Monsoni, ZCGI e il Concetto del Monsoni Globale

Le fasce di pioggia della Terra nelle zone tropicali e subtropicali, come le Zone di Convergenza Intertropicale (ZCGI) e i monsoni, rappresentano sistemi complessi. Essi sono influenzati da fattori su larga scala, come la circolazione generale dell’atmosfera, e da interazioni regionali con i continenti e le formazioni montuose, trovando anche una forte interconnessione con gli oceani. Storicamente, i monsoni sono stati interpretati come circulazioni di brezza marina su vasta scala, mosse dal contrasto tra terra e mare. Di recente, tuttavia, è stata avanzata l’idea di un “monsone globale”, un fenomeno su scala mondiale che incide profondamente sulla variazione annuale delle precipitazioni nelle zone tropicali e subtropicali. Questo fenomeno deriva dalla variazione stagionale della circolazione atmosferica globale nei tropici e dalla migrazione della zona di convergenza correlata.

Al cuore di questo sistema globale, troviamo sottosistemi regionali specifici, ciascuno dei quali è definito e influenzato dalle condizioni ambientali locali. In parallelo, sono stati compiuti significativi passi avanti nella comprensione teorica delle celle di Hadley stagionali e delle zone di convergenza, grazie all’uso di modelli gerarchici e alla simulazione di mondi acquatici semplificati, noti come acquapianeti.

In questo contesto, il nostro esame si concentra sui progressi teorici recentemente ottenuti e su come questi possano integrarsi con le osservazioni per fornire una comprensione più approfondita delle peculiarità dei monsoni regionali e della loro reazione a determinate forze esterne. Partendo dall’analisi degli equilibri dinamici ed energetici che distinguono le ZCGI dai monsoni, evidenziamo come il nostro attuale quadro teorico supporti convincentemente l’idea di una zona di convergenza in movimento. Questa prospettiva ci permette di identificare i vincoli specifici che regolano la circolazione atmosferica, attraverso un’attenta valutazione dei bilanci di momento ed energia.

Nonostante questi progressi, rimangono delle limitazioni nelle teorie attuali, soprattutto per quanto riguarda la necessità di comprendere meglio l’effetto delle asimmetrie zonali e dei fenomeni transitori sulla grande circolazione tropicale. Queste aree rappresentano sfide aperte e punti di partenza per ulteriori ricerche, con l’obiettivo di arricchire la nostra comprensione dei monsoni e delle dinamiche climatiche globali.

Riassunto in Linguaggio Semplice dei Monsoni

I monsoni rappresentano quelle circolazioni umide estive che sono responsabili della maggior parte delle precipitazioni annuali in numerosi paesi situati nelle zone tropicali e subtropicali, influenzando oltre un terzo della popolazione mondiale. Tradizionalmente, i monsoni in differenti regioni sono stati interpretati come separate “brevi marine” su scala continentale, causate dal fatto che la terra si riscalda più velocemente dell’oceano durante l’estate. Questo porta all’ascesa dell’aria calda sopra i continenti e all’attrazione verso terra di aria umida proveniente dall’oceano.

Nel presente lavoro, evidenziamo come recenti progressi teorici e analisi basate su osservazioni sostengano una concezione innovativa dei monsoni. Questi vengono ora visti come migrazioni stagionali localizzate della zona di convergenza tropicale, ovvero quell’area in cui l’aria converge portando pioggia nei tropici, situata all’interno del ciclo di rovesciamento atmosferico tropicale. Questa nuova prospettiva riesce a distinguere le dinamiche delle Zone di Convergenza Intertropicale (ZCGI), situate a basse latitudini (circa 0–10° verso i poli), da quelle dei monsoni, che si trovano in una fascia più esterna (circa 10–25° verso i poli). Tale distinzione aiuta a spiegare le similitudini e le differenze tra le ZCGI regionali e i monsoni, offrendo al contempo spunti per capire la variabilità di anno in anno di questi sistemi e come il concetto di monsone globale potrebbe evolvere in futuro.

Concludiamo la nostra analisi considerando alcuni elementi ancora non pienamente integrati in questa rinnovata comprensione: l’effetto delle montagne e della morfologia dei continenti sulla circolazione atmosferica e la relazione tra le zone di convergenza e i sistemi meteorologici di breve durata. Questi aspetti sottolineano l’importanza di continuare a esplorare e approfondire la nostra comprensione dei monsoni e della loro complessità.

1. Introduzione ai Monsoni

I monsoni sono un elemento predominante del clima nelle zone tropicali e subtropicali di molte regioni del mondo. Questi si caratterizzano per le loro stagioni estive piovose alternate a inverni più asciutti, e sono distinti da una inversione stagionale dei venti prevalenti. La differenza nelle precipitazioni (dati GPCP; Huffman et al., 2001) e nella velocità del vento a 850 hPa (dati JRA‐55; Kobayashi et al., 2015) tra i mesi di giugno-settembre e dicembre-marzo, calcolata su un periodo che va dal 1979 al 2016, evidenzia chiaramente queste dinamiche. Un contorno in colore magenta delinea le aree in cui la differenza tra la precipitazione estiva e quella invernale supera i 2 mm al giorno, con l’estate che contribuisce per almeno il 55% alla precipitazione annuale totale, permettendo così di individuare le diverse regioni monsoniche del mondo.

Nell’ambito di settori pratici, come l’agricoltura, è stato tradizionalmente importante esplorare i fattori che influenzano la pioggia stagionale a livello regionale. Tuttavia, le analisi basate sulle funzioni ortogonali empiriche (EOF) della circolazione divergente globale e dei dati relativi a precipitazioni e venti a livello inferiore rivelano un marcato modello solstiziale su scala globale, spinto dal ciclo annuale dell’insolazione, noto come monsone globale. Sebbene su scale temporali che vanno dal decennale all’intrastagionale i monsoni locali tendano a comportarsi come sistemi distinti, essi mostrano un certo grado di coordinamento attraverso le teleconnessioni con il fenomeno ENSO. Questo si riflette, ad esempio, nella debole correlazione della variabilità interannuale delle precipitazioni tra le diverse regioni. È interessante notare che anche all’interno di una singola regione monsonica, il principale modello di variabilità interannuale può presentare una struttura spaziale complessa, con la precipitazione che non varia in modo uniforme nell’area considerata.

Con l’ampliarsi e il miglioramento della qualità dei dataset proxy del paleoclima, è diventato possibile studiare la variabilità dei monsoni su scale temporali più estese. Ad esempio, analisi di dati mostrano che durante gli eventi di Heinrich – improvvisi rilasci di enormi quantità di ghiaccio dalla calotta glaciale Laurentide nell’Atlantico Nord – e i cicli di Dansgaard-Oeschger, caratterizzati da variazioni naturali durante l’ultima era glaciale, si sono verificati cambiamenti bruschi e sincronizzati delle precipitazioni nelle zone tropicali e subtropicali su scala millenaria. Gli studi di modellizzazione hanno riprodotto questi cambiamenti idrologici, attribuendoli a variazioni improvvise nell’estensione del ghiaccio marino nell’Atlantico Nord, confermando così la complessa interazione tra monsoni e variabilità climatica su vasta scala.

La Figura 1 presenta una serie di mappe dettagliate che illustrano come cambiano le precipitazioni e i venti in relazione alle stagioni nei diversi emisferi. Analizzando i vari pannelli, possiamo comprendere meglio le dinamiche dei monsoni, fondamentali per climi tropicali e subtropicali.

Nel pannello (a), i colori indicano la differenza nella quantità di pioggia tra l’estate dell’emisfero settentrionale e quella dell’emisfero meridionale, con tonalità che vanno dal blu al rosso a indicare meno o più precipitazioni, rispettivamente. Le frecce mostrano la direzione e l’intensità del vento a 850 hPa: quelle nere segnalano un cambiamento significativo nella direzione del vento tra le stagioni, mentre quelle grigie indicano una variazione minore. I contorni in magenta delineano le regioni in cui l’estate contribuisce in modo sostanziale alle precipitazioni annue, identificando così le aree monsoniche. I riquadri gialli delimitano le regioni prese in esame per ulteriori analisi.

I pannelli (b, d, f) esaminano le stagioni intermedie, ovvero primavera e autunno, per catturare la transizione tra le stagioni più estreme. In questo caso, osserviamo le variazioni di precipitazione e vento durante questi periodi di cambiamento.

Nei pannelli (c) ed (e), vengono mostrati i dettagli delle precipitazioni e dei venti per le estati dei due emisferi. Qui possiamo osservare i modelli tipici delle piogge monsoniche e la loro associazione con i venti stagionali.

In sintesi, la Figura 1 ci offre una rappresentazione visiva complessa ma informativa delle variazioni stagionali delle precipitazioni e dei venti a livello globale. I modelli di cambiamento stagionale esposti sono particolarmente importanti per comprendere le caratteristiche regionali dei monsoni e per prevedere il loro impatto su agricoltura e economie locali.

Sulle scale temporali che si estendono per migliaia di anni, la composizione isotopica dell’aragonite che forma le stalagmiti nei tropici mostra una forte correlazione con i cambiamenti dell’insolazione dovuti alla posizione orbitale della Terra, come si può osservare in alcune figure di riferimento. Le simulazioni condotte con modelli climatici capaci di tenere conto degli isotopi confermano questi dati indiretti e indicano che la precessione terrestre genera variazioni coordinate e significative nell’intensità dei monsoni a livello tropicale, variazioni che risultano amplificate nei periodi in cui l’eccentricità dell’orbita terrestre è maggiore.

Il riconoscimento di pattern monsonici coerenti su scala globale pone nuove domande riguardo alla nostra comprensione di questi sistemi. Da un punto di vista storico, l’associazione delle piogge tropicali estive con le terre emerse ha portato all’interpretazione dei monsoni come una sorta di brezza marina su vasta scala, con aria umida che viene trasportata verso i continenti durante la stagione estiva, quando la terraferma si scalda di più rispetto agli oceani, generando così precipitazioni convettive.

Per lungo tempo, i monsoni sono stati considerati fenomeni separati dalla Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ), quest’ultima identificata con la parte ascendente della circolazione di Hadley e riconosciuta come il punto di convergenza dei venti alisei dei due emisferi. Questa concezione dei monsoni come brezze marine è rimasta prevalente nonostante fosse noto da tempo che il contrasto termico tra terra e mare raggiunge il suo apice prima dell’arrivo dei monsoni in India e che gli anni di siccità coincidono con temperature più elevate delle superfici terrestri.

Tuttavia, alla luce delle ricerche più recenti che enfatizzano il ruolo dominante del monsone globale, si sta consolidando una nuova prospettiva: i monsoni regionali vengono visti come spostamenti localizzati e più intensi della zona di convergenza tropicale. Tale zona può posizionarsi in prossimità dell’equatore, dando vita all’ITCZ, oppure può spostarsi verso i poli sopra i continenti sotto forma di monsone. Questo approccio moderno aiuta a comprendere meglio le migrazioni dei monsoni e le loro interazioni con la dinamica climatica globale.

C’è stato un notevole sforzo di ricerca per capire la dinamica fondamentale dei monsoni attraverso una serie di modelli gerarchici che variano da quelli asciutti e assisimmetrici, a modelli umidi senza nuvole, fino ad arrivare a quelli più complessi con completa fisica e orografia realistica. Questa varietà di modelli ha permesso di indagare una gamma estesa di fattori che influenzano la struttura delle precipitazioni tropicali. Gli studi in questo ambito confermano solidamente l’idea dei monsoni come manifestazioni locali di una più ampia zona di convergenza tropicale globale, offrendo prospettive teoriche solide riguardo i meccanismi che regolano circolazione e precipitazioni tropicali.

In questa rassegna, il nostro obiettivo è unire i risultati degli studi osservativi dei monsoni terrestri con le più recenti scoperte teoriche che pongono dei limiti alla dinamica su larga scala delle ITCZ e dei monsoni. Ci proponiamo di valutare i progressi fatti fino ad ora e di identificare possibili direzioni per la ricerca futura. È importante sottolineare che, all’interno di questa rassegna, usiamo il termine “monsone” per riferirci specificamente al monsone estivo locale, a differenza di quello invernale. Basandoci sulla discussione di lavori teorici, da questo punto in avanti useremo “monsone” per descrivere le precipitazioni legate a circolazioni con rami ascendenti posizionati ben oltre i 10° di latitudine. Dimostreremo che, a differenza delle ITCZ, i monsoni sono caratterizzati da circolazioni che conservano il momento angolare e la cui intensità è in gran parte determinata da vincoli energetici. Il termine “ITCZ” è riservato invece per quelle bande di precipitazioni zonalmente orientate che si mantengono entro circa 10° dall’equatore e la cui dinamica è significativamente influenzata dai flussi di momento dovuti a perturbazioni atmosferiche su larga scala. In generale, il termine “zona di convergenza” viene utilizzato per indicare le località di precipitazioni sia monsoniche che ITCZ, poiché, a prescindere dalla dinamica che le governa, entrambe sono associate a rami ascendenti di celle di circolazione. La zona di convergenza tropicale media zonale e annuale viene specificamente definita come ITCZ.

Questo articolo ha tre obiettivi principali:

1. Esaminare quanto le scoperte teoriche ottenute attraverso studi basati su modelli idealizzati siano pertinenti e possano essere applicate ai monsoni e alle Zone di Convergenza Intertropicale (ITCZ) del mondo reale.
2. Incoraggiare la comunità scientifica impegnata nella modellizzazione a condurre simulazioni che possano chiarire le questioni ancora irrisolte sulla dinamica che sta alla base delle zone di convergenza tropicale.
3. Offrire ai nuovi arrivati nel campo uno spunto introduttivo su questi due aspetti.

Per perseguire questi scopi, nella sezione 2 verranno discussi i risultati teorici ottenuti da modelli idealizzati, con un’attenzione particolare agli acquapianeti con condizioni di contorno simmetriche e variazioni di riscaldamento. La sezione 3 analizza le caratteristiche delle zone di convergenza regionali osservate, il loro ruolo collettivo all’interno del monsone globale, e in che misura i processi dinamici individuati nei modelli idealizzati si applichino a questi sistemi. La sezione 4 indaga l’importanza delle asimmetrie nelle condizioni al contorno e dell’attività transitoria per i monsoni e le ITCZ, aspetti che sono a volte trascurati nella formulazione di teorie basate su modelli semplificati. Infine, nella sezione 5, faremo il punto sui successi e sui limiti di questo incrocio tra teoria e osservazione, proponendo alcuni campi di ricerca su cui concentrarsi in futuro.

La Figura 2 ci presenta i risultati visivi di un’analisi complessa del clima che si concentra su precipitazioni e venti. Questa analisi è stata fatta utilizzando un metodo statistico noto come funzione ortogonale empirica multivariabile (EOF), che aiuta a identificare i modelli predominanti in un insieme di dati climatici.

Nei pannelli (a) fino a (c), possiamo osservare tre diversi schemi che rappresentano i principali modelli di variazione delle precipitazioni (mostrati con diverse tonalità di colore) e dei venti (rappresentati da frecce) a un’altezza di 850 hPa. Le frecce indicano sia la direzione che la velocità del vento, mentre le diverse tonalità dal verde al marrone indicano l’intensità delle precipitazioni. In ciascun pannello, i numeri tra parentesi indicano quanto ogni modello (EOF1, EOF2, EOF3) contribuisca alla variazione totale dei dati di precipitazioni e venti. Ad esempio, il primo modello (EOF1) rappresentato nel pannello (a) spiega il 71% di questa variazione.

Nel pannello (d), vediamo una serie di linee colorate che rappresentano i componenti principali (PC1, PC2, PC3) associati ai modelli sopra. Queste linee mostrano l’intensità di ogni modello nel corso dei mesi, normalizzata rispetto alla loro varianza. L’asse orizzontale indica il tempo, mostrato in mesi, mentre l’asse verticale mostra l’intensità normalizzata di ciascun modello. Questo grafico aiuta a capire come l’importanza di ciascun modello varia nel corso dell’anno.

In sintesi, la Figura 2 offre una rappresentazione grafica di come i modelli principali di precipitazione e vento cambiano nel corso dei mesi, fornendo una visione dinamica di come questi fattori climatici interagiscono e si manifestano stagionalmente.

La Figura 3 ci mostra come sono cambiate le precipitazioni estive in specifiche regioni monsoniche dall’anno 1979 al 2016. Per l’emisfero settentrionale, l’estate è rappresentata dai mesi da giugno a settembre, mentre per l’emisfero meridionale corrisponde ai mesi da dicembre a marzo. Le regioni prese in esame sono state selezionate in base alle aree delimitate da riquadri gialli nella Figura 1, e sono rappresentate in questa grafica come serie temporali standardizzate. Questo significa che i dati delle precipitazioni sono stati trasformati in modo da avere una media di zero e una deviazione standard di uno, permettendo così di confrontare più facilmente le fluttuazioni rispetto alla norma di ciascuna regione.

Ogni curva nel grafico superiore rappresenta una regione dell’emisfero settentrionale – Asia del Sud, Africa Occidentale e Nord America – mentre nel grafico inferiore ogni curva rappresenta una regione dell’emisfero meridionale – Australia, Africa Meridionale e Sud America. I vari colori distinguono chiaramente le regioni tra loro.

I coefficienti di correlazione di Pearson a destra del grafico indicano quanto strettamente correlate siano le precipitazioni estive tra queste regioni. Per la maggior parte delle coppie di regioni, i coefficienti suggeriscono che non c’è una correlazione significativa, indicato da valori vicini a zero. L’eccezione è tra l’Australia e l’Africa Meridionale, dove un coefficiente di 0.36 implica una moderata correlazione positiva.

In breve, il grafico ci rivela che, con l’eccezione dell’Australia e dell’Africa Meridionale, le variazioni annuali delle precipitazioni nelle diverse regioni monsoniche tendono a essere indipendenti l’una dall’altra, suggerendo che i monsoni di queste aree operano in modo relativamente isolato.

La Figura 4 ci dà uno sguardo affascinante e dettagliato sulla storia climatica della Terra, esplorando circa 90.000 anni di variazioni nel clima attraverso dati raccolti da diverse parti del mondo. Questi dati, noti come proxy paleoclimatici, ci offrono informazioni preziose sui cambiamenti storici dei monsoni e delle temperature.

Partendo dal pannello (a), vediamo dati provenienti dalle carote di ghiaccio della Groenlandia, dove i livelli dell’isotopo dell’ossigeno, δ18O, possono dirci quanto fredda o calda era l’atmosfera quando quel particolare strato di ghiaccio si è formato. Procedendo, i pannelli (b) e (c) forniscono un’immagine della forza dei monsoni in Asia e in India, rispettivamente, rivelando come l’intensità dei monsoni sia variata nel corso dei millenni.

Il pannello (d) ci porta in Africa, dove il rapporto tra ferro e potassio in un nucleo marino indica periodi di condizioni aride e umide associate al monsone della regione. Similmente, il pannello (e) segue il monsone nordafricano, ma attraverso un differente metodo di ricostruzione.

Passando all’emisfero meridionale, i pannelli (f) fino a (i) descrivono la storia del monsone sudamericano con dati che vanno dalle stalagmiti delle grotte fino ai sedimenti marini, evidenziando fasi di crescita accelerata durante periodi più umidi. Il pannello (j) guarda alle variazioni nel monsone del sud africano, ancora una volta utilizzando il rapporto Fe/K come indicatore delle condizioni del monsone.

Infine, il pannello (k) presenta un record delle temperature antartiche, fornendo un contrappunto freddo alle narrazioni sui monsoni caldi.

I numeri lungo l’asse del tempo indicano le fasi calde della Groenlandia durante i cicli di Dansgaard-Oeschger. Le barre gialle verticali segnalano gli eventi di Heinrich, noti per essere periodi di grandi rilasci di iceberg che hanno avuto effetti significativi sul clima globale. Le barre grigie, invece, mettono in luce la connessione tra periodi umidi nel nordest del Brasile e forti eventi monsonici sudamericani, che coincidono con eventi freddi e monsoni deboli in Asia.

Le curve grigie sovrapposte indicano i livelli di insolazione estiva, mostrando come la quantità di energia solare ricevuta varia con le stagioni e gli emisferi, dando ai ricercatori un riferimento importante per capire meglio le tendenze nei dati proxy.

Le frecce sul margine destro enfatizzano la relazione antifase tra i monsoni dei due emisferi, suggerendo che quando un emisfero sperimenta un monsone forte, l’altro tende a sperimentare un monsone più debole, evidenziando la connettività globale del sistema climatico della Terra.

La Figura 5 ci mostra come la composizione isotopica dell’ossigeno nelle stalagmiti asiatiche, misurata come δ¹⁸O, sia variata lungo un arco temporale che si estende per 250.000 anni. Questi dati di δ¹⁸O sono usati per dedurre cambiamenti nel clima passato, dato che i valori più bassi possono indicare temperature più fredde o maggiore umidità al momento della formazione delle stalagmiti.

Ciascuna curva colorata nel grafico rappresenta la cronologia di una stalagmite specifica. La media dei valori di δ¹⁸O per ciascuna stalagmite è stata annotata e rimossa prima di inserire i dati nel grafico, ciò permette di confrontare più facilmente i cambiamenti relativi piuttosto che le misure assolute.

La linea verde che attraversa i diversi record mostra l’insolazione estiva a 30°N, ma con un piccolo trucco: è stata moltiplicata per -1 e scalata per corrispondere alla deviazione standard dei dati δ¹⁸O. Questo significa che quando la linea verde si sposta verso il basso, l’insolazione reale stava aumentando, e viceversa. Il confronto diretto tra le linee colorate e la linea verde ci permette di vedere come i cambiamenti nella quantità di energia solare ricevuta durante l’estate possano essere correlati con le variazioni nel clima registrate nelle stalagmiti.

Un dettaglio interessante di questo grafico è che l’asse del tempo procede al contrario rispetto a molti altri grafici: inizia con il passato più remoto a sinistra e raggiunge i tempi più recenti a destra. Questa rappresentazione aiuta a enfatizzare la relazione inversa tra l’insolazione e il δ¹⁸O, offrendoci una chiave di lettura diretta di come i cambiamenti nei cicli orbitali della Terra (che influenzano l’insolazione) possano avere impattato il clima del passato.

Modellazione Idealizzata delle Zone di Convergenza Tropicale e Subtropicale

Le rianalisi, le osservazioni e i modelli di circolazione globale all’avanguardia rappresentano le nostre migliori stime del clima della Terra. Tuttavia, considerato nella sua interezza, il sistema terrestre si presenta di una complessità vertiginosa, rendendo enormemente sfidante l’identificazione dei processi che controllano i vari elementi del clima. In questo contesto, i modelli idealizzati emergono come strumenti preziosi per semplificare parte di questa complessità e per proporre meccanismi la cui rilevanza può essere successivamente indagata in contesti più realistici.

