Il Vortice Polare Stratosferico: Un Elemento Cruciale di Connessione tra la Circolazione Atmosferica Bassa e l’Attività Solare

Il Vortice Polare Stratosferico: Un Elemento Cruciale di Connessione tra la Circolazione Atmosferica Bassa e l’Attività Solare Svetlana Veretenenko Istituto Ioffe, 194021 San Pietroburgo, Russia; s.veretenenko@mail.ioffe.ru

Riassunto: Il vortice polare stratosferico rappresenta una struttura ciclonica di vasta scala che emerge all’interno di una massa d’aria fredda situata nelle regioni polari e si prolunga dalla troposfera media fino alla stratosfera. Questa entità è implicata in un’ampia gamma di dinamiche atmosferiche, inclusa la genesi di forature dell’ozono, le oscillazioni del Nord Atlantico e Artico, nonché le modificazioni nei percorsi dei cicloni extratropicali. Gli esiti di questa ricerca evidenziano il ruolo fondamentale del vortice nella mediazione degli effetti dell’attività solare sulla circolazione atmosferica a livelli bassi, dove le fluttuazioni dell’intensità del vortice sono determinanti per l’oscillazione temporale nei legami di correlazione tra i parametri atmosferici e gli eventi legati all’attività solare. In aggiunta, la posizione geografica del vortice favorisce l’interazione con modificazioni ioniche legate al flusso di particelle cariche, quali raggi cosmici e elettroni provenienti dall’aurora e dalle cinture di radiazione. Tali interazioni influenzano significativamente la composizione chimica, il regime termico dell’atmosfera polare, così come le proprietà elettriche e lo stato di nuvolosità della stessa. Il presente lavoro discute le recenti scoperte relative agli impatti dell’attività solare sullo stato del vortice polare stratosferico e il suo contributo nei meccanismi di interazione tra il Sole e l’atmosfera.

Parole Chiave: attività solare, raggi cosmici, interazioni solare-atmosfera, circolazione atmosferica bassa, vortice polare.

1. Introduzione

Negli ultimi decenni, si è accumulata un’ampia mole di evidenze che attestano l’esistenza di legami tra l’attività solare e le variazioni climatiche terrestri. Tuttavia, i meccanismi fisici sottostanti l’influenza dell’attività solare sulla circolazione dell’atmosfera inferiore rimangono parzialmente indefiniti, situazione attribuibile a molteplici complessità. Una prima problematica risiede nella presenza di diversi agenti legati all’attività solare capaci di impattare l’atmosfera, tra cui l’irradianza solare totale (TSI), le radiazioni ultraviolette e i raggi X, le perturbazioni del vento solare e dei campi magnetici interplanetari, così come i raggi cosmici solari (SCR) e galattici (GCR), e le precipitazioni di elettroni aurorali e dalle cinture di radiazione. Questi agenti differiscono sia per la quantità di energia immessa nell’atmosfera terrestre che per i meccanismi attraverso i quali influenzano i processi atmosferici. La simultaneità con cui tali fattori agiscono rende particolarmente arduo discernere il contributo specifico di ciascuno nella risposta globale dell’atmosfera.

Un ulteriore ostacolo nello studio dei legami solare-atmosfera è rappresentato dalla notevole variabilità spaziale e temporale delle risposte atmosferiche, quali variazioni di pressione, temperatura e copertura nuvolosa, che possono manifestarsi in modi significativamente diversi a seconda della regione geografica considerata. Inoltre, i legami di correlazione tra le caratteristiche atmosferiche e i fattori di attività solare mostrano una variabilità temporale, in quanto possono intensificarsi, attenuarsi, dissolversi o addirittura invertire la loro direzione in base al periodo di tempo analizzato. Tale variabilità temporale nei collegamenti di correlazione spesso solleva dubbi sulla concretezza dell’influenza dell’attività solare sull’atmosfera.

Di conseguenza, decifrare le cause di tale variabilità temporale nei collegamenti solare-atmosfera è fondamentale per elucidare i meccanismi fisici che regolano l’impatto dell’attività solare sulla circolazione atmosferica a livelli bassi, nonché sul clima e sulle condizioni meteorologiche terrestri. In questo contesto, il presente lavoro esplora il ruolo potenziale del vortice polare stratosferico come mediatore tra la circolazione atmosferica inferiore e l’attività solare, proponendolo come un elemento chiave per comprendere tali dinamiche complesse.

2. Il Vortice Polare come Potenziale Motivazione della Variabilità Temporale dei Legami Solare-Atmosferici

2.1. Il Vortice Polare e il Suo Ruolo nei Processi Atmosferici Il vortice polare stratosferico costituisce una circolazione ciclonica su larga scala che si origina nella massa d’aria fredda sovrastante la regione polare durante la metà fredda dell’anno e si estende dalla troposfera media fino alla stratosfera. La genesi del vortice è attribuibile al raffreddamento della massa d’aria sopra una superficie ghiacciata, in presenza di un bilancio di radiazione netto negativo. Tale raffreddamento e la conseguente subsidenza dell’aria inducono un incremento della pressione nelle vicinanze della superficie terrestre, portando alla formazione di un anticiclone sub-superficiale. A causa dell’elevata densità dell’aria fredda, si verifica una discesa dei livelli isobarici, determinando così contemporaneamente all’incremento della pressione superficiale, la formazione di un’area di bassa pressione al livello dei 500 hPa e superiori (ad esempio, [1]). Questo induce un movimento circolare dell’aria in senso est, che isola l’aria polare dall’aria più calda delle medie latitudini, contribuendo a un decremento della temperatura interna al vortice.

La Figura 1a mostra la distribuzione della velocità media mensile dei venti zonali, con direzione positiva da ovest a est, al livello stratosferico di 20 hPa (circa 27 km) nel gennaio del 2005 (emisfero settentrionale), secondo i dati di rianalisi NCEP-DOE (Centri Nazionali per le Previsioni Ambientali—Dipartimento dell’Energia) [2]. Il vortice appare come una cintura di robusti venti occidentali a latitudini comprese tra circa 50° e 80° N. Nella Figura 2b, i valori medi zonali (mediati sui cerchi di latitudine) della velocità del vento zonale sono esposti per differenti altitudini. I dati illustrano un intensificarsi dei venti stratosferici con l’aumento dell’altitudine nell’emisfero nord (inverno), con una velocità del vento che raggiunge circa 50–60 m·s^(-1) ai livelli superiori. Le distribuzioni dei valori medi mensili della temperatura e dell’ampiezza dei gradienti di temperatura orizzontali al livello di 20 hPa sono rappresentate nella Figura 2 per il gennaio del 2005, impiegando i dati di rianalisi NCEP/NCAR (Centri Nazionali per le Previsioni Ambientali/Centro Nazionale per la Ricerca Atmosferica) [3]. È evidente una riduzione della temperatura all’interno del vortice polare, con gradienti di temperatura che si accentuano ai suoi margini.

Il vortice polare è riconosciuto come un elemento cruciale nella circolazione atmosferica su larga scala, svolgendo un ruolo significativo in numerosi processi atmosferici. In particolare, il raffreddamento dell’aria all’interno del vortice fino a temperature molto basse (inferiori a -80 °C) favorisce la formazione di Nubi Stratosferiche Polari. Le reazioni chimiche eterogenee sulle superfici delle particelle di queste nubi portano alla produzione di cloro, che partecipa a un ciclo catalitico di distruzione dell’ozono contribuendo alla formazione dei buchi nell’ozono in Antartide [4]. La posizione e lo stato del vortice influenzano lo sviluppo di processi dinamici su larga scala nella troposfera, come l’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO) e l’Oscillazione Artica (AO). Baldwin e Dunkerton [5] hanno dimostrato che in regimi di forte vortice, gli indici NAO e AO tendono a essere positivi e che le traiettorie dei cicloni extratropicali si spostano verso nord. Gudkovich e colleghi [6] hanno correlato le alternanze di periodi freddi e caldi nell’Artico con variazioni nello stato del vortice, associando epoche calde e fredde rispettivamente a regimi di vortice forte e debole. Labitzke [7] è stato il primo a rivelare che gli effetti dell’attività solare sulle caratteristiche della stratosfera e della troposfera dipendono dalla fase delle oscillazioni quasi-biennali (QBO) nell’atmosfera, determinate dalla direzione del vento nella stratosfera equatoriale. Poiché il vortice polare tende ad essere più forte durante la fase occidentale della QBO [8], i risultati di Labitzke suggeriscono che la forza del vortice polare possa influenzare la risposta dell’atmosfera alla variabilità solare.

Le rappresentazioni grafiche illustrate nella Figura 1 forniscono una panoramica dettagliata delle dinamiche dei venti zonali nell’emisfero settentrionale per il mese di gennaio 2005, offrendo un’analisi visiva della struttura e del comportamento del vortice polare stratosferico:

a) Distribuzione della velocità media mensile del vento zonale al livello di 20 hPa: Il primo pannello presenta una mappa colorata che visualizza la velocità dei venti zonali misurata in metri al secondo (m·s^(-1)). Le intensità più elevate sono indicate con tonalità di rosso e arancione, situandosi prevalentemente attorno al polo, mentre le velocità più basse sono rappresentate in blu. Questa configurazione mette in evidenza un anello di venti occidentali robusti che circondano il polo, un tratto distintivo del vortice polare. La circulazione ciclonica che si osserva è tipica dei mesi invernali e agisce come una barriera che separa l’aria estremamente fredda della regione polare dall’aria più mite delle latitudini medie, sottolineando il ruolo del vortice nel modulare le condizioni meteorologiche e termiche della stratosfera.

b) Valori medi mensili delle velocità del vento zonale mediati zonalmente a diverse altitudini: Nel secondo pannello, un diagramma di contorno dettaglia la variazione delle velocità del vento zonale attraverso diverse latitudini, da -80° a 80°, e altitudini, da 1000 hPa (vicino alla superficie terrestre) fino a 10 hPa (alta stratosfera). Le linee di contorno e i colori del diagramma tracciano un gradiente di velocità del vento, con il blu che rappresenta le velocità più basse e il rosso quelle più elevate. Questo schema illustra chiaramente come i venti stratosferici tendano ad intensificarsi con l’aumento dell’altitudine, un fenomeno particolarmente accentuato durante il periodo invernale nell’emisfero nord. L’aumento della velocità del vento con l’altitudine è una caratteristica cruciale che riflette la dinamica verticale del vortice polare, essenziale per comprendere la trasmissione di energia e momentum attraverso le varie strati dell’atmosfera.

Queste visualizzazioni sono fondamentali non solo per la comprensione della configurazione e delle implicazioni del vortice polare nella stratosfera, ma anche per apprezzare il suo impatto su scala globale nei processi climatici e atmosferici. La dettagliata rappresentazione dei venti zonali offre spunti significativi per studi ulteriori sull’interazione tra dinamiche atmosferiche di alta quota e fenomeni meteorologici a livello superficiale.

Le rappresentazioni grafiche esposte nella figura delineano con precisione la distribuzione termica e i gradienti di temperatura a livello stratosferico di 20 hPa nell’emisfero settentrionale per il mese di gennaio 2005, offrendo una panoramica dettagliata del comportamento del vortice polare in termini di variazioni termiche:

a) Distribuzione della temperatura media mensile (in °C) al livello di 20 hPa: Questa mappa termica illustra dettagliatamente le condizioni termiche prevalenti entro il vortice polare stratosferico. Le temperature sono rappresentate attraverso una scala cromatica che varia dal blu scuro (indicante temperature estremamente basse fino a -80°C) al rosso (temperature più elevate, fino a -35°C). L’asterisco bianco segnala il punto di minima temperatura all’interno del vortice, tipicamente localizzato nella zona centralmente più fredda della mappa. Questa visualizzazione mette in evidenza come il nucleo del vortice sia caratterizzato da un isolamento termico significativo rispetto alle aree periferiche, dominando le dinamiche termiche della stratosfera superiore nei mesi invernali.

b) Distribuzione della grandezza media mensile del gradiente orizzontale di temperatura (in °C/100 km) al livello di 20 hPa: Il diagramma mostra i gradienti di temperatura, espressi in gradi Celsius per ogni centinaio di chilometri. I toni più caldi, quali il rosso e l’arancione, indicano gradienti più elevati e sono evidenti in particolare lungo i contorni del vortice, dove si verifica una rapida transizione termica tra l’aria gelida del polo e quella più temperata delle medie latitudini. Queste zone con gradienti accentuati sono cruciali, poiché rappresentano aree di significativa instabilità termica, dove potenzialmente si possono generare fenomeni meteorologici di notevole intensità.

Queste mappe, combinate, forniscono un quadro esauriente del regime termico all’interno del quale il vortice polare stratosferico opera, evidenziando il suo ruolo predominante nell’influenzare le condizioni atmosferiche generali e la sua interazione con i sistemi meteorologici adiacenti. Analizzare queste dinamiche è fondamentale per comprendere le implicazioni del vortice sulla circolazione atmosferica globale e gli impatti correlati sul clima terrestre.

