Nuovo supporto per l’effetto dell’attività solare sulla circolazione nella parte inferiore dell’atmosfera

Un recente lavoro di Svetlana Veretenenko fornisce un importante supporto all’effetto dell’attività solare sulla circolazione atmosferica inferiore attraverso il suo effetto sul vortice polare. L’articolo di Veretenenko rappresenta un passo importante nella dimostrazione dell’effetto solare sulla circolazione atmosferica globale, una parte importante dell’ipotesi del Winter Gatekeeper.

INTRODUZIONE

L’ipotesi del Winter Gatekeeper, proposta da questo autore nel suo libro “Climate of the Past, Present and Future” Climate of the Past, Present and Future (Vinós 2022), si basa sull’evidenza che il cambiamento climatico è principalmente il risultato di cambiamenti nel trasporto di energia verso il polo e che la variabilità solare è un importante modulatore di questo trasporto. L’ipotesi affronta due questioni importanti: come il clima cambi in modo naturale su scale temporali da multi-decadali a millenarie, anche in assenza di cambiamenti nell’effetto serra; e come i cambiamenti nell’attività solare possano influenzare profondamente il clima nonostante le loro piccole variazioni di energia. Una conclusione dell’ipotesi è che il Massimo Solare Moderno del 1935-2005 ha contribuito al riscaldamento globale del XX secolo, implicando una significativa riduzione della sensibilità del clima all’anidride carbonica.

L’ipotesi del Winter Gatekeeper integra diversi componenti del sistema di trasporto nella stratosfera, nella troposfera e negli oceani. Uno schema dei processi energetici coinvolti è presentato nella Fig. 8.1, con il trasporto di energia rappresentato dalle frecce bianche. La modulazione solare a partire dalla stratosfera influisce su tutto il trasporto e Vinós (2022) ha mostrato un effetto solare sull’ENSO e sul vortice polare. Il meccanismo con cui l’attività solare modula l’attività dell’ENSO è ancora sconosciuto, ma questo autore propone una modulazione solare dell’upwelling tropicale di Brewer-Dobson, nota come “via tropicale” del “meccanismo top-down” (Maycock & Misios 2016; Vinós 2022).

Fig. 8.1. Schema del trasporto meridiano invernale dell’emisfero settentrionale. Il rapporto guadagno/perdita di energia nella parte superiore dell’atmosfera determina la massima fonte di energia nella fascia tropicale e il massimo dissipatore di energia nell’Artico in inverno. L’energia solare in arrivo è distribuita nella stratosfera e nella troposfera/superficie, dove è soggetta a diverse modulazioni di trasporto. L’energia (frecce bianche) sale dalla superficie alla stratosfera in corrispondenza della colonna tropicale (linea tratteggiata a sinistra) e viene trasportata verso il vortice polare (linea tratteggiata a destra) dalla circolazione di Brewer-Dobson. Il trasporto stratosferico è determinato dal riscaldamento dei raggi UV nello strato di ozono tropicale, che stabilisce un gradiente di temperatura che influenza la forza del vento zonale attraverso il bilancio termico dei venti, e dall’oscillazione quasi-biennale (QBO). Questo doppio controllo determina il comportamento delle onde planetarie (frecce nere) e determina se il vortice polare subisce un accoppiamento biennale con la QBO (BO). Nello strato misto degli oceani tropicali, l’ENSO è il principale modulatore della distribuzione di energia. Mentre la cella di Hadley partecipa al trasporto di energia e risponde alla sua intensità espandendosi o contraendosi, la maggior parte del trasporto di energia nei tropici avviene nell’oceano. I cambiamenti nell’intensità del trasporto danno luogo alle principali modalità di variabilità, l’AMO e la PDO. Al di fuori dei tropici, la maggior parte dell’energia viene trasferita alla troposfera, dove il trasporto sinottico da parte di vortici lungo le rotte temporalesche è responsabile della maggior parte del trasporto verso le alte latitudini. La forza del vortice polare determina il regime climatico invernale delle alte latitudini. Un vortice debole favorisce un regime invernale caldo per l’Artico e freddo per i continenti, dove entra più energia nell’Artico scambiata con masse d’aria fredda in uscita. Le correnti a getto (PJS, polari; TJS, tropicali; PNJ, notte polare) costituiscono i confini e limitano il trasporto. Ovale rosso, la parte dell’ipotesi del Winter Gatekeeper studiata in Veretenenko 2022. Figura tratta da Vinós 2022.

