La temperatura superficiale dell’acqua, motore dell’atmosfera

Un oceano di temperature. Il 70% della superficie del nostro globo terracqueo è ricoperto dagli oceani, un enorme serbatoio liquido che condiziona enormemente la vita sul nostro pianeta - va da sé - meteorologia compresa.

Ed è proprio su quest’ultimo aspetto, la relazione tra le temperature superficiali di mari e oceani e le previsioni del tempo, ma non solo, che si concentra la sedicesima puntata de #lameteospiegata, la serie di approfondimenti meteorologici mensili RSI Info in collaborazione con MeteoSvizzera. La parola, come di consueto, va quindi al nostro esperto, il meteorologo Luca Nisi.

La temperatura superficiale marina, in inglese Sea Surface Temperature (SST), è la temperatura dell’acqua del mare (oceani o mari interni) alla superficie, anche se la definizione di quest’ultima non è unitaria: “L’esatto significato di ‘superficie’ - spiega Luca Nisi - varia secondo il metodo di misurazione utilizzato ed è compreso tra 1 millimetro e 20 metri al di sotto della superficie del mare. Perché è un parametro importante? La risposta è più che ovvia: per poter prevedere il tempo! Le anomalie della temperatura superficiale marina costituiscono infatti un importante fattore predittivo per l’assetto della circolazione atmosferica. La temperatura del mare determina infatti lo scambio di energia tra gli oceani, che coprono il 70% della superficie terrestre, e l’atmosfera. I dati sulla SST raccolti un po’ ovunque, vengono elaborati e integrati nei modelli numerici di previsione meteorologica su larga scala. La temperatura dell’oceano influenza insomma il tempo dei prossimi giorni e, a lungo termine, le condizioni che regoleranno il clima”. 

Com’è facilmente immaginabile, e come abbiamo in parte visto già anche in altre puntate, in particolare quella sulla circolazione atmosferica glocale, le masse d’aria nell’atmosfera terrestre sono notevolmente influenzate dalle temperature della superficie del mare: “Agiscono proprio come una ‘forzante’ della circolazione atmosferica. Per esempio, le temperature calde della superficie del mare causano la ciclogenesi tropicale sopra gli oceani, che permette la formazione di zone di basse pressione e appunto di una circolazione ciclonica. Ma anche a latitudini più elevate, pensiamo all’oceano Atlantico vicino a noi, temperature superficiali elevate dell’oceano possono influenzare un eventuale rafforzamento e indebolimento di strutture meteorologiche su varie scale. Per esempio aria polare che scende su un mare caldo andrà anche qui a stimolare la ciclogenesi. O a scala più locale, nell Mediterraneo, si può pensare alla formazione di Medicanes – gli uragani mediterranei - nella stagione autunnale e invernale. Oppure al fatto che d’estate i temporali si sviluppano sulla terraferma, in quanto il continente si scalda maggiormente rispetto alla superficie del mare, risultando più instabile, mentre avviene il contrario d’inverno, quando è l’acqua a subire maggiori variazioni di temperatura”.

E se abbiamo visto come la temperatura superficiale marina possa influenzare direttamente la meterologia e la formazione di basse pressioni e cicloni, qual è il rapporto delle temperature con le correnti marine? “Le correnti oceaniche, come ad esempio la Corrente del Golfo e la Circolazione termoalina globale, influiscono in modo significativo sulla temperatura media della superficie del mare. La risalita dell’acqua dal fondo marino, nota come provoca un abbassamento significativo della temperatura della superficie del mare corrispondente. Al contrario, una corrente più calda e salina che si inabissa, cedendo parte del proprio calore, porta ad un aumento della temperatura della superficie del mare corrispondente. Non solo, come già visto in altre puntate anche dei fenomeni meteo-climatici atmosferici come la circolazione di Walker e le fasi di La Niña/El Niño sono in grado d’instaurare delle correnti oceaniche importanti che vanno ad influenzare le temperature marine superficiali”.

