti zonali, che hanno limitato le perturbazioni e favorito la stabilità del vortice. Questa analisi offre una prospettiva chiara sull’eccezionalità dell’inverno 2019/2020 nel contesto della variabilità climatica stratosferica degli ultimi decenni.
3.4. Elaborazione Polare e Perdita di Ozono
L’interazione bidirezionale delle onde atmosferiche ha favorito lo sviluppo e il mantenimento di un vortice polare straordinariamente intenso, contribuendo a una perdita di ozono senza precedenti. In questa sezione, analizzeremo come le peculiarità del vortice polare e le condizioni al suo interno abbiano creato un ambiente favorevole alla distruzione chimica dell’ozono. Confronteremo le diagnostiche dell’elaborazione polare con altri anni caratterizzati da vortici polari forti e freddi o significative perdite di ozono, come il 1996/1997 (Coy et al., 1997; Manney et al., 1997; Newman et al., 1997), il 2010/2011 (Manney et al., 2011) e il 2015/2016 (Manney & Lawrence, 2016; Matthias et al., 2016). L’inverno del 2015/2016, pur non culminando in un marcato deficit di ozono stratosferico in primavera, si è distinto per un vortice polare eccezionalmente forte e freddo, interrotto bruscamente da un riscaldamento finale precoce. Questo caso rappresenta un contrasto rispetto agli altri, evidenziando condizioni estreme di elaborazione polare che non hanno portato a una perdita estrema di ozono.
Il vortice polare del 2019/2020 si è rivelato particolarmente intenso e persistente nella bassa stratosfera, fungendo da contenitore ideale per i processi chimici attivati all’inizio della primavera con il ritorno della luce solare. La Figura 10 illustra le serie temporali dell’area del vortice e dei gradienti massimi di vorticità potenziale (PV) sulla superficie isentropica di 490 K (circa 50–60 hPa). A novembre, il vortice del 2019/2020 a 490 K risultava più esteso della norma, ma da dicembre a gennaio presentava dimensioni nella media. Tuttavia, ha mantenuto un’area stabile compresa tra 20 e 25 milioni di km² fino all’inizio di aprile, raggiungendo in quel periodo una delle estensioni più ampie mai registrate.
Nella bassa stratosfera, gradienti di PV elevati limitano il mescolamento di aria dentro e fuori dal vortice, e l’intensità di tali gradienti indica quanto il bordo del vortice funga da barriera al trasporto (ad esempio, Juckes & McIntyre, 1987; Hoskins et al., 1985; Scott et al., 2004). Qui presentiamo i gradienti di PV in funzione della latitudine equivalente, che misura la vicinanza delle contour di PV in un sistema di coordinate basato sull’area equivalente (vedi, ad esempio, Butchart & Remsberg, 1986). Durante la stagione 2019/2020, i gradienti massimi giornalieri di PV, tipicamente localizzati al confine del vortice, erano inizialmente nella norma, ma sono diventati eccezionalmente intensi da gennaio, toccando valori record tra febbraio e aprile (FMA) (Figura 10c). L’area del vortice stratosferico inferiore nel 2019/2020 è rimasta superiore a 10 milioni di km² per un periodo più lungo rispetto a qualsiasi altro anno precedente (Figura 10b), superando persino il 1996/1997, che deteneva il record per l’estensione maggiore da fine marzo a inizio maggio. Allo stesso modo, i gradienti massimi medi di PV nel periodo da novembre ad aprile 2020 hanno raggiunto i valori più alti nel record MERRA-2 (Figura 10d).Durante la stagione 2019/2020, il vortice polare stratosferico ha raggiunto temperature eccezionalmente basse, registrando il record di freddo nel dataset MERRA-2 per la formazione di nubi stratosferiche polari (PSC). Come illustrato nella Figura 11, le temperature minime giornaliere a 50 hPa (Figura 11a) hanno toccato valori minimi storici a novembre e nei primi giorni di dicembre, mantenendosi al di sotto della soglia di formazione delle PSC di tipo NAT (nitrato acido triidrato) fino a circa il 25 marzo. Sebbene questa data non rappresenti il record per la persistenza più tardiva delle basse temperature, la stagione 2019/2020 si è distinta per il numero totale di giorni con temperature inferiori a TNAT, come mostrato nella Figura 11b. Questo risultato è attribuibile all’insorgenza precoce del periodo di freddo estremo. La frazione volumetrica del vortice nella bassa stratosfera con temperature al di sotto di TNAT (V NAT /V vort), riportata nella Figura 11c, corrobora questa osservazione: durante metà novembre e l’inizio di dicembre, la stagione 2019/2020 ha raggiunto valori massimi senza precedenti. Successivamente, il volume di aria fredda all’interno del vortice è rimasto relativamente costante, con frazioni comprese tra 0,4 e 0,5 fino ai primi di marzo, fatta eccezione per una breve riduzione all’inizio di febbraio. La Figura 11d evidenzia che, nella media stagionale, circa un terzo del volume del vortice nella bassa stratosfera presentava condizioni termodinamiche favorevoli alla formazione di PSC, un valore che rappresenta il massimo registrato nel record MERRA-2.
