Il vortice polare, l'amministratore del freddo

Anche in questo 2022 zeppo di record di temperature verso l’alto, di scarsità di precipitazioni e siccità, la colonnina di mercurio – dopo l’ottobre più caldo di sempre e una buona parte di novembre ancora particolarmente mite – è finalmente (ci scuseranno gli amanti del caldo a oltranza) tornata a scendere, proprio come prevede la stagione invernale alle porte.

Proprio ieri, primo dicembre, ha preso infatti avvio quello che viene chiamato l’inverno meteorologico (1 dicembre-28 febbraio). Ma da dove e come arriva il freddo che ci accompagna in questi mesi? Uno dei fenomeni maggiormente coinvolti, e di cui sempre più si sente parlare negli ultimi anni, è il vortice polare. Situato sopra la regione artica (e un altro simile su quella antartica), con le sue dinamiche arriva infatti a influenzare anche il clima e la meteo della nostra regione. Come sempre ad accompagnarci in questo viaggio “da brividi” è l’esperienza del meteorologo di MeteoSvizzera Luca Nisi.

“Questo mese ci occupiamo di una struttura che non è presente esattamente sopra la Svizzera, ma che influenza in modo determinante anche il nostro Paese” premette Luca Nisi. Ma andiamo con ordine: in meteorologia il vortice polare, anche detto tecnicamente vortice Artico, è un'estesa zona di bassa pressione che staziona in quota in modo semi-permanente, sopra il Polo Nord. “È presente in modo quasi continuo, ma soprattutto nella stagione fredda, ed è un figura barica su larga scala, molto più estesa di una singola zona di bassa pressione: se pensiamo che le zone di bassa pressione che interessano l'Europa centrale possono avere un diametro di 1’000-2000 chilometri o anche più, quindi non proprio piccoline, in questo caso si parla di un vortice che copre tutto il Circolo polare Artico con un centro all’incirca sul Polo nord, che può anche spingersi fino alle medie latitudini… decisamente un diametro molto, ma molto più importante ”.

Il Vortice polare è una struttura che si sviluppa principalmente nella stratosfera, tipicamente tra i 12 e i 50 chilometri di altitudine e quindi al di sopra della troposfera (e della tropopausa) dove avvengono i processi atmosferici principali della meteorologia. “Sulla regione polare l’atmosfera è più sottile e la stratosfera parte già dagli 8 km. Spesso però questo vortice che sta alle quote più alte interessa anche gli strati più bassi della troposfera, soprattutto quando è intenso, andando a creare anche un vortice polare troposferico. In meteorologia c’è proprio la distinzione tra il vortice stratosferico e quello della troposfera, che interessa maggiormente le masse d’aria vicine al suolo. Quindi guardando la terra dall'alto esattamente sopra il polo vediamo un movimento circolare delle masse d'aria in senso antiorario con alcune ondulazioni, non un vero cerchio perfetto: meno sono marcate le ondulazioni e più circolare sarà la forma. Queste ondulazioni in meteorologia sono anche dette onde di Rossby, un possibile tema per una puntata futura di #lameteospiegata. Un vortice analogo è presente anche sopra il Polo Sud ed è chiamato Vortice Antartico, ma ci torneremo più avanti”.

In passato il vortice polare era chiamato semplicemente e in modo generale “fronte polare”, che indicava una zona di forte variazione di temperatura e umidità, quella che separa l'aria artica da quella più temperata delle medie latitudini. Poi, con l’avvento di nuovi sensori, modelli numerici e tecnologie – su tutte le immagini satellitari – si è potuto definirlo come vortice analizzando e simulando più precisamente la dinamica atmosferica nella regione polare. “La definizione fronte polare è un'eredità della scuola meteorologica norvegese che, grazie alla presenza di scienziati di spicco, in passato è sempre stata il modello di eccellenza sulla dinamica dell'atmosfera e dove sono stati scoperti numerosi modelli concettuali e teorie che spiegano i fenomeni atmosferici. Il termine fronte polare è in realtà ancora utilizzato oggigiorno: indica la regione di confine e di separazione tra la cella polare e la cella di Ferrell, che è concretamente posizionata attorno al 60esimo parallelo di latitudine di entrambi gli emisferi e, come detto, presenta un brusco gradiente soprattutto di temperatura. Insomma, è una struttura che troviamo ancora, che è parte del vortice polare, ma che non è il vortice polare.”

