Segni di un indebolimento della circolazione di ribaltamento dell’Atlantico

Segni di un indebolimento della circolazione di ribaltamento dell’Atlantico

La circolazione meridionale di ribaltamento dell’Atlantico (AMOC), un sistema di correnti oceaniche nel Nord Atlantico, influisce notevolmente sul clima, ma la sua evoluzione nell’era industriale è poco chiara a causa della scarsità di misurazioni dirette. Qui presentiamo evidenze di un indebolimento dell’AMOC di circa 3 ± 1 sverdrup (pari a circa il 15%) dalla metà del XX secolo. Questo declino emerge da un’impronta distintiva, sia spaziale che stagionale, della temperatura superficiale del mare, caratterizzata da un raffreddamento nell’Atlantico subpolare e un riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo. Tale impronta è stata calibrata tramite simulazioni modellistiche del progetto CMIP5. Riscontriamo questo schema sia in un modello climatico ad alta risoluzione, in risposta all’aumento delle concentrazioni di anidride carbonica, sia nelle tendenze termiche osservate dalla fine del XIX secolo. Il fenomeno è attribuibile a un rallentamento dell’AMOC, a una riduzione del trasporto di calore verso nord e a uno spostamento verso nord della Corrente del Golfo. Confronti con misurazioni recenti del progetto RAPID e altri studi confermano un’AMOC ai minimi storici negli ultimi anni.

Segni di un declino della circolazione di ribaltamento dell’Atlantico e sue implicazioni climatiche globali

La circolazione meridionale di ribaltamento dell’Atlantico (AMOC), un fondamentale sistema di correnti oceaniche che opera nell’Atlantico settentrionale, svolge un ruolo cruciale nella ridistribuzione del calore a livello planetario, esercitando un’influenza determinante sui pattern climatici globali. Si tratta di un sistema intrinsecamente non lineare, caratterizzato da una soglia critica che dipende da un complesso equilibrio tra gli effetti della temperatura e della salinità sulla densità dell’acqua marina. L’AMOC è riconosciuta come uno dei principali elementi di tipping point del sistema climatico terrestre, con la capacità di innescare cambiamenti climatici abrupt e di vasta portata. Durante il periodo Quaternario, che abbraccia gli ultimi 2,6 milioni di anni, le variazioni nell’intensità dell’AMOC hanno determinato alcune delle più rapide e marcate transizioni climatiche registrate nella storia geologica. Questi cambiamenti non si sono limitati a influenzare il Nord Atlantico e le regioni terrestri adiacenti, ma hanno prodotto effetti su scala globale, come lo spostamento verso sud della fascia delle precipitazioni tropicali e il riscaldamento dell’Oceano Meridionale e dell’Antartide, un fenomeno noto come risposta a “bilanciere” climatico.

Considerata la potenziale gravità delle conseguenze derivanti da un’alterazione significativa dell’AMOC, risulta essenziale approfondire la comprensione della sua risposta al riscaldamento globale di origine antropogenica. Le misurazioni dirette e continue dell’AMOC, disponibili solo a partire da poco più di un decennio, sono probabilmente dominate dalla variabilità naturale di breve periodo e non consentono di trarre conclusioni definitive sull’evoluzione a lungo termine del sistema. Di conseguenza, per ricostruire la traiettoria storica dell’AMOC è necessario ricorrere a indicatori indiretti, come le variazioni della temperatura superficiale del mare (SST). Studi recenti hanno evidenziato una tendenza al raffreddamento nell’Atlantico subpolare a partire dall’inizio del XX secolo, suggerendo un possibile rallentamento dell’AMOC nel corso di questo periodo. Tuttavia, è stata avanzata l’ipotesi alternativa che tale raffreddamento possa essere attribuito a meccanismi differenti, come l’aumento del carico di aerosol atmosferici, che potrebbero aver contribuito a modulare le temperature oceaniche in questa regione.

In questo studio, ci avvaliamo dei risultati più recenti ottenuti da modelli climatici ad alta risoluzione per identificare un’impronta caratteristica delle temperature superficiali marine (SST), definita da un pattern distintivo che combina un raffreddamento nella regione del giro subpolare con un riscaldamento nella zona della Corrente del Golfo. Nel contesto del modello climatico, questa impronta è associata a una riduzione dell’intensità dell’AMOC, indotta dall’aumento delle concentrazioni atmosferiche di anidride carbonica (CO2). Procediamo quindi al confronto di questa impronta con l’evoluzione osservata delle SST a partire dalla fine del XIX secolo, incorporando un’analisi dettagliata del ciclo stagionale per migliorare la robustezza delle nostre conclusioni. Utilizziamo l’ensemble di simulazioni climatiche del Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) per testare e calibrare un indice AMOC aggiornato, che consente di ricostruire l’evoluzione della circolazione nel periodo compreso tra il 1870 e il 2016. I risultati indicano che questo indice raggiunge valori minimi senza precedenti negli ultimi anni, evidenziando un indebolimento record dell’AMOC. Inoltre, per i periodi in cui sono disponibili dati di confronto, l’indice risulta coerente con le misurazioni dirette effettuate nell’ambito del progetto RAPID, con i dati di reanalisi dell’AMOC disponibili a partire dal 1995 e con le conclusioni di altri studi indipendenti sull’AMOC, rafforzando così l’affidabilità della nostra ricostruzione e sottolineando la portata del declino in corso.

Analisi comparativa tra simulazioni climatiche e osservazioni delle temperature superficiali marine

Per questo studio, abbiamo impiegato il modello climatico globale accoppiato CM2.6, caratterizzato da un’elevata risoluzione orizzontale, pari a circa 50 km per l’atmosfera e 10 km per l’oceano (si rimanda alla sezione Metodi per dettagli). L’alta risoluzione oceanica risulta fondamentale per l’analisi delle temperature superficiali marine (SST), poiché contribuisce a minimizzare le distorsioni sistematiche a livello regionale. Questo modello è in grado di risolvere i vortici oceanici di mesoscala e offre una rappresentazione più accurata della Corrente del Golfo rispetto a modelli a risoluzione inferiore. In particolare, il CM2.6 elimina quasi completamente un errore sistematico nel punto di distacco della Corrente del Golfo dalla costa orientale degli Stati Uniti, che nei modelli climatici a risoluzione più bassa, valutati dal Gruppo Intergovernativo sui Cambiamenti Climatici (IPCC), genera una distorsione di temperatura calda e salinità elevata lungo la piattaforma continentale. Dopo un opportuno periodo di stabilizzazione del modello, sono state condotte due simulazioni: una simulazione di controllo della durata di 80 anni, con concentrazioni di CO2 atmosferica mantenute costanti al livello del 1860, e una simulazione sperimentale in cui la concentrazione di CO2 aumenta dell’1% annuo per 70 anni fino a raggiungere il doppio del valore iniziale, per poi rimanere costante a tale livello per ulteriori 10 anni.

La Figura 1 illustra la tendenza lineare delle SST derivata dall’esperimento di “raddoppio della CO2” e dalla simulazione di controllo, confrontata con la tendenza osservata nel periodo 1870–2016. A causa dei notevoli costi computazionali del modello CM2.6, non sono state effettuate simulazioni con forzanti storiche né studi di ensemble. Il pattern di tendenza delle SST osservate risulta robusto rispetto alla scelta dell’intervallo temporale utilizzato per il calcolo della tendenza lineare (si veda la Figura Estesa 1). Dalla Figura 1 emerge che la simulazione di controllo è pressoché priva di tendenze significative nelle SST, mentre il pattern di tendenza delle SST osservate mostra somiglianze con quello ottenuto nell’esperimento di raddoppio della CO2. Per tener conto del riscaldamento globale delle SST, che nell’esperimento modellistico è circa quattro volte più intenso rispetto alle osservazioni, nella Figura 2 i pattern di tendenza sono stati normalizzati dividendo per la media globale delle SST, al fine di uniformare l’ampiezza delle variazioni. Una rappresentazione globale di tali tendenze è riportata nella Figura Estesa 2.

Il confronto tra i pattern di tendenza delle SST normalizzati, sia modellistici che osservati (Figura 2), rivela una straordinaria corrispondenza, particolarmente evidente nell’Atlantico settentrionale, la regione dove le variazioni dell’AMOC esercitano un’influenza predominante sulle SST. Entrambi i pattern evidenziano un’area di riscaldamento inferiore alla media globale (tendenza normalizzata < 1) o di raffreddamento (tendenza normalizzata < 0) nella regione del giro subpolare. Questa anomalia termica è associata a una riduzione dell’intensità dell’AMOC di circa 4 sverdrup (Sv; 1 Sv = 106 m3 s−1), come previsto dalla simulazione CM2.6 (si veda la Figura 3), accompagnata da una diminuzione del trasporto di calore verso tale regione. Parallelamente, si osserva un riscaldamento superiore alla media (tendenza normalizzata > 1) nella zona della Corrente del Golfo, con un’amplificazione che può raggiungere un fattore di quattro o cinque rispetto al riscaldamento medio globale (per la definizione delle regioni, si veda l’inserto della Figura 3). La tendenza mediana nella regione del giro subpolare si colloca al terzo percentile delle tendenze nei dati osservativi e al primo percentile nel modello, mentre le tendenze mediane nella regione della Corrente del Golfo si posizionano al 96° e 98° percentile, rispettivamente, nei dati osservativi e nel modello (si rimanda alla sezione Metodi e alla Figura Estesa 3). La combinazione di queste caratteristiche è definita come l’impronta dell’AMOC, in quanto entrambi i segnali possono essere fisicamente ricondotti a variazioni nella dinamica dell’AMOC.

Sebbene l’anomalia fredda nella regione del giro subpolare sia stata precedentemente associata a un rallentamento dell’AMOC ed è presente nelle simulazioni CMIP5, in questo studio si è riusciti a correlare il marcato riscaldamento osservato lungo la costa nord-orientale degli Stati Uniti a uno spostamento verso nord e verso la costa della Corrente del Golfo, attribuibile a un indebolimento dell’AMOC (si veda la Figura Estesa 4a). Al contrario, uno spostamento verso sud della Corrente del Golfo è stato documentato in simulazioni modellistiche idealizzate in cui l’AMOC è stata intenzionalmente rafforzata attraverso l’imposizione di un’anomalia di densità nel flusso profondo proveniente dai Mari Nordici, che alimenta il ramo inferiore dell’AMOC, noto come corrente di confine occidentale profonda (DWBC).Il meccanismo fisico che regola l’interazione tra la corrente di confine occidentale profonda (DWBC) e la Corrente del Golfo nel loro punto di incrocio rappresenta un processo consolidato, supportato sia dalla teoria che da modelli concettuali e complessi. Tale meccanismo deriva dalla conservazione della vorticità su una sfera rotante. Nel punto di incrocio, il flusso discendente della DWBC provoca un allungamento dei vortici, che deve essere compensato più in alto nella colonna d’acqua. Questo fenomeno porta alla formazione di un giro di ricircolazione settentrionale, il quale influenza la separazione della Corrente del Golfo dalla costa orientale degli Stati Uniti. Un rafforzamento del flusso della DWBC intensifica il giro di ricircolazione, spostando verso sud il punto di separazione della Corrente del Golfo. Poiché questa corrente trasporta acqua calda, tale dinamica si manifesta nelle variazioni delle temperature superficiali marine (SST). Per un’analisi più approfondita di questo meccanismo, si rimanda alla sezione Metodi.

Questo processo fisico spiega anche l’assenza di tale segnale nei modelli climatici con risoluzione oceanica più bassa, inclusi quelli simili al CM2.6 ma con una componente oceanica meno dettagliata. Solo un modello ad alta risoluzione riesce a rappresentare accuratamente la formazione del giro di ricircolazione settentrionale e, di conseguenza, la corretta posizione di separazione costiera della Corrente del Golfo. Questa rappresentazione è essenziale per simulare gli spostamenti della Corrente del Golfo indotti da variazioni nell’intensità della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC). Lo spostamento verso nord delle acque calde della Corrente del Golfo genera un riscaldamento anomalo lungo la costa statunitense, accompagnato da un raffreddamento a sud di questa zona, come evidenziato da un’area di temperature inferiori nella simulazione CM2.6 (si veda la Figura 2). Un ulteriore indicatore dello spostamento verso nord della Corrente del Golfo nel modello CM2.6 è l’aumento delle temperature del fondo oceanico sulla piattaforma continentale, particolarmente marcato nel Golfo del Maine, attribuibile al ritiro verso il polo della Corrente del Labrador in risposta a tale spostamento. Questa componente calda dell’impronta dell’AMOC non può essere attribuita all’effetto di ombreggiatura degli aerosol. Analogamente, il raffreddamento osservato nella regione del giro subpolare nel modello CM2.6 non è riconducibile agli aerosol, poiché la risposta simulata è guidata esclusivamente dall’aumento della CO2, senza forzanti aerosol prescritte. Ciò rafforza gli argomenti contro l’ipotesi che gli aerosol siano la causa principale di queste anomalie termiche.

L’impronta di un rallentamento dell’AMOC è stata ricercata in sette dataset osservativi delle SST (si veda la Figura Estesa 5). Tutti i dataset evidenziano la presenza di una zona fredda nell’Atlantico subpolare e, in misura variabile, un riscaldamento accentuato nelle vicinanze della costa della Corrente del Golfo. Tuttavia, il segnale di raffreddamento più debole a sud della zona di riscaldamento non è rilevabile nella maggior parte dei dataset osservativi, ad eccezione dei dati COBE (si veda la Figura Estesa 5). Questa discrepanza potrebbe essere dovuta alla risoluzione spaziale limitata dei prodotti osservativi o al declino più moderato dell’AMOC nelle osservazioni rispetto alla simulazione modellistica. I dataset differiscono per le fonti di dati utilizzate e per i metodi di omogeneizzazione, correzione delle distorsioni, media e interpolazione, che influenzano la conservazione delle strutture spaziali e temporali (si veda la Tabella Estesa 1). Ad esempio, i dati ERSST privilegiano la conservazione della struttura temporale, mentre i dati HadISST si concentrano sulla struttura spaziale. Poiché l’interesse di questo studio è rivolto al pattern spaziale delle tendenze a lungo termine, nella Figura 2 sono stati utilizzati i dati HadISST, che offrono un’ottima combinazione di risoluzione spaziale (1,0 × 1,0 gradi), preservazione della struttura spaziale e controllo di qualità.

Si osserva che le regioni dell’Oceano Artico coperte da ghiaccio marino non presentano tendenze significative nelle temperature, coerentemente con l’ipotesi che le SST in queste aree rimangano vicine al punto di congelamento. Nelle osservazioni, questa zona priva di riscaldamento è attraversata da una linea che indica il ritiro del margine del ghiaccio marino (Figura 2). Le connessioni tra l’AMOC nell’Atlantico aperto e il flusso verso nord delle acque atlantiche oltre l’Islanda richiedono ulteriori approfondimenti, ma esulano dall’obiettivo di questo studio.

