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In questo articolo andremo ad analizzare uno degli aspetti più interessanti in ambito meteorologico, ossia il vortice polare (o Polar vortex in inglese), ed in particolare, le sue dinamiche temporali, che risultano essere fondamentali per comprendere al meglio l andamento climatico del globo. Andremo ad analizzare, in maniera qualitativa, alcuni parametri fisici fondamentali. Partiremo prima da un approccio “generale”, ovvero dalla stratosfera, al particolare (le ripercussioni troposferiche).

La stratosfera

Partiamo dal dare la definizione della "stratosfera": è l’involucro di aria compreso tra i 10 e 45 km dal livello del suolo qui l’aria risulta essere più rarefatta con una pressione atmosferica che risulta, ovviamente , ridotta rispetto allo strato inferiore (o meglio la troposfera) in quanto la colonna d’aria è minore. Questa è una caratteristica importante per questo strato, poiché attraverso questo relazione fisica si può meglio capire la dipendenza tra pressione atmosferica e temperatura, mediante la seguente relazione:

Tale formulazione rappresenta l’equazione di stato dei gas reali , che permette di legare la natura le gas, nel nostro caso l’aria, alle temperatura e alla pressione.

Prima di addentraci nell’analisi di alcuni modelli, dobbiamo capire il come si conduce il calore tra i vari strati d’aria. Esistono tre tipi di conduzione di calore:

• La conduzione caratterizza principalmente i solidi ed i fluidi. Nel primo caso il passaggio di calore è dovuto in parte alle interazioni tra molecole adiacenti, oscillanti nell’intorno della loro posizione di equilibrio nel reticolo cristallino , mentre nei fluidi la conduzione avviene a seguito di spostamenti anche notevoli delle singole molecole che così facendo entrando in collisione tra di loro e si scambiano calore.
• La convenzione caratterizza invece principalmente i fluidi ed i gas. In tal caso la trasmissione del calore è dovuta al movimento di alcune parti della massa del fluido rispetto ad altre, con trasporto di materia. La convenzione può essere naturale se il movimento del fluido avviene per differenza di densità dovuta a differenza di temperatura.
• L’irraggiamento, infine, riguarda la trasmissione del calore sotto forma di radiazione elettromagnetica indipendentemente dalla presenza di molecole, I fenomeni radiativi infatti possono verificarsi anche nel vuoto, poiché si tratta di un trasferimento di energia dello stesso tipo dell’energia luminosa.
  





Dal punto di vista dello scambio termico ogni materiale è caratterizzato da un coefficiente di conduttività, rappresentato dalla lettera greca lambda λ. Il coefficiente λ esprime la capacità del materiale di condurre il calore. I materiali isolanti sono cattivi conduttori e possiedono un coefficiente λ molto basso, al contrario invece dei materiali cosiddetti buoni conduttori (ad esempio i metalli).
Aria : 0,026 W/mK





Definiamo la resistenza termica R di un corpo il rapporto tra lo spessore del materiale in esame e la sua conduttività termica. Che sarà diversa in ogni punto dello spazio in quanto la densità puntuale dell’aria non è costante.






Figura 1






Gli indici teleconnettivi




Adesso concentriamoci sul analisi di alcuni modelli chiamati indici teleconnettivi. Essi consentono di descrivere in maniera sintetica la situazione dell'atmosfera al livello della troposfera e di individuare delle situazioni ricorrenti (detti "pattern atmosferici".)





L'indice NAO e la forza di Coriolis




Il North Atlantic Oscillation (NAO) è un degli indici più importanti della variabilità del clima dell'emisfero, e ha una notevole ripercussione sull'Europa. Questo modello studia gli effetti del circolazione oceanica in particolare nella regione del “vortice canadese”, come possiamo vedere nella figura seguente.








Figura 1





Dalla figura è possibile intuire che abbiamo la presenza di venti predominanti in direzione ovest verso est che quindi spingono aria umida dall’oceano verso il continente europeo. Ciò è dovuto a una forza detta di forza di coriolis.

