Riassunto

Il fenomeno conosciuto come Oscillazione di Madden-Julian (MJO) ha un impatto significativo sul clima globale, influenzando tra l’altro il ciclo del momento angolare atmosferico (AAM). Questo studio esplora tale ciclo analizzando come i movimenti e le variazioni del momento angolare, che includono flussi e forze rotazionali, si relazionano con le variazioni della radiazione infrarossa di uscita (OLR), uno strumento chiave per monitorare l’attività convettiva tropicale.

La ricerca evidenzia una corrispondenza tra i picchi del componente principale P1, derivato dalle analisi delle funzioni ortogonali empiriche (EOF) dell’OLR, e i cambiamenti nel momento angolare nella troposfera equatoriale. In particolare, si nota un passaggio da valori negativi a positivi del momento angolare in corrispondenza di minimi di OLR vicino a 150°E, segno di intensa attività convettiva.

Un aspetto fondamentale rivelato è la sequenza temporale con cui le anomalie di momento angolare si manifestano e si spostano nell’atmosfera. Inizialmente, queste anomalie appaiono nella parte alta della troposfera equatoriale, per poi propagarsi verso il basso e verso le latitudini più alte, raggiungendo la superficie nelle regioni subtropicali entro un arco temporale di circa due settimane. Durante questo processo, la troposfera tropicale si riscalda, mentre la stratosfera tende a raffreddarsi, evidenziando una dinamica complessa e interconnessa.

Gli effetti di torsione, maggiormente pronunciati nelle aree subtropicali, giocano un ruolo cruciale nel guidare il movimento delle anomalie di momento angolare verso il basso e verso i poli. Questo studio fornisce una sintesi efficace dell’evoluzione del momento angolare atmosferico globale e delle sue anomalie di flusso verticale, offrendo una rappresentazione chiara e comprensiva dell’interazione tra vari fattori atmosferici durante l’Oscillazione di Madden-Julian.

Introduzione all’Oscillazione di Madden-Julian e il suo Impatto sul Momento Angolare Atmosferico

L’Oscillazione di Madden-Julian (MJO), identificata per la prima volta da Madden e Julian nel 1971, è un fenomeno atmosferico che svolge un ruolo cruciale nella modulazione del clima globale, particolarmente noto per influenzare il picco spettrale del momento angolare assiale globale (AAM) intorno al periodo di 50 giorni. Approfondimenti di Rosen e Salstein nel 1983, e successive analisi come quelle di Weickmann et al. del 1992, hanno dettagliatamente esplorato come il ciclo di AAM accompagni la MJO, osservando variazioni di AAM in risposta alla posizione della convezione nell’Australasia.

Queste variazioni del momento angolare sono intimamente collegate alle dinamiche della convezione tropicale, e si manifestano attraverso cambiamenti indotti da torque di attrito e montagna. Ricerche approfondite da Weickmann e Sardeshmukh nel 1994 e ulteriori studi di Weickmann et al. nel 1997 hanno confermato che i cambiamenti nell’AAM globale sono inizialmente dovuti a un incremento nel torque di attrito, seguito da un aumento nel torque di montagna. Questi studi hanno anche evidenziato come impulsi di pressione si propaghino lungo l’equatore e poi seguano percorsi meridionali lungo le coste occidentali delle Americhe, dimostrando l’ampio impatto della MJO su vari campi atmosferici, inclusi quelli legati all’umidità e alle precipitazioni.

Nonostante l’ampio riconoscimento dell’influenza della MJO sui vari aspetti del sistema climatico terrestre, vi è stata una mancanza di studi che esplorino specificamente il bilancio di AAM in funzione della latitudine e dell’altezza associato alla MJO. Questa lacuna nella ricerca sottolinea l’importanza di approfondire la comprensione della dinamica del momento angolare zonalmente integrato, governata da principi relativamente semplici ma fondamentale per decifrare il campo di moto zonale e la distribuzione della massa atmosferica.

La necessità di esaminare più da vicino la relazione tra la MJO e il momento angolare atmosferico si estende anche al mondo delle simulazioni, dove la rappresentazione accurata di questi processi rimane una sfida. Come indicato nelle revisioni di Sperber et al. nel 2005, nonostante i progressi tecnologici, esiste ancora un bisogno critico di studi che mettano in luce con precisione come la MJO moduli il bilancio di AAM attraverso varie scale temporali e spaziali, aprendo nuove strade per la ricerca futura in questo campo vitale della scienza atmosferica.

Nel loro studio, Weickmann, Kiladis e Sardeshmukh (indicati con l’acronimo WKS) hanno aperto nuove prospettive sulla dinamica dell’Oscillazione di Madden-Julian (MJO), evidenziando come, nelle fasi iniziali di questo fenomeno, si possa osservare un’intensificazione della cella di Hadley, accompagnata da venti alisei anomali in tutto il tropico e significativi trasporti orizzontali del momento angolare dalla zona subtropicale verso le regioni equatoriali e a media latitudine. Hanno inoltre notato come la pressione superficiale diventi insolitamente bassa all’equatore.

Con il passare di 1-2 settimane, si registrano cambiamenti notevoli: i venti occidentali cominciano a farsi strada nella troposfera tropicale superiore, segnando l’inizio di un’inversione della circolazione di massa anomala che, da quel momento, si sposta verso i poli in entrambi gli emisferi, portando a un progressivo indebolimento della cella di Hadley. Man mano che queste anomalie dei venti occidentali procedono verso i poli, il flusso zonale anomalo si orienta verso l’occidentale, toccando infine anche le vicinanze della superficie, dove la pressione superficiale nell’area equatoriale inizia a risalire.

Nonostante le penetranti osservazioni di WKS, la mancanza di dati ha rappresentato un ostacolo significativo nel derivare un bilancio dettagliato del momento angolare che riflettesse queste dinamiche. Pertanto, l’intenzione di questo articolo è quella di colmare tale lacuna, calcolando il bilancio del momento angolare nella media zonale sul piano latitudine-altezza, avvalendosi delle Ri-Analisi ERA-5 del Centro Europeo per le Previsioni Meteo a Medio Termine (ECMWF).

Ci poniamo varie domande derivanti dalle osservazioni iniziali di WKS, cercando di approfondire la nostra comprensione delle meccaniche in gioco. Siamo curiosi, ad esempio, di sapere se il passaggio da venti alisei anomali a occidentali sia effettivamente il risultato di trasporti orizzontali al di fuori della zona tropicale, e quali siano le funzioni dei torque in questo contesto. Inoltre, desideriamo esplorare le ragioni per cui il senso della circolazione di massa tropicale anomala si inverte, come suggerito da WKS e da studi successivi come quello di Kang e Lau nel 1994, e quale ruolo giochi la distribuzione di massa all’interno di questo intricato bilancio.

Attraverso questa analisi, aspiriamo non solo a rispondere a queste domande ma anche a fornire nuovi spunti sulla complessa interazione tra la MJO e la dinamica atmosferica globale.

Metodi e Dati per lo Studio del Momento Angolare Atmosferico e l’Oscillazione di Madden-Julian

Nell’ambito della ricerca atmosferica, Egger e Hoinka (2005), noti nell’articolo come EH05, hanno introdotto un’innovativa analisi dei bilanci del momento angolare assiale atmosferico (AAM) su un piano di latitudine-altezza. Questo studio si è focalizzato in particolare sulla risposta atmosferica ai torque generati da attrito e da montagne. Proseguendo lungo questa linea di ricerca, il nostro obiettivo è di applicare metodi analoghi per esaminare come il bilancio di AAM si relazioni con un fenomeno altrettanto significativo: l’Oscillazione di Madden-Julian (MJO).

