L’IPOTESI DEL GUARDIANO INVERNALE: NUOVO SUPPORTO PER L’EFFETTO DELL’ATTIVITÀ SOLARE SULLA MINORE CIRCOLAZIONE ATMOSFERICA

Di Javier Vinós – 20 Ottobre 2022

Un recente articolo di Svetlana Veretenenko fornisce un importante supporto per l’effetto dell’attività solare sulla circolazione atmosferica inferiore attraverso il suo effetto sul vortice polare. L’articolo di Veretenenko è un passo importante per dimostrare l’effetto solare sulla circolazione atmosferica globale, una parte importante per l’ipotesi del guardiano invernale.

1. Introduzione

L’ipotesi del guardiano invernale, proposta da questo autore nel suo libro “Clima del passato, presente e futuro” (Vinós 2022), si basa sull’evidenza che il cambiamento climatico è principalmente il risultato di cambiamenti nel trasporto di energia verso i poli e che la variabilità solare è un importante modulatore di questo trasporto. L’ipotesi affronta due importanti questioni: come il clima cambia naturalmente sulla scala temporale multi-decennale a quella millenaria, anche in assenza di cambiamenti nell’effetto serra; e come i cambiamenti nell’attività solare possono influenzare profondamente il clima nonostante i loro piccoli cambiamenti energetici. Una conclusione dell’ipotesi è che il massimo solare moderno del 1935-2005 ha contribuito al riscaldamento globale del XX secolo, che implica una significativa riduzione della sensibilità climatica all’anidride carbonica.

Si rimanda il lettore alle parti III, IV e V della serie di articoli “The Sun-Climate Effect: The Winter Gatekeeper Hypothesis” per ulteriori informazioni sui meccanismi di trasporto meridionali (verso i poli) e alla parte VII per un riassunto dell’ipotesi.

L’ipotesi del guardiano invernale integra diversi componenti del sistema di trasporto nella stratosfera, nella troposfera e nell’oceano. Uno schema dei processi energetici coinvolti è presentato in Fig. 8.1, con il trasporto di energia rappresentato dalle frecce bianche. La modulazione solare a partire dalla stratosfera influisce su tutti i trasporti e Vinós (2022) ha mostrato un effetto solare su ENSO e sul vortice polare. Il meccanismo con cui l’attività solare modula l’attività ENSO è ancora sconosciuto, ma questo autore propone una modulazione solare della risalita tropicale di Brewer-Dobson, nota come la “via tropicale” del “meccanismo top-down” (Maycock & Misios 2016; Vinós 2022).

Fig. 8.1. Profilo del trasporto meridionale invernale dell’emisfero settentrionale. Il rapporto guadagno/perdita di energia nella parte superiore dell’atmosfera determina la massima fonte di energia nella fascia tropicale e il massimo pozzo di energia nell’Artico in inverno. L’energia solare in entrata è distribuita nella stratosfera e nella troposfera/superficie dove è soggetta a diverse modulazioni di trasporto. L’energia (frecce bianche) sale dalla superficie alla stratosfera alla zona tropicale (linea tratteggiata a sinistra) e viene trasportata verso il vortice polare (linea tratteggiata destra) dalla circolazione della Brewer-Dobson. Il trasporto stratosferico è determinato dal riscaldamento UV allo strato di ozono tropicale, che stabilisce un gradiente di temperatura che influenza la forza del vento zonale attraverso il bilancio termico del vento, e dall’oscillazione quasi biennale (QBO). Questo doppio controllo determina il comportamento delle onde planetarie (frecce nere) e determina se il vortice polare subisce un accoppiamento biennale con il QBO (BO). Nello strato misto dell’oceano tropicale, ENSO è il principale modulatore della distribuzione dell’energia. Mentre la cellula di Hadley partecipa al trasporto di energia e risponde alla sua intensità espandendosi o contraendosi, la maggior parte del trasporto di energia nei tropici è fatto dall’oceano. I cambiamenti nell’intensità del trasporto determinano le principali modalità di variabilità, l’AMO e la PDO. Al di fuori dei tropici, la maggior parte dell’energia viene trasferita alla troposfera, dove il trasporto sinottico da parte dei vortici lungo le tracce delle tempeste è responsabile della maggior parte del trasporto alle alte latitudini. La forza del vortice polare determina il regime climatico invernale delle alte latitudini. Un vortice debole promuove un regime invernale caldo in Artico/freddo continentale, dove più energia entra nell’Artico scambiata da masse d’aria fredda che si spostano verso sud. Le correnti a getto (PJS, polari; TJS, tropicale; PNJ, notte polare) costituiscono i confini e limitano il trasporto. Linea ovale rossa, la parte dell’ipotesi del guardiano invernale studiata in Veretenenko 2022. Figura da Vinós 2022.