L’effetto dell’attività solare sul vortice polare, segnalato per la prima volta da Karin Labitzke nel 1987, risulta ora più chiaro. Oggi esistono prove considerevoli che l’attività solare influisce sullo stato del vortice polare. Il meccanismo, proposto già negli anni Settanta, è chiamato “Planetary Wave Feedback” (Gray et al. 2010). La quantità di energia e di quantità di moto che impatta sul vortice polare dipende dallo stato della stratosfera che è influenzata dall’attività solare. Durante i periodi di bassa attività solare, viene fornita più energia, perturbando il vortice polare, che è più stabile in caso di alta attività solare. La stabilità del vortice polare è di fondamentale importanza per il clima invernale delle medie latitudini dell’emisfero settentrionale e per la quantità di energia che raggiunge l’Artico. L’ipotesi del Winter Gatekeeper contestualizza questo meccanismo solare noto come parte di un effetto più generale dell’attività solare sul trasporto meridiano attraverso la stratosfera e la troposfera dai tropici ai poli. Dimostra inoltre che l’importante effetto climatico dei cambiamenti di trasporto è dovuto a cambiamenti nella quantità di energia che lascia il pianeta come radiazione a onde lunghe in uscita nelle regioni polari.

Il vortice polare e il suo ruolo nei processi atmosferici

Il recente lavoro di Svetlana Veretenenko, dell’Istituto Ioffe di San Pietroburgo, Russia (Veretenenko 2022, Ve22 da qui), fornisce un importante supporto all’effetto dell’attività solare sulla circolazione atmosferica inferiore attraverso il suo effetto sul vortice polare. L’articolo di Veretenenko si concentra solo sulla parte troposfera-vortice polare dell’ipotesi del Winter Gatekeeper (Fig. 8.1, ovale rosso). Manca anche una spiegazione dei cambiamenti energetici necessari per modificare il clima. L’ipotesi del Winter Gatekeeper ha fornito tale spiegazione attraverso i cambiamenti della radiazione in uscita (Vinós 2022). Ciononostante, l’articolo di Veretenenko rappresenta un passo importante nella dimostrazione dell’effetto solare sulla circolazione atmosferica globale, una parte importante dell’ipotesi del Winter Gatekeeper. Non è raro nella scienza che autori non correlati giungano indipendentemente a conclusioni simili più o meno nello stesso periodo. L’ipotesi del Winter Gatekeeper è stata sviluppata già nel 2018 ed è stata inclusa nella prima edizione di “Climate of the Past, Present and Future.” Questa ipotesi non avrebbe potuto essere sviluppata 20 anni fa perché non c’erano conoscenze e dati sufficienti per sostenerla. È giunto il momento di fare una svolta importante nella comprensione dei cambiamenti climatici naturali e del ruolo del sole in essi. Questo autore è orgoglioso di farne parte e accoglie con favore l’articolo di Veretenenko “Stratospheric Polar Vortex as an Important Link between the Lower Atmosphere Circulation and Solar Activity.”  I principali risultati di questo articolo sono discussi di seguito.

Ve22 definisce molto bene il vortice polare e il suo ruolo nei processi atmosferici:

Il vortice polare stratosferico è una circolazione ciclonica su larga scala che si forma nella massa d’aria fredda sopra la regione polare durante [la] stagione fredda e che si estende dalla media troposfera alla stratosfera. Si forma un movimento circolare dell’aria verso est, che isola l’aria polare dall’aria più calda delle medie latitudini, contribuendo a una diminuzione della temperatura all’interno del vortice. Il vortice si presenta come una cintura di forti venti occidentali a latitudini di ~50-80° N, con una velocità del vento che raggiunge ~50-60 m s-1 ai livelli superiori. Nella Figura 2b è presentata l’entità dei gradienti orizzontali di temperatura al livello di 20 hPa per il mese di gennaio 2005.