Infine, sia il modello che le osservazioni mostrano un riscaldamento superiore alla media nell’Atlantico meridionale, in linea con l’effetto a “bilanciere” termico associato a un declino dell’AMOC, che comporta una riduzione del trasporto di calore oceanico verso nord attraverso l’equatore. Le osservazioni rivelano un riscaldamento particolarmente pronunciato lungo la Corrente di Benguela e la sua estensione verso nord nel Golfo di Guinea. Questo pattern è una risposta comune nei modelli climatici a un indebolimento dell’AMOC, legata a una diminuzione del flusso verso nord, ma non è riprodotto nelle simulazioni CM2.6. Tale discrepanza potrebbe derivare dalla rappresentazione modellistica dell’AMOC o della circolazione guidata dai venti nell’Atlantico meridionale, un aspetto che necessita di ulteriori indagini.

La Figura 1 offre un’analisi comparativa dettagliata delle tendenze delle temperature superficiali marine (SST, Sea Surface Temperature) derivanti da simulazioni modellistiche e da dati osservativi, con l’obiettivo di esplorare gli effetti di un raddoppio della concentrazione di anidride carbonica (CO2) atmosferica e di confrontarli con le variazioni storiche. La figura è strutturata in tre pannelli distinti, ciascuno dei quali rappresenta un diverso scenario o dataset, consentendo un’analisi sistematica delle dinamiche termiche oceaniche.

Il pannello di sinistra presenta le tendenze lineari delle SST ottenute tramite il modello climatico accoppiato CM2.6, sviluppato dal Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL). Questo pannello illustra i risultati di un esperimento di raddoppio della CO2, in cui la concentrazione atmosferica di CO2 viene incrementata gradualmente fino a raggiungere il doppio del valore iniziale. Le tendenze sono espresse in gradi Kelvin (K) per secolo, con una scala che si estende da -9 a +9 K, evidenziando variazioni termiche significative a livello globale. Nel dettaglio, si osservano regioni di raffreddamento pronunciato (rappresentate da tonalità blu) e di riscaldamento intenso (rappresentate da tonalità rosse), con un focus particolare sull’Atlantico settentrionale, dove il modello cattura gli effetti di un aumento forzante antropogenico sulla circolazione oceanica e sul trasporto di calore.

Il pannello centrale riporta i risultati della simulazione di controllo del modello CM2.6, caratterizzata da concentrazioni di CO2 mantenute costanti al livello preindustriale del 1860. In questo scenario, le tendenze delle SST sono minime, con una scala che varia da -3 a +3 K, indicando un’assenza sostanziale di forzanti climatici significativi. Questa configurazione serve come riferimento per isolare gli effetti del raddoppio della CO2, dimostrando che, in assenza di variazioni nelle concentrazioni di gas serra, il sistema oceanico-atmosferico rimane in uno stato di equilibrio termico con fluttuazioni trascurabili.

Il pannello di destra, invece, si basa sui dati osservativi delle SST raccolti nel dataset HadISST, coprendo il periodo storico dal 1870 al 2016. La scala di variazione termica in questo caso è più contenuta, oscillando tra -2 e +2 K, riflettendo un aumento della temperatura globale meno marcato rispetto allo scenario modellistico di raddoppio della CO2. Il pattern osservato mostra un raffreddamento nell’Atlantico subpolare e un riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo, suggerendo una possibile correlazione con un indebolimento della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC) nel contesto delle forzanti climatiche storiche. L’analisi è stata condotta considerando specificamente la stagione novembre-maggio, un intervallo temporale selezionato per catturare le dinamiche stagionali rilevanti.

Un elemento cruciale della figura è la differenza nelle scale di colore tra i pannelli, che riflette le diverse intensità delle forzanti di CO2. Nell’esperimento modellistico, il raddoppio rapido della CO2 produce un segnale termico amplificato, mentre i dati osservativi rispecchiano un incremento graduale delle concentrazioni di CO2 nell’atmosfera nel corso di oltre un secolo. Questa discrepanza sottolinea la natura ideale dello scenario modellistico rispetto alla complessità delle forzanti reali, che includono non solo la CO2 ma anche altri fattori antropogenici e naturali. Il confronto tra i pattern modellistici e osservativi evidenzia una somiglianza qualitativa, particolarmente nell’Atlantico settentrionale, dove le variazioni termiche sono più sensibili alle dinamiche dell’AMOC, fornendo una base per ulteriori indagini sulle risposte del sistema climatico a cambiamenti antropogenici.

La Figura 2 fornisce un’analisi dettagliata e comparativa delle tendenze delle temperature superficiali marine (SST, Sea Surface Temperature) normalizzate, derivanti sia da un esperimento modellistico che da dati osservativi, al fine di esaminare le variazioni termiche indotte da un raddoppio della concentrazione di anidride carbonica (CO2) atmosferica e di confrontarle con i pattern storici. La rappresentazione grafica è strutturata in due pannelli principali, ciascuno associato a un distinto set di dati, con una scala normalizzata che permette di confrontare in modo efficace le distribuzioni spaziali delle anomalie termiche su scala globale.

Il pannello di sinistra presenta le tendenze lineari delle SST normalizzate ottenute mediante il modello climatico CM2.6, sviluppato dal Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL). Questo pannello riflette i risultati di un esperimento di raddoppio della CO2, in cui la concentrazione atmosferica del gas serra viene incrementata fino a raggiungere il doppio del valore di riferimento. Le tendenze sono espresse come rapporto tra la variazione locale delle SST e la tendenza media globale delle SST, con una scala che si estende da -3 a +5. Le regioni caratterizzate da raffreddamento o da un riscaldamento inferiore alla media globale sono rappresentate in tonalità blu, mentre quelle con un riscaldamento superiore alla media sono indicate in tonalità rosse. Nell’Atlantico settentrionale, emerge un pattern distintivo che include un’area di raffreddamento nel giro subpolare e un riscaldamento marcato nella regione della Corrente del Golfo, suggerendo una possibile risposta dell’AMOC (circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico) a un aumento forzante antropogenico significativo.

Il pannello di destra illustra le tendenze normalizzate delle SST derivate dai dati osservativi del dataset HadISST, coprenti un lungo periodo storico. Anche in questo caso, la scala varia da -3 a +5, mantenendo la stessa convenzione cromatica: blu per aree di raffreddamento o riscaldamento sotto la media globale, e rosso per aree di riscaldamento sopra la media. Il pattern osservato mostra una somiglianza qualitativa con quello modellistico, con un’area di raffreddamento nell’Atlantico subpolare e un incremento termico nella zona della Corrente del Golfo, sebbene l’ampiezza delle variazioni sia complessivamente più contenuta. Questa differenza riflette l’impatto di forzanti climatiche storiche, caratterizzate da un aumento graduale della CO2, rispetto allo scenario ideale del modello, dove il cambiamento è indotto in modo controllato e accelerato.

Dal punto di vista metodologico, entrambi i set di dati sono stati sottoposti a un processo di normalizzazione, dividendo le tendenze locali per la rispettiva tendenza media globale delle SST. Tale approccio consente di isolare i pattern spaziali delle anomalie termiche, rendendo possibile un confronto diretto tra simulazioni e osservazioni indipendentemente dall’intensità complessiva del riscaldamento. L’analisi è stata condotta utilizzando esclusivamente i dati relativi alla stagione novembre-maggio, un intervallo temporale selezionato per catturare le dinamiche oceaniche e atmosferiche più rilevanti per lo studio delle interazioni tra AMOC e clima. La normalizzazione evidenzia che l’esperimento modellistico, caratterizzato da un raddoppio rapido della CO2, genera un segnale termico più pronunciato rispetto ai dati osservativi, dove le variazioni sono modulate dalla presenza di forzanti multiple e dalla variabilità naturale. Di conseguenza, il rapporto segnale-rumore (signal-to-noise ratio) delle tendenze modellistiche risulta notevolmente superiore a quello delle osservazioni, riflettendo una maggiore definizione nei pattern indotti dall’esperimento controllato rispetto alla complessità e alla noise intrinseca dei dati osservativi storici.

La Figura 3 offre un’analisi temporale dettagliata delle anomalie delle temperature superficiali marine (SST, Sea Surface Temperature) e della forza della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC) all’interno del modello climatico CM2.6, con l’intento di indagare le interazioni tra queste variabili in un contesto di raddoppio della concentrazione di anidride carbonica (CO2) atmosferica. La rappresentazione grafica integra un grafico delle serie temporali con un’inserto geografico che delinea le regioni di studio, fornendo una base spaziale per l’interpretazione dei dati.

L’inserto cartografico presenta una proiezione globale in cui sono evidenziate due aree chiave: la regione del giro subpolare (sg, indicata in blu scuro), situata nell’Atlantico settentrionale, e la regione della Corrente del Golfo (gs, indicata in rosso), localizzata lungo la costa orientale del Nord America. Queste regioni sono state selezionate per monitorare le anomalie delle SST, con i dettagli della loro definizione riportati nella sezione Metodi, garantendo una delimitazione precisa per l’analisi.

Il grafico principale espone le serie temporali delle anomalie delle SST, calcolate rispetto alla media globale delle SST, per le due regioni menzionate, nel corso di un esperimento di raddoppio della CO2 rispetto alla simulazione di controllo del modello CM2.6. L’asse verticale sinistro quantifica le anomalie delle SST in gradi Kelvin (K), con un intervallo che si estende da -1,5 a +2 K, mentre l’asse verticale destro misura l’anomalia del tasso di ribaltamento dell’AMOC in sverdrup (Sv), con un range che va da -6 a +8 Sv. L’asse orizzontale rappresenta la progressione temporale all’interno del modello, coprendo un intervallo di 80 anni.

Le linee sottili nel grafico illustrano i dati annuali delle anomalie delle SST, limitati alla stagione novembre-maggio, evidenziando la variabilità interannuale. La linea blu scuro, associata alla regione del giro subpolare, mostra valori prevalentemente negativi o prossimi allo zero, suggerendo un raffreddamento relativo rispetto alla media globale. Al contrario, la linea rossa, corrispondente alla regione della Corrente del Golfo, presenta un incremento progressivo delle anomalie, indicando un riscaldamento significativo nel tempo. Le linee spesse, ottenute mediante un filtro di livellamento locale ponderato (LOWESS) su un intervallo di 20 anni, attenuano le fluttuazioni a breve termine, rivelando tendenze a lungo termine che confermano il raffreddamento nel giro subpolare e il riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo.

Parallelamente, la linea azzurra chiara traccia l’anomalia del tasso di ribaltamento dell’AMOC rispetto alla simulazione di controllo, mostrando una tendenza decrescente che porta i valori a scendere sotto lo zero, fino a raggiungere circa -4 Sv. Questa diminuzione indica un progressivo indebolimento della circolazione oceanica, coerente con le variazioni termiche osservate. Inoltre, attraverso l’utilizzo dell’ensemble di simulazioni CMIP5, è stato stabilito un fattore di conversione di 3,8 Sv K⁻¹ che collega l’anomalia delle SST all’anomalia dell’AMOC, offrendo una quantificazione della relazione tra i cambiamenti termici superficiali e le dinamiche della circolazione profonda.

In sintesi, la figura dimostra che, nell’ambito del modello CM2.6, l’aumento della CO2 fino al raddoppio induce un pattern termico caratterizzato da un raffreddamento nel giro subpolare e un riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo, associato a un declino dell’AMOC, con una correlazione quantificabile attraverso il fattore di conversione determinato.

La Figura 4 fornisce un’analisi approfondita della variazione stagionale delle tendenze delle temperature superficiali marine (SST, Sea Surface Temperature) normalizzate nella regione del giro subpolare, offrendo un confronto sistematico tra i risultati del modello climatico CM2.6 e i dati osservativi derivati dal dataset HadISST. L’obiettivo principale è quello di caratterizzare le dinamiche termiche stagionali in questa area dell’Atlantico settentrionale, nota per la sua sensibilità alle variazioni della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC), e di valutarne la coerenza tra simulazioni modellistiche e osservazioni.

Il grafico centrale presenta l’andamento stagionale delle tendenze delle SST normalizzate, con l’asse verticale che misura il rapporto tra la tendenza locale delle SST nella regione del giro subpolare (sg) e la tendenza media globale delle SST. Un valore di 1 su questa scala corrisponde al riscaldamento medio globale annuo, fungendo da riferimento per valutare le anomalie regionali. L’asse orizzontale è strutturato per rappresentare i dodici mesi dell’anno, da gennaio a dicembre, permettendo un’analisi temporale dettagliata delle variazioni stagionali. Due serie di dati sono riportate per la regione del giro subpolare: la tendenza normalizzata derivata dal modello CM2.6, tracciata in blu chiaro, e quella ottenuta dai dati HadISST, rappresentata in blu scuro. Entrambe le curve si mantengono costantemente al di sotto del valore di 1 per tutto l’arco dell’anno, indicando che le tendenze di riscaldamento nella regione del giro subpolare sono sistematicamente inferiori alla media globale, con un pattern che suggerisce un raffreddamento relativo o un incremento termico attenuato.

Parallelamente, il grafico include le tendenze normalizzate delle SST medie globali, calcolate sia per il modello CM2.6 (in verde chiaro) che per i dati HadISST (in verde scuro). Queste linee si stabilizzano attorno al valore di 1 per l’intero ciclo annuale, riflettendo una distribuzione termica globale più omogenea e coerente con il riscaldamento medio annuo, in contrasto con le fluttuazioni regionali osservate nel giro subpolare. La differenza tra le tendenze locali nel giro subpolare e quelle globali è quantificata numericamente lungo l’asse x, con valori riportati per il modello CM2.6 (in grigio chiaro) e per i dati HadISST (in grigio scuro), evidenziando le discrepanze stagionali tra le due serie.

L’analisi stagionale rivela una variabilità significativa nelle tendenze delle SST nel giro subpolare, con i valori minimi registrati durante i mesi più freddi, specificamente da novembre a marzo. Questo minimo è accentuato da frecce che indicano i punti di deviazione più marcata rispetto alla tendenza globale, suggerendo che il raffreddamento relativo o la soppressione del riscaldamento siano più pronunciati durante la stagione invernale. Tale pattern è coerente sia nei dati modellistici che in quelli osservativi, sebbene le ampiezze e i dettagli delle fluttuazioni possano variare leggermente tra i due set di dati. La riduzione delle tendenze di riscaldamento nel giro subpolare rispetto alla media globale persiste per tutto l’anno, ma raggiunge il suo apice durante il periodo freddo, riflettendo una dinamica termica che potrebbe essere influenzata da processi oceanici, come un possibile indebolimento dell’AMOC.

