La propagazione del segnale troposferico alla stratosfera

Riassunto analitico

Il vortice polare stratosferico è un forte vento zonale che ruota attorno al Polo Nord tra fine autunno e inizio primavera isolando l’aria fredda polare da quella calda delle medie latitudini, la cui variabilità è controllata principalmente dalla propagazione verticale di onde planetarie provenienti dalla troposfera che rallentano il vento zonale stratosferico. Nella stagione fredda e in particolare in inverno, quando le onde stazionarie sono particolarmente intense, troposfera e stratosfera risultano fortemente accoppiati. In queste condizioni un trasporto rapido e intenso di calore alle regioni polari della stratosfera può causare il dislocamento o la spaccatura del vortice polare stratosferico e si ha un Sudden Stratospheric Warming (SSW). Gli SSW sono associati a cambiamenti nella circolazione troposferica e ad ondate di aria fredda alle medie latitudini su scala continentale. Solitamente si verifica uno spostamento medio della corrente a getto nell’Oceano Atlantico con implicazioni note per temperature e precipitazioni sul continente europeo. I fatti sopraelencati sottolineano l’importanza di rappresentare correttamente la stratosfera quale sorgente di predicibilità troposferica.

Il sistema atmosferico può essere suddiviso in strati verticali in base alle sue caratteristiche chimiche e dinamiche. Il primo strato è la troposfera, dove si verificano i fenomeni che determinano le condizioni atmosferiche in superficie.

La stratosfera è quello strato d’atmosfera stratificata, che si estende al di sopra della tropopausa fino ad un’altezza di circa 40-50 km, e ha composizione pressoché analoga allo strato precedente, ma la pressione è minima, bassa la densità e, quindi, i componenti gassosi si presentano sempre più rarefatti. La stratosfera contiene il 9.5% di tutta la massa gassosa dell’atmosfera. Il vapore acqueo ed il pulviscolo atmosferico diminuiscono rapidamente con la quota e non si verificano processi di formazione nuvolosa connessi con precipitazioni. La stratosfera è contraddistinta anche da assenza di moti turbolenti e dalla presenza di venti regolari e impetuosi che possono raggiungere i 200 km/h.

Fino a vent’anni fa si pensava che la stratosfera avesse poca o nessuna
influenza sul tempo osservato nella troposfera inferiore. L’acquisizione di dati limitati e disomogenei dalla media atmosfera ha impedito di valutare l’impatto della stratosfera sugli strati sottostanti.

Ciononostante, studi dettagliati riguardanti le dinamiche stratosferiche sono stati sviluppati nel diciannovesimo secolo, per esempio le opere di Matsuno [1971], Karoly e Hoskins [1982], Charney e Drazin [1961] sulla propagazione verso l’alto del segnale proveniente dagli strati atmosferici inferiori, o il libro completo sulle dinamiche dell’atmosfera media di Andrews et al. [1987].

All’inizio del ventesimo secolo è stato dimostrato che le anomalie che avvengono in seno al vortice polare stratosferico in certe occasioni si propagano fin verso la superficie influenzando la circolazione troposferica per lunghi periodi di tempo. Gli studi di Baldwin e Dunkerton [1999, 2001] hanno aperto la strada a molti studi sull’interazione tra troposfera e
stratosfera extratropicale, un argomento ancora molto dibattuto nella comunità scientifica. Le condizioni dinamiche che si vengono a creare nella stratosfera sono ormai considerate una fonte di prevedibilità troposferica invernale per previsioni a medio e lungo termine [Scaife et al., 2012, Charlton-Perez et al., 2013, Butler et al., 2016]. Le anomalie che vengono a crearsi nella stratosfera e che tendono poi in alcune occasioni a trasferirsi verso il basso, hanno una lunga persistenza nella troposfera, influenzando le previsioni sub-stagionali [Tripathi et al., 2015] e stagionali .

Il profilo di temperatura verticale viene utilizzato come criterio per identificare gli strati atmosferici (vedi Figura 1.1). La stratosfera è lo strato posto tra le tropopausa (primo livello di inversione verticale del gradiente di temperatura, da negativo a positivo) e stratopausa (secondo livello di inversione verticale del gradiente di temperatura, da positivo a negativo), che va da da ∼10 a ∼50 km sopra la superficie terrestre con temperature crescenti fino a ∼ 270 K. Viene anche chiamato “strato di ozono” a causa dell’alta concentrazione di O3, che è responsabile dell’assorbimento dal 97 al 99 percento della  radiazione ultravioletta (UV o raggi ultravioletti o luce ultravioletta).Il fatto che la radiazione UV diminuisce dall’alto verso il basso spiega il motivo per cui le temperature più elevate si registrano nella parte superiore della stratosfera a causa del riscaldamento prodotto dall’assorbimento delle radiazioni ultraviolette [Liang, 2013].

La stratosfera è molto asciutta e generalmente priva di nubi rispetto alla troposfera, dal momento che l’H2O difficilmente riesce a raggiungere la stratosfera. Sia la scarsità di vapore acqueo sia che essa è caratterizzata da un aumento di temperatura con altezza, rendono la stratosfera staticamente stabile e molto stratificata verticalmente , a causa della ridotta attività convettiva [Andrews et al., 1987].Lo stato della stratosfera è caratterizzato da una circolazione prevalentemente di tipo zonale e subisce una forte stagionalità indotta da differenze latitudinali nel riscaldamento radiativo netto che è massimo al polo estivo, minimo al polo invernale.

Ciò è evidente nella Figura 1.2 che mostra la temperatura media zonale, nei mesi di dicembre-febbraio.

Dopo l’equinozio d’autunno (23 settembre) il riscaldamento delle zone stratosferiche polari dell’emisfero settentrionale, dovuto principalmente all’azione di assorbimento dei raggi UV da parte dello strato di ozono, viene meno a causa dell’espansione della notte polare verso latitudini inferiori. Le temperature decrescono rapidamente e nello stesso tempo forti correnti occidentali vengono generate dall’azione combinata della forza di Coriolis e del gradiente di temperatura, sempre più marcato, che viene a crearsi tra l’equatore ed il polo.

Si crea, così, nella parte alta della stratosfera un intensa corrente occidentale occidentale (da ovest verso est) chiamata vortice polare che delimita una zona di bassa pressione molto stabile, generalmente centrata sul polo nord.

La forza del vortice polare può essere rappresentata, con una buona approssimazione, dal vento zonale medio zonale misurato a 60 N e 10 hPa.

Nella paragrafo 1.2, è stato descritto il meccanismo che crea il vortice polare stratosferico.
La forza del vortice polare può essere rappresentata, con una buona approssimazione, dal vento zonale medio zonale misurato a 60 N e 10 hPa. Esempio, Nella Figura 1.5, la media zonale del vento zonale a 60 N e 10 hPa descrive la forza del vortice polare stratosferico nell emisfero nord rispetto al vortice dell’emisfero sud (SH).

La maggiore variabilità del vortice polare nel nord emisfero, viene raggiunta nel periodo compreso da novembre ad aprile a causa della sua forte interazione con la troposfera sottostante.

Tale interazione cessa a metà della primavera in corrispondenza dell’inversione dei venti stratosferici che da occidentali divengono orientali,impedendo così la propagazione verso l’alto delle onde di Rossby [Charney e Drazin, 1961].

Nell emisfero nord, il vortice polare risulta maggiormente disturbato
dalle onde troposferiche derivanti dall ‘orografia e dal contrasto terra oceano.
Al contrario, nel sud emisfero , a causa della minore forzatura troposferica, il vortice polare invernale risulta più forte .

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