Il volume del ghiaccio marino artico è calcolato utilizzando il Pan-Arctic Ice Ocean Modeling and Assimilation System (PIOMAS, Zhang e Rothrock, 2003) sviluppato presso APL/PSC. Le anomalie giornaliere vengono calcolate con riferimento alla media del periodo 1979 -2016 per quel giorno dell’anno per rimuovere il ciclo annuale.Il ciclo annuale medio del volume del ghiaccio marino durante questo periodo, varia dai 28 000 km3 in aprile agli 11 500 km3 in settembre.La linea blu rappresenta la tendenza calcolata dal 1° gennaio 1979 alla data più recente indicata sulla figura. Le aree ombreggiate rappresentano una e due deviazioni standard dalla tendenza come mostrato in Fig 1 e le deviazioni standard sulla media giornaliera 1979-2017 come mostrato in Fig 2.
Fig.1 Di seguito viene mostrato il grafico dell’anomalia del volume del ghiaccio marino artico proveniente da PIOMAS, il quale viene aggiornato una volta al mese. Le anomalie giornaliere del volume del ghiaccio marino di ciascun giorno sono calcolate rispetto alla media del periodo 1979-2020 per quel giorno dell’anno. I segni sull’asse del tempo si riferiscono al primo giorno dell’anno. La tendenza per il periodo 1979-oggi è mostrata in blu. Le aree ombreggiate mostrano una e due deviazioni standard dalla tendenza. Le barre di errore indicano l’incertezza dell’anomalia mensile la quale viene tracciata una volta all’anno.
Fig. 2 Volume totale del ghiaccio marino artico ricavato dai dati PIOMAS che mostrano il ciclo medio annuale del volume del ghiaccio marino artico, per gli anni dal 2011-2020. Le aree ombreggiate indicano una e due deviazioni standard dalla media.
Aggiornamento annuale
Il 2020 si è concluso con un volume che si è classificato come il 3° più basso in assoluto con 13.500 km 3, volume che non si discosta molto da quello registrato nel corso degli ultimi anni. Anni che sono stati caratterizzati da un basso volume annuale (2011, 2012, 2016, 2019). Il 2017 , con un volume di 12.800 km 3, detiene ancora il primato per quanto riguarda il basso valore relativo al volume annuale.
Aggiornamento mensile del volume registrato nel mese di aprile 2021
Il volume medio del ghiaccio marino artico registrato nel mese di aprile 2021 è stato di 22.500 km^3. Questo valore è il quinto più basso in assoluto per quanto riguarda il mese di aprile, circa 1.800 km^3 al di sopra del volume record registrato nel 2017. Il volume mensile del ghiaccio è stato del 31% sotto il massimo raggiunto nel 1979 e del 17% sotto il valore medio del periodo 1979-2020.Il volume medio del ghiaccio marino artico registrato nel mese di aprile 2021 è stato di 22.500 km^3. Questo valore è il quinto volume più basso registrato per un mese di aprile, circa 1.800 km^3 al di sopra del volume minimo raggiunto nel 2017. Il volume mensile dei ghiacci è stato del 31% al di sotto del massimo raggiunto nel 1979 e del 17% al di sotto del valore medio per il periodo 1979-2020. Il volume medio di aprile 2021 ha superato di quasi 1 sigma la linea di tendenza 1979-2020. La crescita del ghiaccio riscontrata nel mese di aprile ha seguito la fascia seguita durante gli ultimi anni (Fig. 4), portando lo spessore medio prossimo alla media degli ultimi anni (Fig. 5). La mappa delle anomalie dello spessore del ghiaccio per aprile 2021 rispetto al periodo di riferimento 2011-2020 (Fig 6) mostra il bacino artico interessato per metà da anomalie positive e per metà da anomalie negative. Le anomalie negative si sono estese dal nord della Groenlandia al mare di Beaufort settore orientale. Forti anomalie positive sono state riscontrate lungo la costa siberiana. I dati provenienti dal satellite CS2 (Fig 7.) mostrano uno schema di anomalie piuttosto simile, anche se le anomalie positive tendono ad essere sostanzialmente più deboli e meno estese spazialmente. Il confronto con la serie storica degli ultimi 43 anni 1979-2021 evidenzia l’importanza che riveste la variabilità naturale in serie temporali relativamente brevi come quelle attualmente disponibili da CS2.La serie temporale di aprile (Fig. 8) per entrambi i set di dati non ha una chiara tendenza negli ultimi 11 anni.