2.2. Variabilità Temporale degli Effetti dell’Attività Solare sulle Caratteristiche dell’Atmosfera Inferiore: Dati Precedenti

La variabilità temporale nei collegamenti di correlazione tra le caratteristiche dell’atmosfera inferiore e i fenomeni di attività solare rappresenta un fenomeno ampiamente osservato. Tale variabilità fu per la prima volta documentata da W. Köppen [9], il quale esplorò le relazioni tra le temperature atmosferiche nell’Emisfero Settentrionale e l’attività solare. Köppen identificò variazioni decennali nelle temperature analizzate, le quali mostravano una correlazione con i numeri di Wolf; tuttavia, il segno della correlazione non era stabile, risultando positivo dal 1777 al 1790 e negativo dal 1815 al 1854. Una revisione delle modifiche nella correlazione dei parametri atmosferici (pressione, temperatura, precipitazioni, tracciati delle tempeste extratropicali, ecc.) con i cicli solari di 11 e 22 anni fu dettagliatamente trattata nella monografia di Herman e Goldberg (cfr. [10] e riferimenti citati). In particolare, essi osservarono che le temperature nella regione tropicale mostravano una correlazione negativa con i numeri di Wolf precedente al circa 1920 e una correlazione positiva nel periodo circa 1920–1950. Il livello del Lago Vittoria, dipendente dall’intensità delle precipitazioni, evidenziò una forte correlazione positiva con i numeri delle macchie solari dal 1880 al 1920; tuttavia, questa correlazione subì una discontinuità attorno al 1930 e divenne negativa dopo il 1950. Le oscillazioni di 22 anni osservate nella longitudine del Minimo Islandese (spostamenti più frequenti verso est nei cicli di 11 anni pari rispetto a quelli dispari) scomparvero temporaneamente nel periodo 1923–1943. Herman e Goldberg proposero che una possibile causa dell’instabilità dei legami solare-atmosfera potrebbe essere rappresentata da cambiamenti secolari in alcune condizioni solari che non influenzano i numeri delle macchie solari. Inoltre, i mutamenti nelle correlazioni potrebbero essere causati da variazioni in altri parametri meteorologici, il cui ruolo nei processi analizzati varia a seconda del periodo considerato. Un’analisi condotta su dati provenienti da 300 stazioni meteorologiche globali da parte di Sánchez Santillán e collaboratori [11] rivelò che i segni delle correlazioni tra variabili meteorologiche (pressione barometrica, temperatura dell’aria e precipitazioni) e i numeri delle macchie solari si invertirono negli anni ’20 in quasi metà delle stazioni. Gli autori associarono tali inversioni di correlazione a variazioni secolari nella luminosità solare. Cambiamenti nei legami di correlazione tra le temperature dell’aria di superficie e i numeri delle macchie solari nei cicli di 11 anni furono studiati da Georgieva e colleghi [12]. Secondo i loro dati, nella maggior parte delle stazioni meteorologiche, le correlazioni risultarono positive nei secoli XVIII e XX e negative nel XIX secolo. Gli autori collegarono le inversioni di correlazione a modifiche nell’asimmetria Nord-Sud dell’attività solare, A = (SN – SS)/(SN + SS), dove SN e SS rappresentano l’area totale delle macchie solari rispettivamente negli emisferi solari settentrionale e meridionale. Quando l’emisfero settentrionale prevaleva (A > 0), si registravano temperature più elevate ai massimi solari e più basse ai minimi delle macchie solari. Al contrario, quando l’emisfero meridionale era più attivo (A < 0), le temperature erano più alte ai minimi solari rispetto ai massimi.

Le inversioni nei collegamenti di correlazione tra l’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO) e gli indici solari e geomagnetici sono state documentate in una serie di studi specialistici [12–15]. Thejll e colleghi [13] hanno osservato che la correlazione tra la NAO e l’indice geomagnetico aa era marcata e statisticamente significativa esclusivamente durante il periodo invernale. A partire dalla fine del diciannovesimo secolo e fino a circa il 1950, questa correlazione si presentava negativa; successivamente, intorno al 1950, si è verificata un’inversione del segno di correlazione, e negli anni settanta, la correlazione positiva acquisì significatività statistica. Gli autori ipotizzano che negli anni settanta si siano verificati cambiamenti sostanziali nello stato dell’atmosfera, rendendola più recettiva agli influssi solari. I dati di Lukianova e Alexeev [14] hanno confermato questa inversione di correlazione tra la NAO e l’indice aa intorno al 1950.

Le variazioni a lungo termine nei collegamenti di correlazione tra la NAO e i numeri delle macchie solari sono state esaminate approfonditamente da Georgieva e colleghi [12]. È stato rilevato che l’indice NAO era negativamente correlato con le caratteristiche solari nei secoli ventesimo e diciottesimo, mentre mostrava una correlazione positiva nei secoli diciannovesimo e diciassettesimo. Gli autori hanno collegato le variazioni secolari nei collegamenti di correlazione alle fluttuazioni a lungo termine nell’asimmetria Nord-Sud dell’attività solare. Nel lavoro di Georgieva e colleghi [15], è stato postulato che i periodi di correlazione negativa e positiva tra la NAO e l’attività solare/geomagnetica potrebbero essere indotti da modifiche nel contributo relativo degli agenti solari associati ai campi toroidali e poloidali del Sole (rispettivamente, espulsioni di massa coronale e flussi di vento solare ad alta velocità provenienti da buchi coronali) nell’attività geomagnetica. È stato dimostrato che fino al diciannovesimo ciclo solare, i principali contributi erano forniti dagli agenti legati al campo toroidale, mentre a partire dal ventesimo ciclo in poi, i principali driver dell’attività geomagnetica risultavano essere quelli legati al campo poloidale.

Un esempio emblematico dell’instabilità temporale dei collegamenti solare-atmosferici è la recente violazione dei legami di correlazione individuata tra le nuvole basse e i raggi cosmici galattici da Marsh e Svensmark [16]. Una forte correlazione positiva tra le variazioni di queste caratteristiche tra il 1983 e il 1995 era stata considerata una prova concreta del meccanismo fisico dei collegamenti solare-climatici, che implica l’influenza dei raggi cosmici sulla formazione delle nuvole. Tuttavia, questa correlazione è stata interrotta nei primi anni del duemila, sollevando dubbi sulla possibile influenza dei raggi cosmici sui processi microfisici nelle nuvole e sul loro contributo al meccanismo fisico dei collegamenti solare-climatici.

Di conseguenza, le ragioni alla base della variabilità temporale osservata nei collegamenti solare-atmosferici rimangono oscure e richiedono un’approfondita comprensione.

2.3. Variabilità Spaziale e Temporale nell’Impatto dei Raggi Cosmici Galattici sulla Pressione della Troposfera

Il fenomeno delle variazioni atmosferiche indotte da agenti fisici solari, quali radiazioni totali, ultraviolette, raggi X, vento solare, disturbi del campo magnetico interplanetario e particelle ad alta energia, è ampiamente riconosciuto nella letteratura scientifica. Tuttavia, un ruolo cruciale è attribuito ai raggi cosmici, sia galattici (GCR) che solari (SCR), i quali, come documentato in diversi studi (ad esempio, [16–20]), giocano un ruolo significativo come collegamenti tra attività solare e fenomeni atmosferici. Queste particelle, capaci di penetrare fino alle regioni medie e basse dell’atmosfera, costituiscono le principali fonti di ionizzazione in tali strati atmosferici [21].

La capacità di penetrazione di questi raggi è notevolmente influenzata dall’attività solare. A differenza delle raffiche di SCR, legate agli eventi di flare solari e di natura episodica, i GCR raggiungono la Terra con una costanza quasi uniforme. Tuttavia, i loro flussi sono modulati dall’attività solare seguendo ciclicità diverse, incluso il ciclo solare di 11 anni durante il quale si registra una riduzione approssimativa del 50% al culmine del ciclo, con coefficienti di correlazione che si attestano intorno a -0.8 tra i flussi medi annui di GCR e il numero di macchie solari. Ricerche condotte da Veretenenko e collaboratori [22–24] hanno messo in luce come le variazioni a breve termine nei flussi di raggi cosmici, sia solari che galattici, influenzino significativamente i processi dinamici alle latitudini extratropicali.

Approfondendo la questione, è fondamentale esaminare la variabilità temporale delle interazioni tra la pressione nella troposfera inferiore e l’intensità dei GCR durante il ciclo solare di 11 anni. I lavori di Veretenenko e Ogurtsov [25,26] hanno evidenziato una marcata dipendenza sia latitudinale che regionale degli effetti dei GCR sulle variazioni di pressione atmosferica. Tale dipendenza appare essere determinata dalle specificità dei sistemi barici che si formano nelle diverse aree geografiche. In particolare, la Figura 3 illustra come i coefficienti di correlazione tra le variazioni di pressione e quelle dei GCR, depurate dalle tendenze lineari, presentino distribuzioni spaziali distinte nei due intervalli temporali considerati, 1953–1981 e 1982–2000. Per quantificare la pressione della troposfera sono stati utilizzati i valori medi annui delle altezze geopotenziali al livello di 700 hPa (GPH700), ricavati dagli archivi di rianalisi NCEP/NCAR [3]. Per quanto riguarda l’intensità dei GCR, si sono presi in considerazione i tassi medi annui registrati dal monitor dei neutroni situato a Climax (coordinate geografiche ϕ = 39° N, λ = 106° O, con una rigidità di taglio geomagnetica di 2.99 GV) disponibili per il periodo 1953–2005 (ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/, consultato il 17 gennaio 2007). In aggiunta, per valutare la significatività statistica dei coefficienti di correlazione, è stato impiegato il test della fase casuale, che comprende simulazioni Monte Carlo (N = 1000 prove) applicate a serie temporali surrogate, generate randomizzando le fasi delle trasformate di Fourier delle serie originarie [27]. Questi approcci metodologici consentono un’analisi accurata e dettagliata delle dinamiche in esame, sottolineando l’importanza di comprendere in modo approfondito le interazioni tra variabili solari e atmosferiche nel contesto del cambiamento climatico globale.

Nella comprensione della dinamica climatica delle latitudini extratropicali, è fondamentale considerare le posizioni climatiche a lungo termine dei fronti atmosferici principali, come i fronti Artico e Polare, che svolgono un ruolo critico nella modulazione degli scambi termici tra diverse zone climatiche. Secondo gli studi condotti da Khromov e Petrociants [28], la Figura 3 illustra la posizione di questi fronti, delineando come il fronte Artico separi le masse d’aria fredde originarie dell’Artico da quelle più calde delle medie latitudini, mentre il fronte Polare demarca la divisione tra le masse d’aria delle medie latitudini e quelle tropicali. Questi fronti sono essenziali nell’indurre e modulare l’attività ciclonica alle medie latitudini, in quanto la genesi e l’evoluzione dei cicloni extratropicali sono intimamente collegate alla loro presenza.

I dati visualizzati nella Figura 3 rivelano la presenza di correlazioni significative tra la pressione nella troposfera e i flussi dei raggi cosmici galattici (GCR) su scala globale per entrambi gli intervalli temporali analizzati. Queste correlazioni indicano che le variazioni indotte dai GCR influenzano l’intera troposfera terrestre, sebbene si manifesti una marcata dipendenza regionale in termini di variazioni di pressione, con zone di correlazione sia positiva che negativa ben definite. È importante sottolineare come la distribuzione di queste correlazioni sia strettamente interconnessa con i fronti climatici, suggerendo un legame diretto tra le dinamiche frontali e le perturbazioni atmosferiche legate ai GCR.

Per il periodo compreso tra il 1982 e il 2000, i dati evidenziano i valori più elevati di correlazione assoluta tra le altezze geopotenziali a 700 hPa (GPH700) e i GCR nelle latitudini extratropicali. In particolare, è stata osservata una forte correlazione positiva nella regione polare del Nord emisfero, precisamente nelle aree limitrofe ai fronti Artici. Questo fenomeno indica che gli incrementi dei GCR, che si verificano nei minimi del ciclo solare di 11 anni, sono concomitanti ad aumenti della pressione in queste zone, traducendosi in un’intensificazione dei sistemi anticiclonici. I coefficienti di correlazione registrati sono nell’ordine di 0.6–0.7, con un livello di confidenza che oscilla tra 0.95 e 0.97, come confermato dal test della fase casuale [27]. Al contrario, valori di correlazione simili, ma negativi (−0.6 . . . −0.7, p = 0.95–0.97), sono stati rilevati lungo i fronti Polari nelle latitudini medie dell’emisfero nordico, dimostrando così una simmetria nelle dinamiche di pressione correlate ai GCR tra differenti regioni climatiche.

Questa analisi dettagliata mette in luce l’importanza di integrare le osservazioni dei fenomeni fisici cosmici, come i GCR, nell’elaborazione di modelli climatici e meteorologici avanzati, al fine di comprendere meglio e prevedere le dinamiche atmosferiche globali influenzate dai cicli solari e dalle interazioni frontali.

Il presente studio evidenzia come gli incrementi dei raggi cosmici galattici (GCR) nel periodo analizzato abbiano coinciso con una riduzione della pressione atmosferica, con conseguente intensificazione e approfondimento dei cicloni extratropicali associati ai fronti atmosferici considerati. Tale fenomeno è stato osservato non solo nell’emisfero settentrionale, ma anche ai fronti Polari dell’emisfero meridionale, dove si è verificata una correlazione significativa tra l’aumento dei GCR e l’intensificazione dei cicloni.

Inoltre, è stata riscontrata una lieve correlazione positiva tra le altezze geopotenziali a 700 hPa (GPH700) e i GCR sopra la trincea equatoriale a basse latitudini, includendo la zona di convergenza intertropicale, un’area caratterizzata dalla convergenza dei venti alisei. Questo suggerisce che anche in queste regioni meno turbolente si possono manifestare effetti dinamici rilevanti legati ai GCR.

Analizzando i dati storici, in particolare quelli relativi al periodo 1953-1981, si osserva una distribuzione dei coefficienti di correlazione tra la pressione e i flussi di GCR simile a quella del periodo 1982-2000, con le grandi aree di correlazione disposte in maniera analoga e strettamente legate ai fronti atmosferici climatici. Tuttavia, durante il primo periodo, i segni delle correlazioni erano opposti rispetto a quelli successivi, con coefficienti di correlazione negativi nell’area polare dell’emisfero nord e valori positivi, ma meno intensi, nelle zone dei fronti Polari alle medie latitudini.

I risultati indicano che, a seconda del periodo considerato, l’attività ciclonica e anticiclonica ai fronti Polari può variare intensamente con le fluttuazioni dei GCR nel ciclo di 11 anni. Questa variazione dinamica suggerisce che i processi ciclonici e anticiclonici possono essere influenzati in modo significativo dalle variazioni dei GCR, con possibili implicazioni per la comprensione delle dinamiche climatiche globali.

L’analisi dei coefficienti di correlazione scorrevoli tra la pressione e l’intensità dei GCR ha evidenziato un’inversione di correlazione all’inizio degli anni ’80, segnalando una sincronizzazione quasi globale di questo fenomeno. Questa inversione di correlazione corrisponde strettamente con i cambiamenti osservati nelle correlazioni tra le temperature atmosferiche rilevate nelle stazioni meteorologiche e il numero di macchie solari, confermando una connessione profonda tra i processi dinamici globali e le variazioni dei GCR.