La letteratura di riferimento, tra cui le opere di Held (2005), Jeevanjee et al. (2017), Levins (1966), e Maher et al. (2019), fornisce una discussione approfondita sull’utilizzo dei modelli idealizzati e sulla gerarchia dei modelli. Questa sezione si propone di esaminare l’impiego dei modelli idealizzati per comprendere la dinamica delle monsoni e delle Zone di Convergenza Intertropicale (ZCIT).

Una delle intuizioni più significative sul controllo delle piogge tropicali e delle monsoni proviene da una fonte forse inaspettata: gli aquaplaneti. Questi modelli, nonostante l’assenza di asimmetrie zonali quali il contrasto terra-mare, che sono tipiche delle monsoni regionali, hanno dimostrato di poter riprodurre gli elementi fondamentali di una monsone. Ad esempio, è stato osservato che in aquaplaneti dotati di fisica umida e un oceano a lastra con bassa inerzia termica, la zona di convergenza si sposta rapidamente e si allontana dall’equatore verso l’emisfero estivo durante la stagione calda, come illustrato da Bordoni & Schneider (2008). Questo spostamento è correlato a un’inversione rapida dei venti ai livelli superiore e inferiore nell’emisfero estivo e all’avvento di intense precipitazioni off-equatoriali, in maniera simile a quanto osservato nelle monsoni terrestri.

Questi risultati portano a una riconsiderazione della concezione classica del rovesciamento dei venti monsonici, tradizionalmente attribuito al contrasto termico terra-mare, proponendo invece di vedere le monsoni come manifestazioni locali e stagionali della circolazione meridionale di rovesciamento.

L’interpretazione dei risultati ottenuti dalle simulazioni idealizzate si avvale di diversi approcci teorici, che si concentrano principalmente sui bilanci di energia e di momento angolare su larga scala. Il bilancio del momento offre spunti sui fattori che guidano e caratterizzano la circolazione di rovesciamento e la sua relazione con l’inizio delle monsoni. Il bilancio energetico, d’altro canto, aiuta a comprendere i fattori che influenzano la latitudine della zona di convergenza media zonale e la sua migrazione meridionale, fornendo così strumenti utili per interpretare la latitudine delle fasce di pioggia tropicali e l’ampiezza meridionale delle monsoni terrestri. Questi approcci complementari sono esplorati più dettagliatamente nelle sezioni 2.1 e 2.2.

La Figura 6 mostra uno studio comparativo del ciclo stagionale delle precipitazioni e delle temperature in diversi contesti. Il primo pannello (a) presenta i dati reali del settore del monsone asiatico, comprendente un’area geografica estesa da 70° a 100° di longitudine est. Le precipitazioni sono rappresentate da contorni colorati, dove ogni livello di colore corrisponde a un’intensità di precipitazione misurata in millimetri al giorno. I massimi di queste precipitazioni sono segnalati da croci nere, indicando i punti in cui si registra la maggiore quantità di pioggia. A corredo, i contorni grigi tracciano la temperatura dell’aria al livello del mare, con un’isoterma chiave, quella di 24°C, segnata da una linea continua. La linea tratteggiata evidenzia la latitudine oltre la quale l’altitudine del terreno si eleva sopra i 3 chilometri, un fattore geografico che influisce sulla distribuzione delle precipitazioni nella regione.

Proseguendo, i pannelli (b) e (c) mostrano simulazioni di aquaplaneti, ovvero modelli ideali di pianeti ricoperti interamente da acqua, con la capacità termica dello strato superficiale dell’oceano impostata rispettivamente a 0.5 e 50 metri di profondità. In questi scenari semplificati, privi di complessità terrestri come le masse continentali o le montagne, possiamo osservare come variano le precipitazioni senza l’influenza diretta di tali caratteristiche geografiche. I contorni di precipitazione in questi pannelli hanno un intervallo doppio rispetto al pannello (a), riflettendo il fatto che le simulazioni idealizzate tendono a esprimere le dinamiche in maniera più estrema o semplificata. Ciò nonostante, i modelli sono capaci di catturare il movimento delle zone di convergenza e le variazioni stagionali tipiche dei monsoni terrestri.

In sintesi, la Figura 6 offre un confronto illuminante tra il mondo reale e i modelli idealizzati, fornendo spunti significativi su come certe dinamiche del clima possano essere comprese attraverso l’astrazione e la semplificazione. In particolare, rivela l’influenza della capacità termica degli oceani sulla migrazione stagionale delle precipitazioni e sulla formazione dei monsoni, anche in assenza di terre e montagne che caratterizzano le regioni monsoniche della Terra. La correzione indicata nella nota sottolinea l’importanza dell’accuratezza dei dati nella modellazione del clima, ribadendo come dettagli come la profondità dello strato misto dell’oceano possano avere un impatto rilevante sui risultati delle simulazioni.

Vincoli Dinamici nella Circolazione Atmosferica

Un fattore cruciale per la comprensione della circolazione atmosferica è il concetto di conservazione del momento angolare. Studi recenti basati su modelli di aquaplaneti hanno evidenziato che questo principio può essere fondamentale per capire cosa determina la posizione della zona di convergenza, quanto è estesa la circolazione di Hadley e con quale velocità si instaura il monsone.

Il momento angolare nell’atmosfera deriva in parte dalla rotazione della Terra e in parte dai venti zonali, ossia quei venti che soffiano in direzione est-ovest o viceversa. In condizioni ideali, senza l’intervento di fattori esterni come l’attrito o le variazioni della pressione atmosferica, questo momento si conserva quando una massa d’aria si sposta in senso meridionale, da nord a sud o il contrario.

Nei modelli di aquaplaneti, che sono liberi da turbolenze fisse e caratteristiche orografiche, si osserva che, in alta atmosfera dove gli effetti della viscosità sono minimi, la velocità dei venti e i loro cambiamenti possono essere interpretati senza dover fare riferimento a forze esterne.

Concentrandoci sulla parte alta della circolazione di Hadley, che è quella più vicina all’equatore, si può trascurare il trasporto verticale del momento angolare a causa della prevalenza di movimenti quasi orizzontali. Si nota inoltre che il trasporto del momento angolare dovuto ai movimenti meridionali è molto più significativo rispetto a quello verticale, eccetto che vicino al suolo.

Utilizzando concetti come la vorticità relativa, si arriva a quantificare l’equilibrio predominante in termini di numero di Rossby, che indica quanto la circolazione atmosferica si avvicini o si allontani dalla conservazione del momento angolare. Un valore basso del numero di Rossby suggerisce una stretta aderenza alla conservazione del momento angolare, mentre un valore vicino all’unità indica un allontanamento da questo stato.

In conclusione, questa sezione sottolinea l’importanza della conservazione del momento angolare come forza regolatrice della circolazione atmosferica. Attraverso l’esame di questo principio, si possono trarre importanti deduzioni sulle zone di convergenza tropicali e sulla formazione rapida di fenomeni meteorologici estremi come i monsoni.

PS

I “modelli di aquaplaneti” sono un tipo di modello climatico utilizzato in meteorologia e climatologia per studiare l’atmosfera della Terra e i suoi processi dinamici senza le complicazioni introdotte dalle caratteristiche fisiche della superficie terrestre, come continenti, catene montuose, o variazioni del suolo. In un modello di aquaplaneta, si immagina che il pianeta sia completamente ricoperto da un oceano, senza alcuna terra emersa.

Questi modelli semplificano il sistema climatico e permettono agli scienziati di isolare e studiare determinati processi atmosferici, come la circolazione atmosferica, le zone di convergenza, la formazione dei monsoni, e l’interazione tra l’atmosfera e l’oceano. Senza le complessità geografiche terrestri, è più facile esaminare come variano i flussi di calore e umidità e come questi influenzano la circolazione globale.

I modelli di aquaplaneti sono particolarmente utili per studiare fenomeni come l’Intertropical Convergence Zone (ITCZ), che è una regione dove i venti provenienti dagli emisferi nord e sud si incontrano, causando forti precipitazioni. Inoltre, questi modelli aiutano a comprendere le proprietà fondamentali delle circolazioni atmosferiche come la circolazione di Hadley.

Attraverso la modellazione di aquaplaneti, gli scienziati possono testare teorie sulla dinamica atmosferica e sul clima in uno scenario controllato e altamente idealizzato, il che fornisce intuizioni che possono essere poi applicate per comprendere meglio il sistema climatico più complesso della Terra reale.

Il Caso Assisimmetrico nell’Atmosfera

Quando esaminiamo un’atmosfera assisimmetrica, cioè un modello atmosferico senza disturbi quali i vortici, emergono due possibili soluzioni principali. La prima si presenta quando non c’è movimento dell’aria né in direzione verticale né in direzione meridionale, situazione che corrisponde a ciò che chiamiamo un equilibrio radiativo-convettivo. In alternativa, si potrebbe avere una circolazione assisimmetrica che mantiene costante il momento angolare, una condizione in cui il numero di Rossby è esattamente uguale a uno.

Alcuni ricercatori, attraverso i loro studi, hanno esplorato in quali circostanze potrebbero verificarsi queste situazioni, sia in atmosfere prive di umidità che in quelle più umide. Un punto cruciale è che l’equilibrio radiativo-convettivo non è possibile se il profilo del vento zonale che ne risulta, il quale dovrebbe essere in equilibrio termico con le temperature dell’equilibrio radiativo-convettivo, entra in conflitto con il teorema di Hide. Questo teorema stabilisce delle restrizioni riguardo l’andamento del momento angolare nell’atmosfera. È stato dimostrato che se il forzante (la causa che muove il sistema) non è all’equatore, esiste un valore limite per la curvatura della temperatura media che determina se l’equilibrio radiativo-convettivo possa sostentarsi o meno. Oltre questo valore limite, l’equilibrio non può più esistere e si svilupperà una circolazione di rovesciamento.

Questi concetti sono stati utilizzati anche per ipotizzare una possibile connessione con l’inizio rapido dei monsoni sulla Terra. Nel caso specifico dell’equilibrio radiativo-convettivo, dove le velocità del vento meridionale e verticale sono nulle, è possibile esprimere in termini semplici come si distribuiscono la pressione e il vento in altezza, partendo dall’assunzione che la velocità del vento a livello del suolo sia nulla. Seguendo questo approccio, è possibile calcolare come si dovrebbe distribuire la temperatura attraverso l’atmosfera per mantenere tale equilibrio, dato un certo profilo dei venti in alta quota.

In conclusione, questa sezione mette in luce le condizioni fondamentali che possono descrivere lo stato di equilibrio dell’atmosfera, fornendo un quadro per comprendere come tali condizioni teoriche possano spiegare fenomeni reali come la rapida manifestazione dei monsoni.

La Rilevanza dei Processi Umidi nella Modellazione dell’Atmosfera

Quando modelliamo l’atmosfera della Terra, non possiamo trascurare i processi legati all’umidità, specialmente nei tropici, dove la convezione umida intensa e frequente influisce fortemente sulle medie temporali del clima. Tipicamente, in queste regioni il calo di temperatura con l’altitudine tende ad avvicinarsi a quello che si osserverebbe in una massa d’aria che sale o scende senza scambiare calore con l’esterno, ma mantenendo un livello di umidità costante. In sostanza, il contenuto di umidità dell’aria appena sotto la nuvola si equipara a quello dell’atmosfera libera più in alto. Questo stato di bilanciamento è noto come quasi-equilibrio convettivo.

Un presupposto fondamentale di questo equilibrio è che i fenomeni convettivi si considerino su una scala spaziale e temporale più ampia rispetto a quella delle singole celle convettive, consentendo l’ipotesi che la convezione sia in uno stato di equilibrio dinamico con il suo ambiente circostante su larga scala. Dove esattamente questa ipotesi perda di validità è un quesito ancora aperto.

Se immaginiamo l’atmosfera tropicale in uno stato di quasi-equilibrio convettivo, possiamo stabilire alcune relazioni chiave riguardanti la temperatura potenziale equivalente proprio sotto la base delle nuvole. Questa temperatura è una misura che tiene conto non solo del calore ma anche dell’umidità dell’aria, ed è strettamente collegata alla capacità calorifica dell’aria secca a pressione costante.

Per mantenere un certo stato di equilibrio, è necessario che non vi siano massimi locali nel momento angolare dell’atmosfera. Ciò determina una specifica variazione della temperatura potenziale equivalente con l’altitudine, che non deve superare un certo valore critico. Se questa condizione non è soddisfatta, e la variazione di temperatura è troppo marcata, allora l’equilibrio non può mantenersi e deve instaurarsi un movimento dell’aria su scala più ampia, come ad esempio la circolazione di Hadley.

Questi principi sono illustrati visivamente in studi di riferimento attraverso grafici che mostrano come vari profili di forza esterna possano influenzare il vento, il momento angolare e la vorticità assoluta, quest’ultima direttamente proporzionale al cambiamento del momento angolare con la latitudine. Se la forza applicata è debole, il sistema può rimanere in uno stato di equilibrio senza grandi movimenti meridionali dell’aria. Tuttavia, quando la forza raggiunge e supera un certo livello critico, si producono cambiamenti nel movimento dell’aria che infrangono i criteri di equilibrio, rendendo così necessaria la formazione di un movimento meridionale ampio, come appunto quello che caratterizza la circolazione di Hadley.

Gli argomenti discussi precedentemente analizzano le condizioni necessarie affinché si possa formare una circolazione di Hadley all’interno di un’atmosfera assisimmetrica. Privé e Plumb, in uno studio del 2007, hanno approfondito questo quadro teorico, mostrando come possa fornire delle intuizioni importanti sui meccanismi che determinano la latitudine della zona di convergenza. Hanno evidenziato che, se la circolazione atmosferica sovrastante mantiene costante il momento angolare nella troposfera superiore, allora il limite di tale circolazione, definito da una linea di corrente verticale, deve trovarsi in un’area dove non si verifica variazione del vento in direzione verticale.

Applicando il principio del quasi-equilibrio convettivo, che associa le temperature nell’alta troposfera con quelle più basse, ciò significa che la linea senza flusso di corrente si troverà in una zona dove la variazione orizzontale della temperatura potenziale equivalente è nulla, ovvero dove questa temperatura raggiunge il suo valore massimo.

Di conseguenza, la maggior parte dell’ascesa d’aria, e quindi delle precipitazioni, si verificherà appena al di sotto di questo punto massimo. Hanno anche sottolineato che, per determinare la latitudine della zona di convergenza, si può fare riferimento sia al punto di massimo della temperatura potenziale equivalente sia a quello dell’energia statica umida, poiché queste due grandezze sono correlate.

L’energia statica umida combina vari fattori, tra cui il calore specifico dell’aria a pressione costante, il calore latente di vaporizzazione dell’acqua, e la quantità di umidità, oltre alla variabile dell’altezza e all’effetto della gravità. La temperatura potenziale equivalente è particolarmente utile perché è direttamente legata all’entropia umida, consentendo approfondimenti unici nella dinamica atmosferica. Tuttavia, data la sua semplicità di calcolo, l’energia statica umida è spesso preferita per queste analisi.

La Figura 7 fornisce un’illustrazione grafica su come differenti profili di temperatura potenziale nell’equilibrio radiativo-convettivo (RCE) possano influenzare la dinamica dell’atmosfera. I grafici presentano una serie di curve che rappresentano condizioni subcritiche (in blu), critiche (in grigio) e supercritiche (in rosso), ciascuna riflettendo il comportamento dell’atmosfera sotto diversi gradi di forzanti termici.

Il primo pannello (a) mostra il profilo della temperatura potenziale. Qui, vediamo che un lieve aumento di temperatura può trasformare una situazione stabile (subcritica) in una instabile (supercritica). Il caso critico è quello che si trova sulla soglia tra stabilità e instabilità.

Nel secondo pannello (b), osserviamo il vento zonale, ovvero la velocità del vento lungo la longitudine, espresso in metri al secondo. Un profilo di vento zonale piatto, come quello mostrato dalle linee blu, suggerisce condizioni atmosferiche stabili, mentre il profilo rosso supercritico mostra una marcata accelerazione, soprattutto nella regione subtropicale, che potrebbe portare a una maggiore dinamicità atmosferica, inclusa la possibilità di una circolazione di Hadley.

Il terzo pannello (c) rappresenta il momento angolare assoluto, normalizzato rispetto a quello planetario all’equatore. Qui si evidenzia l’importanza della conservazione del momento angolare: i valori intorno all’unità indicano uno stato di conservazione, mentre i valori che divergono dall’unità segnalano un cambiamento nella circolazione.

Infine, nel quarto pannello (d), vediamo la vorticità assoluta, che è proporzionale al gradiente meridionale del momento angolare. Quando questa vorticità tocca lo zero, come nel caso critico, indica un punto di transizione nell’atmosfera che potrebbe essere associato all’inizio di una circolazione meridionale, come quella di Hadley.

In sintesi, la Figura 7 mostra visivamente come variazioni nella distribuzione della temperatura potenziale a livello globale possano portare a significative differenze nella circolazione dell’aria e nei modelli climatici, con implicazioni dirette per fenomeni come la posizione e l’intensità delle zone di convergenza e le zone climatiche globali.

La Figura 8 presenta due schemi distinti che rappresentano le modalità di circolazione atmosferica che si possono riscontrare nei modelli di aquaplaneti.

• (a) Regime ITCZ: In questo scenario, la zona di convergenza intertropicale (ITCZ) si posiziona vicino all’equatore, e si trova approssimativamente sulla stessa longitudine del massimo di temperatura superficiale del mare (SST). In questa configurazione, le celle di Hadley sono fortemente influenzate dai movimenti secondari (turbolenze atmosferiche o ‘eddies’), rappresentati dalla freccia a forma di spirale. Le celle si estendono in modo prominente dalle regioni equatoriali verso le latitudini più alte, con le nuvole e le precipitazioni indicate dalla forma grigia e le correnti d’aria delineate dai contorni rossi.
• (b) Regime dei Monsoni: Qui, la zona di convergenza si sposta più lontano dall’equatore rispetto all’ITCZ e si allinea con il massimo dell’energia statica umida (MSE) nella parte media della troposfera. In questa rappresentazione, le precipitazioni tendono a cadere subito a sud del massimo di MSE, come indicato ancora una volta dalla forma grigia. La cella di Hadley invernale, che si estende attraverso l’equatore, conserva quasi il momento angolare e subisce solo un’influenza marginale dai movimenti secondari. Al contrario, la cella di Hadley estiva appare più debole e potrebbe anche non essere presente.

Questi schemi sono strumentali per visualizzare come la distribuzione della temperatura e dell’umidità, insieme alla rotazione della Terra, organizzano le grandi scale della circolazione atmosferica. Il contrasto tra questi due regimi riflette le variazioni stagionali e la distribuzione spaziale di caratteristiche fondamentali come la temperatura del mare e l’energia statica, influenzando significativamente dove e come le precipitazioni si manifestano attorno al globo.

2.1.2 Soluzioni Che Consentono Turbolenze

La conservazione del momento angolare offre vincoli cruciali sull’esistenza e l’ampiezza delle circolazioni di ribaltamento assialsimmetriche. Tuttavia, è ampiamente riconosciuto che le turbolenze extratropicali generate nelle zone barocliniche delle medie latitudini si propagano verso i subtropici, dove si dissolvono, influenzando in modo significativo la circolazione di Hadley. Questo fenomeno è evidenziato in diversi studi, per esempio quelli di Becker et al. (1997) e Walker & Schneider (2006). Particolarmente rilevante è il fatto che, quando il trasporto del momento angolare da parte delle turbolenze su larga scala diventa apprezzabile, non si può più trascurare la convergenza del flusso di momento angolare dovuto alle turbolenze, come indicato nell’Equazione 4. Nel caso di bassi valori di Ro, l’avvezione del momento angolare zonale operata dalla corrente meridionale media zonale è trascurabile, dominando così l’equilibrio tra l’effetto Coriolis sulla corrente meridionale media zonale e la divergenza del flusso di momento angolare delle turbolenze. Questo regime è caratterizzato da un comportamento lineare, poiché il termine medio di avvezione è trascurabile, e da una dinamica guidata dalle turbolenze, dato che l’intensità della circolazione di ribaltamento è fortemente determinata dai flussi di momento angolare delle turbolenze. Avvicinandosi Ro al valore di 1, l’effetto delle turbolenze diventa trascurabile, prevalendo l’avvezione del momento angolare zonale relativo operata dalla circolazione meridionale media, e la circolazione si avvicina alla conservazione del momento angolare. Nella realtà, si osservano anche situazioni intermedie tra questi due estremi, con Ro circa 0.5, in cui sia i termini di avvezione media zonale non lineari sia quelli relativi alle turbolenze sono significativi, come indicato da Schneider et al. (2010). Il passaggio da regimi con bassi valori di Ro a regimi con valori di Ro prossimi all’unità è stato collegato ai rapidi cambiamenti nella circolazione tropicale che si verificano all’inizio del monsone. Analizzando il bilancio del momento angolare ai livelli superiori in simulazioni di aquapianeti con oceani poco profondi (per esempio, circa 1 metro) e un ciclo stagionale, Bordoni e Schneider (2008) hanno scoperto che, intorno agli equinozi, le celle di Hadley nei due emisferi sono quasi simmetriche e la zona di convergenza associata si trova vicino all’equatore, con un valore di Ro inferiore a 0.5, e la forza della circolazione è determinata dalle turbolenze, come illustrato nella figura 8a.

Man mano che il massimo dell’insolazione si sposta verso l’emisfero estivo, la cella di Hadley invernale inizia a diventare trans-equatoriale. La risalita media zonale e le precipitazioni si spostano verso una località subtropicale dell’emisfero estivo, e si formano i venti alisei tropicali superiori. Questi ultimi limitano la capacità delle turbolenze provenienti dall’emisfero invernale di propagarsi verso le basse latitudini, facendo sì che la circolazione si orienti rapidamente verso un regime di flusso che conserva il momento angolare, con un valore di Ro approssimativamente uguale a 1. In questo contesto, la circolazione si rafforza e si espande rapidamente. Mentre la circolazione trans-equatoriale si avvicina alla conservazione del momento angolare, l’equilibrio dominante si stabilisce tra i termini sul lato sinistro dell’Equazione 3, con i termini relativi alle turbolenze che diventano un residuo minore. Una volta entrati in questo regime, la forza della circolazione non è più limitata dal bilancio del momento angolare zonale, che diventa un equilibrio di poco conto, ma è invece vincolata dal bilancio energetico, rispondendo così in modo marcato al forzamento termico.