Fig. 8.2 (a) Distribuzione della velocità media mensile del vento zonale (in m-s-1) a livello di 20 hPa (stratosfera) nell’emisfero settentrionale nel gennaio 2005. (b) Distribuzione dell’ampiezza media mensile del gradiente orizzontale di temperatura (in °C/100 km) a livello di 20 hPa nel gennaio 2005. Figura tratta da Ve22.

La Fig. 8.2 . I forti venti che circondano i poli in inverno agiscono come un guardiano che determina quanta energia entrerà nella regione polare, creando un forte gradiente di temperatura. La forza del vortice polare è legata alla circolazione atmosferica invernale dell’emisfero settentrionale:

Il vortice polare è noto per essere un elemento importante nella circolazione su larga scala dell’atmosfera. La posizione e lo stato del vortice influenzano lo sviluppo dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO) e dell’Oscillazione Artica (AO). Baldwin e Dunkerton [5] hanno dimostrato che in regimi di forte vorticità, gli indici NAO e AO tendono a essere positivi e che le rotte dei cicloni extratropicali si spostano verso nord. Gudkovich e colleghi [6] hanno messo in relazione l’alternanza di epoche fredde e calde nell’Artico con i cambiamenti dello stato dei vortici; le epoche calde e fredde sono associate rispettivamente a regimi di vorticità forti e deboli. Labitzke [7] è stato il primo a rivelare che gli effetti dell’attività solare sulle caratteristiche della stratosfera e della troposfera dipendono dalla fase delle oscillazioni quasi-biennali (QBO) nell’atmosfera; i risultati di Labitzke suggeriscono che anche la forza del vortice polare può influenzare la risposta dell’atmosfera alla variabilità solare.

Variabilità spaziale e temporale degli effetti dei raggi cosmici galattici sulla pressione della troposfera

Ve22 ritiene che l’effetto solare sia mediato dai raggi cosmici galattici, ma dobbiamo ricordare che l’attività solare, spesso valutata attraverso le macchie solari o il flusso radio a 10,7 cm, è fortemente correlata con l’inverso dei raggi cosmici, come mostrato nella Fig. 8.3. C’è un ritardo di circa un anno, ma trovare un ritardo simile in una correlazione di effetti climatici non può essere interpretato come una prova del coinvolgimento dei raggi cosmici, poiché i ritardi possono verificarsi indipendentemente.

Fig. 8.3. Attività solare (macchie solari) e raggi cosmici (invertiti). Figura tratta da http://www.climatedata.info

Ve22 mette in relazione l’attività solare con la pressione atmosferica, come è stato fatto in precedenza da molti autori a partire dagli studi di Labitzke e Van Loon degli anni Ottanta. Ve22 sottolinea anche le inversioni di correlazione che si sono verificate nel segnale solare-climatico, ampiamente discusse nelle parti I, II e IV.

La figura [8.4] presenta la distribuzione spaziale dei coefficienti di correlazione tra le variazioni di pressione e GCR, con l’eliminazione delle tendenze lineari, per due diversi periodi di tempo: 1953-1981 [non mostrato qui] e 1982-2000. La pressione della troposfera è stata caratterizzata dai valori medi annuali delle altezze di geopotenziale a livello di 700 hPa … Sono mostrate anche le posizioni medie a lungo termine (climatiche) dei fronti artici e polari, che sono i principali fronti atmosferici alle latitudini extratropicali … I fronti artici separano le masse d’aria fredda che si formano nella regione artica dall’aria più calda delle medie latitudini, mentre i fronti polari separano le masse d’aria delle medie latitudini da quelle tropicali. Essi svolgono un ruolo importante nell’attività ciclonica alle medie latitudini, poiché la formazione e l’evoluzione dei cicloni extratropicali sono strettamente associate a questi fronti… la distribuzione delle correlazioni è strettamente legata ai fronti atmosferici climatici. Nel periodo precedente, 1953-1981 [non mostrato qui], la distribuzione dei coefficienti di correlazione tra pressione e flussi GCR era abbastanza simile a quella del 1982-2000 … Tuttavia, i segni delle correlazioni in tutte queste aree erano piuttosto opposti a quelli del 1982-2000.

