Gli eventi climatici del 2022-24 sono stati davvero straordinari. Da un’improbabile eruzione vulcanica sottomarina all’anno più caldo mai registrato, fino al collasso del vortice polare dopo tre improvvisi eventi di riscaldamento stratosferico. Questa rara convergenza rappresenta un’opportunità di apprendimento unica sia per i climatologi che per gli appassionati del clima, offrendo approfondimenti su un evento climatico che potrebbe non ripetersi per centinaia o addirittura migliaia di anni.

Gennaio 2022, l'improbabile vulcano.

Mai prima d’ora avevamo assistito ad un’eruzione vulcanica sottomarina con un pennacchio capace di raggiungere la stratosfera e depositare una grande quantità di acqua vaporizzata. Questo evento straordinario si è verificato nel gennaio 2022 quando il vulcano Hunga Tonga è eruttato. Le condizioni per un evento del genere sono rare: il vulcano deve essere abbastanza profondo da spingere abbastanza acqua con il pennacchio, ma non troppo profondo da impedire che raggiunga la stratosfera. La maggior parte dei vulcani sottomarini non produce affatto pennacchi, il che rende l'eruzione dell'Hunga Tonga ancora più notevole.

Il giorno prima dell'eruzione, il vulcano Hunga Tonga occupava uno “sweet spot” unico a una profondità di 150 metri. Inoltre, l’eruzione stessa deve essere eccezionalmente potente perché il vapore acqueo possa salire nella stratosfera. L'eruzione del gennaio 2022 dell'Hunga Tonga è stata la più potente degli ultimi 30 anni, dall'eruzione del Monte Pinatubo del 1991.

Figura 1. L'eruzione dell'Hunga Tonga dallo spazio.

I vulcani sottomarini attivi alla profondità appropriata sono rari e la probabilità che uno erutti con tale intensità è relativamente bassa. Potremmo osservare un evento che si verifica una volta ogni pochi secoli, o forse anche una volta ogni millennio. Indubbiamente si è trattato di un evento eccezionalmente raro.

Mentre le eruzioni più potenti, come quella del Tambora nel 1815, possono effettivamente influenzare fortemente il clima dell’emisfero per alcuni anni, le nostre osservazioni di eruzioni come Agung (1963), El Chichón (1982) e Pinatubo (1991) suggeriscono che i loro effetti si dissipano. entro 3-4 anni.

L’idea che la Piccola Era Glaciale (LIA) sia stata causata da una maggiore attività vulcanica è popolare. Tuttavia, i dati suggeriscono il contrario. L'attività vulcanica durante il LIA non era insolitamente elevata, ma piuttosto inferiore alla media dell'Olocene (sebbene l'attività vulcanica fosse eccezionalmente elevata all'inizio del XIX secolo , verso la fine del LIA). Il principale fattore di forzatura climatica insolita durante la LIA è stata l’attività solare eccezionalmente bassa.

Le eruzioni vulcaniche che penetrano nella stratosfera innescano significativi cambiamenti radiativi, chimici e dinamici, dove lo zolfo gioca un ruolo chiave. L'anidride solforosa vulcanica (SO2) si ossida, si combina e si aggrega formando aerosol di solfato. Questi aerosol disperdono la radiazione a onde corte in arrivo, con conseguente riduzione dell’insolazione superficiale e conseguente raffreddamento della superficie. Inoltre assorbono sia la radiazione infrarossa in entrata che quella in uscita, contribuendo al riscaldamento stratosferico.

L’effetto dell’eruzione dell’Hunga Tonga, tuttavia, è esattamente l’opposto. Anche se c’era una certa quantità di anidride solforosa associata all’Hunga Tonga, l’impatto principale era dovuto al vapore acqueo. Il vapore acqueo è un potente gas serra, quindi l’improvviso aumento del 10% del vapore acqueo stratosferico in un solo giorno ha aumentato l’opacità stratosferica alla radiazione infrarossa in uscita. A differenza della bassa troposfera, dove l'effetto serra è relativamente saturo, la stratosfera, ben al di sopra dell'altitudine media di emissione della Terra (circa 6 km), subisce un effetto molto più pronunciato dall'aggiunta di vapore acqueo. Inoltre, l’aumento del contenuto di vapore acqueo stratosferico aumenta le emissioni infrarosse della stratosfera, raffreddandola in modo significativo.

Figura 2. Vapore acqueo stratosferico in ppm per latitudine nel tempo a 31,6 hPa di altitudine. L'evoluzione del vapore acqueo dell'Hunga Tonga si vede chiaramente dalla sua iniezione tropicale verso i poli.

