RISCALDAMENTO STRATOSFERICO IMPROVVISO:IL RUOLO DEL VENTO SOLARE E DELL’OZONO

RISCALDAMENTO STRATOSFERICO IMPROVVISO:
IL RUOLO DEL VENTO SOLARE E DELL’OZONO
Van Vliet-Lanoë Brigitte, Directeur de recherche CNRS,
Emeritus, Brest, France
Giugno 2024
I vortici polari sono il fenomeno fondamentale per il funzionamento della nostra atmosfera e sono strettamente collegati all’attività solare.
Il 2023 è stato un anno particolarmente caldo, segnato da un’intensa attività solare e da un significativo riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) registrato il 27/02 nel vortice N (vedi SCE 2023; Vinós, 2024).
Già dall’autunno del 2023, i media anticipavano un nuovo evento di SSW per i primi di gennaio 2024, con una seconda intensificazione prevista per la fine di gennaio (NOAA). Questo primo SSW, avvenuto il 2/01/24, ha avuto un impatto diretto sui cambiamenti dei modelli meteorologici, portando a ondate di freddo a gennaio negli Stati Uniti e in Europa. Le previsioni del 15/01/2024 indicavano che i venti indotti nella stratosfera da un vortice artico indebolito avrebbero raggiunto la soglia per un nuovo riscaldamento stratosferico improvviso previsto per il 16 gennaio 2024. Questo evento si è concretizzato un mese dopo, precisamente tra il 13 e il 16 febbraio 2024 (vedi parte II Osservazioni). Un altro evento simile è avvenuto il 2/03/14 e ha avuto una durata di soli 2 giorni, analogamente a quello del 5/07/2023. Molti studiosi stanno esaminando le evoluzioni meteorologiche di quest’anno, in seguito al SSW di gennaio, considerato una conseguenza del riscaldamento antropogenico della troposfera. I media hanno diffuso messaggi allarmanti riguardo un El Niño “eccezionale” previsto per questa primavera, collegato al riscaldamento antropogenico.
Dimostriamo che questi fenomeni sono correlati alle perturbazioni del vortice polare nella stratosfera, direttamente influenzate dalla qualità dell’insolazione, dalla forza dei venti solari e dai processi di distruzione dell’ozono stratosferico. Ciò indica che, a prescindere dall’intensità del vortice, la sua configurazione spaziale in combinazione con intensi venti solari può portare a un SSW (con un vortice debole) o a un buco nell’ozono (con un vortice forte), fenomeno quest’ultimo spesso amplificato da alogeni naturali o antropogenici. La strato-mesosfera (turbosfera) è cruciale per comprendere il nostro clima in relazione all’attività solare.

PARTE I: IL CONTESTO DEL RISCALDAMENTO STRATOSFERICO IMPROVVISO

1. UN PIANETA TURBOLENTO E TERMICAMENTE ALTAMENTE DISIMMETRICO. La superficie del nostro pianeta riceve la sua energia principale dall’irraggiamento solare o insolazione, che raggiunge il massimo nella zona intertropicale, la zona più perpendicolare alle radiazioni solari. Una parte significativa dell’energia deriva dai venti solari, causati da eruzioni sulla superficie del sole, la corona. D’altro canto, gli emisferi terrestri non sono uguali come ricevitori di energia: il 70% della superficie terrestre è occupato dagli oceani, una caratteristica distintiva del nostro pianeta. L’emisfero meridionale (HS) è dominato per il 64% dagli oceani, mentre i continenti prevalgono nell’emisfero settentrionale (HN). La reattività termica dell’atmosfera all’insolazione è immediata e intensa sulle masse continentali, come il Sahara o l’Antartide, a causa di un alto albedo. Invece, la massa oceanica è parzialmente trasparente alla luce visibile e soprattutto agli UV, che la penetrano fino a 500 metri di profondità nelle latitudini intertropicali, permettendo un significativo accumulo termico nella superficie e sottosuperficie dell’oceano, oltre alla riemissione diretta degli IR e alla vaporizzazione dell’acqua (il primo e più abbondante gas serra). La troposfera costituisce circa l’80% della massa dell’atmosfera terrestre e, data la sua composizione, è abbastanza opaca agli IR termici emessi dalla superficie del pianeta (SCE, 2020). Una seconda disimmetria è creata dall’obliquità dell’asse di rotazione della terra e dall’alternanza di giorni e notti continui ai poli, che dà origine alla formazione di un forte vortice ciclonico antiorario nella stratosfera al polo nord, sopra l’Artico, e un analogo australe sopra l’Antartide durante l’inverno dell’emisfero. Questi vortici stratosferici polari sono tipici dell’inverno emisferico. Per l’HN, si formano quando la Terra è al perielio, il punto più vicino al Sole (3-4 gennaio 2024: 147.1 milioni di km), con un Artico stratosferico fortemente raffreddato dalla radiazione IR (notte polare). Per l’SH, il vortice si forma all’afelio, molto più lontano dal Sole (152.1 milioni di km). La fonte di rotazione del vortice è la risonanza mareale (lunare e solare), favorita dalla forza di Coriolis. Tuttavia, una forte raffica solare può perturbarlo, causando un SSW (SCE 2023), un fenomeno molto frequente ma poco compreso nell’area artica.

2. IL RUOLO DELLA TURBOLENZA ATMOSFERICA TERRESTRE (AL DI FUORI DEL VORTICE)
La nostra troposfera e tropopausa costituiscono la “bassa atmosfera“: è qui che la turbolenza è più efficace. Le zone sopra la nostra troposfera, la stratosfera e la mesosfera, sono denominate “atmosfera media” o “turbosfera,” che si estende dai 12 ai 90-100 km sopra il livello del mare. La turbosfera, così come la troposfera terrestre, è caratterizzata da attività convettive, almeno fino alla turbopausa (90-100 km). I venti, tuttavia, persistono anche più in alto, nella termosfera, come dimostrato dalla morfologia delle “onde di vento rapido” create dalla sovrapposizione di venti a diverse velocità. Queste instabilità di Kelvin-Helmholtz si manifestano tra i 75 e gli 85 km di altitudine, visibili nelle nuvole nottilucenti (fig. 1B). Poco più in alto, la mesopausa, situata a circa 80-90 km di altitudine, demarca la separazione tra la mesosfera/turbosfera e la termosfera, il secondo vero strato esterno dell’atmosfera terrestre (Figura 2). La mesopausa quasi coincide con la turbopausa (100 km). La turbolenza invernale nell’atmosfera media è più intensa rispetto all’estate emisferica e aumenta con la latitudine (Danilov et al., 1992) e può influenzare la dinamica dei vortici. La turbopausa agisce come punto di transizione tra il regime di miscelazione turbolenta della turbosfera (atmosfera media) e un regime di diffusione molecolare nella termosfera, l’atmosfera superiore (Danikov, 1984; Danilov et al., 1992). Nei coni polari, la formazione di queste linee di corrente e vortici (Figure 2C e D) evidenzia variazioni spaziali e temporali tra i 90 e i 110 km di altitudine, legate ai cerchi aurorali (circa 300 km). Le aurore polari si formano quando avviene una collisione tra le particelle caricate del vento solare e gli ioni nella termosfera. Queste sono correlate a intense attività solari e sono disturbate dai venti termosferici (instabilità di Kelvin-Helmholtz; Palmroth et al., 2020) e direzionate lungo i bordi dei vortici dalle linee del campo magnetico che si estendono sul lato della Terra opposto al Sole. Gran parte della turbosfera, quindi, sembra presentare una certa attività turbolenta stratificata, inclusa nella stratosfera così come nella troposfera e, analogamente, nel caso di Giove. Atmosfere turbolente o convettive sono state osservate nel Sole, in 7 degli 8 pianeti del sistema solare e sul satellite Titano: la Terra non è un’eccezione.