La forza di coriolis è una dinamica atmosferica che influisce sulla formazione dei venti che soffiano dai poli verso l'equatore. Le masse d'aria calda all'equatore hanno una minore densità e salgono verso l'alto creando una zona di bassa pressione che attira, come uno spazio vuoto, le masse di aria fredda dalle zone circostanti. Questo fenomeno crea lo spostamento delle masse d'aria fredda situate sui poli in direzione dell'equatore.






Figura 2 - Nell'immagine di sinistra possiamo osservare come in assenza di rotazione il corpo(nel nostro caso la nostra massa d’aria ) in moto rettilineo uniforme arriva nel punto B. Mentre nella figura di destra si osserva che dando una rotazione il corpo risente di una forza fittizia, non bilanciata, che devia la traiettoria facendo giungere il corpo nella posizione C.





Questo effetto ovviamente è di notevole rilevanza per il clima medio globale ma con maggiore rilevanza per l’Europa .Come si può osservare inoltre dalla figura A. Il vortice canadese poggia sul anticiclone delle Azzorre che fanno infittire le isobare, che aumentano la portanza e quindi la velocità dei vento che poi seguono la traiettoria spiraleggiante, che con un moto antiorario le fa “chiudere” nella bassa pressione. Tale figura determina inverni ed estate più estremi ma anche più secchi, quando la sua influenza e bassa; mentre genera inverni ed estati più mitigati e umidi quando la sua influenza e maggiore dove la distribuzione delle precipitazioni, e della loro intensità, modificando il campo termico sull'Europa.


Quest'ultimo effetto sembra essere particolarmente importante ai fini climatici sul lungo periodo: flussi di aria calda o fredda legati alle oscillazioni NAO influenzano il clima di una buona parte dell'emisfero settentrionale: in condizione di NOA+ quindi con valori maggiori rispetto alla media, le correnti occidentali vengono deviate verso nord-est portando aria calda da zone di latitudine di circa 30°-40° fino ad aree sub-polari (~60°) con un aumento di temperatura che può arrivare fino anche a 1,5 °C O anche maggiore, ma ciò dipende da un elevato numero di fattori in particolare modo per la posizione degli assi principali e il loro perdurare in tutta l'Europa settentrionale e gran parte dell'Asia.


Adesso concentriamoci nell analisi di dei grafici NOA nella quale illustrerò come fare un analisi qualitativa.






Figura 3







Questo grafico rappresentante l’andamento dell’ indice NOA dove sull’asse delle ascisse abbiamo l’intervallo temporale mentre degli ultimi 120giorni fino a marzo dopo di che dal 8 marzo in poi abbiamo la previsione dei possibili andamenti sono standardizzati per la deviazione standard dell'indice NAO mensile osservato 1950-2000 interpolato al giorno in questione O più semplicemente mediati sugli ultimi ottant’anni. Sulle ordinate, invece , troviamo un intervallo di valori compresi tra [-4;4] in cui lo zero ,in questo caso rappresenta il valore medio delle oscillazioni ,mentre valori negativi e positivi rappresentano le corrispondenti oscillazioni positive e negative .





Nel primo grafico possiamo notare la “linea nera” che rappresentano le osservazioni sperimentali mentre le “linee rosse” indicano gli scenari possibili determinati digli 11 membri delle ensemble che hanno stesso andamento nell’intervallo temporale immediatamente successivo per poi divergere l’uno dall’altro in quando si cambiano le condizioni iniziali.





Mentre nel secondo grafico si ha una sovrapposizione del primo grafico sul secondo dove con le “linee blu“ rappresentiamo il valor medio delle 11 membri della ensemble invece con le linee rosse” che delimitano l’ombreggiatura gialla sono più o meno la standard devitation (che rappresenta l’errore sentimentale associato alla misura) valutata rispetto alle ensemble . Osserviamo inoltre in alto a destra il “cor(w/obs)” che è il coefficient of correlation (coefficiente di correlazione) che ci permette di capire con che livello di affidabilità il nostro modello previsionale rispetta i dati osservati in questo caso è del 83% circa quindi un discreto valore. Invece, in alto a sinistra abbiamo il valore medio nel periodo preso in considerazione più il periodo previsionale.