L’effetto dell’attività solare sul vortice polare, riportato per la prima volta da Karin Labitzke nel 1987, è meglio compreso. Ora ci sono prove considerevoli che l’attività solare influenza lo stato del vortice polare. Il meccanismo, che era già stato proposto nel 1970, è chiamato “Planetary Wave Feedback” (Gray et al. 2010). La quantità di energia e quantità di moto che incidono sul vortice polare dipende dallo stato della stratosfera che è influenzata dall’attività solare. Durante i periodi di bassa attività solare, viene erogata più energia, perturbando il vortice polare, che è più stabile sotto un’elevata attività solare. La stabilità del vortice polare è di fondamentale importanza per il clima invernale delle medie latitudini dell’emisfero settentrionale e per la quantità di energia che raggiunge l’Artico.

L’ipotesi del guardiano invernale contestualizza questo noto meccanismo solare come parte di un effetto più generale dell’attività solare sul trasporto meridionale attraverso la stratosfera e la troposfera dai tropici ai poli. Mostra anche che l’importante effetto climatico dei cambiamenti dei trasporti è dovuto ai cambiamenti nella quantità di energia che lascia il pianeta come radiazione a onde lunghe in uscita nelle regioni polari.

2. Il vortice polare e il suo ruolo nei processi atmosferici

Il recente articolo di Svetlana Veretenenko, dell’Istituto Ioffe di San Pietroburgo, Russia (Veretenenko 2022, Ve22 da qui), fornisce un importante supporto per l’effetto dell’attività solare sulla circolazione atmosferica inferiore attraverso il suo effetto sul vortice polare. L’articolo di Veretenenko si concentra solo sulla parte troposfera-vortice polare dell’ipotesi del guardiano invernale (Fig. 8.1, linea ovale rossa). Manca anche una spiegazione dei cambiamenti energetici necessari per cambiare il clima. L’ipotesi del guardiano invernale ha fornito tale spiegazione attraverso i cambiamenti nella radiazione in uscita (Vinós 2022). Tuttavia, l’articolo di Veretenenko è un passo importante per dimostrare l’effetto solare sulla circolazione atmosferica globale, una parte importante dell’ipotesi del guardiano invernale. Non è raro nella scienza che autori non correlati raggiungano autonomamente conclusioni simili all’incirca nello stesso momento. L’ipotesi del guardiano invernale era già stata sviluppata nel 2018 ed è stata inclusa nella prima edizione di “Climate of the Past, Present and Future“. Questa ipotesi non avrebbe potuto essere sviluppata 20 anni fa perché non c’erano conoscenze e dati sufficienti per supportarla. È giunto il momento di fare un importante passo avanti nella nostra comprensione del cambiamento climatico naturale e del ruolo del sole in esso. Questo autore è orgoglioso di farne parte e accoglie con favore l’articolo di Veretenenko “Stratospheric Polar Vortex as an Important Link between the Lower Atmosphere Circulation and Solar Activity“. I principali risultati di questo articolo sono discussi di seguito.

Ve22 definisce molto bene il vortice polare e il suo ruolo nei processi atmosferici:

Il vortice polare stratosferico è una circolazione ciclonica su larga scala che si forma nella massa d’aria fredda sopra la regione polare durante la metà fredda dell’anno e che si estende dalla media troposfera alla stratosfera. Si verifica un movimento circolare verso est dell’aria, che isola l’aria polare dall’aria più calda delle medie latitudini, contribuendo a una diminuzione della temperatura all’interno del vortice. Il vortice è visto come una cintura di forti venti occidentali a latitudini ~ 50-80 ° N, con la velocità del vento che raggiunge ~ 50-60 m s^–1ai livelli superiori. Nella figura 2b, l’entità dei gradienti orizzontali della temperatura al livello 20 hPa è presentata per gennaio 2005.