I dati presentati indicano che la stagione 2019/2020 ha offerto le condizioni più favorevoli mai osservate per la perdita di ozono stratosferico. Le dinamiche di elaborazione polare di questa stagione mostrano somiglianze significative con quelle osservate nel 2010/2011, caratterizzata da un vortice di dimensioni relativamente stabili fino a tarda stagione, gradienti di vorticità potenziale (PV) insolitamente intensi e un periodo prolungato di temperature estremamente basse. Anche la stagione 2015/2016 ha registrato un’insorgenza precoce di temperature rigide, mantenendo alcuni record di freddo, ma il vortice si è dissolto anticipatamente a causa di un riscaldamento stratosferico finale di natura dinamica. Al contrario, la stagione 1996/1997 ha subito un ritardo di circa un mese nei processi di elaborazione polare a causa di un riscaldamento stratosferico minore in pieno inverno, che ha mantenuto il vortice ridotto in dimensioni, meno intenso e con temperature più elevate, limitando così il tempo disponibile per i processi chimici associati alla deplezione dell’ozono.
Le misurazioni dell’ozono colonnare totale a fine inverno e inizio primavera forniscono evidenze di una perdita chimica di portata eccezionale. La Figura 12 riporta le anomalie medie dell’ozono colonnare per il trimestre febbraio-marzo-aprile (FMA) 2020, affiancate da serie temporali annuali della media FMA dell’ozono colonnare al cappuccio polare (63–90°N), calcolate a partire dal 1979, periodo in cui le misurazioni satellitari dell’ozono colonnare totale sono diventate regolari. La Figura 12a rivela che, durante questi tre mesi, l’ozono colonnare al polo presentava anomalie negative superiori a 100 unità Dobson (DU). Questo deficit è ulteriormente confermato dalla serie temporale della media del cappuccio polare, illustrata nella Figura 12b, che identifica la media FMA 2020 come la più bassa mai registrata dal 1979, con un valore stagionale inferiore a 340 DU. Tuttavia, l’interpretazione dei bassi valori di ozono colonnare in termini di deplezione chimica richiede cautela, poiché fattori dinamici, come l’influenza di sistemi meteorologici troposferici, la presenza di pool di aria fredda nella bassa stratosfera e le variazioni dell’altitudine della tropopausa, possono contribuire a ridurre l’ozono colonnare su scale temporali che vanno dal giornaliero al stagionale (cfr. Manney et al., 2011; Petzoldt, 1999). Inoltre, una diminuzione della forzatura d’onda del vortice o un aumento degli eventi di accoppiamento d’onda discendente possono indebolire la circolazione residua stratosferica, riducendo il rifornimento verticale di ozono e contribuendo a valori di ozono colonnare totali insolitamente bassi (Lubis et al., 2017; Shaw & Perlwitz, 2014; Tegtmeier et al., 2008). Nonostante queste complessità, la persistenza delle condizioni di elaborazione polare favorevoli alla perdita chimica, combinata con i valori di ozono colonnare eccezionalmente bassi, suggerisce che la deplezione chimica abbia giocato un ruolo predominante nel 2019/2020. A supporto di questa ipotesi, Manney et al. (2020) documentano evidenze di perdita chimica nei profili verticali di ozono, con livelli di deplezione pari o superiori a quelli osservati nel 2011.
La Figura 11 offre un’analisi dettagliata delle condizioni termodinamiche nel vortice polare stratosferico a una pressione di 50 hPa, corrispondente a un’altitudine di circa 20 chilometri, durante la stagione 2019/2020, con particolare attenzione alla formazione delle nubi stratosferiche polari, note per il loro ruolo nei processi di deplezione dell’ozono. La figura è composta da quattro pannelli distinti, organizzati in due colonne: i pannelli sulla sinistra presentano serie temporali giornaliere che coprono il periodo da novembre ad aprile, mentre quelli sulla destra mostrano statistiche annuali integrate che coprono un arco temporale dal 1979 al 2020. Di seguito, ciascun pannello viene descritto in modo approfondito per illustrare le condizioni eccezionali osservate nella stagione 2019/2020.
