di Javier Vinós e Andy May
“Il complicato modello di relazioni tra sole e clima richiede indubbiamente ulteriori chiarimenti, ma il progresso in questo campo sarà ostacolato se prevale la visione che tali relazioni non dovrebbero essere prese sul serio semplicemente perché i meccanismi coinvolti nella loro spiegazione non sono ancora identificati.” Joe W. King (1975)
2.1 Introduzione
Come mostrato nella Parte I di questa serie, i primi anni ’80 hanno visto un inversione di tendenza nel consenso riguardo a un importante effetto sole-clima. L’ambiente accademico avversario ha portato pochissimi scienziati a dedicare i loro sforzi di ricerca a questo argomento. Nonostante queste difficoltà, sono stati fatti importanti progressi riguardo all’effetto sole-clima. La mancanza di interesse e il disprezzo per una ipotesi di meccanismo di cambiamento climatico concorrente da parte dei climatologi mainstream ha fatto sì che questi progressi venissero ignorati. Rimangono sotto-citati e sconosciuti alla maggior parte dei sostenitori e scettici dell’ipotesi del CO2. Ancora più importante, non vengono discussi nella maggior parte degli articoli sul clima, vengono semplicemente ignorati.
Questi progressi si riferiscono a fenomeni climatici che tipicamente non sono adeguatamente inclusi nei modelli climatici a causa della mancanza di conoscenza su come avvengono o cosa li causa. Non vengono riprodotti, o lo vengono solo debolmente, dai modelli, eppure nella maggior parte dei casi possono essere rilevati nelle rianalisi del clima dove i modelli sono vincolati da un enorme numero di osservazioni reali.
Importante, nessuna ipotesi per un effetto sole-clima può essere corretta se non può spiegare o accogliere la relazione tra questi fenomeni e la variabilità solare. La relazione sole-clima, al momento, rappresenta un buco nero nella climatologia moderna che continua a crescere senza che nessuno lo veda.
2.2 Effetti sulla temperatura e paleoclimatologia
La paleoclimatologia è l’unico sottocampo della climatologia dove si considera un importante effetto sole-clima. Questo perché i dati ottenuti dai record climatici proxy dell’Olocene spesso mostrano una chiara associazione con i dati di attività solare ottenuti da record solari proxy. Quando uno di noi (JV) ha studiato gli effetti climatici del ciclo sole-clima di 2500 anni scoperto da Roger Bray nel 1968 (Fig. 2.1), ha rapidamente trovato 28 articoli che studiavano proxy che mostravano chiaramente questo ciclo (Vinós 2022). Di questi, 16 (57%) affermano esplicitamente che i cambiamenti nell’attività solare sono probabilmente la causa dei cambiamenti climatici osservati, e solo uno esclude esplicitamente la connessione solare. Stiamo parlando di profondi cambiamenti climatici globali del passato remoto, simili in grandezza alla Piccola Era Glaciale (LIA) o al riscaldamento globale moderno. La maggior parte dei ricercatori di paleoclima che li studiano conclude che sono stati causati da cambiamenti nell’attività solare. La climatologia moderna non può spiegarli poiché si sono verificati in tempi in cui la forzatura radiativa dei gas serra è cambiata molto poco.”
Fig. 2.1. Il ciclo solare e climatico di Bray di 2500 anni. Principali suddivisioni dell’Olocene: le suddivisioni stratigrafiche sono in alto. Le suddivisioni biologiche sono subito sotto, mostrando un intervallo di circa 2500 anni (da Ammann & Fyfe 2014). Suddivisione classica basata sulla temperatura in basso. a) Dati climatici (curva nera), una ricostruzione della temperatura globale da 73 proxy (da Marcott et al. 2013; con date proxy originali e differenza media), espressa come distanza dalla media in deviazioni standard (Z-score). b) Dati solari (curva blu-viola), curva di calibrazione del radiocarbonio IntCal13 utilizzata per convertire le date del radiocarbonio (verticale, non mostrata) in date del calendario (orizzontale). Da Reimer et al. (2013). La curva devia dalla linearità durante i grandi minimi solari. I minimi solari di Spörer, Omerico, Sumerico e Boreale 1 (ovali blu) sono separati da multipli di circa 2500 anni, segnando i minimi del ciclo solare di Bray B-1 a B-5, tranne B-4. Questi minimi sono stati identificati nei dati del radiocarbonio fino a B-9 a 20.500 BP (Vinós 2022). c) Dati sulla popolazione umana (curva rossa spessa), distribuzione di probabilità sommata delle date di radiocarbonio antropogenico dalla Gran Bretagna e dall’Irlanda come proxy per la popolazione umana. La curva rossa sottile è un modello logistico adattato della crescita della popolazione e del plateau. Da Bevan et al. (2017). Le significative deviazioni verso il basso della popolazione corrispondono generalmente ai minimi del ciclo di Bray di 2500 anni di attività solare (larghe barre verticali blu etichettate da B-1 a B-5). Barre rosa, eventi climatici bruschi a 8,2 e 4,2 kyr (ACE).