Fig. 8.2 (a) Distribuzione della velocità media mensile del vento zonale (in m·s⁻¹) al livello di 20 hPa (stratosfera) nell’emisfero settentrionale nel gennaio 2005. b) distribuzione della grandezza media mensile del gradiente orizzontale della temperatura (in °C/100 km) al livello di 20 hPa nel gennaio 2005. Figura da Ve22.

La Fig. 8.2 costituisce una bella illustrazione del concetto di guardiano invernale. I forti venti che circondano i poli in inverno agiscono come un guardiano che determina quanta energia sta per entrare nella regione polare, creando un forte gradiente di temperatura. La forza del vortice polare è legata alla circolazione atmosferica invernale dell’emisfero settentrionale:

Il vortice polare è noto per essere un elemento importante nella circolazione su larga scala dell’atmosfera. La posizione e lo stato del vortice influenzano lo sviluppo della North Atlantic Oscillation (NAO) e dell’Arctic Oscillation (AO). Baldwin e Dunkerton [5] hanno dimostrato che in regimi di forti vortici, gli indici NAO e AO tendono ad essere positivi e che le tracce dei cicloni extratropicali si spostano verso nord. Gudkovich e colleghi [6] hanno collegato le alternanze delle epoche fredde e calde nell’Artico con i cambiamenti nello stato del vortice, le epoche calde e fredde sono associate rispettivamente a regimi di vortici forti e deboli. Labitzke [7] è stato il primo a rivelare che gli effetti dell’attività solare sulle caratteristiche della stratosfera e della troposfera dipendono dalla fase delle oscillazioni quasi-biennali (QBO) nell’atmosfera, i risultati di Labitzke suggeriscono che la forza del vortice polare può anche influenzare la risposta dell’atmosfera alla variabilità solare.

3. Variabilità spaziale e temporale negli effetti dei raggi cosmici galattici sulla pressione della troposfera

Ve22 ritiene che l’effetto solare sia mediato dai raggi cosmici galattici, ma dobbiamo ricordare che l’attività solare, spesso valutata dalle macchie solari o dal flusso radio di 10,7 cm, è fortemente correlata con l’inverso dei raggi cosmici, come mostrato in Fig. 8.3. C’è un ritardo di circa un anno, ma trovare un ritardo simile in una correlazione degli effetti climatici non può essere interpretato come prova del coinvolgimento dei raggi cosmici, poiché i ritardi possono sorgere indipendentemente.

Fig. 8.3. Attività solare (macchie solari) e raggi cosmici (invertiti). Figura da http://www.climatedata.info.

Ve22 correla l’attività solare con la pressione atmosferica, come è stato fatto in precedenza da molti autori dagli studi Labitzke e Van Loon del 1980. Ve22 sottolinea anche le inversioni della correlazione che hanno avuto luogo nel segnale solare-climatico, ampiamente discusse nelle Parti I, II e IV.

La figura [8.4] presenta la distribuzione spaziale dei coefficienti di correlazione tra pressione e variazioni GCR, con le tendenze lineari rimosse, per due diversi periodi di tempo: 1953-1981 [non mostrato qui] e 1982-2000. La pressione della troposfera è stata caratterizzata dai valori medi annuali delle altezze geopotenziali al livello di 700 hPa … Le posizioni medie a lungo termine (climatiche) dei fronti artico e polare, che sono i principali fronti atmosferici alle latitudini extratropicali, sono anche mostrate … I fronti artici separano le masse d’aria fredda che si formano nella regione artica dall’aria più calda delle medie latitudini, mentre i fronti polari separano le masse d’aria medie e tropicali. Svolgono un ruolo importante nell’attività ciclonica alle medie latitudini, poiché la formazione e l’evoluzione dei cicloni extratropicali sono strettamente associate a questi fronti … La distribuzione delle correlazioni è strettamente correlata ai fronti atmosferici climatici. Nel periodo precedente, 1953-1981 [non mostrato qui], la distribuzione dei coefficienti di correlazione tra pressione e flussi GCR era abbastanza simile a quella del 1982-2000 … Tuttavia, i segnali di correlazioni in tutte queste aree erano del tutto opposti a quelli del 1982-2000.