Mettere i restanti due scenari rappresentano una previsione per i 10 e 14 giorno successivo rispetto a oggi dove le bande di errore crescono inevitabilmente e quindi abbiamo un coefficiente di correlazione più basso.





Artic Oscillation (AO)




Adesso concentriamoci sull’analisi di questo ulteriore indice di teleconnessione, ossia “oscillazione artica”. Esso determina una grande variabilità del clima, in particolare nell emisfero settentrionale, caratterizzato da venti che circolano in senso antiorario intorno all'Artico a circa 55 ° N di latitudine. Tale indice ha due fasi una positiva e una negativa, andiamo a vedere meglio in cosa consistono:




• Fase positiva: un anello di
  forti venti che circolano attorno al Polo Nord agisce per limitare l'aria più fredda in tutte le regioni polari comportandosi come una trottola che ruota su se stessa secondo un andamento destrorso (classico del emisfero boreale) .
  
• Fase negativa: in questa fase, questo flusso di vento diventa più debole e più distorta che riduce la sua velocità angolare dando origine a una maggiore oscillazione delle masse d'aria artiche e conseguentemente anche oscillazioni verso l’alto di masse di aria della latitudini equatoriali.
  



Queste due fasi, da come possiamo vedere dall’immagine successiva, sono caratterizzate da domini altopressonari nelle basse latitudini e domini di intense basse pressioni nelle latitudini attive il viceversa per quanto accade nella fase negativa con scambi di calore talvolta anche consistenti.





Figura 4





Inoltre è importante capire che il tubo di flusso per tali correnti prende il nome di jet stream o di correnti a getto. Una corrente a getto è una zona di forti venti che vanno 120-250 mph che possono essere migliaia di miglia di lunghezza, un paio di centinaio di miglia di larghezza, e un paio di miglia di profondità.






Figura 5





Ora passiamo a dare un analisi ai grafici di tale indice per capire il relativo andamento.






Figura 6





Come si può vedere tale grafico risulta essere in analogia al precede (NAO) , anche esso presenta sulle ascisse il periodo temporale di 120 giorni e sulle ordinate abbiamo valori che vanno da [-6;6] ,dove lo zero rappresenta una posizione di equilibrio per il vortice polare e conseguentemente valori negativi e positivi invece rappresentano le due fasi. Nel primo pannello troviamo l’andamento medio del negli ultimi 120 giorni (con la linea nera ) fino all’ 8 marzo dal quale si hanno le prospettive elaborate dagli 11 membri del ensemble del modello che per i giorni immediatamente successivi sono concordi ,per poi divergere successivamente in quanto il calcolo viene fatto con una parametrizzazione differente.
Invece per il secondo pannello abbiamo la madia tra le differenti emissioni dei membri rappresentato dalla “linea blu” con il relativo errore associato (standard deviation ), all’ interno della banda della regione racchiusa della “linea rossa“, in analogia al modello NOA. In questo caso il modello presenta un valore medio che nei successivi 7 giorni risulta essere leggermente positivo con una mean=0.48 e con un coefficiente di correlazione apprezzabile di circa 84%. I restanti due pannelli rappresentano gli andamenti di tale modello nei successivi 10 e 14 giorni, nel quale vi è una predicibilità inferiore.
Infine osserviamo un ultimo grafico proposto dal modello (Artic Oscillation).






Figura 6



In questi grafico è possibile vedere sezione ortogonale del vortice polare, che ci permette di capire al meglio come si propaga il calore, sempre entro gli errori sperimentali, dalla stratosfera alla troposfera.
Quindi per concludere, la figura del vortice polare ha un importante risconto con ciò che avviene nella troposfera che ci permette di capire gli andamenti meteorologici nell’emisfero boreale.





di Davide Binetti