Innanzitutto il senso di rotazione, quindi antiorario per quel che ci riguarda (orario nell’emisfero australe, sul Polo Sud), dipende dalla forza di Coriolis, quindi dalla rotazione della Terra. Passando alla sua formazione, “buona parte dei meteorologi considera come causa l’effetto delle forti correnti da ovest che s’instaurano in quota alle medie latitudini. Queste correnti sono il frutto del disequilibrio dato dal riscaldamento solare differenziato e dei relativi contrasti termici che si creano in particolare nella stagione fredda (raffreddamento più marcato nelle zone artiche rispetto a quelle equatoriali). Sono proprio questi venti a dare il via alla rotazione vorticosa più o meno circolare attorno al Polo. Il vortice si irrobustisce e si estende in autunno e si indebolisce e restringe a partire dalla primavera (in estate è praticamente assente). Durante la stagione calda le correnti da ovest, anche chiamate correnti zonali, possono comunque essere presenti, anche se meno intense e con una frequenza di molto inferiore. Di tanto in tanto ci possono essere degli eventi temporanei che frantumano il vortice e per brevi lassi di tempo (da alcune giornate al massimo qualche settimana) non è più presente. E può capitare non solo nella sua fase meno intensa, ma anche in pieno inverno, all’apice dell’intensità. Inoltre può pure capitare che, a causa della formazione di una zona di alta pressione centrata proprio al Polo, il vortice con il suo centro venga spostato.

Come già scritto il vortice polare è una struttura principalmente della stratosfera, che è di frequente accompagnata – nelle zone polari – da un regime barico di alta pressione nella bassa troposfera. “Il risultato è una zona di alta pressione polare sormontata da un’estesa zona di bassa pressione stratosferica. Considerato che il tempo è determinato prima di tutto dalle condizioni e dalle strutture nella troposfera, nonostante l’imponente zona di bassa pressione stratosferica, al Polo e nelle zone circostanti il tempo risulta quindi spesso asciutto e molto freddo. A volte può però capitare che il vortice polare stratosferico si approfondisca verso il basso, andando a interessare anche i livelli troposferici più bassi. Ecco quindi che s’instaurano le condizioni per sviluppare un vortice polare troposferico, tipicamente più esteso, ondulato e per certi versi caotico, che genera cambiamenti del tempo repentini. Una volta formati, i due vortici, possono poi interagire e alimentarsi a vicenda. Durante il semestre estivo il vortice polare stratosferico viene invece spesso sostituito dall'anticiclone polare estivo: il moto circolatorio cambia direzione e i venti stratosferici provengono generalmente da est. Anche la troposfera è in questo periodo caratterizzata spesso da una zona di alta pressione, ma con una struttura non particolarmente robusta e molto dinamica”.

Il vortice polare interagisce su larga scala con gli anticicloni subtropicali, posizionati alle latitudini più basse. A causa della rotazione terrestre, gli scambi di massa d’aria tra equatore e polo non sono diretti, anche alle quote più alte: “Le correnti a getto (jet stream) alle medie latitudini deviano infatti questi flussi che cercano di colmare il deficit e il surplus di energia presenti rispettivamente nelle regioni polari e nelle zone equatoriali. Senza la rotazione terrestre questo scambio sarebbe un flusso diretto sud-nord e la dinamica dell’atmosfera terrestre sarebbe decisamente differente rispetto a come la conosciamo noi oggi!”.