Il ciclo sole-clima di Bray di 2500 anni costituisce un buon esempio degli effetti della variabilità solare sulla paleoclimatologia, in quanto produce il ciclo climatico più drammatico osservato nell’Olocene. In termini di attività solare, è definito da una sequenza di grandi minimi solari di tipo Spörer che durano 200 anni e mostrano un aumento del 20‰ nel radiocarbonio, spaziati a 2500 ± 200 anni con solo un’interruzione a circa 7700 BP negli ultimi otto periodi da 20.500 BP (Fig. 2.1b; Vinós 2022). In termini di clima, tutti i minimi del ciclo sono contrassegnati da periodi di grave deterioramento del clima che durano più di un secolo e si riflettono in molteplici proxy, dei quali la Piccola Era Glaciale costituisce l’esempio più recente e il più freddo dell’Olocene (Fig. 2.1a). In termini di effetti sulle società umane del passato, i minimi del ciclo di Bray sono contrassegnati da periodi di tumulto, diminuzione della popolazione (Fig. 2.1c), e crollo della civiltà, seguito da un avanzamento sociale successivo in risposta a una situazione difficile.
La corrispondenza tra l’attività solare passata e il clima passato su scala secolare e millenaria ha portato autori come Rohling et al. (2002) a dire:
” Alla luce di questi risultati, chiediamo una valutazione multidisciplinare approfondita del potenziale della modulazione solare del clima su scale secolari”.
Magny et al. (2013) scrivono:
“Su una scala secolare, gli eventi climatici successivi che hanno segnato l’intero Olocene nel Mediterraneo centrale coincisero con eventi di raffreddamento associati a esplosioni deglaciali nell’area dell’Atlantico del Nord e diminuzioni dell’attività solare nell’intervallo 11700-7000 cal BP, e a una possibile combinazione di circolazione tipo NAO e forzatura solare dal ca. 7000 cal BP in poi”.
Hu et al. (2003) esprimono:
“I nostri risultati implicano che piccole variazioni dell’irradianza solare hanno indotto pronunciati cambiamenti ciclici negli ambienti ad alta latitudine del nord. Forniscono anche prove che i cambiamenti di scala secolare nel clima dell’Olocene erano simili tra le regioni subpolari dell’Atlantico del Nord e del Pacifico del Nord, possibilmente a causa dei legami Sole-oceano-clima”.
Questi tre articoli, tra loro, hanno 50 co-autori, tra cui alcuni dei più rispettati nella paleoclimatologia. O la nostra attuale comprensione dell’effetto sole-clima o la nostra attuale comprensione della paleoclimatologia è errata, poiché sono incompatibili. Nella scienza, quando si è in dubbio, si va con le prove. La paleoclimatologia ha le prove, mentre la nostra attuale comprensione si basa su modelli informatici che riflettono l’ignoranza e i pregiudizi dei programmatori.
L’aumento dell’irradianza solare durante il ciclo di 11 anni è di circa 1,1 W/m2. Il riscaldamento della superficie previsto per tale variazione di energia è solo di 0,025 °C e quindi al di sotto della rilevazione (Wigley & Raper 1990). I dati sulla temperatura e la rianalisi mostrano in modo coerente che il segnale solare nella temperatura globale è di circa 0,1 °C, quattro volte più grande di quanto previsto solo dal cambiamento energetico (Lean 2017) quindi la necessità di meccanismi di amplificazione. Si prevede che un piccolo aumento dell’energia dal sole risulti in un piccolo cambiamento di temperatura uniformemente distribuito alla superficie. Questo non è quello che accade. Il cambiamento della temperatura superficiale si manifesta in una variazione regionale ed emisferica non spiegata, ma significativa, e alcune regioni si raffreddano quando proviene più energia dal sole (Fig. 2.2). Queste differenze possono essere attribuite solo a significativi cambiamenti dinamici nell’atmosfera e negli oceani quando l’output solare varia solo dello 0,1%.
Fig. 2.2 Effetti solari sulla temperatura e sulla paleoclimatologia. a) Mappa del cambiamento della temperatura superficiale durante il ciclo solare di 11 anni su una griglia di 5×5° dal minimo solare del 1996 al massimo solare del 2002 utilizzando la regressione multipla. Un modello di riscaldamento discontinuo alle medie latitudini dell’emisfero meridionale è indicato dai cerchi. Le principali correnti di confine occidentale nell’emisfero settentrionale sono indicate dalle frecce. Esempi di risposte al cambiamento climatico all’aumento dell’attività solare ottenute da prove paleo o lunghe registrazioni climatiche sono sovrapposte nella loro posizione. b) Variazione media zonale della temperatura superficiale (linea nera) e dell’altezza di 20 km (linea rossa) (senza un aggiustamento dell’area del coseno per la latitudine). Dopo Lean 2017.
Mentre l’aumento medio globale della temperatura superficiale con il ciclo solare è solo di 0,1 °C, a 60°N raggiunge 0,4 °C (oltre 1 °C in alcune aree). Questo modello generale di aumento del riscaldamento superficiale nelle extra-tropici dell’emisfero settentrionale e riduzione del riscaldamento nei tropici e nell’emisfero meridionale prodotto dall’aumento dell’attività solare non è diverso dal riscaldamento superficiale osservato negli ultimi 50 anni. L’effetto della temperatura superficiale sull’America del Nord conferma il risultato di Currie (1993) che l’effetto solare sulle temperature è opposto su entrambi i lati delle Montagne Rocciose (vedi Parte I). Un’altra caratteristica del riscaldamento indotto dal sole è un modello di riscaldamento discontinuo alle medie latitudini dell’emisfero meridionale (SH) e minimo cambiamento o raffreddamento con uno spaziamento di circa 7000 km (Fig. 2.2a cerchi). Sono un fenomeno troposferico-oceanico, e sono più evidenti a 5 km di altitudine (vedi Lean 2017) e probabilmente riflettono l’onda atmosferica globale numero 4 la cui importanza per il clima dell’SH è stata recentemente osservata (Chiswell 2021).
