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Capire il clima che cambia: le teleconnessioni NAO e El Niño

In questa scheda sono spiegati due fenomeni di importanza basilare per il cambiamento climatico globale, l’oscillazione nord atlantica (NAO) e El Niño (ENSO), che influiscono pesantemente sull’andamento delle temperature annuali in molte parti del pianeta, fra cui l’Italia.

 

Con il termine teleconnessioni atmosferiche, nelle scienze dell’atmosfera, ci si riferisce a “pattern” atmosferici, ovvero degli schemi di circolazione atmosferici (altrimenti detti modi di variabilità) a bassa, media e alta frequenza. Esse sono dunque espressione di parte della variabilità meteorologica e in alcuni casi anche di variabilità climatica cui assistiamo.

La teleconnessione più emblematica è quella nota come ENSO, o più popolarmente El Niño: essa riguarda la temperatura superficiale del mare nell’oceano Pacifico equatoriale, ma ha ripercussioni climatiche un po’ su tutto il globo. Inoltre, essa è anche stata la prima ad essere rilevata, storicamente, fin dal 19° secolo. Nell’ultimo trentennio, la diffusione dei modelli meteoclimatici e la necessità di dover predisporre degli archivi su tutto il globo delle variabili meteorologiche ed anche di quelle relative alla superficie terrestre hanno favorito la scoperta o consentito di postularne le basi teoriche per tutta una serie di altre teleconnessioni. Tra esse, una di quelle che hanno un peso non indifferente nell’andamento meteorologico alle latitudini europee è la North Atlantic Oscillation (NAO). Nel seguito, vogliamo entrare un po’ più nel dettaglio sia sulla NAO sia su ENSO.

 

NAO

 

Uno dei modelli teleconnettivi più importanti in tutte le stagioni è la North Atlantic Oscillation (NAO), scoperta da Barnston e Livezey nel 1987. LA NAO unisce dei pattern invernali relativi alle circolazioni dell’Atlantico orientale e occidentale originariamente già identificati da Wallace e Gutzler nel 1981. La NAO è costituita da un dipolo nord-sud di anomalie bariche, con un centro che si trova sopra la Groenlandia e l’altro centro, di segno opposto, che attraversa le latitudini centrali del Nord Atlantico tra 35°N e 40°N.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1 – Rappresentazione della North Atlantic Oscillation (NAO): nella fase positiva della NAO, la pressione sull’Islanda è inferiore al normale e/o la pressione sulle isole Azzorre è superiore al normale, per cui il gradiente barico tra Atlantico centrale e settentrionale è elevato e quindi il flusso delle perturbazioni tende ad essere diretto maggiormente verso il Nord Europa. Nella fase negativa della NAO, le due strutture sono meno sviluppate (cioè la pressione sull’Islanda è “meno bassa” e/o l’anticiclone delle Azzorre “meno alto” della norma), per cui il gradiente barico sull’oceano Atlantico è più debole e quindi le perturbazioni tendono a dirigersi maggiormente verso l’Europa Meridionale e il Mediterraneo. Naturalmente, le figure soprastanti si riferiscono ai valori medi stagionali, e rappresentano, quindi, la direzione del moto medio.

 

La fase positiva della NAO riflette pressioni sotto la norma alle alte latitudini del Nord Atlantico, e sopra la norma sul Nord Atlantico centrale, la costa orientale degli Stati Uniti e dell’Europa occidentale. La fase negativa riflette un andamento opposto delle anomalie di pressione in queste regioni. Fasi più attenuate si verificano quando una sola delle condizioni summenzionate si verifica. Entrambe le fasi della NAO sono associate a cambiamenti sull’intero bacino atlantico della distribuzione barica, nell’intensità e posizione della corrente a getto Nord Atlantica, e nel percorso delle perturbazioni atmosferiche, con conseguenti modulazioni a grande scala dei pattern normali di trasporto zonale e meridionale di calore e umidità, che a loro volta provocano cambiamenti di temperatura e precipitazioni, spesso estesi dal Nord America orientale all’Europa occidentale e centrale (Figura 1).