Le rapide migrazioni meridionali della zona di convergenza negli aquaplaneti sono il risultato di un feedback positivo legato all’avvezione di aria più fredda e secca verso l’alto lungo il gradiente di energia potenziale umida (MSE) nel ramo inferiore della cella di Hadley invernale. All’inizio dell’estate, l’emisfero estivo si riscalda attraverso i flussi diabatici di MSE all’interno della colonna d’aria. Ciò porta al trasferimento del picco di MSE a livelli inferiori e, seguendo l’argomentazione di Privé e Plumb (2007a), sposta la Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ) lontano dall’equatore. Simultaneamente, la circolazione di Hadley invernale inizia a redistribuire la MSE, trasportando aria più fresca e secca verso l’alto lungo il gradiente di MSE. Questo processo allontana ancora di più il massimo di MSE a livelli inferiori dall’equatore. La circolazione di ribaltamento si intensifica, incrementando l’avvezione di aria fredda a livelli inferiori e espandendo i venti alisei superiori, permettendo così alla circolazione di proteggersi ulteriormente dalle turbolenze e amplificando la sua risposta al forzamento termico.

Va sottolineato che, secondo questa prospettiva, la presenza di terre emerse è necessaria per lo sviluppo dei monsoni solo nella misura in cui offre una superficie inferiore con un’inerzia termica sufficientemente bassa da permettere alla MSE di adattarsi rapidamente. Questo consente ai feedback descritti di manifestarsi su scale temporali intrastagionali. Comportamenti in linea con questi meccanismi di feedback sono stati osservati nei monsoni terrestri e saranno esplorati con maggior dettaglio nella sezione 3.

La Tabella 1 riporta un confronto tra le caratteristiche delle celle di Hadley in due diversi regimi atmosferici, e come questi sono associati ai limiti dell’Equazione 4. L’Equazione 4, che non è mostrata qui, sembra fornire un contesto matematico per la comprensione del comportamento delle celle di Hadley.

Nel primo regime, relativo alla Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ), la tabella descrive quanto segue:

• La posizione della zona di convergenza è indicata essere entro ±10° dell’equatore, il che significa che questa zona, dove i venti convergono e spesso si hanno forti piogge, è situata molto vicina all’equatore.
• La fisica che stabilisce la convergenza è ancora in fase di sviluppo, suggerendo che i processi esatti che determinano la formazione e il movimento dell’ITCZ non sono completamente compresi o descritti.
• La forza della cella di ribaltamento e la precipitazione sono controllate dai flussi di momento angolare creati dalle turbolenze atmosferiche (noti come eddy momentum fluxes).

Per il secondo regime, quello del Monsoni, le caratteristiche sono:

• La posizione della zona di convergenza si sposta verso i subtropici, fino a raggiungere latitudini di circa ±30°, quindi molto più lontano dall’equatore rispetto all’ITCZ.
• Anche in questo caso, la fisica che stabilisce la convergenza è ancora sotto esame, indicando che c’è molto da scoprire sul modo in cui i monsoni si formano e operano.
• La forza della cella di ribaltamento e la precipitazione in questo caso sono determinate da controlli energetici, che sono ancora oggetto di studio per comprendere appieno la loro influenza sul regime dei monsoni.

La nota sotto la tabella chiarisce che la transizione tra i due regimi è definita dall’Equazione 7, indicando che ci sono criteri matematici o fisici specifici che distinguono l’ITCZ dal regime monsonico. Questo suggerisce che la comprensione della circolazione atmosferica e delle precipitazioni in queste due aree è ancora oggetto di ricerca e che l’Equazione 7 gioca un ruolo chiave nel determinare quando e come avviene il passaggio da un regime all’altro.

I monsoni sono dei regimi atmosferici caratterizzati da cambiamenti stagionali dei venti che portano periodi di piogge abbondanti. Questi sono particolarmente importanti in regioni come il Sud-est asiatico, l’India e l’Africa, dove l’agricoltura e l’economia locale dipendono fortemente dalle piogge monsoniche.

Il “regime dei monsoni” nella tabella si riferisce alle caratteristiche della cella di Hadley durante la stagione dei monsoni. Le celle di Hadley sono modelli di grande scala della circolazione atmosferica che aiutano a trasportare il calore e l’umidità dalle regioni equatoriali verso i poli. Nel contesto dei monsoni, la tabella evidenzia che:

• La posizione della zona di convergenza per i monsoni si estende dai subtropici fino a circa 30° di latitudine nord o sud. Questo significa che la zona dove i venti convergono, causando forti piogge stagionali, si sposta ben più lontano dall’equatore rispetto a quanto accade per l’ITCZ.
• La fisica che stabilisce la convergenza è ancora sotto studio, il che indica che i processi esatti che controllano la formazione del monsone non sono ancora pienamente compresi.
• La forza della cella di ribaltamento e la precipitazione nei monsoni sono influenzate da controlli energetici, i quali sono ancora oggetto di ricerca. Questo potrebbe riferirsi ai bilanci energetici tra la superficie terrestre e l’atmosfera, inclusi il riscaldamento solare, il raffreddamento radiativo, e gli scambi di energia associati ai cambiamenti di stato dell’acqua.

In sintesi, la parte della tabella che si riferisce al “regime dei monsoni” descrive le caratteristiche della cella di Hadley quando è influenzata dalla stagione dei monsoni, ma specifica anche che vi è ancora molto da imparare su come esattamente questi meccanismi influenzano la circolazione atmosferica e le precipitazioni.

La Figura 9 presenta i risultati di un insieme di simulazioni climatiche stagionali eseguite con un modello idealizzato. Questo modello include rappresentazioni semplificate di continenti situati a diverse latitudini: precisamente al confine meridionale di 0°, 10°, 20°, 30° e 40°, oltre a una configurazione di “aquaplaneta”, ovvero un modello che non presenta terre emerse ma solo oceano.

I colori nella figura rappresentano le precipitazioni, con tonalità più scure che indicano quantità maggiori di pioggia. Questi vanno da 0 mm/giorno a valori che superano i 20 mm/giorno, con un intervallo di contorno fissato a 2 mm/giorno. Le linee magenta mostrano la distribuzione dell’energia potenziale umida (MSE) vicino alla superficie, un indicatore importante di energia disponibile per la convezione e le precipitazioni. La linea nera orizzontale in ogni riquadro rappresenta il confine meridionale del continente nella simulazione.

Dalle simulazioni si osserva come la posizione del confine del continente influenzi la distribuzione stagionale delle precipitazioni e dell’MSE. Ad esempio, è evidente che le precipitazioni massime e i livelli elevati di MSE tendono a seguire il Sole, spostandosi verso nord durante l’estate boreale (giugno-settembre) e verso sud durante l’estate australe (dicembre-marzo).

Nei casi in cui il confine del continente è al 0°, ovvero sull’equatore, la massima precipitazione rimane vicino all’equatore per tutto l’anno. Man mano che il confine meridionale del continente si sposta verso nord, si nota che la precipitazione massima e l’MSE seguono questa migrazione verso l’emisfero nord. Nel caso dell'”All Ocean”, senza terre emerse, la distribuzione delle precipitazioni e dell’MSE è più omogenea e meno influenzata dai movimenti stagionali.

Le simulazioni sono state realizzate utilizzando il sistema di modellazione flessibile del Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL), e i risultati aiutano i ricercatori a capire come la posizione dei continenti e la profondità dello strato misto di terra e oceano influenzino il ciclo delle precipitazioni e la circolazione atmosferica a scala globale. Questa comprensione è cruciale per interpretare i modelli climatici passati, presenti e futuri sulla Terra.

2.1.3 Regimi della Cella di Hadley e la loro Estensione

Il lavoro di modellizzazione ideale discusso precedentemente mette in luce come le celle di Hadley di un aquaplaneta, ovvero un modello di pianeta coperto interamente da acqua, modificano il loro regime di circolazione nel corso dell’anno. Queste passano rapidamente da un regime guidato dalle turbolenze, chiamato “ITCZ”, a uno che quasi conserva il momento angolare, definito “regime monsonico”. Inoltre, il fatto che la cella di Hadley trans-equatoriale tenda verso la conservazione del momento angolare fa pensare che le teorie assialsimmetriche, come quella rappresentata dall’Equazione 7, potrebbero non essere del tutto adeguate a comprendere la cella di Hadley nella media zonale e annuale. Tuttavia, tali teorie potrebbero imporre limitazioni significative sulle circolazioni monsoniche, che tendono a uno stato di conservazione del momento angolare.

Ciò solleva questioni più complesse in merito a queste due tipologie di regimi e alla latitudine della zona di convergenza: fino a che punto nell’emisfero estivo deve estendersi la cella di Hadley affinché si verifichi la transizione di regime e il conseguente rapido spostamento della zona di convergenza in latitudine? La latitudine alla quale la zona di convergenza cambia da dinamica “ITCZ” a “monsonica” negli aquaplaneti è correlata alle latitudini osservate delle ITCZ e dei monsoni sulla Terra? E ancora, se il ramo ascendente della cella di Hadley segue il picco nell’MSE, quali sono i fattori che determinano l’estensione della cella trans-equatoriale? Ad esempio, è possibile una cella di Hadley che si estende da un polo all’altro?

Geen e collaboratori, nel 2019, hanno esplorato la prima di queste domande. Attraverso la realizzazione di simulazioni su aquaplaneti in un ampio ventaglio di condizioni, che comprendono diverse profondità dell’oceano simulato, durate dell’anno e velocità di rotazione, hanno esaminato la relazione tra la latitudine della zona di convergenza, il tasso di migrazione e come questi fattori cambino nel corso dell’anno. Hanno scoperto che, alla velocità di rotazione della Terra, la zona di convergenza si mostra meno stabile (tende a migrare più velocemente verso i poli) intorno ai 7° di latitudine. Questo suggerisce che, in un ambiente aquaplaneta, tale latitudine possa costituire il limite polare del ramo ascendente di una circolazione capovolta guidata dalle turbolenze, ovvero, il limite polare di una ITCZ. Oltre questa latitudine avviene una rapida transizione a un regime di circolazione monsonica, caratterizzato da una circolazione capovolta con un ramo ascendente distante dall’equatore e un debole trasporto di momento angolare da parte delle turbolenze. Nelle simulazioni, questa “latitudine di transizione” non varia significativamente al cambiare della capacità termica superficiale o della durata dell’anno, ma aumenta al diminuire della velocità di rotazione del pianeta. Sebbene il meccanismo che determina la latitudine di transizione non sia ancora completamente chiaro, i ricercatori suggeriscono che questo valore di 7° potrebbe fornire un’indicazione utile per distinguere la precipitazione tropicale dinamicamente associata a una “ITCZ” quasi equatoriale da quella associata a un sistema monsonico.

Le simulazioni che inseriscono continenti simmetrici rispetto alla zona longitudinale nell’emisfero nord, con confini meridionali a varie latitudini, indicano che le circolazioni monsoniche che si estendono nei subtropici si sviluppano soltanto se il continente si estende verso l’equatore fino a latitudini inferiori ai 20°, ovvero nelle latitudini tropicali. Per i continenti con confini meridionali situati più a nord, la zona principale delle precipitazioni resta vicina all’equatore e avanza più gradualmente verso l’emisfero estivo. La mancanza di regioni con bassa inerzia termica nelle latitudini tropicali, nel secondo caso, previene la formazione di un gradiente meridionale di energia potenziale umida (MSE) invertito e, di conseguenza, il rapido spostamento verso nord del ramo ascendente della circolazione e della zona di convergenza; in altre parole, questo impedisce la formazione di una circolazione monsonica, come mostrato nella Figura 9. La Tabella 1 riassume le caratteristiche e le dinamiche delle celle di ribaltamento (celle di Hadley) associate ai regimi ITCZ e monsonici.

Diversamente dai risultati del modello idealizzato di Geen et al. (2019), le ITCZ osservate sull’Atlantico e sul Pacifico si spostano durante l’anno fino a 10° di latitudine dall’equatore. Numerose evidenze suggeriscono che la latitudine di queste ITCZ sia il risultato di un’instabilità simmetrica nel flusso del strato limite. Tale instabilità simmetrica è un’instabilità bidimensionale (latitudine-altezza) che scaturisce dall’accoppiamento dei criteri di conservazione del momento angolare e della temperatura potenziale (vorticità potenziale). Per un movimento su una superficie di temperatura potenziale (momento angolare) costante, il criterio si semplifica nel criterio per l’instabilità inerziale (convettiva). Quest’instabilità nello strato limite è provocata da gradienti di pressione trans-equatoriali, alimentati da un riscaldamento asimmetrico dello strato limite equatoriale. Nel caso delle ITCZ dell’Atlantico e del Pacifico, l’instabilità nasce dalla distribuzione asimmetrica meridionalmente della temperatura della superficie del mare, causata dalle Ande, e dal riscaldamento asimmetrico della terra in Africa, rispettivamente. Il risultato di questa instabilità è una banda di divergenza nello strato limite situata tra l’equatore e la latitudine di stabilità neutrale, affiancata da una ristretta zona di convergenza appena più a nord che fornisce la convergenza di umidità necessaria per alimentare la convezione dell’ITCZ. È stato osservato che anche i flussi monsonici sono soggetti a instabilità simmetrica, in questo caso causata dal gradiente di pressione meridionale che varia stagionalmente a causa dell’insolazione.

la Figura 10 ci offre una rappresentazione grafica molto efficace delle dinamiche climatiche attraverso i diagrammi di Hovmöller. Questi diagrammi sono particolarmente utili per visualizzare come cambiano nel tempo e attraverso diverse latitudini due variabili climatiche: la temperatura della superficie del mare (SST) e i venti a 10 metri dal livello del mare.

In questi grafici, vediamo l’evoluzione stagionale delle SST (Temperature della Superficie del Mare), rappresentate con una scala di colori che va dal giallo al marrone scuro, che indicano un intervallo di temperature in gradi Celsius. La presenza di tonalità più scure denota acque più calde. Parallelamente, le linee nere indicano la quantità di precipitazioni, con un intervallo di contorno di 2 millimetri al giorno, e i vettori del vento mostrano la direzione e l’intensità dei venti nella regione, relativamente al massimo valore di ciascun pannello.

Il diagramma a sinistra rivela le condizioni climatiche dell’Oceano Indiano, quello centrale della metà orientale dell’Oceano Pacifico, e quello a destra dell’Oceano Atlantico. Questi schemi ci mostrano chiaramente come le temperature superficiali del mare fluttuano in funzione della stagione e come queste variazioni influenzino i pattern dei venti e delle precipitazioni. Ad esempio, possiamo osservare un aumento delle precipitazioni correlato con un aumento delle temperature superficiali del mare, che può anche coincidere con cambiamenti significativi nei modelli di circolazione del vento.

Questo tipo di informazioni è cruciale per la comprensione dei meccanismi alla base di fenomeni meteorologici complessi come i monsoni, che sono profondamente influenzati dai cambiamenti stagionali della SST e dai pattern dei venti. Analizzando i dati provenienti da diverse fonti storiche, che coprono periodi dal 1870 al 2017, i ricercatori sono in grado di cogliere le tendenze a lungo termine e le variazioni annuali, contribuendo così alla nostra comprensione globale dei sistemi climatici regionali.

Limite Extratropicale dei Monsoni: Approfondimenti e Teorie

La comprensione dei monsoni, fenomeni meteorologici complessi caratterizzati da cambiamenti stagionali significativi nei modelli di precipitazione, si arricchisce continuamente grazie a studi e ricerche avanzate. Uno degli aspetti cruciali di questa comprensione riguarda il “Limite Extratropicale dei Monsoni”, un concetto esplorato attraverso l’applicazione di teorie avanzate sulla dinamica atmosferica.

Recenti lavori di ricerca, come quelli condotti da Faulk et al. (2017), Hilgenbrink e Hartmann (2018), Hill et al. (2019), e Singh (2019), hanno aperto nuove prospettive sull’estensione delle celle di Hadley, cruciali per i monsoni. Faulk e i suoi collaboratori, utilizzando modelli di aquaplaneta che permettono la formazione di turbolenze, hanno variato la velocità di rotazione terrestre sotto l’effetto di un’insolazione che varia stagionalmente. Sorprendentemente, hanno scoperto che, nonostante le aspettative, la zona di convergenza non si sposta molto oltre i 25° dall’equatore, nemmeno in condizioni di solstizio perpetuo. Questo risultato sottolinea una debole influenza delle turbolenze sulla circolazione trassequatoriale, confermando teorie precedenti che suggerivano la soppressione delle turbolenze da parte degli alisei superiori.

Il contributo di Faulk et al. (2017) evidenzia inoltre l’esistenza di una circolazione di Hadley nelle regioni dove la curvatura dell’energia potenziale umida è considerata supercritica, una condizione che non si verifica nelle regioni extratropicali. Questa distinzione tra regioni critiche e subcritiche fornisce una base fondamentale per ulteriori ricerche sulla determinazione dei limiti dei monsoni.

Tuttavia, nonostante questi progressi significativi, permangono delle lacune, soprattutto nella definizione teorica dei confini polari delle celle di Hadley durante l’estate. Singh (2019) ha esplorato i limiti delle previsioni basate sulle massime di energia potenziale umida a livello inferiore, evidenziando che l’instabilità convettiva, centrale nelle teorie sui monsoni, non può essere pienamente compresa solo attraverso l’instabilità verticale prevista dal modello CQE.

Queste ricerche, pur fornendo spunti preziosi sul funzionamento dei monsoni e sul loro impatto globale, rimarcano l’esigenza di un approfondimento continuo. La sfida rimane quella di sviluppare teorie prognostiche più accurate che possano prevedere con maggiore precisione i limiti polari delle celle di Hadley, migliorando così la nostra capacità di prevedere e gestire gli effetti dei monsoni su scala globale.

Quando si verifica un forte taglio verticale del vento, il modello CQE (Condizione di Equilibrio Quasi-Equatoriale) anticipa la formazione di uno stato instabile, dove l’energia potenziale viene liberata man mano che i pacchetti d’aria saturi procedono lungo percorsi inclinati, seguendo le superfici del momento angolare, come illustrato da Emanuel nei suoi studi del 1983. Recentemente, Singh (2019) ha fornito una nuova prospettiva su questo processo, mostrando come l’estensione della cella di circolazione solstiziale perpetua possa essere precisamente prevista. Questo avviene supponendo che la circolazione atmosferica su larga scala porti l’atmosfera verso uno stato neutrale rispetto a questa convezione obliqua, una condizione che emerge quando l’entropia umida al di sotto delle nubi raggiunge un picco vicino all’equatore, rendendo il confine della cella quasi verticale e l’atmosfera vicina allo stato di CQE, conformemente alle osservazioni di Privé e Plumb del 2007.

Questa evoluzione nella comprensione atmosferica evidenzia un principio fondamentale: il tasso di rotazione del pianeta gioca un ruolo cruciale nel determinare l’estensione latitudinale della cella di Hadley, imponendo limiti potenziali all’estensione massima di una circolazione monsonica. Tale comprensione apre la via a criteri distintivi per identificare i monsoni associati a una cella di Hadley che attraversa l’equatore, guidati da dinamiche prive di turbolenze e dalla conservazione del momento angolare. In questi casi, la zona di convergenza si localizza nei subtropici, ad esempio tra i 20 e i 25 gradi di latitudine, come si osserva nel Sud Asia. D’altro canto, esistono monsoni profondamente influenzati da processi extratropicali, nei quali le precipitazioni estive si estendono a latitudini superiori, come i 35 gradi nell’Est Asia.

Questo approccio non solo affina la nostra capacità di classificare e comprendere i vari tipi di monsoni sulla Terra ma apre anche nuove strade per la ricerca futura, incentivando lo sviluppo di modelli più accurati che tengano conto delle complesse interazioni tra dinamiche atmosferiche e fattori geografici.

Vincoli Energetici sui Monsoni Regionali

I monsoni regionali, elementi fondamentali della zona di convergenza tropicale, sono al centro di ricerche volte a comprendere meglio la loro dinamica attraverso l’esplorazione dei controlli sulla posizione della zona di convergenza tropicale (ITCZ). Quest’ultima, situata nell’emisfero settentrionale a una latitudine di 1,7°N secondo il centroide delle precipitazioni o circa 6°N valutando il massimo delle precipitazioni, rispecchia la complessità dei sistemi climatici globali.

Nonostante l’associazione comune tra l’ITCZ e i massimi delle temperature superficiali del mare (SST), studi sia paleoclimatici che di simulazione modellistica indicano che la posizione dell’ITCZ è influenzata da forzature extratropicali, cioè da dinamiche climatiche che si verificano a distanze significative dalla sua posizione geografica. Questa sensibilità dell’ITCZ alle variazioni del bilancio energetico atmosferico e oceanico apre nuove prospettive sulla sua natura dinamica.

Approfondendo, le simulazioni su aquaplaneta hanno dimostrato come la latitudine dell’ITCZ possa essere determinata sistematicamente variando la forza di una forzatura asimmetrica emisferica nelle regioni extratropicali. I risultati ottenuti da Kang et al. (2008) evidenziano che il trasporto energetico associato alla cella di Hadley riesce a compensare in gran parte i cambiamenti indotti dal riscaldamento superficiale asimmetrico nelle regioni extratropicali. Ciò significa che la cella di Hadley agisce deviando energia lontano dalla sua zona di ascesa, l’ITCZ, orientando il trasporto energetico in accordo con il flusso meridionale di quota.

Questa dinamica induce uno spostamento dell’ITCZ verso l’emisfero che riceve maggiore riscaldamento, sottolineando una correlazione diretta tra la latitudine dell’ITCZ e l'”equatore del flusso energetico” (EFE), ovvero la latitudine dove il flusso di energia potenziale umida integrato verticalmente è nullo. Tale latitudine si adatta proporzionalmente all’intensità della forzatura asimmetrica applicata, manifestando una relazione anticorrelata tra la latitudine dell’ITCZ e il trasporto energetico atmosferico attraverso l’equatore nei tropici.

Queste scoperte, corroborate da studi su modelli di aquaplaneta con diverse configurazioni fisiche e scenari di riscaldamento globale e paleoclimatici, aprono nuovi orizzonti nella comprensione dei meccanismi che regolano la posizione e la dinamica dell’ITCZ. Questa comprensione approfondita non solo arricchisce la nostra conoscenza dei monsoni regionali ma offre anche spunti preziosi per le future ricerche climatiche globali.

La capacità di prevedere e comprendere il posizionamento e la mobilità della Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ) è essenziale per gli studi climatici, in particolare quando si esamina il trasporto energetico atmosferico. Questo processo è influenzato da una serie di variabili complesse, tra cui le modalità di convezione atmosferica, la formazione di nuvole e ghiaccio, oltre alla natura specifica delle forze esterne applicate. Importante è anche considerare se la risposta del sistema climatico è guidata principalmente dalla circolazione media zonale o da movimenti più irregolari e temporanei, noti come eddies.

Inoltre, gli oceani giocano un ruolo cruciale nel determinare come l’energia viene trasportata attraverso il clima globale, rispondendo in modo significativo anche a piccole perturbazioni. Questo complesso intreccio di fattori può essere esaminato attraverso l’analisi del bilancio energetico globale, che cerca di bilanciare l’energia entrante e uscente dall’atmosfera terrestre.