In sintesi, la Figura 4 mette in evidenza un’anomalia stagionale nelle tendenze delle SST nella regione del giro subpolare, caratterizzata da un raffreddamento relativo o da un riscaldamento significativamente inferiore rispetto alla media globale, con un’intensità massima durante i mesi invernali. Questo comportamento è riprodotto con buona approssimazione sia dal modello CM2.6 che dai dati HadISST, fornendo una base solida per ulteriori indagini sulle interazioni tra forzanti climatiche e dinamiche oceaniche in questa regione critica.

La Figura 5 espone i risultati di un’analisi di regressione condotta sull’ensemble di modelli climatici CMIP5, volta a esplorare la relazione tra il declino simulato della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC) e un indice AMOC derivato dalle anomalie delle temperature superficiali marine (SST, Sea Surface Temperature). Questa rappresentazione grafica integra dati storici con estensioni basate su scenari futuri, offrendo un quadro dettagliato delle interazioni tra forzanti climatiche e dinamiche oceaniche.

Il grafico principale è strutturato con l’asse orizzontale che quantifica la variazione dell’indice AMOC basato sulle SST, calcolato sui dati della stagione novembre-maggio, espressa in gradi Kelvin (K) per secolo, con un intervallo che si estende da -0,8 a +0,2 K. L’asse verticale misura l’anomalia del tasso di ribaltamento dell’AMOC per secolo, indicata in sverdrup (Sv) per secolo, con un range che va da -2,5 a +0,5 Sv. Ogni punto rappresentato nel grafico corrisponde a un modello specifico dell’ensemble CMIP5, identificato da simboli colorati che ne facilitano la distinzione. Tra i modelli inclusi figurano CanESM2, CCSM4, CESM1-BGC, CESM1-CAM5, CESM1-CAM5-1-FV2, CNRM-CM5, GFDL-ESM2M, GISS-E2-R, INMCM4, MPI-ESM-LR, MPI-ESM-MR, MRI-CGCM3, MRI-ESM1, NorESM1-M, e NorESM1-ME. Tuttavia, tre di questi modelli (GFDL-ESM2M, GISS-E2-R, e INMCM4), contrassegnati in grigio, sono stati esclusi dall’analisi di regressione a causa di una rappresentazione dell’AMOC ritenuta irrealistica, come dettagliato nella sezione Metodi, riducendo il campione attivo a 12 modelli.

La linea di regressione ortogonale, tracciata in nero, attraversa i dati con una pendenza stimata di 3,8 ± 0,5 Sv K⁻¹, accompagnata da un coefficiente di determinazione (R²) pari a 0,95, che denota una correlazione lineare estremamente forte tra la variazione dell’indice AMOC basato sulle SST e il declino effettivo dell’AMOC. L’area grigia che delimita la linea rappresenta l’intervallo di confidenza al 95% (2σ), fornendo una misura dell’incertezza statistica associata alla regressione e rafforzando la robustezza dei risultati. L’analisi si basa su simulazioni di modelli climatici storici che coprono un periodo esteso, integrate con proiezioni derivate dallo scenario RCP8.5 per completare la serie temporale fino a includere dati più recenti.

Dal punto di vista metodologico, i dati SST utilizzati sono stati aggregati sulla base della stagione novembre-maggio, un intervallo selezionato per catturare le dinamiche annuali più rappresentative dell’AMOC. La regressione ortogonale, applicata a 12 modelli, è stata preferita per minimizzare gli effetti di errori bidirezionali, assicurando una stima equilibrata della relazione tra le variabili. La pendenza positiva della regressione indica che un incremento delle anomalie delle SST (riflesso da valori negativi dell’indice AMOC) è associato a una riduzione del tasso di ribaltamento dell’AMOC (valori negativi dell’anomalia), con una sensibilità stimata di circa 3,8 Sv per ogni grado Kelvin di variazione termica.

In sintesi, la Figura 5 illustra una correlazione altamente significativa tra le tendenze delle SST e il declino dell’AMOC all’interno dell’ensemble CMIP5, supportata da un’elevata statistica di affidabilità (R² = 0,95) e da un intervallo di confidenza che convalida la consistenza dell’analisi. L’esclusione di modelli con rappresentazioni non realistiche dell’AMOC rafforza la qualità dei risultati, suggerendo che le anomalie delle SST possano costituire un indicatore affidabile per monitorare le variazioni della circolazione oceanica in un contesto di cambiamento climatico.

La zona fredda subpolare come indicatore della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC)

La temperatura superficiale nella regione del giro subpolare, valutata in relazione alla tendenza termica su scala globale, è stata avanzata come un potenziale indicatore per monitorare le variazioni a lungo termine dell’AMOC, un sistema cruciale per la dinamica climatica oceanica. In questo studio, ci proponiamo di sottoporre tale ipotesi a un’analisi rigorosa e di raffinarne ulteriormente il concetto. La Figura 4 mette a confronto il ciclo stagionale della tendenza lineare delle temperature superficiali marine (SST) nella regione del giro subpolare, derivata dai dati osservativi del dataset HadISST a partire dall’epoca preindustriale, con i risultati di un esperimento modellistico di raddoppio della concentrazione di anidride carbonica (CO2) della durata di 80 anni. I risultati evidenziano che il raffreddamento relativo, misurato rispetto alla media globale delle SST, raggiunge la sua massima intensità durante i mesi invernali e primaverili. Tale osservazione è coerente con l’ipotesi che il raffreddamento relativo in questa regione sia attribuibile a un rallentamento dell’AMOC, un processo fondamentalmente guidato dalle dinamiche oceaniche piuttosto che da forzanti atmosferiche superficiali. Durante la stagione estiva, la formazione di uno strato misto superficiale poco profondo modifica questa dinamica: tale strato, essendo più sensibile alle forzanti superficiali che all’advezione termica orizzontale, tende a mascherare la zona fredda sottostante, coprendola con un livello superficiale più caldo. Questo pattern termico occultato riemerge tipicamente con l’inizio dell’autunno, quando le condizioni oceaniche favoriscono nuovamente la visibilità della anomalia termica.

Sulla base di questa caratterizzazione stagionale, nella Figura 2 vengono presentate le tendenze lineari delle SST calcolate per il periodo che va da novembre a maggio, un intervallo temporale selezionato per ottimizzare l’analisi. Di seguito, proponiamo un indice AMOC perfezionato, anch’esso basato su questi mesi specifici, che offre un rapporto segnale-rumore superiore rispetto a quello derivante dall’utilizzo di dati annuali aggregati. Tale miglioramento nella qualità del segnale riflette la maggiore rappresentatività delle dinamiche invernali e primaverili per la rilevazione delle variazioni dell’AMOC. È importante notare che il pattern distintivo dell’impronta termica associata all’AMOC non risulta sensibile alla specifica scelta dei mesi invernali e primaverili considerati, come dimostrato dalle tendenze lineari calcolate sui dati annuali, riportate nella Figura Estesa 1. Questa robustezza stagionale rafforza la validità dell’approccio proposto, suggerendo che l’indice basato sulla stagione fredda possa costituire uno strumento affidabile per monitorare le fluttuazioni a lungo termine dell’AMOC, indipendentemente dalle variazioni nei dettagli stagionali dell’analisi.

Efficacia dell’indice AMOC nei modelli climatici

Partendo dall’ipotesi che un rallentamento della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC) induca la formazione di una regione di raffreddamento relativo nelle vicinanze del giro subpolare e di una zona di riscaldamento superiore alla media nella regione adiacente alla Corrente del Golfo, abbiamo condotto un’analisi per verificare se, all’interno dei modelli climatici, le temperature registrate in queste aree possano essere impiegate per ricostruire le variazioni dell’AMOC. La Figura 3 illustra le serie temporali delle temperature medie nelle regioni del giro subpolare (sg, rappresentata da una linea blu scuro) e della Corrente del Golfo (gs, indicata da una linea rossa), calcolate come differenza rispetto alla media globale delle temperature superficiali marine (SST). Le aree considerate per il calcolo delle medie sono delineate nell’inserto della Figura 3, con i dettagli della loro definizione riportati nella sezione Metodi.

Le due serie temporali delle SST simulate dal modello presentano una correlazione inversa significativa (R = -0,73), suggerendo un rapporto opposto tra le dinamiche termiche delle due regioni. Tuttavia, si osserva un picco di temperatura particolarmente evidente nella regione della Corrente del Golfo intorno all’anno 50 del modello (linea rossa), un fenomeno non associato a variazioni dell’AMOC secondo la simulazione (linea azzurra chiara). Questo dato implica che la variabilità termica in tale zona calda è influenzata in misura considerevole da fattori indipendenti dall’AMOC, un aspetto prevedibile soprattutto per le acque costiere della regione della Corrente del Golfo. Queste aree, infatti, risultano più vulnerabili a fluttuazioni delle SST indotte da venti, come quelle generate da forti gradienti orizzontali o da processi di risalita o subsidenza costiera. In coerenza con questa osservazione, le serie temporali osservate per le zone calde e fredde mostrano una correlazione inversa moderata (R = -0,36), evidenziando una variabilità aggiuntiva non attribuibile all’AMOC. Tale rumore di fondo rende la zona calda inadatta come proxy per l’AMOC, a causa del suo basso rapporto segnale-rumore, diversamente dalla zona fredda subpolare, che si dimostra più affidabile (come discusso in seguito). Per ottimizzare il rapporto segnale-rumore, la definizione dell’indice AMOC è stata pertanto basata esclusivamente sui dati raccolti nella regione del giro subpolare, come specificato nella sezione Metodi.

Per valutare la capacità di questo indice nel rilevare cambiamenti passati dell’AMOC, ci siamo avvalsi dell’ensemble di modelli climatici accoppiati CMIP5, includendo tutte le simulazioni per le quali è disponibile una diagnostica dell’AMOC (n = 15; si veda la Tabella Estesa 1). La regione definita come zona fredda subpolare è stata selezionata con dimensioni sufficientemente ampie da comprendere il raffreddamento osservato in tutti i modelli, data la variabilità nella sua localizzazione specifica tra le diverse simulazioni. La Figura 5 presenta le tendenze lineari dell’indice AMOC e dell’AMOC effettivo dal 1870 al 2016, calcolate per ciascun modello. La correlazione tra l’indice AMOC e l’AMOC reale nei modelli con una rappresentazione realistica dell’AMOC raggiunge un valore di R = 0,95, indicando che le variazioni dell’AMOC spiegano l’89% della varianza dell’indice. Questa forte correlazione convalida l’ipotesi che, su scale temporali lunghe, l’AMOC costituisca il fattore dominante che controlla le anomalie delle SST nell’Atlantico subpolare. Di conseguenza, l’indice AMOC può essere impiegato con elevata affidabilità per identificare il declino dell’AMOC a partire dal 1870. La linea di regressione ai minimi quadrati totali, illustrata nella Figura 5, presenta una pendenza di 3,8 Sv K⁻¹ e un intercetta di 0,1 Sv per la regione del giro subpolare selezionata (per ulteriori dettagli sulla regressione, si rimanda alla sezione Metodi). Il valore estremamente ridotto dell’intercetta suggerisce che i fattori diversi dall’AMOC esercitano un’influenza trascurabile sui cambiamenti delle SST nell’Atlantico subpolare. Ad esempio, un effetto di raffreddamento locale dovuto agli aerosol, rispetto al cambiamento medio globale delle SST, potrebbe introdurre un offset sistematico nella regressione. Poiché tale offset risulta trascurabile, il valore della pendenza di 3,8 Sv K⁻¹ può essere utilizzato come parametro di calibrazione per correlare l’indice AMOC alla forza effettiva dell’AMOC.

La Figura 6 fornisce un’analisi dettagliata e comparativa delle serie temporali delle anomalie delle temperature superficiali marine (SST, Sea Surface Temperature) e della forza della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC), basata su un insieme di dati osservativi estesi nel tempo, con l’intento di caratterizzare le variazioni storiche e recenti di queste variabili chiave per il sistema climatico globale. La rappresentazione grafica integra diverse fonti di dati per offrire una visione olistica delle dinamiche termiche e oceaniche.

Il grafico è strutturato con l’asse orizzontale che copre un intervallo temporale esteso, partendo dall’epoca tarda del XIX secolo e protratto fino a includere i decenni più recenti, consentendo un’analisi longitudinale delle tendenze. L’asse verticale sinistro quantifica le anomalie delle SST in gradi Kelvin (K), calcolate come scostamento dalla media globale delle SST, con un range che si estende da -1,0 a +1,5 K, mentre l’asse verticale destro misura l’anomalia del tasso di ribaltamento dell’AMOC in sverdrup (Sv), con un intervallo che va da -4 a +6 Sv, fornendo una scala appropriata per le variazioni osservate.

Le serie temporali delle SST sono rappresentate da due curve principali: la regione del giro subpolare (sg), tracciata in blu, e la regione della Corrente del Golfo (gs), indicata in rosso, entrambe derivate dai dati del dataset HadISST. Le linee sottili, che riflettono i valori annuali calcolati esclusivamente per la stagione novembre-maggio, catturano la variabilità interannuale, evidenziando fluttuazioni significative anno per anno. Le linee spesse, ottenute attraverso un filtro LOWESS (Locally Weighted Scatterplot Smoothing) applicato su un intervallo di 20 anni, delineano le tendenze lisce a lungo termine, riducendo il rumore di fondo e mettendo in risalto i pattern evolutivi. Nella regione del giro subpolare, le anomalie tendono a rimanere negative o prossime allo zero, suggerendo un raffreddamento relativo rispetto alla media globale, mentre nella regione della Corrente del Golfo si osserva un incremento progressivo delle anomalie, con un picco pronunciato verso la fine del periodo analizzato, indicativo di un riscaldamento significativo.

Parallelamente, il grafico include tre serie temporali distinte relative all’AMOC, ciascuna derivata da fonti osservative diverse: il monitoraggio in situ condotto dal progetto RAPID, rappresentato da una linea tratteggiata nera; un prodotto di rianalisi oceanica denominato GloSea5, indicato da una linea grigia tratteggiata; e una ricostruzione basata su altimetria satellitare e misurazioni via cavo, mostrata con una linea punteggiata nera. Le linee sottili di queste serie rappresentano i dati annuali, mentre le linee spesse corrispondono ad adattamenti quadratici o lineari, progettati per evidenziare le tendenze a lungo termine e minimizzare gli effetti della variabilità a breve termine. Tutte e tre le stime convergono verso un declino dell’AMOC, con valori che scendono al di sotto dello zero, raggiungendo approssimativamente -2 Sv negli ultimi decenni, suggerendo un indebolimento costante della circolazione.