Fig. 8.4. Distribuzione spaziale dei coefficienti di correlazione tra i valori medi annuali dell’altezza geopotenziale a 700 hPa (troposfera) e il tasso di raggi cosmici per il periodo 1982-2000. Le curve 1 e 2 mostrano le posizioni climatiche dei fronti artici rispettivamente a gennaio e luglio. Allo stesso modo, le curve 3 e 4 sono le stesse per i fronti polari; Le curve 5 e 6 sono le stesse per l’asse della depressione equatoriale. Questa figura corrisponde alla Figura 3a di Ve22 ed è stata modificata con l’aggiunta di contorni terrestri e un riquadro giallo per quella che Ve22 chiama la zona ciclogenetica del Nord Atlantico (zona di formazione ciclonica più intensa) lungo le coste orientali del Nord America (20-30° N, 280-300° E e 30-40° N, 290-310° E).

4. Variabilità temporale degli effetti dell’attività solare sulla pressione della troposfera nell’emisfero settentrionale e nelle epoche della circolazione su larga scala

Per analisi temporali più lunghe, Ve22 utilizza il numero delle macchie solari come proxy per l’attività solare e la sua correlazione con la pressione del livello del mare in due aree, la zona ciclogenetica del Nord Atlantico (riquadro giallo in Fig. 8.4) o la regione polare (60-85° N). Come possiamo vedere in Fig. 8.4 la correlazione con l’attività solare in queste due aree è opposta. La Fig. 8.5 mostra che la loro correlazione opposta con l’attività solare si mantiene nel tempo, ma subisce inversioni in determinati momenti.

Fig. 8.5. (a) Coefficienti di correlazione tra i valori annuali della pressione a livello del mare e il numero di macchie solari R (SLP, SSN) per la regione polare (linea continua) e la zona ciclogenetica dell’Atlantico settentrionale (linea tratteggiata) per intervalli scorrevoli di 15 anni. Le linee tratteggiate mostrano il livello di significatività del 95%. b) Spettri di Fourier dei coefficienti di correlazione mobile come indicato in (a). Figura da Ve22.

I dati presentati consentono di suggerire una stretta interconnessione tra i processi dinamici che sviluppano la zona ciclogenetica del Nord Atlantico e nella regione polare come risposta a fenomeni legati all’attività solare. Le inversioni di correlazione hanno avuto luogo alla fine del 19° secolo, nel 1920, vicino al 1950, e nei primi anni 1980, il che indica una variazione di circa 60 anni negli effetti dell’attività solare sulla circolazione della troposfera.

Ve22 prende le date delle inversioni di correlazione piuttosto che le date in cui le tendenze cambiano, quindi manca i cambiamenti noti del regime climatico identificati nel Pacifico, come quello del 1976 che precede l’inversione di correlazione dei primi anni 1980 di circa sei anni. Ciò impedisce a Ve22 di mettere in relazione i cambiamenti rilevati con un fenomeno più globale che coinvolge il trasporto meridionale attraverso l’oscillazione multidecennale dell’onda stadio che mostra la stessa frequenza di 65 anni (Vinós 2022). Inoltre, a differenza dell’ipotesi del Winter Gatekeeper, Ve22 non ha alcuna spiegazione per le inversioni di correlazione, qualcosa che ha lasciato perplessi i ricercatori del clima solare per un secolo.

Pertanto, i risultati ottenuti ci permettono di suggerire che l’inversione dei legami di correlazione tra variazioni di pressione (sviluppo di sistemi barici extratropicali) e fenomeni di attività solare può essere associata a cambiamenti nelle epoche di circolazione su larga scala.