Il primo pannello, posizionato in alto a sinistra, riporta l’andamento delle temperature minime giornaliere registrate a 50 hPa nella regione polare, considerando latitudini superiori a 40 gradi nord, per quattro stagioni specifiche: 2019/2020, 2010/2011, 2015/2016 e 1996/1997. Queste stagioni sono rappresentate rispettivamente con linee colorate in blu, arancione, verde e rosa, mentre un’area grigia in sottofondo indica la variabilità climatica tipica per il periodo. L’asse orizzontale copre i mesi da novembre ad aprile, e l’asse verticale riporta le temperature in gradi Kelvin, con valori che oscillano tra 185 e 215 gradi. Due soglie critiche sono evidenziate con linee nere orizzontali: la prima, attorno a 195 gradi Kelvin, rappresenta la temperatura al di sotto della quale si formano le nubi stratosferiche polari di tipo nitrato acido triidrato; la seconda, attorno a 188 gradi Kelvin, indica la soglia per la formazione di nubi di ghiaccio. Durante la stagione 2019/2020, rappresentata dalla linea blu, le temperature scendono al di sotto della soglia per le nubi di nitrato acido triidrato già a novembre, toccando valori minimi storici in quel mese e all’inizio di dicembre. Queste temperature rigide persistono fino a circa il 25 marzo, evidenziando un periodo prolungato in cui le condizioni erano favorevoli alla formazione di queste nubi, un fattore chiave per i processi chimici che portano alla perdita di ozono.
Il secondo pannello, situato in alto a destra, mostra il numero totale di giorni tra novembre e marzo in cui le temperature a 50 hPa sono state inferiori alla soglia di formazione delle nubi di nitrato acido triidrato, per ogni anno dal 1979 al 2020. L’asse verticale indica il numero di giorni, con valori che variano da 0 a 120. Le barre rappresentano i dati annuali, con la stagione 2019/2020 evidenziata in blu, quella del 2010/2011 in arancione, quella del 2015/2016 in verde e quella del 1996/1997 in rosa. Piccole linee verticali sopra le barre, chiamate whiskers, indicano l’incertezza associata alla stima della soglia di temperatura, considerando una variazione di più o meno 1 grado Kelvin. La stagione 2019/2020 si distingue nettamente, con circa 110 giorni di temperature sotto la soglia, un numero record rispetto a tutte le altre stagioni, incluse quelle del 2010/2011 e del 2015/2016. Questo risultato è attribuibile all’insorgenza precoce del freddo intenso e alla sua lunga persistenza, che hanno creato un ambiente eccezionalmente favorevole alla formazione delle nubi stratosferiche polari per un periodo esteso.
Il terzo pannello, in basso a sinistra, rappresenta la frazione del volume del vortice stratosferico inferiore in cui le temperature erano inferiori alla soglia di formazione delle nubi di nitrato acido triidrato, calcolata giornalmente da novembre ad aprile. L’asse verticale indica questa frazione, con valori che vanno da 0 a 0,6, corrispondenti a percentuali dal 0% al 60%. Anche qui, le stagioni 2019/2020, 2010/2011, 2015/2016 e 1996/1997 sono rappresentate con linee colorate, mentre l’area grigia mostra la variabilità climatica. Nella stagione 2019/2020, indicata in blu, questa frazione raggiunge valori massimi storici a metà novembre e all’inizio di dicembre, arrivando a circa il 50-60% del volume del vortice. Successivamente, il valore si stabilizza tra il 40% e il 50% fino all’inizio di marzo, con una breve diminuzione all’inizio di febbraio. Questo andamento evidenzia come una porzione significativa del vortice polare sia rimasta in condizioni favorevoli alla formazione delle nubi stratosferiche polari per gran parte della stagione, un elemento che sottolinea l’intensità e la persistenza del freddo in quell’anno.
Infine, il quarto pannello, in basso a destra, presenta la media stagionale della frazione di volume del vortice con temperature sotto la soglia di formazione delle nubi di nitrato acido triidrato, calcolata per il periodo novembre-marzo di ogni anno dal 1979 al 2020. L’asse verticale mostra questa frazione, con valori che variano da 0 a 0,4, corrispondenti a percentuali dal 0% al 40%. Le barre annuali sono accompagnate dai whiskers per indicare l’incertezza nella stima della soglia di temperatura. La stagione 2019/2020, evidenziata in blu, registra il valore più alto dell’intero periodo, con circa il 33% del volume del vortice in condizioni favorevoli alla formazione delle nubi stratosferiche polari, superando tutte le altre stagioni, incluse quelle del 2010/2011 e del 2015/2016. Questo dato sottolinea ulteriormente l’eccezionalità della stagione 2019/2020 in termini di condizioni termodinamiche.
In sintesi, la Figura 11 dimostra che la stagione 2019/2020 si è distinta per temperature minime record, un numero eccezionale di giorni con freddo intenso e una frazione significativa del vortice polare in condizioni favorevoli alla formazione delle nubi stratosferiche polari. Questi fattori hanno creato un ambiente particolarmente favorevole ai processi chimici responsabili della deplezione dell’ozono stratosferico, rendendo questa stagione unica nel contesto del record storico analizzato.