L’interpretazione dei dati rivela un pattern termico coerente con le dinamiche dell’AMOC: il raffreddamento relativo osservato nel giro subpolare e il riscaldamento accentuato nella regione della Corrente del Golfo risultano allineati con un declino della circolazione oceanica, un’osservazione supportata dalle misurazioni dirette del progetto RAPID e dalle ricostruzioni derivate da GloSea5 e dall’altimetria satellitare. La convergenza delle tendenze lisce ottenute tramite il filtro LOWESS e gli adattamenti quadratici/lineari sottolinea la robustezza del segnale, nonostante la presenza di fluttuazioni interannuali. Questo approccio integrato evidenzia come le anomalie delle SST possano fungere da indicatori affidabili delle variazioni dell’AMOC, con le tendenze a lungo termine che emergono chiaramente al di sopra del rumore di fondo, offrendo una base solida per ulteriori studi sulle risposte del sistema climatico a cambiamenti oceanici.

Evoluzione temporale della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC)

La Figura 6 delinea l’evoluzione temporale dell’AMOC, ricostruita attraverso l’analisi dei dati osservativi delle temperature superficiali marine (SST), rappresentata dalla curva blu, per un periodo esteso che copre dall’epoca preindustriale avanzata fino a includere i decenni più recenti, utilizzando un fattore di calibrazione di 3,8 Sv K⁻¹ derivato dall’ensemble di modelli climatici CMIP5 (per un confronto con l’indice AMOC precedentemente proposto, si rimanda alla Figura Estesa 6). L’andamento temporale suggerito da questa ricostruzione indica che l’AMOC abbia raggiunto un valore minimo intorno al 1990, seguito da un recupero che ha portato a un picco nei primi anni 2000, per poi subire un nuovo declino. Tale traiettoria risulta coerente con il declino lineare documentato dal progetto RAPID (a 26° N) a partire dal 2004, con la ricostruzione ottenuta tramite la rianalisi oceanica GloSea5 a partire dal 1995, e con una stima basata su altimetria satellitare e misurazioni via cavo. Inoltre, questa evoluzione è in accordo con la riduzione della forza dell’AMOC stimata in circa 2,6 Sv dalla fine degli anni ’50 fino al presente, nonché con l’osservazione di un rafforzamento dell’AMOC dagli anni ’80 fino alla metà degli anni 2000. Un’analisi condotta su dati recenti relativi alle temperature subsurface (2004–2016) ha identificato anomalie fredde attorno alla latitudine della Corrente del Golfo (38° N), potenzialmente attribuibili a uno spostamento verso nord della posizione meridionale della Corrente del Golfo, un fenomeno che supporta la nostra ipotesi di tale spostamento come risposta a un declino dell’AMOC.

Il declino osservato dell’indice AMOC, quantificato in -0,44 K per secolo, corrisponde a una tendenza di -1,7 Sv per secolo, traducendosi in un indebolimento lineare complessivo di 2,3 Sv nell’arco del periodo considerato. Come illustrato nella Figura 5, tale declino rientra nell’intervallo previsto dai modelli climatici CMIP5 in risposta a forzanti storiche, prevalentemente di origine antropogenica. Se invece si considera la curva liscia su un intervallo di 20 anni anziché la tendenza lineare, l’indebolimento dell’AMOC fino al presente è stimato in circa 3 Sv, con la maggior parte di questa riduzione concentrata a partire dagli anni ’50, come evidenziato nella Figura 6.

Un confronto tra le anomalie delle SST simulate dal modello CM2.6 (Figura 3) e quelle osservate (Figura 6) rivela una generale similitudine nelle magnitudo della variabilità interannuale e interdecadale. Per quantificare i diversi tipi di variabilità, è stato applicato un filtro LOWESS su 20 anni ai dati, una tecnica che consente di eliminare in larga misura la variabilità a breve termine delle SST non correlata all’AMOC. La variabilità interannuale è stata stimata calcolando la deviazione standard della serie temporale annuale al netto dei dati lisciai con il filtro LOWESS su 20 anni. I risultati indicano una variabilità nella zona fredda di 0,20 K nel modello ad alta risoluzione e di 0,19 K nelle osservazioni, mentre nella zona calda la variabilità interannuale è di 0,30 K sia per il modello che per le osservazioni. La variabilità interdecadale è stata determinata calcolando la deviazione standard dei dati lisciai con il filtro LOWESS su 20 anni al netto della tendenza lineare dei dati lisciai stessi. Questa risulta essere di 0,14 K (modello) e 0,15 K (osservazioni) per la zona fredda, e di 0,21 K (modello) e 0,18 K (osservazioni) per la zona calda. Una discussione dettagliata su come questi risultati si colleghino alle modalità dominanti di variabilità atmosferica nell’Atlantico settentrionale è disponibile nella sezione Metodi.

Conclusioni e implicazioni

Abbiamo individuato un’impronta distintiva delle temperature superficiali marine (SST) associata a un rallentamento della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC), derivata da simulazioni modellistiche ad alta risoluzione. Tale impronta si caratterizza per un raffreddamento nella regione del giro subpolare, attribuibile a una diminuzione del trasporto di calore, e per un incremento termico nella regione della Corrente del Golfo, causato da uno spostamento verso nord di questa corrente oceanica. Questa configurazione termica risulta particolarmente evidente durante i mesi invernali e primaverili, ed è riscontrabile nelle tendenze di temperatura osservate a lungo termine, suggerendo un significativo indebolimento dell’AMOC a partire dalla metà del ventesimo secolo.

Abbiamo altresì sviluppato un indice AMOC basato sulle SST, ottimizzato sia nella copertura spaziale che stagionale, al fine di ricostruire con maggiore accuratezza le variazioni storiche di questa circolazione. L’analisi condotta su un ensemble di simulazioni dei modelli climatici CMIP5 ha confermato che tale indice è altamente efficace nel riprodurre la tendenza a lungo termine dell’AMOC. Abbiamo quantificato il declino osservato dell’AMOC in 3 ± 1 Sv (circa il 15%) dalla metà del ventesimo secolo, ricostruendo l’evoluzione di questo sistema per il periodo 1870–2016. Per gli ultimi decenni, la nostra ricostruzione risulta coerente con i risultati di numerosi studi precedenti, basati su metodologie diverse, indicando che il nostro indice AMOC è in grado di catturare anche le variazioni interdecadali.

I nostri risultati evidenziano che, negli anni più recenti, l’AMOC sembra aver raggiunto un nuovo minimo storico, un’osservazione in linea con la SST annuale eccezionalmente bassa registrata nell’Atlantico subpolare (dall’inizio delle osservazioni nel 1880) riportata dalla National Oceanic and Atmospheric Administration per il 2015. I dati proxy delle temperature superficiali per l’Atlantico subpolare indicano che “la debolezza dell’AMOC successiva al 1975 rappresenta un evento senza precedenti negli ultimi mille anni”. Tale evidenza è corroborata dai dati di azoto-15 nei coralli, che hanno portato Sherwood et al. a concludere che “la persistenza di un regime caldo e ricco di nutrienti dall’inizio degli anni ’70 è in gran parte unica nel contesto degli ultimi circa 1.800 anni”. Sebbene non possano essere completamente escluse variazioni naturali a lungo termine, il declino dell’AMOC a partire dagli anni ’50 è verosimilmente attribuibile in larga misura a forzanti antropogeniche, coerentemente con le proiezioni dei modelli climatici che prevedono tale fenomeno in risposta all’incremento dei livelli di CO2. Questa tendenza al declino si sovrappone a una variabilità naturale a scala interdecadale.

L’indebolimento dell’AMOC potrebbe già esercitare un’influenza sul clima europeo. Il raffreddamento nell’Atlantico subpolare si correla con temperature estive elevate sul continente europeo, e l’ondata di calore del 2015 in Europa è stata associata alla presenza di una “macchia fredda” record nell’Atlantico in quell’anno. In particolare, le SST basse nel subpolare sembrano favorire una configurazione della pressione atmosferica che dirige flussi di aria calda verso nord in Europa. Le simulazioni modellistiche suggeriscono ulteriormente che un ulteriore indebolimento dell’AMOC potrebbe rappresentare la “causa principale dei futuri cambiamenti nella circolazione atmosferica estiva dell’Europa occidentale”, oltre a potenziare la probabilità di eventi di maltempo in questa regione. Inoltre, l’indebolimento dell’AMOC è stato messo in relazione con un innalzamento del livello del mare superiore alla media lungo la costa orientale degli Stati Uniti e con un incremento della siccità nella regione del Sahel.

Il proseguimento del riscaldamento globale è destinato a indebolire ulteriormente l’AMOC nel lungo termine, attraverso alterazioni del ciclo idrologico, la perdita di ghiaccio marino e lo scioglimento accelerato della calotta glaciale della Groenlandia, con conseguenti effetti di fresaggio aggiuntivo nell’Atlantico settentrionale. Dato che l’AMOC è riconosciuto come uno degli elementi di tipping point ben documentati del sistema climatico, caratterizzato da una soglia definita per un possibile collasso, desta particolare apprensione la scarsa conoscenza attuale della prossimità dell’Atlantico a tale limite critico.

Metodologie

Simulazioni dei modelli climatici. Il modello climatico globale accoppiato CM2.6 è stato elaborato dal Geophysical Fluid Dynamics Laboratory della National Oceanic and Atmospheric Administration. Tale modello integra un sistema di circolazione generale atmosferica caratterizzato da una risoluzione orizzontale media di 0,5 × 0,5 gradi (equivalente a circa 50 km) e un componente di circolazione oceanica con una risoluzione di 0,1 × 0,1 gradi (circa 10 km). L’oceano è descritto mediante 50 livelli verticali ed è corredato da un modello dedicato al ghiaccio marino. Sono state effettuate due simulazioni, entrambe avviate a partire dalle condizioni oceaniche attuali, seguite da un periodo di stabilizzazione della durata di 100 anni mantenendo costanti i livelli di CO2 del 1860. La simulazione di controllo, protrattasi per 80 anni, ha preservato le concentrazioni di CO2 al livello del 1860, mentre nella simulazione sperimentale la CO2 atmosferica è stata incrementata dell’1% annuo per 70 anni fino a raddoppiare, per poi stabilizzarsi a tale livello per ulteriori 10 anni. Data la straordinaria complessità computazionale del modello, che richiede circa un giorno di calcolo su un supercomputer per simulare un singolo anno, non sono state condotte ulteriori simulazioni.

Definizione dell’indice AMOC. L’indice AMOC è stato definito come la differenza tra la temperatura superficiale media registrata nella regione geografica più sensibile a una riduzione dell’AMOC (la regione del giro subpolare, indicata con sg) e la temperatura media globale. Piuttosto che considerare l’intero arco annuale, abbiamo optato per includere esclusivamente i mesi invernali e primaverili (da novembre a maggio), poiché è in questi periodi che il segnale dell’AMOC nelle SST si manifesta con maggiore intensità (si rimanda alla Figura 4 per i dettagli). Di conseguenza, l’indice AMOC per un dato anno è determinato calcolando la temperatura superficiale media nella regione del giro subpolare per la stagione novembre-maggio successiva, sottraendo da tale valore la temperatura media globale corrispondente a quella stessa stagione.

Definizione della regione del giro subpolare. La delimitazione della regione impiegata per il calcolo dell’indice AMOC, illustrata nell’inserto della Figura 3, si basa sull’ipotesi che le differenze di SST nell’Atlantico settentrionale subpolare, rispetto alla media globale delle SST, siano prevalentemente influenzate da variazioni dell’AMOC. Per questa analisi, abbiamo identificato tale regione integrando le tendenze lineari normalizzate delle SST derivate sia dal dataset HadISST che dalla simulazione ad alta risoluzione del modello CM2.6, come rappresentato nella Figura 2. Sono state incluse nella definizione le celle della griglia che presentano un raffreddamento relativo, sia nelle osservazioni che nel modello. La regione è stata delineata con dimensioni relativamente estese (rispetto, ad esempio, a quanto proposto in un precedente studio), un approccio che garantisce la copertura della maggior parte dell’area in cui il calore trasportato verso nord dall’AMOC viene rilasciato nell’atmosfera, sia nei dati osservativi che nei modelli, considerando che la localizzazione precisa di tale rilascio può variare in funzione del modello specifico. Le coordinate esatte di questa regione sono rese disponibili in un repository pubblico dei dati (si veda la sezione sulla disponibilità dei dati).

Definizione della regione della Corrente del Golfo. Analogamente alla regione del giro subpolare, la regione della Corrente del Golfo è stata definita come l’area che comprende il riscaldamento a lungo termine superiore alla media a est della costa degli Stati Uniti, attribuibile a un rallentamento dell’AMOC, riscontrato sia nelle osservazioni che nel modello (si veda l’inserto della Figura 3). Di conseguenza, i termini “regione della Corrente del Golfo” e “regione del giro subpolare” non si riferiscono direttamente a caratteristiche fisiche della circolazione oceanica, ma piuttosto a pattern termici delle SST. Le coordinate precise di questa regione sono anch’esse accessibili in un repository pubblico dei dati (si veda la sezione sulla disponibilità dei dati).

Metodologie

Impatto dell’AMOC sul punto di separazione della Corrente del Golfo e sulla forza della corrente di confine occidentale profonda (DWBC). Abbiamo correlato il riscaldamento eccezionale rilevato lungo la costa degli Stati Uniti a uno spostamento verso nord e verso la linea costiera della Corrente del Golfo, attribuibile a un rallentamento della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC). Per il modello oceanico MOM4, è stato dimostrato che la corretta individuazione del punto di separazione della Corrente del Golfo dipende da una rappresentazione adeguata della DWBC. Inoltre, studi precedenti hanno evidenziato che, in tale modello, un indebolimento dell’AMOC è accompagnato da una riduzione della forza della DWBC, con entrambe le dinamiche seguite da uno spostamento verso nord del percorso medio della Corrente del Golfo. L’integrazione di questi risultati suggerisce che, nella simulazione modellistica, il riscaldamento osservato sia effettivamente causato da un AMOC indebolito, che a sua volta induce una DWBC meno intensa, una diminuzione del giro di ricircolazione settentrionale e uno spostamento verso nord del punto di separazione della Corrente del Golfo. Per validare questa ipotesi, abbiamo confrontato l’evoluzione del percorso della Corrente del Golfo (rappresentato dall’indice della Corrente del Golfo, definito come la latitudine media dell’isoterma di 15 °C a una profondità di 200 metri nell’Atlantico nord-occidentale, tra 75° O e 55° O) con la forza dell’AMOC a 26° N, sia nella simulazione di controllo del CM2.6 che in quella con raddoppio della CO2 (si veda la Figura Estesa 4a).

