Professor Tiffany Shaw, professore, Dipartimento di Geoscienze, Università di Chicago
L'emisfero meridionale è un posto molto turbolento. I venti a varie latitudini sono stati descritti come "ruggenti quaranta gradi", "furiosi cinquanta gradi" e "urlando sessanta gradi". Le onde raggiungono un enorme 78 piedi (24 metri).
Come tutti sappiamo, nulla nell'emisfero settentrionale può eguagliare le gravi tempeste, il vento e le onde nell'emisfero meridionale. Perché?
In un nuovo studio pubblicato negli atti della National Academy of Sciences, i miei colleghi e io scopriamo perché le tempeste sono più comuni nell'emisfero meridionale che nel nord.
Combinando diverse linee di evidenza da osservazioni, teoria e modelli climatici, i nostri risultati indicano il ruolo fondamentale delle "cinture del trasporto" oceaniche globali e 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 contano 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 fatte di terra. Ciò ha dato agli scienziati un quadro chiaro della tempesta nell'emisfero settentrionale. Tuttavia, nell'emisfero meridionale, che copre circa il 20 percento della terra, non abbiamo avuto 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 satellitare, sappiamo che le tempeste nell'emisfero meridionale sono circa il 24 % più forti di quelle dell'emisfero settentrionale.
Questo è mostrato nella mappa seguente, che mostra l'intensità media annuale media osservata per l'emisfero meridionale (in alto), l'emisfero settentrionale (al centro) e la differenza tra loro (in basso) dal 1980 al 2018. (Nota che il polo sud è in cima al confronto tra la prima e le ultime mappe.)
La mappa mostra l'alta intensità persistente delle tempeste nell'oceano meridionale nell'emisfero meridionale e la loro concentrazione negli oceani del Pacifico e dell'Atlantico (ombreggiati in arancione) nell'emisfero settentrionale. La mappa della differenza 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, nessuno offre una spiegazione definitiva per la differenza nelle tempeste tra i due emisferi.
Scoprire i motivi sembra essere un compito difficile. Come comprendere un sistema così complesso che copre 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 Dr. Shuro Manabe, che ha ricevuto il premio Nobel del 2021 in fisica "per la sua affidabile previsione del riscaldamento globale". Le sue previsioni si basano su modelli fisici del clima terrestre, che vanno dai modelli di temperatura monodimensionale più semplici a modelli tridimensionali a tutti gli effetti. 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 meridionale, abbiamo raccolto diverse linee di evidenza, compresi i dati da modelli climatici basati sulla fisica. Nel primo passo, studiamo le osservazioni in termini di come l'energia viene distribuita su tutta la terra.
Poiché la terra è una sfera, la sua superficie riceve radiazioni solari in modo irregolare 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 poli che la luce colpiscono ad angoli ripidi ricevono meno energia.
Decenni di ricerca hanno dimostrato che la forza di una tempesta deriva da questa differenza di energia. In sostanza, convertono l'energia "statica" immagazzinata in questa differenza in energia "cinetica" del movimento. Questa transizione si verifica attraverso un processo noto come "instabilità baroclinica".
Questa visione suggerisce che la luce solare incidente non può spiegare il maggior numero di tempeste nell'emisfero meridionale, poiché entrambi gli emisferi ricevono la stessa quantità di luce solare. Invece, la nostra analisi di osservazione suggerisce che la differenza di 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, si alza attorno all'Antartide e scorre indietro a nord lungo l'equatore, trasportando energia con esso. Il risultato finale è il trasferimento di energia dall'Antartide al Polo Nord. Ciò crea un maggiore contrasto di energia tra l'equatore e i poli nell'emisfero meridionale che nell'emisfero settentrionale, con conseguenti tempeste più gravi nell'emisfero meridionale.
Il secondo fattore sono le grandi montagne nell'emisfero settentrionale, che, come suggeriva i lavori precedenti di Manabe, smorzano le tempeste. Le correnti d'aria su grandi catene montuose creano alti e minimi fissi che riducono la quantità di energia disponibile per le tempeste.
Tuttavia, l'analisi dei soli dati osservati non può confermare queste cause, poiché troppi fattori operano e interagiscono contemporaneamente. Inoltre, non possiamo escludere le cause individuali per testare il loro significato.
Per fare ciò, dobbiamo usare i modelli climatici per studiare come cambiano le tempeste quando vengono rimossi diversi fattori.
Quando abbiamo levigato le montagne terrestri nella simulazione, la differenza di intensità della tempesta tra gli emisferi è stata dimezzata. Quando abbiamo rimosso la cintura del trasportatore dell'oceano, l'altra metà della differenza di tempesta era sparita. Pertanto, per la prima volta, scopriamo una spiegazione concreta per le tempeste nell'emisfero meridionale.
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 nella preparazione delle società per far fronte agli effetti dei cambiamenti climatici è la fornitura di previsioni basate su modelli climatici. Un nuovo studio suggerisce che le tempeste di emisfero meridionale medio diventeranno più intense verso la fine del secolo.
Al contrario, si prevede che i cambiamenti nell'intensità media annua delle tempeste nell'emisfero settentrionale siano moderate. Ciò è in parte dovuto agli effetti stagionali in competizione tra il riscaldamento nei tropici, il che rende le tempeste più forti e il rapido riscaldamento nell'Artico, il che le rende più deboli.
Tuttavia, il clima qui e ora sta cambiando. Quando esaminiamo 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, coerenti con le previsioni del modello climatico nello stesso periodo.
Sebbene i modelli sottovalutino il segnale, indicano cambiamenti che si verificano per le stesse ragioni fisiche. 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, con conseguente 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 assorbire la luce solare dell'Artico 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 meridionale a causa delle forme di terra e della circolazione oceanica, Atti della National Academy of Sciences of the United States of America, doi: 10.1073/pnas.2123512119
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