Ve22 supporta la correlazione tra attività solare e pressione atmosferica con un’analisi simile utilizzando l’indice di circolazione atmosferica (Vangengeim-Girs) che questo autore ha utilizzato anche in Vinós 2022 Fig. 11.10d. Ve22 identifica correttamente la relazione tra attività solare e circolazione meridionale, che è una delle basi dell’ipotesi del guardiano invernale.

Quindi, il carattere dell’attività solare … Gli effetti sui processi ciclonici (variazioni di pressione) alle latitudini extratropicali sembrano essere strettamente correlati alle epoche di circolazione su larga scala e in particolare all’evoluzione delle forme di circolazione meridionale. In effetti, i risultati dell’analisi spettrale (Figura 5, pannello di destra) hanno mostrato che le occorrenze annuali delle forme di circolazione meridionale … sono caratterizzati da armoniche dominanti di ~60 anni… Pertanto, i risultati ottenuti ci permettono di suggerire che l’inversione dei legami di correlazione tra variazioni di pressione (sviluppo di sistemi barici extratropicali) e fenomeni di attività solare può essere associata a cambiamenti nelle epoche di circolazione su larga scala.

5. Evoluzione del vortice polare come possibile causa della variabilità temporale degli effetti dell’attività solare sulla circolazione della bassa atmosfera

Ve22 mette in relazione i cambiamenti osservati nella circolazione atmosferica e la sua mutevole correlazione con l’attività solare con i cambiamenti nello stato del vortice polare. Utilizzando la rianalisi, Ve22 mostra un periodo di forte vortice stratosferico dalla metà degli anni 1970 alla fine degli anni 1990, caratterizzato da venti zonali più forti a 60-80 ° N e temperature polari più basse. Fasi di vortice più deboli si sono verificate nei due decenni prima e dopo quel periodo.

Più controverse sono le scoperte di Ve22 sui cambiamenti superficiali della pressione e della temperatura del livello del mare nella regione artica.

Si può vedere che il periodo con un forte vortice (~ 1980-2000), quando i venti stratosferici sono stati aumentati (Figura 7), è stato davvero accompagnato da una diminuzione della pressione e del riscaldamento nell’Artico. Il periodo precedente con un vortice debole (~ 1950-1980), al contrario, è stato accompagnato da un aumento della pressione e da un’epoca fredda nella regione studiata.

Questo ha poco senso, poiché un forte vortice crea una zona di pressione superficiale più bassa e temperatura più bassa. I dati lo confermano, poiché l’Artico ha sperimentato un intenso riscaldamento invernale dal passaggio del 1997 a una fase di vortice più debole, non il raffreddamento mostrato nella Figura 7 di Ve22. Questo autore sospetta un problema con Ve22 figura 7 o con la metodologia di rimozione della tendenza polinomiale.

6. Distruzione della correlazione nube-raggi cosmici galattici: possibile ruolo dell’indebolimento del vortice

Ve22 esamina poi la correlazione tra le anomalie delle nubi basse e i raggi cosmici che hanno costituito la base della teoria di Svensmark. Come mostra Ve22, la correlazione è scomparsa dopo il 2000 e Ve22 tenta di mettere in relazione la fine della correlazione con un cambiamento nel vortice polare. Secondo l’opinione di questo autore, il tentativo non ha successo. La teoria di Svensmark richiede un effetto diretto dei raggi cosmici sui nuclei di condensazione delle nubi. Non è possibile giustificare che più raggi cosmici passino dall’indurre più nuvole a indurre meno nuvole. Tuttavia, Ve22 tenta di farlo sostituendo un effetto non specificato sulla ciclogenesi con l’effetto fisico dei raggi cosmici sui nuclei di condensazione.

Si può vedere che i coefficienti di correlazione per la pressione-GCR [raggi cosmici galattici] e nuvole-GCR variano in fasi opposte. La più alta correlazione positiva R (LCA, F_Cr) ha avuto luogo nel periodo in cui gli effetti dei GCR sullo sviluppo dei cicloni erano i più pronunciati. Alla fine del 1990, questa correlazione ha iniziato a diminuire e ha cambiato il segno contemporaneamente all’inversione della correlazione pressione-GCR. Pertanto, i dati presentati forniscono la prova che un’alta correlazione positiva tra quantità di nubi e raggi cosmici galattici rivelati sulla scala temporale decennale [16,39] era dovuta principalmente agli effetti del GCR sullo sviluppo di processi dinamici nell’atmosfera sotto un forte vortice polare.