Il legame con l’MJO è rappresentato da parametri specifici, quali i componenti principali delle funzioni ortogonali empiriche (EOF) della radiazione infrarossa di uscita filtrata tra 20 e 100 giorni. In particolare, il primo coefficiente, P1, segnala il picco di convezione a 150°E, offrendo una finestra sui modelli climatici associati all’MJO. Questi modelli EOF e le loro implicazioni sono stati dettagliatamente esplorati in studi precedenti, come quelli di Hendon e Glick (1997) e Sperber (2003), che hanno evidenziato come i componenti principali rivelino oscillazioni con periodi vicini ai 50 giorni, associati alle dinamiche dell’MJO.

Per comprendere meglio questi fenomeni, abbiamo adottato un approccio di analisi che discretizza il piano di latitudine-altezza in fasce e strati, consentendoci di tracciare il flusso del momento angolare attraverso diverse sezioni dell’atmosfera. Questa metodologia, pur essendo tecnica, si basa sull’integrazione delle equazioni del momento angolare su scala zonale e sull’analisi dei flussi meridionali e verticali del momento angolare, che sono cruciali per comprendere le variazioni di AAM associate all’MJO.

In sintesi, questo studio si propone di esplorare il bilancio di AAM nell’ambito dell’MJO, utilizzando dati e metodi avanzati per rivelare le intricate dinamiche atmosferiche che accompagnano questo fenomeno. Attraverso questo lavoro, miriamo a fornire nuove intuizioni sulle interazioni tra i torque atmosferici e le oscillazioni climatiche globali, offrendo una prospettiva più completa sulla complessità dei sistemi meteorologici e climatici terrestri.

Nel proseguire il lavoro di Egger e Hoinka del 2005 (EH05), abbiamo adottato l’ipotesi che i torque, ovvero le forze rotazionali esercitate da montagne e attrito, possano essere definiti al livello più basso dell’atmosfera. Questi torque giocano un ruolo fondamentale nel modellare il momento angolare atmosferico (AAM), che può essere suddiviso in componenti legati al vento e alla massa. Tuttavia, va sottolineato che l’analisi diretta di questi componenti presenta delle sfide, a causa della complessità e del rumore intrinseco nei dati raccolti.

La relazione tra il momento angolare e le fasi dell’Oscillazione di Madden-Julian (MJO) è stata esplorata attraverso un approccio statistico, cercando di comprendere come il vento e la massa influenzino il bilancio di AAM in relazione a specifici parametri dell’MJO, come i componenti principali della radiazione infrarossa di uscita filtrata. Questo approccio ha richiesto l’introduzione di nuove funzioni per analizzare le variazioni di AAM a diversi ritardi temporali e la parte dei flussi che non alterano il momento angolare.

Nonostante l’intento di seguire meticolosamente le equazioni di bilancio del momento angolare, ci siamo trovati di fronte alla sfida di lavorare con dati eccessivamente rumorosi, provenienti dalle analisi ERA. Questo rumore rende particolarmente difficile soddisfare le relazioni di bilancio con l’accuratezza richiesta. Ad esempio, abbiamo scoperto che piccoli errori nella velocità del vento possono causare grandi discrepanze nei calcoli dei flussi vicino alla superficie terrestre, con un impatto significativo sulle nostre analisi.

Inoltre, l’analisi ha rivelato che le correlazioni tra la tendenza del momento angolare e la sua divergenza nei dati sono relativamente basse, suggerendo che l’analisi diretta del bilancio di AAM risulta complessa e potenzialmente inaccurata a causa delle deviazioni standard osservate. Queste sfide sottolineano le difficoltà nel tracciare con precisione il bilancio di AAM utilizzando i dati attuali, mettendo in luce la necessità di ulteriori studi e di un approccio cauto nell’interpretare i risultati ottenuti.

Nel continuare a esplorare il legame tra il momento angolare atmosferico (AAM) e l’Oscillazione di Madden-Julian (MJO), abbiamo adottato un approccio che permette di analizzare la dinamica dei flussi e dei torque atmosferici. Un aspetto fondamentale di questa analisi è la distinzione tra la funzione di corrente, che rappresenta i movimenti più ampi dell’atmosfera, e il potenziale di velocità, che si concentra su cambiamenti più specifici e localizzati. Questi elementi ci aiutano a comprendere come il vento e la pressione atmosferica contribuiscano al bilancio complessivo del momento angolare.

Il nostro studio si basa sull’idea che possiamo ottenere una comprensione più precisa dei processi atmosferici invertendo la cosiddetta “vorticità”, permettendoci così di calcolare la funzione di corrente. Tuttavia, abbiamo scoperto che ottenere direttamente il potenziale di velocità dalle tendenze osservate offre un quadro più chiaro della situazione, purché queste tendenze possano essere pienamente espresse attraverso la divergenza dei flussi atmosferici.

Affrontare le condizioni al contorno ha presentato le sue sfide, specialmente nel determinare come specificare separatamente la covarianza alla base per la funzione di corrente e il potenziale di velocità. Abbiamo seguito un approccio che divide il torque totale, permettendoci di identificare i torque necessari ai confini inferiori per ciascuno di questi elementi. Una considerazione importante è che, per natura, la funzione di corrente non può generare una tendenza globale nel momento angolare, il che ci porta a prendere decisioni su come allocare i torque positivi e come bilanciare le loro influenze attraverso la covarianza.

Per quanto riguarda le covarianze di temperatura e pressione, abbiamo scelto di derivarle dal termine di massa, assumendo un equilibrio idrostatico, per motivi di efficienza computazionale. Questo approccio, sebbene pratico, introduce delle limitazioni, specialmente nelle vicinanze dei poli, dove le imprecisioni diventano più significative.

I dati utilizzati per questa analisi provengono dal dataset ERA, che copre il periodo dal 1° novembre 1979 al 31 marzo 1992. L’aver mediato i valori giornalieri disponibili ci ha fornito una base solida per esaminare come i vari flussi e torque contribuiscano al bilancio generale di AAM, offrendoci una finestra preziosa sulle complesse dinamiche atmosferiche associate all’MJO. Questa metodologia ci ha permesso di affrontare con cura e dettaglio l’analisi di questi fenomeni, pur riconoscendo le sfide poste dalla necessità di precisione nei dati e nell’interpretazione dei risultati.

3. Risultati

a. Radiazione Infrarossa di Lunga Ondata in Uscita e Venti a 200 metri

Prima di analizzare in dettaglio i risultati relativi alla covarianza tra latitudine e altezza dell’AAM, è utile presentare le mappe orizzontali dei campi dei venti e della radiazione infrarossa di lunga ondata in uscita (OLR). Questo passaggio preliminare ci permette di contestualizzare il segnale medio zonale e globale dell’AAM all’interno del quadro più ampio della segnalazione tridimensionale completa della MJO. La figura 2 illustra la regressione dei venti vettoriali a 200 hPa e della OLR rispetto a P1, utilizzando dati raccolti nei periodi novembre-marzo dal 1979/80 al 1994/95. Per costruire le anomalie, i coefficienti di regressione sono stati moltiplicati per un valore di deviazione standard corrispondente al P1 “previsto”. L’analisi della significatività locale segue la metodologia proposta da Weickmann e colleghi nel 2000.