In generale, le variazioni di temperatura dell’acqua sono più lente rispetto a quelle dell’aria-atmosfera, ma entrambe hanno un impatto significativo sull’ambiente e sulle attività umane. Le temperature superficiali del mare variano a livello giornaliero, ma in misura minore rispetto alla temperatura dell’aria soprastante, e questo per diversi motivi: “L’acqua ha una capacità termica molto più elevata rispetto all’aria, o detto altrimenti vuol dire che l’acqua richiede una maggiore quantità di calore per aumentare o diminuire la sua temperatura rispetto all’aria. Di conseguenza, l’acqua può mantenere la sua temperatura più a lungo rispetto all’aria e mostra quindi variazioni meno marcate nel tempo rispetto all’aria”.

Non solo, l’acqua è anche un migliore conduttore del calore rispetto all’aria: “Questo significa che l’acqua trasferisce il calore più efficacemente rispetto all’aria. Quindi, se due oggetti sono a temperature diverse e vengono posti in contatto con acqua o con aria, l’oggetto posto in acqua si riscalderà o si raffredderà più rapidamente rispetto a quello posto nell’aria. Si tratta di un aspetto importante perché la superficie calda dei mari e degli oceani trasferisce calore in modo molto efficiente verso gli strati profondi.

C’è poi un terzo aspetto, legato allo stato dell’acqua, che può esistere in tre fasi a temperature e pressioni diverse: solida (ghiaccio), liquida (acqua) e gassosoa(vapore acqueo). “Ciò significa che l’acqua può subire cambiamenti di fase, come la fusione (passaggio da solido a liquido) e l’ebollizione (passaggio da liquido a gassoso), a temperature più definite rispetto a quelle dell’aria. Questi cambiamenti di fase comportano anche uno scambio di energia con l’ambiente esterno. Il processo di evaporazione dell’acqua superficiale oceanica richiede ad esempio energia termica per trasformare l’acqua liquida in vapore. Durante il processo di evaporazione, questa energia termica viene prelevata dall’ambiente circostante, causando di conseguenza un abbassamento della temperatura. È il motivo per cui spesso – in molti lo avranno già provato – si avverte una sensazione di fresco quando l’acqua evapora dalla pelle o quando si entra in contatto con una superficie bagnata che si sta asciugando. Inoltre, l’evaporazione degli oceani è un importante meccanismo di controllo del clima, come già visto nella circolazione atmosferica globale e nel contributo sulle precipitazioni”.

E se abbiamo visto come la temperatura superficiale marina possa influenzare direttamente la meterologia e la formazione di basse pressioni e cicloni, qual è il rapporto delle temperature con le correnti marine? “Le correnti oceaniche, come ad esempio la Corrente del Golfo e la Circolazione termoalina globale, influiscono in modo significativo sulla temperatura media della superficie del mare. La risalita dell’acqua dal fondo marino, nota come provoca un abbassamento significativo della temperatura della superficie del mare corrispondente. Al contrario, una corrente più calda e salina che si inabissa, cedendo parte del proprio calore, porta ad un aumento della temperatura della superficie del mare corrispondente. Non solo, come già visto in altre puntate anche dei fenomeni meteo-climatici atmosferici come la circolazione di Walker e le fasi di La Niña/El Niño sono in grado d’instaurare delle correnti oceaniche importanti che vanno ad influenzare le temperature marine superficiali”.

Ma a riguardare noi più da vicino è sicuramente l’Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO), un fenomeno climatico che si verifica invece nell’Oceano Atlantico settentrionale e rappresenta le variazioni delle temperature superficiali dell’acqua su una scala temporale di diverse decadi. “Si ritiene che l’AMO sia uno dei principali fattori che influenzano il clima dell’Europa, delle Americhe e di altre regioni a latitudini medio-alte. L’AMO si manifesta con periodi di riscaldamento e raffreddamento delle acque superficiali dell’Atlantico settentrionale che durano in media da 20 a 40 anni. Durante la fase positiva dell’AMO, come visto le temperature dell’acqua sono più calde del normale, mentre durante la fase negativa sono più fredde. Questo ciclo di riscaldamento e raffreddamento influisce sulle correnti marine, sui venti e sulla distribuzione delle precipitazioni”.

