Professoressa Tiffany Shaw, Professoressa, 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 l'impressionante altezza di 24 metri.
Come tutti sappiamo, nulla nell'emisfero settentrionale può eguagliare le violente tempeste, i venti e le onde dell'emisfero meridionale. Perché?
In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, i miei colleghi e io scopriamo perché le tempeste sono più comuni nell'emisfero australe che in quello settentrionale.
Combinando diverse linee di evidenza provenienti da osservazioni, teoria e modelli climatici, i nostri risultati evidenziano il ruolo fondamentale delle "cinture di trasporto" oceaniche globali e delle grandi montagne nell'emisfero settentrionale.
Dimostriamo inoltre che, nel tempo, le tempeste nell'emisfero australe sono diventate più intense, mentre quelle nell'emisfero settentrionale non lo sono state. Questo è coerente con la modellizzazione del riscaldamento globale basata sui modelli climatici.
Questi cambiamenti sono importanti perché sappiamo che le tempeste più forti possono avere effetti più gravi, come venti, temperature e precipitazioni estreme.
Per lungo tempo, la maggior parte delle osservazioni meteorologiche sulla Terra è stata effettuata da terra. Questo ha fornito agli scienziati un quadro chiaro delle tempeste nell'emisfero settentrionale. Tuttavia, nell'emisfero meridionale, che copre circa il 20% della superficie terrestre, non abbiamo avuto un quadro chiaro delle tempeste fino all'avvento delle osservazioni satellitari alla fine degli anni '70.
Da decenni di osservazioni condotte dall'inizio dell'era satellitare, sappiamo che le tempeste nell'emisfero australe sono circa il 24 percento più forti di quelle nell'emisfero settentrionale.
Ciò è mostrato nella mappa sottostante, che mostra l'intensità media annuale delle tempeste osservata per l'emisfero australe (in alto), l'emisfero settentrionale (al centro) e la differenza tra i due (in basso) dal 1980 al 2018. (Si noti che il Polo Sud si trova in cima al confronto tra la prima e l'ultima mappa.)
La mappa mostra l'intensità persistentemente 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 australe che in quello settentrionale (ombreggiatura arancione) alla maggior parte delle latitudini.
Sebbene esistano numerose teorie diverse, nessuno fornisce una spiegazione definitiva della differenza tra le tempeste nei due emisferi.
Scoprirne le ragioni sembra un compito arduo. Come comprendere un sistema così complesso, esteso per migliaia di chilometri come l'atmosfera? Non possiamo mettere la Terra in un barattolo e studiarla. Tuttavia, questo è esattamente ciò che fanno gli scienziati che studiano la fisica del clima. Applichiamo le leggi della fisica e le usiamo per comprendere l'atmosfera e il clima terrestre.
L'esempio più famoso di questo approccio è il lavoro pionieristico del Dr. Shuro Manabe, che ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2021 "per la sua affidabile previsione del riscaldamento globale". Le sue previsioni si basano su modelli fisici del clima terrestre, che vanno dai più semplici modelli di temperatura unidimensionali a modelli tridimensionali completi. 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 meglio le tempeste nell'emisfero australe, abbiamo raccolto diverse evidenze, inclusi dati provenienti da modelli climatici basati sulla fisica. Nella prima fase, studiamo le osservazioni in termini di distribuzione dell'energia 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 solari colpiscono la superficie più direttamente. Al contrario, i poli, che la luce colpisce con 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" di movimento. Questa transizione avviene attraverso un processo noto come "instabilità baroclina".
Questa ipotesi suggerisce che la luce solare incidente non possa spiegare il maggior numero di tempeste nell'emisfero australe, poiché entrambi gli emisferi ricevono la stessa quantità di luce solare. La nostra analisi osservativa suggerisce invece che la differenza di intensità delle tempeste tra sud e nord potrebbe essere dovuta a due fattori diversi.
In primo luogo, il trasporto di energia oceanica, spesso definito "nastro trasportatore". L'acqua si inabissa vicino al Polo Nord, scorre lungo il fondale oceanico, risale intorno all'Antartide e torna a scorrere verso nord lungo l'equatore, trasportando con sé energia. Il risultato finale è il trasferimento di energia dall'Antartide al Polo Nord. Questo crea un maggiore contrasto energetico tra l'equatore e i poli nell'emisfero australe rispetto all'emisfero settentrionale, con conseguenti tempeste più violente nell'emisfero australe.
Il secondo fattore sono le grandi montagne dell'emisfero settentrionale che, come suggerito da precedenti studi di Manabe, attenuano le tempeste. Le correnti d'aria sulle grandi catene montuose creano valori di massima e minima fissi che riducono la quantità di energia disponibile per le tempeste.
Tuttavia, l'analisi dei dati osservati da sola non può confermare queste cause, poiché troppi fattori operano e interagiscono simultaneamente. Inoltre, non possiamo escludere cause singole per verificarne la significatività.
Per fare questo, dobbiamo usare modelli climatici per studiare come cambiano le tempeste quando vengono eliminati diversi fattori.
Quando abbiamo livellato le montagne terrestri nella simulazione, la differenza di intensità delle tempeste tra i due emisferi si è dimezzata. Quando abbiamo rimosso il nastro trasportatore oceanico, l'altra metà della differenza di intensità delle tempeste è scomparsa. Così, per la prima volta, scopriamo una spiegazione concreta per le tempeste nell'emisfero australe.
Poiché le tempeste sono associate a gravi ripercussioni sociali, come venti, temperature e precipitazioni estreme, la domanda importante a cui dobbiamo rispondere è se le tempeste future saranno più forti o più deboli.
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Uno strumento fondamentale 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 nell'emisfero australe diventeranno più intense verso la fine del secolo.
Al contrario, si prevede che le variazioni nell'intensità media annua delle tempeste nell'emisfero settentrionale saranno moderate. Ciò è in parte dovuto agli effetti stagionali contrapposti tra il riscaldamento ai tropici, che rende le tempeste più intense, e il rapido riscaldamento nell'Artico, che le rende più deboli.
Tuttavia, il clima qui e ora sta cambiando. Osservando i cambiamenti degli ultimi decenni, scopriamo che le tempeste medie sono diventate più intense nel corso dell'anno nell'emisfero australe, mentre i cambiamenti nell'emisfero settentrionale sono stati trascurabili, in linea con le previsioni dei modelli climatici per lo stesso periodo.
Sebbene i modelli sottostimino il segnale, indicano cambiamenti che si verificano per le stesse ragioni fisiche. Ovvero, 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 maggiore contrasto 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 corretta è alta. Sarà importante per i lavori futuri determinare perché i modelli sottostimano il segnale osservato, ma sarà altrettanto importante ottenere la risposta corretta per le giuste ragioni fisiche.
Xiao, T. et al. (2022) Tempeste nell'emisfero australe dovute alle caratteristiche del terreno e alla circolazione oceanica, Proceedings of the National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America, doi: 10.1073/pnas.2123512119
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