L’improbabile eruzione vulcanica inversa dell’Hunga Tonga sta attualmente raffreddando la stratosfera riscaldando la superficie. Tuttavia, questo effetto diminuirà gradualmente nel tempo man mano che il vapore acqueo in eccesso uscirà dalla stratosfera nei prossimi 2-4 anni. La Figura 2 illustra il movimento dell’acqua vulcanica dalle regioni tropicali, dove entra l’aria disidratata della troposfera, alle medie e alte latitudini, dove lascerà gradualmente la stratosfera nei prossimi anni.

La domanda sorge spontanea: perché ci è voluto più di un anno per rilevare gli effetti dei cambiamenti stratosferici sulla temperatura superficiale dopo l’esplosione? In genere, si prevede che gli effetti radiativi siano istantanei una volta che il vapore acqueo o gli aerosol di solfati vengono immessi nella stratosfera. Tuttavia, la nostra comprensione di come i vulcani influenzano il clima rimane incompleta e i modelli climatici faticano a riprodurre accuratamente questi fenomeni.

Il trasporto all'interno della stratosfera è rapido in direzione longitudinale, ma molto lento rispetto alla latitudine e all'altitudine, con notevoli variazioni stagionali. A seconda di fattori come la latitudine dell'eruzione e il periodo dell'anno, gli effetti di un'eruzione vulcanica sul tempo possono variare ampiamente. L'eruzione del Tambora costituisce un precedente: avvenne nell'aprile 1815, ma i suoi effetti sul clima, che portarono all'"anno senza estate", furono rilevati solo nel giugno 1816, un arco di 15 mesi dopo l'eruzione. Questo esempio storico sottolinea la possibilità che ad essa possano effettivamente essere attribuiti eventi accaduti più di un anno dopo un’eruzione.

2023, l’anno più caldo mai registrato
A partire da giugno 2023, gli ultimi sette mesi dell’anno hanno segnato il periodo più caldo mai registrato, superando significativamente i record precedenti. Un evento del genere è davvero notevole, data la notevole variabilità della temperatura osservata di mese in mese. Ma quanto è improbabile?

Utilizzando il set di dati HadCRUT5, scopriamo che ci sono stati 17 anni più caldi da record dal 1870. Qualsiasi anno in HadCRUT5 che batte tutti gli anni precedenti diventa un anno record e l’aumento record viene misurato come differenza di temperatura rispetto all’anno record precedente ( voto più alto fino ad allora). Ad esempio, il 2009 è stato l’anno più caldo, ma è stato solo 0,005°C più caldo del 2007, l’anno record precedente. Il 2023 è stato l’anno più caldo ed è stato di 0,17°C più caldo del 2016. Si tratta della differenza più grande tra un anno record e l’anno record precedente dell’intera serie.

La Figura 3 mostra che nel 2023 l’aumento della temperatura rispetto al record precedente è stato il maggiore in 153 anni, pari a +0,17°C. Questo livello di aumento rispetto ai record precedenti è notevole, anche per un anno che è stato registrato come il più caldo mai registrato.

Figura 3 . Gli anni più caldi nel set di dati HadCRUT5 dal 1870 con l'aumento della temperatura rispetto al record precedente. Il 2023 costituisce il salto più grande.

Negli anni più caldi, diversi mesi spesso si distinguono come i più caldi (Figura 4, barre blu). Nel 2023, ci sono stati sette mesi di questo tipo, dietro solo al 2016 e pari al 2015. In particolare, questi sette mesi più caldi sono stati consecutivi, da giugno a dicembre. Le barre rosse nella Figura 4 illustrano il numero di mesi record consecutivi per ciascun anno record. È chiaro dalla figura che gli anni nel set di dati con cinque o più mesi più caldi consecutivi coincidono con anni di El Niño molto forti: 1877-78, 1997-98 e 2015-2016.

Figura 4 . Il numero di mesi record negli anni record è mostrato in blu. In rosso è il numero dei mesi record che sono stati consecutivi.

Nel 2023, le statistiche sulla temperatura riflettono condizioni simili agli anni di El Niño più forti in oltre un secolo. Ma era davvero così? Determinare se El Niño sia stato il catalizzatore del riscaldamento record del 2023 è impegnativo. Basarsi esclusivamente sulla temperatura superficiale dell’Oceano Pacifico come criterio per El Niño porterebbe a un ragionamento circolare. El Niño è un fenomeno complesso che coinvolge sia l’atmosfera che l’oceano. L’indice ENSO multivariato ( MEI v2 ) utilizza cinque variabili – pressione a livello del mare, temperatura superficiale del mare, venti zonali superficiali, venti meridionali superficiali e radiazione a onde lunghe in uscita – per creare una serie temporale di condizioni ENSO dal 1979 ad oggi.