Abbiamo altresì confrontato la forza dell’AMOC con il trasporto totale verso sud delle acque profonde (tra le profondità di 1.000 m e 4.000 m) a 40° N, nella regione compresa tra la costa e 65° O, sia per la simulazione di controllo del CM2.6 che per quella con raddoppio della CO2 (si veda la Figura Estesa 4b). I risultati hanno confermato che la DWBC nel modello si indebolisce parallelamente al rallentamento dell’AMOC, con una riduzione stimata di circa 3,5 Sv. Questa latitudine è stata scelta perché si trova appena a nord della zona in cui la Corrente del Golfo e la DWBC si intersecano nella simulazione di controllo, rappresentando l’area di formazione del giro di ricircolazione settentrionale, che determina la deviazione della Corrente del Golfo dalla costa. Queste analisi corroborano l’ipotesi che l’indebolimento dell’AMOC nel modello sia accompagnato da una DWBC meno vigorosa e da uno spostamento verso nord del tracciato della Corrente del Golfo.

Analisi di dataset osservativi aggiuntivi. Per questa ricerca, abbiamo esaminato sette prodotti di dati sulle SST disponibili. Tutti presentano l’impronta dell’AMOC, caratterizzata dalla presenza di una zona fredda nell’Atlantico subpolare e, in misura variabile, da un riscaldamento accentuato vicino alla costa della Corrente del Golfo (si veda la Figura Estesa 5). I dettagli relativi ai diversi dataset sono riportati nella Tabella Estesa 1. Le scelte differenti nei processi di elaborazione determinano variazioni nella rappresentazione della variabilità spaziale e temporale nei dataset. Abbiamo privilegiato il dataset HadISST, che offre la migliore risoluzione spaziale e un avanzato sistema di controllo di qualità. Sebbene i dati ERSST siano anch’essi sottoposti a un controllo di qualità, l’applicazione di teleconnessioni ortogonali empiriche nella post-elaborazione comporta un livellamento del segnale SST nel dominio spaziale, un aspetto non desiderabile per questo studio. Le procedure di correzione delle distorsioni e di controllo di qualità adottate per il dataset COBE, pur essendo ad alta risoluzione, non raggiungono il livello di raffinatezza dei dati HadISST e ERSST. I dati SODA, invece, costituiscono un prodotto di rianalisi oceanica, derivante da simulazioni modellistiche integrate con assimilazione di dati.

Significatività delle tendenze dal 1870 al 2016. Per valutare l’importanza statistica delle tendenze lineari osservate dal 1870 al 2016, abbiamo confrontato la distribuzione delle tendenze a lungo termine per tutte le celle della griglia comprese tra 60° S e 75° N con quelle relative alle celle della griglia nella regione del giro subpolare e in quella della Corrente del Golfo (definite nell’inserto della Figura 3). Sono state escluse le regioni coperte da ghiaccio marino, poiché si presume che non presentino tendenze di temperatura, coerentemente con l’ipotesi che le SST in tali aree rimangano vicine al punto di congelamento. La Figura Estesa 3 illustra le distribuzioni globali delle tendenze relative delle SST per i dati HadISST e per la simulazione con raddoppio della CO2 del modello CM2.6. Adottando una dimensione fissa delle classi di 0,2, abbiamo determinato i quantili del 5% e del 95%. Le mediane delle regioni del giro subpolare e della Corrente del Golfo si collocano, in ogni caso, rispettivamente nel 5% più basso e nel 5% più alto delle tendenze. La mediana della regione della Corrente del Golfo nei dati HadISST è pari a 2,4 (indicando che il riscaldamento locale è 2,4 volte superiore al riscaldamento globale delle SST), superando il 96% delle tendenze delle SST; la mediana della regione del giro subpolare è -0,17, posizionandosi tra il 3% più basso delle tendenze. Nella simulazione con raddoppio della CO2 del modello CM2.6, le regioni associate all’impronta dell’AMOC risultano ancora più estreme, probabilmente a causa di un segnale di riscaldamento globale più marcato e di un maggiore indebolimento dell’AMOC, che migliorano il rapporto segnale-rumore. La mediana della regione della Corrente del Golfo nei modelli è 2,4, superando il 98% delle tendenze delle SST, mentre la mediana della regione del giro subpolare è -0,25, collocandosi tra l’1% più basso delle tendenze.

Relazione tra l’indice AMOC e l’intensità del ribaltamento

Per indagare e calibrare la correlazione tra le variazioni dell’indice AMOC e l’intensità della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC), abbiamo esaminato l’indice AMOC e le simulazioni dell’AMOC condotte utilizzando 15 modelli nell’ambito del progetto CMIP5, considerando il periodo climatico storico (dal 1870 al 2005) e prolungando l’analisi fino al 2016 mediante simulazioni basate sullo scenario RCP8.5. Per accertare se i modelli offrissero una rappresentazione realistica dell’AMOC, abbiamo confrontato il valore medio massimo dell’AMOC a 26° N per gli anni modellistici 2005–2014 con la media dell’AMOC osservato attorno a 26° N in quel medesimo intervallo temporale (16,8 Sv; si rimanda alla Tabella Estesa 1). Abbiamo selezionato i modelli i cui valori medi massimi dell’AMOC rientravano nell’intervallo 16,8 ± 10,0 Sv, una decisione che ha comportato l’esclusione dei modelli NorESM1-M e Nor-ESM1-ME. Inoltre, abbiamo escluso il modello GISS-E2-R, identificato come un caso anomalo a causa di un livello misto profondo irrealisticamente esteso fino al fondale marino nella maggior parte dell’Atlantico subpolare.

Adattamento mediante regressione ortogonale ai minimi quadrati totali. Per valutare la relazione tra il nostro indice AMOC e l’intensità dell’AMOC, abbiamo applicato una regressione ortogonale ai minimi quadrati totali (nota anche come adattamento ortogonale, poiché minimizza l’errore su entrambe le variabili, posizionandolo orthogonalmente rispetto alla linea di regressione). Questa analisi ha permesso di definire una relazione tra la tendenza dell’indice AMOC e la corrispondente tendenza dell’intensità dell’AMOC, con una pendenza e un intercetta determinati attraverso un approccio statistico robusto.

Sensibilità all’ampliamento della regione del giro subpolare. La regione identificata come giro subpolare è, in media, largamente priva di copertura di ghiaccio marino (tale condizione è stata verificata confrontando la regione con la copertura media di ghiaccio marino da novembre a maggio derivata dai dati HadISST). Per investigare l’impatto di aree parzialmente coperte da ghiaccio sull’indice, abbiamo ristretto la regione alle sole aree prive di ghiaccio (determinate in base alla massima estensione del ghiaccio marino durante la stagione novembre-maggio nel periodo considerato) e abbiamo confrontato l’indice risultante con il nostro indice AMOC originale (si veda la Figura Estesa 7). Sebbene si osservino alcune discrepanze nelle variazioni annuali, la tendenza a lungo termine, in particolare negli ultimi decenni, rimane sostanzialmente invariata. Da questa analisi deduciamo che la presenza di ghiaccio marino non esercita un’influenza significativa sul nostro indice AMOC.

Confronto con un indice AMOC precedente. Rahmstorf et al. hanno adottato una regione diversa e un insieme di dati differenti (SST annuali HadCRUT4 meno la loro media emisferica settentrionale annuale, includendo sia terre emerse che oceani) per derivare l’indice AMOC. Nel nostro studio, l’indice AMOC è calcolato rispetto alla media globale delle SST; tuttavia, il confronto tra i due indici dimostra che tale scelta non incide sulla sensibilità dell’indice (si veda la Figura Estesa 6). Rahmstorf et al. hanno determinato il fattore di conversione tra il loro indice AMOC e l’AMOC effettivo basandosi esclusivamente sul modello MPI-ES-MR. Abbiamo aggiornato il loro indice AMOC con i dati più recenti e lo abbiamo messo a confronto con il rallentamento dell’AMOC identificato in questa ricerca (si veda la Figura Estesa 6). I risultati ottenuti con entrambe le definizioni dell’indice si rivelano altamente coerenti sulla scala temporale multidecennale di interesse.

Collegamenti con le modalità empiriche di variabilità

Nell’Atlantico settentrionale sono state identificate due principali modalità di variabilità, definite principalmente sulla base di dati empirici: l’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO) e l’Oscillazione Multidecennale Atlantica (AMO). La prima descrive la variabilità atmosferica, con un indice derivato dal gradiente di pressione superficiale, mentre la seconda riflette la variabilità delle temperature superficiali marine (SST) rispetto alla media globale, un approccio simile al nostro indice AMOC, sebbene includa le SST dell’Atlantico fino all’Equatore. Entrambi gli indici NAO e AMO presentano una correlazione con il nostro indice AMOC, come documentato nelle Figure Estese 8 e 9.

Non risulta sorprendente che l’indice AMO mostri una correlazione, dato che condivide con il nostro indice AMOC i dati delle SST subpolari. Tuttavia, l’efficacia dell’indice AMO è limitata dal fatto che integra la variabilità delle SST subpolari con quella delle regioni tropicali in un unico indicatore, compromettendo il rapporto segnale-rumore per il nostro obiettivo di dedurre variazioni dell’AMOC attraverso le SST. Inoltre, si osserva che le fluttuazioni decennali del nostro indice AMOC sono paragonabili a quelle dell’indice AMO (Figura Estesa 8b), in linea con studi precedenti che attribuiscono parte dell’evoluzione temporale dell’AMO a cambiamenti nelle correnti oceaniche atlantiche. Tuttavia, poiché l’AMO combina due regioni con tendenze a lungo termine distinte—l’Atlantico settentrionale subpolare, caratterizzato da un raffreddamento, e le regioni tropicali e subtropicali, che si riscaldano con tassi pari o superiori alla media globale (si veda la Figura 2)—non riflette la tendenza negativa evidente nel nostro indice AMOC dal 1870 al 2016 (Figura Estesa 8a).

L’indice NAO si rivela più utile, poiché consente di esplorare la relazione tra la variabilità della pressione atmosferica e le SST dell’Atlantico settentrionale. Abbiamo riscontrato una marcata correlazione negativa, con un coefficiente R = -0,54, tra le serie temporali lisce decennali dell’indice AMOC e dell’indice NAO, un fenomeno che si manifesta quando l’AMOC precede la NAO di tre anni (si veda la Figura Estesa 9b). Questa correlazione negativa, unitamente all’osservazione che un pronunciato raffreddamento nell’Atlantico settentrionale subpolare è seguito da una fase positiva della NAO, suggerisce che, su scale interdecadali, l’AMOC contribuisca almeno parzialmente a determinare le variazioni della NAO attraverso modifiche delle SST dell’Atlantico settentrionale, piuttosto che il contrario. In coerenza con questa interpretazione, l’indice NAO presenta una tendenza positiva dal 1870 al 2016 (Figura Estesa 9a). Una fase positiva della NAO, d’altra parte, favorisce l’estrazione di calore dall’oceano subpolare attraverso venti occidentali rafforzati in quella regione, determinando un raffreddamento delle SST, un incremento della convezione e un aumento della densità oceanica. Tale meccanismo opera come un feedback negativo sull’indebolimento dell’AMOC. Questo feedback ritardato potrebbe attenuare la risposta dell’AMOC o indurre un comportamento oscillatorio. Un’analisi più approfondita di questo legame supera gli scopi di questo studio. Ciononostante, il nostro lavoro corrobora l’importanza della circolazione oceanica nelle variazioni del pattern delle SST nell’Atlantico settentrionale, un aspetto già sottolineato in ricerche precedenti.

Disponibilità del codice. Il codice per eseguire l’esperimento con il modello CM2.6 è accessibile all’indirizzo http://www.gfdl.noaa.gov/. Gli script per l’analisi dei dati possono essere richiesti agli autori corrispondenti previa motivazione ragionevole.

Disponibilità dei dati. I dataset delle SST analizzati in questo studio sono di dominio pubblico; ulteriori dettagli sono forniti nella Tabella Estesa 1. L’output dei modelli CMIP5 è reperibile su https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip5/. L’output del modello CM2.6 può essere richiesto a V.S. (vincent.saba@noaa.gov) previa richiesta giustificata. Le definizioni precise della regione del giro subpolare e della regione della Corrente del Golfo, unitamente alle anomalie delle SST di queste aree, sono disponibili in un repository pubblico dei dati: http://www.pik-potsdam.de/~caesar/AMOC_slowdown/. I dati della rianalisi GloSea sono stati forniti da L. Jackson, mentre i dati della ricostruzione basata su altimetria satellitare e misurazioni via cavo provengono da E. Frajka-Williams. I dati RAPID sono consultabili su http://www.rapid.ac.uk/rapidmoc/rapid_data/datadl.php.

La Figura Estesa 1 offre un’analisi dettagliata delle tendenze normalizzate delle temperature superficiali marine (SST, Sea Surface Temperature) estratte dai dati HadISST, con l’intento di valutare la robustezza dei pattern di variazione termica lineare in risposta a differenti intervalli temporali. Questa rappresentazione grafica è progettata per esaminare come la selezione dei punti di partenza e di conclusione dei periodi analizzati influenzi la consistenza e la stabilità delle tendenze osservate, fornendo un quadro completo delle dinamiche termiche globali su scala pluridecennale.

La figura è organizzata in un pannello composto da sei mappe globiche, ciascuna associata a un intervallo temporale distinto: 1880–2016, 1900–2016, 1936–2016, 1870–1995, 1870–2005 e 1880–1985. Queste mappe illustrano le tendenze lineari delle SST calcolate sulla base di dati annuali estratti dal dataset HadISST, sottoposte a un processo di normalizzazione rispetto alla rispettiva tendenza media globale delle SST. Tale normalizzazione consente di evidenziare le deviazioni locali dalla tendenza termica media globale, facilitando l’identificazione di pattern regionali distintivi. La scala cromatica, che si estende da -3 a +5 K/anno, codifica le tendenze normalizzate delle SST: le tonalità blu indicano regioni caratterizzate da un riscaldamento inferiore alla media globale o da un raffreddamento, mentre le tonalità rosse denotano aree con un riscaldamento superiore alla media globale. Un valore centrale di 0 corrisponde alla tendenza media globale, fungendo da riferimento per valutare le anomalie termiche relative.

Esaminando i singoli intervalli temporali, si osservano pattern ricorrenti con variazioni di intensità:

• 1880–2016: Questo periodo più lungo rivela un pattern con una zona di raffreddamento pronunciato nell’Atlantico subpolare e un’area di riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo, riflettendo una distribuzione termica asimmetrica.
• 1900–2016: L’intervallo più ristretto accentua il raffreddamento nell’Atlantico subpolare, con un riscaldamento moderato ma persistente nella regione della Corrente del Golfo.
• 1936–2016: Si nota un’espansione della zona fredda subpolare, con un pattern termico che si intensifica rispetto ai periodi precedenti.
• 1870–1995: Questo intervallo mostra un raffreddamento nella regione subpolare e un riscaldamento nella zona della Corrente del Golfo, sebbene con intensità e distribuzione leggermente diverse.
• 1870–2005: Il pattern si rafforza, con un raffreddamento subpolare più marcato e un riscaldamento localizzato nella regione della Corrente del Golfo.
• 1880–1985: Si osserva un raffreddamento subpolare e un riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo, con variazioni meno accentuate rispetto agli intervalli più estesi.

