Professoressa Tiffany Shaw, Professore, Dipartimento di Geoscienze, Università di Chicago
L'emisfero australe è un luogo molto turbolento.I venti a varie latitudini sono stati descritti come "ruggenti quaranta gradi", "furiosi cinquanta gradi" e "urlanti sessanta gradi".Le onde raggiungono ben 78 piedi (24 metri).
Come tutti sappiamo, nulla nell'emisfero settentrionale può eguagliare le forti tempeste, il vento e le onde dell'emisfero meridionale.Perché?
In un nuovo studio pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences, io e i miei colleghi scopriamo perché le tempeste sono più comuni nell'emisfero meridionale che in quello settentrionale.
Combinando diverse linee di evidenza da osservazioni, teoria e modelli climatici, i nostri risultati indicano il ruolo fondamentale dei "nastri trasportatori" oceanici globali e delle grandi montagne nell'emisfero settentrionale.
Mostriamo anche che, nel tempo, le tempeste nell'emisfero meridionale sono diventate più intense, mentre quelle nell'emisfero settentrionale no.Ciò è coerente con la modellazione del modello climatico del riscaldamento globale.
Questi cambiamenti sono importanti perché sappiamo che tempeste più forti possono portare a impatti più gravi come venti estremi, temperature e precipitazioni.
Per molto tempo, la maggior parte delle osservazioni del tempo sulla Terra sono state effettuate dalla terraferma.Ciò ha fornito agli scienziati un quadro chiaro della tempesta nell'emisfero settentrionale.Tuttavia, nell'emisfero australe, che copre circa il 20% della terraferma, non abbiamo ottenuto un quadro chiaro delle tempeste fino a quando le osservazioni satellitari non sono diventate disponibili alla fine degli anni '70.
Da decenni di osservazione dall'inizio dell'era dei satelliti, sappiamo che le tempeste nell'emisfero australe sono circa il 24% più forti di quelle nell'emisfero settentrionale.
Questo è mostrato nella mappa qui sotto, che mostra l'intensità media annua delle tempeste osservata per l'emisfero australe (in alto), l'emisfero settentrionale (al centro) e la differenza tra loro (in basso) dal 1980 al 2018. (Si noti che il Polo Sud è a la parte superiore del confronto tra la prima e l'ultima mappa.)
La mappa mostra l'intensità costantemente elevata delle tempeste nell'Oceano Antartico nell'emisfero australe e la loro concentrazione negli Oceani Pacifico e Atlantico (ombreggiati in arancione) nell'emisfero settentrionale.La mappa delle differenze mostra che le tempeste sono più forti nell'emisfero meridionale che nell'emisfero settentrionale (ombreggiatura arancione) alla maggior parte delle latitudini.
Sebbene ci siano molte teorie diverse, nessuna offre una spiegazione definitiva per la differenza di tempeste tra i due emisferi.
Scoprire le ragioni sembra essere un compito difficile.Come capire un sistema così complesso che si estende per migliaia di chilometri come l'atmosfera?Non possiamo mettere la Terra in un barattolo e studiarla.Tuttavia, questo è esattamente ciò che stanno facendo gli scienziati che studiano la fisica del clima.Applichiamo le leggi della fisica e le usiamo per comprendere l'atmosfera e il clima della Terra.
L'esempio più famoso di questo approccio è il lavoro pionieristico del dottor Shuro Manabe, che ha ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2021 "per la sua previsione affidabile del riscaldamento globale".Le sue previsioni si basano su modelli fisici del clima terrestre, che vanno dai più semplici modelli di temperatura unidimensionali a veri e propri modelli tridimensionali.Studia la risposta del clima all'aumento dei livelli di anidride carbonica nell'atmosfera attraverso modelli di varia complessità fisica e monitora i segnali emergenti dai fenomeni fisici sottostanti.
Per comprendere più tempeste nell'emisfero australe, abbiamo raccolto diverse linee di prova, inclusi i dati dei modelli climatici basati sulla fisica.Nella prima fase, studiamo le osservazioni in termini di come l'energia è distribuita sulla Terra.
Poiché la Terra è una sfera, la sua superficie riceve la radiazione solare in modo non uniforme dal Sole.La maggior parte dell'energia viene ricevuta e assorbita all'equatore, dove i raggi del sole colpiscono la superficie più direttamente.Al contrario, i pali che la luce colpisce ad angoli ripidi ricevono meno energia.