Le mappe evidenziano chiaramente le anomalie di circolazione e di OLR della MJO, che si propagano verso est su larga scala, mostrando anche una tendenza alla deriva e all’espansione verso i poli. In particolare, si nota come l’anticiclone che si forma sopra il sud dell’Asia (a 90°E) il decimo giorno precedente si sposti verso est fino a raggiungere il Pacifico centro-orientale (a 150°W) nel giro di 30 giorni. Durante questo spostamento, si formano coppie di anticicloni situati a ovest (giorno -10), a est (giorno 0), e in prossimità (giorni 10 e 20) delle massime anomalie negative della OLR. Il giorno zero, in particolare, mostra una risposta di tipo Gill, con giri di Rossby posizionati vicino alle zone di convezione e una banda stretta di venti equatoriali che si estende quasi per tutto il globo.

Nella figura 2 è stato inoltre delineato il confine polare della fase dei venti occidentali delle anomalie di circolazione, evidenziando un movimento verso est e verso i poli su una scala spaziale che implicherebbe una proiezione sul numero d’onda 0, ovvero la media zonale.

Dall’analisi emergono tre caratteristiche principali del segnale dei venti orizzontali che contribuiscono alla formazione dell’anomalia media zonale dell’AAM osservata: (1) un segnale ad alta quota, verticalmente poco profondo e meridionalmente ristretto, presente sopra l’emisfero occidentale equatoriale il giorno zero; (2) un segnale meridionalmente più ampio che si estende tra 20°N e 20°S, con i venti occidentali che “si propagano” verso l’emisfero orientale al decimo giorno precedente; e (3) un segnale verticalmente profondo che raggiunge la superficie nelle regioni subtropicali e nelle medie latitudini dell’emisfero occidentale al ventesimo giorno precedente.

Questi elementi suggeriscono un’ipotesi secondo cui le anomalie dell’AAM iniziano sull’equatore per poi muoversi verso i poli e discendere verso il basso man mano che le anomalie di convezione della MJO si spostano verso est. Nonostante il quadro possa sembrare dominato dalla componente media zonale, come suggerito nella figura 2, l’evoluzione dell’anomalia totale appare meglio rappresentata come un fenomeno locale in espansione, le cui dinamiche potrebbero differire da quelle desumibili dall’analisi della media zonale.

b. Momento Angolare

La correlazione tra la variabile P1 e il momento angolare viene mostrata nella Figura 3 per vari intervalli di tempo. In quest’analisi, sia P1 che P2 sono state normalizzate rispetto alle loro deviazioni standard per semplificare la discussione. Assumiamo che P1 sia positivo al tempo zero. I valori di AAM presentati nella Figura 3 possono essere interpretati come anomalie dei venti zonali equatoriali. Per esempio, una perturbazione dei venti zonali equatoriali di 1 m/s viene rappresentata nella Figura 3 da un’anomalia di AAM di 16×104 Hadley a livello del suolo e di 6×104 Hadley a un’altezza di 10 km. A -10 giorni dalla Figura 3a, si osserva che la troposfera tropicale centrale è caratterizzata da venti orientali anomali in entrambi gli emisferi, con solo una striscia di anomalie positive nell’emisfero meridionale e un’area positiva vicino alla tropopausa delle medie latitudini settentrionali. Questi ultimi sono residui della fase opposta della MJO. Cinque giorni dopo (non mostrato nella figura), le anomalie negative tropicali diventano più intense e si estendono ulteriormente verso i poli, mentre si sviluppa un centro di anomalie positive nella parte superiore della troposfera equatoriale. Questo nucleo di anomalie positive inizia a muoversi verso il basso e ad espandersi verso i poli, formando un’anomalia positiva vicino alla superficie a 10°S al tempo zero come mostrato nella Figura 3b. La banda di anomalie positive nel sud si sposta verso l’alto, mentre l’area positiva nell’emisfero settentrionale cresce verso il basso. I venti orientali anomali si intensificano e raggiungono la superficie nei subtropici.

Interessante notare che, nonostante l’assunzione di un termine di massa trascurabile, le anomalie dei venti zonali correlate risultano essere piuttosto piccole. Le anomalie di AAM nella troposfera equatoriale a -5 giorni sono ancora circondate da aree negative sia a nord che a sud, originate all’equatore 15 giorni prima. Si nota una leggera asimmetria, poiché l’area positiva si estende maggiormente nell’emisfero meridionale rispetto a quello settentrionale. A -10 giorni, come si vede nella Figura 3c, profonde anomalie positive si avvicinano ai subtropici e continueranno a spostarsi verso i poli mentre si sviluppa la prossima fase di anomalie dei venti orientali vicino alla tropopausa equatoriale. In generale, si osserva una crescita verso il basso delle anomalie di AAM con una sorgente apparente nelle regioni equatoriali della stratosfera inferiore. Pertanto, l’analisi basata su dati a 200 hPa e a livello del suolo descrive abbastanza accuratamente questo sviluppo.

Come evidenziato dallo studio di WKS, durante il periodo rappresentato nella Figura 3 si registra un aumento della pressione superficiale equatoriale, suggerendo che il contributo del termine di massa all’anomalia di AAM non sia trascurabile. A conferma, la Figura 4 mostra la correlazione tra P1 e il termine di massa al tempo zero, rivelando un contenuto di massa anormalmente basso nella troposfera tropicale e una maggiore densità nella stratosfera.

Le due aree di massima intensità nella stratosfera a medie latitudini inferiori, come mostrato nella Figura 3b, sono chiaramente il risultato delle anomalie legate al termine di massa. Tuttavia, il termine di massa ha un impatto trascurabile sullo sviluppo delle anomalie positive appena sopra l’equatore. In generale, è il termine legato ai venti ad avere un ruolo preponderante. La configurazione osservata dopo 10 giorni è simile a quella della Figura 4, ma le anomalie negative nella troposfera che vediamo nella Figura 4 si spostano verso i poli e sono sostituite da anomalie positive per t = 0 giorni, in linea con l’aumento di pressione superficiale osservato.

La struttura bidimensionale dei flussi di momento angolare viene illustrata nelle Figure 5 e 6. La funzione di flusso a t = 0 (Figura 5a) è caratterizzata da una forte cella anticiclonica vicino ai 20°N e da una più debole vicino ai 25°S. Tra queste, si inseriscono celle cicloniche più piccole, con una lieve asimmetria rispetto all’equatore. È importante ricordare che questi risultati sono influenzati dalle oscillazioni Madden-Julian (MJO) durante l’inverno boreale, periodo in cui le anomalie di convezione raggiungono il loro apice intorno ai 5°-10°S. Nella Figura 5, queste celle si estendono dal livello del suolo fino a un’altezza di circa 14 km e indicano un trasporto verso l’alto del momento angolare leggermente a nord dell’equatore e intorno ai 15°S, con una componente discendente pronunciata a 5°S e componenti più deboli a 30°N e 30°S. Questa analisi è confermata anche dall’esame diretto dei vettori di trasporto del momento angolare per t = 0 mostrati nella Figura 6.