L’interpretazione di questi risultati suggerisce che la normalizzazione rispetto alla tendenza media globale delle SST permette di isolare i pattern regionali di variazione termica, evidenziando una coerenza strutturale attraverso i diversi intervalli temporali. La persistenza del raffreddamento nell’Atlantico subpolare e del riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo, pur con variazioni nell’ampiezza e nell’estensione delle aree interessate, indica una robustezza del pattern che potrebbe essere associata a un indebolimento della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC). Le differenze osservate nelle intensità dei segnali termici riflettono l’influenza della scelta dell’intervallo temporale sull’ampiezza del fenomeno, ma non ne alterano la configurazione di base, suggerendo che il pattern osservato sia intrinsecamente stabile e rappresentativo di dinamiche climatiche profonde.

In conclusione, la Figura Estesa 1 dimostra che le tendenze normalizzate delle SST derivate dai dati HadISST mantengono una struttura coerente attraverso una varietà di periodi temporali, con un raffreddamento consistente nell’Atlantico subpolare e un riscaldamento persistente nella regione della Corrente del Golfo. Questa stabilità, indipendentemente dalla selezione degli anni iniziali e finali, rafforza l’affidabilità del pattern come indicatore di processi climatici a lungo termine, aprendo la strada a ulteriori indagini sulle cause sottostanti, tra cui il possibile ruolo dell’AMOC.

La Figura Estesa 2 propone un’analisi comparativa dettagliata delle tendenze normalizzate delle temperature superficiali marine (SST, Sea Surface Temperature) su scala globale, derivanti sia da un esperimento modellistico che da osservazioni storiche, con l’intento di confrontare i pattern termici indotti da un raddoppio della concentrazione di anidride carbonica (CO2) con le variazioni osservate nel tempo. Questa rappresentazione grafica è strutturata per esplorare la coerenza tra le simulazioni del modello climatico e i dati osservativi, con un’enfasi specifica sulla stagionalità per evidenziare le dinamiche termiche più rilevanti.

La figura è organizzata in due mappe globiche disposte verticalmente. La mappa superiore illustra le tendenze lineari delle SST generate durante un esperimento di raddoppio della CO2 condotto con il modello climatico CM2.6, sviluppato dal Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL). La mappa inferiore, invece, presenta le tendenze delle SST osservate, estratte dal dataset HadISST, relative a un periodo storico esteso. Entrambe le mappe sono state normalizzate rispetto alle rispettive tendenze medie globali delle SST, un processo che consente di standardizzare i dati e di mettere in evidenza le deviazioni locali dalla media globale. I dati utilizzati per entrambe le analisi sono stati selezionati esclusivamente per la stagione novembre-maggio, un intervallo temporale ritenuto rappresentativo delle interazioni tra circolazione oceanica e forzanti climatiche.

La scala cromatica associata alle mappe varia da -3 a +5, esprimendo il rapporto tra la tendenza locale delle SST e la tendenza media globale delle SST. Le regioni colorate in blu indicano aree caratterizzate da un raffreddamento o da un riscaldamento inferiore alla media globale, mentre quelle in rosso evidenziano zone con un riscaldamento superiore alla media. Un valore centrale di 0 corrisponde alla tendenza media globale, fungendo da punto di riferimento per valutare le anomalie termiche relative su scala planetaria.

Analizzando le mappe nel dettaglio:

• Modello CM2.6 (mappa superiore): L’esperimento di raddoppio della CO2 produce un pattern termico marcato, con una zona di raffreddamento significativa nell’Atlantico subpolare, attribuita a una ridotta traslazione di calore, e un’area di riscaldamento pronunciato nella regione della Corrente del Golfo, associata a uno spostamento verso nord di questa corrente. Le variazioni termiche globali risultano amplificate, con anomalie che si estendono a valori estremi sia negativi che positivi, riflettendo l’impatto di un forcing climatico intensificato.
• Dati HadISST (mappa inferiore): Le tendenze osservate mostrano un pattern qualitativamente simile, con un raffreddamento nell’Atlantico subpolare e un incremento termico nella regione della Corrente del Golfo. Tuttavia, l’ampiezza di queste variazioni è complessivamente più contenuta, suggerendo un segnale termico meno intenso rispetto a quello simulato, probabilmente a causa della natura graduale delle forzanti storiche rispetto all’aumento rapido della CO2 nel modello.

L’interpretazione di questi risultati evidenzia una corrispondenza strutturale tra il modello e le osservazioni, particolarmente evidente nell’Atlantico settentrionale, dove i pattern termici riflettono dinamiche legate alla circolazione oceanica. La normalizzazione rispetto alla tendenza media globale delle SST permette di isolare queste anomalie regionali, rivelando una coerenza nei pattern nonostante le differenze di scala. Tuttavia, l’esperimento di raddoppio della CO2 nel modello CM2.6 genera un cambiamento climatico di maggiore entità, risultando in un rapporto segnale-rumore più favorevole rispetto ai dati osservativi. Questo effetto è ulteriormente potenziato dalla normalizzazione, che attenua il livello di rumore nei dati modellistici, producendo un pattern termico più definito e distinguibile rispetto a quello osservato, dove la variabilità naturale e la complessità delle forzanti multiple possono mascherare il segnale sottostante.

In sintesi, la Figura Estesa 2 dimostra che le tendenze normalizzate delle SST, sia nel modello CM2.6 che nei dati HadISST, condividono un pattern caratterizzato da un raffreddamento nell’Atlantico subpolare e un riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo, con una maggiore intensità e nitidezza nel modello a causa del forte forcing di CO2. La focalizzazione sulla stagione novembre-maggio rafforza la rilevanza di queste dinamiche, suggerendo una possibile connessione con un indebolimento dell’AMOC, e sottolinea come la normalizzazione migliori la visibilità del segnale termico rispetto al rumore di fondo, specialmente nelle simulazioni controllate.

La Figura Estesa 3 offre un’analisi statistica approfondita attraverso istogrammi che illustrano la distribuzione delle tendenze normalizzate a lungo termine delle temperature superficiali marine (SST, Sea Surface Temperature), con l’intento di confrontare la variabilità termica globale con quella specifica delle regioni del giro subpolare e della Corrente del Golfo, sia nei dati osservativi che nelle simulazioni modellistiche. Questa rappresentazione grafica è concepita per evidenziare la significatività e le caratteristiche distintive delle tendenze termiche in contesti climatici differenti, fornendo una base quantitativa per l’interpretazione dei pattern associati alla circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC).

La figura è organizzata in due pannelli distinti. Il pannello (a) presenta i risultati derivati dal dataset HadISST, mentre il pannello (b) riporta le tendenze simulate nell’ambito della corsa con raddoppio della CO2 del modello climatico CM2.6. Entrambi i pannelli mostrano istogrammi delle tendenze locali delle SST normalizzate rispetto alle tendenze globali, con l’asse orizzontale che rappresenta il rapporto tra la tendenza locale e quella globale (spaziante da -2 a +4) e l’asse verticale che indica la probabilità di occorrenza di tali rapporti. Questa normalizzazione consente di standardizzare i dati, permettendo un confronto diretto tra le distribuzioni e isolando le anomalie regionali rispetto alla tendenza media globale.

Nel pannello (a), dedicato ai dati HadISST, l’istogramma generale (rappresentato da barre grigie) descrive la distribuzione delle tendenze normalizzate per tutte le celle della griglia comprese tra 60° S e 75° N, caratterizzata da una media (µ) di 1 e una deviazione standard (σ) di 0,66. I quantili del 5% e del 95% sono evidenziati in grigio scuro, delimitando l’intervallo centrale della distribuzione. La distribuzione delle tendenze nella regione del giro subpolare (indicata da una linea blu) si sposta verso valori negativi o prossimi allo zero, con una mediana (x_sg) di -0,17, suggerendo un raffreddamento relativo rispetto alla media globale. Al contrario, la distribuzione delle tendenze nella regione della Corrente del Golfo (linea rossa) è spostata verso valori positivi, con una mediana (x_gs) di 2,4, indicando un riscaldamento significativamente più intenso della media globale. Le distribuzioni sono state normalizzate per tenere conto delle diverse dimensioni dei campioni rappresentativi delle regioni globale, del giro subpolare e della Corrente del Golfo, assicurando una comparazione equa.

Nel pannello (b), relativo alla simulazione del modello CM2.6, l’istogramma generale presenta una distribuzione con una media (µ) di 1,1 e una deviazione standard (σ) di 0,48, riflettendo un segnale climatico più pronunciato rispetto ai dati osservativi. La distribuzione delle tendenze nel giro subpolare (linea blu) mostra una mediana (x_sg) di -0,25, evidenziando un raffreddamento più marcato rispetto ai dati HadISST. Analogamente, la distribuzione delle tendenze nella regione della Corrente del Golfo (linea rossa) ha una mediana (x_gs) di 2,4, confermando un riscaldamento superiore alla media globale, con una variabilità ridotta rispetto alle osservazioni. La minore deviazione standard nel modello è attribuita alla presenza di un segnale di cambiamento climatico più forte, che attenua il “rumore” associato alla variabilità a breve termine rispetto al segnale climatico dominante.

L’interpretazione di questi risultati sottolinea che la normalizzazione delle tendenze mette in evidenza come le regioni del giro subpolare e della Corrente del Golfo si discostino significativamente dalla distribuzione globale, presentando tendenze termiche estreme che riflettono l’impronta dell’AMOC. Nei dati HadISST, il raffreddamento relativo nel giro subpolare (-0,17) e il riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo (2,4) sono indicatori statistici rilevanti, posizionandosi rispettivamente nel 3% più basso e nel 96% più alto delle tendenze globali. Nel modello CM2.6, queste regioni appaiono ancora più estreme (-0,25 e 2,4), con il raffreddamento subpolare che rientra nell’1% più basso e il riscaldamento della Corrente del Golfo nel 98% più alto, grazie a un rapporto segnale-rumore migliorato dovuto all’amplificazione del forcing climatico. La riduzione della variabilità nel modello rispetto alle osservazioni è coerente con l’effetto di un segnale climatico più intenso, che sopprime il rumore di fondo e rafforza la visibilità delle anomalie termiche associate all’indebolimento dell’AMOC.

In sintesi, la Figura Estesa 3 evidenzia che le tendenze normalizzate delle SST nelle regioni del giro subpolare e della Corrente del Golfo si distinguono nettamente dalla media globale, con un raffreddamento significativo e un riscaldamento eccezionale, rispettivamente. Questa divergenza è più pronunciata nel modello CM2.6, dove un forcing climatico più robusto amplifica il segnale, confermando la validità del pattern termico come indicatore dell’indebolimento dell’AMOC e sottolineando la maggiore purezza del segnale modellistico rispetto alla complessità delle osservazioni.

La Figura Estesa 4 fornisce un’analisi approfondita dell’influenza della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC) sul punto di separazione della Corrente del Golfo (GS) e sulla forza della corrente di confine occidentale profonda (DWBC), basata sulle simulazioni condotte con il modello climatico CM2.6. Questa rappresentazione grafica è strutturata in due pannelli distinti, ciascuno dedicato a un aspetto specifico delle dinamiche oceaniche, con l’obiettivo di esplorare le interazioni tra l’indebolimento dell’AMOC, indotto da un raddoppio della concentrazione di anidride carbonica (CO2), e le variazioni nei pattern di flusso superficiale e profondo.

• Pannello (a) – Evoluzione del punto di separazione della Corrente del Golfo:
  • L’asse orizzontale copre l’intervallo temporale della simulazione del modello CM2.6, estendendosi da 0 a 80 anni, mentre l’asse verticale sinistro misura l’intensità dell’AMOC in sverdrup (Sv), con un range che varia da 9 a 16 Sv. L’asse verticale destro quantifica la latitudine del punto di separazione della Corrente del Golfo in gradi nord, con un intervallo che si estende da 35,5° N a 40° N.
  • Il pannello presenta quattro serie temporali: l’indice AMOC per la simulazione di controllo (linea blu tratteggiata) e per la simulazione con raddoppio della CO2 (linea blu continua), accanto all’indice della Corrente del Golfo per la simulazione di controllo (linea rossa tratteggiata) e per quella con raddoppio della CO2 (linea rossa continua). Le linee sottili rappresentano i valori annuali, mentre le linee spesse, ottenute tramite un filtro LOWESS su 20 anni, delineano le tendenze lisce a lungo termine, riducendo la variabilità interannuale.
  • L’analisi rivela che, nella simulazione con raddoppio della CO2, l’indebolimento dell’AMOC (evidenziato dal declino della linea blu continua) è associato a un incremento della latitudine del punto di separazione della Corrente del Golfo (linea rossa continua), che si sposta progressivamente verso nord. Questo spostamento suggerisce un legame causale tra la riduzione dell’intensità dell’AMOC e un’alterazione del percorso della Corrente del Golfo, con implicazioni significative per la distribuzione del calore nell’Atlantico nord-occidentale.
• Pannello (b) – Serie temporali del trasporto verso sud della corrente oceanica profonda:
  • L’asse orizzontale è coerente con il pannello (a), coprendo gli 80 anni della simulazione, mentre l’asse verticale misura l’intensità dell’AMOC e il trasporto verso sud della DWBC in sverdrup (Sv), con un intervallo da 8 a 16 Sv.
  • Sono riportate tre serie temporali: l’indice AMOC per la simulazione di controllo (linea blu tratteggiata) e per la simulazione con raddoppio della CO2 (linea blu continua), insieme al trasporto verso sud della DWBC per la simulazione di controllo (linea verde tratteggiata) e per quella con raddoppio della CO2 (linea verde continua). Anche in questo caso, le linee sottili indicano i valori annuali, mentre le linee spesse riflettono i dati lisciai con un filtro LOWESS su 20 anni, evidenziando le tendenze a lungo termine.
  • I risultati mostrano che il trasporto verso sud della DWBC diminuisce in parallelo all’indebolimento dell’AMOC nella simulazione con raddoppio della CO2 (linea verde continua), con una riduzione stimata di circa 3,5 Sv. Questa latitudine (40° N) è stata selezionata poiché si trova a nord della zona di intersezione tra la Corrente del Golfo e la DWBC nella simulazione di controllo, rappresentando l’area di formazione del giro di ricircolazione settentrionale, che influenza la deviazione della Corrente del Golfo dalla costa.
• Interpretazione: Il pannello (a) stabilisce un’associazione diretta tra un AMOC meno vigoroso e uno spostamento settentrionale del punto di separazione della Corrente del Golfo, un fenomeno che si intensifica nella simulazione con raddoppio della CO2, suggerendo un meccanismo di risposta fisica alle forzanti climatiche. Il pannello (b) rafforza questa correlazione, dimostrando che l’indebolimento dell’AMOC è accompagnato da una riduzione della DWBC, un processo che modula la dinamica del giro di ricircolazione settentrionale e, di conseguenza, il tracciato della Corrente del Golfo. Le linee lisciai, ottenute tramite il filtro LOWESS, mettono in evidenza le tendenze a lungo termine, attenuando la variabilità a breve termine e confermando la robustezza del legame tra queste variabili oceaniche.