Anche la Pacific Decadal Oscillation (PDO) è un modello di fluttuazione climatica a lungo termine (oscillazione su diverse decadi) nel Pacifico settentrionale che influisce sulle temperature dell’oceano e sulla distribuzione della pressione atmosferica. “Durante la fase positiva della PDO, l’oceano Pacifico settentrionale si riscalda, causando un aumento delle temperature della superficie dell’acqua. In questa fase, le correnti marine e le condizioni atmosferiche favoriscono a loro volta la formazione di eventi El Niño, che portano a un riscaldamento globale temporaneo. Durante la fase negativa della PDO, l’oceano Pacifico settentrionale si raffredda, causando un abbassamento delle temperature della superficie dell’acqua. In questa fase, le correnti marine e le condizioni atmosferiche favoriscono la formazione di eventi La Niña”.

Fin qui le anomalie e i loro principali indici ma la temperatura della superficie del mare ha un impatto anche sui fenomeni atmosferici ed è quindi cruciale considerarla nei modelli atmosferici. “Per esempio è un parametro importante per la formazione di nebbia di mare e della brezza marina, andando quindi ad influenzare il tempo e le temperature delle zone costiere. A loro volta le temperature elevate degli oceani tropicali sono cruciali per la formazione di depressioni tropicali, mentre una massa d’acqua fredda può invece influenzare la traiettoria dei cicloni extratropicali, ovvero quelle zone di bassa pressione che caratterizzano il tempo delle nostre latitudini. Inoltre, per citare un ulteriore esempio, la presenza di zone di bassa pressione e precipitazioni nelle zone di mare freddo in superficie e caldo in profondità tende a persistere poiché il calore profondo dell’oceano viene trasportato in superficie, causando nuova evaporazione e ulteriori precipitazioni… E questi sono solo alcuni degli esempi che si possono citare, a testimonianza dell’importante ruolo che hanno le variazioni della temperatura marina”.

Le temperature della superficie del mare vengono tradizionalmente monitorate tramite l’uso di sensori posizionati su navi o boe. “Questo metodo di misurazione ha una lunga storia, che va indietro fino al XVI secolo. Nel 1768, Benjamin Franklin e Timothy Folger realizzarono la prima mappa della temperatura superficiale del mare, in particolare del settore settentrionale dell’Atlantico con la Corrente del Golfo”.

“Le prime misurazioni affidabili iniziarono però solo intorno alla metà del 1850, quando furono introdotti i termometri per le osservazioni marine. Tuttavia, è a partire dagli anni ‘70 del secolo scorso che l’avvento dei satelliti meteorologici ha permesso di migliorare enormemente le misurazioni a livello globale. Questi satelliti utilizzano sensori per rilevare le radiazioni termiche infrarosse emesse dalla superficie dell’oceano, che sono direttamente correlate alla sua temperatura in condizioni di cielo sereno. I dati ottenuti dai satelliti polari e geostazionari forniscono pertanto misurazioni continue della temperatura del mare. Nonostante ciò, le misurazioni convenzionali prese da boe e navi sono ancora utilizzate per verificare e convalidare i dati ottenuti dai satelliti” sottolinea Nisi.