La Figura 1 presenta quattro immagini che illustrano fenomeni atmosferici e astronomici di notevole interesse:

A) Nubi turbolente su Giove: Quest’immagine 3D, realizzata dalla NASA, mostra impressionanti nubi turbolente su Giove. Queste nubi si elevano per oltre 50 chilometri e si estendono per centinaia di chilometri. La loro somiglianza con le nubi cumulonimbus e cirrus della Terra è sorprendente, riflettendo le dinamiche atmosferiche complesse del gigante gassoso.

B) Nubi nottilucenti disturbate: L’immagine rappresenta nubi nottilucenti, le quali si formano a circa 80 km di altitudine nella termosfera e sono visibili qui sopra l’Islanda. Queste nubi sono caratterizzate da onde causate dalle instabilità di Kelvin-Helmholtz, risultato della turbolenza generata da strati di aria che si muovono a velocità differenti. Le nubi nottilucenti sono le nubi più alte presenti nell’atmosfera terrestre.

C) e D) Aurore boreali con vorticità: Queste immagini catturano le aurore boreali, fenomeni luminosi che si verificano quando le particelle cariche del vento solare interagiscono con il campo magnetico terrestre. Le particelle sono guidate verso i poli, dove collidono con l’atmosfera terrestre producendo queste spettacolari luci. Le immagini mostrano le aurore sopra l’Islanda, evidenziando la possibile presenza di disturbi e vorticità nel loro aspetto, influenzate da instabilità nella termosfera e variazioni nel vento solare.

Questo set di immagini dimostra la complessità e la bellezza dei fenomeni naturali sia sulla Terra che in altri angoli del nostro sistema solare.

La Figura 2 illustra dettagliatamente la struttura dell’atmosfera terrestre e le dinamiche del vortice polare e dell’ozono nella turbosfera (che include stratosfera e mesosfera), utilizzando dati da immagini della NASA e informazioni dal programma Copernicus dell’ESA.

Struttura dell’Atmosfera

• Ionosfera: Si estende fino a 500 km di altitudine, rappresentando la regione più alta mostrata nella figura.
• Termosfera: Questa zona raggiunge i 300 km, dove predominano i processi di diffusione molecolare.
• Turbopausa: Agisce come confine tra la termosfera e la mesosfera.
• Mesosfera: Si estende fino a circa 90 km di altitudine.
• Stratopausa: È il limite superiore della stratosfera.
• Stratosfera: Raggiunge i 50 km di altitudine, include i getti polari e altri flussi di vento significativi.
• Tropopausa: Segna il limite superiore della troposfera.
• Troposfera: La parte più bassa, estendendosi fino a 10 km.

Fenomeni Chiave

• A – Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW): Mostra come un evento SSW, causato da venti solari intensi a 600 km/sec, possa influenzare la temperatura e la vorticità del vortice atmosferico, portando a significative anomalie termiche.
• B – Bucatura dell’Ozono: Illustra come durante l’inverno emisferico, l’irradiazione solare ridotta contribuisca alla lenta distruzione dell’ozono e come il flusso di venti specifici modelli la circolazione attorno al polo. Include dati sul cloro ottenuti tramite Copernicus.
• C – Estate Emisferica: Descrive un periodo con maggiore irradiazione solare che conduce a condizioni atmosferiche più stabili e minor turbolenza, con un impatto diretto sulla distribuzione dell’ozono.

Dinamiche Atmosferiche

• Jet Streams: I flussi dei getti polari sono ben rappresentati e spiegati, evidenziando la loro influenza sui vortici polari e sulla dinamica dell’ozono.
• Correnti e Vortici: Le correnti verticali e orizzontali sono fondamentali nella distribuzione del calore e degli elementi chimici come l’ozono all’interno dell’atmosfera.

Questa figura sottolinea come le interazioni tra le diverse parti dell’atmosfera influenzino il clima globale e regionale e mostra l’importanza delle attività solari e delle dinamiche interne, come i flussi dei getti e le correnti termiche, nel modellare il nostro ambiente atmosferico.

La Figura 3 mette in mostra affascinanti esempi di vortici esagonali nei sistemi atmosferici di Giove, della Terra e di Saturno. Queste immagini evidenziano sia le osservazioni dirette che i modelli di questi fenomeni dinamici e geometricamente unici.

Giove

• Immagine in alto a sinistra: Presenta un vortice esagonale visibile ai poli di Giove, catturato in immagini infrarosse dalla NASA. Questo fenomeno si distingue per le sue correnti di gas turbolenti e caldi che formano una struttura esagonale precisa attorno al polo. Questa caratteristica è uno dei tratti più notevoli e persistenti nell’atmosfera di Giove, sottolineando la complessità delle sue dinamiche atmosferiche.

Terra

• Immagine in alto a destra: Raffigura un vortice ciclonico esagonale situato nella troposfera sopra il ghiaccio antartico, a circa 5,5 km di altitudine, con la data del 10/05/2023. L’immagine mostra una notevole somiglianza con i vortici osservati su Giove e Saturno, illustrando che strutture simili possono svilupparsi anche nell’atmosfera terrestre sotto condizioni atmosferiche specifiche.

Saturno

• Immagine in basso a sinistra: Illustra un modello di un vortice esagonale al polo di Saturno, basato su studi e simulazioni dettagliate.
• Immagine in basso a destra: Mostra un’immagine reale del polo di Saturno, scattata nel 2014 da NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute. Questo vortice esagonale è una caratteristica persistente dell’atmosfera di Saturno, molto simile a quella di Giove, ma distintamente definita da correnti atmosferiche stabili e circolari che generano questa forma unica.

Conclusioni

Le immagini esposte nella Figura 3 dimostrano come strutture atmosferiche complesse possano formarsi in ambienti molto diversi, evidenziando sia le somiglianze che le differenze tra i pianeti. I vortici esagonali su Giove e Saturno sono fenomeni di grande interesse scientifico, che offrono spunti significativi per comprendere la dinamica atmosferica e i processi fisici che regolano i giganti gassosi. La presenza di una struttura simile sulla Terra mette in luce l’universalità dei principi della dinamica dei fluidi applicati su scala planetaria.

3. CONTRIBUTO DEL SOLE AL VORTICE STRATOSFERICO

L’Irraggiamento Solare Totale (IST) rappresenta la principale fonte di energia per la superficie terrestre. Le variazioni dell’IST sono correlate ai cicli del campo magnetico solare e alle oscillazioni della posizione del Sole nel sistema solare, segnate dal ritmo delle macchie solari. Il campo magnetico del Sole subisce inversioni ogni 11 anni, un fenomeno correlato ai picchi del ciclo delle macchie solari, noto come ciclo di Schwabe. Questi cicli sono influenzati anche dalle variazioni nella forza gravitazionale dei pianeti del sistema solare. Attualmente, il picco massimo dell’attività del ciclo 25 è previsto per i primi mesi del 2025. Durante un ciclo solare di 11 anni, l’irraggiamento complessivo del Sole aumenta di poco (0,07%), ma l’attività superficiale del Sole è significativamente accentuata dalle eiezioni di massa coronale solare (SCME), specialmente nei periodi di alta attività solare (SCME Information). Le eruzioni solari raggiungono il loro apice poco dopo il culmine del ciclo solare e possono innescare tempeste geomagnetiche terrestri.