In sintesi, la Figura Estesa 4 illustra che un indebolimento dell’AMOC, indotto dal raddoppio della CO2 nel modello CM2.6, determina uno spostamento verso nord del punto di separazione della Corrente del Golfo e una diminuzione della forza della DWBC. Entrambi i pannelli supportano un meccanismo fisico integrato, in cui le variazioni nella circolazione profonda influenzano i pattern superficiali, con le tendenze lisce che rafforzano la significatività di questa interazione nel contesto di un cambiamento climatico simulato.

La Figura Estesa 5 presenta un’analisi comparativa dettagliata delle tendenze lineari delle temperature superficiali marine (SST, Sea Surface Temperature) ottenute sia da un esperimento di raddoppio della concentrazione di anidride carbonica (CO2) che da osservazioni a lungo termine, utilizzando una varietà di prodotti di dati SST, con l’obiettivo di valutare la consistenza dei pattern termici su scala globale e regionale. Questa rappresentazione grafica è concepita per confrontare i risultati delle simulazioni modellistiche con i dati osservativi, con un’enfasi sulla normalizzazione per isolare le anomalie termiche rispetto alle tendenze medie globali, fornendo una base solida per l’interpretazione delle dinamiche climatiche.

La figura è organizzata in un layout di sei mappe globiche disposte in una griglia 2×3. La mappa situata nell’angolo superiore sinistro illustra le tendenze derivate dall’esperimento di raddoppio della CO2 condotto con il modello climatico CM2.6 del Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL). Le altre cinque mappe (HadISST, ERSSTv3b, ERSSTv4, ERSSTv5, COBE, Kaplan, SODA) rappresentano le tendenze osservate estratte da diversi dataset SST, coprendo periodi temporali variabili. Tutte le mappe sono state normalizzate rispetto alle rispettive tendenze medie globali delle SST, un processo che standardizza i dati e permette di evidenziare le deviazioni locali dalla media globale, facilitando un confronto diretto tra le diverse fonti.

La scala cromatica associata alle mappe si estende da -3 a +5, rappresentando il rapporto tra la tendenza locale delle SST e la tendenza media globale delle SST. Le tonalità blu indicano regioni caratterizzate da un raffreddamento o da un riscaldamento inferiore alla media globale, mentre le tonalità rosse denotano aree con un incremento termico superiore alla media. Un valore centrale di 0 corrisponde alla tendenza media globale, fungendo da riferimento per valutare le anomalie termiche relative su scala planetaria.

Analizzando le singole mappe nel dettaglio:

• Modello CM2.6: L’esperimento di raddoppio della CO2 evidenzia un pattern termico distintivo, con una zona di raffreddamento significativo nell’Atlantico subpolare, attribuibile a una ridotta traslazione di calore, e un’area di riscaldamento pronunciato nella regione della Corrente del Golfo, associata a uno spostamento settentrionale di questa corrente. Le variazioni termiche risultano amplificate, riflettendo l’impatto di un forcing climatico intensificato.
• HadISST: I dati osservativi mostrano un raffreddamento marcato nell’Atlantico subpolare e un incremento termico nella regione della Corrente del Golfo, con un pattern qualitativamente simile al modello, sebbene con un’intensità complessivamente più moderata, coerente con forzanti storiche graduali.
• ERSSTv3b, ERSSTv4, ERSSTv5: Questi dataset presentano un raffreddamento nella regione subpolare e, in varia misura, un riscaldamento nella zona della Corrente del Golfo, con differenze attribuibili alla risoluzione spaziale e alle metodologie di elaborazione adottate.
• COBE: Riflette un pattern analogo, con un raffreddamento subpolare e un riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo, sebbene con una definizione meno netta rispetto ad altri dataset ad alta risoluzione.
• Kaplan: Evidenzia un raffreddamento nell’Atlantico subpolare e un riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo, con una distribuzione termica che si allinea ai pattern osservati nei dataset ad alta risoluzione.
• SODA: Essendo basato su dati a una profondità di 5 metri anziché superficiali, mostra un raffreddamento subpolare e un riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo. La normalizzazione è stata adeguata utilizzando dati superficiali per garantire la comparabilità con gli altri dataset.

I periodi temporali considerati variano in base alla disponibilità dei dati: le tendenze sono state calcolate dal 1870 fino alla fine del periodo coperto da ciascun dataset (HadISST, ERSSTv3b, ERSSTv4, ERSSTv5, Kaplan) per l’intervallo completo, mentre per SODA e COBE il periodo si limita alla durata massima dei dati disponibili. Per il dataset SODA, la normalizzazione è stata specificamente adattata utilizzando dati superficiali anziché quelli a 5 metri, al fine di allineare la metodologia con quella degli altri prodotti e assicurare una coerenza nella comparazione.

L’interpretazione dei risultati evidenzia che tutte le mappe convergono verso un raffreddamento prominente nell’Atlantico subpolare, un pattern che suggerisce un possibile indebolimento dell’AMOC. I dataset ad alta risoluzione (HadISST, COBE, SODA) rivelano inoltre un riscaldamento significativo nella regione della Corrente del Golfo, rafforzando la coerenza tra il modello e le osservazioni. Le variazioni nei dettagli tra i dataset sono attribuibili a differenze nella risoluzione spaziale, nella copertura temporale e nelle tecniche di elaborazione, ma il pattern complessivo supporta l’ipotesi di un’impronta termica stabile, potenzialmente legata a dinamiche oceaniche profonde come quelle associate all’AMOC.

In sintesi, la Figura Estesa 5 convalida la robustezza del pattern di raffreddamento nell’Atlantico subpolare e di riscaldamento nella regione della Corrente del Golfo, osservato sia nell’esperimento del modello CM2.6 che nei principali dataset SST. La normalizzazione rispetto alle tendenze medie globali facilita il confronto, sottolineando la consistenza tra simulazioni e dati osservativi e suggerendo che tali pattern possano riflettere risposte climatiche significative, con implicazioni per la comprensione delle variazioni dell’AMOC su scala globale.

La Figura Estesa 6 propone un’analisi temporale dettagliata delle anomalie della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC), calcolate attraverso due definizioni distinte dell’indice AMOC, con l’intento di valutare la coerenza e le discrepanze nei pattern evolutivi derivanti da approcci metodologici differenti. Questa rappresentazione grafica è progettata per esaminare le variazioni storiche dell’AMOC, integrando dati osservativi e fattori di conversione basati su modelli, al fine di fornire una prospettiva comparativa sulla dinamica oceanica su scale temporali estese.

• Struttura del grafico: L’asse orizzontale abbraccia un intervallo temporale che si estende dall’epoca preindustriale avanzata fino a comprendere i decenni più recenti, permettendo un’analisi longitudinale delle tendenze. L’asse verticale quantifica l’anomalia dell’AMOC in sverdrup (Sv), con un intervallo che varia da -4 a +4 Sv, rappresentando le deviazioni rispetto a una condizione di base.
• Serie temporali delle anomalie dell’AMOC:
  • La curva blu riflette l’anomalia dell’AMOC calcolata secondo la definizione proposta in questo studio, basata sui dati HadISST. Questa metodologia è stata ottimizzata per catturare le variazioni regionali e stagionali delle temperature superficiali marine (SST), con particolare attenzione alla regione del giro subpolare.
  • La curva rossa rappresenta l’anomalia dell’AMOC secondo la definizione originariamente sviluppata da Rahmstorf et al., aggiornata con i dati più recenti e derivata dai dati HadCRUT4. Questa serie si basa su un approccio che considera una media emisferica settentrionale delle SST, includendo sia terre emerse che oceani.
  • Entrambe le curve includono linee sottili che illustrano i valori annuali non elaborati e linee spesse che rappresentano i dati sottoposti a un filtro LOWESS su un intervallo di 10 anni. La scelta di questo filtro, rispetto a quello a 20 anni utilizzato nella Figura 6, è volta a mantenere una risoluzione temporale più elevata, favorendo un confronto dettagliato tra le due definizioni.
• Analisi delle dinamiche:
  • Le due serie temporali evidenziano una notevole variabilità, con oscillazioni interannuali e interdecadali che riflettono la complessità delle interazioni oceaniche e atmosferiche. Entrambe le curve suggeriscono fasi di rafforzamento e indebolimento dell’AMOC, con una tendenza complessiva al declino negli ultimi decenni, sebbene le ampiezze e i momenti specifici delle variazioni presentino lievi discrepanze.
  • La curva blu, fondata sui dati HadISST, mostra un declino più accentuato verso la fine del periodo, indicando una maggiore sensibilità alle recenti variazioni delle SST subpolari, un aspetto coerente con la metodologia mirata alla regione critica.
  • La curva rossa, aggiornata da Rahmstorf et al., presenta un pattern simile ma con una variabilità interdecadale meno pronunciata, un effetto attribuibile alla diversa normalizzazione e alla più ampia copertura spaziale dei dati HadCRUT4.
• Interpretazione: Il confronto tra le due definizioni dell’indice AMOC rivela una sostanziale concordanza nelle tendenze a lungo termine, nonostante le divergenze metodologiche e la diversa origine dei dati (HadISST versus HadCRUT4). L’applicazione di un filtro LOWESS a 10 anni, anziché a 20 come nella Figura 6, preserva una maggiore granularità temporale, facilitando l’identificazione di fluttuazioni interdecadali e rafforzando la validità delle stime. Le differenze osservate tra le due serie, pur minime, possono essere ricondotte alle variazioni nei dataset e nei fattori di conversione modellistici, sottolineando l’importanza di una calibrazione accurata per interpretare le anomalie dell’AMOC. La tendenza al declino riscontrata in entrambe le serie sostiene l’ipotesi di un indebolimento dell’AMOC, con implicazioni significative per la redistribuzione del calore nell’Atlantico settentrionale e per la comprensione dei cambiamenti climatici.

In sintesi, la Figura Estesa 6 delinea l’evoluzione temporale dell’anomalia dell’AMOC calcolata attraverso due approcci distinti, evidenziando una convergenza nei trend generali pur con variazioni nei dettagli. L’adozione di un filtro LOWESS a 10 anni consente una risoluzione temporale più raffinata, facilitando il confronto e confermando la robustezza delle stime basate su dati HadISST e HadCRUT4. Questo approccio rafforza l’evidenza di un segnale di indebolimento dell’AMOC, offrendo un contributo significativo alla caratterizzazione delle dinamiche oceaniche nel contesto delle variazioni climatiche studiate.

La Figura Estesa 7 conduce un’analisi approfondita sulla sensibilità dell’indice della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC) alle variazioni nella delimitazione della regione del giro subpolare, con un focus specifico sull’impatto della copertura di ghiaccio marino. Questa rappresentazione grafica è organizzata in due pannelli distinti, mirati rispettivamente a illustrare la definizione geografica della regione e a valutare l’effetto delle sue estensioni sulla stima dell’indice AMOC, offrendo una valutazione rigorosa della stabilità metodologica in presenza di condizioni di ghiaccio variabile.

• Pannello (a) – Delimitazione della regione del giro subpolare:
  • Il pannello è suddiviso in due sezioni affiancate. Nella sezione sinistra, è rappresentata la regione originale del giro subpolare, delineata da un contorno blu, sovrapposta alla copertura media di ghiaccio marino osservata durante la stagione novembre-maggio, derivata dai dati HadISST per un periodo storico esteso. La scala cromatica, che varia da 0,0 a 1,0, indica l’intensità della copertura di ghiaccio, con valori più elevati che corrispondono a una presenza più densa.
  • Nella sezione destra, è mostrata una versione ridotta della regione del giro subpolare, contornata in verde, progettata per includere esclusivamente aree costantemente prive di ghiaccio marino, confrontata con la massima estensione del ghiaccio marino registrata nella stessa stagione per lo stesso intervallo temporale. Questa delimitazione ridotta mira a eliminare l’influenza delle variazioni di ghiaccio, fornendo una base più omogenea per l’analisi dell’indice.
• Pannello (b) – Confronto tra gli indici AMOC:
  • L’asse orizzontale si estende su un intervallo temporale che copre dall’epoca preindustriale avanzata fino ai decenni più recenti, consentendo un esame longitudinale delle tendenze. L’asse verticale misura l’anomalia delle SST in gradi Kelvin (K), con un intervallo che va da -1,2 a +0,6 K, rappresentando le deviazioni dell’indice AMOC rispetto a una condizione di riferimento.
  • Sono illustrate due serie temporali: l’indice AMOC calcolato sulla regione originale del giro subpolare (linea blu) e l’indice AMOC basato sulla regione ridotta (linea verde). Le linee sottili rappresentano i valori annuali grezzi, mentre le linee spesse, ottenute applicando un filtro LOWESS su un intervallo di 20 anni, evidenziano le tendenze lisce a lungo termine, mitigando la variabilità interannuale.
  • L’analisi rivela che entrambe le serie mostrano una traiettoria discendente nel tempo, con fluttuazioni annuali simili. Tuttavia, la regione ridotta tende a generare valori leggermente più stabili, suggerendo che l’esclusione delle aree soggette a ghiaccio marino riduca l’impatto delle variazioni superficiali sulla stima dell’indice.
• Interpretazione: Il pannello (a) mette in evidenza la variabilità spaziale e temporale della copertura di ghiaccio marino, che potrebbe introdurre distorsioni nella regione originale del giro subpolare, specialmente nelle aree marginali soggette a fluttuazioni stagionali. La regione ridotta, definita per escludere tali aree, offre un contesto più uniforme per l’analisi. Il pannello (b) dimostra che, sebbene le variazioni anno per anno presentino lievi discrepanze, la tendenza a lungo termine rimane essenzialmente invariata tra le due definizioni. Questa stabilità suggerisce che l’influenza del ghiaccio marino sull’indice AMOC è minima, particolarmente su scale temporali decennali, e che la scelta della delimitazione regionale non compromette significativamente la validità delle conclusioni relative all’indebolimento dell’AMOC.

In sintesi, la Figura Estesa 7 esplora la dipendenza dell’indice AMOC dalla definizione della regione del giro subpolare in relazione alla copertura di ghiaccio marino, confermando che la traiettoria di declino dell’AMOC è coerente sia nella regione originale che in quella ridotta. L’applicazione del filtro LOWESS su 20 anni sottolinea la costanza del segnale a lungo termine, indicando che le variazioni di ghiaccio marino hanno un effetto trascurabile sulle stime dell’indice AMOC su intervalli temporali estesi, rafforzando la robustezza del metodo proposto.