Ma torniamo agli effetti del tempo alle medie latitudini e quindi anche in Europa: “Dobbiamo considerare che maggiore è la velocità di rotazione, più intenso sarà il vortice (intensità dei venti in quota) e minore sarà la probabilità di irruzioni di aria polare troposferica verso le medie latitudini, le nostre. In questi casi la corrente a getto alle medie latitudini è decisamente rettilinea, con poche ondulazioni. Gli scambi di energia tra equatore e polo sono più difficoltosi e poche perturbazioni ben organizzate riescono a “scivolare” fino alle medie latitudini. Un vortice polare meno intenso, al contrario, causa una corrente a getto meno forte e più soggetta a ondulazioni, onde che favoriscono gli scambi di energia tra equatore e polo. In questo caso si avrà una maggiore probabilità che si formino zone di bassa pressione con i loro fronti e che riescano a raggiungere anche le medie latitudini”. In poche parole: un vortice polare ben formato, intenso e centrato sul Polo porta ad intense correnti da ovest marittime e miti sull’Europa, mentre un vortice debole porta ad una maggiore variabilità delle correnti sull’Europa e quindi anche ad un maggiore rischio di ondate di freddo intense.

Il riscaldamento stratosferico, o appunto più comunemente chiamato ‘stratwarming’, è un fenomeno molto ripreso e ‘chiacchierato’ sui media negli ultimi anni. “Suscita interesse per le conseguenze che può generare (ondate di freddo che ci raggiungono), ma anche perché al giorno d'oggi la comunità scientifica è piuttosto concorde nell’affermare che la riduzione dell'estensione dei ghiacci artici e altri fenomeni violenti, anche al di fuori del circolo polare, vadano ad aumentare la frequenza di questo riscaldamento improvviso della stratosfera che tocca le zone polari durante la stagione invernale, proprio quando dovremmo trovare un vortice polare molto attivo. Va comunque detto che si tratta comunque di un fenomeno poco comune”. Ma cosa succede quando la stratosfera in prossimità del vortice si scalda in modo improvviso? “Bè, si forma una zona di alta pressione anche nella stratosfera che va praticamente a frammentare e suddividere il vortice polare in due o più parti (anche fino a 5 o più), che vengono poi spostate dal polo verso latitudini un po’ più basse. Per il nostro continente dobbiamo pensare all'Europa settentrionale o alla Siberia, per il Nord America all’Alaska. Queste circolazioni, che sono poi indipendenti l'una dall'altra, in gergo vengono definite anche come lobi. Possiamo insomma dire che lo stratwarming è il processo per eccellenza che frammenta il vortice durante la sua fase più intensa, quella invernale.”

Proprio dai lobi l’aria fredda di origine polare oppure addirittura artica viene poi talvolta convogliata sull’Europa, rispettivamente sul Canada e sugli Stati Uniti. “Quando si formano quattro o cinque lobi secondari, ovvero vortici indipendenti intorno alla zona di alta pressione sul polo, non di rado si parla di distribuzione ‘ad omino’: ovviamente non è una definizione molto scientifica, ma se pensiamo alla forma si intravede proprio quella di un piccolo omino con testa, braccia e gambe. Al di là di quanto siano i lobi, questa configurazione è quella che maggiormente favorisce la discesa di aria molto fredda di origine polare o addirittura artica fino alle medie latitudini”. Anche la recente ondata di freddo, tra il 15 e il 20 novembre, che ha colpito il Canada e gli Stati Uniti facendo segnare nuovi record per gli accumuli di neve sulle 24 ore, è stata causata proprio da un lobo secondario che si è posizionato e ha favorito la discesa di aria artica che si è umidificata transitando sull’oceano artico prima di raggiungere la terraferma “La conseguenza è proprio un'improvvisa diminuzione delle temperature spesso accompagnata da abbondanti nevicate. Ovviamente non tutte le regioni sono contemporaneamente interessate perché dipende da dove va a posizionarsi il lobo”. Piccola parentesi: una domanda da porsi è se la riduzione dei ghiacci polari e una presenza si una superficie oceanica non ghiacciata permette una maggiore umidificazione intensificando le nevicate in queste situazioni. Anche per rispondere a questa domanda, che al momento non abbiamo risposta, i modelli climatici e le loro simulazioni potrebbero essere d’aiuto.