La posizione dell’ITCZ, in particolare, può essere compresa osservando come l’energia si muove attraverso l’atmosfera in stato stazionario. L’equilibrio tra l’energia solare che raggiunge la Terra, l’energia che viene irradiata nello spazio e l’energia assorbita o riflessa dalla superficie terrestre deve essere mantenuto. Quando si considera questo bilancio energetico, è possibile identificare un punto di equilibrio, noto come Equatore del Flusso Energetico (EFE), dove il flusso netto di energia attraverso l’atmosfera è nullo.

La localizzazione dell’ITCZ è strettamente legata a questo punto di equilibrio energetico. Se si immagina di spostarsi leggermente da questa linea immaginaria, si scopre che le variazioni nella distribuzione dell’energia solare e nel modo in cui l’energia viene assorbita o riflessa dalla Terra giocano un ruolo significativo nel determinare dove l’ITCZ si formerà e si muoverà.

Questo approccio permette di vedere la dinamica dell’ITCZ e dell’EFE non come una serie di equazioni matematiche, ma come un delicato bilancio di forze naturali che determinano i modelli climatici. Attraverso questa lente, è possibile ottenere una visione più profonda di come cambiamenti relativamente piccoli nel sistema climatico possano avere effetti ampi e a volte imprevisti, evidenziando l’importanza di una comprensione dettagliata del trasporto energetico globale per predire e mitigare gli impatti dei cambiamenti climatici.

La ricerca ha dimostrato che possiamo prevedere con una certa affidabilità la posizione dell’Equatore del Flusso Energetico (EFE), un indicatore cruciale che aiuta a determinare la latitudine della Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ). Questa previsione si basa su una vasta gamma di scenari di riscaldamento esaminati sia su aquaplaneti che attraverso l’analisi dei dati stagionali. Interessantemente, l’approssimazione utilizzata per effettuare queste previsioni risulta essere adeguata quando l’input energetico netto all’equatore è significativo e positivo. Tuttavia, quando questo input diventa minore o addirittura negativo, emergono delle complessità che richiedono un’analisi più dettagliata, evidenziando situazioni in cui si possono formare doppie zone di convergenza.

Nonostante queste interessanti correlazioni, la posizione dell’EFE e quella della zona di convergenza non si muovono sempre di pari passo attraverso tutte le scale temporali. Questo divario tra le due latitudini diventa particolarmente evidente nel corso delle stagioni. L’EFE segnala il punto in cui il trasporto di energia attraverso l’atmosfera cambia direzione, mentre la zona di convergenza è strettamente legata alla circolazione atmosferica, posizionandosi vicino al punto di cambio del flusso di massa.

Questo legame intricato tra il trasporto di energia e la circolazione atmosferica è ulteriormente complesso dalla Stabilità Lorda Umida (GMS), che misura l’efficienza con cui la cella di Hadley sposta l’energia. Se l’efficienza di questo trasporto energetico rimane costante, allora la posizione della zona di convergenza tende a seguire quella dell’EFE. Tuttavia, le recenti osservazioni da simulazioni su aquaplaneti mostrano che l’efficienza del trasporto energetico varia notevolmente nel corso dell’anno e può persino assumere valori negativi, portando l’EFE e la zona di convergenza a trovarsi in emisferi opposti.

Queste scoperte sottolineano la complessità del sistema climatico terrestre e la sfida di prevedere le sue variazioni. La relazione tra l’EFE e la ITCZ, insieme alla dinamica della cella di Hadley, rivela come sottili cambiamenti nel bilancio energetico globale possano influenzare profondamente i pattern climatici, compresa la distribuzione delle piogge tropicali che ha un impatto diretto sulla vita umana e sugli ecosistemi.

La Stabilità Lorda Umida (GMS), un indicatore chiave per comprendere le dinamiche climatiche, si è rivelata variare notevolmente in risposta sia ai cambiamenti nella precessione orbitale della Terra che all’aumento dei livelli di CO2. Queste osservazioni emergono dalle simulazioni su aquaplaneti, mettendo in luce come fattori apparentemente distanti possano avere un impatto diretto sul nostro clima. È particolarmente interessante notare che il modo in cui il flusso energetico viene compensato nell’atmosfera può derivare non solo dalle variazioni nella circolazione generale, ma anche dall’azione di eddies stazionari e transitori.

In circostanze in cui questi eddies non influenzano significativamente il sistema, si è osservato che le variazioni nell’asimmetria del flusso energetico superficiale tra gli emisferi tendono a controllare più strettamente la distribuzione latitudinale delle precipitazioni tropicali rispetto alle variazioni delle temperature superficiali del mare (SST). Tuttavia, gli studi più recenti, inclusa l’analisi complessiva dei modelli TRACMIP, suggeriscono che in scenari di cambiamento climatico marcato, come quelli implicati da un incremento dei livelli di CO2, la posizione delle zone di convergenza tropicale è più strettamente legata alle variazioni delle SST che ai cambiamenti nel flusso energetico.

Questo quadro energetico ha apportato un contributo significativo alla nostra comprensione delle variazioni delle precipitazioni tropicali, analizzando sia i dati osservativi attuali che quelli paleoclimatici. Un elemento particolarmente affascinante di questa prospettiva è la capacità di fornire una spiegazione semplice per cui l’ITCZ si posiziona prevalentemente nell’emisfero settentrionale su base annuale e zonale. Questo fenomeno può essere attribuito al flusso netto di energia verso l’emisfero settentrionale, mediato in particolare dall’oceano e dall’effetto asimmetrico del Passaggio di Drake.

Il tentativo di estendere ulteriormente questo modello per includere l’asimmetria zonale nelle condizioni al contorno promette di aprire nuove frontiere nella comprensione climatica, come discusso nella sezione successiva del testo. Questi sviluppi offrono spunti preziosi per la previsione e la gestione degli impatti del cambiamento climatico, evidenziando la complessa interazione tra vari componenti del sistema Terra.

La Figura 11 fornisce una rappresentazione visiva di come l’atmosfera terrestre risponde a un riscaldamento localizzato nell’emisfero sud extra-tropicale. Immagina di guardare un taglio trasversale del nostro pianeta, con il polo sud a sinistra, evidenziato da un aumento del calore, e il polo nord a destra, caratterizzato da temperature più basse. Al centro di questo schema ci sono i tropici, dove avvengono alcune delle interazioni più interessanti tra il calore e l’atmosfera.

Nella regione extra-tropicale dell’emisfero sud, è stato introdotto un calore anomalo nell’oceano. Questa modifica induce una serie di reazioni nell’atmosfera, tra cui cambiamenti nel flusso di radiazione che lascia la Terra (flusso radiativo netto in cima all’atmosfera o RTOA) e variazioni nei modi in cui l’energia è trasportata orizzontalmente attraverso l’atmosfera.

La risposta principale nei tropici è rappresentata da una circolazione di Hadley alterata. Questa circolazione sposta l’energia verso nord per contrapporsi al riscaldamento iniziale, tentando di raffreddare i subtropici del sud e riscaldare quelli del nord. È come se l’atmosfera stesse cercando di distribuire equamente il calore extra, creando un bilancio energetico.

Nel frattempo, gli eddies — grandi masse d’aria che si muovono principalmente alle medie latitudini — contribuiscono a spostare l’energia attraverso l’atmosfera. Questi eddies possono sia portare calore verso aree più fredde che spostare l’aria fredda verso regioni più calde.

Interessante è il modo in cui la figura distingue tra le aree che subiscono un raffreddamento (indicato in blu) e quelle che subiscono un riscaldamento (in rosso) a causa di questi trasporti energetici. La combinazione di una circolazione di Hadley anomala e gli eddies lavora per compensare il riscaldamento e raffreddamento indotti, in un intricato valzer atmosferico che mantiene il nostro pianeta in un equilibrio termico.

In sostanza, la figura dimostra la flessibilità e la complessità del nostro sistema climatico, mostrando visivamente la danza degli scambi termici che si verificano quando una parte del pianeta subisce cambiamenti termici significativi.

3. Interpretazione delle Osservazioni e Risposta Modellata agli Forzanti

Nel seguito degli sviluppi teorici descritti nella sezione precedente, l’uso di dati osservazionali e di rianalisi ha permesso un’esplorazione più dettagliata del comportamento dei monsoni terrestri. Abbiamo superato l’idea dei monsoni come sistemi isolati e non correlati, abbracciando invece la concezione di un monsone globale che si articola in diversi sistemi regionali, come sottolineato dagli studi di Wang & Ding (2008). In questo contesto, ci proponiamo di analizzare le dinamiche dei monsoni terrestri attraverso le osservazioni e i modelli del Sistema Terrestre, mettendo in relazione queste analisi con le teorie sviluppate attraverso simulazioni di modelli idealizzati. Partiamo da una panoramica delle caratteristiche dei monsoni regionali terrestri, delle Zone di Convergenza InterTropicale (ZCIT) e del monsone globale, per poi esplorare in che modo le teorie, in particolare quelle basate su modelli di aquaplanet, possono fornirci chiavi di lettura per comprendere il comportamento di questi sistemi complessi.

3.1 I Monsoni Globali e Regionali

La distinzione tra i monsoni regionali è evidenziata da una linea magenta nelle figure 1a, 1c e 1e, che demarca le aree dove la differenza tra le precipitazioni estive e invernali supera i 2 mm al giorno, e dove le precipitazioni estive rappresentano la maggior parte del totale annuo. Si distinguono sei principali regioni monsoniche: Asia, Africa Occidentale, Africa Meridionale, Sud America, Nord America e Australia, come indicato negli studi di Zhang & Wang (2008). Tra questi, il monsone asiatico spicca per intensità e ampiezza, ed è ulteriormente suddiviso in tre sottoregioni: i monsoni dell’Asia Meridionale, dell’Asia Orientale e del Pacifico occidentale nordico, come illustrato dettagliatamente nella Figura 12 di Wang & LinHo (2002).

La Figura 12 offre una rappresentazione visiva dettagliata di come il monsone asiatico sia suddiviso in tre distintive sottoregioni, ciascuna con caratteristiche uniche che influenzano il clima di vaste aree dell’Asia.

• La prima sottoregione (a) è il Monsone dell’Asia Meridionale. Quest’area, che si estende soprattutto sull’India e sui paesi limitrofi, è una tipica regione monsonica tropicale. È caratterizzata da un’intensa attività pluviale stagionale, con piogge che raggiungono il loro picco durante specifici periodi di cinque giorni, conosciuti come pentadi.
• La seconda sottoregione (b), il Monsone del Pacifico occidentale nordico, riguarda principalmente le Filippine, parti della Cina sud-orientale e altre aree adiacenti all’oceano Pacifico occidentale. Anch’essa è una regione monsonica tropicale, con un regime di pioggia monsonica ben definito.

Tra queste due regioni monsoniche tropicali c’è un corridoio distinto nella Penisola dell’Indocina che le separa, suggerendo differenze significative nelle loro dinamiche meteorologiche e nei modelli di precipitazione.

• La terza sottoregione (c) è il Monsone dell’Asia Orientale, classificato come un monsone extratropicale. Questa regione si estende a nord, influenzando il clima della Cina orientale fino al Giappone. Il suo comportamento si differenzia da quello delle regioni tropicali e comprende interazioni complesse con i sistemi climatici delle latitudini medie.

Sulla mappa sono inoltre indicati i numeri che rappresentano i range di pentadi, ovvero i periodi di cinque giorni, durante i quali le diverse regioni esperiscono il picco delle precipitazioni monsoniche. Questi dati enfatizzano l’importanza delle variazioni temporali e stagionali del monsone.

Questa mappa sintetizza lo studio di Wang e LinHo del 2002, mostrando la complessità spaziale e temporale dei monsoni asiatici. È importante notare che la mappa è utilizzata con il permesso della American Meteorological Society, confermando il valore educativo di queste informazioni e la loro affidabilità.

3.1.1 Caratteristiche dei Monsoni Regionali e della Zona di Convergenza Intertropicale (ZCIT)

Monsone del Sud Asiatico

Il Monsone del Sud Asiatico si distingue per un notevole cambio di direzione dei venti: si passa dai venti invernali orientali ai venti estivi occidentali negli strati bassi dell’atmosfera. Il fenomeno inizia a manifestarsi dal sud verso il nord, con le prime piogge monsoniche che si verificano sulla Baia del Bengala meridionale tra la fine di aprile e la metà di maggio, per poi raggiungere il Kerala nel periodo compreso tra la metà di maggio e la metà di giugno. Anche sul Mar Cinese Meridionale il monsone inizia a farsi sentire nello stesso intervallo temporale.

In India, la stagione umida si estende da giugno a settembre, periodo in cui si registra circa il 78% dell’intero apporto pluviometrico annuale del paese. Successivamente, la banda delle precipitazioni si ritrae progressivamente verso l’equatore, tra la fine di settembre e l’inizio di novembre.

“Monsone” dell’Asia Orientale

A differenza del Monsone del Sud Asiatico, che si limita alle regioni equatoriali a sud dei 30°N, il Monsone dell’Asia Orientale si estende ben oltre questa latitudine, raggiungendo le zone extratropicali. Sebbene l’arrivo del monsone sul Mar Cinese Meridionale sia spesso considerato un indicatore del successivo avvio del monsone in Asia Orientale, alcuni studiosi sostengono che quest’ultimo sia di fatto un sistema a sé stante, con caratteristiche subtropicali. Un elemento chiave del Monsone dell’Asia Orientale è rappresentato dalla banda di precipitazioni chiamata Meiyu in Cina e Baiu in Giappone, che si accompagna a un cambio di direzione dei venti da nord in inverno a sud in estate. Questo fronte pluviometrico causa intense precipitazioni nella valle del fiume Yangtze e in Giappone da metà giugno a metà luglio, dopodiché si dissolve consentendo alle piogge di spingersi verso il nord della Cina e la Corea. Prima di questo periodo, il sud della Cina è interessato da fasi di precipitazioni primaverili, che si intensificano da metà marzo a maggio. Per un’analisi approfondita delle caratteristiche del Monsone dell’Asia Orientale, incluso l’inizio, lo sviluppo, i processi che lo regolano e le sue teleconnessioni, si rimanda a Ding e Chan (2005); si veda anche la sezione 4.1.1.

Monsone del Pacifico Occidentale Nordico

Le piogge del monsone arrivano più tardi nell’oceano Pacifico subtropicale occidentale settentrionale rispetto alle regioni del Sud e dell’Asia Orientale, iniziando da luglio e proseguendo fino a ottobre o novembre. Il monsone procede in un modello graduale da sud-ovest a nord-est, legato agli spostamenti dell’alta pressione subtropicale del Pacifico settentrionale occidentale. Il ritiro del monsone, invece, avviene da nord-ovest a sud-est. Un cambiamento predominante nella direzione del vento da orizzontale si verifica tra l’inverno e l’estate, associato a un indebolimento del flusso orientale alle basse latitudini con lo spostamento verso est dell’alta pressione subtropicale del Pacifico occidentale.

Monsone Australiano

Il monsone australiano si forma sopra Java in ottobre e novembre e si muove verso sud-est, raggiungendo il nord dell’Australia verso la fine di dicembre. Durante l’estate dell’emisfero australe, i venti orientali a bassa latitudine sopra il continente marittimo occidentale si invertono, divenendo flussi sud-occidentali. Il ritiro del monsone avviene nella regione settentrionale dell’Australia e nel sud-est del continente marittimo fino a marzo, con la stagione umida che si protrae fino ad aprile su Java.

Monsone dell’Africa Occidentale

Il monsone dell’Africa Occidentale ha inizio vicino all’equatore, portando intense piogge nel Golfo di Guinea a partire da aprile e continuando fino alla fine di giugno. Si sviluppa un secondo picco di precipitazioni intorno ai 10°N verso la fine di maggio. Il picco delle precipitazioni si sposta rapidamente verso questo secondo massimo verso la fine di giugno, con una contemporanea inversione della direzione del vento da nordest a sud-ovest al sud di questo massimo. Le precipitazioni diminuiscono da agosto a settembre, e il picco delle piogge si sposta di nuovo verso l’equatore. Nella regione del Sahel, le precipitazioni monsoniche costituiscono tra il 75 e il 90% del totale annuo delle piogge. In questa regione si osserva anche una circolazione meridionale secondaria e superficiale, con aria secca che converge e si solleva sopra il Sahara, dove il riscaldamento sensibile è forte, e un flusso di ritorno a un’altitudine di 500-750 hPa. La stagionalità precisa di questa circolazione superficiale varia a seconda delle rianalisi NCEP1, NCEP2 e ERA-40. Si è notato che, nei dati JRA-55 qui utilizzati, la stagionalità è più coerente con quella rilevata nell’analisi ERA-40, con il flusso di ritorno presente durante tutto l’anno ma che si intensifica semestralmente in inverno boreale e in estate boreale.

Monsone dell’Africa Meridionale

Il monsone dell’Africa Meridionale si trova longitudinalmente a est rispetto al suo omologo nell’emisfero settentrionale. Il parametro che misura l’inizio del monsone globale mostra che la stagione delle piogge ha inizio a novembre in Angola e nel sud della Repubblica Democratica del Congo, estendendosi poi a sud-est attraverso il continente. Il fronte delle piogge avanza su Tanzania meridionale, Zambia e arriva fino al nord del Madagascar in dicembre, per poi raggiungere Zimbabwe, Mozambico e il nordest del Sud Africa entro gennaio. Il sistema si espande sull’Oceano Indiano sud-occidentale tra gennaio e febbraio. Il ritiro avviene da febbraio ad aprile, diretto verso nord e ovest. Durante l’inverno australe, il vento prevalente è da sud-est, ma in estate si inverte in un debole flusso da nord-est, con un flusso più marcato da nord-est più a nord, oltre il Corno d’Africa, come osservato nella Figura 1c. Sebbene la stagionalità della circolazione e delle precipitazioni in questa regione sia in linea con la dinamica dei monsoni, le precipitazioni estive vengono spesso descritte come la “stagione delle piogge dell’Africa Meridionale”. Solo recentemente, con l’adozione della prospettiva del monsone globale, questo sistema sta ricevendo più attenzione come parte del fenomeno monsonico.

Monsone Nordamericano

Il monsone nordamericano si caratterizza per un notevole incremento delle precipitazioni in Messico e nell’America Centrale che inizia a giugno-luglio e si ritira in settembre-ottobre. È stato osservato che l’inizio e il ritiro in questa area avvengono rispettivamente con una fascia di movimento verso nord e verso sud. Nonostante ciò, non si verifica una reversibilità dei venti su larga scala nella regione. Tuttavia, il flusso da nord-ovest lungo la costa della California, che si nota in inverno boreale, si attenua durante l’estate boreale. Allo stesso tempo, il flusso da sud-est sulla costa orientale del Messico si rafforza e i venti orientali a bassa latitudine sull’oceano Pacifico orientale si indeboliscono nell’emisfero settentrionale. Inoltre, a una scala più ridotta, si osserva un’inversione della direzione del vento a basso livello sul Golfo della California, che passa da un flusso settentrionale a uno meridionale.

Monsone del Sud America

In Sud America, la stagione del monsone inizia in ottobre, caratterizzata da un deciso spostamento verso sud della convezione sopra il bacino del fiume Amazzonia. Con l’avanzare della stagione, le precipitazioni si estendono verso sud-est durante i mesi di novembre e dicembre. Il periodo delle piogge inizia a ritirarsi tra marzo e maggio, con la banda pluviometrica che si sposta nuovamente verso nord. Nell’inverno dell’emisfero australe, i venti dominanti a 850 hPa sul continente sono principalmente orientali tra i 10°S e i 10°N. Tuttavia, con l’arrivo dell’estate, il flusso d’aria diventa nord-orientale e trans-equatoriale. Si sviluppa anche un getto a basso livello nord-occidentale, il getto del Sud America, lungo il fianco orientale delle Ande. Sopra la Bolivia si forma un anticiclone in quota, mentre più a sud, sopra il nord dell’Argentina, si sviluppa un ciclone a livello inferiore. Durante la stagione del monsone, tra settembre e febbraio, il Brasile centrale riceve oltre il 70% del totale delle sue precipitazioni annuali.

Le ZCIT (Zone di Convergenza Intertropicale) dell’Atlantico e del Pacifico

Le Zone di Convergenza Intertropicale (ZCIT) nell’Atlantico e nel Pacifico mostrano un marcato ciclo stagionale. Il dipolo di precipitazioni tra nord e sud diventa evidente nella differenza tra i mesi di ottobre/novembre e aprile/maggio. Le piogge legate alle ZCIT raggiungono la loro massima espansione verso nord in ottobre e il punto più a sud, seppur sempre a nord dell’equatore, in marzo, con un ritardo di circa tre mesi rispetto ai solstizi dell’emisfero boreale e australe. Questa dinamica è influenzata dalla significativa capacità termica della superficie oceanica, che partecipa attivamente al ciclo stagionale.

3.1.2. Il Monsone Globale

Nonostante la diversità di comportamenti dei monsoni regionali, è possibile identificarne alcune caratteristiche comuni. Dall’analisi della Figura 1a, si osserva che la maggior parte delle aree monsoniche presenta un flusso anomalo di venti occidentali ai livelli più bassi durante la stagione estiva, con una componente che attraversa l’equatore diretta verso l’emisfero estivo. Tuttavia, un confronto tra le Figure 1b e 1c rivela che queste anomalie non sono sempre sufficienti a determinare un’inversione locale della direzione del vento. Generalmente, l’inizio del monsone è caratterizzato da un avanzamento verso il polo delle precipitazioni partendo dall’equatore, spesso con una tendenza alla progressione verso est. In alcuni casi, l’inizio del monsone può anche manifestarsi con improvvisi salti o gradini nella latitudine (verso il polo) e longitudine delle precipitazioni, come osservato nel Sud Asia, Africa Occidentale, nel Pacifico occidentale settentrionale e in Sud America.

Queste caratteristiche comuni emergono chiaramente dalle analisi delle Funzioni Ortogonali Empiriche (EOF) relative al ciclo annuale della circolazione divergente globale e delle precipitazioni e dei venti ai livelli inferiori. Queste analisi rivelano un modo solstiziale su scala globale che rappresenta il 71% della varianza annuale combinata di precipitazioni e venti superficiali, rispecchiando fedelmente le differenze tra le stagioni estiva e invernale nelle precipitazioni. Un secondo modo importante, identificato come un modo asimmetrico equinoziale, riflette l’asimmetria tra primavera e autunno. Quest’ultimo è particolarmente evidente nelle Zone di Convergenza Intertropicale (ZCIT), a causa della loro stagionalità ritardata. Questi modi dominanti sostengono l’idea di un sistema monsonico globale, guidato dal ciclo annuale dell’insolazione, che si prevede reagisca in modo coerente agli forzamenti orbitali. Da questa prospettiva, il monsone globale può essere interpretato come la migrazione stagionale della zona di convergenza verso l’emisfero estivo nel corso dell’anno, con i monsoni regionali che rappresentano aree dove questa migrazione è particolarmente marcata. Questa localizzazione delle precipitazioni è ulteriormente rafforzata dall’interazione tra le circolazioni di rivolgimento zonale e meridionale.