Questo fenomeno di onda atmosferica modulata dal sole potrebbe essere correlato alla modalità annulare baroclinica (Thompson & Barnes 2014). Poiché l’atmosfera è intrinsecamente instabile, la variabilità atmosferica periodica su larga scala è molto rara al di fuori dei tropici, poiché la maggior parte dei fenomeni atmosferici mostra caratteristiche di rumore rosso. Uno dei pochi esempi è la modalità annulare baroclinica, un’oscillazione di 25-30 giorni nell’energia cinetica dell’eddy extra-tropicale dell’SH associata a variazioni nell’ampiezza delle onde in propagazione verticale, che ha effetti importanti sul clima regionale. La forte periodicità nella modalità annulare baroclinica, che coincide con il periodo di rotazione solare, insieme al modello di numero d’onda 4 nel ciclo solare di 11 anni, suggerisce che la modalità annulare baroclinica potrebbe essere modulata dai cambiamenti dell’attività solare.
Lon Hood ha dimostrato che i picchi di UV solari modulano un’altra oscillazione atmosferica, l’oscillazione Madden-Julian. I cambiamenti giornalieri nell’ampiezza dell’oscillazione Madden-Julian sono modulati dai cambiamenti degli UV, con la loro ampiezza che aumenta a seguito dei minimi degli UV. Questo effetto di modulazione dell’ampiezza è maggiore durante l’inverno e la primavera ed è più forte durante la fase di levante dell’oscillazione quasi biennale (Hood 2018). Dato che il periodo di rotazione solare è vicino a un mese, nei quattro cicli solari per i quali ci sono dati satellitari ci sono circa 500 rotazioni solari, permettendo una valutazione statistica molto migliore dell’effetto solare a breve termine sul clima. Un’altra caratteristica del modello di temperatura superficiale associato al ciclo solare è il riscaldamento mostrato alle correnti di confine occidentali extra-tropicali, in particolare nell’NH (Fig. 2.2a, frecce). Questi sono siti preferiti dove l’energia viene trasferita dall’oceano all’atmosfera (Yu & Weller 2007). La differenza di energia in arrivo associata al ciclo solare è molto piccola, ma il cambiamento del flusso di energia oceanica-atmosferica in quei siti suggerisce che i processi dinamici oceanico-atmosferici sono regolati dai cambiamenti nel ciclo solare. Infine, il modello di temperatura superficiale è essenzialmente l’inverso del modello vicino alla tropopausa (20 km; Fig. 2.2b), eccetto alle alte latitudini dell’NH. I cambiamenti della temperatura superficiale non sono il risultato di cambiamenti diretti nel TSI, dal momento che sono regionalmente molto diversi e quattro volte superiori a quanto consentito dal bilancio energetico del TSI. Questo suggerisce che i contrastanti modelli di temperatura zonale superficiale e della tropopausa derivano dall’accoppiamento troposfera-stratosfera.
Non solo la superficie, ma anche l’oceano superiore mostra un cambiamento di temperatura quasi decennale di circa 0,1 °C. White et al. (2003) hanno analizzato il bilancio del calore diabatico tropicale globale e hanno scoperto che il riscaldamento anomalo dello strato superiore dell’oceano fino alla profondità dell’isoterma a 22°C dava un valore di ± 0,9 W/m2, che è quasi un ordine di grandezza superiore al forzante radiativo superficiale di ± 0,1 W/m2 associato al ciclo solare (il forzante radiativo solare è ΔTSI/4 x 0,7). Ancora di più, il cambiamento di temperatura quasi decennale nell’oceano superiore è in fase con il ciclo solare, cosa che la climatologia moderna non riesce a spiegare.
La quasi totale mancanza di interesse da parte dei climatologi moderni nell’effetto sole-clima trascura l’abbondante evidenza dalla paleoclimatologia e dalle recenti variazioni climatiche che si correlano con il ciclo solare. Questo rivela la nostra scarsa conoscenza dell’effetto solare sul cambiamento climatico. Tutti noi nasciamo ignoranti, ma alcuni scienziati scelgono di rimanere tali riguardo alla questione sole-clima.
2.3 Effetti sul vortice polare
Come visto nella Parte I (Sez. 1.6), si sa dal 1980 che l’Oscillazione Quadrimestrale Biennale (QBO) modula la forza del vortice polare (Holton & Tan 1980). Sette anni dopo, Labitzke (1987) ha scoperto che i cambiamenti nell’attività solare influenzavano questa modulazione. È stato il primo effetto solare-clima solido, indiscutibile e climaticamente rilevante trovato in una ricerca di 180 anni. Ha anche spiegato perché la ricerca è stata così difficile, poiché l’effetto è non lineare (non proporzionale alla differenza di irradiazione totale) e indiretto, dipendente dalla direzione (fase QBO) e dalla forza dei venti stratosferici equatoriali.
La temperatura stratosferica del Polo Nord misurata da Labitzke riflette lo stato del vortice polare. Un vortice polare forte è circondato da venti forti, che mantengono all’interno un’area di bassa pressione, bassa altezza geopotenziale (altezza di una determinata pressione) e bassa temperatura a causa del raffreddamento radiativo. Temperature più alte denotano un vortice polare più debole e/o spostato. Quando il vortice polare diventa più debole e/o si sposta durante l’inverno (cioè, temperatura stratosferica del Polo Nord più alta), aria più calda entra nell’Artico, spingendo l’aria più fredda verso latitudini più basse. Un Polo Nord più caldo con un vortice polare più debole indica inverni più severi nelle latitudini medie. Una frequenza più alta di inverni più freddi nelle latitudini medio-alte del nord era una caratteristica della Piccola Età Glaciale.