Proseguendo fino a +10 giorni (Figura 5b), si osserva che le celle cicloniche si sono spostate verso i poli, posizionandosi vicino ai 15°N e ai 15°S, e si intravede la formazione di una nuova coppia di celle anticicloniche vicino all’equatore nella troposfera superiore. Tuttavia, è da notare che i trasporti mostrati nella Figura 5 non influenzano la distribuzione del momento angolare e non sono la causa del movimento discendente del regime dei venti occidentali mostrato nella Figura 3. In realtà, come dimostrato da Egger e Hoinka nel 2004, queste celle rappresentano principalmente circolazioni di massa meridionale che si sviluppano nella troposfera superiore e si propagano verso il basso fino alla superficie. Nella Figura 5b, l’intensificarsi delle circolazioni di massa cicloniche porta a un ulteriore indebolimento della cella di Hadley, proprio nel momento in cui il momento angolare atmosferico (AAM) raggiunge il suo picco massimo a t = -13 giorni.

A t = -10 giorni, il campo della funzione di flusso mostra un picco debole all’equatore nella stratosfera inferiore. I flussi sono direzionati verso l’alto lungo tutta la troposfera e la stratosfera inferiore. I trasporti meridionali in entrambi gli emisferi si dirigono verso l’equatore in associazione con gli assi verticali di esportazione di momento angolare posizionati lungo i 20° di latitudine. In altre parole, si verifica un’importazione di momento angolare nella troposfera superiore equatoriale e nella stratosfera inferiore, mentre la esportazione domina nelle zone inferiori.

La Figura 2 presenta quattro mappe che illustrano come i venti ad alta quota e le condizioni di radiazione termica cambiano nel corso del tempo in relazione a un evento meteorologico specifico durante l’inverno dell’emisfero nord. Ogni mappa corrisponde a un diverso momento: prima, durante e dopo l’evento designato come P1.

  • Nella prima mappa, (a), osserviamo le condizioni atmosferiche 10 giorni prima che l’evento P1 si verifichi. Qui, possiamo esaminare come i venti e la radiazione termica iniziano a differire dal loro comportamento tipico.
  • La seconda mappa, (b), mostra esattamente il momento dell’evento P1. Questa rappresentazione ci permette di vedere lo stato dell’atmosfera e delle anomalie dei venti proprio quando P1 è attivo.
  • Passando alla terza mappa, (c), vediamo la situazione 10 giorni dopo l’evento P1. Questo ci dà un’idea di come le condizioni mostrate nella mappa precedente si siano evolute o modificate nel tempo.
  • Infine, la quarta mappa, (d), ci porta ulteriormente avanti nel tempo, 20 giorni dopo l’evento P1, fornendo una visione di lungo termine dell’impatto dell’evento sul clima.

Le frecce disegnate sulle mappe sottolineano dove si trovano le anomalie dei venti occidentali, ovvero quelle zone dove i venti non seguono il loro schema abituale ma soffiano con direzione o intensità insolite verso ovest. Attraverso queste mappe possiamo seguire la “storia” di questi venti anomali, visualizzando dove si spostano e come influenzano la distribuzione della radiazione termica nell’atmosfera.

L’interpretazione di queste mappe è fondamentale per comprendere fenomeni complessi come l’Oscillazione di Madden-Julian, che può influenzare significativamente le condizioni meteorologiche a livello locale e globale, dando indicazioni importanti per la previsione del tempo e lo studio delle dinamiche climatiche.

La Figura 3 ci presenta una sequenza di diagrammi che ci raccontano una storia su come due importanti fattori atmosferici – la radiazione infrarossa di lunga ondata in uscita (OLR), che è un indicatore di attività come la formazione di nuvole e la precipitazione, e il momento angolare atmosferico (AAM), che riguarda la quantità di movimento rotazionale nell’atmosfera – si influenzano vicendevolmente nel tempo.

  • Nel primo diagramma, (a), guardiamo indietro di 10 giorni prima di un particolare evento, indicato da P1. Qui, i contorni che vediamo tracciati sul grafico ci mostrano le zone in cui l’OLR e l’AAM hanno una relazione stretta, sia positiva che negativa, con questo evento. In altre parole, ci dicono dove e in quale modo variazioni nell’OLR sono connesse a cambiamenti nel movimento rotatorio dell’atmosfera.
  • Avanzando al secondo diagramma, (b), siamo esattamente all’istante dell’evento P1. Qui, i contorni sono più concentrati e definiti, indicando aree dove l’influenza di P1 è al suo apice, sia in termini di radiazione che di movimento angolare atmosferico.
  • Procedendo all’ultimo diagramma, (c), osserviamo la situazione 10 giorni dopo l’evento P1. Questo ci mostra come le relazioni osservate nei diagrammi precedenti si sono evolute o cambiate, offrendoci una visione dinamica di come questi processi atmosferici interagiscono nel tempo.

In ciascuno dei grafici, le linee nette e chiare rappresentano dove c’è un’associazione diretta tra l’OLR e l’AAM – quando uno aumenta, anche l’altro tende ad aumentare. Al contrario, le linee tratteggiate rappresentano dove questa relazione è inversa – quando uno aumenta, l’altro diminuisce. Infine, l’intervallo dei contorni ci dice quanto è forte questa relazione: più le linee sono vicine, più significativo è il cambiamento nella covarianza tra OLR e AAM.

In breve, queste mappe sono strumenti preziosi che gli scienziati possono utilizzare per visualizzare e comprendere le complesse interazioni atmosferiche sopra di noi, gettando luce sui meccanismi che guidano il nostro clima e le condizioni meteorologiche.

Immaginiamo di avere davanti una fotografia scattata in un istante preciso che cattura le intricate relazioni tra due caratteristiche atmosferiche: una rappresentata dalla variabile P1 e l’altra dal termine di massa dell’aria. La Figura 4 è proprio questa fotografia. La scena catturata è quella della loro correlazione proprio nel momento centrale di un evento specifico, indicato dal tempo t = 0 giorni.

Nella fotografia, l’orizzonte si estende dall’estremo sud al remoto nord, con il polo sud a sinistra e il polo nord a destra. Il cielo sopra di noi è misurato in chilometri di altezza, partendo dal suolo fino alle strati superiori dell’atmosfera. In questo panorama, ci sono contorni disegnati che sembrano danzare in aria: alcuni con linee solide, altri con linee tratteggiate.

Le linee solide contornano le nuvole dove l’aumento di P1 va di pari passo con un aumento del termine di massa, come se in quelle aree l’atmosfera fosse più ‘pesante’ quando P1 è più forte. Queste potrebbero essere zone dove la pressione atmosferica è maggiore a causa di una maggiore massa d’aria.

Al contrario, le linee tratteggiate delineano regioni dove, anche se P1 è in aumento, il termine di massa sembra alleggerirsi, come se l’aria diventasse più ‘leggera’. Questo potrebbe suggerire zone di bassa pressione o di minore densità atmosferica.

Ogni forma che vediamo ci parla di quanto grande e intensa sia questa correlazione. Più le linee si avvicinano, più forte è il legame tra P1 e il termine di massa, proprio come una folla più densa in una piazza suggerisce una maggiore energia e attività al suo interno.

Questa istantanea, catturata dalla Figura 4, non è solo una rappresentazione statica; è un indizio, una traccia che gli scienziati possono seguire per scoprire come e perché l’atmosfera si comporta come fa, e quali segreti può svelarci sul complesso sistema che è il clima del nostro pianeta.