Il vento solare, un plasma composto principalmente da elettroni e protoni, è costantemente emesso dall’alta atmosfera del Sole lungo le linee del suo campo magnetico. Esso si divide in un vento “veloce”, che si muove a circa 500-1000 km/s dai buchi coronali ai poli del Sole, e un vento “lento”, che procede a circa 200-450 km/s principalmente dal piano equatoriale del Sole, intensificandosi quando il Sole è particolarmente attivo. Il plasma solare, espulso dalle EMCS, può penetrare profondamente nell’atmosfera terrestre attraverso i coni polari, seguendo le linee del campo magnetico terrestre.

Il campo magnetico terrestre protegge il nostro pianeta dai venti solari e dalle radiazioni cosmiche, agendo come uno scudo isolante che impedisce ai venti solari di penetrare direttamente, dato che la loro propagazione è perpendicolare al campo magnetico della Terra. Questo scudo si posiziona di fronte al Sole, proteggendo il pianeta, ma non dalle radiazioni IST dirette, a causa della trasparenza dell’atmosfera alle radiazioni visibili, agli infrarossi (IR) e agli ultravioletti (UV). Il campo magnetico si incurva ai poli formando due coni polari, perpendicolari alla superficie dei poli e penetrabili dai venti solari, che sono responsabili dell’iniezione di particelle solari magnetizzate nell’atmosfera inferiore. In presenza di eiezioni di massa coronale solare particolarmente intense, l’intrusione massiva di particelle energetiche può causare fluttuazioni significative del campo magnetico terrestre e generare un’onda d’urto potente, responsabile dell’iniezione di particelle solari accelerate verso la superficie terrestre.

4. IL VORTICE ARTICO E IL RISCALDAMENTO STRATOSFERICO IMPROVVISO

I vortici polari, o vortex, sono strutture atmosferiche nella turbosfera originate dalla forza di Coriolis, caratterizzate da un nucleo di bassa pressione con rotazione ciclonica. Questi vortici, che generalmente non eccedono i 2.000 km di diametro, si estendono fino alla superficie terrestre durante l’inverno, generando fenomeni come la depressione islandese nell’emisfero nord (HN) e quella sull’Antartide orientale. La forza di Coriolis, che agisce perpendicolarmente al movimento del pianeta in rotazione, è essenziale per comprendere la dinamica dei vortici e fenomeni correlati quali i getti troposferici o i buchi dell’ozono stratosferico.

Il nucleo dei vortici normali mostra una turbolenza evidente nella turbosfera, come dimostrato dall’evoluzione di due vortici polari questa primavera, includendo vortici evolutivi minori da 200 a 400 km di diametro. Questi si sviluppano nella Stratosfera (altezza 15-30 km, velocità 300 km/h) e sono circondati da potenti venti anticiclonici, costituendo il vero e proprio vortex sensu stricto. Esistono anche nella Mesosfera, fino a un’altitudine di 65 km (Schranz et al., 2020). La direzione della rotazione del vortex è antioraria nell’HN e oraria nell’HS.

Un’intensa attività solare, caratterizzata da una rapida rotazione solare, può influenzare significativamente il campo magnetico terrestre, inducendo un rallentamento della rotazione terrestre a causa dell’interazione con i venti solari magnetizzati. L’incremento dei venti solari può esercitare una pressione che rallenta la rotazione della Terra trasferendo energia elettrica alla corrente anulare della magnetosfera terrestre. Di conseguenza, il vortice tende a rallentare nei periodi di forti venti solari (2021-24; 900 km/s nel febbraio 2023), con la velocità del vortice che normalmente si riduce da 300 km/h a 220-250 km/h in periodi di elevata attività solare (SCE, 2023). Questo fenomeno è stato osservato nel vortice polare artico a 10 hPa (30 km di altitudine).

Il Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) si verifica prevalentemente nella Mesosfera (Schranz et al., 2020), ma anche nel resto della turbosfera, in particolare sopra il picco termico della stratopausa (circa -3°C; Wikipedia: Stratosfera). Salendo verso l’alto, la temperatura della Termosfera (vedi Figura 2), al limite superiore della turbopausa, aumenta quasi proporzionalmente con l’altitudine, raggiungendo valori tra 1.000 e 1.500 K. Questi valori elevati possono essere spiegati dall’assorbimento delle lunghezze d’onda corte della radiazione solare da parte delle molecole residue di ossigeno e azoto. Pertanto, la Mesosfera turbolenta risulta particolarmente sensibile a questo riscaldamento solare.

I cambiamenti a lungo termine nella Turbosfera includono:

1. Modesti aumenti di vapore acqueo (che contribuiscono alla formazione di nuvole nottilucenti, tempeste tropicali, ed eruzioni vulcaniche significative come quella del Krakatoa nel 1883 o l’eruzione di Hunga Tunga all’inizio del 2022 [Zhu et al., 2023]).
2. La deplezione dell’ozono.
3. Un raffreddamento sistematico di questa regione atmosferica dal 1980 al 2000 (Pahlavan et al., 2021), legato in gran parte all’aumento dell’attività solare. Quest’ultimo punto è evidenziato dalla presenza di vapore acqueo diffuso dalla turbolenza, che mostra come le nuvole nottilucenti siano principalmente prodotte da grandi eruzioni vulcaniche o tempeste tropicali.

5. SSW CORRELATI ALL’ATTIVITÀ SUPERFICIALE DEL SOLE E AL VENTO SOLARE

• Il vortice ciclonico si forma ogni inverno emisferico ed è generalmente stabile nella turbosfera, ma la sua guaina di vento è usualmente veloce (circa 300 km/h). Il vortice si sviluppa tipicamente verso la fine dell’autunno, intorno ai primi di dicembre, a causa della notte polare. Tuttavia, il getto polare troposferico rimane normalmente veloce (circa 300 km/h) e mantiene l’aria fredda nel Circolo Polare Artico (60° lat. N).

• In maniera regolare, nell’emisfero nord, i vortici polari invernali sono soggetti a un SSW verso la fine o l’inizio dell’anno, quindi vicini al sole: perielio.

• Per l’HS, la Terra si trova più lontano dal sole (afelio), il che spiega perché gli SSW sono molto più rari in Antartide. Sono stati osservati solo 3 eventi: nel 2002, 2009 e 2019.

• Nell’HN, gli SSW sono quindi più frequentemente associati a picchi di vento solare rapido che superano i 600 km/s (900 km/s, 27/02/2023b) e a venti lenti medi superiori a 400 km/s (SCE, 2023) secondo i dati disponibili (Space Weather & Solen Info).

• I periodi in cui si verificano gli SSW corrispondono spesso, ma non sistematicamente, a periodi con coefficienti di marea superiori a 100, indicando una forte attrazione lunare e solare. I picchi di vento solare > 850 km/s (venti rapidi) legati alle SCME inducono un rapido riscaldamento stratosferico (SSW) nel vortice polare nord che dura alcuni giorni (SCE, 2023). Questi eventi modificano la configurazione delle temperature troposferiche nell’Artico: questa regione può quindi subire un riscaldamento regionale (Gerrard et al., 2002; SCE, 2019) che può estendersi anche a latitudini più basse.