I dati di Labitzke mostravano che la correlazione tra la temperatura polare stratosferica e l’irradiazione solare dipende dallo stato del QBO. Durante gli anni di QBO orientale, la temperatura polare stratosferica è più bassa quando l’attività solare è più alta, e più alta quando l’attività solare è più bassa. L’opposto si verifica durante gli anni di QBO occidentale (Fig. 2.3a). Poiché le temperature più basse dell’anno orientale e le temperature più alte dell’anno occidentale sono simili, le differenze di temperatura più grandi per i due diversi stati di QBO si verificano durante gli anni di minima solare. La differenza media della temperatura stratosferica del Polo Nord in inverno tra le due fasi del QBO durante i minimi solari è un impressionante 20 °C (Fig. 2.3b). L’effetto climatico invernale dell’attività solare bassa su ampie regioni dell’Emisfero Nord è chiaramente sproporzionato rispetto alla differenza di energia dell’irradiazione totale. Differenza che diventa irrilevante sopra il Polo Nord durante l’inverno boreale, quando è in costante oscurità.
Fig. 2.3 Effetto dell’attività solare sulla temperatura stratosferica invernale del Polo Nord. a) Curva nera e area grigio chiaro, media e deviazione standard del flusso di 10,7 cm in inverno (DJF) tra dicembre 1955 e febbraio 2013, un proxy per l’attività solare, regolato secondo un ciclo solare di 11 anni. Le curve colorate corrispondono alla temperatura invernale a 30 hPa (stratosfera) sopra il Polo Nord calcolata come la media dei tre valori più centrati tra le temperature medie mensili di DJFM (outlier scartati) e tracciate in base alla posizione nel ciclo solare di 11 anni. La curva spessa rosso scuro è la temperatura per gli inverni quando il QBO presentava valori medi di DJF inferiori a -5,8 ms-1 (i valori negativi denotano vento da est) corrispondenti a QBOe (da est). La curva sottile rosso scuro è la regressione quadratica. La curva spessa azzurra è la temperatura per gli inverni quando il QBO presentava valori medi di DJF superiori a 1,1 ms-1 (i valori positivi denotano vento da ovest) corrispondenti a QBOw (da ovest). La curva sottile azzurra è la regressione quadratica. b) Diagramma di dispersione della temperatura invernale del Polo Nord a 30 hPa, determinata come in (a) rispetto alla velocità del vento invernale tropicale a 30 hPa, per anni con attività solare molto bassa, corrispondenti agli anni da 9 a 11 nel ciclo solare come definito in (a), e indicato nel grafico. I punti riempiti di rosso scuro sono i valori QBOe/temperatura utilizzati per la stessa curva colorata in (a). I punti riempiti di azzurro sono i valori QBOw/temperatura utilizzati per la stessa curva colorata in (a). La curva sottile nera è la regressione quadratica. Sono indicati gli anni di forte El Niño. Dati sulla temperatura stratosferica del Polo Nord dall’Istituto di Meteorologia della Freie Universität Berlin. Dati sul flusso solare di 10,7 cm dall’Osservatorio Reale del Belgio STAFF viewer.
Secondo l’importante libro di Peixoto e Oort (1992), Physics of Climate, l’insolitamente alta correlazione tra l’attività solare e la pressione al livello del mare o la temperatura superficiale su ampie aree del NH, quando si considera la fase del QBO, sembra spiegare una importante frazione della variabilità interannuale totale nella circolazione invernale. Ma l’attività solare non è l’unico fattore che influisce sulla forza del vortice polare, che dipende anche dal QBO attraverso l’effetto Holton-Tan (vedi Parte I, Sez. 1.6) e dall’El Niño/Southern Oscillation (ENSO). Gli anni di El Niño destabilizzano il vortice, e le eruzioni vulcaniche tropicali stabilizzano il vortice producendo un inverno più caldo nelle latitudini medio-alte del nord.
Dopo Peixoto e Oort (1992), la climatologia moderna sembra aver dimenticato l’importante effetto solare sul vortice polare e sulla circolazione invernale. Il Global Physical Climatology di Dennis Hartmann (2a ed. 2016) non menziona Labitzke o la sua scoperta di un effetto solare sulla circolazione invernale, e non menziona nemmeno il vortice polare (non nell’indice degli argomenti). Sorprendentemente, è la stessa situazione con l’opera più specializzata An Introduction to Dynamic Meteorology (5a ed. Holton & Hakim 2013). Ricordiamo che James Holton (1982) ha esaminato i possibili meccanismi fisici dell’effetto della variabilità solare sul clima attraverso un accoppiamento atmosferico dinamico, quindi non è come se non ne sapesse nulla. La climatologia moderna sta deliberatamente ignorando ciò che si sa sull’effetto sole-clima.
2.4 Effetti su El Niño/Oscillazione Meridionale
L’effetto solare su ENSO è assolutamente non riconosciuto dalla climatologia moderna. Una recente revisione sulla complessità di ENSO da parte di 45 eminenti esperti di ENSO (Timmermann et al. 2018) non menziona affatto alcuna implicazione solare nonostante l’abbondante bibliografia sull’argomento (Anderson 1990; Landscheidt 2000; White & Liu 2008; Wang et al. 2020; Leamon et al. 2021; Lin et al. 2021). Deser et al. (2010) analizzano lo spettro di potenza della serie temporale SST Niño-3.4 (5°N–5°S, 170–120°W) e menzionano solo l’intervallo di 2,5–8 anni, ignorando completamente il distinto picco di 11 anni nella serie (Fig. 2.4b).