Le ricostruzioni paleoclimatiche, le osservazioni odierne e le simulazioni dei modelli hanno iniziato a gettare luce su come i monsoni regionali e le Zone di Convergenza Intertropicale (ZCIT) varino in risposta a una vasta gamma di forzamenti esterni e interni. È emerso che certi eventi, come gli eventi Heinrich, i cambiamenti nella precessione assiale della Terra e le eruzioni vulcaniche ad alta latitudine, che riscaldano o raffreddano preferenzialmente un emisfero rispetto all’altro, tendono a intensificare i monsoni dell’emisfero più caldo e a indebolire quelli dell’emisfero più freddo. Queste dinamiche sono illustrate da vari studi e si riflettono nelle Figure 4 e 5.

3.2. Monsoni in Condizioni Simili a Quelle di un Aquapianeta

Il lavoro teorico basato sugli aquapianeti, precedentemente discusso, ha impiegato condizioni al contorno simmetriche per esplorare i processi fondamentali alla base della zona di convergenza media zonale, delle celle di Hadley e del monsone globale. A differenza di questo approccio, la maggior parte degli studi basati su osservazioni, rianalisi e modelli del Sistema Terra si sono concentrati sui meccanismi che regolano i monsoni regionali. Sebbene i fattori locali siano cruciali nel determinare l’evoluzione stagionale e la variabilità dei singoli sistemi monsonici, i risultati ottenuti dagli studi sugli aquapianeti offrono spunti su similitudini inaspettate nella dinamica dei monsoni, aiutandoci a interpretare i comportamenti osservati. L’approccio energetico, in particolare, ha guadagnato maggiore attenzione, forse per la relativa semplicità con cui si possono valutare le diagnostiche pertinenti e per l’intuizione che offre. Questa sezione si propone di esplorare come questi approcci possano fornire nuove intuizioni sulla dinamica dei monsoni terrestri, mentre la Sezione 4 affronterà le limitazioni poste dall’asimmetria zonale alle teorie degli aquapianeti.

Intuizioni dal Bilancio della Quantità di Moto e Considerazioni sull’Equilibrio Quasi-Equatoriale

Nello studio degli aquaplaneti, l’analisi della quantità di moto insieme all’ipotesi dell’Equilibrio Quasi-Equatoriale (CQE) ha rivelato alcuni aspetti fondamentali:

Primo, è stata osservata una convergenza vicino all’equatore, associata a un tipo particolare di circolazione atmosferica meridionale che ricorda i monsoni. Questa convergenza si verifica appena al di là dei massimi di energia disponibile subito sotto le nuvole. Questo fenomeno è stato documentato e sostenuto da studi come quelli di Emanuel nel 1995 e di Privé e Plumb nei loro lavori del 2007.

Secondo, le celle di ribaltamento meridionale che si formano in presenza di monsoni mostrano una tendenza maggiore a conservare la quantità di moto angolare rispetto a quelle legate alle Zone di Convergenza Intertropicale (ZCIT). Questa caratteristica le rende più sensibili ai cambiamenti nei gradienti di energia su scala meridionale, come evidenziato da Schneider e Bordoni nel 2008.

Terzo, si evidenzia la possibilità di rapide transizioni tra due regimi atmosferici distinti: uno caratterizzato da due celle di Hadley motivate da disturbi eddici e l’altro da una cella dominante monsonica che conserva la quantità di moto e si estende nell’emisfero estivo. Queste transizioni sono influenzate da dinamiche di trasporto di energia e dalla soppressione di fluttuazioni atmosferiche da parte di correnti orientali superiori, come discussione nei lavori di Bordoni, Schneider e collaboratori tra il 2008 e il 2010.

Quarto, è stato stimato che, data la velocità di rotazione terrestre, il cambio da un regime atmosferico dominato da fluttuazioni a uno che conserva la quantità di moto angolare, avvenga intorno ai 7 gradi di latitudine in condizioni ideali di simmetria zonale, secondo quanto riportato da Geen e colleghi nel 2019.

Quinto, in simili condizioni ideali, le zone di convergenza, che marcano le aree di salita dell’aria nei monsoni, non sembrano potersi spostare oltre i 25 gradi di distanza dall’equatore, come mostrato in studi condotti da Faulk, Hill, Singh e altri tra il 2017 e il 2019.

Queste osservazioni, pur derivando da un contesto molto idealizzato, trovano conferme nel comportamento atmosferico reale del nostro pianeta. Ad esempio, l’analisi dei dati del Tropical Rainfall Measuring Mission e di ERA-40 su monsoni specifici ha dimostrato una corrispondenza tra i picchi di energia potenziale e le massime precipitazioni in modo conforme alle previsioni del modello CQE. Questo pattern si è rivelato consistente nei monsoni dell’Asia Meridionale, dell’Australia e dell’Africa, con qualche complessità aggiuntiva dovuta a influenze remote in Africa settentrionale, legate alle onde di Rossby associate al monsone estivo del Sud Asiatico.

Nel Sud dell’Asia, l’interazione tra i gradienti di energia e la topografia gioca un ruolo cruciale nel modellare il clima, specialmente per quanto riguarda il monsone. Si è scoperto che i gradienti di energia, misurati come θeb, sono determinati in modo significativo dalla topografia, con la sorprendente constatazione che il massimo della temperatura in alta quota non si trova sul Plateau Tibetano. Questa osservazione ha portato a rivedere l’importanza della topografia nella regione: piuttosto che fungere principalmente come fonte di riscaldamento elevato, l’elevata topografia agisce come una barriera contro l’intrusione di aria fredda e secca dal nord, creando così un forte massimo di θ_eb e influenzando il monsone in maniera predominante.

Tuttavia, l’applicabilità dell’Equilibrio Quasi-Equatoriale (CQE) non è uniforme in tutto il mondo. Nelle Americhe e nell’Asia Orientale, il modello CQE incontra delle eccezioni. Ad esempio, nel Nord America, i massimi di energia misurati come θ∗e e θ_eb non coincidono in latitudine, suggerendo la possibilità che processi come l’essiccamento per advezione nella troposfera inferiore giochino un ruolo. Nel Sud America, il massimo di θ_eb si estende ampiamente dall’equatore fino a 20° S, con un picco più localizzato di θ∗e a 20° S. Diversamente, in Asia Orientale, si osserva un picco di precipitazioni tropicali appena a sud del massimo di θ_eb, ma il massimo di θ∗e si verifica ulteriormente a nord, vicino alle precipitazioni legate al fronte Meiyu-Baiu.

Nonostante queste variazioni, nelle zone equatoriali dell’Atlantico e del Pacifico, in estate, il modello CQE si avvicina più fedelmente alla realtà, anche se in inverno si nota uno spostamento dei massimi di energia e precipitazioni. Ciò dimostra che, sebbene il CQE non sia universale, la posizione delle precipitazioni tropicali tende generalmente a essere vicina o leggermente a sud del massimo di θeb durante tutto l’anno, rendendolo un indicatore affidabile delle aree di precipitazione, sia sopra l’oceano — dove questa correlazione è attesa a causa del forte legame con la temperatura superficiale del mare — sia sulla terraferma.

Queste osservazioni rafforzano l’idea che le precipitazioni monsoniche siano più direttamente influenzate dall’energia disponibile che non dalla temperatura superficiale. Ciò è in linea con le scoperte dei modelli idealizzati, che mostrano anche come le caratteristiche della circolazione atmosferica, come la circolazione di Hadley, subiscano cambiamenti stagionali e transizioni rapide tra diversi regimi, simili a quanto osservato nelle simulazioni di aquaplaneti. In particolare, nella regione del monsone del Sud dell’Asia, le precipitazioni e la circolazione atmosferica mostrano una marcata tendenza a conservare la quantità di moto angolare durante l’estate, con un rapido spostamento delle precipitazioni verso latitudini più elevate, confermando ulteriormente la complessità e la diversità dei sistemi monsonici a livello regionale.

Nelle regioni dei monsoni del Sud dell’Asia, dell’Africa Occidentale e Meridionale, si osserva che durante l’estate la circolazione atmosferica di alto livello tende ad allinearsi con le linee di quantità di moto angolare, particolarmente nelle zone più profonde dei tropici. Questo comportamento contrappone nettamente quello delle circolazioni sopra l’Australia e le Americhe, dove non si conserva la quantità di moto angolare, anche in prossimità dell’equatore. Tale osservazione sottolinea come le aree in cui l’Equilibrio Quasi-Equatoriale (CQE) è applicabile non necessariamente coincidano con quelle dove avviene la conservazione della quantità di moto angolare.

Le ricerche condotte sugli aquaplaneti rivelano una certa coerenza con il comportamento dei monsoni regionali, evidenziando però che molto resta ancora da scoprire. Comprendere l’importanza dell’energia potenziale equivalente a livello inferiore e delle strutture dei venti superiori potrebbe essere cruciale per decifrare la variabilità attuale dei monsoni e per migliorare le proiezioni climatiche future. Ad esempio, studi recenti hanno indagato la connessione tra la variabilità delle precipitazioni monsoniche e quella di θeb, scoprendo che, contrariamente a quanto influenzato dal fenomeno ENSO, le anomalie positive di precipitazione in diversi monsoni erano associate ad un aumento di θ_eb, concordando con studi precedenti. Interessantemente, si è visto che tali variazioni di θ_eb erano dovute più alla variabilità dell’umidità che non a quella della temperatura, con anni di monsoni intensi caratterizzati da un aumento dell’umidità specifica presso il massimo climatologico di θeb, accompagnato da anomalie di temperatura di segno opposto.

Questi risultati sfidano la tradizionale interpretazione dei monsoni basata sulla semplice dinamica delle brezze marine, allineandosi invece con la prospettiva offerta dal CQE. Inoltre, ricerche hanno dimostrato come il CQE possa fornire spiegazioni per la debole risposta dei monsoni asiatici al riscaldamento globale, come riscontrato nei modelli climatici. Analizzando le reazioni del sistema climatico a un marcato aumento di CO2 rispetto a un riscaldamento uniforme delle temperature superficiali del mare, è emerso che mentre la prima situazione portava a cambiamenti favorevoli a un monsone più intenso, il riscaldamento delle acque aveva effetti contrari, suggerendo una risposta complessivamente debole all’aumento di CO2. Questi studi offrono nuove prospettive su come i cambiamenti climatici possano influenzare i monsoni, sottolineando l’importanza di considerare diversi fattori, come l’umidità e la temperatura, nel comprendere e prevedere i cambiamenti futuri dei sistemi monsonici.

La Figura 13 è un vero atlante climatico che mette a confronto le caratteristiche dei monsoni in sei diverse regioni durante i loro rispettivi periodi di monsone. Ciò che vediamo in questa mappa multicolore è una rappresentazione visiva di come il calore e l’umidità si combinano per influenzare dove e quanto forte pioverà.

Ogni pannello cattura una regione specifica del mondo e le tonalità sullo sfondo ci raccontano una storia di calore: dove i colori sono più caldi, come i rossi e i gialli, l’aria sotto le nuvole ha più energia disponibile, e dove sono più freddi, come i blu, l’energia è minore. Seguendo i contorni neri, possiamo tracciare un percorso attraverso la troposfera, la parte dell’atmosfera dove si svolge gran parte del nostro tempo, dove l’aria raggiunge il punto di saturazione—un punto critico per la formazione delle precipitazioni.

Le linee bianche, come confini tracciati su una mappa, mostrano dove le precipitazioni superano un certo valore, qui rappresentato da 6 millimetri al giorno. Sono i confini delle zone più bagnate, dove il monsone si fa sentire con forza. La posizione di queste zone rispetto ai contorni neri ci dice se le piogge sono collegate all’umidità e al calore che l’aria può trattenere.

Esaminando questa figura, possiamo osservare se c’è una coincidenza tra l’energia sottostante alle nuvole e dove cade effettivamente la pioggia. Ad esempio, potremmo notare che in alcune regioni, come il Sud dell’Asia, le zone più piovose tendono a seguire fedelmente queste strade di energia e umidità. In altre regioni, come l’Australia, la correlazione non è altrettanto evidente, il che suggerisce che altri fattori potrebbero giocare un ruolo nel determinare dove e quanto piove.

In definitiva, questa mappa ci aiuta a visualizzare e comprendere la complessa interazione tra calore, umidità e precipitazioni che definisce il ritmo e l’intensità dei monsoni attorno al globo.

La Figura 14 ci porta in un viaggio attraverso le correnti invisibili che plasmano il clima estivo in diverse parti del mondo. I contorni neri ci guidano attraverso i grandi vortici dell’aria, le circolazioni meridionali di ribaltamento, che si elevano e cadono attraverso l’atmosfera in sei distinte regioni: dall’Asia del Sud all’Africa Meridionale, passando per l’Australia e oltre. Come i fili di una tela, questi contorni raccontano la storia del movimento dell’aria calda che sale e di quella fredda che scende, un processo che sta al cuore dei monsoni e dei cambiamenti climatici su larga scala.

Il colore di sfondo, che varia dal blu al rosso, è il palcoscenico dei venti zonali. I venti che spazzano da ovest verso est tingono la mappa di tonalità fredde, mentre i venti contrari accendono la scena di rosso. È una danza di masse d’aria in movimento che modella le giornate di milioni di persone, distribuendo pioggia e sole nel loro lento viaggio attorno al pianeta.

Le linee grigie tracciano il percorso della quantità di moto angolare, un principio fondamentale della fisica che persiste anche nel turbinio dell’atmosfera terrestre. Qui le linee seguono un ordine invisibile, organizzando la mappa in strati che rappresentano diverse distanze dall’equatore, dove i venti giocano secondo regole diverse.

Insieme, queste correnti e questi venti raccontano la storia complessa e bellissima di come l’atmosfera del nostro pianeta risponde e si adatta alla topografia della terra e alle stagioni che cambiano, una storia di aria e acqua che si intreccia in un modello tanto dinamico quanto vitale.

La stretta correlazione tra l’energia potenziale equivalente a livello inferiore dell’atmosfera e le precipitazioni è un punto chiave per gli studi sulla variabilità dei monsoni e sui cambiamenti climatici futuri. Gli studiosi si concentrano intuitivamente su come forzature esterne o teleconnessioni, attraverso processi come la movimentazione dell’aria (avvezione) e l’aumento dell’evaporazione, possano influenzare questa energia, per capire meglio queste dinamiche meteo.

Nonostante sia stata osservata una coerenza tra i movimenti dei venti in alta quota e le variazioni nella circolazione dei monsoni, c’è ancora molto da scoprire riguardo il collegamento di queste dinamiche con il bilancio della quantità di moto in alto e i regimi delle grandi circolazioni atmosferiche, come le celle di Hadley. Per esempio, nelle regioni del Sud Asia e dell’Africa Occidentale, si è notato che condizioni particolarmente piovose sono collegate a una specifica configurazione dei venti in alta quota e a una più intensa circolazione meridionale di ribaltamento. Tuttavia, tali fenomeni atmosferici rimangono confinati in specifiche aree e, diversamente da quanto accadrebbe in un modello semplificato come quello di un aquaplaneta, altri fattori potrebbero emergere come più significativi. Sarà necessario approfondire lo studio del bilancio della quantità di moto nelle varie regioni per comprendere fino a che punto i principi come la conservazione della quantità di moto angolare si applicano anche a livello regionale.

I risultati recenti suggeriscono che la rotazione della Terra pone dei limiti naturali su dove le grandi circolazioni atmosferiche cambiano comportamento e fino a che latitudine possono estendersi le zone di convergenza, ovvero quelle aree dove tendono a concentrarsi le precipitazioni. Questo potrebbe offrire nuove prospettive sulle circolazioni tropicali della Terra e sugli schemi delle precipitazioni. Potremmo utilizzare questi confini latitudinali per prevedere i regimi di circolazione associati alle piogge in determinate latitudini.

In una tale prospettiva, la Figura 15 si presenta come uno strumento che illustra la frequenza delle precipitazioni superiori a una determinata soglia nelle varie regioni monsoniche e nelle zone di convergenza intertropicale. La metodologia adottata considera la variazione della dimensione delle celle di griglia con la latitudine e identifica il massimo delle precipitazioni nella regione di interesse. Questo tipo di analisi potrebbe diventare fondamentale per prevedere e comprendere dove e come i monsoni porteranno acqua alle regioni sotto la loro influenza.

La Figura 15 ci svela una mappa di come si distribuiscono le precipitazioni intense attraverso varie regioni del globo, ognuna con il suo caratteristico ritmo stagionale di piogge monsoniche e zone di convergenza intertropicale. I grafici sono come termometri che misurano la frequenza delle piogge, non in gradi, ma in latitudini, mostrando dove si preferisce scaricare il suo carico umido.

Per ogni regione, da quella asiatica a quella pacifica, le barre blu si alzano e si abbassano lungo l’asse che rappresenta la distanza dall’equatore, narrando una storia di pioggia che ha i suoi posti prediletti. La frequenza relativa, l’altezza delle barre, ci dice quanto spesso una certa area riceve una pioggia abbondante, che va oltre le soglie stabilite, qui indicate dalle linee orizzontali.

Queste soglie non sono arbitrarie; sono basate su anni di dati climatologici che spaziano dal 1997 al 2014, riflettendo le variazioni nelle precipitazioni dopo aver tolto qualsiasi tendenza a lungo termine. Così, ciò che vediamo è il ritmo puro delle piogge, privato di eventuali distorsioni progressive, offrendoci un’immagine fedele del battito cardiaco del clima di queste regioni.

In questo mosaico di umidità, ogni grafico ci dice dove la pioggia ama congregarci, se preferisce il centro della scena all’equatore o se si sposta verso le ali del mondo, più vicino ai poli. Ed è proprio questo modello a dare agli scienziati gli indizi per prevedere dove e come i monsoni porteranno acqua e vita, e come potrebbero cambiare in risposta alle danze complesse del clima globale.

La comprensione delle precipitazioni durante i monsoni e nelle Zone di Convergenza Intertropicale (ITCZ) è diventata più raffinata grazie a un approccio metodico che distingue le intensità di pioggia tra le varie regioni. Viene stabilita una scala di riferimento basata sul valore massimo delle precipitazioni, dividendo questo valore in tre parti per identificare due soglie significative. Questo permette agli scienziati di esaminare e catalogare le precipitazioni in modo più granulare.

Il conteggio e la somma delle aree che superano queste soglie di pioggia forniscono una mappa di frequenza che evidenzia dove cade la pioggia più intensa. Ad esempio, nella Figura 15, i dati mostrano che regioni come il Sud Asia e il Sud Africa vedono le loro piogge più forti in zone ben precise, generalmente a una certa distanza dall’equatore. Al contrario, in Australia le piogge più intense si verificano vicino all’equatore, con picchi minori sparsi a latitudini maggiori.

Questo tipo di analisi ha portato a individuare due distinti picchi di precipitazione nell’Africa Occidentale, quando si considera un range longitudinale più ristretto. Mentre altre regioni monsoniche e ITCZ mostrano un singolo picco di precipitazioni, suggerendo un regime di pioggia stabile durante l’anno.

La distribuzione delle precipitazioni nel Sud America e nell’ITCZ del Pacifico suggerisce l’esistenza di picchi secondari, che potrebbero riflettere l’influenza di altre zone di convergenza come quella dell’Atlantico e del Pacifico Meridionale. Questi dettagli arricchiscono la nostra comprensione di come le precipitazioni si distribuiscono a seconda delle stagioni e della geografia.

Inoltre, il flusso di massa associato con le circolazioni atmosferiche, visualizzato in un’altra figura, mostra che le correnti ascensionali legate alla cella di Hadley sono confinate vicino all’equatore, in linea con i modelli teorici. Questo suggerisce che le regioni dove le piogge e le correnti ascensionali sono concentrate a una certa distanza dall’equatore potrebbero avere dinamiche simili a quelle di un mondo acquatico ideale che conserva il momento angolare, mentre altre zone più vicine all’equatore potrebbero ricalcare un modello climatico guidato da movimenti torbidi atmosferici.

In sostanza, queste osservazioni e tecniche di misurazione aprono nuove prospettive sul comportamento dei monsoni e sulle zone di convergenza intertropicale, fornendo indizi vitali su come potrebbero evolversi in risposta ai cambiamenti climatici.

Le recenti osservazioni meteorologiche suggeriscono un panorama affascinante: mentre l’Australia sembra mantenere un pattern di pioggia guidato da piccoli vortici atmosferici, regioni come l’Asia del Sud e l’Africa Meridionale mostrano una tendenza ad allinearsi con le traiettorie della quantità di moto angolare. Questa distinzione nel comportamento delle correnti aeree è di grande interesse per gli scienziati, in quanto potrebbe aiutarli a interpretare meglio come le diverse aree rispondono agli stimoli esterni, come i cambiamenti climatici.

Tuttavia, le figure 15 e 16 sollevano un punto intrigante: la latitudine critica che demarca le Zone di Convergenza Intertropicale (ITCZ) e i regimi monsonici si estende intorno ai 12-15°, un’area più ampia rispetto ai 7° comunemente osservati negli studi sugli aquaplaneti. C’è spazio per ulteriori indagini su come le condizioni geografiche asimmetriche o altri meccanismi e reazioni climatiche possano contribuire a queste differenze.

Anche se gli studi sugli aquaplaneti offrono una base comune per analizzare i monsoni regionali, ci sono alcune avvertenze da tenere a mente. I monsoni non sono semplici fenomeni globali, ma sistemi locali che possono includere complessi movimenti dell’aria sia verticali che orizzontali. Le teorie simmetriche semplici non possono essere applicate senza adeguati aggiustamenti, perché le onde stazionarie possono alterare in modo significativo i bilanci di energia e quantità di moto.

Inoltre, al di là delle grandi correnti convettive umide e profonde, monsoni come quelli dell’Africa Occidentale, Meridionale e dell’Australia includono anche correnti più superficiali e secche. Curiosamente, queste correnti superficiali, con la loro ascesa vicino al picco di temperatura potenziale, sembrano ridurre le precipitazioni monsoniche tramite processi di essiccazione dell’aria. Alcuni studi hanno esplorato l’interazione tra la posizione dell’ITCZ e queste correnti superficiali, trovando che la latitudine dell’ITCZ potrebbe non corrispondere al massimo dell’energia disponibile vicino alla superficie, ma piuttosto ad una media ponderata di energia nell’atmosfera più bassa, una metrica che potrebbe includere l’effetto dell’aria a bassa energia coinvolta nei movimenti ascensionali intensi.

Questi risultati apportano una comprensione più sfumata del clima monsonico e offrono nuove prospettive per prevedere come tali sistemi possano reagire in uno scenario di cambiamento climatico globale.