Nella Figura 5 ci viene mostrato uno spettacolo a due atti della danza atmosferica che si esibisce sul palcoscenico della nostra Terra. La coreografia è quella della funzione di corrente generalizzata e del flusso del momento angolare, con la variabile P1 nel ruolo principale. I due pannelli del grafico sono come due scene di uno stesso atto, catturate in momenti distinti.

  • Nel primo atto, (a), siamo nel cuore dell’evento P1, dove il sipario si alza e rivela un fitto insieme di linee che avvolgono il centro del palco. Queste linee dense, che corrono dall’alto verso il basso, indicano un movimento vigoroso e concentrato, un intenso flusso di momento angolare che gioca un ruolo chiave nella dinamica atmosferica. È come se un potente fiume d’aria stesse fluendo attraverso le varie altitudini dell’atmosfera, distribuendo energia e massa lungo la sua corsa.
  • Dopo un intervallo di dieci giorni, nel secondo atto, (b), le linee si sono distese e allargate, come se il fiume avesse raggiunto una pianura e si fosse espanso in un delta. Ora, la mappa ci mostra un flusso che si è spostato e ha cambiato la sua forma. Questo cambio di scenario ci suggerisce che l’aria e il momento angolare hanno continuato a danzare in modi nuovi e diversi, distribuendosi in un altro modello.

In entrambe le scene, l’intervallo delle linee – ogni distanza uguale tra una e l’altra – è come il battito di un metronomo, misurando l’intensità del flusso. Più le linee si avvicinano, più forte è il ritmo del movimento atmosferico.

Le altezze variano dal pavimento della scena, proprio a livello del mare, fino alle altitudini dove gli aerei volano alto. È una rappresentazione in due dimensioni che riflette il dinamismo tridimensionale dell’aria intorno a noi, dandoci un’istantanea di come le masse d’aria si muovono e come il momento angolare è trasportato da un luogo all’altro sulla Terra.

Queste due mappe, catturate in momenti diversi, sono come fotografie che aiutano a decifrare il linguaggio segreto del nostro clima, fornendoci indizi preziosi su come l’atmosfera risponde a forze invisibili e continua a modellare il nostro mondo.

Nella Figura 6, siamo come pittori osservando una tela astratta che cattura i sussurri invisibili dell’atmosfera, rappresentati qui dalle frecce nere di varie lunghezze. Ogni freccia è come una pennellata che descrive non solo una direzione, ma anche un’intensità di movimento associata al misterioso protagonista P1 in un preciso istante: il tempo zero.

La base della tela è segnata da linee immaginarie che vanno dal sud al nord, da -30 gradi a +30 gradi di latitudine, attraversando l’equatore, il punto di equilibrio tra i due emisferi del nostro pianeta. Il cielo sulla tela si estende verticalmente, con la scala che si innalza fino a 20 chilometri sopra di noi, raggiungendo le parti superiori della troposfera e sfiorando l’entrata della stratosfera.

Le frecce disegnate suggeriscono una coreografia dell’aria in movimento. Alcune spingono verso l’alto, parlando di correnti ascendenti che potrebbero trasportare il calore verso l’alto o forse condurre all’accumulo di nuvole. Altre frecce rimangono vicine all’orizzontale, suggerendo movimenti laterali dell’aria, come un dolce respiro della Terra che passa silenzioso e allargato.

La massima estensione delle frecce è limitata da una misura chiamata Hadley, e la più lunga tra queste raggiunge il limite di 15, come una nota che sottolinea l’intensità massima della correlazione tra P1 e i movimenti che queste frecce rappresentano.

Questi segni neri sulla tela non sono casuali; raccontano una storia di dinamiche atmosferiche e interazioni nascoste che soltanto i modelli e le misurazioni possono rivelarci. Non è solo un’opera d’arte statica, ma un ritratto in continua evoluzione che aiuta gli scienziati a interpretare il linguaggio segreto dei venti e a predire la loro prossima mossa nella grande danza del clima.

Nel momento centrale dell’evento che stiamo esaminando, c’è un massimo di attività nella troposfera tropicale, come ci mostra una delle figure. Questo picco di attività è sostenuto dal flusso di momento angolare che si muove verso il basso dalla stratosfera, alimentando la crescita di un’area con un momento angolare insolitamente elevato nella troposfera. Non solo, abbiamo anche flussi positivi che emergono dal basso e si estendono dalle regioni subtropicali. La discesa dell’area di convergenza di questi flussi continua senza sosta.

Un aumento del movimento verso l’alto proprio al livello del suolo suggerisce un contributo positivo a ciò che potremmo paragonare a una sorta di “spinta” atmosferica. Cinque giorni dopo questo istante centrale, il cuore dell’azione si trova a circa 5 km di altezza, non visibile nelle figure fornite. Dieci giorni dopo, questo massimo si abbassa vicino al terreno, mostrando che la situazione è dinamica e in costante evoluzione.

Osserviamo anche forti flussi meridionali che affluiscono nella fascia tropicale in quasi tutto lo strato della troposfera. In particolare, nella troposfera superiore lungo i 20° di latitudine, vediamo chiari segnali di un ingresso verticale di momento angolare. Questi segnali si muovono verso i poli man mano che si prepara un nuovo ciclo di esportazione del momento angolare proprio sopra l’equatore. Le linee di contorno delle mappe in questione sono quasi perpendicolari alla superficie terrestre, suggerendo che in quel momento, la spinta atmosferica è pressoché assente e il momento angolare globale è vicino al suo picco.

Naturalmente, al momento centrale, abbiamo anche un apporto positivo al sistema. Ripetendo i calcoli e assumendo che la condizione al confine inferiore fosse zero, così che solo il movimento atmosferico fosse influenzato dalle spinte, si è visto che il potenziale di velocità risultante è simile a quello mostrato nelle figure analizzate.

Per capire meglio il ruolo di queste spinte atmosferiche, abbiamo considerato i bilanci di momento angolare per una fascia sia tropicale che subtropicale. Guardando due fasce specifiche, una equatoriale e una subtropicale, abbiamo notato che le tendenze nella zona equatoriale riflettono l’aumento del momento angolare vicino all’equatore osservato in una delle figure. Queste tendenze, tuttavia, seguono con circa cinque giorni di ritardo rispetto ai flussi, e questa discrepanza è solo parzialmente compensata dalle spinte per il momento centrale. C’è quindi ancora un pezzo del puzzle che rimane senza spiegazione.

Tuttavia, i dati suggeriscono che sono principalmente questi flussi a essere responsabili dei cambiamenti di momento angolare vicino all’equatore. La tendenza equatoriale è chiaramente in anticipo rispetto alla tendenza subtropicale, in linea con un movimento polare delle anomalie di momento angolare.

Nelle regioni subtropicali, la situazione è più complessa perché le spinte sono maggiori rispetto alle regioni equatoriali e sono quasi uguali in intensità. Ad esempio, l’aumento delle tendenze osservato si ritiene sia dovuto alle spinte, con quella di attrito che precede quella montana. Una significativa spinta montana è esercitata principalmente dall’altopiano del Tibet e dalle Ande del Sud America. Le spinte positive di attrito sono indotte dai venti orientali superficiali vicino ai 30°N. Si ritiene quindi che le circolazioni di massa meridionale, che rispondono ai flussi medi zonali, siano il principale motore di queste spinte atmosferiche, piuttosto che circolazioni di massa direttamente guidate dal riscaldamento tropicale medio zonale. Questa conclusione, però, rimane soggetta a incertezze a causa degli squilibri residui nel bilancio zonale del momento angolare.