Questo indice, calcolato sulla media dell’intero anno, mostra che di tutti gli anni record a partire dal 1980, solo il 1997-98 e il 2015-16 sono stati il ​​risultato di un El Niño molto forte. Il 2023 è stato in realtà un anno debole per El Niño, nonostante le temperature superficiali del mare molto elevate.

Figura 5 . Valori medi annuali dell'indice ENSO multivariato per gli anni record più caldi.

Possiamo concludere che il 2023 si è distinto come un anno caldo da record eccezionalmente insolito. Anche se ha rivaleggiato con anni molto forti di El Niño in termini di superamento dei precedenti record di temperatura, in realtà non rientrava in quella categoria. Sorprendentemente, nonostante l’assenza di un forte El Niño, è riuscito a stabilire il record della temperatura più alta con il margine più ampio nell’insieme di dati che copre un secolo e mezzo.

In un articolo intitolato “ Stato del clima – estate 2023 ”, Judith Curry ha mostrato quanto insolito sia stato il 2023 in termini di bilancio radiativo globale nella parte superiore dell’atmosfera, componenti del bilancio energetico superficiale e modalità interne della variabilità climatica. guidati dai modelli di circolazione atmosferica e oceanica.

L’entità delle anomalie visualizzate nel 2023 in un’ampia gamma di variabili non è mai stata registrata prima. Si tratta di un evento climatico senza precedenti nei nostri archivi.

Gennaio-marzo 2024, il collasso del vortice polare
Il vortice polare è uno schema di vento circolare che si sviluppa su pianeti rotanti dotati di atmosfera. Risulta dalla conservazione della vorticità potenziale, una proprietà che dipende dalla forza di Coriolis e dal gradiente di temperatura potenziale. La temperatura potenziale si riferisce alla porzione della temperatura di una particella d'aria che non è influenzata dalla sua energia potenziale, ed è spesso definita come la temperatura che la particella avrebbe se fosse portata in superficie (1.000 hPa).

Nell'emisfero settentrionale, verso la fine dell'estate, l'Artico sperimenta un forte calo della temperatura man mano che le giornate si accorciano. Per mantenere la potenziale vorticità, il vento attorno alle regioni polari si intensifica in direzione ovest-est (noto come venti occidentali). La formazione del vortice polare nella stratosfera avviene quando i venti dominanti orientali si spostano verso i venti occidentali. Questo spostamento è evidente nella velocità del vento zonale, che cambia da negativa a positiva intorno a settembre (vedi Figura 6). Infine, il vortice si dissipa intorno ad aprile.

I venti nel vortice polare stratosferico possono raggiungere i 180 km/h (110 mph) e formare una formidabile barriera al trasporto di calore dai tropici. Di conseguenza, l’atmosfera e la superficie all’interno del vortice diventano molto fredde e secche, riducendo la perdita di energia sul pianeta, poiché le superfici fredde si irradiano meno.

Nell'atmosfera, come in ogni fluido, si verificano onde, le più grandi delle quali sono onde planetarie. Queste onde planetarie hanno origine nella troposfera a causa delle grandi catene montuose e delle differenze di temperatura tra oceani e terra. Sono più diffusi e pronunciati durante l'inverno nell'emisfero settentrionale. In condizioni favorevoli, queste onde viaggiano rapidamente, simili agli tsunami, scontrandosi con i confini del vortice polare e impartendo uno slancio verso est. Di conseguenza, i venti che formano il vortice polare riducono la loro velocità, indebolendolo e permettendo all’aria più calda di entrare, spingendo verso l’esterno l’aria fredda. Questo scambio provoca condizioni invernali più fredde alle medie latitudini.

Quando i venti rallentano abbastanza da invertire la direzione, il vortice polare si divide in due o tre vortici più piccoli e spostati. L'aria stratosferica che entra nell'area precedentemente occupata dal vortice scende, riscaldandosi notevolmente nel processo. Questo fenomeno, noto come evento di riscaldamento stratosferico improvviso (SSW), può aumentare la temperatura nella stratosfera polare fino a 40°C nel giro di pochi giorni. Gli SSW sono relativamente comuni nell’emisfero settentrionale e si verificano in genere circa una volta ogni due anni. Spesso portano a condizioni invernali più rigide in alcune regioni, in particolare nel Nord America orientale e nell’Eurasia orientale, nelle settimane successive.

Gli anni di El Niño tipicamente promuovono eventi SSW e rotture di vortici polari. Ciò potrebbe essere dovuto all’aumento dei contrasti della temperatura oceanica durante El Niño, che genera onde planetarie di ampiezza maggiore. Occasionalmente, circa una volta ogni 10-20 anni, si verificano due eventi di SSW nello stesso inverno. Tuttavia, il lungo periodo invernale (da novembre a marzo) segna la prima volta da quando sono iniziate le registrazioni negli anni '50 che sono stati osservati tre eventi SSW. La rottura del vortice polare si è verificata in gennaio, febbraio e marzo, come mostrato nella Figura 6 dal monitoraggio SSW della NOAA . Ogni volta, la linea rossa che rappresenta la velocità del vento da ovest scendeva fino alla linea zero. In questo periodo dell’anno, è possibile che il vortice polare stratosferico non si riformi.