Questa sembra un’alterazione contorta della teoria di Svensmark per sostenere l’ipotesi che gli effetti solari sulla circolazione atmosferica siano dovuti ai raggi cosmici. La spiegazione che gli effetti sono dovuti a cambiamenti dinamici avviati da cambiamenti nei raggi UV mediati dall’ozono stratosferico (il meccanismo “top-down”; Maycock & Misios 2016), supportato da prove considerevoli e incorporato nell’ipotesi del guardiano invernale costituisce un’alternativa più semplice, più specificata e meglio supportata.

Successivamente, Ve22 entra in una discussione altamente speculativa e piuttosto lunga sui possibili effetti sul vortice polare degli eventi di protoni solari, fenomeni aurorali legati all’attività geomagnetica, tempeste magnetiche e vento solare. Sostiene anche una periodicità di 60 anni nell’irradianza solare totale che non si osserva nelle macchie solari. Solleva anche la possibilità che i cambiamenti nella chimica dell’atmosfera media siano coinvolti nelle variazioni della forza del vortice polare. Questo autore trova sorprendente che il principale fattore noto per influenzare la stabilità del vortice polare, il meccanismo di feedback delle onde planetarie (Gray et al. 2010), non sia considerato in questo articolo.

7. Conclusioni

Ve22 termina con 3 conclusioni:

1. La variabilità temporale dei fenomeni di attività solare sulla circolazione della bassa atmosfera rivela una periodicità di circa 60 anni che sembra essere associata a cambiamenti nelle epoche della circolazione su larga scala.
2. A loro volta, i cambiamenti nelle epoche di circolazione sembrano essere correlati alle transizioni tra i diversi stati del vortice polare stratosferico.
3. Lo stato del vortice polare può essere influenzato da diversi fenomeni di attività solare che contribuiscono a un’oscillazione di circa 60 anni della sua intensità.

I primi due sono chiari e supportati da prove. Come sostenuto dall’ipotesi del guardiano invernale, il trasporto meridionale presenta epoche separate da cambiamenti climatici e caratterizzate da stati distinti della circolazione atmosferica invernale e dalla forza del vortice polare. La periodicità di questa oscillazione di trasporto multi-decennale, che coinvolge anche gli oceani, è di circa 65 anni. L’attività solare è uno dei principali modulatori dei cambiamenti del trasporto meridionale attraverso la sua azione su tre centri di controllo: lo strato di ozono tropicale, il vortice polare (identificato anche da Ve22) ed ENSO (Vinós 2022).

Per la prima volta in cento anni, è stato proposto un meccanismo per spiegare l’effetto solare sul clima che è coerente con tutte le prove e include la capacità di alterare il bilancio energetico del pianeta attraverso cambiamenti coincidenti nell’energia in uscita. Spiega come un piccolissimo cambiamento nell’energia UV nella stratosfera sia in grado di alterare il trasporto meridionale di energia rendendo più facile o più difficile per il pianeta risparmiare energia. Ve22 fornisce prove dell’attività solare → vortice polare → connessione alla circolazione atmosferica e identifica il centro di controllo del vortice polare come uno dei collegamenti tra attività solare e circolazione atmosferica.

8. Referenze

Gray LJ, Beer J, Geller M, et al (2010) Influenze solari sul clima. Recensioni di Geofisica 48 (4)

Maycock A & Misios S (2016) Top-down” contro “Bottom-up” meccanismi per l’accoppiamento solare-climatico. In: Matthes K, De Wit TD & Lilensten J (eds.) Earth’s climate response to a changing Sun. EDP Sciences, Francia, 237-246. Download gratuito del libro

Veretenenko S (2022) Vortice polare stratosferico come importante collegamento tra la circolazione della bassa atmosfera e l’attività solare. Atmosfera 13 (7), 1132

Vinós J (2022) Clima del passato, presente e futuro. Un dibattito scientifico, 2^Nded. Critical Science Press.Free book download

Link : Judith Curry