L’inversione delle correlazioni pressione-GCR intorno al 1980 è coerente con i cambiamenti rilevati in altri parametri climatici e supporta l’ipotesi di una variabilità a lungo termine nei legami di correlazione tra i processi dinamici atmosferici e l’attività solare. Questi cambiamenti potrebbero essere indotti da trasformazioni nello stato dell’atmosfera su una scala temporale di decenni, offrendo nuove prospettive per la comprensione delle interazioni tra attività solare, variazioni dei GCR e dinamiche atmosferiche complesse.

La Figura 3 illustra la distribuzione spaziale dei coefficienti di correlazione tra i valori medi annui delle altezze geopotenziali a 700 hPa (GPH700) e il tasso di conteggio dei neutroni monitorati a Climax per i periodi 1982–2000 (panello a) e 1953–1981 (panello b). Questi dati sono rappresentati tramite una scala cromatica che transita dal blu, indicante correlazioni negative, al rosso, che denota correlazioni positive, riflettendo l’intensità e la direzione delle relazioni statistiche tra le due variabili analizzate.

Le curve numerate dal 1 al 6 all’interno delle mappe demarcano le posizioni climatiche dei fronti principali nei mesi di gennaio e luglio. In particolare, le curve 1 e 2 tracciano le posizioni del fronte Artico nei due mesi citati, rispettivamente, mentre le curve 3 e 4 delineano quelle del fronte Polare. Le curve 5 e 6, infine, rappresentano l’asse della depressione equatoriale, comunemente identificata come la zona di convergenza intertropicale, che è un’area critica per lo studio delle dinamiche meteorologiche globali.

L’analisi delle mappe mostra come le zone di forte correlazione, sia positiva che negativa, tendano a sovrapporsi alle posizioni dei fronti climatici. Ciò suggerisce che le variazioni di pressione a 700 hPa possano essere sistematicamente correlate con le fluttuazioni nel tasso di conteggio dei neutroni, indicativo dell’influenza dei raggi cosmici galattici. La variazione di queste correlazioni tra i due periodi evidenziati suggerisce un’evoluzione dinamica nel tempo, potenzialmente influenzata da cambiamenti nei regimi climatici o nell’attività solare.

Questo tipo di visualizzazione è essenziale per comprendere come variazioni cosmiche possano interagire con e influenzare i processi atmosferici su scale temporali e spaziali estese, offrendo una prospettiva dettagliata e multidimensionale sulle interazioni tra fenomeni cosmici e meteorologici. Inoltre, fornisce una base empirica per ulteriori indagini scientifiche volte a decifrare le complesse reti di cause ed effetti che caratterizzano il sistema climatico terrestre.

Troposfera nell’Emisfero Settentrionale e le Epiche di Circolazione su Ampia Scala

Nel contesto dello studio delle variazioni temporali degli effetti dell’attività solare sulla pressione atmosferica della troposfera per un intervallo temporale esteso, è stato necessario utilizzare indicatori surrogati a causa della disponibilità limitata di dati strumentali diretti. Poiché le misurazioni sull’intensità dei Raggi Cosmici Galattici (GCR), che costituiscono un input diretto all’atmosfera, sono disponibili solo a partire dagli anni ’50, si è optato per l’utilizzo dei numeri di macchie solari (SSN), secondo una versione rivisitata [29]. Pur non rappresentando un agente fisico che influisce direttamente sull’atmosfera, i numeri di macchie solari sono stati impiegati come marker dei cicli undecennali, i quali esercitano un’influenza significativa sulla modulazione dei flussi di GCR, offrendo inoltre il vantaggio di una serie storica di lunga durata.

Per analizzare i processi dinamici atmosferici, sono stati utilizzati i dati sulla pressione media al livello del mare (MSLP) provenienti dagli archivi dell’Unità di Ricerca Climatica dell’Università dell’East Anglia (https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/pressure, accesso il 10 agosto 2004) per il periodo 1873–2000, e successivamente dal Laboratorio di Ricerca sui Sistemi Terrestri della NOAA (https://www.esrl.noaa.gov/psd/repository, accesso il 7 novembre 2017) a partire dal 1979.

Studi precedenti hanno evidenziato che gli effetti più marcanti dei GCR sulla dinamica della troposfera si manifestano a latitudini extratropicali, con i coefficienti di correlazione tra la pressione e l’intensità dei GCR che mostrano fasi opposte tra le latitudini medie e quelle polari dell’emisfero nord. Di conseguenza, sono stati esaminati i coefficienti di correlazione tra la pressione al livello del mare e i numeri di macchie solari per la regione polare (60–85° N) e per la zona frontale polare dell’Atlantico Nord (la regione di più intensa formazione ciclonica) lungo le coste orientali del Nord America (20–30° N, 280–300° E e 30–40° N, 290–310° E), come documentato nel lavoro di Veretenenko e Ogurtsov [30]. Nella Figura 4a sono presentati i coefficienti di correlazione tra i valori medi annui della SLP, ponderati per area nelle regioni specificate, e i numeri di macchie solari (SSN), per intervalli mobili di 15 anni.

Per stimare la significatività statistica di tali coefficienti, sono state impiegate simulazioni Monte Carlo (N = 2000) sui coefficienti di correlazione mobili per serie temporali surrogate, generate attraverso la randomizzazione delle serie iniziali di SLP e SSN. Le linee tratteggiate nella Figura 4a indicano le percentuali di prove in cui sono stati ottenuti coefficienti di correlazione inferiori (o superiori, nel caso di correlazioni negative) rispetto a quelli delle serie temporali originali, fornendo una stima della probabilità che le correlazioni rilevate non siano frutto del caso. Questo metodo permette di approfondire la comprensione delle interazioni complesse tra l’attività solare e le dinamiche atmosferiche, offrendo spunti cruciali per la modellazione e la previsione climatica.Si osserva che i coefficienti di correlazione R tra la pressione al livello del mare (SLP) e i numeri di macchie solari (SSN) nelle regioni indicate mostrano variazioni in fasi opposte e registrano diverse inversioni di correlazione nel corso dell’intervallo temporale analizzato. I dati presentati suggeriscono un’interconnessione significativa tra i processi dinamici che si sviluppano nella zona ciclogenetica dell’Atlantico Nord e nella regione polare, rispondendo ai fenomeni legati all’attività solare. Tali inversioni di correlazione sono state identificate in momenti chiave: alla fine del diciannovesimo secolo, negli anni ’20, intorno al 1950 e nei primi anni ’80, delineando una ciclicità approssimativa di 60 anni nell’influenza dell’attività solare sulla circolazione della troposfera.

Le analisi spettrali dei coefficienti di correlazione studiati (illustrate nella Figura 4b) hanno confermato questa periodicità di circa sessanta anni. Gli anni in cui sono state rilevate le inversioni di correlazione coincidono accuratamente con quelli determinati tra vari parametri atmosferici e l’attività solare, come discusso nella Sezione 2.2 del presente studio.

Dai dati esposti emerge l’ipotesi che le variazioni temporali (ovvero le inversioni di segno) nei legami di correlazione esaminati, che evidenziano un periodo di oscillazione di circa 60 anni, possano essere attribuibili a mutamenti nello stato dell’atmosfera. Infatti, esiste una vasta gamma di evidenze che indicano una variabilità climatica di circa 60 anni in diverse caratteristiche climatiche, come citato nella letteratura specifica [30] e nei riferimenti in essa contenuti. Per approfondire le possibili cause di queste inversioni di segno, è utile un confronto con l’evoluzione della circolazione atmosferica su larga scala secondo la classificazione di Vangengeim-Girs.

Questa classificazione, originariamente formulata da G.Ya. Vangengeim [31] e successivamente ampliata da A.A. Girs [32], distingue tre principali modelli di circolazione atmosferica nel settore atlantico-eurasiatico dell’emisfero settentrionale: W (zonale o occidentale), C (meridionale), ed E (orientale), oltre a tre corrispondenti modelli per il settore pacifico-americano: Z, M1, e M2. Nei modelli zonali W e Z si verifica un marcato trasporto di masse d’aria da ovest verso est alle medie latitudini, caratterizzato da onde di pressione di bassa ampiezza che si spostano rapidamente. I modelli meridionali C e M1, così come i modelli orientali E e M2, sono invece associati a processi in cui onde di alta ampiezza si muovono lentamente o rimangono stazionarie, influenzando significativamente il campo di pressione. Inoltre, le configurazioni C ed E, come anche M1 e M2, si differenziano per la posizione opposta delle loro depressioni e creste nel campo di pressione, evidenziando la complessa dinamica delle forme di circolazione atmosferica.

La Figura 5, presentata nel pannello sinistro, illustra le variazioni temporali dei coefficienti di correlazione scorrevoli tra la pressione atmosferica nella regione polare e i numeri di macchie solari (SSN), confrontati con le occorrenze annuali, ovvero il numero di giorni all’anno caratterizzati dalle principali forme di circolazione atmosferica su larga scala nei settori atlantico-eurasiatico e pacifico-americano dell’emisfero settentrionale. Queste occorrenze annuali sono state calcolate basandosi sui dati contenuti nei riferimenti [1,33] e su quelli forniti dall’Istituto di Ricerca Artico e Antartico (San Pietroburgo). Tali dati sono stati presentati dopo l’eliminazione del trend lineare e l’applicazione di una media mobile su un intervallo di 15 anni per levigare le fluttuazioni a breve termine. Inoltre, nella Figura 5a, vengono esposti i coefficienti di correlazione R tra la pressione al livello del mare (SLP) nella regione polare e i flussi di particelle cariche (FCR) nella stratosfera a medie latitudini [34].

Dall’analisi dei dati mostrati nella Figura 5, si osserva che le inversioni nei coefficienti di correlazione tra la SLP e i SSN sono intimamente correlate ai cambiamenti nelle epoche di circolazione su larga scala. Queste inversioni di correlazione, come regola generale, erano anticipate o coincidevano con i punti di svolta nello sviluppo delle forme di circolazione indicate. In particolare, le modifiche nel segno della correlazione all’inizio degli anni ’80 si sono verificate in concomitanza con un cambiamento quasi simultaneo nelle occorrenze annuali delle forme di circolazione sia nei settori atlantico-eurasiatico che pacifico-americano. Si presume che variazioni simili nella dinamica delle forme di circolazione si siano verificate anche nei primi anni del 2000 nel settore atlantico-eurasiatico.

È importante sottolineare come i segni delle correlazioni SLP-SSN appaiano strettamente legati allo sviluppo delle forme di circolazione meridionale C e M1. Coefficienti di correlazione negativi tra la SLP e i SSN nella regione polare sono stati osservati in periodi di intensificazione di queste forme di circolazione, cioè quando le loro occorrenze annuali erano in aumento, approssimativamente tra il 1920 e il 1950 e tra il 1980 e il 2000. Una correlazione negativa SLP-SSN implica una correlazione positiva tra la SLP e l’intensità dei GCR, come mostrato nella Figura 5a. Durante questi periodi, alle medie latitudini, e in particolare nella regione ciclogenetica dell’Atlantico Nord, la correlazione SLP-SSN era positiva, ovvero vi era una correlazione negativa con l’intensità dei GCR, come illustrato nella Figura 4a. Di conseguenza, con l’aumento delle occorrenze delle forme meridionali, l’accrescimento dei GCR durante i minimi del ciclo solare di 11 anni ha contribuito alla formazione più intensa e all’approfondimento dei cicloni (riduzione della pressione) alle medie latitudini. Questo fenomeno era accompagnato contemporaneamente dall’intensificazione dei processi anticiclonici (aumento della pressione) alle latitudini polari, come evidenziato nella Figura 3a. Gli effetti delle variazioni decennali dei GCR sulla dinamica dei cicloni extratropicali nei periodi circa 1920–1950 e circa 1980–2000 si sono mostrati simili agli effetti delle variazioni a breve termine dei raggi cosmici sulla dinamica della troposfera. L’intensificazione dei cicloni nell’Atlantico Nord è stata osservata nei giorni successivi agli eventi di raggi cosmici solari (Eventi di Protoni Solari) [22,23], mentre, al contrario, l’intensificazione dei processi anticiclonici si è verificata durante i cali di Forbush nei GCR [24].

Durante i periodi in cui si registrava un decremento nelle occorrenze delle forme di circolazione meridionale, specificatamente intorno agli anni 1880-1920 e 1950-1980, il segno dei legami di correlazione tra la pressione della troposfera e i numeri di macchie solari o l’intensità dei Raggi Cosmici Galattici (GCR) si presentava opposto rispetto a quello osservato nei periodi di rinforzo delle suddette forme circolatorie. Questo implica che, nei cicli undecennali, incrementi nei GCR non erano accompagnati da una maggiore intensificazione ciclonica alle medie latitudini né da un rafforzamento dei processi anticiclonici nelle regioni polari. Di conseguenza, emerge un nesso evidente tra il carattere dell’attività solare e l’effetto dei GCR sui fenomeni ciclonici — in termini di variazioni di pressione — e questo sembra essere intimamente correlato alle epoche di circolazione su larga scala, in particolare con l’evoluzione delle forme di circolazione meridionale.

Gli esiti dell’analisi spettrale, illustrati nella Figura 5 nel pannello destro, rivelano che le occorrenze annuali delle forme di circolazione meridionale C e M1 sono caratterizzate da componenti armoniche predominanti con un periodo di circa 60 anni. Queste componenti mostrano un livello di confidenza del 0.99, calcolato in relazione allo spettro di “rumore rosso”, impiegando l’analisi statistica χ² [35]. Tali armoniche si mostrano sorprendentemente vicine a quelle osservate nei coefficienti di correlazione R (SLP, SSN) come evidenziato nella Figura 4b.

Pertanto, i risultati ottenuti forniscono forti indicazioni che la reversibilità dei legami di correlazione tra le variazioni di pressione — che segnalano lo sviluppo di sistemi barici extratropicali — e i fenomeni di attività solare possa essere strettamente associata a trasformazioni nelle epoche di circolazione atmosferica su larga scala. Queste osservazioni sottolineano una complessa interdipendenza tra le dinamiche atmosferiche e i cicli di attività solare, sottolineando l’importanza di considerare le influenze esterne nei modelli climatici e meteorologici per comprendere meglio le fluttuazioni climatiche su scala globale.