• I picchi più lenti di venti rapidi (<600 km/s) conducono alla stessa morfologia del vortice dei venti rapidi: quella del 2/03/24 durò solo 2 giorni, senza SSW, prima di indebolirsi. È importante notare che nell’HS le morfologie sono identiche ma senza necessariamente causare un SSW all’afelio (Figura 5).

La frequenza degli SSW è aumentata, in particolare in relazione all’incremento dell’irraggiamento solare dal 1950, seguendo un ciclo di 121 anni (11 x 11 anni; Vinos 2022). Questo incremento è regolato dalla precessione apsidale dell’orbita terrestre, che sincronizza ogni ciclo magnetico solare ai cicli di “11” anni. • Oltre alla distanza tra la Terra e il Sole, le onde planetarie o di gravità (Rossby), considerando la topografia dell’Antartide, potrebbero avere un impatto minore rispetto a quello che hanno nell’Artico. Queste onde sono tradizionalmente ritenute un meccanismo cruciale per il trasferimento di movimento tra la troposfera e la stratosfera (SSW) (vedi Figura 7B). • La base del vortice si trova al vertice della tropopausa, a circa 16-17 km di altezza, e trasmette la sua energia cinetica alla tropopausa o alla parte alta della troposfera. Le analisi biennali delle immagini dall’emisfero sud mostrano che la base del vortice polare invernale a 10 hPa (30 km) scende fino alla sommità della tropopausa (16 km) e coinvolge i venti fino ai 72° lat. S, formando un modello esagonale visibile almeno da 30 km di altitudine, ma la sua manifestazione più evidente si trova a 5,5 km di altitudine (10/05/2023; Figura 3). Le immagini di Schranz et al. (2020) confermano anche un improvviso cambiamento nella velocità della guaina del vortice a questa altitudine. • Il record di SSW di metà gennaio 2009 nell’HN (Lida et al., 2014) avrebbe causato cambiamenti latitudinali improvvisi e dinamicamente accoppiati nella circolazione zonale troposferica tropicale, influenzando anche la stratosfera. L’attività convettiva dell’HN si è indebolita a vantaggio dell’HS.

La Figura 4 illustra le condizioni dei vortici polari terrestri al Nord e al Sud nelle date del 07/03/2024, 17/03/2024 e 25/03/2024, a una quota di 10 hPa.

Dettaglio delle osservazioni per data:

1. 07/03/24:
   • Nord: Il vortice mostra una forma allungata e sinuosa, segno di un rallentamento significativo nei venti, da 300 km/h a 50 km/h. Questo indica l’inizio della dissoluzione del vortice.
   • Sud: Il vortice presenta una granulazione evidente, simile alla superficie di Giove, indicativa della presenza di micro-vortici alla tropopausa, che suggerisce una dinamica interna complessa e intensa.
2. 17/03/24:
   • Nord: Si nota un’ulteriore perdita di struttura e un’espansione areale del vortice, segnale di un continuo indebolimento.
   • Sud: La struttura del vortice è relativamente stabile rispetto alla settimana precedente, con un’intensa attività ciclonica centripeta, caratteristica dei vortici invernali dell’emisfero sud.
3. 25/03/24:
   • Nord: Il vortice appare ancora più diffuso e meno coordinato, con un ulteriore declino nelle caratteristiche cicloniche ben definite.
   • Sud: La struttura rimane compatta e granulare, mantenendo una forte attività ciclonica.

Osservazioni generali:

• Il vortice in Antartide è caratterizzato da una costruzione centripeta, una dinamica osservata anche nel vortice dell’emisfero nord durante l’inverno.
• Le principali perturbazioni del vortice del nord si localizzano sopra l’Atlantico, piuttosto che il Pacifico, influenzate dalle onde di Rossby associate alla morfologia di Groenlandia e Scandinavia.

Queste immagini offrono una visione dettagliata delle dinamiche evolutive dei vortici polari, sottolineando le loro differenze stagionali e geografiche significative.

La Figura 5 mostra un grafico dettagliato delle velocità del vento solare giornaliero, registrate dalla sonda SOHO/DSCOVR, nel periodo che va da gennaio 2023 fino alla fine di aprile 2024. Il grafico traccia le fluttuazioni delle velocità minime e massime del vento solare durante questo periodo, collegandole ai cambiamenti stagionali e agli eventi astronomici.

Dettagli del grafico:

• Asse Verticale: Rappresenta la velocità del vento solare in km/s, con un range da 0 a 1000 km/s.
• Asse Orizzontale: Mostra il tempo dal gennaio 2023 all’aprile 2024.
• Velocità del Vento Solare:
  • La linea blu indica la velocità massima giornaliera del vento solare.
  • La linea rossa mostra la velocità minima giornaliera del vento solare.
• Indicatori Temporali e Stagionali:
  • Le etichette come “Primtemps” (Primavera) e “Canicule” (Ondata di caldo) indicano le stagioni o periodi significativi.
  • Barre verticali trasparenti segnano i momenti degli equinozi e solstizi, che sono punti critici nei cambiamenti stagionali.
  • RSS potrebbe indicare eventi specifici o osservazioni rilevanti legati a picchi di attività o velocità del vento solare.
• Eventi di Picco:
  • Le punte nelle linee indicano i periodi di vento solare ultra-veloce, in particolare l’ultimo picco significativo che raggiunge i 1000 km/s nella primavera del 2024.

Contesto e Implicazioni:

Il grafico è cruciale per correlare le variazioni del vento solare con eventi meteorologici spaziali, come le tempeste geomagnetiche, che possono influenzare i sistemi di comunicazione e altre tecnologie sulla Terra. Inoltre, il documento sottolinea che durante il picco di vento ultra-veloce nella primavera del 2024, il vortice non presentava controvortici, risultando quindi nell’assenza di un evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW).

Questa visualizzazione aiuta gli scienziati atmosferici e i climatologi a monitorare e prevedere le complesse interazioni tra l’attività solare e la dinamica atmosferica terrestre, specialmente riguardo i vortici polari.

6. DATI

Per queste motivazioni, è stata condotta un’analisi biennale sull’attività del vento solare rapido, evidenziando picchi elevati da fine dicembre a fine febbraio. Tuttavia, i picchi medi mostrano una ricorrenza quasi mensile dovuta alla rotazione del sole, che dura 27 giorni. I picchi più alti si verificano nell’Emisfero Nord (EN) ogni inverno, indicando che la stessa area continua a emettere Eiezioni di Massa Coronale Solare (SCME) dalla superficie del sole. Durante il perielio, l’influenza solare è maggiormente intensa nell’EN rispetto all’Emisfero Sud (ES), con eventi molto grandi che si ripetono con una ciclicità di circa un anno (27/02/23 e 03/01/24).

Dopo il perielio, la frequenza degli Scaldamenti Stratosferici Sopiti (SSW) diminuisce, e il riscaldamento troposferico conseguente non è più abbastanza intenso per impattare significativamente sul nostro clima. Normalmente, l’occorrenza degli SSW nell’Artico è biennale. Questo fenomeno altera profondamente il nostro clima attraverso i flussi a getto.