Uno degli autori (JV) ha recentemente studiato l’associazione tra l’aumento dell’attività solare e le condizioni di La Niña nell’Indice Oceanico Niño (ONI) della regione Niño-3.4. Un’analisi Monte Carlo ha mostrato che le occorrenze di La Niña, che si sono verificate durante periodi di crescente attività solare (dal 35 al 80% della fase ascendente del ciclo solare), tra il 1950 e il 2018, hanno solo lo 0,7% di probabilità di essere dovute al caso, dimostrando che ENSO è modulato dall’attività solare (Vinós 2019; 2022). Le recenti condizioni di La Niña dal 2020 dopo il minimo solare del dicembre 2019 possono solo aver ridotto la già bassa probabilità che l’associazione sia dovuta al caso.
La modulazione solare-ENSO è scoperta da una semplice analisi di frequenza delle modalità ENSO. ENSO presenta tre modalità temporali: El Niño (modalità calda), La Niña (modalità fredda), e Neutrale. Il sistema ENSO è solitamente considerato come un’oscillazione tra le modalità El Niño e La Niña a causa delle loro temperature opposte. Questa visione sembra essere errata. Il Climate Prediction Center della NOAA classifica le modalità invernali di ENSO (anno corrispondente a gennaio) in base ai dati SST nella regione Niño-3.4 (Domeisen et al. 2019). Utilizzando questa classificazione, è banale dimostrare che gli anni di La Niña sono fortemente anticorrelati agli anni Neutrali, non agli anni di El Niño (Fig. 2.4a) per il periodo 1960-2020 (1962-2018 mostrati utilizzando un filtro gaussiano).
Fig. 2.4 Modi ENSO e attività solare. a) Frequenza degli anni di La Niña (linea spessa blu medio) e anni Neutrali (linea spessa marrone chiaro) in una media mobile centrata di 5 anni (filtrata gaussianamente) tra il 1962 e il 2018 che mostra un’anticorrelazione quasi perfetta per l’intero periodo. Le piccole caselle sono la classificazione del modo ENSO secondo Domeisen et al. 2019, con caselle rosso scuro per gli anni di El Niño, e lo stesso colore delle curve per gli anni di La Niña e Neutrali. Gli asterischi indicano eventi forti di El Niño e La Niña con un’anomalia ≥1 °C nell’Indice Oceanico Niño. La linea grigia fine rappresenta il numero di macchie solari annue. b) Spettro di potenza della serie temporale dell’anomalia SST Niño-3.4 del 1900-2008 secondo Deser et al. 2010. Una freccia indica il picco di frequenza di 11 anni che potrebbe corrispondere all’effetto del ciclo solare. c) Anomalia media del volume di acqua calda sopra l’isoterma di 20 °C tra 5°N–5°S, 120°E–80°W tra dicembre e febbraio. Dati dall’Ufficio del Progetto TAO di NOAA/PMEL
I fenomeni di El Niño si verificano tipicamente ogni 2-3 anni (intervallo 1-4 anni), quindi ci sono sempre 1-3 Niños in un periodo di 5 anni. Gli anni di La Niña e Neutrali sono più variabili, dato che possono essercene da 0 a 4 di ciascuno in un periodo di 5 anni. La forte anticorrelazione tra gli anni di La Niña e Neutrali indica che ENSO è stato profondamente frainteso e persino la sua denominazione è errata, dato che dovrebbe essere La Niña/Oscillazione Meridionale. L’analisi del volume di acqua calda nel Pacifico equatoriale (Fig. 2.4c) indica che l’energia tende ad accumularsi durante gli anni di La Niña, e viene rilasciata durante gli anni di El Niño, con gli anni Neutrali da qualche parte nel mezzo. L’energia tende ad accumularsi nel Pacifico equatoriale, uno dei principali punti di ingresso dell’energia solare nel sistema climatico. Il sistema ENSO oscilla tra l’accumulo (anni di La Niña) e la distribuzione inefficiente (anni Neutrali). Quando il sistema accumula energia in eccesso, si verificano i fenomeni di El Niño per distribuire efficacemente l’eccesso nel resto del sistema climatico.
L’oscillazione La Niña/Neutrale è bloccata in fase con il ciclo solare (Fig. 2.4a). Anche la frequenza di El Niño è influenzata dal ciclo solare, come hanno notato altri autori (Landscheidt 2000), ma non così fortemente, e la presenza degli anni di El Niño perturba leggermente l’adattamento di La Niña/Neutrale al ciclo solare. Questo effetto solare su ENSO spiega il picco di frequenza di 11 anni nello spettro di potenza SST Niño-3.4. Spiega anche perché i periodi multidecadali di alta attività solare, come il massimo solare moderno, tendono a mostrare meno Niñas, e perché il periodo di ridotta attività solare dal 1998 ha mostrato Niñas più frequenti con valori di anomalia del volume di acqua calda meno negativi. Coincidendo con la Pausa nel riscaldamento globale, le anomalie del volume di acqua calda hanno valori significativamente meno negativi, raggiungendo meno di un quarto dei valori negativi precedenti (Fig. 2.4c). El Niño è l’elemento fuori posto nell’oscillazione Niña/Neutrale, il che spiega perché El Niño si presenta in diverse varianti (Pacifico Centrale rispetto al Pacifico Orientale) e mostra un’enorme variabilità durante l’Olocene (Moy et al. 2002), con l’attività di El Niño molto ridotta durante l’Ottimale Climatico dell’Olocene. Il sapore, la frequenza e l’intensità di El Niño rispondono alle esigenze del processo di trasporto meridionale di energia verso i poli.