Decenni di ricerca hanno dimostrato che la forza di una tempesta deriva da questa differenza di energia.Essenzialmente, convertono l'energia "statica" immagazzinata in questa differenza in energia "cinetica" di movimento.Questa transizione avviene attraverso un processo noto come “instabilità baroclina”.
Questo punto di vista suggerisce che la luce solare incidente non può spiegare il maggior numero di tempeste nell'emisfero australe, poiché entrambi gli emisferi ricevono la stessa quantità di luce solare.Invece, la nostra analisi osservativa suggerisce che la differenza nell'intensità della tempesta tra sud e nord potrebbe essere dovuta a due diversi fattori.
Innanzitutto, il trasporto di energia oceanica, spesso indicato come il "nastro trasportatore".L'acqua affonda vicino al Polo Nord, scorre lungo il fondo dell'oceano, sale intorno all'Antartide e rifluisce verso nord lungo l'equatore, portando con sé energia.Il risultato finale è il trasferimento di energia dall'Antartide al Polo Nord.Ciò crea un maggiore contrasto energetico tra l'equatore e i poli nell'emisfero australe che nell'emisfero settentrionale, con conseguenti tempeste più violente nell'emisfero australe.
Il secondo fattore sono le grandi montagne nell'emisfero settentrionale, che, come suggeriva il precedente lavoro di Manabe, smorzano le tempeste.Le correnti d'aria su grandi catene montuose creano alti e bassi fissi che riducono la quantità di energia disponibile per le tempeste.
Tuttavia, l'analisi dei dati osservati da sola non può confermare queste cause, perché troppi fattori operano e interagiscono simultaneamente.Inoltre, non possiamo escludere singole cause per verificarne il significato.
Per fare ciò, dobbiamo utilizzare modelli climatici per studiare come cambiano le tempeste quando vengono rimossi diversi fattori.
Quando abbiamo appianato le montagne della terra nella simulazione, la differenza nell'intensità della tempesta tra gli emisferi è stata dimezzata.Quando abbiamo rimosso il nastro trasportatore dell'oceano, l'altra metà della differenza di tempesta era sparita.Così, per la prima volta, scopriamo una spiegazione concreta per le tempeste nell'emisfero australe.
Poiché le tempeste sono associate a gravi impatti sociali come venti estremi, temperature e precipitazioni, la domanda importante a cui dobbiamo rispondere è se le tempeste future saranno più forti o più deboli.
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Uno strumento chiave per preparare le società ad affrontare gli effetti del cambiamento climatico è la fornitura di previsioni basate su modelli climatici.Un nuovo studio suggerisce che le tempeste medie dell'emisfero meridionale diventeranno più intense verso la fine del secolo.
Al contrario, si prevede che i cambiamenti nell'intensità media annua delle tempeste nell'emisfero settentrionale saranno moderati.Ciò è in parte dovuto agli effetti stagionali concorrenti tra il riscaldamento ai tropici, che rende le tempeste più forti, e il rapido riscaldamento nell'Artico, che le rende più deboli.
Tuttavia, il clima qui e ora sta cambiando.Quando osserviamo i cambiamenti negli ultimi decenni, scopriamo che le tempeste medie sono diventate più intense nel corso dell'anno nell'emisfero meridionale, mentre i cambiamenti nell'emisfero settentrionale sono stati trascurabili, in linea con le previsioni del modello climatico nello stesso periodo .
Sebbene i modelli sottovalutino il segnale, indicano cambiamenti che si verificano per gli stessi motivi fisici.Cioè, i cambiamenti nell'oceano aumentano le tempeste perché l'acqua più calda si sposta verso l'equatore e l'acqua più fredda viene portata in superficie intorno all'Antartide per sostituirla, determinando un contrasto più forte tra l'equatore e i poli.
Nell'emisfero settentrionale, i cambiamenti oceanici sono compensati dalla perdita di ghiaccio marino e neve, facendo sì che l'Artico assorba più luce solare e indebolendo il contrasto tra l'equatore e i poli.
La posta in gioco per ottenere la risposta giusta è alta.Sarà importante per il lavoro futuro determinare perché i modelli sottovalutano il segnale osservato, ma sarà altrettanto importante ottenere la risposta giusta per le giuste ragioni fisiche.
Xiao, T. et al.(2022) Tempeste nell'emisfero australe dovute alla morfologia del terreno e alla circolazione oceanica, Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America, doi: 10.1073/pnas.2123512119
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