Il posizionamento dei lobi è piuttosto casuale, visto anche il movimento caotico dell'atmosfera, ma bisogna considerare che “le analisi climatologiche sulla frequenza del posizionamento di un certo lobo sono ancora difficili da effettuare a causa della mancanza di una serie di osservazioni sufficientemente lunga e omogenea. La posizione di un particolare lobo è però decisiva per avere o meno una ondata di freddo sull'Europa. Sul nostro Continente, per avere delle forti ed estreme ondate di freddo, un posizionamento sicuramente favorevole è quando il lobo si stabilisce sulla Scandinavia o sulla Siberia, come è già capitato in passato con temperature estreme in Europa e anche in Svizzera, sia ad alta sia a bassa quota.”

Negli ultimi anni si è spesso letto di periodi estremamente freddi e nevosi sul Canada e sugli Stati Uniti, e un motivo c’è: “Sul continente nordamericano ultimamente il posizionamento di un lobo secondario al momento della frantumazione del vortice è un po’ più costante rispetto a quello sulla Siberia, ma è ancora difficile e presto per stabilire una tendenza. L’ultimo evento degno di nota di stratwarming con un posizionamento di un lobo in posizione favorevole sull'Europa è stato nel febbraio 2018, quando un lobo si è spostato appunto sulla Siberia, favorendo l'afflusso di aria molto fredda. Probabilmente molti si ricordano che si parlava di Burian: mentre nel continente le temperature erano scese di decine di gradi al di sotto della norma, sul circolo polare polare artico - a causa dell'anticiclone caldo che ha frantumato il vortice - le temperature erano addirittura al di sopra degli zero gradi. Il fenomeno resta comunque piuttosto limitato nel tempo: nel 2018, a distanza di circa dieci giorni, il vortice polare ha ripreso vigore e l'ondata di freddo in Europa ha lasciato spazio nuovamente a delle correnti più miti da ovest. Non sempre il riscaldamento stratosferico ha contraddistinto gli inverni rigidi del passato, anche perché appunto il fenomeno riguarda una fase temporale e geografica piuttosto circoscritta”.

Per quanto riguarda i picchi di freddo assoluti registrati in Europa, “si può certamente dire che sono notevoli: il 31 dicembre del 1978, l’ultimo giorno dell’anno, nella parte europea della Russia si sono toccati i -58,1 gradi. Avvicinandoci alla Svizzera e alla zona alpina troviamo una temperatura di -52,6 gradi registrata nel 1932 in Austria. Nel 1966 la stessa identica temperatura è stata toccata anche in Svezia. Per quanto riguarda invece la Svizzera il record appartiene, ‘ça va sans dire’, alla famosa La Brévine – nota anche come la Siberia elvetica – dove nel gennaio 1987 la colonnina segnava -41,8 gradi. Tutte temperature che possiamo definire decisamente polari, anche per l’Europa. È pure interessante notare come questi estremi di temperatura non siano stati legati per forza a dei fenomeni di riscaldamento stratosferico importante, anche se chiaramente sono state misurate in occasione di intense ondate di freddo, anche grazie alla formazione di forti inversioni termiche notturne in particolari condizioni di cielo sereno e la presenza di aria molto secca. Questo per sottolineare come non per forza i record siano legati allo ‘stratwarming’ e alla rottura del vortice con il posizionamento di un lobo sopra la Siberia. Talvolta l’aria artica può infatti spingersi verso sud anche per altre configurazioni particolari nella distribuzione delle zone di alta e bassa pressione nella troposfera, anche se magari con un’intensità minore”.