2018-2019: Riscaldamento Stratosferico Improvviso in Nord e Sud

Questo evento è registrato come uno dei più documentati nell’Emisfero Nord (EN), ma si è verificato in maniera eccezionale anche in Antartide, tra agosto e settembre 2019: è il secondo caso documentato. La maggior parte del riscaldamento nel nord, in gennaio 2019, è stata osservata tra i 30 e i 60 km di altitudine (Schranz et al. 2020), interessando quindi la mesosfera e stratosfera N (Figura 6), con due eventi consecutivi: il primo dal 22/11 al 25/12/2018 e il secondo, significativamente più intenso, dal 12/01/2019 al 03/03/2019 (Figura 6).

Il riscaldamento stratosferico del 2018-19 ha influenzato principalmente le regioni sopra la stratosfera, contrariamente a quanto ipotizzato da Cohen et al. (2014), che indicavano la troposfera come zona di maggiore impatto. La base del vortice, posizionata sopra la tropopausa, è rimasta estremamente fredda e rallentata. Questo intenso e doppio riscaldamento stratosferico nell’EN è stato seguito da una ondata di calore troposferica, che si è abbattuta dal polo tra il 24 e il 27 luglio 2019, colpendo principalmente la zona climatica artica (SCE, 2019). Questo evento ha causato uno scioglimento eccezionale della calotta glaciale e del ghiaccio pluriennale nel nord della Groenlandia (NSDIC).

Verso la fine di agosto 2019, si è verificato un notevole e raro riscaldamento antartico, collegato a una serie di sei picchi di vento solare (Figura 7A), con il picco medio che ha raggiunto i 870 km/s, causando un significativo arretramento del pack ghiacciato dopo un inverno eccezionale e uno scioglimento dei ghiacciai in Groenlandia (Lim et al. 2019). Questi fenomeni indicano un’attività solare alta e persistente, supportata da regolari eiezioni coronali, simili a quelle osservate nel 2023, ma con un oceano terrestre inizialmente meno caldo.

La Figura 6 illustra l’evoluzione del vortice polare nell’Emisfero Nord durante significativi episodi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) che si sono verificati tra dicembre 2018 e marzo 2019. Ogni pannello rappresenta una fase diversa di questo fenomeno, mostrando cambiamenti nella struttura e nella velocità del vortice:

• (b) 2018-12-22: Questo pannello mostra l’inizio dell’evento di riscaldamento, con il vortice che si estende verticalmente dal suolo fino a circa 77 km. Qui, le velocità più alte sono rappresentate in rosso, raggiungendo i 430 km/h.
• (c) 2018-12-25: Il vortice continua a svilupparsi, apparso più allungato e sottile, mantenendo le alte velocità.
• (d) 2018-12-28: A questo punto, il vortice mostra una significativa deformazione alla base.
• (h) 2019-01-12: Durante questo secondo evento di riscaldamento, il vortice si presenta più compatto, conservando l’estensione verticale massima.
• (i) 2019-02-04: Il vortice inizia a espandersi, con una diminuzione delle velocità massime.
• (j) 2019-03-03: In questa fase, il vortice si sta stabilizzando e le velocità continuano a diminuire.

Le diverse velocità all’interno del vortice sono indicate con una scala di colori: il rosso indica le velocità più elevate (430 km/h), il blu scuro le velocità più basse (70 km/h), mentre il verde rappresenta una velocità media del vortice di 300 km/h, secondo lo studio di Schranz et al., 2020.

Queste osservazioni sono cruciali per comprendere la dinamica del vortice polare e l’impatto degli SSW sul clima globale, influenzando la distribuzione di temperature e precipitazioni nelle regioni a latitudini medie e alte. Gli eventi di riscaldamento stratosferico sono correlati a notevoli variazioni climatiche nelle aree sottostanti, inclusi potenziali aumenti delle temperature nella troposfera.

Figura 7: Dinamiche dei Venti Solari e Stratosferici durante il SSW Antartico del 2019

Parte A: Questa sezione del grafico mostra la registrazione dei venti solari rapidi e lenti nel periodo dal 1 luglio al 31 dicembre 2019. Le linee rosse indicano i venti solari rapidi, mentre le linee blu rappresentano i venti solari lenti. Si osserva una regolarità nei picchi estremi, presenti sia nei venti rapidi che lenti. I dati provengono da osservazioni quotidiane effettuate dai satelliti SOHO-DISCOVR, e sono stati raccolti e forniti da Solen info. La frequenza regolare di questi picchi suggerisce un’intensa attività solare, che ha potenziali ripercussioni sulle dinamiche atmosferiche terrestri, inclusi gli eventi di riscaldamento stratosferico.

Parte B: L’immagine mostra i venti stratosferici a 30 km sopra la penisola antartica, evidenziando le instabilità di Kelvin-Helmholtz. Queste instabilità si verificano nella stratosfera superiore a causa delle onde planetarie generate dal rilievo della penisola. Le instabilità sono visibili come formazioni ondulate nei colori che vanno dal viola al blu, rappresentando vortici generati dalla differenza di velocità tra strati di fluidi sovrapposti. Questa analisi è stata prodotta dal servizio Windy il 6 maggio 2024, illustrando i venti a questa specifica altitudine.

PARTE II: RISCALDARE IL VORTICE: IL RUOLO DEL VENTO SOLARE E DELL’OZONO

1. IPOTESI UFFICIALI

Durante un evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), si osserva che il vortice polare tende a decomporre o dividersi, accompagnato da un raffreddamento nella parte superiore e una decelerazione alla base, seguita da un riscaldamento dell’aria nelle latitudini polari. Dopo l’SSW del 2023, le temperature superficiali dell’Atlantico Nord hanno registrato livelli storicamente elevati, evidenziati a partire da marzo 2023. Questo aumento di temperatura è stato particolarmente marcato nelle latitudini tropicali e subtropicali, estendendosi anche verso le medie latitudini.

Gli SSW influenzano significativamente l’alta stratosfera e la mesosfera di entrambi gli emisferi polari, essendo governati dalla propagazione verso l’alto di onde planetarie dalla troposfera (Figura 7B), in particolare quelle legate al rilievo geografico. Queste dinamiche sono influenzate da configurazioni specifiche dei venti atmosferici, o “correnti a getto”, posizionate sopra la superficie irregolare della Terra.

Nell’agosto 2019, l’attività planetaria è progredita verso l’alto dalla troposfera, indebolendo significativamente la rotazione del vortice polare su tutta l’altezza della stratosfera (Schranz et al., 2020). Secondo Shen et al. 2020, a quest’evento ha fatto seguito l’ascesa di un’onda planetaria record. I SSW avrebbero quindi origine dalla troposfera riscaldata dall’attività umana (Cohen et al. 2014 & 2020; Albers et al. 2016; Shen et al. 2020, White et al., 2021, Curry, 2024). Secondo Cohen nel 2019, l’anticiclone siberiano potrebbe persino facilitare un trasferimento di energia radiativa dalla troposfera alla stratosfera, nonostante la continua influenza delle onde planetarie. I venti del vortice nord potrebbero indebolirsi, scomparire o sembrare invertire il flusso da est a ovest. Come risultato di questa catena di eventi, l’aria “fredda” del vortice ciclonico sarebbe destinata a scendere rapidamente, causando un aumento improvviso della temperatura stratosferica fino a 50º C in pochi giorni.

2. LE OSSERVAZIONI

La troposfera e la tropopausa ruotano nella stessa direzione del vortice (Figura 8). Le onde planetarie si manifestano in diretta correlazione con la rotazione del pianeta. Secondo Mörner (2010 e – al., 2020), vi sarebbe un significativo rallentamento della rotazione del pianeta sotto l’impatto dei venti solari, piuttosto che delle onde planetarie.