La Figura 4 è articolata in due pannelli, (a) e (b), che espongono rispettivamente le analisi dei coefficienti di correlazione e le analisi spettrali relative alle correlazioni tra la pressione al livello del mare (SLP) e i numeri di macchie solari (SSN) per specifiche regioni geografiche: la regione polare e la zona ciclogenetica dell’Atlantico Nord.

Nel pannello (a), il grafico rappresenta i coefficienti di correlazione tra SLP e SSN calcolati su intervalli di 15 anni scorrevoli, per la regione polare (rappresentata dalla linea continua) e per la zona ciclogenetica dell’Atlantico Nord (rappresentata dalla linea tratteggiata). Le linee puntinate indicano il livello di significatività del 95%, fungendo da benchmark per determinare la rilevanza statistica delle correlazioni osservate. Fluttuazioni di tali coefficienti sopra e sotto la linea dello zero evidenziano periodi in cui esiste una correlazione positiva o negativa tra le variazioni nella pressione atmosferica e l’attività solare misurata attraverso i SSN. Questi dati mettono in luce la dinamica variabile e il carattere ciclico delle interazioni tra l’attività solare e la pressione atmosferica.

Il pannello (b) mostra gli spettri di Fourier dei coefficienti di correlazione R (SLP, SSN) per le stesse due regioni. L’analisi spettrale permette di identificare le frequenze predominanti nei dati di correlazione, che a loro volta rivelano le periodicità all’interno delle serie temporali analizzate. Il picco significativo che si osserva in entrambe le linee a una frequenza corrispondente a un periodo di circa 63 anni sottolinea una periodicità dominante che si riflette nei coefficienti di correlazione. Questo periodo di circa 63 anni, rilevato chiaramente nei dati, indica la presenza di cicli climatici o solari di lunga durata che esercitano un’influenza sostanziale sulla correlazione tra l’attività solare e le variazioni della pressione atmosferica nelle regioni considerate.

In conclusione, la Figura 4 fornisce una chiara visualizzazione dell’interazione tra i cicli solari e la dinamica atmosferica, evidenziando come i fenomeni solari influenzino in modo significativo e periodico la pressione atmosferica nelle regioni polare e ciclogenetica dell’Atlantico Nord, con implicazioni profonde per la comprensione delle dinamiche climatiche globali.

La Figura 5 è strutturata in una serie di grafici che integrano diverse prospettive sull’influenza dell’attività solare sulla pressione atmosferica, collegandola all’evoluzione delle grandi forme di circolazione atmosferica. Si concentra in particolare sulle regioni dell’Atlantico-Eurasiatico e del Pacifico-Americano, offrendo un quadro dettagliato e multidimensionale delle interazioni tra variabili climatiche e solari.

Nel pannello sinistro troviamo:

• (a) Coefficienti di correlazione tra la pressione al livello del mare (SLP) e i numeri di macchie solari (SSN, linea continua), e tra SLP e i flussi di raggi cosmici galattici (GCR, linea tratteggiata), calcolati su intervalli mobili di 15 anni. Questo grafico mette in evidenza i periodi di correlazione positiva e negativa, sottolineando la variabilità temporale e la dinamicità delle relazioni tra attività solare e pressione atmosferica, con linee verticali tratteggiate che demarcano la transizione tra questi stati.
• (b) Occorrenze annuali delle principali forme di circolazione atmosferica secondo la classificazione di Vangengeim–Girs nella regione Atlantico-Eurasiatico, visualizzate tramite medie mobili di 15 anni. Ogni forma di circolazione (W, C, E) è rappresentata con un colore diverso, illustrando la frequenza e l’andamento temporale di queste modalità atmosferiche cruciali per la comprensione delle dinamiche climatiche regionali.
• (c) Occorrenze annuali delle forme di circolazione per la regione Pacifico-Americano, mostrando le forme Z, M1 e M2 con lo stesso approccio di medie mobili di 15 anni del grafico (b). Questo componente enfatizza le differenze e le similitudini nei modelli di circolazione tra le due aree geografiche, aggiungendo un ulteriore strato di complessità all’analisi climatica.

Nel pannello destro sono presentati:

• (d) Lo spettro di Fourier delle occorrenze annuali della forma di circolazione C nella regione Atlantico-Eurasiatico, che evidenzia una periodicità dominante di circa 63 anni. Questo aspetto è crucialmente importante per comprendere i cicli climatici a lungo termine che influenzano questa specifica forma di circolazione. Le linee tratteggiate indicano i livelli di confidenza, calcolati in relazione al ‘rumore rosso’ con un coefficiente AR(1) di 0.36, confermando la significatività statistica di queste osservazioni.
• (e) Analogo al grafico (d), ma per la forma di circolazione M1 nella regione Pacifico-Americano, rivelando un ciclo predominante di circa 59 anni. Anche qui, i livelli di confidenza, calcolati con un coefficiente AR(1) di 0.27, dimostrano la robustezza delle frequenze rilevate, sottolineando come simili cicli di variazione influenzino le dinamiche atmosferiche in diverse parti del mondo.

In conclusione, la Figura 5 fornisce una panoramica esauriente e scientificamente articolata dell’interazione tra l’attività solare e la circolazione atmosferica globale, evidenziando come le variazioni solari si traducano in modifiche significative nelle dinamiche della pressione atmosferica e nelle configurazioni delle forme di circolazione su larga scala. Questi dati sono fondamentali per gli studi climatologici che mirano a prevedere e comprendere le fluttuazioni climatiche a lungo termine.

2.5. Evoluzione del Vortice Polare come Potenziale Determinante della Variabilità Temporale nell’Attività Solare e le sue Ripercussioni sulla Circolazione Atmosferica Inferiore

Nell’ambito degli studi atmosferici, è fondamentale esaminare i fattori che potrebbero influenzare la manifestazione degli effetti dell’attività solare, in particolare i raggi cosmici galattici (GCR), sullo sviluppo dei sistemi barometrici, caratterizzati da variazioni di pressione, in diverse epoche di circolazione. Come illustrato nella Sezione 2.1, un ruolo cruciale nella modulazione di numerosi processi atmosferici è attribuito al vortice polare stratosferico. Questo fenomeno influisce significativamente sulla dinamica dei processi su larga scala nella troposfera. L’implicazione del vortice polare nella risposta atmosferica agli eventi di attività solare è stata oggetto di indagine nelle ricerche condotte da Veretenenko e Ogurtsov [26,30].

Secondo quanto riportato in Figura 6, si osservano variazioni temporali nelle caratteristiche del vortice negli ultimi decenni, desunte dai dati di rianalisi NCEP/NCAR [3], che sono stati raccolti a partire dal 1948. Per quantificare la robustezza del vortice, si sono presi in considerazione i valori medi della velocità del vento zonale (occidentale) nella fascia latitudinale 60–80° N e della temperatura stratosferica nella regione compresa tra 60–90° N al livello dei 50 hPa (circa 20 km di altitudine). Questi dati sono stati aggregati per i mesi invernali (dicembre-febbraio), periodo in cui il vortice raggiunge il picco di intensità. È evidente che durante il periodo in cui i GCR hanno esercitato un’influenza più marcata sull’evoluzione dei cicloni a medie latitudini (circa 1980-2000), il vortice presentava una forza notevole. In questa fase, la velocità dei venti zonali era sensibilmente aumentata, mentre la temperatura nella zona del vortice si riduceva a causa di un decremento negli scambi termici tra le latitudini alte e medie. I coefficienti di correlazione tra le variazioni nella velocità del vento e nella temperatura erano di -0.82. Al contrario, nel periodo antecedente, che va dagli anni ’50 alla fine degli anni ’70, il vortice si mostrava debilitato, con una riduzione della velocità dei venti e un incremento delle temperature stratosferiche. È pertinente notare le modificazioni nella potenza del vortice intorno agli anni 1980 e 2000, momenti di significativa transizione nella dinamica del vortice stesso.

Per quantificare l’evoluzione del vortice polare in epoche storiche nelle quali i dati stratosferici non erano disponibili, si sono utilizzati come surrogati le oscillazioni della pressione al livello del mare e le variazioni termiche nella regione polare. Conformemente alle analisi di Baldwin e Dunkerton [5], un regime di vortice robusto si distingue per una fase positiva dell’Oscillazione Artica, caratterizzata da anomalie negative della pressione a livello del mare (SLP) alle latitudini polari e anomalie positive alle latitudini medie. Tale configurazione comporta uno spostamento verso nord delle traiettorie cicloniche, incrementando l’afflusso di cicloni nella regione polare, il che si traduce in un periodo di riscaldamento nell’Artico [6]. In contrasto, un regime di vortice debole è associato a una fase negativa dell’Oscillazione Artica, con anomalie positive di SLP alle alte latitudini e negative a quelle medie, risultando in traiettorie cicloniche deviate più a sud e una ridotta frequenza di cicloni che raggiungono l’Artico, favorendo un’epoca fredda in tale regione.

Per un confronto approfondito, abbiamo analizzato i dati stratosferici rappresentati nella Figura 6 insieme agli indici dell’Oscillazione Artica. La Figura 7 illustra le variazioni temporali nei valori medi annui delle anomalie di pressione al livello del mare e delle temperature nell’Artico (≥70° N), dopo aver rimosso le tendenze polinomiali. Questi dati provengono dagli archivi di pressione media al livello del mare (MSLP) citati nella Sezione 2.4 e dall’analisi della temperatura superficiale GISS (http://data.giss.nasa.gov/gistemp/source, accesso il 13 aprile 2018). È osservabile che il periodo caratterizzato da un vortice forte (~1980–2000), durante il quale si è verificato un incremento dei venti stratosferici (Figura 7), coincise effettivamente con una riduzione della pressione e un aumento delle temperature nell’Artico. Il periodo antecedente, caratterizzato da un vortice debole (~1950–1980), evidenziò invece un aumento della pressione e un abbassamento delle temperature nella regione in esame.

Da tali osservazioni emergono indicazioni che il periodo ~1920–1950, durante il quale si registrarono una diminuzione della SLP e un aumento della temperatura, corrisponde a una fase di vortice forte analogamente al periodo ~1980–2000, mentre il periodo ~1900–1920, segnato da un incremento della SLP e da un abbassamento della temperatura, rappresenta una fase di vortice debole. I dati esposti rivelano una ciclicità approssimativa di 60 anni nelle variazioni di pressione e temperatura nell’Artico, suggerendo una periodicità analoga nella forza del vortice polare. Le transizioni tra i diversi stati del vortice polare appaiono essere avvenute alla fine del XIX secolo, all’inizio degli anni ’20, e nei pressi degli anni 1950 e 1980, mostrando una consonanza significativa con i mutamenti nelle epoche di circolazione atmosferica su larga scala, come documentato nella Figura 5.

I risultati emersi dal presente studio permettono di avanzare l’ipotesi che le fluttuazioni nell’intensità del vortice polare possano rappresentare una delle cause alla base della variabilità temporale degli effetti dell’attività solare sullo stato dell’atmosfera. Come precedentemente discusso nella Sezione 2.2, sono state identificate inversioni nelle correlazioni tra le caratteristiche atmosferiche e i fenomeni correlati all’attività solare durante gli anni ’20 [10–12], intorno al 1950 [13,14], e vicino al 1980 [12]. Le analisi effettuate (riportate nelle Figure 4 e 5) hanno mostrato che le inversioni di correlazione tra la pressione nella troposfera in differenti regioni e il numero di macchie solari si sono verificate nei pressi del 1890, durante gli anni ’20, ’50 e agli inizi degli anni ’80. Questi momenti coincidono strettamente con le transizioni tra i vari stati del vortice, come illustrato nelle Figure 6 e 7.

In un contesto di vortice polare forte, l’incremento dell’intensità dei raggi cosmici galattici (GCR) nei cicli undecennali favorisce l’intensificazione dei processi ciclonici nei fronti polari di media latitudine (Figura 3a). Al contrario, in un regime di vortice debole, non si osservano tali dinamiche (Figura 3b). La condizione del vortice polare modula l’interazione dinamica tra troposfera e stratosfera attraverso le onde planetarie, come evidenziato dagli studi [36,37]. Questa interazione, quando alterata, può influenzare significativamente la formazione degli effetti dell’attività solare sulla circolazione dell’atmosfera inferiore.

Particolarmente rilevante è il comportamento delle onde planetarie in relazione alla forza del vortice. In condizioni di forte vortice, quando la velocità del vento zonale nella stratosfera supera un valore critico, le onde planetarie che si propagano verso l’alto vengono riflesse indietro verso la troposfera. Questo fenomeno consente alla stratosfera di esercitare una significativa influenza sulla troposfera. Invece, sotto un regime di vortice debole, le onde planetarie si propagano fino agli strati superiori dell’atmosfera, con la troposfera che rimane l’unico strato influente sulla stratosfera.

Di conseguenza, quando il vortice è particolarmente robusto, le condizioni per il trasferimento dei segnali solari dalla stratosfera alla troposfera sono notevolmente migliorate. Anche un modesto incremento della velocità del vento può amplificare la riflessione delle onde planetarie verso la troposfera, provocando variazioni nella pressione e nella temperatura, come documentato nella letteratura [37]. In sintesi, sotto condizioni di vortice forte, i processi stratosferici indotti dalle variazioni dei GCR e/o da altri fattori dell’attività solare possono avere un impatto diretto sui processi nella troposfera, modulando così l’interazione globale tra i vari strati atmosferici e influenzando il clima terrestre.

La Figura 6 fornisce un’analisi dettagliata delle medie invernali (dicembre-febbraio) delle misurazioni relative alla velocità del vento zonale e alla temperatura stratosferica, entrambe registrate al livello di 50 hPa, dopo l’eliminazione delle tendenze lineari dai dati. Questi grafici sono essenziali per comprendere la dinamica del vortice polare e le sue implicazioni climatiche a lungo termine.