La Figura 12 offre un’analisi approfondita delle condizioni di ozono colonnare totale nell’emisfero settentrionale durante il trimestre di febbraio, marzo e aprile del 2020, con un confronto dettagliato rispetto ai dati storici che si estendono dal 1979 al 2020. La figura si compone di due pannelli distinti, etichettati come (a) e (b), che forniscono rispettivamente una rappresentazione spaziale delle anomalie di ozono per il 2020 e un’analisi temporale della media di ozono nel cappuccio polare artico. Entrambi i pannelli sono progettati per evidenziare l’entità della perdita di ozono durante il 2020 e per contestualizzarla rispetto ad altri anni significativi. Di seguito, ciascun pannello viene descritto in modo esteso, con un linguaggio scientifico dettagliato, per chiarire i risultati presentati.
Il primo pannello, posizionato a sinistra e identificato come (a), presenta una mappa dell’emisfero settentrionale che mostra le anomalie medie di ozono colonnare totale per i mesi di febbraio, marzo e aprile del 2020. L’ozono colonnare totale rappresenta la quantità complessiva di ozono presente in una colonna verticale che attraversa l’atmosfera, espressa in unità Dobson, una misura standard utilizzata per quantificare la concentrazione di ozono. Le anomalie qui rappresentate sono calcolate come deviazioni rispetto a una media climatica di lungo periodo, e i valori sono indicati con una scala cromatica che varia da un massimo negativo di -120 unità Dobson, indicato con un blu scuro che rappresenta una perdita significativa di ozono, a un massimo positivo di +60 unità Dobson, indicato con un rosso intenso che segnala un eccesso di ozono rispetto alla norma. La mappa mostra chiaramente una regione di anomalia negativa molto pronunciata al polo nord, dove il deficit di ozono supera le 100 unità Dobson, evidenziato da un’area di blu scuro concentrata nella zona polare. Questo indica una perdita di ozono eccezionalmente elevata nella regione del cappuccio polare, che comprende le latitudini comprese tra 63 e 90 gradi nord. Allontanandosi dal polo, le anomalie diventano meno intense: i colori passano a tonalità di blu più chiare, indicando un deficit minore, e raggiungono valori prossimi allo zero, rappresentati da colori neutri, in aree a latitudini più basse. Questa distribuzione spaziale delle anomalie suggerisce che la perdita di ozono è stata particolarmente concentrata nella regione polare, un fenomeno coerente con i processi chimici di deplezione dell’ozono favoriti dalle condizioni estreme del vortice polare, come le temperature molto basse e la presenza di nubi stratosferiche polari. Queste nubi, come descritto in precedenza, facilitano reazioni chimiche che distruggono l’ozono, un processo amplificato dalla dinamica del vortice polare durante il 2019/2020.
Il secondo pannello, posizionato a destra e identificato come (b), riporta una serie temporale annuale della media di ozono colonnare totale nel cappuccio polare, ossia nella regione compresa tra 63 e 90 gradi di latitudine nord, calcolata per i mesi di febbraio, marzo e aprile di ogni anno dal 1979 al 2020. L’asse verticale indica i valori medi di ozono in unità Dobson, con una scala che si estende da 300 a 550 unità, mentre l’asse orizzontale rappresenta gli anni, coprendo un periodo di oltre quattro decenni. La linea nera che attraversa il grafico collega i valori medi annuali di ozono per il trimestre in questione, mostrando una variabilità significativa tra gli anni. Per ogni anno, sono presenti piccole linee verticali, chiamate whiskers, che indicano l’intervallo di variazione giornaliera dei valori di ozono durante il periodo di febbraio, marzo e aprile, offrendo un’indicazione della dispersione dei dati all’interno della stagione. Una linea tratteggiata nera orizzontale è posizionata attorno al valore di 340 unità Dobson, che corrisponde alla media registrata per il 2020, fornendo un punto di riferimento visivo per il confronto con gli altri anni. La serie temporale rivela che il valore medio del 2020, indicato con un punto blu, è il più basso dell’intero periodo analizzato, scendendo a circa 340 unità Dobson. Questo valore è inferiore persino ai minimi storici registrati in anni noti per perdite di ozono significative, come il 1996/1997, rappresentato in rosa, il 2010/2011, in arancione, e il 2015/2016, in verde. Questi anni sono stati selezionati per il confronto perché caratterizzati da condizioni di vortice polare estreme, ma nessuno di essi mostra un deficit di ozono paragonabile a quello del 2020. La serie temporale evidenzia anche una lacuna nei dati tra il 1994 e il 1996, un periodo in cui le osservazioni satellitari dell’ozono colonnare totale non erano disponibili in modo continuo. Osservando l’andamento complessivo, si nota una certa variabilità: alcuni anni, specialmente negli anni ’80 e nei primi anni 2000, mostrano valori di ozono superiori a 450 unità Dobson, mentre altri, come il 2020, scendono ben al di sotto della media storica, evidenziando l’eccezionalità di questa stagione.