Le forti fasi positive della NAO tendono a essere associate a temperature sopra la media nella parte orientale degli Stati Uniti e in tutto il nord Europa, e temperature sotto la media in Groenlandia e spesso in tutta l’Europa meridionale e il Medio Oriente. Esse sono anche associate a precipitazioni superiori alla media nel Nord Europa e Scandinavia d’inverno, e precipitazioni sotto la media in Europa meridionale e centrale. Anomalie opposte di temperatura e precipitazioni sono tipicamente osservate durante le fasi negative più forti della NAO. Durante i periodi particolarmente prolungati dominati da una particolare fase della NAO, le anomalie di pressione e temperatura sono spesso estese anche alla Russia centrale e Siberia centro-settentrionale.

La fase della NAO viene identificata con l’ausilio di un apposito indice, l’indice NAO, calcolato mediante la differenza della pressione a livello del mare normalizzata tra Stykkisholmur/Reykjavik, Islanda ed una località nei pressi delle Azzorre, oppure Lisbona.

 

Figura 2 - andamento dell’indice NAO invernale dal 2000 al 2014. Fonte: NOAA.

 

La NAO presenta una notevole variabilità interannuale e interstagionale, e periodi prolungati (diversi mesi) di entrambe le fasi positive e negative del modello sono comuni. La NAO invernale presenta anche una significativa variabilità multi-decennale. Ad esempio, il periodo 1950-1979 è stato dominato dalla fase negativa della NAO, e in ben quattro occasioni la fase positiva è stata assente per almeno tre anni consecutivi. Al contrario, il periodo 1979-1995 è stato caratterizzato da ricorrenti fasi positive della NAO; in tale periodo, la NAO negativa si è manifestata in sole tre occasioni: negli inverni 1984/85, 1985/86 e 1995/96, soprattutto i primi due caratterizzati da elevata nevosità in pianura padana. Negli anni, più recenti, del 2° millennio, l’indice NAO ha mostrato una discreta alternanza tra le due fasi, con una leggera prevalenza di situazioni a fase negativa, tra le quali si segnala quella che si è verificata nel biennio 2010/11 (Figura 2).

Come si è visto, la fase NAO appare quindi essere un fenomeno prevalentemente atmosferico, in cui le variazioni delle caratteristiche oceaniche, ad esempio la temperatura superficiale del mare (in inglese Sea Surface Temperature, o SST), sembrano essere più delle conseguenze del regime barico che non delle cause che determinano la fase della NAO stessa.

 

ENSO

 

El Niño, conosciuto anche con la sigla ENSO (El Niño-Southern Oscillation), è un fenomeno climatico ricorrente che si verifica nell’Oceano Pacifico centrale in media ogni cinque anni, pur possedendo in realtà un periodo variabile fra i tre e i sette anni. Esso culmina generalmente nei mesi di dicembre e gennaio, e da questo motivo (a dicembre c’è il Natale, la festa del Bambin Gesù, El Niño in lingua spagnola) deriva il nome: infatti, nelle fasi più intense di El Niño, che spesso coincidono con le feste natalizie, la pescosità nei mari limitrofi alle coste occidentali (pacifiche) sudamericane è molto limitata, e questo veniva visto come un segno divino del fatto che le attività umane dovessero fermarsi per celebrare le feste. Più a grande scala, il fenomeno ENSO provoca inondazioni, siccità e altre perturbazioni che variano a ogni manifestazione. I paesi in via di sviluppo che dipendono fortemente dall’agricoltura e dalla pesca, in particolare quelli sudamericani che si affacciano sull’Oceano Pacifico, ne sono i più colpiti. Per identificare, invece, i periodi in cui la fase di El Niño ha segno opposto, è stato coniato il nome La Niña. Si veda anche qui.

A differenza della NAO, ENSO è una teleconnessione atmosferica accoppiata tra atmosfera e oceano che presenta appunto una componente oceanica, chiamata El Niño o La Niña, caratterizzati il primo da un riscaldamento e la seconda da un raffreddamento della temperatura delle acque superficiali dell’Oceano Pacifico centro-orientale in zona tropicale (intorno al tropico del Capricorno), e una componente atmosferica, chiamata Oscillazione Meridionale, caratterizzata da variazioni dei livelli di pressione nell’area del Pacifico centro-occidentale. Tali due componenti sono direttamente accoppiate: quando le temperature superficiali oceaniche nei pressi delle coste tropicali sudamericane è più alta della media (El Niño), la pressione del Pacifico occidentale è più alta della media, e viceversa (La Niña).