La Brévine, Siberia elvetica

La relazione con il vortice è invece più evidente spostandoci a Sud delle Alpi: “È molto interessante perché a livello europeo abbiamo cinque anni per eccellenza per i quali, basandoci sulle osservazioni, possiamo dire con sicurezza che c'è stata un'importante frammentazione del vortice polare a causa di un riscaldamento stratosferico improvviso: 1929, 1963, 1985, 2012 e 2018. Emerge come la distribuzione sia irregolare, eccezion fatta per il 2012-2018, e possono quindi passare tanti anni tra un evento e l’altro di forte riscaldamento, frammentazione e con un lobo posizionato sulla Siberia. Tornando alle temperature, salta all’occhio come a sud delle Alpi diversi record nelle diverse stazioni riguardino proprio questi anni. Ad esempio uno dei più recenti è quello del Monte Generoso, con -18,8°, registrati proprio nel 2018. O possiamo citare un -19,3° a Cimetta rilevato nel 1985. Anche prendendo in considerazione stazioni più ‘alpine’ come Robiei (-20,5° nel 2018), Poschiavo (-22° nel 1963), Monte Rosa (-24,5° nel 2012) e Passo del Bernina (-29° nel 1985) ritroviamo proprio gli anni citati precedentemente.

Ci sono poi anche delle stazioni di pianura che hanno registrato in Ticino temperature molto basse, in particolare Stabio (-18,4°) e Cadenazzo (-16,9°), entrambe però riguardano il 1991, quindi non concomitanti con un effetto di riscaldamento stratosferico importante, ma bisogna anche dire che queste due stazioni sono influenzate da una forte inversione termica in caso di cielo sereno con aria di origine polare. Diciamo che ci sono degli effetti locali che aiutano le temperature ad abbassarsi in maniera importante, così come nel caso del record a La Brévine. Spostandoci infine su zone più urbane e sulla Mesolcina ritornano invece gli anni del vortice spezzettato: Lugano con -14° nel 1929, Locarno (-10,1°) e Grono (-11,6°) nel 1985”.

Per addentrarci nell’ambito del cambiamento climatico una premessa è d’obbligo: “Legare la variazione di frequenza di eventi estremi al cambiamento climatico è sempre un'attività molto, molto delicata. La disponibilità di dati di osservazione sugli eventi estremi è infatti spesso molto scarsa per due motivi: perché le serie sono troppo corte e recenti o perché l’evento è troppo raro. E pochi dati di osservazione sono sempre sinonimo di una debole solidità statistica e a livello scientifico è ovviamente un problema. Bisogna però anche dire che grazie ai modelli climatici sempre più precisi e in grado di simulare sempre meglio la dinamica dell’atmosfera, negli ultimi anni è nata una nuova branca della climatologia, quella dell’attribuzione. In poche parole si fanno delle analisi per capire se un evento estremo è in qualche modo dovuto, o rafforzato, dal cambiamento climatico. Queste attività hanno sicuramente tracciato una nuova via, anche per gli eventi estremi”.