Fig. 8.4. Distribuzione spaziale dei coefficienti di correlazione tra i valori medi annuali dell’altezza di geopotenziale a 700 hPa (troposfera) e il tasso di raggi cosmici per il periodo 1982-2000. Le curve 1 e 2 mostrano le posizioni climatiche dei fronti artici rispettivamente in gennaio e luglio. Analogamente, le curve 3 e 4 sono le stesse per i fronti polari; le curve 5 e 6 sono le stesse per l’asse della depressione equatoriale. Questa figura corrisponde alla Figura 3a di Ve22 ed è stata modificata con l’aggiunta di contorni terrestri e di un riquadro giallo per quella che Ve22 chiama la zona ciclogenetica del Nord Atlantico (zona di più intensa formazione di cicloni) lungo le coste orientali del Nord America (20-30° N, 280-300° E, e 30-40° N, 290-310° E).

Variabilità temporale degli effetti dell’attività solare sulla pressione della troposfera nell’emisfero settentrionale e le epoche di circolazione su larga scala

Per le analisi di serie temporali più lunghe, Ve22 utilizza il numero di macchie solari come proxy dell’attività solare e la sua correlazione con la pressione del livello del mare in due regioni, la zona ciclogenica del Nord Atlantico (quadrato giallo nella Figura 8.4) o la regione polare (60-85°N). Come si può vedere dalla Figura 8.4, la correlazione con l’attività solare in queste due regioni è opposta. La figura 8.5 mostra che la loro correlazione opposta con l’attività solare si mantiene nel tempo, ma subisce variazioni in alcuni periodi.

Fig. 8.5. (a) Coefficienti di correlazione tra i valori annuali della pressione sul livello del mare e il numero di macchie solari R (SLP, SSN) per la regione polare (linea continua) e la zona ciclogenetica del Nord Atlantico (linea tratteggiata) per intervalli scorrevoli di 15 anni. Le linee tratteggiate indicano il livello di significatività del 95%. (b) Spettri di Fourier dei coefficienti di correlazione scorrevoli come in (a). Figura tratta da Ve22.

I dati presentati permettono di ipotizzare una stretta interconnessione tra i processi dinamici che si sviluppano nella zona ciclogenetica del Nord Atlantico e nella regione polare in risposta a fenomeni legati all’attività solare. Le inversioni di correlazione si sono verificate alla fine del XIX secolo, negli anni ’20, vicino al 1950 e all’inizio degli anni ’80, il che indica una variazione di circa 60 anni degli effetti dell’attività solare sulla circolazione della troposfera. Ve22 prende in considerazione le date delle inversioni di correlazione piuttosto che le date in cui le tendenze cambiano, quindi non tiene conto dei noti cambiamenti di regime climatico identificati nel Pacifico, come quello del 1976 che precede di circa sei anni l’inversione di correlazione dei primi anni Ottanta. Ciò impedisce a Ve22 di mettere in relazione i cambiamenti rilevati con un fenomeno più globale che coinvolge il trasporto meridiano da parte dell’oscillazione multidecadale stadio-onda che mostra la stessa frequenza di 65 anni (Vinós 2022). Inoltre, a differenza dell’ipotesi del Winter Gatekeeper, Ve22 non ha una spiegazione per le inversioni di correlazione, cosa che ha lasciato perplessi i ricercatori sul clima solare per un secolo.

I risultati suggeriscono quindi che l’inversione delle correlazioni tra le variazioni di pressione (lo sviluppo di sistemi barici extratropicali) e i fenomeni di attività solare può essere legata a cambiamenti nelle epoche di circolazione su larga scala.