Figura 3 – Gli episodi di El Niño (a sinistra) riflettono periodi di SST superiori alla media lungo il bacino Pacifico tropicale orientale. Gli episodi di La Niña (a destra) rappresentano periodi di SST inferiori alla media nelle stesse zone. Le immagini mostrano I valori assoluti (sopra) e le anomalie rispetto alla media (sotto) delle SST nel periodo Dicembre-Febbraio di casi intensi di El Niño e La Niña.

 

Per definizione, si è in presenza di un evento di El Niño quando la superficie della parte centrale dell’Oceano Pacifico manifesta un incremento della temperatura di almeno 0,5°C per un periodo di tempo non inferiore ai 5 mesi. Se invece la temperatura è inferiore alla media stagionale di almeno 0,5°C nello stesso periodo, si è in presenza della fase opposta detta Niña.

La fase El-Niño s’instaura a causa del surriscaldamento delle SST del Pacifico orientale che, grazie all’incremento della convezione atmosferica (Figura 4), modificano a loro volta la circolazione equatoriale dei venti (di Walker) e con essa la distribuzione delle precipitazioni, regolando l’alternanza di periodi di siccità e di maggiore piovosità lungo tutto il Pacifico Equatoriale. Dal punto di vista della circolazione atmosferica, a conseguenza delle variazioni termiche delle SST, con la fase el-Nino si instaura una circolazione convettiva di aria ascendente sul Pacifico orientale ed una discendente in quello occidentale, ovvero si assiste ad uno spostamento della Circolazione di Walker longitudinale verso est. Dal punto di vista delle precipitazioni, come conseguenza dell’alterata circolazione atmosferica, la fase El Niño di ENSO porta intense precipitazioni sull’America centromeridionale, violenti uragani sull’intero Pacifico meridionale e in Australia settentrionale, e determina periodi di siccità in Africa centro-occidentale fino all’Indonesia. Viceversa nella fase La Niña si instaurano condizioni considerate ‘normali’, ovvero opposte alle precedenti, con convezione e forti precipitazioni sull’Indonesia e moti discendenti e scarse precipitazioni sul Pacifico orientale (Figura 4).

Come già accennato, un aspetto fondamentale che caratterizza gli effetto di El Niño sull’ambiente, ovvero sull’ecosistema oceanico, è la variazione dell’apporto nutritivo di cibo che il fenomeno causa nell’oceano Pacifico. La corrente calda che El Niño trasporta verso oriente risulta infatti estremamente povera di elementi nutritivi, finendo per sostituire interamente la corrente fredda di Humboldt (presente invece nella fase La Niña) che, grazie alla risalita delle acque profonde, favorisce il trasferimento dalle profondità oceaniche del plancton, il quale assicura cibo a grandi quantità di pesce. Se tale situazione si protrae per lunghi periodi, l’equilibrio faunistico marino ne risulta però stravolto, finendo per ripercuotersi pesantemente sull’economia delle popolazioni sudamericane di Ecuador, Perù e Cile, che vivono principalmente di pesca.

 

Figura 4 – dettaglio dei movimenti zonali e verticali dell’atmosfera a conseguenza delle varie fasi di ENSO.

 

Figura 5 – le fluttuazioni nei valori di SST sono accompagnate da fluttuazioni ancora maggiori della pressione atmosferica, fenomeno che va sotto il nome di Oscillazione Meridionale (o, in inglese, Southern Oscillation, SO). La fase negative di SO si verifica durante gli episodi di El Niño: in tali situazioni, un’anomala area di alta pressione staziona sull’Indonesia ed il bacino del Pacifico tropicale occidentale, mentre la parte orientale dello stesso bacino si trova sotto un’anomalia negativa. Al contrario, durante la fase positiva di SO (La Niña), le anomalie sono invertite. La figura mostra le anomalie di pressione atmosferica alla superficie del mare in due casi intensi di El Niño e La Niña.