Nel Panello a), osserviamo la velocità del vento zonale nell’intervallo latitudinale tra 60 e 80° N. Le fluttuazioni di questa velocità sono tracciate mediante una linea blu, che rappresenta le variazioni annuali, mentre la media mobile su 15 anni è rappresentata da una linea solida spessa, offrendo una visione più stabilizzata delle tendenze a lungo termine. Le curve di adattamento polinomiale sono indicate con linee tratteggiate, che forniscono una rappresentazione matematica delle tendenze sottostanti nei dati raccolti. Le linee verticali tratteggiate servono a segmentare visivamente i periodi caratterizzati da un vortice polare forte da quelli con un vortice debole. È evidente che durante i periodi con un vortice forte, la velocità del vento tende ad aumentare, indicando una correlazione tra la robustezza del vortice e l’intensità dei venti zonali.

Nel Panello b), si esaminano le temperature stratosferiche nella regione compresa tra 60 e 90° N. La linea verde mostra le variazioni di temperatura, con la media mobile su 15 anni visualizzata attraverso una linea solida spessa, che appiattisce le fluttuazioni annuali per enfatizzare le tendenze più persistenti. Similmente al panello a), le linee tratteggiate rappresentano gli adattamenti polinomiali, utilizzati per modellare le tendenze a lungo termine dei dati di temperatura. Le stesse linee verticali tratteggiate distinguono i periodi di vortice forte da quelli di vortice debole. Durante i periodi di forte attività del vortice, si osserva una diminuzione della temperatura stratosferica, suggerendo un legame tra la forza del vortice e le condizioni termiche più fredde nella stratosfera.

Complessivamente, questi grafici offrono una visione chiara di come le condizioni del vortice polare siano strettamente correlate alle variazioni di vento e temperatura nella stratosfera, influenzando significativamente i pattern climatici e meteorologici nelle latitudini medio-alte. L’analisi dettagliata e scientifica di tali dati è fondamentale per prevedere e comprendere meglio le dinamiche climatiche globali, in particolare in relazione agli impatti dell’attività solare sulla circolazione atmosferica inferiore.

La figura illustrata offre una rappresentazione dettagliata delle variazioni temporali nei valori medi annuali della pressione a livello del mare (ASLP) e della temperatura nella regione polare, specificatamente tra le latitudini 70° e 85° N, a seguito della rimozione delle tendenze polinomiali. Il periodo di studio si estende dal 1860 al 2020, permettendo un’analisi approfondita e di lungo termine delle condizioni atmosferiche predominanti nella regione polare.

La linea blu nel grafico rappresenta le fluttuazioni della pressione a livello del mare, con valori espressi in hPa, evidenziati sulla scala verticale sinistra. La presenza di una linea più spessa indica la media mobile su 15 anni, che serve a smussare le oscillazioni annuali brevi e a mettere in risalto le tendenze a lungo termine. Questa rappresentazione mostra come la pressione si sia evoluta nel corso degli anni, evidenziando periodi di alta e bassa pressione atmosferica, che sono fondamentali per comprendere le dinamiche climatiche della regione.

Parallelamente, la linea rossa traccia le variazioni di temperatura nella stessa regione, con la scala verticale destra che mostra i valori in gradi Kelvin (K). Anche in questo caso, la linea più spessa rappresenta la media mobile su 15 anni, che aiuta a evidenziare le variazioni termiche di fondo al di là delle fluttuazioni stagionali o annuali più immediate. Questo tracciato è cruciale per analizzare come le temperature si siano modificate in risposta a vari fattori climatici e ambientali, offrendo spunti sulla risposta della regione polare ai cambiamenti climatici globali.

Le linee verticali tratteggiate dividono il grafico in segmenti che rappresentano i periodi durante i quali il vortice polare è stato categorizzato come forte o debole, basandosi su studi precedenti che correlano tali periodi con specifiche condizioni di pressione e temperatura. Questa segmentazione è vitale per l’analisi delle influenze del vortice polare sul clima regionale e per comprendere come le fasi di vortice forte o debole possano influenzare direttamente le condizioni meteorologiche e climatiche estreme nelle alte latitudini.

In sintesi, la figura fornisce una comprensione chiara e dettagliata di come le variazioni nella pressione e nella temperatura nella regione polare siano interconnesse e come queste variazioni siano influenzate dalle dinamiche del vortice polare. Questi dati sono indispensabili per gli scienziati climatici e meteorologi che studiano le implicazioni dei cambiamenti nel vortice polare rispetto ai modelli climatici globali e regionali.

2.6. Deterioramento della Correlazione tra Copertura Nuvolosa e Raggi Cosmici Galattici: Potenziale Impatto dell’Indebolimento del Vortice Polare

La correlazione tra la copertura nuvolosa e l’intensità dei raggi cosmici galattici è stata identificata e analizzata in diversi contesti temporali. Pudovkin e Veretenenko [38] hanno documentato questa associazione su una scala temporale giornaliera, mentre Svensmark e Friis-Christensen [39] l’hanno osservata su una scala decennale. Ulteriori ricerche da parte di Marsh e Svensmark [16] hanno specificato che tale collegamento è prevalente principalmente per le nuvole a basso livello. Durante il periodo dal 1983 al 1994, i coefficienti di correlazione tra le anomalie globali medie di nuvole basse (LCA), rilevate dai dati satellitari ISCCP-D2, e l’intensità dei GCR hanno evidenziato un valore di 0.63, che sale a 0.92 considerando medie mobili su 12 mesi. Tuttavia, questa correlazione ha iniziato a decadere significativamente verso la fine degli anni ’90, per poi disgregarsi completamente nei primi anni 2000.

Questa rottura nella correlazione è stata illustrata nella Figura 8, che presenta le anomalie di nuvole basse (LCA) estratte dal database (http://isccp.giss.nasa.gov/pub/data/D2CLOUDTYPES, accesso il 4 agosto 2015) e i flussi di GCR registrati nella stratosfera alla stazione di media latitudine Dolgoprudny (rigidità di cutoff geomagnetico 2.4 GV), basati su misurazioni effettuate con palloni [34]. Il collasso del legame tra nuvole e GCR intorno al 2000 ha sollevato dubbi sull’effettivo impatto dei raggi cosmici galattici nella formazione delle nuvole e sul loro ruolo critico nei meccanismi di interazione solare-atmosferica, come discusso in letteratura [40].

Gli studi condotti da Veretenenko e colleghi [41,42] suggeriscono che le alterazioni osservate potrebbero essere attribuite alla variabilità temporale degli effetti dei GCR sulla ciclogenesi extratropicale, una variabilità innescata dall’evoluzione del vortice polare stratosferico. In effetti, i dati presentati nella Figura 6 indicano un rafforzamento del vortice polare nell’emisfero settentrionale dalla prima metà degli anni ’80 alla fine degli anni ’90, periodo durante il quale si registrava una correlazione positiva elevata tra la quantità di nuvole basse e i GCR. Un incremento analogo del vortice polare stratosferico è stato osservato anche nell’emisfero australe nel medesimo intervallo temporale [41].

Conformemente ai dati esposti nella Figura 3a, in condizioni di un vortice forte, un aumento nei flussi di GCR associati al ciclo solare di 11 anni contribuisce a un’intensificazione dei processi ciclonici presso i fronti polari di media latitudine. Nella Figura 9a, i valori medi annui della pressione della troposfera (altezze geopotenziali al livello di 700 hPa) nelle medie latitudini (30–60° N) sono confrontati con i flussi di GCR nella stratosfera di media latitudine a circa 15–20 km di altitudine [34]. Si osserva una correlazione negativa considerevole tra questi valori, che conferma un potenziamento della ciclogenesi con l’aumento dei GCR in condizioni di un vortice forte durante gli anni ’80 e ’90. Tuttavia, questo legame è stato compromesso dopo il 2000, suggerendo cambiamenti significativi nei meccanismi di interazione tra GCR e dinamiche atmosferiche.L’attività ciclonica esercita un’influenza significativa sui campi nuvolosi nella troposfera, fungendo da catalizzatore per i meccanismi di formazione delle nuvole attraverso il trasporto verticale del vapore acqueo. Questo processo porta al raffreddamento e alla successiva condensazione del vapore acqueo, culminando nella genesi delle nuvole. I movimenti ascensionali di aria su larga scala, prevalenti alle latitudini extratropicali, sono tipicamente associati a sistemi di bassa pressione, quali cicloni e depressioni. Questi fenomeni nascono dalla convergenza dei flussi d’aria in prossimità della superficie terrestre che fluiscono verso il nucleo del ciclone o l’asse della depressione, come documentato nella letteratura specialistica (ad esempio, [43]).

Inoltre, tali movimenti verticali sono frequentemente legati ai fronti atmosferici, aree di transizione ristrette dove masse d’aria fredda e calda si incontrano. Questi fronti contribuiscono alla formazione di estesi sistemi di nuvole stratiformi frontali come Ns-As-Cs (nimbostratus, altostratus e cirrostratus) nei fronti caldi e lentamente mobili, così come allo sviluppo di nuvole convettive (cumulonimbus) nei fronti freddi rapidamente mobili (ad esempio, [44]). Dato che i cicloni extratropicali sono generalmente di tipo frontale, la loro formazione ed evoluzione si verificano presso i fronti atmosferici, rendendo la nuvolosità frontale una costante in tutte le fasi dell’evoluzione del ciclone. Questo stabilisce un legame notevolmente forte tra i campi nuvolosi e i processi dinamici operanti nella troposfera. Un ciclone ben sviluppato si manifesta come un potente vortice nuvoloso con una struttura spirale, visibile dalle immagini satellitari (vedi Figura 1 in [42]).

La Figura 9b illustra le variazioni temporali dei coefficienti di correlazione tra i valori medi annui delle anomalie di pressione troposferica (GPH700) nella fascia latitudinale di 30–60° N e i flussi di raggi cosmici galattici (GCR) [34] per intervalli mobili di 11 anni. Questi coefficienti di correlazione scorrevoli sono messi a confronto con coefficienti simili tra anomalie di nuvole basse (LCA) nella medesima fascia latitudinale e i flussi di GCR. I dati mostrano una marcata correlazione negativa, con un coefficiente R (GPH, FCR) di circa -0.8 (livello di confidenza p = 0.98 secondo simulazioni Monte Carlo dei coefficienti di correlazione scorrevoli per serie temporali surrogate ottenute dalla randomizzazione delle serie iniziali), evidenziatasi dalla metà degli anni ’80 alla metà degli anni ’90, indicativa di un forte impatto dei GCR sull’intensificazione dei cicloni. Successivamente, questa correlazione ha iniziato a indebolirsi e ha invertito il segno nei primi anni 2000. Si osserva che i coefficienti di correlazione per pressione-GCR e nuvole-GCR variano in fasi opposte. Il picco di correlazione positiva più elevato R (LCA, FCR) si è verificato nel periodo in cui gli effetti dei GCR sullo sviluppo dei cicloni erano più pronunciati. Verso la fine degli anni ’90, questa correlazione ha iniziato a diminuire e ha cambiato segno simultaneamente al rovesciamento della correlazione pressione-GCR. Pertanto, i dati presentati forniscono evidenze che un’elevata correlazione positiva tra la quantità di nuvole e i raggi cosmici galattici, rivelata su una scala temporale decennale [16,39], era dovuta principalmente agli effetti dei GCR sullo sviluppo dei processi dinamici nell’atmosfera sotto un forte vortice polare. La transizione del vortice polare da uno stato forte a uno più debole intorno al 2000 (Figura 6) ha probabilmente causato il rovesciamento della correlazione pressione-GCR, che a sua volta ha portato al rovesciamento della correlazione nuvole-GCR. Si sottolinea che i risultati ottenuti non escludono un possibile impatto delle variazioni dei GCR sui processi microfisici nelle nuvole su una scala temporale giornaliera tramite nucleazione mediata da ioni (ad esempio, [45]) e meccanismi elettrici [20]. Tuttavia, nell’analizzare gli effetti dei GCR sulla quantità di nuvole su scale temporali più estese, è essenziale considerare i cambiamenti nella circolazione atmosferica.

Influenza dell’Attività Solare sullo Stato del Vortice Polare: Focus sugli Eventi di Protoni Solari e l’Intensificazione del Vortice

Il vortice polare stratosferico gioca un ruolo fondamentale nel modulare gli effetti dell’attività solare sulla circolazione dell’atmosfera terrestre, grazie alla sua posizione geografica e altimetrica che lo rende particolarmente sensibile a tali influenze. Il vortice si forma in aree con bassa rigidità geomagnetica (≤2–3 GV), consentendo l’ingresso di particelle dei raggi cosmici di vasto spettro energetico. Questo rende l’area del vortice accessibile sia ai raggi cosmici galattici, modulati significativamente dall’attività solare, sia ai raggi cosmici solari, prevalentemente protoni, accelerati durante le esplosioni solari nella corona e nello spazio interplanetario.

Le precipitazioni di elettroni dalle aurore e dalla cintura di radiazioni, legate all’attività geomagnetica, influenzano ulteriormente l’area. Le variazioni nei flussi di particelle cariche inducono aumenti dell’ionizzazione atmosferica, modificando la composizione chimica e il regime termico dell’atmosfera polare. Questi cambiamenti influenzano la conducibilità e le correnti verticali nell’atmosfera, intensificando i processi microfisici nelle nuvole. Inoltre, le variazioni del potenziale ionosferico causate dalle modifiche ai campi magnetici interplanetari creano condizioni propizie per i meccanismi elettrici di interazione tra l’attività solare e l’atmosfera.

Gli Eventi di Protoni Solari (SPEs) sono un fenomeno significativo che impatta il vortice polare. Durante questi eventi, si registra un incremento dei flussi di protoni solari all’orbita terrestre associato a rilasci energetici esplosivi sul Sole, come i flare solari. Sebbene questi protoni generalmente non superino 1 GeV di energia, possono eccedere di molto i flussi dei raggi cosmici galattici, causando un notevole aumento dell’ionizzazione nell’atmosfera media. Questo incremento dell’ionizzazione è confinato principalmente alle latitudini polari a causa del loro spettro energetico decrescente e del taglio geomagnetico.

Dati osservativi, come quelli forniti dal satellite GOES-11 e dal progetto SOLARIS-HEPPA, indicano che una serie di SPEs intensi nel gennaio 2005 ha provocato significativi aumenti dell’ionizzazione, specialmente sopra i 20 km di altitudine, con le massime concentrazioni di ionizzazione che hanno raggiunto circa 1000 cm^3·s^−1 nella mesosfera e nella stratosfera superiore, dimostrando l’intenso impatto degli SPEs sul vortice polare.