Il processo di SSW si instaura in circa dieci giorni attorno ai massimi di rotazione del vortice (Schranz et al., 2020). Tali massimi possono essere multipli o instabili, similmente alla velocità del vortice (Schranz et al., 2020). Di conseguenza, considerando la sincronizzazione degli SSW con eventi estremi di vento solare e la loro rapida ricorrenza nel ciclo solare di 11 anni (SCE, 2023), si deduce che il processo sia attribuibile all’attività solare e non a quella antropica (Figure parte I-2 & 5).

È stato osservato che morfologie simili del vortice ciclonico a 10 hPa sono correlate alla formazione di un contro-vortice di natura anticiclonica nella zona esterna della guaina del vento del vortice (vedi Understanding Ozone Hole – CAMS Data), piuttosto che a una divisione del vortice, sia in Antartide che nell’Artico. Potrebbero esserci vari anticicloni che migrano nelle vicinanze attraverso i getti stratosferici. Durante gli RSS invernali degli ultimi tre anni, queste morfologie si sono dimostrate identiche ai due poli e non specifiche dei periodi invernali (Figura 8). Queste possono dar luogo a un SSW solo durante l’inverno emisferico.

La velocità del vento solare lento è normalmente di circa 300 km/s, e varia poco con il ciclo solare, seguendo però l’attività solare, come anche i venti rapidi (Figura parte I-5). Invece, la velocità del vento solare rapido, proveniente dalle SCME, varia tra 450 e 1000 km/s (23/03/24). Durante l’inverno artico, l’occorrenza di venti rapidi e forti potrebbe innescare un SSW se la morfologia associata nella stratosfera (30 km) consiste in un vortice connesso a un contro-vortice (Figura 8).

Dall’orbita terrestre, i protoni del vento solare rapido dovrebbero essere circa 10^4 volte più caldi parallelamente al campo magnetico lungo le linee di campo del corno polare. Questo spiegherebbe la coincidenza osservata tra il picco di vento solare rapido e l’SSW (SCE, 2023). Questo vento è estremamente caldo (10.000° K) e la sua velocità supera i 600 km/s (Mach 10), permettendo che il trasporto di materia solare dalla corona alla Terra impieghi circa 4 giorni. Il suo arrivo nel campo magnetico terrestre è preceduto da un’onda d’urto che può iniettare plasma nel vortice. Tale onda d’urto funziona principalmente come convertitore di energia cinetica del vento solare rapido in energia termica (riscaldamento). Le particelle quindi tendono a rimbalzare sulla guaina magnetica del cono e ad accumularvisi, mantenendo la loro temperatura mentre accelerano la velocità superficiale della guaina del contro-vortice (Boldyrev et al., 2020), in linea con le osservazioni ma non con le teorie di Schranz et al. 2020.

La Figura 8 comprende due pannelli distinti (A e B) che illustrano la struttura dell’atmosfera terrestre e le interazioni tra il vortice polare e l’ozono nella turbosfera (stratosfera + mesosfera), basandosi su immagini della NASA e dati di Copernicus (ESA).

Pannello A:

1. Struttura Atmosferica e Dinamiche del Vortice Polare:
   • Il pannello mostra l’interazione tra il vortice polare e l’ozono nelle altezze che vanno dalla troposfera fino alla termosfera.
   • Altezze variabili: Le diverse fasce atmosferiche possono subire variazioni a seconda delle stagioni e dell’irraggiamento solare ricevuto.
   • Getti polari troposferici: Fondamentali nella formazione e nell’evoluzione del vortice polare, questi getti di vento influenzano la distribuzione dell’ozono nella stratosfera.
2. Interazioni e Impatti:
   • La figura mette in luce come i getti di vento modifichino la stratificazione verticale e la diffusione orizzontale dell’ozono, attraverso turbolenza e diffusione molecolare.
   • Viene anche evidenziata l’interazione tra onde di shock solari e il vortice, che può accentuare processi come l’ossidazione e la distruzione dell’ozono a seconda della velocità e intensità dei venti solari (600 km/sec durante i venti solari forti).

Pannello B:

1. Dati sull’Ozono e il Buco dell’Ozono:
   • Questo pannello si focalizza sulle condizioni che portano alla formazione del buco dell’ozono, con particolare attenzione al ruolo del cloro, un fattore chiave nella catalisi della distruzione dell’ozono stratosferico.
   • I dati provengono da Copernicus (ESA), che monitora la composizione atmosferica globale.
   • Illustra come il buco dell’ozono sia influenzato da processi chimici e fisici stagionali, correlati agli eventi di vento solare descritti nel Pannello A.
2. Influenza del Vento Solare:
   • Sottolinea come i venti solari meno intensi (450 km/sec) influenzino la durata del buco dell’ozono durante i periodi di minore attività solare.

In conclusione, la Figura 8 offre una panoramica comprensiva delle interazioni complesse tra la dinamica atmosferica e le influenze esterne come i venti solari, evidenziando il ruolo significativo che questi giocano nella modulazione dell’ozono e del vortice polare a diverse altitudini, cruciali per comprendere i processi di riscaldamento e raffreddamento nell’atmosfera superiore e il loro impatto sul clima globale.

3. EVOLUZIONE MORFOLOGICA DEL VORTICE NEL TEMPO E L’EFFETTO VENTURI

Il vortice ciclonico invernale artico è generalmente stabile nella stratosfera e mesosfera, e veloce (circa 300 km/h). La formazione del vortice avviene solitamente a fine novembre o inizio dicembre. Durante la formazione del vortice meridionale, la zona turbolenta polare S viene gradualmente influenzata da una o due deviazioni in senso anti-orario del getto zonale, tramite la formazione di zone anticicloniche a 10 hPa, e il getto accelera progressivamente salendo in latitudine per alimentare il vortice. Tuttavia, il getto funge anche da guida per la migrazione degli anticicloni derivati.

Il monitoraggio della morfologia, dei tassi di rotazione e delle temperature del vortice polare N a 10 hPa è stato intrapreso nell’inverno 2023-24. La formazione ha avuto inizio precocemente (11/2023). Un contro-vortice (anticiclone) si è formato indipendentemente a latitudini più basse da inizio dicembre. Successivamente, il contro-vortice è stato sollevato da un vento zonale proveniente dal getto stratosferico tropicale occidentale da circa 50° N fino al polo, per poi unirsi al vortice già indebolito (265 km/h poi 160 km/h).

Alla fine di dicembre 2023, la velocità del vento si è fortemente accelerata nella zona di transizione tra i due vortici, con picchi di 380 km/h (8/01/2024), mentre la velocità del vortice indebolito L rimaneva intorno ai 200 km/h con una temperatura di circa -63°C: non si è verificato un riscaldamento significativo del vortice L e il contro-vortice H registrava una temperatura di -21.8°C e una velocità di 150 km/h. La giustapposizione di questi due sistemi rotanti ha indotto un flusso di vento compresso che si è riscaldato rapidamente, massimizzando l’effetto Venturi, sia a monte che a valle della zona compressa. Questo ha comportato un modesto riscaldamento del vortice all’inizio di gennaio 2024, più marcato per il contro-vortice e molto significativo per la zona di contatto.