Immaginiamo che il comportamento dell’oscillazione atmosferica possa essere visto come un’estensione di un certo ciclo naturale. Le anomalie di un secondo parametro, chiamiamolo P2, sembrano seguire lo stesso percorso di un precedente parametro, P1, come se fossero passaggi di un testimone in una staffetta climatica. Per esempio, a un certo punto prima dell’evento chiave, ci sono evidenti anomalie positive vicino all’equatore, accompagnate da anomalie di segno opposto sia a nord che a sud. Questo schema di anomalie cresce fino a un certo momento, quando iniziamo a vedere anomalie negative che si estendono verso il basso, quasi raggiungendo il fondo della nostra “scena atmosferica”. Tuttavia, non assistiamo a un cambiamento completo verso una nuova direzione di venti.

Per studiare questo fenomeno, gli scienziati hanno costruito un modello utilizzando tre variabili rappresentative di diverse caratteristiche atmosferiche, ognuna misurata e calibrata rispetto a una norma stabilita. Hanno esaminato come queste variabili interagiscono nel corso del tempo. Curiosamente, la danza tra queste variabili mostra un ritmo che ricorda il ciclo noto di un fenomeno atmosferico chiamato MJO, che ha un periodo caratteristico. Il modello suggerisce che questa interazione si affievolisce con il passare del tempo, come se l’influenza di una variabile su un’altra diminuisse gradualmente.

Tuttavia, il modello indica anche che le due variabili P1 e P2 sembrano avere un impatto considerevole su una terza grandezza che stiamo osservando. È come se ci fosse una via a due direzioni: P1 e P2 influenzano questo terzo aspetto, ma quest’ultimo sembra avere un effetto minimo su P1, secondo la precisione del modello che stiamo utilizzando.

Nel grande schema delle cose, quando guardiamo le zone più vicine all’equatore e quelle un po’ più distanti, si nota che il comportamento è leggermente diverso. Nelle zone subtropicali, per esempio, ci sono più fattori in gioco, e le forze che influenzano il movimento atmosferico sono più forti e quasi equivalenti tra loro. Potremmo pensare a questo come a diversi gruppi di musica che suonano insieme, ognuno con la propria melodia, che contribuiscono a un concerto più ampio.

Il modello rivela anche che certe forze, come quelle generate da grandi formazioni geografiche come l’altopiano del Tibet e le Ande, esercitano una spinta significativa. Curiosamente, alcune di queste spinte sono causate dai venti che soffiano lungo la superficie terrestre a certe latitudini. Quindi, le circolazioni di massa che rispondono a questi flussi sembrano essere i principali motori dietro queste spinte atmosferiche, piuttosto che movimenti causati direttamente dal riscaldamento in zone specifiche.

Queste conclusioni aprono finestre su un mondo complesso e dinamico sopra di noi, dove ogni cambiamento, ogni minima fluttuazione può contribuire a un disegno più grande che ci sfugge. Eppure, nonostante tutta la nostra comprensione e i modelli sofisticati, rimangono ancora degli interrogativi, delle incognite che ci ricordano quanto ancora abbiamo da imparare sulla Terra e sui suoi misteriosi ritmi atmosferici.

La Figura 7 è una finestra visiva che ci offre uno sguardo su come il flusso d’aria cambia a diverse altezze nell’atmosfera in tre momenti chiave intorno a un evento atmosferico.

Nel primo pannello, (a), che cattura la scena 10 giorni prima dell’evento, vediamo una serie di linee leggere che quasi accarezzano il grafico dall’alto al basso. La quiete di questa immagine suggerisce un flusso d’aria relativamente calmo, con lievi movimenti che non mostrano ancora i segni di un’azione dinamica.

Procedendo al pannello centrale, (b), corrispondente all’istante esatto dell’evento, la mappa si anima con linee che si concentrano intorno a un punto sopra l’equatore. Questo intreccio di linee segna un punto di convergenza intensa dove il flusso d’aria si riunisce, suggerendo un’attività atmosferica importante, forse segnalando un vortice di vento o un nucleo di bassa pressione che sta per emergere.

Nel terzo pannello, (c), 10 giorni dopo, le linee si fanno più fitte e decise, danzando in un modello che ora mostra divergenza nell’aria equatoriale. Questo cambiamento potrebbe indicare l’inizio di una nuova fase meteorologica, forse il distacco di un’area di pressione che lascia il posto a una nuova configurazione climatica.

Il disegno complessivo, tracciato attraverso altitudini che vanno dal livello del suolo fino a 20 km nell’aria, ci dice come i venti si muovono e si trasformano, passando da un sospiro lieve a un canto pieno di vita, mostrandoci la varietà dei loro cammini sopra di noi. Queste mappe, con le loro linee di contorno che si distanziano di 0.25 Hadley, ci regalano un ritratto del potenziale di movimento nell’aria, una metrica che cattura la tendenza dei venti a convergere o divergere in aree chiave dell’atmosfera in momenti distinti del loro ciclo naturale.

La Figura 8 è come un diario dettagliato delle forze invisibili che plasmano il movimento dell’aria sopra di noi. È divisa in due parti: la prima, (a), si concentra sulle cinture subtropicali del nord, quelle strisce di terra che giacciono a metà strada tra l’equatore e i poli. La seconda, (b), ci porta più vicino all’equatore, dove il sole brucia più forte e i venti giocano a un altro ritmo.

Nel grafico subtropicale (a), le linee intrecciate ci raccontano una storia di equilibri e squilibri. Una curva, etichettata come “Tendenza”, si alza e scende nel tempo, descrivendo come la quantità di momento angolare — essenzialmente il ‘spin’ dell’aria intorno al nostro pianeta — cambia. Un’altra linea, “Flussi”, ondula attraverso il grafico, rappresentando il vai e vieni del momento angolare da queste regioni: un flusso che entra e esce come le maree del mare.

Le linee tratteggiate “To” e “Tf” rappresentano i torques, le forze di torsione create dalle montagne che spuntano dalla terra e dallo sfregamento dell’aria contro la superficie del nostro mondo. Sono come le mani di un orologiaio che regolano delicatamente il movimento dei venti.

Il grafico equatoriale (b), invece, mostra un ritmo diverso. Anche qui abbiamo una “Tendenza”, che misura l’accumulo o la perdita di ‘spin’, e i “Flussi”, che segnalano il respiro della terra, l’aria che entra ed esce dall’equatore. Ma qui, vicino al cuore pulsante del nostro clima, questi movimenti sembrano più sincronizzati, con le forze di torsione che giocano la loro parte in una danza complessa e meravigliosamente coordinata.