Figura 6 . I venti zonali stratosferici occidentali (positivi) a 60° N (linea rossa) hanno raggiunto la linea di velocità zero tre volte quest’anno, indicando un improvviso evento di riscaldamento stratosferico e ogni volta il vortice polare si rompe.

Secondo Adam Scaife del Met Office del Regno Unito, questo evento non solo è senza precedenti: potrebbe verificarsi una volta ogni 250 anni . Questa scoperta deriva da un recente studio statistico sugli eventi SSW condotto utilizzando un sistema di previsione stagionale all’interno di un modello climatico. Tuttavia, è importante notare un avvertimento: i modelli climatici faticano ancora a rappresentare accuratamente la stratosfera e non riescono a riprodurre il fenomeno osservato secondo cui gli anni della Niña aumentano anche la probabilità di eventi SSW.

L’impatto di tre eventi SSW quest’inverno non è particolarmente drammatico. Sebbene i normali modelli meteorologici possano cambiare, portando a temperature e precipitazioni insolite in alcune aree, gli effetti sono temporanei. Tuttavia, questi eventi influenzano le temperature artiche e quindi la quantità di energia che lascia il pianeta. L’indebolimento del vortice polare, come mostrato nella Figura 6, si traduce in un aumento del trasporto di calore verso l’Artico quest’inverno, portando a temperature più elevate nella regione.

La Figura 7 illustra questa tendenza, con una linea arancione che rappresenta le temperature artiche nel 2023 secondo l’Istituto meteorologico danese, e una linea verde che rappresenta le temperature quest’anno. Poiché l’effetto serra è relativamente debole durante l’inverno artico a causa della quantità limitata di vapore acqueo nell’atmosfera, il risultato è che più energia fuoriesce dal pianeta a causa del vortice indebolito. Ciò serve a mitigare e ridurre l’insolito riscaldamento osservato nella seconda metà del 2023, che ha contribuito a renderlo l’anno più caldo mai registrato.

Figura 7 . Temperatura della superficie artica per gli anni 2023 (arancione) e 2024 (verde), rispetto alla media 1958-2002 (blu).

Nonostante il calore aggiuntivo trasportato verso l’Artico, portando ad un aumento delle temperature, non si è verificata una corrispondente diminuzione dell’estensione del ghiaccio marino artico. In effetti, l’estensione del ghiaccio marino di quest’inverno supera la media del periodo 2010-2020. Sembra che, contrariamente ai timori diffusi sulla sua scomparsa, il ghiaccio artico rimanga resistente e stabile.

Figura 8. Estensione del ghiaccio marino artico nel 2024 rispetto alle medie decennali 2001-10 e 2011-20 del National Snow and Ice Data Center.

Cosa possiamo aspettarci nel prossimo futuro?
L’improbabile eruzione vulcanica è la probabile causa dello straordinario riscaldamento, che a sua volta ha portato al verificarsi dei tre eventi SSW senza precedenti. La nostra comprensione degli effetti di questi eventi supporta questa interpretazione.

I dati storici sugli anni più caldi suggeriscono un’alta probabilità che il 2024 superi nuovamente il record di temperatura, simile a quanto accaduto nel 1877-78, 1980-81, 1997-98 e 2015-16. Tuttavia, se abbiamo identificato correttamente una delle principali cause del riscaldamento come l’eruzione dell’Hunga Tonga, possiamo aspettarci che quando il vapore acqueo in eccesso esce dalla stratosfera, indurrà un effetto di raffreddamento in superficie, abbassando potenzialmente le temperature per i prossimi 3-3 anni. 4 anni. Studi come Solomon et al. (2010) hanno già dimostrato l’impatto negativo dell’essiccazione stratosferica sul riscaldamento globale. Dovremmo vedere l’inversione di tutto il riscaldamento causato dal vulcano Hunga Tonga.

Inoltre, altri fattori che influenzano le temperature, come il declino dell’attività solare dopo il massimo del Ciclo Solare 25 e un futuro spostamento dell’Oscillazione Multidecennale Atlantica verso la sua fase fredda, potrebbero contribuire a una grande pausa nel riscaldamento globale. Utilizzando la temperatura del 2023-24 come punto di riferimento, potremmo addirittura vedere un certo raffreddamento nei prossimi anni. Questi sono davvero tempi interessanti in termini di dinamiche climatiche.

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