In sintesi, la Figura 12 sottolinea l’entità straordinaria della perdita di ozono registrata nei mesi di febbraio, marzo e aprile del 2020. Il primo pannello evidenzia un’anomalia negativa concentrata al polo nord, con un deficit superiore a 100 unità Dobson, mentre il secondo pannello conferma che la media di ozono nel cappuccio polare per il 2020 è la più bassa mai registrata dal 1979, attestandosi a un valore inferiore a 340 unità Dobson. Questi risultati sono coerenti con le condizioni eccezionali del vortice polare durante la stagione 2019/2020, che hanno creato un ambiente favorevole alla deplezione chimica dell’ozono, come dimostrato dalla persistenza di basse temperature e dalla formazione prolungata di nubi stratosferiche polari. Il confronto con altri anni critici, come il 1996/1997, il 2010/2011 e il 2015/2016, mette in luce la gravità del fenomeno nel 2020, rendendo questa stagione un caso di studio di grande rilevanza per comprendere i meccanismi che regolano la perdita di ozono stratosferico nella regione artica.
4. Discussione
Abbiamo descritto le peculiarità del vortice polare del 2019/2020, evidenziando il suo legame con gli estremi climatici osservati nell’Oscillazione Artica (AO) e nella deplezione dell’ozono stratosferico. I risultati sottolineano in modo particolare la convergenza cruciale di condizioni troposferiche e stratosferiche che hanno reso possibili eventi eccezionali come l’intensità del vortice polare, l’andamento dell’AO e la significativa perdita di ozono. Questi fenomeni, nel loro insieme, rappresentano gli effetti di un evento di vortice forte tra i più estremi e coerentemente accoppiati mai registrati negli inverni dell’emisfero settentrionale. Alcune stagioni invernali precedenti, come quelle del 1996/1997, del 1999/2000 e del 2010/2011, mostrano somiglianze con il 2019/2020, poiché anch’esse hanno presentato vortici polari insolitamente intensi, freddi e persistenti (come mostrato nelle Figure 3 e 11), un elevato numero di giorni con flusso di calore negativo (Figura 9) e condizioni di elaborazione polare più favorevoli alla perdita chimica dell’ozono (Figura 12). Tuttavia, queste stagioni invernali non hanno generalmente manifestato un accoppiamento coerente con la circolazione troposferica (Figure 3 e 5). Al contrario, inverni come quelli del 1989/1990 e del 1992/1993 sono stati caratterizzati da vortici polari forti, un numero significativo di giorni con flusso di calore negativo e fasi persistentemente positive dell’AO nella troposfera, ma non hanno registrato le condizioni di elaborazione polare insolitamente fredde e prolungate necessarie per una perdita chimica di ozono di portata eccezionale (Figura 11). La coincidenza di tutti questi fattori nella stessa stagione del 2019/2020 rende questo evento davvero unico e degno di nota.
Il presente studio ha offerto una panoramica generale degli estremi climatici verificatisi durante l’inverno 2019/2020 e delle dinamiche che li hanno generati. Tuttavia, ulteriori approfondimenti sono necessari per esplorare in dettaglio i meccanismi sottostanti, le osservazioni, la prevedibilità e l’ampiezza complessiva degli impatti. A tal proposito, proponiamo di seguito alcune domande di ricerca emerse da questo lavoro:
- Quali fattori hanno guidato (se presenti) l’intensità del vortice e/o gli eventi di AO rispetto alla variabilità interna? La variabilità interannuale del vortice polare artico è influenzata da diverse forzanti climatiche di fondo e condizioni al contorno che agiscono su scale temporali che vanno da poche settimane a intere stagioni. Questi fattori, definiti come “driver”, possono influenzare la generazione di onde atmosferiche nella troposfera o modificarne la propagazione attraverso l’atmosfera. Saranno necessari studi di modellazione dettagliati e analisi di attribuzione per stabilire se tali processi abbiano avuto un ruolo determinante nello sviluppo del vortice polare intenso e/o dell’evento AO, al di là della semplice variabilità interna. Ad esempio, le temperature superficiali del mare (SST) in diverse regioni sono state correlate alla variabilità stagionale del vortice polare artico. Alcuni studi hanno collegato i vortici polari forti e freddi delle primavere del 1997 e del 2011 ad anomalie positive delle SST nel Pacifico centro-settentrionale (Hurwitz et al., 2011, 2012); più in generale, le SST in questa regione hanno dimostrato di influenzare l’attività delle onde planetarie nella troposfera e l’intensità del vortice (ad esempio, Hu et al., 2018; Xie et al., 2020). Anche anomalie positive delle SST nell’Oceano Indiano sono state associate a un rafforzamento del vortice polare artico e a un Modo Annulare Settentrionale (NAM) positivo nella troposfera (Fletcher & Kushner, 2011; Hoerling & Kumar, 2002; Hoerling et al., 2004; Li et al., 2010), soprattutto in assenza di influenze significative dell’Oscillazione El Niño-Southern Oscillation (ENSO) (Fletcher & Cassou, 2015). È opportuno segnalare che l’autunno boreale del 2019 ha registrato un evento di dipolo dell’Oceano Indiano (IOD) di intensità record (Johnson, 2020) e temperature superficiali insolitamente elevate nel Pacifico settentrionale, legate a un’ondata di calore marino (L’Heureux, 2019), in un contesto di condizioni ENSO prevalentemente neutre. Uno studio recente condotto da Hardiman et al. (2020) attribuisce la prevedibilità dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) durante l’inverno 2019/2020 a questo evento IOD eccezionale, evidenziando in particolare il ruolo di un percorso stratosferico connesso a un vortice polare rafforzato. Altri elementi di forzatura climatica e condizioni al contorno che possono influenzare il vortice polare includono l’oscillazione Madden-Julian nella troposfera tropicale (Garfinkel et al., 2012, 2014; Lee et al., 2019; Liu et al., 2014) e l’oscillazione quasi-biennale (QBO) nella stratosfera tropicale (Baldwin et al., 2001; Garfinkel et al., 2012; Lu et al., 2020; Lubis et al., 2016; White et al., 2016). Durante l’inverno 2019/2020, la QBO ha attraversato una fase di “disgregazione”, la seconda mai registrata (Anstey et al., 2020), e al momento non è chiaro in che modo questa anomalia possa aver influenzato il vortice polare artico nel corso della stagione.