Le linee su questi grafici si incrociano nel tempo, segnato come giorni prima o dopo un punto centrale — l’evento zero. È come guardare le onde che si formano da una pietra lanciata in uno stagno, solo che lo stagno è l’atmosfera stessa e la pietra è un evento meteorologico che lancia onde attraverso la nostra atmosfera. Ciò che questi grafici ci svelano è la natura ritmica e ciclica del nostro clima e l’interplay incredibilmente complesso di forze che ogni giorno, sopra le nostre teste, disegnano il tempo che viviamo.

c. Temperatura e pressione

La prima fase dell’Oscillazione Madden-Julian, quella che si estende dai 20 giorni precedenti fino al giorno zero, ci porta un incremento delle temperature nella troposfera tropicale e un calo in stratosfera. Durante questo periodo, le nuvole dell’MJO viaggiano sopra le acque temperate dell’emisfero orientale. A meno 20 giorni dall’evento, la troposfera tropicale si presenta insolitamente fresca, sebbene le deviazioni dalla norma siano lievi. Si notano anche delle piccole zone di aria fredda alle medie latitudini, mentre le temperature stratosferiche risultano più elevate del solito. Questa disposizione si capovolge praticamente al giorno zero: la stratosfera si raffredda e la troposfera si scalda notevolmente. Segue poi una graduale diminuzione del calore, fino a che le temperature a più 20 giorni rispecchiano quelle a meno 20 giorni.

Le molteplici celle di movimento verticale osservate nella cintura tropicale non sembrano in grado di provocare da sole un riscaldamento o un raffreddamento uniforme della troposfera tropicale, come evidenziato nelle osservazioni. C’è l’ipotesi che la subsidenza dell’aria, soprattutto intorno ai 30° di latitudine, si allinei con le anomalie di temperatura positiva, suggerendo una correlazione significativa. Tuttavia, le variazioni di temperatura in questa regione sono probabilmente causate maggiormente da processi diabatici, legati cioè a fonti e pozzi di calore, come le anomalie del calore latente e della radiazione infrarossa. Le ricerche indicano che il calore diabatico associato all’MJO si concentra principalmente nella troposfera superiore e raggiunge il picco durante il massimo delle precipitazioni.

Per quanto riguarda la pressione, questa diminuisce nell’atmosfera tropicale a meno 10 giorni dall’evento, ma inizia a risalire prima nella troposfera superiore e rimane negativa vicino al suolo a t = 0. Si osserva un lieve massimo di pressione ai livelli alti vicino all’equatore. Nei tropici, variazioni maggiori di pressione si verificano intorno ai 30° di latitudine, probabilmente in risposta alle anomalie nel momento angolare atmosferico nelle zone subtropicali e alle medie latitudini. Questo intricato gioco di movimenti dell’aria suggerisce un delicato equilibrio di forze che plasmano il clima nelle regioni equatoriali e subtropicali del nostro pianeta.

La Figura 9 ci offre due istantanee del clima a due momenti cruciali in relazione a un evento meteorologico dinamico.

Nel primo scatto, (a), venti giorni prima dell’evento, ci troviamo di fronte a un mosaico di temperature. Le linee tratteggiate, simili a sentieri di freddo, serpeggiano tra le linee continue, i percorsi di caldo. Questa danza di contorni ci svela che la troposfera tropicale, quella fascia di cielo che culla i nostri climi, era un po’ più fresca del solito, con solo piccole deviazioni dalla temperatura attesa. Qualche sacca di aria più fresca si nasconde anche alle medie latitudini, mentre la stratosfera sorprende con temperature più elevate del normale.

Passiamo poi al secondo scatto, (b), il giorno zero. È come se l’obiettivo si fosse girato e l’immagine mostrata prima si fosse capovolta: ora, la troposfera si riscalda, con le linee continue che si allargano e abbracciano l’equatore, mentre le linee tratteggiate, gelide e sottili, ci parlano di un raffreddamento in stratosfera.

L’occhio attento noterà un piccolo segno, un triangolo rosso, che potrebbe indicare un picco o una fossa nell’oceano delle temperature atmosferiche, un dettaglio cruciale che cattura l’essenza dell’evento.

La scena, tuttavia, è limitata: i territori oltre i 60 gradi di latitudine sono esclusi, tenuti fuori dal quadro per evitare distorsioni introdotte da anomalie vicino al Polo Nord. Così ciò che vediamo nelle mappe ci narra la storia di come l’MJO scuote il termometro della Terra, portando calore dove prima c’era frescura e una brezza fredda dove prima si percepiva caldo, il tutto nell’affascinante teatro dell’atmosfera terrestre.

La Figura 10 ci svela la mappa di un influente viaggiatore atmosferico — la pressione — nel suo momento di maggior impatto, t = 0. Immagina di osservare una serie di cerchi sull’oceano, ognuno rappresentando l’altalena della pressione che si innalza o si abbassa rispetto alla sua quiete abituale.

Le linee nette che vediamo disegnare archi e curve sul grafico sono come creste e valli in un paesaggio invisibile sopra di noi. Le creste, indicate dalle linee solide, si alzano dove la pressione supera la norma, mentre le valli, tracciate dalle linee tratteggiate, si scavano dove essa scende sotto la media. Al centro, troviamo un piccolo nucleo — segnato da un numero — che testimonia la forza della pressione in quel punto esatto, un piccolo fulcro di alta pressione in un mare di cambiamenti più sottili.

Con un intervallo di contorno di 5 Pascal, il grafico ci guida attraverso lievi gradazioni di pressione, delineando la varietà di risposte atmosferiche che si dipanano dal suolo fino ai confini della stratosfera. E proprio come un racconto che esclude i dettagli troppo distanti per essere significativi, le latitudini più estreme sono lasciate fuori dalla narrazione, escludendo le estremità oltre i 60 gradi per mantenere la nostra storia chiara e priva di distrazioni polari.

Questa vista aerea ci fornisce un quadro preciso di come la pressione risponde a un evento climatico di grande portata, offrendoci un frammento di comprensione in più sul comportamento del nostro atmosfera in quel punto cruciale del tempo.

4. Discussione e conclusioni

Le scoperte che abbiamo fatto lungo il percorso di questa indagine sono racchiuse nella Figura 11. Qui, l’evoluzione delle anomalie che abbiamo osservato nelle Figure 2-7 è evidente, anche se si estende in una banda relativamente stretta tra i 30°N e i 30°S. Nonostante la loro localizzazione specifica, queste anomalie mostrano un comportamento abbastanza regolare per essere rilevate nella media globale, seguendo il ritmo imposto dall’MJO.

La Figura 11 ci mostra una sorta di danza delle medie globali di momento angolare atmosferico e dei loro flussi, rispetto all’altezza, in simbiosi con un altro lavoro di ricerca che ha preso in considerazione la coppia di attrito globale. Le frecce che appaiono nei punti chiave della griglia mettono in evidenza come, all’inizio del ciclo di vita dell’MJO, le anomalie negative di momento angolare si accompagnino a flussi verticali positivi, tendenze che, con il passare dei giorni, si abbassano e poi iniziano a girare in senso orario, segnando il passaggio a anomalie positive di momento angolare e a trasporti verticali negativi più avanti nel ciclo.

Oltre alle frecce, la Figura 11 è stata arricchita con annotazioni che raccolgono diversi elementi dell’oscillazione dell’MJO, come se fosse una guida per decifrare questa complessa sinfonia climatica.

Dall’inizio, guidate da una forza convettiva in movimento verso est, si formano delle anomalie di circolazione che si alternano tra amplificare e smorzare le onde climatiche tipiche delle zone subtropicali. Questa alternanza modula il trasporto di momento angolare, ora potenziando ora indebolendo i movimenti orizzontali di aria in queste regioni vitali.