La Figura 16 ci mostra un quadro dinamico dei movimenti verticali dell’aria intorno al globo, evidenziando come l’atmosfera si agita e si calma con il passaggio delle stagioni. Nelle immagini, i toni rossi e blu si alternano per raccontare la storia dell’aria in risalita e in discesa durante le estati boreale e australe.

Nei pannelli estivi dell’emisfero boreale, osserviamo l’ascensione e la discesa dell’aria nelle circolazioni meridionale e zonale, un intreccio di correnti che si snoda dalla superficie terrestre fino a mezza atmosfera. Queste correnti non sono distribuite casualmente, ma seguono percorsi definiti, con l’aria che si solleva in alcune zone e si abbassa in altre, come se seguisse le istruzioni di un invisibile direttore d’orchestra.

Passando ai mesi dell’estate australe, la danza si ripete ma cambia scenario. I modelli di flusso si alternano, mostrando nuove aree di sollevamento e abbassamento, che riflettono i cambiamenti stagionali nei movimenti atmosferici.

L’ombreggiatura grigia, che si estende dai 10° ai 25° di latitudine nord e sud, ci mette in evidenza le zone che sono cruciali nel determinare il clima dei tropici. È qui che le cellule di Hadley giocano un ruolo chiave, e comprendere i loro movimenti è essenziale per capire dove si verificheranno piogge abbondanti o siccità.

Insieme, queste mappe del flusso di massa ci offrono una visione più completa delle forze invisibili che plasmano le stagioni e influenzano i nostri clima, dandoci preziose informazioni sulle meccaniche dei monsoni e sulle ITCZ in diverse parti del pianeta.

3.2.2. Applicazioni del Framework EFE

Nella sezione 2.2 è stato esaminato come il bilancio energetico atmosferico, integrato verticalmente, offra un approccio complementare per comprendere le restrizioni sulla precipitazione tropicale. Un risultato notevole derivante dall’applicazione di questo approccio agli aquaplaneti è che la zona di convergenza segue approssimativamente l’Equazione di Flusso Energetico (EFE). Di conseguenza, i cambiamenti nella posizione media zonale della zona di convergenza possono essere collegati ai cambiamenti nel forzamento netto, non solo nei tropici ma anche a latitudini superiori. Questa osservazione è supportata da studi come quelli di Bischoff & Schneider (2014) e Kang et al. (2008). Inoltre, l’analisi del bilancio di Energia Meccanica Sistemica (MSE) consente una comprensione più dettagliata della risposta locale a tali cambiamenti. Recensioni recenti hanno discusso la prospettiva energetica della zona di convergenza e la sua applicazione alle monsoni terrestri, con contributi significativi da parte di ricercatori come Kang (2020), Kang et al. (2018), Schneider et al. (2014) e Biasutti et al. (2018).

La posizione della zona di convergenza, mediata zonalmente, mostra una forte anticorrelazione con il trasporto di energia atmosferica meridionale, mediato zonalmente, all’equatore, e una correlazione con la latitudine dell’EFE. Questa relazione è stata osservata sia nei dati reali che in vari scenari di modellizzazione climatica. Tuttavia, si nota una rottura di questa correlazione quando la zona di convergenza si sposta significativamente dall’equatore nel corso del ciclo stagionale. Questo modello contribuisce a spiegare la posizione settentrionale dell’ITCZ rispetto all’equatore, come discusso da Marshall et al. (2014).

L’applicazione di questo quadro concettuale a casi localizzati ha presentato maggiori sfide. Boos e Korty (2016) hanno identificato i “Meridiani Prime del Flusso Energetico” (EFPM) analizzando le longitudini in cui il flusso di MSE, integrato sulla colonna e divergente zonalmente, si annulla presentando un gradiente zonale positivo. Questi EFPM si manifestano in diverse stagioni: nel Golfo del Bengala e nel Golfo del Messico/Mare dei Caraibi durante l’estate boreale, e nel Pacifico Occidentale e in Sud America durante l’estate australe. Questa estensione teorica offre nuove intuizioni su come le variazioni localizzate delle precipitazioni legate all’ENSO possano essere correlate a trasporti energetici anomali. Inoltre, Adam et al. (2016a) hanno definito l’EFE zonalmente variabile come la latitudine in cui il flusso di MSE, integrato sulla colonna e divergente meridionalmente, si annulla e mostra un gradiente meridionale positivo. Questo approccio ha permesso di approssimare il ciclo stagionale delle migrazioni della zona di convergenza su Africa, Asia e Atlantico. Tuttavia, l’influenza della cella di Walker ha limitato l’applicabilità dell’EFE locale sul Pacifico, evidenziando come l’EFE possa discostarsi dalla zona di convergenza nelle stagioni solstiziali, che sono di particolare importanza per le monsoni.

Come avviene con il quadro di analisi del bilancio del momento, sebbene il modello EFE si riveli utile nell’illustrare determinate caratteristiche della circolazione di ribaltamento, è fondamentale tenere a mente alcune limitazioni. Il collegamento tra i cambiamenti nella latitudine della zona di convergenza e quelli dell’EFE medio zonale si basa sull’ipotesi che la risposta ai diversi forzamenti si manifesti attraverso variazioni nella circolazione di ribaltamento meridionale, trascurando al contempo le modifiche alla Grande Scala della Circolazione Meridionale (GMS). Queste variazioni sono state riconosciute come significative, sia nel contesto del ciclo stagionale sia in risposta ai forzamenti orbitali e da gas serra, come evidenziato da ricerche di Merlis et al. (2013), Seo et al. (2017), Smyth et al. (2018) e Wei & Bordoni (2018).

Inoltre, Biasutti et al. (2018) hanno osservato che, sebbene l’EFE possa prevedere variazioni nella latitudine della zona di convergenza a partire dalla conoscenza dello squilibrio energetico netto, i cambiamenti nel trasporto energetico degli oceani e i feedback interni all’atmosfera possono condurre a uno squilibrio netto differente da quello atteso in presenza di un forzamento esterno, come nel caso dei forzamenti orbitali (Liu et al., 2017). In un contesto più ampio, anche quando il modello del bilancio energetico determina correttamente la posizione della zona di convergenza media zonale, questa può risultare essere la media di contributi zonalmente asimmetrici molto più significativi rispetto alla media zonale stessa, come indicato da Atwood et al. (2020). Questa complessità sottolinea l’importanza di un approccio olistico e di una comprensione profonda dei meccanismi climatici in gioco.

3.2.3. Riconciliare il Bilancio del Momento/CQE e le Perspettive EFE

Le discussioni finora presentate in questa rassegna hanno esplorato le prospettive emergenti dall’analisi separata dei bilanci del momento e dell’energia. La ricerca di una teoria unificata che possa descrivere le circolazioni monsoniche rimane una delle sfide più significative nel campo (come evidenziato da Biasutti et al., 2018; Hill, 2019). Entrambi gli approcci condividono l’interesse per i processi capaci di modificare la distribuzione dell’Energia Meccanica Sistemica (MSE), sia nel layer limite che in una visione integrata verticalmente, suggerendo una possibile via per superare le differenze tra questi due quadri teorici.

Storicamente, il bilancio MSE, considerato in un contesto locale e integrato verticalmente, è stato uno strumento prezioso per analizzare la distribuzione delle precipitazioni tropicali. Attraverso gli studi di Chou e Neelin (2001, 2003), che hanno esaminato il bilancio di MSE integrato sulla colonna per le regioni dei monsoni del Sud e del Nord America, Asia e Africa, sono stati identificati tre processi chiave nella determinazione della distribuzione della MSE e, di conseguenza, dell’ampiezza delle precipitazioni tropicali su terra: l’avvezione di aria con alta o bassa MSE nella regione, i feedback dell’umidità del suolo, e l’interazione tra la zona di convergenza e la subsidenza indotta dalle onde di Rossby a ovest del riscaldamento monsonico, noto come il meccanismo interattivo Rodwell-Hoskins.

Il bilancio di MSE integrato sulla colonna ha inoltre facilitato lo studio dei meccanismi che stanno dietro le differenti risposte dei modelli a scenari di forzamento apparentemente simili, nonché le variazioni nelle risposte di differenti varianti di modello al medesimo forzamento (come dimostrato da D’Agostino et al., 2019; Hill et al., 2017, 2018).

Se il principio del CQE è valido, indicando che l’atmosfera tropicale si avvicina a uno stato neutro umido, la distribuzione orizzontale dell’energia statica umida integrata sulla colonna sarà fortemente correlata con quella dell’energia statica umida al di sotto delle nuvole. Questo potrebbe permettere di trovare un collegamento tra le limitazioni imposte dagli approcci basati sul bilancio del momento e quelli energetici, almeno in una prospettiva media zonale. È interessante notare come le precipitazioni tendano a seguire l’MSE sottocloud durante tutto l’anno, a prescindere dalla validità del CQE, suggerendo ulteriori possibilità di ricerca sull’interazione tra la dinamica del layer limite e la circolazione di ribaltamento su larga scala, come indicato da studi recenti (Adames & Wallace, 2017; Biasutti & Voigt, 2020; Chiang et al., 2001; Duffy et al., 2020). Questa prospettiva interdisciplinare offre nuovi spunti per comprendere le complesse dinamiche che regolano le precipitazioni tropicali e le circolazioni monsoniche.

4. Oltre la Prospettiva dell’Aquaplaneta

Le teorie sviluppate a partire dalla prospettiva dell’aquaplaneta stanno iniziando a rivelarsi preziose per interpretare tanto la climatologia quanto la variabilità dei sistemi monsonici tropicali, sia su scala regionale che globale. Questo particolarmente quando la loro dinamica rispecchia quella della zona di convergenza in un ambiente di aquaplaneta. La sintesi tra il lavoro di modellizzazione idealizzata e gli studi osservativi e di modellizzazione realistica dipinge un quadro coerente con l’idea di monsoni e Zone di Convergenza Intertropicale (ZCIT) come manifestazioni di migrazioni locali della zona di convergenza tropicale:

1. Nella visione media zonale, la latitudine della zona di convergenza è fissata da vincoli energetici, evidenziando l’importanza della distribuzione energetica nell’atmosfera (Figura 11).
2. Su scala locale e stagionale, sembra che la posizione della zona di convergenza sia regolata dalla distribuzione dell’Energia Meccanica Sistemica (MSE), il che può essere interpretato attraverso l’analisi del bilancio MSE regionale (Figura 13).
3. Quando la zona di convergenza si trova nelle vicinanze dell’equatore, ovvero assume la forma di una ZCIT, la circolazione di ribaltamento è notevolmente influenzata dagli eddies extratropicali (Figura 8a). Man mano che si allontana dall’equatore, la cella di Hadley cross-equatoriale (invernale) può tendere verso un regime monsonico che conserva il momento angolare (Figure 8b e 14).
4. Una parte della variabilità regionale delle precipitazioni monsoniche su scale temporali interannuali, e forse anche sub-stagionali, sembra essere legata a variazioni locali nella MSE. Questo legame, dove applicabile il principio del CQE, si connette a variazioni nella circolazione di Hadley.
5. Le fluttuazioni globali nella latitudine della zona di convergenza media zonale su scale temporali di interdecadi e oltre sono motivate da variazioni nei bilanci energetici emisferici, con impatti diretti sulle piogge monsoniche regionali.

Nonostante questi punti, esistono fattori significativi che influenzano i monsoni regionali e le ZCIT che non sono completamente spiegati da quanto sopra. Questi includono, in particolare, il ruolo della configurazione e della geometria continentale; tematiche queste che vengono approfondite nella sezione 4.1. Inoltre, nella sezione 4.2, si discute l’interazione tra i due regimi di zona di convergenza e i pattern transitori che caratterizzano la precipitazione climatologica, offrendo ulteriori spunti sulla complessità delle dinamiche climatiche tropicali.

4.1. Asimmetrie nelle Condizioni al Contorno

Le asimmetrie zonali introdotte da fattori come il contrasto terra-mare, l’orografia, e la circolazione oceanica rappresentano sfide complesse che vanno oltre le semplificazioni offerte dal modello dell’aquaplaneta. Questi fattori danno vita a dinamiche regionali di convergenza che non possono essere descritte adeguatamente attraverso un modello simmetrico. Tra queste, spiccano fenomeni come la zona frontale Meiyu-Baiu, la Zona di Convergenza del Pacifico Sud (SPCZ), la Zona di Convergenza dell’Atlantico Sud (SACZ) e la Zona di Convergenza dell’India Meridionale, che si protende dalla costa sud-est del Sud Africa (Cook, 2000; Kodama, 1992).

In particolare, per comprendere appieno i monsoni dell’Asia Orientale e del Sud America, è necessario andare oltre i limiti delle teorie tradizionali che vedono i monsoni come sistemi che conservano il momento angolare e le ZCIT guidate dagli eddies. Un ulteriore strato di complessità è aggiunto dalla stagionalità delle ZCIT dell’Atlantico e del Pacifico, la quale è significativamente influenzata da specifici feedback tra l’atmosfera e l’oceano. Questa interazione evidenzia l’importanza di considerare le peculiarità locali e regionali per una comprensione più completa delle dinamiche dei sistemi monsonici e delle zone di convergenza tropicale.

4.1.1. Asia Orientale: Un Monsone Frontale

Mentre il monsone del Sud Asia si inserisce efficacemente nel paradigma teorico sviluppato da studi idealizzati, la dinamica atmosferica dell’Asia Orientale mostra comportamenti nettamente differenti. In questa regione, l’inversione dei venti è principalmente meridionale e le precipitazioni monsoniche si spingono verso il nord, raggiungendo le zone subtropicali (come illustrato nella Zona (c) della Figura 12). Durante l’estate, le precipitazioni si concentrano in una fascia zonale intorno ai 35° di latitudine, nota come il fronte Meiyu-Baiu. Questo fronte si forma a nord dell’ampia massa d’aria caratterizzata da alta Energia Meccanica Sistemica (MSE) che domina il Sud Asia e il Golfo del Bengala, come sottolineato da Ding & Chan (2005) e dai riferimenti in esso contenuti. Questo fronte procede verso nord in diverse fasi durante la stagione estiva, un fenomeno approfondito nella sezione 3.1 del documento.

A differenza di quanto avviene nelle regioni monsoniche tropicali, nella zona Meiyu-Baiu l’energia netta introdotta nella colonna atmosferica risulta negativa. Il movimento verticale ascendente e la convezione presenti nel fronte, che si accompagnano all’espulsione di energia, necessitano di una convergenza di MSE. Tale convergenza è assicurata dall’avvezione orizzontale, con un ruolo cruciale giocato dall’interazione tra l’Altopiano del Tibet e il getto occidentale, come evidenziato da studi di Chen & Bordoni (2014), Chiang et al. (2020), Molnar et al. (2010) e Sampe & Xie (2010). L’analisi dei dati delle precipitazioni monsoniche in questa regione, ottenuti tramite esperimenti numerici sia con che senza la presenza dell’Altopiano del Tibet, mostra che l’assenza dell’altopiano porta a una riduzione delle precipitazioni, che non risultano più focalizzate lungo il fronte. Questo indica come l’Altopiano del Tibet rafforzi la convergenza di MSE nella regione Meiyu-Baiu, intensificando l’onda stazionaria meridionale a valle. Il getto occidentale, situato al bordo orientale dell’altopiano, sembra funzionare anche come un punto di ancoraggio per i sistemi meteorologici transitori che portano pioggia, concentrando le precipitazioni lungo il fronte.

Durante la stagione estiva, il monsone estivo dell’Asia Orientale è caratterizzato da due improvvisi avanzamenti verso nord delle precipitazioni, intervallati da tre periodi di stasi, come dettagliato da Ding & Chan (2005). Questa evoluzione intrastagionale è stata associata alle interazioni tra l’Altopiano del Tibet e il getto occidentale: la migrazione dei venti occidentali da sud verso nord dell’altopiano determina il primo salto improvviso e la formazione del fronte Meiyu-Baiu, mentre la successiva migrazione verso nord dei venti occidentali, lontano dall’altopiano, provoca il secondo salto. Recenti studi hanno esplorato le implicazioni di queste dinamiche per interpretare le variazioni del monsone estivo dell’Asia Orientale nei record paleoclimatici (Chiang et al., 2015), durante l’Olocene (Kong et al., 2017), e nei pattern di variabilità interannuale (Chiang et al., 2017), proponendo un’ipotesi che sembra capaci di spiegare tutte le osservazioni.

Sud America: Un Monsone Zonale
Il Sud America e l’Est asiatico condividono caratteristiche monsoniche simili, tuttavia, il fattore chiave per la formazione dell’anticiclone monsonico al di sopra del Sud America è il riscaldamento diabatico terrestre, come evidenziato da Lenters e Cook nel 1997. Un elemento distintivo riguarda le Ande, che costituiscono una barriera sottile e orientata meridionalmente, estendendosi dai tropici alle zone subtropicali. Questa configurazione geografica è cruciale per deviare il flusso di aria orientale proveniente dall’Atlantico verso sud, canalizzandolo nel getto a basso livello del Sud America, come descritto da Byerle e Paegle nel 2002 e da Campetella e Vera nello stesso anno, e promuovendo un’ascesa adiabatica secondo Rodwell e Hoskins nel 2001. Durante l’estate australe, ciò porta a un flusso di massa che converge zonalmente con una forza paragonabile alla componente di convergenza meridionale, prolungando le precipitazioni estive verso il sud.

Le ZTC dell’Atlantico e del Pacifico e il Monsone Nord Americano
A parte una breve deviazione a sud dell’equatore nell’Atlantico tropicale occidentale tra marzo e aprile, la Zona di Convergenza Intertropicale (ZTC) rimane a nord dell’equatore per tutto l’anno, sia nell’Atlantico che nel Pacifico. Un elemento chiave che contribuisce alla posizione della ZTC atlantica al di fuori dell’equatore è il riscaldamento monsonico in Africa, associato all’asimmetria geografica del continente, come spiegato da Rodwell e Hoskins nel 2001. In particolare, il monsone estivo australe in Africa meridionale genera una subsidenza a ovest, che a sua volta porta alla formazione di un’alta pressione subtropicale sull’Atlantico meridionale. Questo fenomeno intensifica i venti alisei sudorientali, che raffreddano l’oceano attraverso un incremento dei flussi di energia turbolenta. Questo processo, insieme all’acqua più fredda, limita la convezione a sud dell’equatore durante l’estate e l’autunno australi. Inoltre, il monsone dell’Africa occidentale, attivo nell’estate boreale, stimola una forte circolazione di Hadley che porta a subsidenza nell’Atlantico sud subtropicale, favorendo la formazione di nuvole strato che contribuiscono al raffreddamento delle acque durante l’inverno australe. Di conseguenza, la ZTC non si sposta nell’emisfero sud durante l’estate australe.

La Zona di Convergenza Intertropicale (ZTC) nella metà orientale del Pacifico permane a nord dell’equatore durante tutto l’anno, connotata da una caratteristica subsidenza e un raffreddamento nelle zone subtropicali sudorientali. Questo fenomeno di discesa atmosferica è stato oggetto di studio attraverso modelli che ne attribuiscono le cause a diversi fattori. Un elemento cruciale è il raffreddamento delle superfici marine lungo la costa occidentale del Sud America, principalmente dovuto all’upwelling costiero, evidenziato da studi come quello di Takahashi nel 2005. Questo raffreddamento, però, si limita a una fascia stretta entro 100 km dalla costa.

In risposta al riscaldamento estivo che avviene sull’Amazzonia, citato da Rodwell e Hoskins nel 2001, si osserva una discesa adiabatica dell’aria sopra il sud-est del Pacifico, che procede poi verso l’equatore. Le simulazioni effettuate sia con che senza la presenza delle Ande dimostrano che l’orografia di questa catena montuosa svolge un ruolo preponderante in questo processo. Durante l’intero anno, i venti occidentali di medio livello delle latitudini extra-tropicali, incontrando le Ande, sono deviati verso l’equatore. Questo movimento contribuisce alla discesa e al raffreddamento evaporativo dell’oceano causato dall’aria secca che subsisce, come mostrato in vari studi, inclusi quelli di Rodwell e Hoskins (2001) e Takahashi e Battisti (2007).

La discesa su vasta scala indotta dalle Ande favorisce la formazione di un’inversione termica che consente lo sviluppo di estese nuvole strato, raffreddando significativamente l’oceano su una vasta area che si estende fino alla Linea del Cambiamento di Data e sopprimendo la convezione sull’oceano Pacifico orientale, specialmente durante l’estate australe. Questo meccanismo, insieme ai feedback tra atmosfera e oceano menzionati successivamente, determina una posizione insolitamente settentrionale della ZTC del Pacifico per tutto l’arco dell’anno, come sottolineato da Maroon et al. nel 2015 e da Takahashi e Battisti nel 2007. Nella media annuale, la ZTC del Pacifico Orientale si localizza a circa 10°N, mentre il picco di precipitazioni nella ZTC zonale media si registra intorno ai 6°N.

L’influenza delle Ande si manifesta anche nella creazione di una zona di convergenza che assume una posizione e un’orientamento simili alla ZTC del Pacifico Sud (SPCZ), osservata in studi come quello di Takahashi e Battisti nel 2007. Questo fenomeno potrebbe anche spiegare il marcato contrasto stagionale nelle precipitazioni caratteristico del monsone nordamericano, che vede una estensione verso est della ZTC del Pacifico. È importante notare che, oltre a questa spiegazione, sono state proposte altre tre ipotesi per giustificare la posizione costantemente settentrionale della ZTC del Pacifico nel corso dell’anno, come quelle di Chang e Philander (1994), Wang e Wang (1999), e Xie e Philander (1994).

Gli esperimenti condotti attraverso modelli che mirano a verificare diverse ipotesi non confermano le teorie precedentemente proposte, come dimostrato da studi quali quelli di Battisti et al. nel 2014, Philander et al. nel 1996 e Shi et al. nel 2020. Al contrario, le ricerche che includono l’effetto delle Ande nei modelli globali di circolazione atmosferica (GCM), sia accoppiati a modelli oceanici semplici che dinamici, concordano nel produrre una Zona di Convergenza Intertropicale (ZTC) unica nell’emisfero settentrionale. Questa ZTC si posiziona e si orienta in maniera molto simile a quella osservata nel Pacifico e, in linea con le osservazioni, non si sposta verso l’emisfero sud in alcun periodo dell’anno.