La comprensione di questi fenomeni non solo arricchisce la nostra conoscenza delle dinamiche atmosferiche ad alte latitudini ma fornisce anche intuizioni preziose sui meccanismi attraverso i quali l’attività solare interagisce con l’atmosfera terrestre. Questo studio evidenzia l’importanza di monitorare e modellare queste interazioni per migliorare le previsioni delle variazioni climatiche e atmosferiche legate all’attività solare.I risultati dei nostri studi, documentati nelle pubblicazioni [47,48], evidenziano un’intensificazione marcata del vortice polare stratosferico correlata agli Eventi di Protoni Solari (SPE) avvenuti nel gennaio 2005. Analizzando i dati di rianalisi NCEP-DOE-2, si osserva un incremento notevole nella velocità dei venti zonali (occidentali) durante i mesi invernali del 2004/2005. In particolare, nel periodo dal 15 al 23 gennaio, si è verificata una deviazione significativa dai valori trend, con aumenti di circa 20-30 m/s ai livelli superiori (30–10 hPa) e di circa 15 m/s ai livelli inferiori (100–50 hPa).

Oltre all’intensificazione della velocità del vento, si è notato anche un allargamento delle aree influenzate da forti venti occidentali attraverso tutti i livelli stratosferici. Le analisi mostrano che, durante i giorni degli SPE, l’estensione delle zone dove la velocità del vento occidentale superava i 45, 55 e 65 m/s ai livelli di 30, 20 e 10 hPa, è aumentata del 40-43% rispetto ai livelli medi registrati tra il 1° e il 14 gennaio. Questo fenomeno è illustrato nella Figura 11b.

Un’ulteriore conferma dell’impatto degli SPE sulla dinamica del vortice è data dall’analisi delle variazioni temporali delle aree con venti ad alta velocità, che non erano state osservate prima dell’inizio degli eventi. Come documentato nella Figura 11c, queste aree sono emerse con l’inizio della serie di SPE e sono scomparse al loro termine. Un esame dettagliato delle carte giornaliere della velocità del vento zonale (componente U) del 13 gennaio (due giorni prima dell’inizio della serie di SPE) e del 19 gennaio (quattro giorni dopo l’inizio della serie), presentato nella Figura 12, rivela un significativo ampliamento dell’area di venti occidentali con velocità superiori a 40 m/s. Quest’area, inizialmente localizzata prevalentemente nella parte settentrionale del Nord America, si è estesa notevolmente verso est, coprendo l’Atlantico del Nord, e verso ovest, raggiungendo le zone ad alta latitudine del Pacifico Nord e le coste artiche dell’Eurasia. I valori massimi di velocità del vento sono aumentati da 55 a 67 m/s, con un corrispondente spostamento verso est della loro localizzazione.

Questi dati sottolineano un rafforzamento sostanziale del vortice polare stratosferico, che sembra strettamente correlato agli intensi SPE di gennaio 2005. Osservazioni simili riguardanti l’intensificazione dei venti zonali (occidentali) nella stratosfera sono state fatte anche durante gli SPE del 5-6 e 13-14 dicembre 2006, come documentato nel nostro lavoro [49]. Un’analisi approfondita degli SPE con energie superiori a 100 MeV, rilevati durante il 23° ciclo solare, suggerisce che l’intensificazione del vortice avvenga prevalentemente sotto la fase occidentale delle oscillazioni quasi-biennali dell’atmosfera.

I risultati ottenuti offrono quindi evidenze significative sull’influenza delle variazioni di ionizzazione nell’atmosfera media, associate agli SPE e ad altri fenomeni di attività solare, sull’intensità del vortice polare stratosferico su una scala temporale giornaliera. Si ipotizza inoltre che l’intensità del vortice possa essere influenzata da cambiamenti ionizzanti a lungo termine nella stratosfera, legati a variazioni nei flussi di Raggi Cosmici Galattici su scale temporali decennali o anche più estese. Ulteriori studi sono quindi necessari per esplorare gli effetti potenziali delle variazioni dei GCR sull’intensità del vortice polare.

La Figura 10, composta dai pannelli (a) e (b), offre un’analisi dettagliata dei dati raccolti durante gli Eventi di Protoni Solari (SPE) di gennaio 2005, mettendo in relazione l’intensità e la distribuzione energetica dei protoni solari con le conseguenti variazioni dei tassi di ionizzazione atmosferica a elevate latitudini geomagnetiche.

Nel pannello (a) del grafico, vengono presentati i flussi integrali di protoni, misurati dal satellite GOES-11, con energie superiori a 5, 50 e 100 MeV. Le diverse linee colorate indicano l’intensità del flusso protonico per ciascun range energetico specificato, con colorazioni distinte per facilitare l’interpretazione visiva: la linea blu corrisponde a protoni con energia superiore a 5 MeV, la verde per protoni oltre 50 MeV, e la rossa per quelli oltre i 100 MeV. I picchi osservati nelle tre serie di dati mostrano un aumento marcato del flusso di protoni a metà gennaio, coincidente con il periodo di massima attività degli SPE, suggerendo un diretto impatto degli eventi solari sull’intensità del flusso di particelle energetiche.

Passando al pannello (b), viene illustrata la correlazione tra l’energia dei protoni solari e il tasso di ionizzazione atmosferica. Questo grafico mostra i tassi di ionizzazione giornalieri medi misurati a latitudini geomagnetiche tra 60° e 90° durante i giorni degli SPE. Le curve, colorate diversamente per rappresentare i dati raccolti in date specifiche del gennaio 2005, evidenziano variazioni significative del tasso di ionizzazione correlato all’altitudine. L’asse verticale rappresenta l’altitudine, estendendosi da 10 km a 70 km, mentre l’asse orizzontale logaritmico indica il tasso di ionizzazione, da 0,1 a 10.000 cm³ s⁻¹. Le variazioni nei tassi di ionizzazione mostrano un incremento con l’aumentare dell’altitudine e tra le varie date, riflettendo l’impatto differenziato degli SPE sulla composizione ionica dell’atmosfera.

Complessivamente, la Figura 10 fornisce una rappresentazione visiva e quantitativa del legame tra l’attività solare, in particolare gli SPE, e i cambiamenti indotti nella dinamica atmosferica. La comprensione di questi fenomeni è cruciale per avanzare nelle conoscenze relative agli effetti dell’attività solare sul clima terrestre e sulla meteorologia spaziale, offrendo spunti fondamentali per la modellazione e la previsione delle variazioni atmosferiche legate a questi potenti eventi cosmici.

La Figura 11, suddivisa in tre pannelli (a, b, c), fornisce un’analisi dettagliata delle variazioni della velocità del vento occidentale e delle estensioni areali interessate da tali venti nella stratosfera durante l’inverno del 2004/2005, con un’enfasi particolare sulle dinamiche osservate nel gennaio 2005.

Nel pannello (a), si osservano le velocità massime del vento occidentale (Umax) registrate a diversi livelli stratosferici nell’area di formazione del vortice. Le diverse linee, ciascuna rappresentante un diverso livello di pressione atmosferica, sono colorate distintamente per facilitare l’interpretazione visiva dei dati. Queste variano dal rosso per i 10 hPa, al marrone per i 100 hPa, indicando le misurazioni effettuate a varie altitudini. Le tracce mostrano fluttuazioni significative, con evidenti picchi di velocità che coincidono con il periodo dal 15 al 23 gennaio, qui evidenziato con uno sfondo grigio. Questo periodo mostra un’intensificazione marcata della velocità dei venti a tutti i livelli monitorati, suggerendo un potenziale impatto degli eventi atmosferici estremi o delle variazioni climatiche durante questo intervallo temporale.

Il pannello (b) dettaglia le variazioni temporali delle aree coperte da venti occidentali particolarmente forti nella stratosfera superiore, presentando valori detrended per rimuovere le influenze di tendenze a lungo termine. I dati sono rappresentati per venti superiori a 65 m/s a 10 hPa e per venti superiori a 45 m/s a 50 hPa, utilizzando rispettivamente colori blu e rosa. Le serie temporali rivelano picchi corrispondenti all’aumento dell’area influenzata da questi venti forti, con il periodo di massima estensione che corrisponde a quello indicato nel pannello (a), rafforzando l’ipotesi di una relazione tra gli eventi stratosferici estremi e le variazioni della copertura areale dei venti intensi.

Infine, il pannello (c) focalizza l’attenzione sulle aree misurate in milioni di chilometri quadrati, interessate da venti occidentali con velocità superiori a 105 m/s a 10 hPa e a 60 m/s a 50 hPa. Questo grafico mostra un incremento marcato delle aree coinvolte durante il periodo disturbato, con un picco significativo per i venti a 10 hPa. La comparazione tra i dati dei pannelli (b) e (c) permette di apprezzare l’intensificazione e l’espansione spaziale dei venti occidentali forti, enfatizzando la loro rilevanza nella dinamica atmosferica del periodo in esame.

Complessivamente, la Figura 11 fornisce evidenze quantitativamente e qualitativamente rilevanti dell’impatto degli eventi solari e delle variazioni climatiche sulla dinamica dei venti stratosferici e sulle estensioni areali influenzate durante il periodo invernale del 2004/2005, offrendo spunti cruciali per la comprensione delle interazioni tra fenomeni solari e comportamenti atmosferici.

La Figura 12 illustra in modo dettagliato la distribuzione delle velocità medie giornaliere del vento zonale al livello di pressione di 50 hPa, confrontando le condizioni atmosferiche prima e dopo l’inizio di una serie di Eventi di Protoni Solari (SPE) nel gennaio 2005. Questa analisi visiva offre una rappresentazione chiara dell’impatto degli SPE sulla dinamica del vortice polare stratosferico, evidenziando significative variazioni nella velocità e nell’estensione dei venti occidentali.

Nel pannello (a), corrispondente al 13 gennaio 2005, ovvero prima dell’inizio degli SPE, la mappa colorata rappresenta le varie velocità del vento zonale. I colori variano dal blu al rosso, indicando un incremento nella velocità del vento, con le aree di vento più forte superiori a 40 m/s evidenziate in marrone scuro. Gli asterischi bianchi segnalano i punti di massima velocità del vento zonale (Umax), situati prevalentemente nella parte settentrionale del Nord America e sparsi attraverso l’Atlantico settentrionale. La distribuzione del vento prima degli SPE mostra una condizione relativamente stabile e uniforme con focalizzazione delle velocità maggiori in specifiche regioni.

Passando al pannello (b), datato 19 gennaio 2005, subito dopo l’inizio degli SPE, si osserva un cambiamento marcato nella distribuzione e intensità del vento zonale. Anche in questo caso, gli asterischi bianchi indicano i punti di massima velocità, che ora mostrano una distribuzione più estesa e variabile rispetto al 13 gennaio. L’area coperta dai venti occidentali con velocità superiore a 40 m/s si è notevolmente ampliata, estendendosi attraverso il Nord Atlantico fino alle coste artiche dell’Eurasia. Questa espansione è coerente con un intensificarsi del vortice polare, suggerendo che gli SPE abbiano avuto un ruolo significativo nell’aumentare l’energia e la circolazione del vento a questa altitudine.

L’analisi complessiva delle mappe in Figura 12 fornisce prove visive dell’influenza degli SPE sulla struttura e sulla dinamica del vortice polare stratosferico. La comparazione tra le due date evidenzia un netto incremento sia nella velocità che nell’estensione dei venti occidentali, implicando che gli SPE possono alterare significativamente la circolazione atmosferica a livelli stratosferici. Questi dati sono fondamentali per comprendere come eventi solari di grande intensità influenzino le dinamiche atmosferiche terrestri, offrendo spunti importanti per future ricerche e modellazioni del comportamento atmosferico in risposta ad influenze solari esterne.

3.2 Fattori Potenziali dell’Intensificazione del Vortice Polare su Scala Multidecennale

Nel contesto degli studi sui cambiamenti climatici e atmosferici, particolare attenzione viene rivolta ai fattori che potrebbero influenzare l’intensificazione del vortice polare su una scala temporale multidecennale. Analisi precedenti hanno evidenziato che l’intensità del vortice polare è soggetta a fluttuazioni approssimativamente sessantennali, le cui cause rimangono parzialmente indefinite. Tuttavia, è ragionevole ipotizzare che tali variazioni possano essere correlate a fenomeni legati all’attività solare, considerando la posizione geograficamente vantaggiosa del vortice.

Il vortice si forma in un’area dove le rigidità di taglio geomagnetiche sono particolarmente basse, facilitando così fenomeni come le aurore, che sono frequenti in questa regione a causa delle perturbazioni magnetosferiche. La zona aurorale, definita come il tratto tra le latitudini geomagnetiche di circa 60–75° e centrata sui poli geomagnetici di ciascun emisfero, comprende le regioni che vanno dalle coste artiche del Nord America alla parte meridionale di Groenlandia e Islanda, estendendosi fino alle coste artiche dell’Eurasia. Come dimostrato dai dati illustrati nella Figura 12, esiste una corrispondenza geografica significativa tra la localizzazione della zona aurorale e le aree di intensificazione dei venti occidentali nel vortice, comprese tra le latitudini di 60° e 80° N. Questa correlazione suggerisce che il vortice, o almeno alcune sue parti, potrebbero intersecarsi con l’area di precipitazione degli elettroni aurorali, creando un ambiente propizio per l’interazione tra il vortice e i fenomeni aurorali derivati dall’attività geomagnetica.

I dati raccolti e analizzati da Veretenenko e collaboratori [50] rivelano che le variazioni sessantennali osservate nelle occorrenze annuali delle tempeste magnetiche di tipo Gradual Commencement (GC) potrebbero essere connesse con queste fluttuazioni del vortice. Le tempeste GC sono caratterizzate da un’evoluzione lenta e graduale, senza precipitosi incrementi del campo magnetico terrestre prima della loro fase principale, e sono generalmente associate a correnti di vento solare ad alta velocità provenienti da buchi coronali, aree del campo magnetico solare di grande estensione con una configurazione aperta [51]. La Figura 13a mostra le variazioni annue delle occorrenze di queste tempeste, dopo aver eliminato i trend lineari, utilizzando i dati dell’osservatorio di media latitudine IZMIRAN. È evidente una variazione sessantennale, paragonabile a quella osservata nella forza del vortice polare (Figura 6). Confrontando i dati presenti nelle Figure 6 e 13a, si osserva che il rafforzamento del vortice dal 1980 al 2000 ha coinciso con un incremento delle occorrenze delle tempeste GC, mentre il suo indebolimento nel periodo 1950-1980 è avvenuto in concomitanza con una diminuzione di tali eventi.