Ci si può solo chiedere che, se la climatologia moderna non fosse così cieca all’effetto sole-clima, la modulazione solare di ENSO sarebbe di conoscenza comune e discussa in recensioni come Timmermann et al. (2018) e Domeisen et al. (2019). È imbarazzante, e un’indicazione che la climatologia moderna ha perso la sua strada, che ci sia voluto un biologo molecolare per notarlo.
2.5 Effetti sulla rotazione terrestre
L’attività solare influisce sulla velocità di rotazione della Terra. L’effetto è piccolo, ma è stato misurato dall’avvento degli orologi atomici alla fine degli anni ’50. Questo effetto solare è stato notato periodicamente dai ricercatori, riportato, ignorato, e dimenticato, solo per essere nuovamente notato da un altro ricercatore che credeva fosse una scoperta originale. Il primo report sembra essere di René Danjon nel 1962. Nel 1971 Rodney Challinor, con 14 anni di dati, ha collegato i cambiamenti annuali nella lunghezza del giorno (LOD) al ciclo delle macchie solari. Ha suggerito che i cambiamenti nella circolazione atmosferica globale indotti dai cambiamenti dell’attività solare potrebbero essere responsabili dell’effetto sulla velocità di rotazione della Terra (Challinor 1971). Anche Jan Vondrák (1977) e Robert Currie (1980) hanno riscoperto la relazione tra rotazione solare-terrestre. Negli anni ’90 Daniel Gambis (Gambis & Bourget 1993) e negli anni 2000 Rodrigo Abarca del Río (Abarca del Río et al. 2003) hanno continuato gli studi sulla relazione solare-terrestre. Più recentemente Le Mouël et al. (2010) e Barlyaeva et al. (2014) hanno indagato sui possibili meccanismi di questa relazione.
Fig. 2.5 Modulazione della variazione semestrale di LOD dal ciclo solare Schwabe di 11 anni. a) ΔLOD mensile per il periodo 1962-2018. L’inserto mostra due anni di dati con quattro componenti semi-annuali corrispondenti agli inverni dell’emisfero nord (NH) e dell’emisfero sud (SH). b) Curva nera, scala sinistra, ampiezza levigata a 3 punti del cambiamento invernale NH in ΔLOD da dati settimanali dopo levigatura di 31 giorni. Valori più bassi indicano un maggiore cambiamento nella velocità di rotazione della Terra. Curva rossa, scala destra, attività solare come determinata dal flusso a 10,7 cm (unità di flusso solare, levigato gaussianamente). Curva tratteggiata, scala destra, Trasformata di Fourier Rapida con una finestra di 4 anni della componente derivata temporale di 0,5 anni di LOD, levigata di 30 mesi, dopo Barlyaeva et al. 2014.
È stato dimostrato che, per periodi di tempo compresi tra 14 giorni e 4 anni, i cambiamenti nel momento angolare atmosferico (AAM) della troposfera e della stratosfera rappresentano oltre il 90% dei cambiamenti nel LOD (Rosen & Salstein 1985), poiché la velocità di rotazione della Terra deve adeguarsi per mantenere costante il momento totale del sistema Terra. È noto da decenni che la variazione stagionale in ∆LOD riflette i cambiamenti nella circolazione zonale (Lambeck & Cazennave 1973). La componente biennale di ∆LOD riflette i cambiamenti nel QBO (Lambeck & Hopgood 1981), mentre la componente di 3-4 anni corrisponde al segnale ENSO (Haas & Scherneck 2004). L’El Niño 2015-16 ha prodotto un’escursione ∆LOD che ha raggiunto 0,81 ms nel gennaio 2016. Non ci si dovrebbe aspettare un adattamento molto stretto tra la componente semestrale in ∆LOD e l’attività solare, dati questi altri agenti causali.
Il legame tra i cambiamenti in ΔLOD, i cambiamenti in AAM e la variabilità solare è molto diretto e necessariamente deve andare nella direzione “solare → atmosfera → rotazione”. Il momento del sistema Terra è conservato alle scale coinvolte e non è possibile che i cambiamenti nella velocità di rotazione della Terra influenzino l’attività solare. Un rapporto tra i cambiamenti decennali in ΔLOD e i cambiamenti nel clima è stato proposto da Lambeck e Cazenave (1976). Senza considerare un’implicazione solare, hanno riferito sulla somiglianza tra le tendenze di numerosi indici climatici per i due secoli passati e i cambiamenti in ∆LOD. In particolare, Lambeck e Cazenave hanno notato che le variazioni del LOD si correlano bene con la temperatura globale e con la pressione del suolo, entrambi indicatori della circolazione del vento globale. Hanno concluso che i periodi di aumento dei venti zonali si correlano con un’accelerazione della Terra mentre i periodi di diminuzione della circolazione zonale si correlano con una decelerazione della Terra. Hanno trovato un ritardo di 5-10 anni negli indici climatici. Il loro risultato è stato riprodotto molte volte (ad esempio, Mazzarella 2013).
Fig. 2.6 Serie temporali filtrate in banda decennale del numero di macchie solari (rosso) e (B) la modulazione dell’ampiezza annuale dell’AAM; e (C) la modulazione dell’ampiezza semestrale invertita dell’AAM. Da Abarca del Río & Gambis (2011).