Fig 4 Il grafico confronta le anomalie giornaliere del volume del ghiaccio marino rispetto al 1979-2019.
Fig. 5. Il grafico mostra lo spessore medio del ghiaccio marino artico nelle regioni coperte dai ghiacci secondo PIOMAS durante una sequenza di anni. Lo spessore medio è calcolato in base alla zona PIOMAS tenendo conto solo delle località in cui il ghiaccio è più spesso di .15 m.
Fig. 6. Il grafico mostra le anomalie dello spessore registrate nel mese di aprile 2021 rispetto al periodo di riferimento 2011-2020.
Fig. 7. Il grafico mostra i dati provenienti dal CryoSat-2 (AWI) multi-sensore Sea Ice Thickness Anomaly per aprile del 2021 rispetto al periodo 2011-2020 (versione 2.3 dati preliminari)
Finalità
Il volume del ghiaccio marino è un importante indicatore climatico. Esso dipende sia dallo spessore che dall’estensione del ghiaccio e quindi è più direttamente legato alla forzante climatica rispetto alla sola estensione. Tuttavia, il volume del ghiaccio marino artico non può attualmente essere osservato in modo continuativo. Le osservazioni dai satelliti, dai sottomarini della Marina, dagli ormeggi e dalle misurazioni sul campo, sono tutte limitate nello spazio e nel tempo. L’assimilazione delle osservazioni nei modelli numerici fornisce attualmente un modo per stimare i cambiamenti del volume del ghiaccio marino su base continua per diversi decenni. Il confronto delle stime del modello dello spessore del ghiaccio con le osservazioni aiuta a testare lo stato di comprensione dei processi rappresentati nel modello che sono importanti per la formazione e lo scioglimento del ghiaccio marino.
Versioni
Versione 2.1
Un errore di programmazione è stato identificato in una procedura che interpola i dati di concentrazione del ghiaccio prima dell’assimilazione. L’errore riguardava solo i dati del 2010-2013. Questi dati sono stati rielaborati e sono ora disponibili nella versione 2.1. Lo spessore del ghiaccio è generalmente maggiore nell’area del Mare di Beaufort e Chukchi, con le maggiori differenze in termini di spessore durante il mese di maggio. Le differenze nel volume del ghiaccio sono fino all’11% maggiori durante la tarda primavera.
figura 5. Il grafico mostra le differenze in termini di volume tra la versione 2.0 e la versione 2.1
Versione 2. 0
Questa serie storica del volume del ghiaccio è stata generata con una versione aggiornata di PIOMAS (15 giugno 2011). Questa versione aggiornata perfeziona le versioni precedenti assimilando le temperature della superficie del mare (SST) per le aree senza ghiaccio e utilizzando una diversa parametrizzazione sulla resistenza del ghiaccio. Il confronto delle stime PIOMAS con le osservazioni dello spessore del ghiaccio mostra errori più contenuti rispetto alla versione precedente. La tendenza a lungo termine è ridotta a circa -2,8 103 km3/decennio da -3,6 km3 103/decennio nell’ultima versione. I confronti con i dati e con i modelli alternativi indicano che questa nuova tendenza è una stima conservativa della tendenza reale. La novità di questa versione è che fornisce statistiche sull’incertezza. Maggiori dettagli possono essere trovati in Schweiger et al. 2011 http://psc.apl.uw.edu/wordpress/wp-content/uploads/schweiger/pubs/Schweiger-2011-Uncertainty%20in%20model.pdf. Il miglioramento del modello è un’attività di ricerca continua al PSC e gli aggiornamenti del modello possono avvenire a intervalli irregolari. Quando si verificano aggiornamenti del modello, l’intera serie storica verrà rielaborata e pubblicata.