Il ciclo stagionale della latitudine delle ZTC dell’Atlantico e del Pacifico è fortemente influenzato dai feedback tra atmosfera e oceano. Con l’avvicinarsi dell’estate nell’emisfero settentrionale, l’incremento dell’insolazione riscalda le acque dei subtropici di quest’emisfero, spingendo la ZTC verso nord. Questo riscaldamento dell’acqua provoca a sua volta un aumento della temperatura dell’aria nello strato limite superiore e una conseguente riduzione della pressione al livello del mare, una reazione idrostatica descritta da Lindzen e Nigam nel 1987. Tale diminuzione della pressione a nord dell’equatore intensifica il gradiente di pressione attraverso l’equatore, accelerando i venti alisei sudorientali a sud di esso e portando a una maggiore convergenza di aria nella ZTC. Il rafforzamento dei venti alisei al sud dell’equatore incrementa l’evaporazione, raffreddando così l’oceano e l’aria sopra di esso. Questo processo intensifica ulteriormente il gradiente di pressione meridionale, rafforza i flussi meridionali che attraversano l’equatore verso la ZTC, aumentando l’intensità della ZTC stessa e spingendola ancora più a nord. Questo ciclo di rinforzo positivo è noto come feedback vento-evaporazione, esplorato in studi come quelli di Chang e Philander (1994) e Xie e Philander (1994). Anche se la dinamica degli oceani non è ritenuta essenziale per spiegare il ciclo annuale della latitudine della ZTC, riprodotta anche nei modelli di oceano semplice accoppiati ai GCM atmosferici, essa svolge comunque un ruolo significativo, come evidenziato da Mitchell e Wallace nel 1992 e da Wang e Wang nel 1999.

La Figura 17 ci mostra un’analisi dettagliata dell’energia associata a diversi fenomeni atmosferici tropicali durante i mesi estivi da giugno ad agosto, coprendo un arco di tempo che va dal 1979 al 2003. Utilizzando la radiazione infrarossa in uscita, un indicatore chiave dell’attività delle nuvole e dei sistemi meteorologici, gli scienziati sono stati in grado di tracciare lo spettro di potenza di eventi come l’Oscillazione Madden-Julian (MJO), le depressioni tropicali (TD) e le onde di Kelvin.

Lo spettro di potenza ci permette di vedere dove si concentrano energia e varianza al di là di ciò che potremmo aspettarci dal semplice “rumore” dell’atmosfera, rappresentato qui come un rumore rosso liscio. Quando l’ombreggiatura inizia a 1.1 sul grafico, siamo in presenza di segnali che sono statisticamente significativi, ovvero con un alto grado di certezza che non sono casuali ma rappresentano fenomeni reali e misurabili.

La particolarità dell’Oscillazione Madden-Julian è evidenziata dalla sua firma unica: un’onda che viaggia lentamente verso est, manifestandosi in periodi che vanno da 30 a 60 giorni e con numeri d’onda che indicano la sua vasta influenza spaziale. Le depressioni tropicali, precorritrici di tempeste più severe, emergono come picchi di energia su scale temporali brevi, da 2 a 6 giorni, e si distinguono per essere fenomeni più localizzati, con un numero d’onda vicino allo zero.

Infine, le onde di Kelvin ci colpiscono per il loro carattere dinamico, mostrando un significativo trasferimento di energia attraverso l’equatore su periodi più corti, meno di 15 giorni, e viaggiando esclusivamente verso est.

Ogni segnale rappresenta un diverso battito del cuore climatico tropicale, con la Figura 17 che funge da finestra visiva sui modelli di circolazione che governano i nostri cieli equatoriali. Questa analisi aiuta i climatologi a decifrare le complesse interazioni tra i vari processi atmosferici e ad anticipare come questi possano influenzare i modelli meteorologici su scala globale.

4.2. Il Ruolo dei Transienti

Anche in un ambiente ideale come quello di un aquaplanet, un pianeta coperto interamente da acqua, le piogge tropicali non si manifestano come una fascia continua e uniforme di precipitazioni. Gli studi teorici tendono generalmente a semplificare questa complessità, concentrandosi su medie temporali e zonali e mettendo da parte l’attività transitoria, se non per considerare il suo impatto sui bilanci di energia e momento a causa dei flussi turbolenti provenienti dalle zone extratropicali. Se da un lato i monsoni climatologici e le ZTC sono il risultato di dinamiche su larga scala che si dispiegano su stagioni intere, dall’altro, le precipitazioni che li accompagnano sono dovute a fenomeni transitori, di natura più piccola e di durata più breve sia in termini di scala spaziale che temporale.

Una vasta gamma di attività transitorie si verifica nei tropici. Wheeler e Kiladis, nel 1999, hanno analizzato gli spettri di potenza della radiazione infrarossa in uscita tropicale, un surrogato per la convezione profonda, e hanno rilevato che i picchi che emergono dallo spettro sono analoghi ai modi d’onda presenti nelle equazioni dell’acqua poco profonda su un piano beta. Questi risultati forniscono chiare evidenze dell’impatto che le onde convettivamente accoppiate hanno sulla precipitazione tropicale. Per esempio, la Figura 17 mostra lo spettro di Wheeler-Kiladis per l’estate dell’emisfero settentrionale, dove emergono tre picchi predominanti nel comportamento dell’OLR tropicale: le onde di Kelvin che si muovono verso est, le onde che viaggiano verso ovest identificate come depressioni tropicali e un segnale a bassa frequenza che si propaga verso est, associato all’Oscillazione di Madden-Julian. Approfondimenti sulle onde equatoriali sono stati esplorati da Roundy e Frank nel 2004, i quali hanno elaborato una climatologia, e in una revisione completa sul tema da parte di Kiladis e collaboratori nel 2009.

Il nostro focus si dirige ora sui fenomeni sinottici che contribuiscono in modo significativo alla precipitazione media stagionale e che sono prodotti dalla grande circolazione atmosferica esaminata nelle sezioni precedenti. Questa analisi viene seguita da un’esplorazione delle oscillazioni intrastagionali più ampie e più lente, come l’MJO. Questi fenomeni interagiscono con i monsoni e le ZTC, pur non risultando direttamente influenzati dai flussi di fondo su larga scala, al contrario di quanto avviene per i transienti di minor durata e dimensione.

La Figura 18 offre uno sguardo approfondito su come le depressioni monsoniche influenzino le condizioni meteorologiche durante i mesi estivi nell’emisfero settentrionale, da maggio a settembre, utilizzando dati raccolti dal dataset ERA-Interim nel periodo dal 1979 al 2012. Le sezioni verticali composite nei grafici (a) per l’India e (b) per l’Africa Occidentale rivelano le anomalie di temperatura potenziale e di vento zonale che caratterizzano il cuore delle tempeste monsoniche. Le temperature potenziali sono rappresentate dalle aree colorate, mentre le velocità del vento sono indicate dai contorni. Le linee tratteggiate indicano valori negativi e le aree colorate o i contorni sono stati evidenziati solo quando risultavano statisticamente significativi al 5%.

Passando alle sezioni (c) e (d), possiamo visualizzare la percentuale delle precipitazioni totali estive attribuibili ai minimi e alle depressioni monsonici, rispettivamente nei periodi di maggio-settembre e novembre-marzo. L’ombreggiatura riflette la quantità di precipitazione raccolta entro un raggio di 500 km da tutti i sistemi di bassa pressione monitorati, rapportata al totale delle precipitazioni estive. I contorni delineano il ritmo delle piogge climatologiche estive, distinguendo tra regioni aride (contorni tratteggiati, dove la pioggia è inferiore a 0,5 mm al giorno) e regioni umide (contorni pieni, con precipitazioni superiori a 5 mm al giorno).

In sintesi, questa immagine ci fornisce dati preziosi sull’impatto delle depressioni monsoniche, mostrandoci sia i cambiamenti nel profilo termico e nelle correnti d’aria associate a queste tempeste, sia la loro significativa contribuzione al totale delle precipitazioni nelle regioni tropicali durante i periodi chiave dell’anno. Questi dati sono cruciali per comprendere la dinamica delle piogge monsoniche e per valutare il loro effetto sulle risorse idriche e sulla gestione agricola delle aree interessate.

4.2.1. Transienti Monsonici

La precipitazione regionale dei monsoni è notoriamente influenzata da sistemi di bassa pressione che si muovono verso ovest, tra cui spiccano le depressioni monsoniche nelle regioni dei monsoni dell’India e dell’Australia, così come le Onde dell’Est Africano sopra l’Africa Occidentale. Questi fenomeni sono stati oggetto di studi approfonditi negli anni, evidenziando la loro importanza nel modellare il clima monsonico.

Una svolta significativa in questo campo di ricerca è stata raggiunta con il lavoro di Hurley e Boos nel 2015, che hanno creato una climatologia globale di queste depressioni monsoniche. Hanno rivelato che, nonostante le diverse ubicazioni geografiche, il comportamento di queste depressioni sopra l’India, il Pacifico occidentale e il nord dell’Australia presenta notevoli somiglianze, caratterizzate da un nucleo caldo profondo sovrapposto a uno freddo. Diversamente, le sistemi sopra l’Africa Occidentale e l’Australia occidentale presentano un nucleo caldo più superficiale. Da questi studi è emerso che almeno il 40% delle precipitazioni nelle regioni monsoniche può essere attribuito a questi sistemi di bassa pressione organizzati.

Nonostante le conoscenze acquisite, molte domande sulla dinamica di questi fenomeni rimangono senza risposta. Ricerche recenti suggeriscono che le depressioni monsoniche nel Sud Asia originano da un’instabilità barotropica umida causata dal taglio meridionale della trincea monsonica, con un’ulteriore intensificazione dovuta al riscaldamento latente. Questi risultati sottolineano come il flusso monsonico di base non solo generi queste perturbazioni ma ne influenzi anche la variabilità. Ad esempio, il fenomeno ENSO ha un impatto significativo sulla forza e sulla quantità delle precipitazioni di queste depressioni tropicali sinottiche che attraversano l’India da est a ovest.

Analogamente, in Africa e nell’Atlantico, l’intenso riscaldamento estivo del Sahara innesca una circolazione monsonica instabile su più livelli, che porta alla formazione delle Onde dell’Est Africano. La dinamica esatta di questi fenomeni rimane complessa e parzialmente inesplorata, ma è evidente che sono profondamente influenzati dal contesto monsonico di grande scala in cui si formano. Le stagioni caratterizzate da un’intensa attività delle Onde dell’Est Africano sono associate a getti easterly superiori più forti e a un’intensificazione di altre onde equatoriali, sottolineando ulteriormente l’interconnessione tra vari sistemi atmosferici.

In sintesi, i transienti monsonici giocano un ruolo cruciale nel determinare le precipitazioni e il clima delle regioni monsoniche, con una complessità dinamica che continua a sfidare la comunità scientifica. La loro comprensione è fondamentale non solo per la previsione meteo ma anche per la gestione delle risorse idriche e la mitigazione dei rischi legati ai cambiamenti climatici nelle regioni vulnerabili.

La tabella 2 presenta una panoramica organizzata delle caratteristiche delle zone di convergenza in varie parti del mondo. Iniziamo esaminando ciascuna regione e il tipo di sistema climatico che la caratterizza. Per esempio, alcune regioni come il Sud Asia e l’Africa hanno sistemi classificati come monsoni, mentre altre come il Nord America sono caratterizzate da zone di convergenza intertropicale.

La tabella evidenzia anche se queste regioni sperimentano un cambiamento stagionale nella direzione del vento, un fenomeno che è tipico dei monsoni e che può portare a significativi cambiamenti nel clima locale. Inoltre, viene considerato se una regione possiede più fasce latitudinali dove tendono a concentrarsi le precipitazioni, indicando la possibile presenza di più zone dove le condizioni climatiche favoriscono la formazione di pioggia.

Passiamo ora a guardare la distribuzione delle precipitazioni all’interno di queste regioni. La tabella suddivide la quantità di pioggia ricevuta in tre fasce latitudinali, permettendoci di comprendere dove tendono a concentrarsi le piogge all’interno di ogni regione. Questo ci dà un’idea di quali aree siano più umide e potenzialmente più fertili.

Interessante è notare la colonna che indica la latitudine dove si registra il picco di precipitazioni per ciascuna regione, dandoci un punto di riferimento geografico specifico che indica il cuore della stagione delle piogge. Allo stesso tempo, si osserva se questa posizione del picco è cambiata negli anni, offrendoci uno sguardo sulle tendenze a lungo termine e sull’impatto potenziale dei cambiamenti climatici.

In definitiva, la tabella ci fornisce un quadro chiaro delle dinamiche delle zone di convergenza tropicale e subtropicale, spiegando come i venti e le precipitazioni si distribuiscono nelle diverse regioni, fornendo informazioni essenziali per la comprensione del clima regionale e delle sue variazioni.

4.2.2. Fluttuazioni nelle Zone di Convergenza Intertropicale di Atlantico e Pacifico

Nei cieli delle ITCZ, che sono le autostrade meteorologiche dell’Atlantico tropicale e del Pacifico, le precipitazioni non cadono a caso, ma sono regolate da un ordito di onde easterly e da una miriade di altri disturbi atmosferici ben organizzati. Proprio sopra il Sahel, dove la circolazione monsonica imperversa, nascono le Onde dell’Est Africano, che, viaggiando verso ovest, infrangono le loro cariche di umidità sull’Oceano Atlantico, fungendo da campane di allarme per i cicloni tropicali. Questi fenomeni non solo preannunciano tempeste più grandi, ma sono anche generosi contributori alla dotazione pluviale estiva della ITCZ atlantica.

Un coro simile, ma con una sinfonia diversa, si trova anche nel Pacifico tropicale orientale e centrale. Qui, le onde easterly non si limitano a una replica dei loro cugini atlantici, ma assumono la forma di Onde Miste di Rossby-Gravità, con caratteristiche proprie e una bassa pressione che preferisce danzare intorno ai 5-10 gradi di latitudine. Come se fossero dirette da una bacchetta invisibile, queste onde orchestrali favoriscono la convergenza dell’umidità e fanno scaturire piogge nell’emisfero settentrionale, mentre nell’emisfero opposto il clima si mantiene secco per la presenza di acque più fredde e una tendenza alla discesa dell’aria.

Dai fasti di queste onde alle quiete strutture delle precipitazioni stratiformi, si stima che i transienti, questi passaggi atmosferici di breve durata, possano contare per un massimo del 40% delle piogge totali nelle ITCZ di Atlantico e Pacifico, presupponendo che tutti gli eventi di pioggia che persistono per più di un giorno siano effetto di questi fenomeni organizzati. Questo non è tutto: circa la metà delle precipitazioni totali in queste regioni si manifesta in un modo più posato e diffuso, sotto forma di precipitazioni stratiformi, dominato dalla presenza di sistemi convettivi mesoscalari che non amano le fugaci apparizioni, preferendo invece soggiorni prolungati nel cielo.

Dunque, il sipario si chiude su un panorama climatico che, pur tra complessità e variazioni, ci rivela il ritmo incessante con cui l’atmosfera crea, distrugge e rigenera i suoi innumerevoli e vitali sistemi.

4.2.3. Altre Dinamiche di Variabilità Intrastagionale nei Tropici

I fenomeni temporanei menzionati precedentemente sembrano originarsi dalle instabilità legate al contrasto nella circolazione atmosferica di grande scala. Essi si manifestano come risultati di un sistema atmosferico in rotazione e dalle specifiche condizioni locali. Oltre a queste onde convettivamente accoppiate, scaturite dall’ambiente su larga scala, vengono osservate anche perturbazioni più lente e di ampia portata nei tropici. Per esempio, ci sono attività particolarmente vivaci legate a cicli con numeri d’onda bassi e periodi di 30-60 giorni, caratteristiche che si ricollegano alla Oscillazione Madden-Julian (MJO). Quest’ultima è un’onda di grande scala, legata convettivamente e confinata all’equatore, che avanza lentamente verso est dall’Africa orientale fino al Pacifico centrale occidentale, per poi trasformarsi in un’onda di Kelvin. L’influenza della MJO è particolarmente marcata sulle precipitazioni tropicali, in modo specifico nella regione Indo-Pacifico, benché il meccanismo esatto alla base di questo fenomeno sia ancora oggetto di approfondite indagini scientifiche.

La Madden-Julian Oscillation e l'”ITCZ” dell’Oceano Indiano Tropicale Durante l’estate australe, le precipitazioni nel settore indiano dell’Oceano Indiano si situano principalmente tra i 10°N e i 15°S, con un maggiore accumulo poco a sud dell’equatore. A differenza di quanto si verifica nelle ITCZ di Atlantico e Pacifico, le piogge nell’Oceano Indiano non si dispongono in una fascia zonale ristretta, ma assumono un andamento più disperso a causa di dinamiche diverse. Le stime indicano che una frazione considerevole, tra il 30 e il 40%, della precipitazione annuale in questo bacino e nell’area marittima circostante è associata alla MJO.

Variabilità Intrastagionale nell’Area Indo-Pacifico La regione Indo-Pacifico offre uno scenario in cui la MJO si distingue per le onde di Rossby che le succedono, creando zone di intensificato taglio che si estendono verso i poli e verso ovest dal centro di precipitazione equatoriale, favorendo così la pioggia. Di conseguenza, si osserva che lungo una longitudine stabilita, le fasce di precipitazione sembrano spostarsi verso i poli dall’equatore fino a raggiungere circa i 20°N sull’India, man mano che la MJO procede verso est sopra il continente marittimo. Durante l’estate boreale, oltre alla MJO, il clima in questa zona sembra essere influenzato dalle “Oscillazioni Intrastagionali dell’Estate Boreale” (BSISO), che presentano cicli predominanti di 10–20 e 30–60 giorni e si propagano verso nord sul continente. Queste oscillazioni modulano le fasi attive e di rilassamento del monsone indiano, facendo oscillare la zona di convergenza tropicale e la circolazione di Hadley connessa tra una posizione monsonica fuori dall’equatore e una vicina all’equatore. Così come per la MJO, il meccanismo di diffusione e i principali fattori scatenanti delle BSISO non sono ancora ben definiti e rappresentano un campo vibrante di ricerca scientifica. Alcuni studiosi vedono le BSISO come fenomeni distinti dalla MJO, mentre altri li considerano strettamente collegati.

5. Conclusioni e Prospettive

In questo lavoro abbiamo esplorato la teoria dei monsoni, una teoria emersa soprattutto da modelli astratti, e abbiamo confrontato il comportamento effettivo dei monsoni della Terra con questa teoria. Mentre ogni monsone regionale presenta un insieme unico di caratteristiche, esistono anche numerose somiglianze tra di loro, tra cui l’intensificazione dei flussi attraverso l’equatore e verso ovest nella stagione estiva, un’insorgenza rapida e uno sviluppo che tende a spostarsi dalla direzione equatoriale. Inoltre, si è notato che i monsoni regionali spesso variano in concordanza come parte di un monsone globale, influenzati sia da cambiamenti nell’irradiamento solare legato all’orbita terrestre sia da variazioni interne. Le riflessioni teoriche presentate nella sezione 2 hanno iniziato a chiarire il perché di questi comportamenti, come illustrato nella sezione 3, ma permangono molteplici interrogativi su come connettere in modo concreto le idee teoriche con le osservazioni di cui si è discusso nella sezione 4. Chiudiamo questa analisi discutendo prima di questi risultati e delle sfide correlate, per poi indicare direzioni più specifiche per le ricerche future.

5.1. I risultati ottenuti

I progressi teorici hanno modificato la comprensione che si aveva della dinamica monsonica. Si è passati dall’interpretare i monsoni come circolazioni simili a brezze marine, dominate principalmente dal contrasto tra terra e mare, a vederli come variazioni localizzate della circolazione tropicale generale e delle zone di convergenza associate, regolate in modo significativo dai bilanci di momento e di energia. Considerando le transizioni tra differenti regimi di circolazione e i fattori che influenzano la latitudine del ramo ascendente della circolazione, si è riusciti a migliorare notevolmente la comprensione della dinamica monsonica.

Inoltre, guardando oltre il bilancio del momento, si sono identificate restrizioni sulla latitudine della zona di convergenza media dovute alle dinamiche energetiche della circolazione atmosferica. Quando l’atmosfera raggiunge un equilibrio che conserva il momento angolare, ci si aspetta che la zona di convergenza si collochi leggermente a equatore rispetto al picco energetico sotto la nuvola, offrendo un ulteriore spunto per comprendere la collocazione delle zone di convergenza monsonica.

La distribuzione dell’Energia Statica Umida al di sotto delle nuvole esercita una significativa influenza sulla circolazione atmosferica. Tuttavia, è fondamentale tenere presente che questa distribuzione di energia è parzialmente influenzata dalla circolazione stessa, e pertanto è cruciale considerare l’interazione reciproca tra la circolazione e l’energia.

Dall’esame del bilancio di energia integrato verticalmente emerge un’ulteriore regolazione energetica. Si è rilevato che la latitudine del flusso di energia attraverso l’equatore coincide approssimativamente con quella della zona di convergenza, creando un collegamento diretto tra la posizione della zona di convergenza e il flusso di energia meridionale che attraversa l’equatore, oltre all’input energetico netto proprio all’equatore.

La posizione della zona di convergenza ha anche un forte legame con le dinamiche che regolano la circolazione di Hadley. Nei modelli di simulazione che rappresentano un pianeta completamente coperto d’acqua, quando la zona di convergenza si trova sull’equatore o nelle sue vicinanze, la circolazione è maggiormente influenzata dagli eddies atmosferici, tipici di una Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ). Al contrario, quando la zona di convergenza è distante dall’equatore, la circolazione tende a conservare il momento angolare e la forza della circolazione è determinata principalmente dalle condizioni energetiche.

Queste due configurazioni, identificate rispettivamente come regimi di “ITCZ” e “monsonico”, sono rappresentate in modo schematico nelle figure. In scenari dove l’oceano simulato è poco profondo, e quindi con un’inerzia termica simile a quella terrestre, si osserva una transizione rapida tra questi due regimi lungo il ciclo stagionale. La zona di convergenza si muove rapidamente lontano dall’equatore verso l’emisfero estivo all’avvio della stagione estiva. Questa transizione veloce è influenzata da due meccanismi di retroazione. Inizialmente, come la zona di convergenza si allontana dall’equatore e la circolazione di Hadley attraversa l’equatore, il flusso inferiore della cella di Hadley inizia a trasportare aria più fredda e secca verso l’alto, lungo il gradiente meridionale di energia, facilitando così una rapida evoluzione della circolazione stessa.

Unitamente al riscaldamento continuo dell’emisfero estivo a causa dell’insolazione, questo fenomeno porta a spostare il picco dell’Energia Statica Umida (MSE) verso i poli, spingendo così la zona di convergenza ancor più lontano dall’equatore. Inoltre, la conservazione del momento angolare induce la formazione di correnti orientali agli alti livelli, che ostacolano la propagazione degli eddies extratropicali verso le basse latitudini, aiutando a orientare la cella di Hadley verso un regime di conservazione del momento angolare. Questo rende la circolazione meridionale estremamente sensibile al riscaldamento termico, rafforzandola e ampliandola ulteriormente.