Anche nel caso di ENSO, si utilizza un indice atmosferico per stabilirne le fasi. L’indice più semplice, di cui abbiamo già parlato sopra, è il Southern Oscillation Index (SOI), un indice standardizzato basato sulle differenze di pressione al livello del mare osservate tra punti fissi ‘anticorrelati’ della superficie terrestre, Tahiti e Darwin, in Australia (Figura 5). Il SOI è una misura delle fluttuazioni a grande scala della pressione atmosferica che si verificano tra la parte occidentale e quella orientale del bacino Pacifico tropicale (cioè, lo stato della fase di SO) durante gli episodi di El Niño e La Niña. In generale, le serie temporali standardizzate del SOI corrispondono molto bene alle anomalie delle SST in tutto il Pacifico tropicale orientale. La fase negativa di SOI corrisponde a pressioni atmosferiche al di sotto della norma a Tahiti e sopra la norma a Darwin, e periodi prolungati di valori negativi (positivi) del SOI coincidono con anomalie positive (negative) delle SST orientali tipici di El Niño (La Niña) episodi. Le procedure di standardizzazione prevedono che le pressioni delle due stazioni siano espresse come normalizzate, ovvero come anomalia rispetto alla media della singola stazione, divisa per la deviazione standard della stessa, e che tale differenza sia calcolata in rapporto alla deviazione standard mensile tra i due valori (dettagli su questo sito). La Figura 6 riporta l’andamento dell’indice negli ultimi 60 anni, da cui si evince una prevalenza della fase positiva del SOI.

Figura 6 – andamento dell’indice SOI negli ultimi 60 anni. Si nota la prevalenza della fase positiva dell’indice, in maniera particolare nell’ultimo decennio. La linea smussata rappresenta la media corrente dei valori in istogramma.

Al fine di tenere maggiormente conto del fatto che El Niño / Southern Oscillation (ENSO) è dovuto all’accoppiamento tra oceano e atmosfera, è stato introdotto un nuovo indice, il MEI (Multivariate ENSO Index) che utilizza le sei principali variabili osservate sul Pacifico tropicale: pressione a livello del mare (P), componenti zonale (U) e meridionale (V) del vento superficiale , la SST, la temperatura dell’aria alla superficie (A) e la frazione di nuvolosità totale (C) . Mediante la combinazione di questi valori e qualche operazione algebrica sulle loro medie (per i dettagli si consulti questo sito), si ottiene il valore del MEI, graficato in Figura 7. Valori negativi del MEI rappresentano la fase ENSO fredda, ovvero La Niña , mentre i valori positivi del MEI rappresentano la fase ENSO calda (El Niño ).

Figura 7 – andamento dell’indice MEI dal 1950 ad oggi. Si nota come, rispetto al più tradizionale SOI, in questo caso la prevalenza della fase calda sia meno evidente, in particolare per quanto riguarda il periodo dopo il 2000. Sono altresì ben visibili i casi di El Niño più intensi (1982 e quello molto lungo del 1998).

La Figura 8 riassume invece i principali effetti legati alle due fasi di ENSO, separandole per stagione, ed evidenziando i casi di situazioni più o meno piovose, o più o meno calde, della norma. Come si può osservare, i principali effetti di ENSO riguardano i paesi che si affacciano sull’oceano Pacifico e sull’oceano Indiano, e la zona del golfo del Messico, geograficamente vicina al Pacifico tropicale.

 

Figura 8 – esempio di teleconnessioni climatiche a grande scala derivanti dai cicli ENSO, dedotte dalla correlazioni con l’indice ENSO: come si vede, vi sono delle ripercussioni che non si limitano solamente alle aree tropicali del Pacifico, ma si estendono anche a decine di migliaia di chilometri da esse.

Per comprendere quale sia l’effetto sul clima delle fasi di ENSO, occorre considerare un aspetto emerso recentemente nella letteratura scientifica (si veda ad esempio qui): infatti, nonostante ricopra soltanto l’otto per cento della superficie terrestre, l’Oceano Pacifico tropicale svolge un ruolo importante nei cambiamenti a breve termine della temperatura media della superficie terrestre, in quanto è in questa zona della Terra che avviene il trasferimento del calore negli strati più profondi dell’oceano (si veda qui). Malgrado ci siano correnti simili anche negli altri oceani, si registra la correlazione più importante proprio tra le fasi di ENSO (El Niño/La Niña) nell’Oceano Pacifico e le variazioni significative della temperatura superficiale.