L’AAM può essere ricostruito fino al 1870 e i suoi cambiamenti decennali nelle componenti annuali e semestrali (collegati alle componenti annuali e semestrali di ∆LOD) mostrano una correlazione con il ciclo solare di 11 anni. È interessante notare che la correlazione tra la componente annuale e il numero di macchie solari ha subito uno spostamento di fase circa nel 1920 (Fig. 2.6B). Questo è un momento in cui molte correlazioni sole-clima si sono invertite (vedi Parte I, Fig. 1.3), screditando gli studi di correlazione sole-clima. Non sappiamo cosa provochi queste inversioni nella risposta climatica all’attività solare e probabilmente non lo sapremo fino a quando non avverrà una nuova inversione, dato che abbiamo bisogno di sapere cosa succede nella stratosfera durante queste. Sembra che si verifichino ogni 80-120 anni (Hoyt & Schatten 1997). Tuttavia, possiamo trarre due conclusioni importanti dall’esistenza di queste inversioni sole-clima. Prima di tutto, che l’attività solare influenza il clima attraverso il suo effetto sulla circolazione atmosferica (AAM), non attraverso le differenze nell’irradianza totale. E in secondo luogo, quando l’effetto solare sulla componente annuale dell’AAM cambia fase, il modello dell’effetto solare sulla temperatura superficiale e le precipitazioni si inverte. L’occorrenza simultanea del cambio di fase nell’AAM (rotazione della Terra) e l’inversione del modello sole-clima intorno al 1920 dimostra che questi cambiamenti sono una caratteristica intrinseca dell’effetto sole-clima.
Poiché l’effetto solare sulla velocità di rotazione della Terra e sulla circolazione atmosferica globale viene deliberatamente ignorato dalla climatologia moderna, non è incluso nei modelli di circolazione generale. Questo permette all’IPCC di concludere erroneamente che la variabilità solare non ha un effetto significativo sul cambiamento climatico dal 1850. La realtà, tuttavia, è che una grande parte del cambiamento climatico avvenuto durante il 20° secolo è stato dovuto al massimo solare moderno.
2.6 Effetti sulle onde planetarie
Nel 1974, Colin Hines propose che l’effetto sole-clima potrebbe essere realizzato modulando le proprietà di propagazione delle onde planetarie dell’atmosfera, e James Holton concordò che tale meccanismo era fattibile, ma obiettò che all’epoca esistevano poche prove a suo sostegno (Hines 1974; Holton 1982). Questo non era del tutto corretto. Geller e Alpert (1980) non solo dimostrarono la fattibilità del meccanismo di Hines, ma mostrarono che i cambiamenti nelle emissioni ultraviolette (UV) del sole, modificando la struttura termica stratosferica, potevano essere responsabili dei cambiamenti nel vento zonale medio, con conseguenti variazioni inter-annuali nei modelli di onde planetarie stazionarie che potevano indurre cambiamenti molto significativi nel clima regionale. I loro risultati di modellizzazione non solo quantificarono l’entità degli effetti attesi, ma indicarono che la risposta delle onde planetarie troposferiche ai cambiamenti solari nello stato medio zonale della stratosfera dovrebbe essere regionale, molto evidente ad alcune longitudini e latitudini, e assente in altre (Fig. 2.2).
Le onde nell’atmosfera (Fig. 2.7) sono movimenti oscillatori che risultano da un equilibrio tra l’inerzia di una porzione di aria che è stata messa in movimento e una forza di richiamo. Questi movimenti oscillatori producono variazioni periodiche nelle variabili atmosferiche (pressione, altezza geopotenziale, temperatura o velocità del vento) che possono rimanere stazionarie o propagarsi orizzontalmente o verticalmente. Le onde atmosferiche trasmettono energia e momento senza il trasporto materiale di porzioni di aria in regioni remote su scale temporali molto più brevi del tempo di transito per le porzioni di aria. Il momento e l’energia vengono alimentati nel flusso di fondo man mano che l’onda si dissipa o si rompe, alterandolo. La maggior parte delle perturbazioni meteorologiche è associata a uno o più tipi di onda atmosferica (Holton 2003).
Fig. 2.7 Esempi di onde atmosferiche. a) Onde atmosferiche rese visibili dalla polvere saharina sulla costa nord-occidentale dell’Africa. Credito: NASA. b) Onde atmosferiche causate dall’eruzione del Tonga 2022 che ha fatto il giro del globo, catturate dal satellite GOES-West della NOAA nel canale IR. Il Tonga si trova in basso a sinistra nell’immagine. Credito: Mathew Barlow. Da Duncombe (2022)
Le onde planetarie verticalmente propaganti (Rossby-Haurwitz) sono generate dal flusso sopra la topografia di scala continentale, dai contrasti di riscaldamento continente-oceano, e dalle interazioni non lineari tra le perturbazioni delle onde transitorie della troposfera. La loro forza di richiamo è il gradiente di vorticità potenziale latitudinale indotto dal parametro di Coriolis a causa della rotazione planetaria. Il numero d’onda zonale delle onde planetarie è un intero che designa il numero di onde intorno a un cerchio di latitudine, quindi a 60° un’onda planetaria di numero d’onda 1 ha una scala meridionale di circa 12.000 km. La propagazione verticale delle onde planetarie stazionarie richiede la presenza di venti medi di ponente con velocità inferiore a un valore critico, in quello che è noto come criterio di Charney-Drazin. In pratica, i numeri d’onda zonali 1-3 rappresentano oltre il 96% della propagazione delle onde nell’estratosfera extratropicale, e ciò avviene solo nell’emisfero invernale.