Recenti studi hanno mostrato che, in un modello di aquaplaneta, il passaggio da una circolazione di Hadley influenzata dagli eddies a una che conserva il momento angolare si verifica quando la zona di convergenza si sposta di circa 7 gradi, indipendentemente dalle caratteristiche dell’oceano modellato. Abbiamo sottolineato che il primo scenario è pertinente alla dinamica delle Zone di Convergenza Intertropicale (ITCZ) osservate, mentre il secondo è più adatto per interpretare le circolazioni monsoniche. Ulteriori ricerche hanno indagato i limiti massimi della migrazione della zona di convergenza lontano dall’equatore, scoprendo che, nei modelli di aquaplaneta, essa non si sposta di più di 25 gradi dall’equatore, anche quando il massimo di MSE si trova ai poli. Gli studi attuali stanno approfondendo questo limite polare dei monsoni, valutando la circolazione di Hadley in relazione alla curvatura della temperatura potenziale equivalente sotto le nuvole.

L’analisi dei dati osservativi ha confermato che i monsoni dell’Asia Meridionale, dell’Australia e dell’Africa presentano caratteristiche simili a quelle previste dai modelli teorici menzionati. Nei monsoni studiati, il massimo delle precipitazioni si posiziona leggermente a equatore rispetto al massimo di MSE sotto le nuvole, e le zone di convergenza si muovono in accordo con il flusso di energia equatoriale. In particolare, nei monsoni in cui il ramo ascendente si allontana notevolmente dall’equatore, come quelli dell’Asia Meridionale e dell’Africa Australe, la circolazione estiva si allinea con le linee di momento angolare, indicando un regime di flusso trasversale all’equatore fortemente influenzato dal riscaldamento termico.

Le analisi mostrano che esiste un confine chiaro, situato a circa 10° di latitudine, che distingue un regime di circolazione dominato dagli eddies, identificato come “ITCZ”, da uno che mantiene il momento angolare, noto come regime “monsonico”. Questa distinzione riflette tendenze osservate anche nelle simulazioni di aquaplaneti, confermando che le circolazioni di rovesciamento osservate tendono a rimanere confinate entro i 25° dall’equatore.

Partendo da questi modelli di aquaplaneta, proponiamo di classificare i sistemi regionali in regimi di circolazione ITCZ o monsonici basandoci su criteri specifici quali: la latitudine delle precipitazioni, la presenza di inversioni del vento e l’occorrenza di latitudini preferenziali multiple per le precipitazioni. Quest’ultimo punto, in particolare, offre indicazioni su possibili inizi improvvisi delle precipitazioni quando la zona di convergenza si muove tra queste località. Con questi criteri in mente, abbiamo riassunto in una tabella quali sistemi rientrano nelle categorie basate sulla dinamica di monsone, ITCZ o un ibrido che incorpora caratteristiche di entrambi i regimi. Notiamo, però, che in aree come il Sud America e l’Asia Orientale, l’orografia produce dinamiche che non corrispondono a queste descrizioni. È importante sottolineare che la regione dell’Asia Orientale, che include sia il monsone del Mar Cinese Meridionale che il fronte Meiyu-Baiu influenzato orograficamente, non è stata inclusa nella tabella per queste ragioni.

Questa comprensione dei meccanismi dietro alle variazioni climatiche può spingere verso ulteriori ricerche sulle fonti di variabilità interannuale e sulla risposta a forzanti esterni. Un obiettivo fondamentale è raggiungere una conoscenza meccanicistica più approfondita delle proiezioni dei modelli in scenari di riscaldamento futuro. Su questo fronte, sono stati già compiuti passi significativi. Ad esempio, è stata evidenziata una correlazione tra la variabilità interannuale delle precipitazioni monsoniche e quella dell’energia statica umida al di sotto delle nuvole. Le migrazioni della zona di convergenza media zonale sotto influenze storiche sono state esaminate in relazione ai movimenti del flusso di energia equatoriale. Le modeste modifiche al monsone asiatico, previste dai modelli climatici futuri, sembrano essere giustificate da reazioni contrapposte all’aumento dei livelli di CO2 e al riscaldamento superficiale. Approfondire l’esplorazione delle osservazioni, con il supporto della teoria, potrebbe risultare estremamente utile per una migliore comprensione dei pregiudizi dei modelli o per identificare fonti di prevedibilità stagionale.

5.2 Sfide

I framework teorici discussi nella Sezione 2 presentano significative limitazioni note. In particolare, il framework EFE emerge come il più diretto nei termini predittivi. Tuttavia, persino in un ambiente ideale come un aquaplaneta, persistono incertezze, ad esempio nei cambiamenti del GMS (Gradiente Meridionale di Saturazione) e nei flussi di colonna, dovute in parte ai feedback delle nuvole. Questi fattori limitano l’efficacia delle diagnostiche energetiche, come l’EFE e il trasporto di energia trassequatoriale, nell’interpretare le variazioni delle precipitazioni tropicali e subtropicali, come evidenziato da Biasutti & Voigt (2020). Parallelamente, il quadro concettuale basato sul momento si rivela utile per analizzare le variazioni stagionali nella dinamica della cella di Hadley, come illustrato da Bordoni & Schneider (2008) e Geen et al. (2018); tuttavia, le sue implicazioni per la risposta dei monsoni e delle Zone di Convergenza Intertropicale (ITCZ) a variazioni su scale temporali diverse rimangono un campo aperto all’esplorazione.

Nonostante queste limitazioni, l’elaborazione di vincoli sulla convergenza media zonale e sulla circolazione di rovesciamento basati sulla teoria sta iniziando a fornire risultati promettenti, con applicazioni riuscite sia in contesti di aquaplaneti sia in alcune dinamiche osservate. Questo rappresenta un avanzamento significativo nella nostra comprensione della circolazione tropicale. Tuttavia, è importante sottolineare come le asimmetrie risultanti da contrasti terra-mare e da caratteristiche orografiche introducano una gamma complessa di complicazioni che tali teorie semplicistiche non riescono a contemplare. Di conseguenza, è necessario esercitare cautela nell’applicare direttamente le teorie degli aquaplaneti ai contesti reali. Un esempio di questa dinamica si osserva nella circolazione monsonica degli aquaplaneti, caratterizzata da una circolazione di Hadley che conserva il momento angolare; nonostante ciò, le onde stazionarie assumono un ruolo di rilievo quando vengono introdotte asimmetrie zonali nelle condizioni al contorno, come sottolineato da Shaw (2014). Inoltre, come evidenziato nella Figura 14, nell’analisi di specifici settori monsonici (Sud Asia, Africa e Australia) l’avvezione del momento da parte della circolazione media si dimostra non trascurabile, suggerendo che, anche alla luce di asimmetrie zonali, alcuni monsoni possono avvicinarsi a un regime che conserva il momento angolare.

Come esplorato nella Sezione 4, il pattern delle precipitazioni nel monsone dell’America del Sud e, in modo particolare, l’intensità del monsone dell’Asia Orientale, sono influenzati in modo significativo dall’orografia. L’interazione tra il getto occidentale e l’orografia del Tibet crea una onda stazionaria che si estende verso l’Asia Orientale, originando il fronte Meiyu-Baiu e influenzando la durata delle diverse fasi del monsone estivo asiatico. In America del Sud, le Ande alterano il flusso degli alisei tropicali e dei venti occidentali subtropicali, causando un forte flusso discendente verso l’equatore a ovest delle montagne e un flusso ascendente verso i poli a est. Durante l’estate australe, si sviluppa a est delle Ande il getto a basso livello dell’America del Sud, che estende verso sud il flusso del monsone sudamericano, risultando in precipitazioni che si verificano lontano dall’equatore, ma senza la formazione di una cella di Hadley che conserva il momento angolare, come si osserva negli aquaplaneti. Il flusso discendente a ovest delle Ande limita le precipitazioni tutto l’anno al largo delle coste del Sud e del Centro America, sull’Oceano Pacifico Orientale, e contribuisce a mantenere la zona di convergenza a nord dell’equatore per tutto l’anno.

Concludiamo, quindi, che le teorie basate sugli aquaplaneti non sembrano applicabili ai sistemi meteorologici osservati nelle Americhe o nell’Asia Orientale.

Infine, è importante sottolineare che i transitori giocano un ruolo non trascurabile nelle precipitazioni dei monsoni regionali e nelle Zone di Convergenza Intertropicale (ITCZ). Questi fenomeni, non inclusi nel quadro teorico discusso nella Sezione 2, potrebbero avere un’interazione significativa con la circolazione generale, che sia di retroazione o di semplice organizzazione, rimane una questione aperta da esplorare ulteriormente.

5.3 Prospettive

Alla luce delle sfide precedentemente discusse, proponiamo le seguenti aree focali per la ricerca futura, che include sia la modellizzazione idealizzata sia lo studio dei nuovi esperimenti disponibili nel Contesto del Progetto di Interconfronto di Modelli Accoppiati Fase 6 (CMIP6).

5.3.1 Affrontare le Limitazioni della Teoria e Connettere i Framework negli Aquaplaneti

Le questioni sollevate limitano l’impiego delle teorie attuali per affrontare problemi quali il cambiamento climatico. Un obiettivo per i futuri lavori di modellizzazione idealizzata dovrebbe essere quello di risolvere le problematiche note relative alla teoria che emergono anche in scenari semplicistici come gli aquaplaneti. Ad esempio, il progetto TRACMIP si è rivelato utile nell’esaminare gli elementi teorici che producono o meno previsioni efficaci attraverso simulazioni di aquaplaneti utilizzando diversi modelli climatici (Biasutti & Voigt, 2020; Harrop et al., 2019; Voigt et al., 2016). Le simulazioni che fissano la radiazione potrebbero distinguere l’importanza dei feedback delle nuvole (Byrne & Zanna, 2020). I quadri teorici EFE e del momento prendono in considerazione la circolazione generale di rovesciamento ma sono generalmente applicati separatamente. Un primo passo per collegarli consiste nell’esaminare contemporaneamente i bilanci di energia e momento quando si studiano le zone di convergenza tropicale. Sarebbe anche interessante indagare se la dinamica della cella di circolazione di rovesciamento abbia implicazioni per la risposta della cella ai forzamenti esterni. Per esempio, potrebbe la dinamica intrinseca della cella determinare l’intensità della risposta delle precipitazioni a un determinato forzante? La reazione a un forzante in un sistema con caratteristiche più simili all’ITCZ, come i monsoni australiano o dell’Africa occidentale, sarà diversa rispetto a quella dei monsoni dell’Asia meridionale o dell’Africa meridionale?

Andare Oltre gli Acquapianeti

Mentre gli acquapianeti rappresentano uno strumento di grande valore per l’analisi della circolazione atmosferica in un contesto semplificato, è evidente, come discusso nella sezione 4, che l’applicazione diretta delle teorie sviluppate in tali ambienti trova delle limitazioni. L’introduzione di asimmetrie zonali porta all’aggiunta di nuovi termini nei bilanci di momento e di energia, permettendo di realizzare cambiamenti medi zonali negli squilibri energetici interemisferici attraverso variazioni a livello regionale.

Il percorso chiaro da seguire per iniziare a personalizzare le teorie sui singoli sistemi monsonici e allo stesso tempo identificare elementi comuni tra diversi sistemi, è rappresentato dal lavoro di modellizzazione gerarchica. In questo contesto, la complessità viene introdotta progressivamente. Già sono stati fatti passi iniziali in questa direzione, con l’introduzione di fattori come il riscaldamento o la presenza di continenti in modelli idealizzati (per esempio, TRACMIP; Chiang et al., 2020; Geen et al., 2018; Zhou & Xie, 2018), o la rimozione dell’orografia da modelli più complessi (Baldwin et al., 2019; Boos & Kuang, 2010; Wei & Bordoni, 2016). Sono stati sviluppati framework di modellizzazione idealizzati come Isca (Vallis et al., 2018), pensati specificamente per queste problematiche, che permettono di modificare facilmente le condizioni al contorno (ad esempio, la terra e l’orografia) e le parametrizzazioni fisiche (come la convezione, la radiazione e l’idrologia terrestre).

Il Progetto di Interconfronto del Modello Globale dei Monsoni (GMMIP), attualmente in corso nell’ambito del CMIP6, prevede lo svolgimento di simulazioni in cui vengono modificate o rimosse le caratteristiche dell’orografia e/o alterati i flussi superficiali (Zhou et al., 2016).

Sviluppare ulteriormente la teoria in questo contesto risulta complesso a causa dell’introduzione di nuovi termini nei bilanci energetici e di momento. Tuttavia, sono state derivate alcune approssimazioni regionali per l’Equazione della Forza Effettiva (EFE), e la definizione delle celle di Hadley e Walker a livello locale si è rivelata utile per visualizzare le caratteristiche regionali della circolazione di rovesciamento (Schwendike et al., 2014). La decomposizione dei bilanci di momento ed energia in componenti rotazionali e divergenti, e la considerazione degli equilibri sia zonali che meridionali, potrebbero aiutare ad ampliare i quadri teorici esistenti, identificando equilibri semplici. È importante notare che questi bilanci sono difficili da calcolare e chiudere offline; pertanto, raccomandiamo che, ove possibile, tutti i termini siano calcolati in tempo reale (online) e salvati come output.

Indagare la Dinamica della Variabilità e dei Transitori

Oltre ad esplorare le modalità con cui estendere la teoria a livello regionale, proponiamo di esaminare le possibili connessioni con scale temporali più brevi. Per esempio, è interessante chiedersi su quali scale temporali la Condizione di Equilibrio Quasi-Geostrofico (CQE) non sia più applicabile. È possibile che i cambiamenti nel bilancio di momento di primo ordine possano spiegare la variabilità su scale temporali più corte? La teoria può offrire nuove prospettive sui processi responsabili della variabilità su scale temporali interdecadali, interannuali o intrastagionali? E l’influenza della natura dei sistemi convettivi transitori, nei quali avviene la precipitazione, sulla circolazione su larga scala?

In alcuni casi, la teoria sulle circolazioni monsoniche potrebbe dimostrarsi in linea con osservazioni che attribuiscono un ruolo più causale ai fenomeni transitori. Come discusso nella sezione 4, per esempio, l’inizio del monsone in Asia Meridionale e nel Mar Cinese Meridionale è stato messo in relazione con l’arrivo della fase umida di un’Oscillazione Intrastagionale (ISO), con fasi attive e di pausa che si susseguono durante la stagione a causa di ulteriori ISO e variazioni nella zona di convergenza (ad esempio, Lee et al., 2013; Webster et al., 1998). D’altra parte, studi basati su modelli di acquapianeti hanno portato allo sviluppo di una visione media zonale e climatologica dell’inizio del monsone come un cambiamento di regime della circolazione di Hadley (vedi sezione 2.1 e Bordoni & Schneider, 2008; Schneider & Bordoni, 2008). Queste due visioni sembrano offrire punti di incontro promettenti; ad esempio, l’arrivo di un’ISO potrebbe fungere da innesco per il cambiamento di regime della circolazione, oppure le fasi attive e di pausa del monsone indiano potrebbero essere collegate a variazioni intrastagionali nella forza della cella di Hadley. Il bilancio di energia disponibile all’umidità (MSE) è stato utilizzato per studiare la propagazione della Oscillazione di Madden-Julian (MJO) (Andersen & Kuang, 2012; Jiang et al., 2018; Sobel & Maloney, 2013), offrendo un metodo per integrare queste due prospettive.

Su scale temporali interannuali, un incremento delle correnti orientali tropicali in quota accompagna un’intensificazione delle precipitazioni sull’Africa Occidentale, attraverso un potenziamento della divergenza in quota e del rovesciamento meridionale (Nicholson, 2009). Questa variabilità nel rovesciamento meridionale si verifica in modo coerente con i regimi degli acquapianeti, sebbene in questo caso la circolazione presenti un’asimmetria zonale significativa. Comprendere come il flusso anomalo in quota moduli i monsoni può aiutarci a capire le teleconnessioni che influenzano i monsoni regionali. Tuttavia, è necessario svolgere ulteriori ricerche per esplorare i meccanismi coinvolti e per determinare la direzione di causalità tra le circolazioni anomale ai diversi livelli e le precipitazioni.

Valutare come la Teoria può essere Testata in CMIP6

Determinare come i sistemi monsonici si modificheranno nei futuri scenari climatici rappresenta forse la sfida più ardua per la teoria e la modellazione. Attualmente, il consenso generale dei modelli suggerisce che le precipitazioni associate ai monsoni globali aumenteranno a causa delle forzanti antropogeniche, benché sia probabile un indebolimento della circolazione monsonica (Christensen et al., 2013). Ciò nonostante, esiste una significativa variabilità nelle proiezioni dei modelli (per esempio, Seth et al., 2019, e i riferimenti in esso contenuti) e i modelli variano nella loro capacità di riprodurre la climatologia attuale e la variabilità del monsone (per esempio, Jourdain et al., 2013; Roehrig et al., 2013; Sperber et al., 2013). Le future variazioni della precipitazione tropicale regionale sono fortemente influenzate dai cambiamenti nella circolazione, i quali non sono ben definiti (Chadwick et al., 2013).

Come discusso nella sezione 3.2, la capacità di prevedere il futuro dipende dalle risposte dirette e indirette alla forzante radiativa, che possono contrastarsi (Shaw & Voigt, 2015). La terza fase del Progetto di Interconfronto dei Modelli di Feedback delle Nuvole è integrata in CMIP6 (Webb et al., 2017). Questa include simulazioni che indagano gli effetti radiativi delle nuvole, così come simulazioni “a fette temporali” in cui i modelli sono stimolati con temperature superficiali del mare (SST) derivate dalla climatologia di scenari preindustriali o di quadruplicamento abrupto della CO2. In un approccio gerarchico alle simulazioni, gli schemi fisici per la radiazione, il ghiaccio marino e la fisiologia delle piante sono gradualmente autorizzati a reagire alla forzante da CO2, costruendo i componenti della risposta complessiva del modello (cfr. Chadwick et al., 2017). L’applicazione di concetti teorici a queste simulazioni potrebbe facilitare l’identificazione di come la dinamica dei monsoni sia influenzata dalle varie forzanti e retroazioni che costituiscono la risposta al cambiamento climatico. Sebbene le teorie correnti sulla Zona di Convergenza Intertropicale (ZCIT) e sulle circolazioni monsoniche siano più diagnostiche che predittive, svilupparle e applicarle per comprendere i bias dei modelli e i cambiamenti climatici rappresenta indubbiamente una priorità.

Glossario

• AMIP (Progetto di Interconfronto dei Modelli Atmosferici): Questo progetto si concentra sul confrontare i comportamenti di modelli di circolazione generale atmosferica, i quali sono forzati da temperature realistiche della superficie marina e dal ghiaccio marino.
• BSISO (Oscillazione Intrastagionale dell’Estate Boreale): Descrive le principali modalità di variabilità intrastagionale tropicale sopra l’Asia durante l’estate boreale.
• CMIP6 (Progetto di Interconfronto dei Modelli Accoppiati, Fase 6): Rappresenta un interconfronto tra i risultati di modelli climatici all’avanguardia, basato su una gamma di protocolli sperimentali uniformi.
• CQE (Quasi Equilibrio Convettivo): Un framework teorico per l’atmosfera tropicale che presume il mantenimento del gradiente termico atmosferico vicino a un adiabatico umido, dovuto alla presenza di convezione umida frequente e intensa. Si veda la discussione nella sezione 2.1.
• Cicli di Dansgaard-Oeschger (D-O): Oscillazioni su scala millenaria che hanno avuto luogo durante l’ultimo periodo glaciale, caratterizzate da un’estensione quasi globale e da una transizione improvvisa.
• Modello del Sistema Terra: Un modello complesso del sistema terrestre, che simula i movimenti dei fluidi e la termodinamica dell’atmosfera e dell’oceano, nonché le interazioni con il ghiaccio, la superficie terrestre e la vegetazione, e la biogeochimica dell’oceano.
• EFE (Equatore del Flusso di Energia): La latitudine presso cui il flusso di MSE (Energia Disponibile all’Umidità) integrato verticalmente dalla circolazione atmosferica è zero.
• EFPM (Meridiano Principale del Flusso di Energia): Definito come i meridiani in cui il flusso di MSE, divergente zonalmente e integrato in colonna, svanisce e presenta un gradiente zonale positivo.
• ENSO (Oscillazione Meridionale El Niño): Un pattern climatico ricorrente che comporta variazioni della temperatura delle acque dell’Oceano Pacifico. Le fasi di El Niño (La Niña) sono associate a temperature della superficie del mare nel Pacifico tropicale centrale e orientale più calde (più fredde) del normale.
• GCM (Modello di Circolazione Globale): Un modello numerico per la circolazione dell’atmosfera e/o dell’oceano.

• Stabilità Lorda Umida (GMS): Misura l’efficienza con cui la circolazione atmosferica su larga scala esporta Energia Disponibile all’Umidità (MSE), definita specificamente qui tramite l’Equazione 14.
• Evento Heinrich: Fenomeno naturale caratterizzato dal collasso delle banchise glaciali dell’emisfero nord e dalla conseguente liberazione di un vasto numero di iceberg nell’oceano.
• Modello Idealizzato: Modello semplificato che include soltanto alcuni elementi del Sistema Terra per facilitare il test di teorie in un contesto meno complesso e più gestibile computazionalmente.
• Oscillazione Intrastagionale (ISO): Variazioni climatiche che si verificano su scale temporali da alcune settimane a qualche mese.
• Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ): Regione dove convergono i venti alisei dei due emisferi, corrispondente al ramo ascendente della circolazione di Hadley. La precipitazione e l’intensità della circolazione di rovesciamento sono determinate principalmente dai flussi di momento eddico e la precipitazione si localizza entro circa 10° dall’equatore.
• Monsone: La stagione umida estiva di una regione tropicale o subtropicale, caratterizzata da un’estesa zona di convergenza delle precipitazioni lontano dall’equatore, con cambiamenti nella direzione o nell’intensità del vento prevalente a livello inferiore, e una circolazione di rovesciamento che tende al limite conservativo del momento angolare. La precipitazione e l’intensità della circolazione di rovesciamento sono regolate principalmente dal bilancio energetico.
• Oscillazione di Madden-Julian (MJO): Importante modello di variabilità climatica intrastagionale nei tropici.
• Energia Statica Umida (MSE): Quantità definita nell’Equazione 9, rappresenta una misura combinata del calore e del contenuto di umidità dell’aria.
• Equilibrio Radiativo-Convettivo (RCE): Condizione in cui il raffreddamento radiativo dell’atmosfera è bilanciato dal riscaldamento dovuto al rilascio di calore latente dalla convezione.
• Brezza di Mare: Fenomeno atmosferico causato dalle differenze di temperatura tra terra e mare, generando un flusso d’aria dal mare verso la terra.
• Zona di Convergenza del Sud Atlantico (SACZ) e Zona di Convergenza del Sud Pacifico (SPCZ): Regioni specifiche dove si osserva una significativa convergenza atmosferica, rispettivamente attraverso il sud-est del Brasile e il sud-ovest del Pacifico.
• Temperatura della Superficie del Mare (SST): Misura della temperatura dell’acqua superficiale dell’oceano, un parametro cruciale negli studi climatici e oceanografici.

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020RG000700