Queste osservazioni suggeriscono un legame potenziale tra le dinamiche del vortice polare e l’attività solare, mediata da fenomeni geomagnetici, che potrebbe essere cruciale per comprendere i meccanismi sottostanti le variazioni climatiche e atmosferiche su scala multidecennale. Ulteriori studi sono necessari per esplorare in modo più approfondito queste interazioni e per verificare la consistenza di tali correlazioni nel lungo periodo.

È plausibile avanzare l’ipotesi che le fluttuazioni circa sessantennali riscontrate nell’intensità del vortice polare stratosferico siano interconnesse con variazioni analoghe nei flussi di vento solare ad alta velocità, i quali giocano un ruolo cruciale nello sviluppo di tempeste magnetiche con inizi graduale. Queste ultime sono notevolmente influenzate anche dalle caratteristiche dei buchi coronali, ovvero le regioni da cui originano tali flussi. Studi recenti hanno effettivamente evidenziato variazioni approssimativamente sessantennali nelle dimensioni dei buchi coronali osservati sul Sole, suggerendo un legame potenziale con i cicli di attività solare [52].

In aggiunta, le alterazioni nella forza del vortice polare potrebbero essere correlate ai cambiamenti a lungo termine nell’irradianza solare totale (TSI). Un’analisi approfondita della TSI, basata su dati storici ricostruiti inizialmente da Hoyt e Schatten [53] e successivamente aggiornati da Scafetta e Willson [54] con l’impiego di rilevazioni satellitari ACRIM, è stata condotta da Veretenenko e Ogurtsov [30]. Tale studio ha messo in luce la presenza di periodicità marcate di circa 80 e 60 anni nelle variazioni della TSI. Sebbene la periodicità di 80 anni fosse più pronunciata fino alla fine del diciannovesimo secolo, è la fluttuazione sessantennale quella che ha assunto un ruolo predominante nel corso del ventesimo secolo.

La Figura 13b illustra le variazioni temporali della TSI dal 1870 al 2014, depurate dalle tendenze lineari, come documentato nella pubblicazione di Scafetta e Willson [54]. L’analisi rivela una distinta variazione sessantennale nella TSI ricostruita negli ultimi 150 anni, con incrementi notabili nei periodi 1920-1950 e 1980-2000. Questi intervalli temporali coincidono con fasi di particolare intensità del vortice polare, come evidenziato nelle Figure 6 e 7.

Dunque, è ragionevole considerare le variazioni dell’energia radiativa solare come un fattore influente sull’intensificazione del vortice polare su scala multidecennale. Questa energia, essendo la principale fonte di circolazione atmosferica terrestre, potrebbe avere ripercussioni significative sulla dinamica del vortice polare, offrendo spunti fondamentali per la comprensione dei meccanismi che regolano le interazioni tra l’attività solare e le variazioni climatiche terrestri. Ulteriori studi in questa direzione potrebbero fornire chiarimenti cruciali sulle interdipendenze tra variabili solari e meteorologiche, contribuendo significativamente alla nostra comprensione delle dinamiche climatiche globali.

Il vortice polare stratosferico si forma in regioni caratterizzate da particolarmente basse rigidità di taglio geomagnetiche, un fenomeno cruciale per comprendere sia la struttura del vortice stesso sia la sua interazione con l’ambiente spaziale e atmosferico terrestre. La rigidità di taglio geomagnetica rappresenta la minima energia che una particella carica deve possedere per superare l’influenza del campo magnetico terrestre e penetrare nell’atmosfera terrestre in una data località. In termini tecnici, questa soglia energetica è determinata dall’intensità e dalla configurazione del campo magnetico terrestre, che varia con la latitudine e con l’attività solare.

Nelle regioni polari, dove il vortice si forma, la rigidità di taglio è notevolmente inferiore rispetto alle regioni equatoriali. Questo si deve alla particolare inclinazione delle linee del campo magnetico terrestre, che in prossimità dei poli sono quasi perpendicolari alla superficie terrestre. Tale configurazione facilita l’ingresso di particelle cariche provenienti dallo spazio, inclusi i protoni solari e i raggi cosmici galattici, nell’alta atmosfera. L’abbassamento della soglia di rigidità di taglio in queste aree permette quindi a particelle di energia relativamente bassa di interagire con la stratosfera, contribuendo a fenomeni di ionizzazione, variazioni chimiche e modifiche termiche che possono influenzare direttamente la dinamica del vortice polare.

L’importanza di questa interazione è particolarmente evidente durante eventi di intensa attività solare, come le esplosioni di massa coronale (CME) o le eruzioni solari, che emettono grandi quantità di particelle energetiche nello spazio. Quando queste particelle incontrano il campo magnetico terrestre, quelle con energia sufficiente per superare la bassa rigidità di taglio ai poli possono penetrare profondamente nell’atmosfera, intensificando i processi di ionizzazione. Questi processi possono modificare la conduttività elettrica atmosferica e alterare le correnti di vento nella stratosfera, influenzando così la struttura e l’intensità del vortice polare.

In sintesi, la bassa rigidità di taglio geomagnetica nelle regioni polari non solo permette una maggiore interazione tra la Terra e il flusso di particelle cariche cosmiche e solari, ma gioca anche un ruolo determinante nell’influenzare le caratteristiche fisiche del vortice polare stratosferico. Questo collegamento tra geomagnetismo e dinamica atmosferica sottolinea l’importanza di monitorare continuamente l’attività solare e le variazioni del campo magnetico terrestre per comprendere e prevedere i cambiamenti nella circolazione atmosferica globale.Per monitorare l’attività solare e le variazioni del campo magnetico terrestre, esistono diversi strumenti e risorse online gestiti da agenzie spaziali e istituti di ricerca. Questi strumenti forniscono dati in tempo reale e analisi dettagliate riguardanti l’attività solare, le tempeste magnetiche, e altri fenomeni correlati. Ecco alcuni dei siti più utili e affidabili per il monitoraggio di queste attività:

1. NOAA Space Weather Prediction Center (SWPC):
   • Link: SWPC
   • Descrizione: Il SWPC è una divisione della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) degli Stati Uniti, specializzata nel fornire allarmi e previsioni meteo spaziali. Il sito offre dati aggiornati su tempeste solari, eiezioni di massa coronale (CME), e l’indice di attività geomagnetica.
2. Space Weather European Network (SWENET):
   • Link: SWENET
   • Descrizione: Gestito da un consorzio di istituti europei, SWENET fornisce informazioni in tempo reale sul meteo spaziale, inclusi i dati sui venti solari e le perturbazioni magnetiche.
3. Solar Dynamics Observatory (SDO) della NASA:
   • Link: SDO
   • Descrizione: Il SDO fornisce immagini dettagliate del Sole in diversi spettri, utili per osservare le fluttuazioni dell’attività solare e per studiare come queste possano influenzare il clima spaziale.
4. The International Real-time Magnetic Observatory Network (INTERMAGNET):
   • Link: INTERMAGNET
   • Descrizione: INTERMAGNET promuove lo sviluppo di osservatori magnetici in tutto il mondo e fornisce accesso ai dati magnetici in tempo reale, essenziali per il monitoraggio delle variazioni del campo magnetico terrestre.
5. European Space Agency’s Space Situational Awareness (ESA SSA):
   • Link: ESA SSA
   • Descrizione: Questo programma dell’ESA offre informazioni e servizi riguardanti il meteo spaziale, i detriti spaziali e gli oggetti vicini alla Terra, con un focus specifico sui rischi per l’infrastruttura spaziale e terrestre.

Questi siti rappresentano risorse fondamentali per gli esperti di meteo spaziale, ricercatori, e per chiunque sia interessato a comprendere e a prevenire gli impatti dell’attività solare sul nostro pianeta. Utilizzando questi strumenti, è possibile ottenere una visione dettagliata e aggiornata che può aiutare nella pianificazione e nella mitigazione dei rischi associati ai cambiamenti atmosferici e climatici.

La Figura 13 si compone di due grafici che analizzano le variazioni a lungo termine di due indicatori cruciali relativi alla climatologia spaziale e all’attività solare: le occorrenze annue delle tempeste magnetiche di tipo Gradual Commencement (GC) e le fluttuazioni dell’Irradianza Solare Totale (TSI), rispettivamente. Entrambi i grafici utilizzano dati detrendizzati per eliminare le influenze di lungo periodo e isolare meglio le oscillazioni cicliche.

Nel pannello (a), il grafico documenta il numero di tempeste magnetiche GC registrate annualmente dal 1940 fino al 2020. Queste tempeste sono particolarmente significative poiché si sviluppano gradualmente e sono spesso legate a correnti di vento solare ad alta velocità che emanano da buchi coronali. La rappresentazione grafica utilizza una linea blu per mostrare il conteggio effettivo di eventi per anno, mentre una linea rossa più spessa indica un adattamento polinomiale che traccia la tendenza generale delle occorrenze nel tempo. Inoltre, una linea tratteggiata nera rappresenta una media mobile calcolata su un intervallo di 15 anni, impiegata per smorzare le fluttuazioni a breve termine e mettere in luce le tendenze di lungo periodo.

Nel pannello (b), si osservano le variazioni della TSI, misurate in watt per metro quadrato, estendendosi dal 1860 al 2020. La TSI è un parametro fondamentale per comprendere l’energia solare emessa verso la Terra, influenzando direttamente il nostro clima. I dati detrendizzati sono rappresentati dalla linea viola, mentre un adattamento polinomiale spesso in rosa cerca di delineare le tendenze sottostanti oltre alle variazioni annue. Una linea tratteggiata rosa mostra una media mobile su un periodo di 21 anni, facilitando l’identificazione delle variazioni cicliche e delle tendenze a lungo termine nella TSI.

Complessivamente, questi grafici evidenziano non solo le fluttuazioni cicliche nelle misurazioni di interesse ma anche periodicità che potrebbero riflettere cicli solari o altri cicli geofisici intrinseci. L’uso di medie mobili e adattamenti polinomiali rappresenta un approccio statistico essenziale per analizzare e interpretare le tendenze di fondo che possono essere oscurate da variazioni più caotiche su scala annuale o decennale. Queste informazioni sono indispensabili per una comprensione approfondita dell’interazione tra l’attività solare e il clima terrestre, offrendo indicazioni vitali per la previsione delle condizioni climatiche e meteorologiche spaziali future.

3.3 Meccanismi Potenziali degli Effetti dell’Attività Solare sull’Intensità del Vortice Polare

Come precedentemente discusso, lo stato del vortice polare appare essere influenzato da vari agenti associati all’attività solare, che possono indurre oscillazioni pluriennali nella sua intensità. La posizione geografica del vortice è particolarmente propizia per gli effetti delle particelle energetiche che penetrano nell’atmosfera terrestre e inducono cambiamenti nell’ionizzazione.

Un meccanismo proposto per l’intensificazione del vortice coinvolge variazioni nel bilancio termo-radiativo dell’atmosfera ad alte latitudini, legate a modifiche nella sua composizione chimica. Si sa che gli incrementi di ionizzazione favoriscono la produzione di specie chimiche quali l’idrogeno dispari (HOₓ = H + OH + HO₂) e l’azoto dispari (NOₓ = N + NO + NO₂). Questi costituenti minori sono coinvolti nei cicli catalitici che portano alla distruzione dell’ozono, un processo ben documentato in letteratura (ad esempio, [57]). L’aumento della produzione di tali specie porta quindi al depauperamento dell’ozono nell’atmosfera media. Poiché l’ozono è un gas attivo dal punto di vista radiativo che modula i flussi di radiazione sia a onde corte che lunghe, la sua riduzione può alterare significativamente i profili di temperatura dell’atmosfera polare.

Durante i mesi invernali, in condizioni di notte polare, l’ozono funge da gas serra, assorbendo la radiazione infrarossa emessa dalla Terra e dall’atmosfera. Questa assorbimento è mediato principalmente dalla banda vibrational-rotazionale più intensa centrata a 9,6 µm [57]. Di conseguenza, una diminuzione nella concentrazione di ozono può risultare in un raffreddamento dell’atmosfera polare. Tale raffreddamento potrebbe intensificare i contrasti termici tra le latitudini polari e quelle medie, contribuendo così a rafforzare il vortice polare.

Cambiamenti significativi nel contenuto di ozono sono stati registrati in concomitanza con numerosi eventi di protoni solari (SPE) maggiori, a partire dall’evento del 2 novembre 1969. Misurazioni effettuate mediante sonde spaziali [58] hanno mostrato che, due giorni dopo l’inizio di questo evento, la concentrazione di ozono si ridusse di un fattore 2-4 nelle altitudini mesosferiche di circa 50-70 km. Un intenso evento di protoni solari il 4 agosto 1972 provocò una riduzione notevole (circa il 20%) del contenuto di ozono sopra il livello di 4 hPa alle alte latitudini di 75-80° N [59]. Variazioni pronunciate di ozono sono state inoltre osservate in associazione con gli SPE del 19-29 ottobre [60], 14 luglio 2000 [61], e 28 ottobre-4 novembre 2003 [62]. Ulteriori studi basati su dati satellitari hanno rivelato cambiamenti sostanziali nella composizione chimica dell’atmosfera media polare durante una serie di intensi SPE di gennaio 2005, che si è scoperto essere accompagnata dall’intensificazione del vortice polare (Sezione 3.1). In particolare, Jackman e colleghi [63] osservarono una riduzione del contenuto di ozono alle alte latitudini di 62-82.5° N dal 16 al 24 gennaio 2005, con una diminuzione del 20-60% nella mesosfera (circa 60-70 km) e del circa 10% nella stratosfera superiore (circa 40 km) utilizzando i dati dello strumento MLS/Aura.