Una parte della capacità predittiva dei modelli di previsione substagionale e stagionale durante l’inverno e la primavera del 2019/2020 potrebbe essere attribuibile alla loro abilità nel prevedere l’evento di vortice polare intenso o nel partire da condizioni iniziali che già lo incorporavano. Numerose ricerche hanno evidenziato una connessione tra le condizioni iniziali della stratosfera polare durante l’inverno e un miglioramento delle prestazioni dei modelli di previsione su scale temporali che vanno da poche settimane a un’intera stagione (ad esempio, Nie et al., 2019; Scaife et al., 2016; Sigmond et al., 2013; Tripathi, Baldwin, et al., 2015; Tripathi, Charlton-Perez, et al., 2015). Studi più recenti hanno inoltre suggerito l’esistenza di una relazione tra la capacità di questi modelli di prevedere accuratamente le dinamiche stratosferiche e la loro abilità nel fornire previsioni affidabili per la troposfera (ad esempio, Domeisen et al., 2020a, 2020b). Come già accennato in precedenza, un lavoro recente condotto da Hardiman et al. (2020) ha rilevato che le condizioni del dipolo dell’Oceano Indiano, osservate tra la fine dell’autunno e l’inizio dell’inverno del 2019, hanno influenzato l’intensità del vortice polare, il quale a sua volta ha avuto ripercussioni sull’Oscillazione Nord Atlantica. Parallelamente, un altro studio recente, pubblicato all’interno della stessa raccolta speciale, a cura di Lee et al. (2020), ha analizzato un insieme di modelli di previsione stagionale multimodello, scoprendo che i membri dell’ensemble che hanno previsto con maggiore precisione l’intensità del vortice polare del 2019/2020 sono stati anche quelli che hanno riprodotto in modo più accurato lo stato anomalo della troposfera durante quella stagione.
Un’analisi più approfondita degli effetti derivanti dall’interazione tra stratosfera e troposfera appare necessaria per comprendere appieno le dinamiche in gioco. Durante l’inverno e l’inizio della primavera del 2019/2020, lo stato riflettente della stratosfera e i numerosi eventi di accoppiamento d’onda verso il basso potrebbero aver esercitato un’influenza diretta sulle condizioni meteorologiche e sulla circolazione atmosferica nella troposfera. Gli eventi di riflessione delle onde verso il basso, in particolare, hanno dimostrato di svolgere un ruolo significativo nell’innescare fasi positive dell’Oscillazione Nord Atlantica (Dunn-Sigouin & Shaw, 2015; Shaw & Perlwitz, 2013). Inoltre, in alcuni casi, questi eventi sono stati collegati all’insorgenza di fenomeni meteorologici specifici, come situazioni di blocco atmosferico nel Pacifico settentrionale e ondate di freddo che hanno colpito il Nord America e l’Eurasia (Kodera & Mukougawa, 2017; Kodera et al., 2008; Matthias & Kretschmer, 2020).