Fatta la premessa, si arriva poi alla sostanza: “Vale infatti la pena menzionare uno studio che è stato presentato recentemente su una rivista piuttosto prestigiosa, Nature Climate Change: ha dimostrato come le acque particolarmente calde, e sappiamo che gli oceani si stanno riscaldando in modo importante, soprattutto in superficie e in particolare nel Pacifico settentrionale, favorirebbe proprio lo stratospheric warming. Si può pensare insomma che le acque più calde favorirebbero il trasferimento di aria calda e calore dalla parte bassa dell’atmosfera, la troposfera appunto, verso la più alta stratosfera, favorendo la rottura del vortice polare e la formazione dei lobi secondari a latitudini un po’ più basse, con la relativa discesa di aria polare o artica verso le medie latitudini”. Ed eccoci quindi arrivati al paradosso: il riscaldamento delle acque, dovuto al cambiamento climatico, potrebbe addirittura favorire un aumento degli episodi di ondate di freddo estremo nell’inverno boreale, in particolare sul Nord America. “Ma come detto nella premessa, siamo ancora agli inizi di questi studi che sono per ora basati principalmente su modelli concettuali. Al contempo la comunità scientifica è impegnata a raccogliere il maggior numero di dati possibili per effettuare un’analisi che sia statisticamente più solida”. Insomma, le “pinze” con cui prendre questo studio restano per ora d’obbligo. In ogni caso, concludendo, bisogna comunque menzionare che un eventuale tendenza all’aumento delle ondate di freddo estreme in alcune zone è contrapposto da un netto aumento delle ondate di caldo intense, anche nelle stesse regioni. La temperatura media globale sta inesorabilmente aumentando, queste ondate di freddo temporanee sono come una “goccia gettata su un vasto incendio”.

Iniziamo dalle definizioni: la depressione d’Islanda deve il suo nome al fatto che, durante il semestre caldo, nelle vicinanze dell’isola è sempre presente una zona di bassa pressione per lo più stazionaria.

“Senza entrare nel dettaglio delle dinamiche, per la sua formazione è importante il ruolo delle temperature superficiali dell’oceano Atlantico, così come lo scontro con masse d'aria più fresche a latitudini superiori. Talvolta questa circolazione ciclonica, soprattutto nella fasi inziali, quindi in tarda primavera fino all'inizio di giugno, viene inglobata nel vortice polare, che non è più così intenso ed è nella sua fase di indebolimento. Questa configurazione è importante perché rappresenta una situazione favorevole per l'arrivo di numerose perturbazioni atlantiche in particolare sull'Europa settentrionale, più a nord della Svizzera. Perturbazioni che si possono comunque sospingere anche più a sud interessandoci, anche se da noi in queste situazioni arrivano pochi sistemi frontali alla settimana, mentre sulle regioni più settentrionali – penso al nord della Scozia, all'Islanda, alla Norvegia e a tutti i paesi scandinavi – il numero può salire anche a 10-15 sistemi frontali settimanali. È per questo che quando questa bassa pressione viene inglobata nel vortice polare risulta ancora più persistente e l’alta frequenza di questi fronti continua anche per più settimane, tra l'altro portando delle precipitazioni molto, molto abbondanti in particolare sulla Norvegia.

Se ormai sappiamo quasi tutto del vortice polare artico, quello che ci riguarda da vicino, che cosa si può dire in conclusione di quello sul lato opposto del globo, al Polo sud? “Le dinamiche sono molto simili, al di là del fatto che chiaramente qui le zone di bassa pressione ruotano in senso orario, come ovunque nell'emisfero australe. Va anche ricordato che molto raramente però i due vortici polari, quello artico e quello antartico, sono presenti e forti nello stesso momento, dato che anche le stagioni sono invertite nei due emisferi. Detto questo, si può dire che il vortice antartico mostra tipicamente anche una forma più regolare, con una circolazione attorno al Polo un po’ più circolare che tende a ondulare meno. Questo avviene per diversi motivi legati alla dinamica atmosferica, non da ultimo il fatto che alle medie latitudini praticamente la quantità di terraferma, di continente, è decisamente ridotta. Ci sono insomma sicuramente diverse similitudini, ma il vortice polare antartico ha al contempo delle caratteristiche molto differenti, soprattutto nella sua evoluzione nel tempo per quanto riguarda la modulazione e lo spezzettamento: tende infatti a rompersi meno e anche gli eventi di stratwarming, seppur presenti, sono meno studiati e c’è ancora parecchia incertezza” conclude Luca Nisi.