Modello e procedura di assimilazione
PIOMAS è un modello numerico con componenti per il ghiaccio marino e gli oceani e con la capacità di assimilare alcuni tipi di osservazioni. Per le simulazioni del volume del ghiaccio qui mostrate, le informazioni sulla concentrazione del ghiaccio marino provenienti dal prodotto NSIDC http://nsidc.org/data/nise1.html sono assimilate nel modello in tempo quasi reale per migliorare le stime dello spessore del ghiaccio, e i dati SST dalla NCEP/NCAR Reanalysis sono assimilati nelle regioni senza ghiaccio. I dati SST della rianalisi NCEP/NCAR sono basati sulle analisi SST globali giornaliere ad alta risoluzione di Reynolds utilizzando osservazioni satellitari e in situ (Reynolds e Marsico, 1993; Reynolds et al., 2007). Le informazioni atmosferiche per guidare il modello, in particolare il vento, la temperatura dell’aria superficiale e la copertura nuvolosa per calcolare la radiazione solare e a onde lunghe, sono specificate dalla rianalisi NCEP/NCAR http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/reanalysis.shtml.
Convalida del modello e incertezza
PIOMAS è stato ampiamente convalidato attraverso il confronto con le osservazioni provenienti da sottomarini della marina statunitense, ormeggi oceanografici e satelliti. Inoltre, sono state eseguite corse del modello in cui i parametri del modello e le procedure di assimilazione sono stati alterati. Da questi studi di convalida arriviamo a stime conservative dell’incertezza nella tendenza di ± 1,0 103 km3/decennio. L’incertezza relativa all’ anomalia del volume medio mensile del ghiaccio è stimata in ±0.75 103 km3. Le incertezze del volume totale sono più grandi di quelle relative all’anomalia perché le distorsioni del modello vengono rimosse quando si calcolano le anomalie. L’incertezza per il volume totale di ghiaccio di ottobre è stimata a ±1,35 103 km3 . Il confronto dei volumi totali invernali con altre stime di volume deve tener conto del fatto che il settore PIOMAS attualmente non si estende abbastanza a sud per coprire tutte le aree che possono avere una copertura di ghiaccio invernale. Le aree nel Mare di Okhotsk e nel Golfo di San Lorenzo sono parzialmente escluse dalla zona. Dettagli sulla validazione del modello possono essere trovati in http://www.agu.org/journals/jc/jc1109/2011JC007084/ e ( qui http://www.agu.org/journals/jc/jc1109/2011JC007084/). Ulteriori informazioni su PIOMAS possono essere trovate (qui http://psc.apl.uw.edu/research/projects/projections-of-an-ice-diminished-arctic-ocean/ )
Una libreria completa di dati sullo spessore del ghiaccio marino per la validazione del modello è stata completata ed è disponibile http://psc.apl.uw.edu/sea_ice_cdr/
Prospettiva: Perdita di ghiaccio ed energia
Per fondere il ghiaccio marino ci vuole molta energia. La domanda è :Quanta energia? L’energia necessaria per sciogliere i 16.400 Km3 di ghiaccio che si perdono ogni anno (media 1979-2010) da aprile a settembre come parte del naturale ciclo annuale, è di circa 5 x 1021 Joule. Per confronto, il consumo energetico degli Stati Uniti per il 2009 (www.eia.gov/totalenergy) è stato di circa 1 x 1020 J. Quindi ci vuole circa 50 volte il consumo energetico annuale degli Stati Uniti per sciogliere tutto questo ghiaccio ogni anno. Questa energia proviene dal cambiamento nella distribuzione della radiazione solare mentre la terra ruota intorno al sole.
Per sciogliere altri 280 km3 di ghiaccio marino, la quantità che abbiamo perso su base annua in base ai calcoli di PIOMAS, ci vogliono circa 8,6 x 1019 J o l’86% del consumo energetico degli Stati Uniti.
Tuttavia, se distribuita sull’area coperta dal ghiaccio marino artico, l’energia aggiuntiva richiesta per sciogliere tutto questo ghiaccio marino è in realtà piuttosto piccola. Corrisponde a circa 0,4 Wm-2 . È come lasciare una lampadina molto piccola e fioca continuamente accesa su ogni metro quadrato di ghiaccio. Rintracciare una così piccola differenza di energia è molto difficile, e ciò evidenzia perché abbiamo bisogno di guardare a serie temporali più lunghe e considerare le incertezze nelle nostre misure e nei nostri calcoli.
Dati
I dati rielaborati del volume (versione 2.1) sono disponibili (qui http://psc.apl.uw.edu/research/projects/arctic-sea-ice-volume-anomaly/data/).