Un altro aspetto cruciale da investigare riguarda il ruolo relativo del trasporto dinamico rispetto ai processi di perdita chimica nel determinare i livelli eccezionalmente bassi di ozono colonnare registrati all’inizio della primavera del 2020. I valori di ozono nel cappuccio polare durante la fine dell’inverno e l’inizio della primavera di quell’anno sono stati i più bassi mai registrati, un fenomeno che si allinea con la persistenza di un vortice polare insolitamente intenso. Tale condizione avrebbe favorito una riduzione dell’ozono sia attraverso un indebolimento della circolazione residua, che limita il rifornimento di ozono dall’alto, sia attraverso un aumento della perdita chimica, dovuta alle temperature costantemente basse all’interno del vortice polare (Lubis et al., 2017; Shaw & Perlwitz, 2014; Tegtmeier et al., 2008). Un confronto con l’inverno 2010/2011, che in precedenza deteneva il record per la perdita di ozono più significativa, rivela che in quell’occasione sia il trasporto dinamico sia la perdita chimica avevano raggiunto livelli estremi, come dimostrato da una combinazione di osservazioni e modelli (ad esempio, Adams et al., 2012; Balis et al., 2011; Griffin et al., 2019; Manney et al., 2011; Sinnhuber et al., 2011; Strahan et al., 2013). Per il 2020, sarà altrettanto fondamentale condurre studi che integrino diverse osservazioni e modelli per distinguere il contributo relativo dei processi dinamici rispetto a quelli chimici nel determinare i bassi livelli di ozono colonnare primaverile, oltre a fornire stime quantitative della perdita chimica a diverse altitudini. A tal proposito, uno studio di Manney et al. (2020), pubblicato all’interno della stessa raccolta speciale, ha utilizzato dati relativi a specie chimiche rilevanti, raccolti dallo strumento Microwave Limb Sounder a bordo del satellite Aura, per analizzare i processi chimici e di trasporto che hanno portato a una perdita chimica eccezionale dell’ozono, culminata nei valori record di ozono basso osservati nella primavera del 2020. Altri lavori, attualmente in fase di revisione per la stessa raccolta speciale o pubblicati altrove, approfondiscono l’evoluzione dettagliata dell’ozono durante quella stagione, avvalendosi di una varietà di misurazioni e modelli (Dameris et al., 2020; Grooß & Müller, 2020; Inness et al., 2020; Wohltmann et al., 2020), mentre ulteriori ricerche sono in corso di preparazione.
Durante la fine dell’inverno e l’inizio della primavera del 2020, il vortice polare si è manifestato con un’intensità straordinaria, accompagnata da una concentrazione di ozono insolitamente bassa e da fasi persistenti di Oscillazione Artica (AO) positiva nella troposfera, eventi che hanno raggiunto livelli record su scale temporali stagionali. Questa combinazione di fenomeni suggerisce la possibilità che tali condizioni abbiano generato effetti a lungo termine e su scala più ampia, andando oltre il periodo immediato in cui si sono verificati. Per esempio, il deficit di ozono osservato nella primavera del 2020 potrebbe aver avuto un ruolo nel prolungare la fase positiva dell’AO fino al mese di aprile. Uno studio basato su modellizzazioni ha evidenziato che anomalie negative di ozono nella regione artica possono innescare un meccanismo di retroazione che rafforza il vortice polare, incrementando così la probabilità di una configurazione positiva dell’AO nella troposfera (Karpechko et al., 2014). Questo processo presenta analogie con gli effetti troposferici osservati in relazione al buco dell’ozono antartico, dove la deplezione dell’ozono stratosferico ha influenzato la circolazione atmosferica a quote più basse (Shindell & Schmidt, 2004; Thompson & Solomon, 2002; Thompson et al., 2011). La connessione tra l’ozono stratosferico e la dinamica troposferica fornisce una spiegazione al perché numerosi studi recenti abbiano identificato una correlazione tra le anomalie di ozono stratosferico primaverile nell’Artico e variazioni delle temperature superficiali e delle precipitazioni in regioni specifiche, con effetti che possono persistere per settimane o addirittura mesi (ad esempio, Calvo et al., 2015; Ivy et al., 2017; Stone et al., 2019; Wang et al., 2020; Xie et al., 2018).
Oltre a questi impatti, potrebbero essersi verificati ulteriori effetti di rilevanza climatologica, derivanti dalle condizioni estreme del 2019/2020. Una ricerca recente ha dimostrato che le intrusioni di ozono dalla stratosfera verso quote più basse durante la primavera sono fortemente influenzate dalla quantità di ozono presente nella bassa stratosfera all’inizio della stagione (Albers et al., 2018). Questo suggerisce che il livello eccezionalmente basso di ozono registrato nel 2020 potrebbe aver lasciato un’impronta significativa nelle intrusioni di ozono avvenute nella primavera di quell’anno, alterando potenzialmente la distribuzione dell’ozono a quote inferiori. Un altro studio ha messo in evidenza un legame tra una fase positiva dell’AO durante l’inverno e l’inizio della primavera e un aumento dell’attività di incendi e dell’estensione delle aree bruciate nella Siberia sudorientale, una regione in cui il rilascio di carbonio derivante dagli incendi può contribuire ad accelerare il riscaldamento dell’Artico (Kim et al., 2020). Questo fenomeno potrebbe aver amplificato gli effetti climatici a lungo termine, considerando il ruolo del carbonio come gas serra e il suo impatto sul bilancio radiativo terrestre. Inoltre, un’ulteriore indagine ha identificato una relazione tra il momento in cui il vortice polare artico si dissolve in primavera e la distribuzione delle anomalie di spessore del ghiaccio marino, con conseguenze che si estendono fino all’autunno successivo (Kelleher et al., 2020). Questo indica che il collasso del vortice polare, influenzato dalle sue condizioni eccezionali nel 2019/2020, potrebbe aver avuto ripercussioni sulla dinamica del ghiaccio marino artico per diversi mesi, influenzando potenzialmente il clima regionale e globale.