Ve22 conferma la correlazione tra attività solare e pressione atmosferica con un’analisi simile che utilizza l’indice di circolazione atmosferica (Vangengeim-Girs), utilizzato anche da questo autore in Vinós 2022

. Ve22 identifica correttamente la relazione tra attività solare e circolazione meridiana, che è uno dei fondamenti dell’ipotesi del Winter Gatekeeper. Quindi, gli effetti dell’attività solare … sui processi ciclonici (variazioni di pressione) alle latitudini extratropicali sembrano essere strettamente correlati alle epoche di circolazione su larga scala e in particolare all’evoluzione delle forme di circolazione meridionali. Infatti, i risultati dell’analisi spettrale (Figura 5, pannello di destra) hanno mostrato che le occorrenze annuali delle forme di circolazione meridionali … sono caratterizzate da armoniche dominanti di ~60 anni … Pertanto, i risultati ottenuti ci permettono di suggerire che l’inversione dei legami di correlazione tra le variazioni di pressione (sviluppo di sistemi barici extratropicali) e i fenomeni di attività solare può essere associata a cambiamenti nelle epoche di circolazione su larga scala.

L’evoluzione del vortice polare come possibile causa della variabilità temporale degli effetti dell’attività solare sulla circolazione della bassa atmosfera

Ve22 mette in relazione i cambiamenti osservati nella circolazione atmosferica e la sua mutevole correlazione con l’attività solare con i cambiamenti nello stato del vortice polare. Utilizzando i dati di rianalisi, Ve22 mostra un periodo di forte vortice stratosferico dalla metà degli anni ’70 alla fine degli anni ’90, caratterizzato da venti zonali più forti a 60-80°N e temperature polari più basse. Fasi di vortice più deboli sono state osservate nei due decenni precedenti e successivi a questo periodo. Più controversi sono i risultati di Ve22 sulle variazioni superficiali di pressione e temperatura a livello del mare nella regione artica. Si può notare che il periodo con un forte vortice (~1980-2000), quando i venti stratosferici risultavano più forti (Figura 7), è stato realmente accompagnato da una diminuzione della pressione e da un riscaldamento nell’Artico. Il periodo precedente con un vortice debole (~1950-1980), al contrario, è stato accompagnato da un aumento della pressione e da un periodo più freddo nella regione studiata. Questo ha poco senso, perché un vortice forte crea una zona di pressione superficiale più bassa e una temperatura più bassa. I dati lo confermano, poiché l’Artico ha sperimentato un intenso riscaldamento invernale a partire dal 1997, quando è passato a una fase di vortice più debole, e non il raffreddamento mostrato nella figura 7 di Ve22. L’autore sospetta un problema con la figura 7 di Ve22 o con la metodologia di rimozione del trend polinomiale.

Distruzione della correlazione tra nubi e raggi cosmici galattici: Possibile ruolo dell’indebolimento del vortice

Ve22 esamina poi la correlazione tra le anomalie delle nubi basse e i raggi cosmici che costituiva la base della teoria di Svensmark. Come Ve22 mostra, la correlazione è scomparsa dopo il 2000 e Ve22 cerca di mettere in relazione la fine della correlazione con un cambiamento del vortice polare. A parere di questo autore, il tentativo è fallito. La teoria di Svensmark richiede un effetto diretto dei raggi cosmici sui nuclei di condensazione delle nubi. Non è possibile dimostrare che un numero maggiore di raggi cosmici vada a indurre un numero maggiore di nubi o un numero minore di nubi. Tuttavia, Ve22 tenta di farlo sostituendo un effetto non specificato sulla ciclogenesi all’effetto fisico dei raggi cosmici sui nuclei di condensazione. Si può notare che i coefficienti di correlazione pressione-GCR [raggi cosmici galattici] e nuvole-GCR variano in fasi opposte. La più alta correlazione positiva R (LCA, FCR) si è verificata nel periodo in cui gli effetti dei GCR sullo sviluppo dei cicloni erano più pronunciati. Alla fine degli anni ’90, questa correlazione ha iniziato a diminuire e ha cambiato segno contemporaneamente all’inversione della correlazione pressione-GCR. I dati presentati dimostrano quindi che l’elevata correlazione positiva tra quantità di nubi e raggi cosmici galattici, rivelata su scala decadale [16,39], è dovuta principalmente agli effetti dei GCR sullo sviluppo di processi dinamici nell’atmosfera nel contesto di un forte vortice polare.