I trasporti verticali, collaborando a questo fenomeno, contribuiscono significativamente a determinare le tendenze del momento angolare, iniziando dal basso nella stratosfera equatoriale e poi estendendosi in fretta verso il suolo, dividendosi in due flussi, uno verso nord e l’altro verso sud. Questo bivio è collegato a forti tendenze di momento angolare vicino al suolo alle latitudini di 30°N e 30°S, tendenze che hanno origine vicino alla tropopausa equatoriale.

Conforme a queste tendenze, il movimento verso il basso e verso i poli delle anomalie di momento angolare si manifesta chiaramente nella sequenza di lettere E e W, che indicano le aree latitudinali più influenti. Queste anomalie, principalmente dovute al movimento zonale dell’aria, coinvolgono anche un cambio nella distribuzione della massa.

Le anomalie dei trasporti verticali che si osservano nella fase iniziale dell’MJO, con il loro movimento verso il basso e implicando l’export di momento angolare sotto il massimo e l’import al di sopra, ci ricordano che l’atmosfera è in un costante stato di flusso, con il movimento dell’aria che trascina con sé calore, umidità e energia, lasciando un’impronta che possiamo leggere nei modelli meteorologici globali.

Immaginiamo di osservare un dipinto che cattura le forze invisibili della natura. Nella parte bassa di questo dipinto, delle frecce orizzontali ci raccontano una storia di movimenti e influenze, rappresentando la forza di attrito che agisce sui flussi d’aria. Quando le correnti d’aria orientali toccano la terra nelle zone subtropicali, questo attrito raggiunge il suo apice, modellando il clima in modi che solo gli esperti possono davvero comprendere.

Un po’ come un preludio, una forza contraria emerge prima di questo picco di attrito. È una forza che viene dalle montagne, che, quasi come un prestigiatore, rimuove il momento occidentale e accelera il flusso orientale. Poi, in un atto successivo, questa forza si trasforma e diventa una sorgente di variazioni nel flusso dell’aria, lavorando per sottrarre l’influenza delle correnti orientali.

Queste interazioni avvengono con la massima intensità nelle regioni subtropicali, giusto nel momento in cui si manifestano cambiamenti rapidi nelle anomalie del movimento dell’aria agli strati superiori vicino all’equatore. Sembra che il segnale equatoriale stesso sia alimentato dalla nuova fase di forza convettiva tropicale e da un’asimmetrica risposta circolatoria.

Riflettendo sulle domande poste all’inizio di questa esplorazione, possiamo dire che la trasformazione che vediamo, da valori negativi a positivi in un parametro chiave vicino all’equatore, è “causata” dai flussi d’aria. Questa conclusione si basa sui dati a nostra disposizione, che però non sono perfetti. È stato suggerito che i flussi più forti siano nel Pacifico, e che la posizione geografica di questi flussi vari in base alla fase dell’evento osservato.

Inoltre, i flussi d’aria hanno un ruolo fondamentale anche nelle zone subtropicali. I rapporti tra le diverse fasi lì suggeriscono che questi flussi aiutino a esercitare forze sulla superficie terrestre, che a loro volta contribuiscono alla tendenza generale del movimento dell’aria. La dinamica che guida le circolazioni di massa sembra essere all’origine della relazione inversa che vediamo tra le correnti di massa e il flusso zonale anomalo.

La sostanza trasferita alla superficie attraverso queste forze viene poi, a quanto pare, portata verso l’alto da movimenti su larga scala, come se l’analisi che abbiamo a disposizione sollevasse una parte del velo che copre i segreti dell’atmosfera. Si potrebbe ipotizzare che i trasporti di momento angolare verso l’alto e verso l’equatore contribuiscano significativamente alle grandi variazioni che troviamo poi più in alto, vicino alla tropopausa equatoriale. Questo possibile collegamento, così come la forza che guida il moto verticale coinvolto, necessita di ulteriori indagini.

La discesa del centro del campo chi, dalla stratosfera inferiore a -10 giorni fino alla troposfera inferiore a +10 giorni, rimane un enigma che le attuali teorie sull’MJO non spiegano, né la nostra analisi ci permette di districare le cause dagli effetti. Esiste l’idea che ci sia un trasporto di momento verso il basso legato al raffreddamento causato dalle precipitazioni durante le fasi attive dell’MJO, ma è improbabile che le anomalie positive equatoriali nella troposfera superiore siano generate in questo modo.

In conclusione, possiamo dire che l’MJO è accompagnato da “risposte” sistematiche del momento angolare. Sembra che i trasporti bidimensionali di momento angolare colleghino le forze superficiali subtropicali con i cambiamenti di momento angolare sopra la tropopausa equatoriale durante un MJO. Le ricerche future si concentreranno sulla dinamica e la sinottica della variabilità associata alle regioni polari oltre i 30° di latitudine.

Immaginate di avere davanti una grande mappa che rappresenta la coreografia dell’atmosfera terrestre, una danza complessa di venti e pressioni che si muovono in risposta a un ritmo globale, l’Oscillazione Madden-Julian. La Figura 11 è una tale mappa, che si estende principalmente fra i tropici, dove il battito del cuore climatico del nostro pianeta è più forte.

Nella mappa, le frecce ci raccontano due storie contemporaneamente. Le frecce orizzontali indicano la diffusione del momento angolare, come se tracciassero la spinta data dal vento alla rotazione terrestre, mentre le frecce verticali mostrano il movimento di questo momento angolare su e giù attraverso i diversi strati dell’atmosfera.

Alcune lettere, E e W, seminate attraverso la figura con piccoli indici accanto, segnalano cambiamenti nel clima: ora soffiano i venti orientali, ora quelli occidentali. Queste lettere non sono solo marcatori di direzione, ma anche di tempo e luogo, poiché indicano la progressione dell’oscillazione sia verso il basso che verso i poli.

Frecciate più spesse e marcate suggeriscono un trasporto più intenso del momento angolare in certi momenti del ciclo. E in cima alla mappa, zone sfumate segnalano dove le acque del mare sono calde abbastanza da invitare nuvole cariche di pioggia a formarsi e muoversi con la convezione dell’MJO.

Guardando verso il basso, vi è una rappresentazione del flusso di momento angolare meridionale che si alterna tra importazione ed esportazione, suggerendo un respiro profondo dell’atmosfera, che prende e dà, seguendo i capricci del clima.

L’asse massiccio, sia solido che tratteggiato, attraverso la figura segna il percorso del momento angolare che si muove dal suo inizio vicino alla tropopausa equatoriale e si tuffa verso il basso, guadagnando ampiezza man mano che raggiunge le regioni subtropicali.

In fondo, le coppie di forze che plasmano il clima — le coppie di attrito e di montagna — prendono il palcoscenico. Qui, i triangoli rappresentano non solo le montagne vere e proprie ma anche le differenze di pressione create dai loro pendii che influenzano il vento.

Insieme, questi elementi ritraggono una sinfonia di forze atmosferiche che collaborano per creare il dinamico sistema del nostro clima. Ci mostrano come, durante l’MJO, il nostro pianeta orchestrerà una risposta complessa e ordinata di movimenti d’aria che collegano i venti subtropicali di superficie con i cambiamenti al di sopra dell’equatore.

https://journals.ametsoc.org/view/journals/mwre/135/4/mwr3363.1.xml

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