Il massimo riscaldamento si è verificato nella zona di transizione tra i due vortici L e H, con temperature che hanno raggiunto i +13°C il 28/12/2018 e variavano da -6.3°C il 29/12/23 a -2.4°C il 3/01/24, fino a -17°C il 6/01/24 (Figure 3A e 8). Dopo questo periodo, il vento stratosferico zonale anti-orario che alimentava il vortice L a 10 hPa si è spostato all’inizio di febbraio in una diffusione contro-vortice che si è trasformata il 10/02 a 40°N in un getto stratosferico zonale. Il sistema di vortici giustapposti si è riformato il 13/02/24 con temperature di -15°C e una velocità di 350 km/s nella zona di contatto, e infine è passato a -12.5°C e 306 km/h nella stessa zona il 15/02/24 e -26°C per l’anti-vortice. In seguito, il vortice si è disgregato e scomparso a favore del getto stratosferico tropicale N. Tutti gli eventi RSS dell’Artico tra il 2019, il 2023 e l’inizio del 2024 sono stati associati a uno o più picchi di venti solari rapidi, raggiungendo i 900 km/s il 27/02/23 e i 1.000 km/s il 23/03/24, ma senza una morfologia di accoppiamento dei vortici.

La Figura 9 illustra l’evoluzione del Riscaldamento Stratosferico Improvviso (RSS), con dati specifici forniti da Météo France, rappresentando diverse fasi e dinamiche del fenomeno nelle regioni polari.

1. Alto (High, H) e Basso (Low, L):
   • Nelle immagini in alto (datate 18/12/18 e 25/12/18), osserviamo l’apparizione dell’Alto (H), che comincia a scaldarsi e avanza in latitudine accompagnato dal vento zonale. Questo movimento lo porta a congiungersi con la guaina del vortice (L), contribuendo a un significativo riscaldamento dell’area. Le aree di temperatura più alta sono rappresentate in colori caldi (giallo-arancione), mentre le temperature più fredde sono in blu.
2. Organizzazione dei Vortici Artico e Antartico:
   • Le immagini in basso mostrano l’organizzazione dei vortici polari nei poli Artico (28/12/24) e Antartico (10/07/23 e 16/07/23). L’organizzazione di questi vortici è comparabile e particolarmente legata ai solstizi di ciascun emisfero, dimostrando una sincronizzazione stagionale significativa.
3. Linea Equatoriale Stratosferica:
   • Una linea tratteggiata bianca evidenzia l’equatore stratosferico, mostrato in blu scuro. Questa linea fornisce un riferimento per la posizione relativa dei vortici e delle zone di alta pressione, sottolineando la simmetria e l’interazione tra i due emisferi.
4. Zona di Riscaldamento:
   • Interessante notare che il riscaldamento non è indotto direttamente nel vortice ma nell’alto adiacente, il contro-vortice. Questo riscaldamento è in parte risultato di un effetto Venturi, causato dall’accelerazione del flusso tra i due condotti dei vortici, che riduce la pressione e aumenta la temperatura dell’aria.
5. Vento Solare Lento:
   • La figura annota che l’intensità del vento solare lento è tornata a un livello normale dopo l’RSS il 01/08/2024, suggerendo una correlazione tra l’attività solare e gli eventi di riscaldamento stratosferico osservati.

Questa rappresentazione dettagliata fornisce una comprensione visiva di come le dinamiche atmosferiche complesse e i fenomeni astronomici come i solstizi interagiscono per influenzare il clima e le condizioni meteorologiche nelle regioni polari, mettendo in evidenza l’importanza delle interazioni tra venti solari e vortici stratosferici.

4. IL RUOLO DELL’OZONO

L’ozono si forma durante il giorno nella stratosfera, quando i raggi UV solari, molto energetici, dissociano le molecole di ossigeno (O₂) formando questo gas (O₃). La reazione di sintesi dell’ozono è endotermica. A un’altitudine di 30 km, durante l’estate emisferica (parte I-2C della figura), la radiazione solare è normalmente ancora sufficientemente energetica per scindere l’ozono (Myoshi et al., 2021), una reazione esotermica.

La distruzione dello strato di ozono è probabilmente la principale causa del riscaldamento stratosferico. Infatti, lo strato di ozono si addensa tra la stratopausa e la tropopausa tra i 16 e i 50 km, con un picco di concentrazione estiva a un’altitudine di 23-25 km. Questo strato è più spesso in inverno e all’inizio della primavera, raggiungendo una concentrazione massima tra i 20 e i 30 km, 16 km sopra la tropopausa. Curiosamente, è proprio dove i venti del vortice sono più veloci secondo le osservazioni di Schranz (et al., 2020), e in particolare nel punto di contatto tra vortice e contro-vortice (Figure 3A e 9).

L’ozono può degradarsi naturalmente in inverno nella stratosfera sotto l’impatto esclusivo dei venti solari, a causa dell’assenza di radiazione solare diretta, specialmente con l’aggiunta di molecole distruttive come il cloro e i CFCs. (Fonte).

Tuttavia, durante la notte polare, questa reazione esotermica è legata ai venti solari, soprattutto quelli rapidi, e contribuisce probabilmente al riscaldamento degli SSW. Questo spiegherebbe l’apparizione improvvisa degli SSW tra i 25 e i 50 km (fino a 65 km per le misurazioni di velocità di Schranz et al. 2020) e la sua sincronia con i picchi di venti rapidi (SCE, 2023). Si osserva un aumento della concentrazione di ozono dopo gli SSR al di sotto dei 20 km.

Il buco dell’ozono

Probabilmente esistono alcune somiglianze funzionali tra il vortice invernale lento e quello veloce. L’Antartide è tipicamente molto veloce e caratterizzata da un buco nell’ozono, centrato all’inizio di ottobre, che scompare in dicembre. Il buco dell’ozono del 2023 è stato guidato al livello della guaina del vento, erodendo la guaina superiore dell’ozono e inducendo temperature estremamente fredde (sotto i -80°C) a partire da luglio 2022, senza però attaccare lo strato alto.

Per il vortice veloce, la reazione di distruzione dell’ozono deve anche verificarsi sotto l’impatto dei venti solari, ma con un’intensità inferiore e senza l’aggiunta del fattore vortice/contro-vortice. La guaina del vento al vortice produce tuttavia una vorticità complementare sotto forma di piccoli anticicloni laterali alla fine dell’inverno. Il buco dell’ozono antartico del 2023 era eccezionalmente grande, si è formato aprendosi dall’alto e alla base. Questo processo è stato promosso alla base da apporti di alogeni, incluso cloro distruttivo come durante l’iniezione della colonna vulcanica di Hunga Tunga il 15/01/22 (Zhu et al., 2023). Il massimo dell’apertura è stato raggiunto il 15/09/23. Analogamente si è verificato per le dimensioni del buco del 1991 (Pinatubo) e del 2010 (Merapi). Data la frequenza delle mega-eruzioni, l’estensione massima del buco si forma probabilmente più in relazione al vulcanismo che ai soli CFCs.

La morfologia del buco antartico (Figura 8) suggerisce un’aspirazione meccanica verso il basso dalla stratosfera superiore e una dissociazione dell’ozono sotto l’effetto del vento solare rapido. Questo è probabilmente il meccanismo principale e logico di formazione del buco dell’ozono (Figura 8), che durante la notte polare è progressivo e culmina in settembre/ottobre (HS; Figure 2 & 9). Questo è mostrato dalle immagini dell’ESA della concentrazione di questo gas nello strato dell’ozono (Copernicus, Figura 10).