ENSO è un fenomeno che influisce sul rateo di sprofondamento (downwelling) dell’acqua nel Pacifico tropicale, e dunque è comprensibile che le fasi di ENSO influiscano sul rateo di immagazzinamento di energia nelle acque profonde. Uno studio dell’anno scorso, uscito su Nature (si veda qui), ha mostrato che, nel corso degli ultimi 15 anni, il rallentamento del rateo di aumento delle temperature medie globali (si faccia attenzione: il rateo di aumento è quanto varia nel tempo l’aumento della temperatura, non quanto varia la temperatura! Parlando di popolazione, ad esempio, il rateo di aumento rappresenta la velocità con cui cresce la popolazione: se il rateo diminuisse nel tempo, non significherebbe che la popolazione stia diminuendo, ma solo che sta aumentando meno velocemente!) è stato compensato quasi totalmente dal maggior trasferimento di calore nell’oceano. Pertanto, prendendo in considerazione l’incremento delle temperature sia in atmosfera, sia negli oceani, si può osservare come, in realtà, non esista nessun rallentamento del riscaldamento a scala globale del pianeta (si veda anche qui, qui e qui).

È questo il motivo per il quale gli anni caratterizzati dalla fase positiva di ENSO, o El Niño (1997-98 e, in precedenza, il 1982-83) sono in generale sempre più caldi di quelli precedenti, mentre gli anni caratterizzati dalla fase negativa di ENSO, o La Niña, sono in generale meno inclini a far registrare valori record di temperatura media globale (com’è successo molte volte negli ultimi 10 anni).
A proposito, il 2013 appena conclusosi ha fatto registrare valori di temperatura globale superiori a quelli registrati nel 1998. Mentre il 1998 fu catatterizzato da un El Niño molto intenso, il 2013 ha fatto registrare una fase di La Niña debole, segno che il realtà il riscaldamento globale dell’ultimo quindicennio ha ormai superato anche l’effetto dovuto alle fasi di ENSO. Tra l’altro, nel 2013 l’anomalia del contenuto di calore oceanico è stata la maggiore almeno degli ultimi 50 anni.

Pertanto, è elevata la probabilità che il prossimo anno in cui si avrà una forte fase positiva di El Niño, come è successo negli anni 1997-98 o 1982-83, si registreranno i nuovi valori record della temperatura superficiale atmosferica. E per come stanno andando le cose, questo potrebbe verificarsi già quest’anno (2014), o nel 2015, come ha recentemente scritto Jim Hansen.

 

Testo di Carlo Cacciamani e Claudio Cassardo

6 responses so far

6 Responses to “Capire il clima che cambia: le teleconnessioni NAO e El Niño”

  1. [...] sui meccanismi che li generano, o sugli effetti delle teleconnessioni (si veda ad esempio questo post), è un fatto che le cronache di questi giorni di inizio 2014, così come era successo anche in [...]

  2. El Niño all’orizzonte? – Unimeteoon mar 4th 2014 at 17:45

    [...] un bel ?) andrei ancora con i piedi di piombo. Prevedere lo stato dell’ENSO (vedi anche qui) a più di 6 mesi di distanza è ancora oggi impresa abbastanza ardua, nel 2012 [...]

  3. [...] localmente ci siano state alcune anomalie fredde che hanno fatto tanto discutere i media. Come già detto, è probabile che il prossimo arrivo di un forte El Nino, accoppiato ad una fase crescente della [...]

  4. [...] mondo, influenzate direttamente o a distanza, rimando alla relativa pagina di Wikipedia e ad un bel post su [...]

  5. [...] i precedenti record delle temperature globali sono avvenuti in corrispondenza di fenomeni di ENSO (El Niño-Southern Oscillation) molto pronunciati, i record delle temperature dei mesi del 2014 sono avvenuti con ENSO neutro, in [...]

  6. [...] i precedenti record delle temperature globali sono avvenuti in corrispondenza di fenomeni di ENSO (El Niño-Southern Oscillation) molto pronunciati, i record delle temperature dei mesi del 2014 sono avvenuti con ENSO neutro, in [...]

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