Per comprendere appieno se risposte coerenti con le relazioni sopra descritte, o altri eventi correlati, siano effettivamente emerse come risultato delle condizioni eccezionali dell’inverno e della primavera del 2019/2020, sarà necessario condurre ulteriori studi approfonditi, che analizzino in dettaglio i dati osservativi e modellistici relativi a quel periodo. Queste e altre questioni di ricerca saranno al centro di futuri approfondimenti, e si prevede che molte di esse troveranno risposta all’interno della raccolta speciale del Journal of Geophysical Research e di Geophysical Research Letters dedicata al vortice polare artico eccezionale del 2019/2020, nella quale il presente articolo è inserito.
5. Conclusioni
Il vortice polare stratosferico dell’emisfero settentrionale durante la stagione 2019/2020 si è rivelato eccezionalmente intenso. La circolazione stratosferica di tipo occidentale associata al vortice polare ha raggiunto un’intensità record per le stagioni invernali che vanno da dicembre a marzo, considerando i dati disponibili a partire dal 1979/1980. Se si prendono in considerazione anche i dati più incerti degli anni precedenti, risalenti al 1958/1959, il 2019/2020 si posiziona tra i tre eventi più intensi, sebbene il ranking possa variare a seconda del livello altitudinale analizzato (ad esempio, a 100 hPa, il 2019/2020 risulta il più forte in assoluto). La formazione di un vortice polare così robusto sembra essere il risultato di una combinazione di fattori, tra cui una ridotta forzatura d’onda proveniente dalla troposfera e una serie di eventi di accoppiamento d’onda verso il basso, che si sono verificati dopo che il vortice polare ha assunto una configurazione riflettente. Diversi aspetti dell’inverno e dell’inizio della primavera del 2019/2020 hanno raggiunto livelli record, evidenziando estremi significativi nell’interazione bidirezionale tra troposfera e stratosfera.
Sia l’Oscillazione Artica (AO) positiva che il Modo Annulare Settentrionale (NAM) stratosferico positivo si sono manifestati come un evento coerente, che ha coinvolto sia la troposfera sia la stratosfera. Questo rende difficile determinare con chiarezza la direzione della causalità tra il NAM marcatamente positivo nella stratosfera e l’AO altrettanto positiva nella troposfera. Tuttavia, la persistenza di un vortice eccezionalmente intenso lungo l’intera stratosfera suggerisce che l’influenza della stratosfera sull’AO sia stata predominante. Inoltre, è noto che gli eventi di accoppiamento d’onda verso il basso possono innescare anomalie nella circolazione troposferica compatibili con un’AO positiva (Dunn-Sigouin & Shaw, 2015; Shaw & Perlwitz, 2013), il che implica che gli episodi di riflessione delle onde stratosferiche verificatisi durante l’inverno 2019/2020 abbiano probabilmente contribuito a sostenere la fase positiva dell’AO. La media dell’AO per il trimestre gennaio-marzo 2020 è risultata la più alta mai registrata, mantenendosi costantemente positiva. Una parte significativa delle anomalie di temperatura superficiale e precipitazioni osservate nei mesi di gennaio, febbraio e marzo è risultata coerente con questo evento di AO di grande ampiezza, includendo una porzione rilevante del calore record che ha interessato l’Eurasia in quel periodo.
Il vortice polare, caratterizzato da un’intensità e una durata eccezionali, ha creato le condizioni ottimali per la distruzione chimica dell’ozono. Nella bassa stratosfera, il vortice ha agito come una barriera al trasporto estremamente efficace e di lunga durata, isolando l’aria artica durante il periodo critico di transizione dall’oscurità polare alla luce solare. Inoltre, temperature sufficientemente basse da consentire la formazione di nubi stratosferiche polari (PSC) si sono sviluppate precocemente nella stagione, coinvolgendo in media circa un terzo del volume del vortice. Complessivamente, il numero di giorni con temperature così basse ha superato i quattro mesi, un dato senza precedenti a partire dal 1979/1980. Queste condizioni hanno reso il 2019/2020 la stagione con il maggiore potenziale di perdita di ozono mai documentato, portando i livelli di ozono colonnare nel cappuccio polare a valori eccezionalmente bassi, mai registrati prima nell’Artico per questo periodo dell’anno.
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