Quindi, i cambiamenti nella composizione chimica dell’atmosfera media polare avvengono effettivamente a causa degli aumenti di ionizzazione associati a SPE (Solar Proton Events) intensi e possono influenzare il regime termico delle alte latitudini e, di conseguenza, la dinamica atmosferica. Infatti, gli studi modellistici condotti da Krivolutsky e colleghi [64] hanno evidenziato che il depauperamento dell’ozono, seguendo un significativo SPE il 14 luglio 2000, ha indotto cambiamenti marcanti nella temperatura e nella velocità del vento nella mesosfera delle alte latitudini dell’emisfero nord durante l’estate; tuttavia, gli effetti degli SPE sulla dinamica dell’atmosfera invernale non sono stati sufficientemente esplorati. Tenendo conto degli effetti dell’ionizzazione sulla composizione chimica dell’atmosfera media polare osservati su una scala temporale giornaliera, proponiamo che effetti simili possano verificarsi anche su scale temporali più estese a causa delle variazioni nei raggi cosmici galattici, che sono la principale fonte di ionizzazione a quote di circa 3-60 km [21]. Questi effetti possono influenzare l’intensità del vortice polare. La formazione del vortice avviene infatti in un’area con basse rigidità di taglio geomagnetiche (≤2-3 GV), che consente l’accesso a particelle cariche in un ampio intervallo energetico, inclusa la componente a bassa energia dei GCR, fortemente modulata dall’attività solare.

Un’altra fonte di ionizzazione nell’atmosfera ad alte latitudini può essere la precipitazione di elettroni associata all’attività geomagnetica, scatenata dall’interazione del vento solare con il campo magnetico terrestre. Gli elettroni aurorali (1-30 keV) perdono la loro energia nella termosfera inferiore a circa 90-120 km [65]; tuttavia, generano raggi X bremsstrahlung che possono penetrare nei livelli inferiori dell’atmosfera. Le stime di Jackman [66] hanno mostrato che i raggi X con energie di 30 keV e 103 keV sono in grado di raggiungere altitudini di circa 40 e 30 km, rispettivamente, producendo cambiamenti di ionizzazione. Questi eventi di precipitazione di elettroni sono noti per contribuire alla produzione di ossidi di azoto a lunga vita, NOₓ, che possono essere trasportati verso il basso ai livelli stratosferici e partecipare al ciclo catalitico di distruzione dell’ozono. Gli studi modellistici condotti da Baumgaertner e colleghi [67] hanno rivelato un depauperamento dell’ozono del circa 20% nella stratosfera superiore dovuto all’aumento di NOₓ associato all’attività geomagnetica e agli eventi correlati di precipitazione di elettroni. Questo fenomeno è stato trovato come contributo all’abbassamento delle temperature stratosferiche alle alte latitudini nei mesi invernali e all’aumento dell’indice del Modo Annuale Nordico (NAM), indicativo dell’intensificazione del vortice polare.

L’effetto combinato di vari tipi di particelle cariche energetiche, tra cui i raggi cosmici galattici e solari e gli elettroni a bassa energia, sull’atmosfera terrestre è stato oggetto di simulazioni condotte da Rozanov e collaboratori [68]. Questi studi hanno rivelato che il depauperamento annuo dell’ozono associato a queste particelle potrebbe raggiungere valori superiori al 10% nella mesosfera polare e circa il 3-4% nella stratosfera superiore polare. È stato dimostrato che una riduzione anche minima della temperatura, dell’ordine di 0,5K, nella stratosfera a causa del depauperamento dell’ozono durante l’inverno può portare a un abbassamento dei livelli isobarici e a un’intensificazione del vortice polare stratosferico. Gli studi modellistici citati in [67,68] confermano l’ipotesi che le particelle energetiche possano influenzare la dinamica dell’atmosfera media attraverso cambiamenti nella composizione chimica e termica, suggerendo così che le variazioni nella forza del vortice polare su una scala temporale pluriennale (Sezione 2.5) possano derivare dall’impatto combinato dei tipi di particelle cariche menzionati.

I cambiamenti di ionizzazione nell’atmosfera polare, dovuti a fenomeni correlati all’attività solare, possono influenzare non solo la composizione chimica dell’atmosfera polare ma anche la sua conducibilità, influenzando così le correnti nel circuito elettrico globale (ad esempio, [20]). L’ionizzazione della stratosfera da parte dei flussi di raggi cosmici galattici (GCR), che mostrano una pronunciata dipendenza dalla latitudine, contribuisce a un massimo di conducibilità stratosferica alle alte latitudini e a un minimo a quelle inferiori (ad esempio, [69]). La modulazione dei GCR, dovuta a variazioni del vento solare associate all’attività solare, porta a variazioni nella densità delle correnti elettriche verticali, che, secondo Markson e Muir [70], possono raggiungere il 30% nel ciclo solare. Le intrusioni di protoni solari possono inoltre aumentare significativamente la conducibilità atmosferica alle latitudini polari. Ad esempio, Holzworth e colleghi [71] hanno rilevato un incremento della conducibilità e della densità di corrente elettrica di un fattore di 2 nelle alte latitudini dell’emisfero meridionale durante un importante evento di protoni solari il 16 febbraio 1984. La densità delle correnti elettriche nell’area di formazione del vortice può essere influenzata anche da cambiamenti nel potenziale ionosferico associati a variazioni nei campi magnetici interplanetari [20].Un incremento delle correnti elettriche causato dalle variazioni nei Raggi Cosmici Galattici (GCR) e nei Raggi Cosmici Solari (SCR), insieme ai cambiamenti nel potenziale ionosferico, può influenzare significativamente i processi microfisici all’interno delle nuvole. Il passaggio di correnti elettriche attraverso uno strato nuvoloso favorisce la generazione di cariche spaziali sui margini delle nuvole. Questa carica delle particelle nuvolose può indurre una serie di effetti sulla microfisica delle nuvole, come documentato nelle fonti [20,72]. Uno degli effetti più rilevanti è l’incremento della capacità delle gocce d’acqua di raccogliere aerosol attraverso un processo noto come elettroscavenging. Nel caso di gocce d’acqua sovraraffreddate, ciò può portare a un aumento del tasso di nucleazione a contatto e della produzione di ghiaccio nelle nuvole ad alta quota.

Le nuvole hanno un impatto notevole tanto sulla radiazione solare incidente a onde corte quanto sulla radiazione terrestre a onde lunghe, con effetti netti che variano a seconda della stagione, della latitudine e del tipo di nuvola. In particolare, durante i mesi invernali alle latitudini polari, le nuvole influenzano soprattutto la radiazione a onde lunghe, producendo un effetto di riscaldamento sull’atmosfera sottostante e di raffreddamento sopra lo strato nuvoloso. Recentemente, sono stati segnalati cambiamenti nei flussi di radiazione a onde lunghe alle latitudini polari, dovuti all’incremento delle correnti elettriche e alla presenza di nuvole ad alta quota, come riportato nei riferimenti [73,74]. Di conseguenza, le variazioni nella copertura nuvolosa associate ai cambiamenti di ionizzazione e alle variazioni delle correnti elettriche potrebbero rappresentare un fattore addizionale che influisce sul bilancio termico-radiativo dell’atmosfera polare su diverse scale temporali.

Pertanto, esistono diversi agenti legati all’attività solare che possono influenzare la forza del vortice polare stratosferico su scale temporali diverse, inclusa quella multidecennale. Questo studio ha posto particolare enfasi sui fattori che operano ad alte latitudini nell’area di formazione del vortice. Tuttavia, è importante considerare che, oltre ai cambiamenti di ionizzazione alle alte latitudini, l’intensità del vortice può essere influenzata dai processi atmosferici a bassa latitudine legati all’assorbimento della radiazione UV solare e dai processi nel sistema oceano-atmosfera correlati alle variazioni a lungo termine dell’Irradianza Solare Totale (TSI). Le dinamiche dell’attività solare e il loro impatto sullo stato del vortice su scale temporali multidecennali richiedono ulteriori investigazioni, che dovrebbero includere sia analisi di dati osservativi che simulazioni numeriche per una comprensione più approfondita dei meccanismi coinvolti.

4. Conclusioni

I risultati esposti precedentemente delineano diversi aspetti chiave riguardo l’influenza dei fenomeni di attività solare sulla circolazione atmosferica inferiore, evidenziando una periodicità approssimativamente sessantennale. Questa periodicità sembra strettamente collegata ai cambiamenti nelle epoche di circolazione su larga scala. In particolare, è stato osservato che le inversioni nei legami di correlazione tra le variazioni di pressione nella troposfera alle latitudini extratropicali e i fenomeni di attività solare coincidono con i momenti di cambiamento nelle principali modalità di circolazione atmosferica, secondo la classificazione di Vangengeim-Girs.

Inoltre, i cambiamenti nelle epoche di circolazione sembrano essere correlati con le transizioni tra i diversi stati del vortice polare stratosferico. L’analisi dei dati stratosferici e delle oscillazioni di pressione e temperatura a livello del mare alle latitudini polari mostra che l’intensità del vortice subisce variazioni con un periodo vicino ai 60 anni. In condizioni di un vortice forte, l’incremento dei flussi di Raggi Cosmici Galattici (GCR) contribuisce all’intensificazione dei cicloni extratropicali, mentre un vortice debole è associato a un’inversione di questi effetti. Durante il regime di un forte vortice, l’intensificazione della ciclogenesi extratropicale, correlata all’aumento dei GCR, ha prodotto una forte correlazione positiva tra la nuvolosità e l’intensità dei GCR negli anni circa 1980-2000. Un marcato indebolimento del vortice intorno al 2000 potrebbe essere stato il fattore scatenante per la rottura di questa correlazione.

I risultati ottenuti indicano che il vortice polare stratosferico svolge un ruolo cruciale nei meccanismi di interazione solare-atmosferica, grazie principalmente alla sua capacità di modulare l’interazione tra la troposfera e la stratosfera attraverso le onde planetarie.

L’analisi evidenzia inoltre che lo stato del vortice polare può essere influenzato da vari fenomeni di attività solare, contribuendo a oscillazioni pluriennali della sua intensità. La posizione geografica del vortice, situata a latitudini elevate, è particolarmente vantaggiosa per subire gli effetti degli aumenti di ionizzazione associati ai flussi di particelle cariche, come i raggi cosmici solari e galattici, nonché gli elettroni aurorali e della cintura di radiazione. Questi aumenti di ionizzazione provocano cambiamenti significativi nella composizione chimica, tra cui il depauperamento dell’ozono, influenzando il regime termico dell’atmosfera polare, nonché aumentando la conducibilità, che a sua volta influenza le correnti elettriche verticali e i processi microfisici all’interno delle nuvole.

Questa comprensione multifattoriale della dinamica del vortice polare e dei suoi legami con l’attività solare sottolinea la necessità di ulteriori indagini, comprese analisi approfondite di dati osservativi e simulazioni numeriche, per decifrare più dettagliatamente i meccanismi sottostanti e per prevedere meglio le variazioni atmosferiche future su scala multidecennale.

Dichiarazioni finali del progetto di ricerca

Finanziamento

Il presente studio non ha beneficiato di finanziamenti esterni, avendo proceduto indipendentemente con le risorse disponibili internamente agli enti partecipanti.

Approvazione etica

Non applicabile. La natura del presente studio, basato sull’analisi di dati preesistenti e su modelli computazionali, non ha richiesto l’approvazione da parte di comitati etici istituzionali.

Consenso informato

Non applicabile. Questo studio non ha coinvolto soggetti umani, dati personali o animali, pertanto non è stata necessaria alcuna forma di consenso informato.

Disponibilità dei dati

I dati utilizzati per le analisi presentate in questo studio provengono da diverse fonti riconosciute e accessibili pubblicamente, garantendo trasparenza e replicabilità. Di seguito sono dettagliate le fonti specifiche:

1. Dati di rianalisi NCEP: Forniti dalla NOAA/OAR/ESRL PSL, Boulder, Colorado, USA, accessibili via web all’indirizzo https://psl.noaa.gov/, consultati il 29 maggio 2020.
2. Dati MSLP (Mean Sea Level Pressure): Provenienti dalla Climatic Research Unit, Università dell’East Anglia, disponibili online al link https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/pressure, con accesso il 10 agosto 2004 e dal Earth System Research Laboratory della NOAA, raggiungibili su https://www.esrl.noaa.gov/psd/repository, con accesso il 7 novembre 2017.
3. Dati di temperatura: Ricavati dall’analisi della temperatura superficiale di GISS, visibili al sito http://data.giss.nasa.gov/gistemp/source, con accesso il 13 aprile 2018.
4. Numeri delle macchie solari: Ottenuti dal World Data Center WDC-SILSO, Osservatorio Reale del Belgio, consultabili al link http://www.sidc.be/silso/datafiles, con accesso il 27 novembre 2017.
5. Dati del monitor dei neutroni di Climax: Acquisiti dal NOAA National Geophysical Data Center, disponibili via FTP al link ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/, consultati il 17 gennaio 2007.
6. Tassi di ionizzazione: Ottenuti da SOLARIS-HEPPA, raggiungibili al link https://solarisheppa.geomar.de/, con accesso il 24 gennaio 2017.
7. Dati sulle nuvole: Provenienti da ISCCP D2, accessibili su http://isccp.giss.nasa.gov/pub/data/D2CLOUDTYPES, con accesso il 4 agosto 2015.
8. Dati satellitari GOES-11: Disponibili su http://spidr.ngdc.noaa.gov, consultati il 15 febbraio 2008.
9. Dati sulle tempeste magnetiche: Consultabili al link http://www.izmiran.ru/magnetism/magobs/MagneticStormCatalog.html, con accesso il 19 gennaio 2019.
10. Flussi di raggi cosmici nella stratosfera: Forniti dal Lebedev Physical Institute, Solar and Cosmic Ray Physics Laboratory, accessibili su https://sites.lebedev.ru/ru/sites/DNS_FIAN.html, con accesso il 13 luglio 2020.

Questi dati rappresentano una risorsa cruciale per il nostro studio, permettendo un’analisi approfondita e multidisciplinare dell’influenza dei fenomeni di attività solare sulla dinamica atmosferica.

https://www.mdpi.com/2073-4433/13/7/1132#:~:text=The%20results%20presented%20in%20this,between%20atmospheric%20characteristics%20and%20solar