Questa sembra di fatto una alterazione contorta della teoria di Svensmark per mantenere l’ipotesi che gli effetti solari sulla circolazione atmosferica siano dovuti ai raggi cosmici. La spiegazione secondo cui gli effetti sono dovuti a cambiamenti dinamici avviati da variazioni dei raggi UV mediati dall’ozono stratosferico (il meccanismo “top-down”; Maycock & Misios 2016), supportato da prove considerevoli e incorporato nella Winter Gatekeeper Hypothesis, costituisce un’alternativa più semplice, più specifica e meglio supportata.

Ve22 si addentra poi in una discussione altamente speculativa e piuttosto lunga sui possibili effetti sul vortice polare di eventi solari protonici, fenomeni aurorali legati all’attività geomagnetica, tempeste magnetiche e vento solare. L’autrice sostiene addirittura una periodicità di 60 anni nell’irraggiamento solare totale che non si osserva nelle macchie solari. L’autrice solleva anche la possibilità che i cambiamenti nella chimica della media atmosfera siano coinvolti nelle variazioni della forza del vortice polare. L’autore trova sorprendente che il principale fattore noto per influenzare la stabilità del vortice polare, il meccanismo di feedback delle onde planetarie (Gray et al. 2010), non venga considerato in questo articolo.

Conclusioni
Ve22 termina con 3 conclusioni:

La variabilità temporale dei fenomeni dell’attività solare sulla circolazione della bassa atmosfera rivela una periodicità di circa 60 anni che sembra essere associata a cambiamenti nelle epoche di circolazione su larga scala…

A loro volta, i cambiamenti nelle epoche di circolazione sembrano essere correlati alle transizioni tra i diversi stati del vortice polare stratosferico…

Lo stato del vortice polare può essere influenzato da diversi fenomeni di attività solare che contribuiscono a un’oscillazione di circa 60 anni della sua intensità…

Le prime due sono chiare e supportate dalle prove. Come sostenuto dall’ipotesi del Winter Gatekeeper, il trasporto meridiano presenta epoche separate da cambiamenti climatici e caratterizzate da stati distinti della circolazione atmosferica invernale e della forza del vortice polare. La periodicità di questa oscillazione multidecadale del trasporto, che coinvolge anche gli oceani, è di circa 65 anni. L’attività solare è uno dei principali modulatori dei cambiamenti del trasporto meridiano attraverso la sua azione su tre centri di controllo: lo strato di ozono tropicale, il vortice polare (identificato anche da Ve22) e l’ENSO (Vinós 2022).

Per la prima volta in cento anni, è stato proposto un meccanismo per spiegare l’effetto solare sul clima che è coerente con tutte le prove e include la capacità di alterare il bilancio energetico del pianeta attraverso variazioni concomitanti dell’energia in uscita. Il meccanismo spiega come una piccolissima variazione dell’energia UV nella stratosfera sia in grado di alterare il trasporto meridiano dell’energia, rendendo più facile o più difficile per il pianeta conservare l’energia. Ve22 fornisce prove della connessione attività solare → vortice polare → circolazione atmosferica e identifica il centro di controllo del vortice polare come uno dei collegamenti tra attività solare e circolazione atmosferica.

Referenze

Gray LJ, Beer J, Geller M, et al (2010) Solar influences on climate. Reviews of Geophysics 48 (4)

Maycock A & Misios S (2016) Top-down” versus “Bottom-up” mechanisms for solar-climate coupling. In: Matthes K, De Wit TD & Lilensten J (eds.) Earth’s climate response to a changing Sun. EDP Sciences, France, 237-246. Free book download

Veretenenko S (2022) Stratospheric polar vortex as an important link between the lower atmosphere circulation and solar activity. Atmosphere 13 (7), 1132

Vinós J (2022) Climate of the past, present and future. A scientific debate, 2nd ed. Critical Science Press. Free book download

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