È importante notare l’esistenza di grandi tagli di cesoia (frecce, Figura 9), legati alla rotazione del vortice che influenzano la morfologia dello strato di ozono al buco dall’inizio dell’attività di attenuazione che conduce anche a un’iniezione di aria della tropopausa alla sua base. Una concentrazione secondaria di ozono, intensamente cesoiata sopra la guaina del vento del vortice, è anche evidente alla tropopausa. Data la distanza temporale tra l’eruzione di Hunga-Tunga e la sua iniezione di cloro (15/01/22) e la formazione del buco eccezionale del 2023, sarebbe piuttosto l’eccezionale attività solare del 2023 con frequenti venti rapidi a controllare la distruzione dell’ozono.

La Figura 10 mostra un confronto del contenuto di ozono tra il buco dell’ozono antartico durante il solstizio e la sua progressiva degradazione dalla superficie terrestre fino alla stratosfera. Questo grafico fornisce una rappresentazione visiva dettagliata delle variazioni stagionali e spaziali dell’ozono sopra l’Antartide.

1. Struttura dell’Immagine:
   • La mappa è suddivisa in due pannelli distinti con le date del 07/11/2023 e del 20/12/2023, che rappresentano le condizioni prima e durante il picco del buco dell’ozono.
   • L’Antartide è posizionata al centro della mappa, indicata come 90°S, rappresentando il Polo Sud, mentre i capi della mappa si estendono fino all’equatore a 8°W e 172°E.
2. Livelli di Ozono:
   • La scala di colori sul lato destro misura le concentrazioni di ozono in millipascal (mPa). I colori caldi come il rosso e l’arancione indicano alte concentrazioni di ozono, mentre i colori freddi come il blu indicano basse concentrazioni.
   • Il termine “Trou” (buco), chiaramente visibile nella mappa, segnala aree con una significativa perdita di ozono nella stratosfera, particolarmente evidente nella seconda data (20/12/2023).
3. Variazioni Temporali e Verticali:
   • Le immagini illustrano la riduzione del contenuto di ozono verticale, soprattutto nella stratosfera, che va dai 16 ai 30 km di altitudine.
   • Si nota una maggiore degradazione del contenuto di ozono verso la fine dell’anno, il che corrisponde al periodo di massimo sviluppo del buco dell’ozono sopra l’Antartide.
4. Implicazioni Ambientali:
   • Queste osservazioni sono essenziali per capire la distribuzione e le variazioni temporali dell’ozono nell’emisfero sud, specialmente in relazione agli effetti del buco dell’ozono su clima e ambiente.

Questa figura fornisce una visualizzazione importante dell’impoverimento dell’ozono nella regione antartica, evidenziando come questo cambia nel tempo e varia con l’altitudine, offrendo una chiara rappresentazione visiva dell’effetto del buco dell’ozono.

5. IMPLICAZIONI

I vortici HS e HN manifestano un comportamento invernale simile tra i 65 e i 30 km di altitudine. Le differenze principali risiedono nella loro prossimità al sole e alla notte polare durante l’inverno emisferico (vedi Parte I), spiegando così la prevalenza degli SSW (Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi) nell’Artico. Se l’irraggiamento solare (vortice stratosferico) o il vento solare sono troppo deboli, il processo SSW non si innesca. Tuttavia, un vento solare molto veloce non genera SSW se la configurazione dei venti polari non prevede la presenza di un vortice e un contro-vortice adiacente o se la sua velocità è eccessivamente alta.

L’SSW si forma su un vortice lento, quando si è costituito un coppia di vortice/contro-vortice e un picco di vento solare rapido penetra il cono polare, intensificando per effetto Venturi nella stratosfera un riscaldamento accelerato nella zona di contatto tra i due vortici. A circa 30 km di altitudine, la decomposizione dell’ozono sotto l’effetto del vento solare rapido amplifica il riscaldamento improvviso.

6. Dai Vortici ai Getti a Getto Polari

I vortici polari trasferiscono la loro energia cinetica alla stratosfera adiacente, formando vortici secondari che possono evolvere in contro-vortici durante l’inverno emisferico. Il contro-vortice anticiclonico trasmette questa energia dalla base della sua guaina di vento alla tropopausa, inducendo i flussi di corrente troposferici polari sottostanti e ampliandosi sotto i 17 km (Schranz et al. 2020) fino a raggiungere il Circolo Polare Artico e oltre. Questo processo è correlato al repentino aumento del contenuto di vapore acqueo e, quindi, della densità alla tropopausa. Quando la velocità del vortice rallenta, questa trasmissione porta a un raffreddamento della bassa stratosfera e della tropopausa e, a causa dell’attrito, a potenti increspature nel contro-vortice dei getti troposferici a contatto con la troposfera più densa. Questo fenomeno è visibile nell’animazione del vortice antartico (Copernicus).

Questi ultimi contro-vortici costringono nella troposfera discese polari di aria antciclonica fredda e pesante all’interno della troposfera, spinte dal getto polare. Questi sono i futuri Anticicloni Mobili Polari (AMP) (Leroux, 1993; SCE, 2023). Questo a sua volta induce iniezioni di aria tropicale di bassa pressione verso i poli, ondate di calore e, di conseguenza, controlla il nostro clima. La velocità dei getti troposferici è attenuata vicino alla superficie terrestre, modulata dalle onde planetarie della Terra dalla rugosità della topografia continentale, ma non da quella oceanica.

D’altra parte, il getto polare troposferico è normalmente veloce quanto il suo equivalente stratosferico sotto la tropopausa. Questo mantiene l’aria più fredda nel Circolo Polare Artico, creando condizioni più temperate per la bassa troposfera su gran parte degli Stati Uniti o dell’Europa (escluso il vortice). Il calore accumulato al centro del contro-vortice, riscaldato da un SSW, poi migra verso la tropopausa, da metà ottobre a dicembre, iniettando tramite la base di un vortice rallentato il suo calore residuo. Questo può anche essere la conseguenza dell’effetto shock del vento solare, nella zona polare responsabile della generazione e dell’increspatura del getto troposferico polare. La durata del riscaldamento è probabilmente l’effetto compensativo del lento vento solare associato, che penetra direttamente nel contro-vortice 3 giorni dopo, ma era anche temporaneamente immagazzinato per più di un mese nelle cinture radioattive di Van Halen.

Conclusioni Generali

Gli episodi di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW) sono responsabili del riscaldamento transitorio dei vortici, che si verifica durante i periodi di forte insolazione solare. Questo fenomeno si manifesta quando un getto di vento solare rapido penetra nei coni polari, seguendo un’eiezione di massa coronale solare (SCME), e un contro-vortice anticiclonico si unisce al vortice artico o antartico. Sembra evidente un contributo significativo della distruzione dell’ozono. Non esistono prove valide dell’impatto delle onde di gravità in questo processo.

Questi riscaldamenti, che possono durare da 2 a 4 mesi, possono essere la causa di ondate di calore o di episodi maggiori con impatti climatici significativi. Secondo i dati del berillio-10, queste eiezioni di SCME sono state responsabili di importanti riscaldamenti troposferici che hanno causato episodi di deglaciazione a 14.300 ka BP e 12.400 ka BP (Van Geel e Ziegler, 2013; Bard et al. 2023). Questo suggerisce che i fenomeni RSS siano associati a un’attività solare particolarmente elevata, almeno all’inizio degli interglaciali.

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