La Figura Estesa 8 presenta un’analisi comparativa dettagliata della variabilità interdecadale tra l’indice della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC) e l’indice dell’Oscillazione Multidecennale Atlantica (AMO), con l’intento di indagare le relazioni tra queste due metriche climatiche e di valutare le loro dinamiche temporali su scale estese. Questa rappresentazione grafica è organizzata in due pannelli distinti, progettati per esaminare sia la variabilità complessiva che la componente interdecadale specifica, fornendo una base solida per comprendere le interazioni tra i processi oceanici e la variabilità termica nell’Atlantico settentrionale.

• Struttura del grafico: L’asse orizzontale copre un intervallo temporale che si estende dall’epoca preindustriale avanzata fino a includere i decenni più recenti, consentendo un’analisi longitudinale delle tendenze. L’asse verticale misura le anomalie delle temperature superficiali marine (SST) in gradi Kelvin (K), con un intervallo che varia da -1,0 a +1,0 K per il pannello (a) e da -1,0 a +0,6 K per il pannello (b), rappresentando le deviazioni rispetto a una condizione di riferimento.
• Pannello (a) – Variabilità complessiva:
  • La curva blu illustra l’indice AMOC sviluppato in questo studio, calcolato a partire dai dati HadISST, con linee sottili che rappresentano i valori annuali e linee spesse che indicano i dati lisciai ottenuti mediante un filtro LOWESS su un intervallo di 20 anni.
  • La curva grigia rappresenta l’indice AMO, derivato dai dati HadISST secondo il metodo proposto da Trenberth e Shea. Questo indice è definito come la media ponderata delle SST sull’Atlantico settentrionale (da 0° N a 80° N), corretta sottraendo la media globale delle SST (calcolata tra 60° S e 60° N) per un periodo di riferimento storico. Anche in questo caso, le linee sottili mostrano i valori annuali, mentre le linee spesse riflettono i dati lisciai con un filtro LOWESS su 20 anni.
  • L’analisi rivela una marcata variabilità in entrambe le serie, con oscillazioni interannuali e interdecadali che evidenziano la complessità delle interazioni tra atmosfera e oceano. Tuttavia, l’indice AMOC mostra una tendenza al declino a lungo termine, mentre l’indice AMO non presenta una traiettoria climatica netta, a causa della compensazione tra regioni con trend termici opposti.
• Pannello (b) – Variabilità interdecadale:
  • La curva blu rappresenta l’indice AMO, mentre la curva viola mostra la variabilità interdecadale dell’indice AMOC, ottenuta detrendendo i dati lisciai con un filtro LOWESS su 20 anni per isolare la componente ciclica e rimuovere la tendenza climatica a lungo termine.
  • Le linee sottili indicano i valori annuali grezzi, mentre le linee spesse rappresentano i dati lisciai. Il confronto evidenzia una somiglianza nelle fluttuazioni interdecadali tra i due indici, con pattern oscillatori comparabili su scale di decenni.
  • Tuttavia, l’indice AMO non riflette la tendenza climatica negativa osservata nell’indice AMOC, poiché la sua costruzione integra regioni con trend termici divergenti (raffreddamento subpolare e riscaldamento tropicale/subtropicale), annullando il segnale di declino.
• Interpretazione: Il pannello (a) mette in evidenza che, sebbene l’indice AMOC e l’indice AMO condividano una variabilità interdecadale significativa, l’AMOC incorpora una traiettoria di declino a lungo termine, attribuibile a forzanti climatiche, mentre l’AMO, a causa della sua natura composita, non cattura questa dinamica. Il pannello (b) conferma che la variabilità interdecadale è coerente tra i due indici, suggerendo un’influenza comune di processi oceanici, ma la detendenza evidenzia che l’AMOC include un segnale climatico assente nell’AMO. L’applicazione del filtro LOWESS su 20 anni riduce la variabilità a breve termine, accentuando le oscillazioni decennali e sottolineando la divergenza nelle tendenze a lungo termine, con implicazioni per la comprensione dei driver climatici dell’Atlantico settentrionale.

In sintesi, la Figura Estesa 8 illustra che l’indice AMOC e l’indice AMO presentano una variabilità interdecadale simile, ma si differenziano per la presenza di una tendenza climatica negativa nell’AMOC, assente nell’AMO a causa della sua struttura composita. L’utilizzo del filtro LOWESS su 20 anni facilita il confronto, evidenziando l’importanza della circolazione oceanica nel determinare i pattern termici e suggerendo che l’AMOC rifletta più accuratamente le forzanti climatiche a lungo termine nell’Atlantico settentrionale.

La Figura Estesa 9 fornisce un’analisi comparativa approfondita tra l’indice della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC) e l’indice dell’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO), con l’intento di investigare le interazioni temporali e le potenziali relazioni causali tra queste due variabili climatiche fondamentali. Questa rappresentazione grafica è organizzata in due pannelli distinti, concepiti per esplorare sia la variabilità interdecadale che la correlazione ritardata, offrendo una piattaforma per comprendere le dinamiche interconnesse tra circolazione oceanica e variabilità atmosferica nell’Atlantico settentrionale.

• Struttura del grafico: L’asse orizzontale abbraccia un intervallo temporale che si estende dall’epoca preindustriale avanzata fino a includere i decenni più recenti, facilitando un’analisi longitudinale delle tendenze. L’asse verticale misura le anomalie delle temperature superficiali marine (SST) in gradi Kelvin (K) nel pannello (a), con un range che varia da -2,0 a +2,0 K, mentre nel pannello (b) rappresenta il coefficiente di correlazione (R) su un intervallo da -0,6 a +0,4, riflettendo la forza della relazione tra le variabili.
• Pannello (a) – Variabilità interdecadale:
  • La curva blu illustra l’indice AMOC sviluppato nell’ambito di questo studio, derivato dai dati HadISST, con linee sottili che rappresentano i valori annuali e linee spesse che indicano i dati sottoposti a un filtro LOWESS su un intervallo di 20 anni per evidenziare le tendenze a lungo termine.
  • La curva nera rappresenta l’indice NAO, calcolato secondo l’approccio di Hurrell, basato sulla differenza di pressione al livello del mare tra la stazione di Lisbona e quella di Stykkisholmur/Reykjavik per i mesi da dicembre a marzo (DJFM). Anche in questo caso, le linee sottili mostrano i valori annuali, mentre le linee spesse riflettono i dati lisciai con un filtro LOWESS su 20 anni, con le tendenze lineari complessive indicate da linee tratteggiate.
  • L’analisi rivela una significativa variabilità in entrambe le serie, caratterizzata da oscillazioni interannuali e interdecadali che riflettono la complessità delle interazioni tra oceano e atmosfera. L’indice AMOC esibisce una tendenza al declino a lungo termine, attribuibile a forzanti climatiche, mentre l’indice NAO mostra fluttuazioni senza una traiettoria climatica netta, a causa della sua natura prevalentemente atmosferica.
• Pannello (b) – Correlazione ritardata:
  • Il grafico presenta la funzione di correlazione incrociata ritardata (lagged cross-correlation) tra l’indice AMOC e l’indice NAO, con l’asse orizzontale che indica il ritardo (lag) in anni, spaziando da -40 a +40. La linea nera traccia la correlazione, mentre la linea rossa tratteggiata segna il livello di significatività statistica al 95%.
  • Il picco di correlazione negativa, con un coefficiente R = -0,54, si manifesta quando l’AMOC precede la NAO di tre anni, suggerendo una potenziale influenza dell’AMOC sulle variazioni della NAO con un ritardo temporale.
• Interpretazione: Il pannello (a) evidenzia che l’indice AMOC e l’indice NAO condividono una variabilità interdecadale significativa, ma l’AMOC incorpora una traiettoria di declino a lungo termine legata a forzanti antropogeniche, mentre la NAO riflette principalmente oscillazioni atmosferiche senza una tendenza climatica chiara. L’applicazione del filtro LOWESS su 20 anni riduce la variabilità a breve termine, mettendo in risalto le dinamiche decennali e le divergenze nelle tendenze a lungo termine. Il pannello (b) convalida una correlazione negativa robusta, con un ritardo di tre anni, indicando che l’AMOC potrebbe giocare un ruolo guida nelle variazioni della NAO attraverso modifiche delle SST dell’Atlantico settentrionale, piuttosto che un’influenza opposta. Il livello di significatività del 95% rafforza la credibilità statistica di questa relazione, suggerendo un meccanismo di feedback oceanico-atmosferico.

In sintesi, la Figura Estesa 9 dimostra che l’indice AMOC e l’indice NAO presentano una variabilità interdecadale correlata, con un’influenza dell’AMOC sulla NAO ritardata di tre anni (R = -0,54). L’utilizzo del filtro LOWESS su 20 anni e l’analisi della correlazione ritardata evidenziano il contributo della circolazione oceanica nel modulare la dinamica atmosferica, fornendo evidenze significative sulla causalità climatica nell’Atlantico settentrionale e aprendo la strada a ulteriori indagini su questi meccanismi di interazione.

La Tabella Estesa 1 offre un resoconto dettagliato e sistematico delle informazioni relative ai dataset osservativi e ai modelli climatici impiegati nello studio, costituendo una risorsa fondamentale per comprendere la struttura e le caratteristiche tecniche sottostanti all’analisi dell’indebolimento della circolazione di ribaltamento meridionale dell’Atlantico (AMOC). Questa rappresentazione tabulare è progettata per fornire una panoramica esaustiva delle fonti di dati, delle risoluzioni spaziali e temporali, dei periodi temporali coperti, delle procedure di elaborazione applicate e delle metriche quantitative associate, garantendo una base solida per la validazione e la riproducibilità dei risultati scientifici.

• Colonne principali:
  • Dataset: Elenca i nomi dei dataset osservativi utilizzati, tra cui HadISST, ERSSTv3b, ERSSTv4, ERSSTv5, COBE, Kaplan e SODA, accanto ai modelli climatici CMIP5, come CanESM2, CCSM4, CESM1-BGC, CESM1-CAM5, CNRM-CM5, GFDL-ESM2M, GISS-E2-R, INMCM4, MPI-ESM-LR, MPI-ESM-MR, MRI-CGCM3, MRI-ESM1 e NorESM1-M.
  • Full Name: Specifica il nome completo o l’ente responsabile, ad esempio NOAA per HadISST e NCAR per CCSM4, offrendo un riferimento chiaro alle istituzioni coinvolte.
  • Resolution: Dettaglia la risoluzione spaziale (es. 1° di latitudine × 1° di longitudine per HadISST, 0,5° × 0,5° per alcuni modelli) e temporale (mensile o giornaliera), indicando la granularità dei dati.
  • Period of Record: Indica l’intervallo temporale coperto da ciascun dataset o modello, ad esempio dal 1870 per HadISST o dal 1854 per ERSSTv4, fino ai periodi più recenti disponibili.
  • Input Data: Descrive le fonti primarie dei dati, come ICOADS per HadISST o assimilazioni di osservazioni per SODA, evidenziando le basi empiriche o modellistiche.
  • Process Steps: Illustra le fasi di elaborazione, inclusi controllo qualità, correzioni di bias e interpolazioni (es. gridding per Kaplan), che assicurano la qualità e la consistenza dei dati.
  • Source: Fornisce i riferimenti alle istituzioni o ai link di origine (es. www.metoffice.gov.uk per HadISST), garantendo la tracciabilità.
  • Download: Segnala la data di accesso ai dati, offrendo un’indicazione temporale dell’acquisizione.
  • Mean AMOC 26° N [Sv]: Riporta la forza media dell’AMOC a 26° N per i modelli, con valori che variano da 12,33 Sv (CNRM-CM5) a 28,69 Sv (NorESM1-M).
  • AMOC Index decline [K/century]: Quantifica il tasso di declino dell’indice AMOC, con range da -0,40 K/century (INMCM4) a -0,71 K/century (CESM1-BGC).
  • AMOC decline [Sv/century]: Indica il tasso di declino complessivo dell’AMOC, con variazioni da -0,7 Sv/century (NorESM1-M) a -2,7 Sv/century (CESM1-BGC).
• Dataset osservativi:
  • HadISST: Caratterizzato da una risoluzione di 1° × 1°, copre dall’inizio del XIX secolo, utilizza dati ICOADS con rigidi controlli qualità e correzioni, accessibile tramite il Met Office.
  • ERSSTv3b, ERSSTv4, ERSSTv5: Varianti del dataset NOAA con risoluzioni e periodi differenti (dal 1854), basate su ICOADS con diverse metodologie di correzione.
  • COBE: Offre una risoluzione di 0,5° × 0,5°, copre dal 1970, con assimilazione di dati osservativi.
  • Kaplan: Con una risoluzione di 5° × 5°, parte dal 1856, include gridding e interpolazione.
  • SODA: Con risoluzione variabile, inizia dal 1850, basato su rianalisi con assimilazione di dati.
• Modelli CMIP5:
  • Comprende 15 modelli con risoluzioni spaziali che variano da 0,27° a 2,8°, coprendo periodi storici estesi. La forza media dell’AMOC a 26° N spazia da 12,33 Sv (CNRM-CM5) a 28,69 Sv (NorESM1-M), con tassi di declino dell’indice AMOC che oscillano tra -0,40 K/century (INMCM4) e -0,71 K/century (CESM1-BGC), e declini complessivi da -0,7 Sv/century (NorESM1-M) a -2,7 Sv/century (CESM1-BGC). Questi valori riflettono la diversità delle rappresentazioni modellistiche dell’AMOC.
• Interpretazione: La tabella evidenzia la varietà delle fonti di dati e dei modelli, con dataset osservativi che coprono lunghi periodi storici e modelli che simulano risposte a forzanti climatiche. La normalizzazione dei tassi di declino dell’indice AMOC e dell’AMOC complessivo riflette l’indebolimento del sistema, con modelli come CESM1-BGC che mostrano i declini più significativi. Le informazioni sui download e le fonti assicurano la trasparenza e la riproducibilità dello studio, mentre i dettagli tecnici supportano l’integrazione di osservazioni e simulazioni per un’analisi robusta dell’AMOC.

In sintesi, la Tabella Estesa 1 si configura come un catalogo esaustivo dei dataset e dei modelli climatici impiegati, fornendo dati tecnici e quantitativi che sostengono l’indagine sull’indebolimento dell’AMOC. La diversità delle risoluzioni, dei periodi e delle metodologie riflette l’approccio multidimensionale dello studio, mentre le metriche di declino offrono una quantificazione coerente delle variazioni climatiche osservate e simulate.

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0006-5