Piccoli cambiamenti nell’energia UV solare possono causare grandi cambiamenti nell’energia e nel momento trasmesso dalle onde planetarie alla stratosfera. Questi si riflettono poi nei cambiamenti nella troposfera, attraverso l’accoppiamento stratosfera-troposfera, come suggerito da Hines (1974), e mostrato da Geller e Alpert (1980). Questo processo costituisce la base del meccanismo “dall’alto verso il basso” dell’effetto sole-clima. Questo processo o meccanismo bypassa il problema del piccolo cambiamento nell’energia solare emessa durante il ciclo solare, poiché l’energia per influenzare il clima è fornita dalle onde planetarie, che alterano la circolazione atmosferica globale in modelli regionalmente diversi. Kodera e Kuroda (2002) hanno dimostrato che con l’arrivo dell’inverno, la circolazione stratosferica passa da uno stato controllato dalla radiazione a uno stato controllato dinamicamente, e la transizione è modulata dall’attività solare, con il massimo solare che prolunga lo stato controllato dalla radiazione. Questa modulazione influisce sulla forza dei getti subtropicali stratosferici e notturni polari, e sulla circolazione di Brewer-Dobson.
Perlwitz e Harnik (2003) hanno fornito prove che le onde planetarie riflesse nella stratosfera in certi inverni avevano un effetto troposferico. Nathan et al. (2011) hanno dimostrato che il campo di ozono asimmetrico zonale era molto importante nel mediare gli effetti della variabilità solare sulla circolazione guidata dalle onde nella stratosfera. Lo studio delle onde planetarie nella stratosfera è recente e difficile da realizzare. Powell e Xu (2011), utilizzando due set di dati di rianalisi e osservazioni satellitari di unità di sondaggio a microonde, hanno costruito un indice di ampiezza delle onde planetarie per la stratosfera 55-75°N e hanno dimostrato che era associato all’Oscillazione Artica. Hanno riscontrato cambiamenti sostanziali nello stato stratosferico dovuti a cambiamenti nell’ampiezza delle onde e nelle anomalie dei pattern. I principali erano associati a un’oscillazione di 2 anni che era in fase con il ciclo solare. Durante i massimi solari l’ampiezza delle onde planetarie era ridotta, mentre durante i minimi solari i cambiamenti nel gradiente di temperatura meridionale e nel vento verticale portavano a un aumento dell’ampiezza delle onde planetarie (Fig. 2.8). L’effetto del ciclo solare rilevato può spiegare il 25% della variabilità nell’ampiezza delle onde (Powell & Xu 2011).
Fig. 2.8 La variabilità nell’ampiezza delle onde planetarie stratosferiche a 55-75°N mostra l’allineamento della sua oscillazione biennale con il ciclo solare, mostrando una variazione di ampiezza massima durante i minimi solari.
Il ritrovamento di Powell e Xu (2011) fornisce una prova diretta osservativa per lo studio di Geller e Alpert (1980). Nel loro studio, Geller e Alpert hanno mostrato che un cambiamento del 20% nel flusso zonale medio a 35 km di altezza o meno sarebbe l’ordine di grandezza richiesto per produrre la variabilità interannuale osservata nel modello di onda troposferica a latitudini medie e alte. Il ritrovamento di Powell e Xu che l’effetto solare potrebbe spiegare il 25% dell’ampiezza dell’onda stratosferica indica che l’effetto solare UV, accoppiato con la variabilità dell’ozono, può spiegare l’importante effetto sole-clima sulla circolazione atmosferica invernale prima rilevato da Labitzke e van Loon (1988).
2.7 Conclusione
Questa parte (la 2a della serie) dimostra l’esistenza di una vasta conoscenza sull’effetto sole-clima, prodotta faticosamente da scienziati che non hanno ricevuto il dovuto credito per aver gettato luce su quello che è probabilmente il problema più complesso, più controverso della climatologia. Questa conoscenza fornisce indizi sufficienti sul meccanismo dell’effetto sole-clima.
Non è più accettabile dire che la variabilità solare nell’irradianza totale è troppo piccola per avere un effetto significativo sul clima, quando ci sono così tante prove che le variazioni dell’irradianza totale non sono il modo principale in cui la variabilità solare influenza principalmente il clima.
Non è più accettabile dire che gli effetti indiretti della variabilità solare sono troppo incerti poiché il loro meccanismo è sconosciuto quando vi sono chiare prove del meccanismo pubblicate e ignorate.
Non è più accettabile considerare solo i cambiamenti nell’irradianza totale negli studi di modellazione e poi dichiarare che il massimo solare moderno non ha contribuito al riscaldamento globale moderno.
Non è più accettabile respingere un effetto sole-clima basato sulla mancanza di una corrispondenza semplice tra la temperatura superficiale e l’attività solare, quando le prove suggeriscono che l’effetto solare sul clima funziona attraverso i cambiamenti nella circolazione atmosferica.
Se rimane accettabile, allora stiamo costruendo le fondamenta della scienza del cambiamento climatico su un falso presupposto che ci impedisce di capirlo. Arretrerà l’avanzamento scientifico della climatologia di decenni, proprio come il rifiuto di accettare le prove della deriva dei continenti ha fatto arretrare la geologia di quattro decenni. E avrà enormi ripercussioni sulla reputazione della scienza, poiché la maggior parte dei climatologi fornisce una giustificazione per costose politiche socioeconomiche mentre ignora una connessione sole-clima importante e ben documentata.