Attualmente, a causa delle attività umane, il nostro pianeta ha registrato un aumento della temperatura di circa 1°C rispetto ai livelli preindustriali. E cosa si puì dire di mari e ocenai? “I mari e gli oceani, che coprono il 70% della superficie terrestre, sono particolarmente sensibili al riscaldamento globale e all’aumento dei gas serra nell’atmosfera. Secondo il rapporto speciale Oceans and Cryosphere dell’IPCC, l’oceano ha assorbito oltre il 90% dell’energia in eccesso nel sistema climatico. Entro il 2100, si prevede che assorbirà una quantità di energia da 2 a 4 volte maggiore rispetto al periodo dal 1970 fino ad oggi, e questo se il riscaldamento globale sarà limitato a 2°C. Se le emissioni e di conseguenza l’aumento ti temperatura saranno maggiori, la quantità potrà addirittura arrivare ad essere fino a 5-7 volte maggiore. A testimonianza di quello che sta avvenendo, si osserva ad esempio che la frequenza delle ondate di calore marine si è duplicata dal 1982 e la loro intensità sta aumentando. Nel futuro, se si verificherà un riscaldamento globale di 2°C, saranno 20 volte più frequenti, mentre se le emissioni continueranno a crescere in modo significativo (oltre i 2°C), saranno 50 volte più frequenti”.

E non si tratta solo di acqua più calda, le conseguenze vanno ben oltre: “Dagli anni ‘80, l’oceano ha assorbito il 20-30% delle emissioni di anidride carbonica di origine umana, causando l’acidificazione delle sue acque. Se continuerà ad assorbire carbonio fino al 2100, l’acidità dell’oceano aumenterà ulteriormente. Questi cambiamenti negli oceani stanno influenzando anche la distribuzione e l’abbondanza della fauna marina”.

Sulla Terra non esistono però solo mari e oceani come riserve d’acqua, ma anche quelli di acqua dolce come laghi e fiumi. “Va premesso che minore è il volume dell’acqua e maggiormente è stagnante, e quindi reagirà più velocemente alle variazioni di temperatura giornaliere e stagionali. Al contrario grandi volumi d’acqua, a causa dell’elevata capacità termica, reagiranno in modo più lento. I grandi laghi di casa nostra reagiscono molto più velocemente ai cambiamenti di temperatura stagionali rispetto per esempio al Mar Mediterraneo, ma più lentamente rispetto al laghetto di Muzzano per citarne uno. Nei fiumi invece l’acqua scorre più o meno velocemente, quindi l’influsso della temperatura dell’aria o della radiazione solare è marginale”. Non è però solo la temperatura dell’aria o l’irraggiamento solare a influenza la temperatura di fiumi o laghi: “Pensiamo per esempio alla fusione di ghiaccio o neve oppure all’effetto raffreddante di un abbondante precipitazione. Insomma, in generale possiamo dire che minore è il volume dell’acqua e maggiore la temperatura potrà variare in base agli agenti atmosferici e ai cambiamenti stagionali”.

Variazioni quindi più rapide, che hanno conseguenze a volte dirompenti: “Un esempio lampante, molto scenografico con le sue colorazioni, l’abbiamo proprio in Ticino: la colorazione del lago Ceresio. L’aumento delle temperature in un lago può ridurre la qualità della balneazione, poiché i cianobatteri proliferano di più e questo può essere dannoso per la salute. I cianobatteri ovviamente non sono specifici del Lago di Lugano, ma sono comuni anche in altri altri laghi e specchi d’acqua dolce. I cianobatteri sono un gruppo di batteri fotosintetici che possono produrre fioriture algali, comunemente note come “alghe blu-verdi”. Queste fioriture algali possono verificarsi quando le condizioni ambientali, come elevate temperature, eccesso di nutrienti (come fosfati e nitrati) e la luce solare intensa, sono favorevoli alla loro crescita. Le fioriture algali sono spesso visibili come chiazze verdi o blu-verdi sulla superficie dell’acqua e possono rilasciare tossine, come le microcistine, che possono essere dannose per la salute umana e quella degli animali. I cianobatteri possono anche consumare ossigeno durante la decomposizione, riducendo così l’ossigeno disponibile per altre forme di vita acquatica.

Al di là di questo esempio nostrano, in generale si può dire che un aumento importante delle temperature deteriora la qualità dell’acqua e degli habitat d’acqua dolce” aggiunge Nisi.