Cambiamento climatico: cos’è l’amplificazione artica?

Perché l’artico si sta scaldando più velocemente delle altre regioni?

Cos’è l’amplificazione artica?

L’artico è la regione della Terra dove le temperature stanno aumentando con più intensità. Il fenomeno è noto come Amplificazione Artica. Dal 1850, a causa dei gas serra prodotti dall’utilizzo dei combustibili fossili, la temperatura del pianeta è aumentata di 1.2 °C . Come mostrato sopra, l’aumento non è però distribuito uniformemente. Ci sono regioni che si sono scaldate di più, altre meno. Alcune (poche) sembrano addirittura stazionarie.

Il motivo di questa eterogeneità è la complessità del sistema climatico. Il surplus di energia intrappolato nell’atmosfera dai gas serra è la causa del riscaldamento globale. Questa è la base fisica del cambiamento climatico. Il sistema climatico è il gigantesco apparato che dissipa gli eccessi di energia, distribuendoli sul pianeta. Le correnti atmosferiche e oceaniche trasportano i surplus radiativi delle regioni equatoriali verso quelle polari. L’interazione delle correnti con le altre componenti del sistema fa sì che un aumento dell’energia disponibile non si traduce in un aumento uniforme della temperatura. Dà invece vita a una situazione più complessa; quella appunto mostrata qui sopra.

L’amplificazione artica è l’esempio più evidente di ciò. Se la temperatura media planetaria è aumentata di circa 1.2°C, nell’Artico l’aumento supera i 2°C. In termini tecnici questo significa che quelle artiche sono le regioni della Terra con la più elevata sensitività climatica (o sensibilità climatica). Questa è il parametro che lega una perturbazione all’effetto che produce sul clima. Una regione con bassa sensitività vedrà la sua temperatura aumentare in modo limitato anche a fronte di una forte perturbazione. Viceversa, una regione ad alta sensitività -come quella artica-, in seguito alla medesima perturbazione, vedrà la temperatura aumentare in modo vistoso.

Resta da capire perché sia proprio la regione artica quella con la più alta sensitività climatica. Perché una delle aree più fredde del pianeta è quella che si sta scaldando più intensamente?

Le cause dell’amplificazione artica

I primi a parlare di amplificazione artica furono il sovietico Mikhail Budyko e l’americano William Sellers, i quali pubblicarono due articoli considerati pietre miliari della climatologia. In questi due lavori svilupparono alcuni dei primi modelli climatici. Tra i risultati che ottennero, alcuni mostrarono che una piccola perturbazione avrebbe portato a un significativo riscaldamento dell’area artica a causa dell’elevata sensitività.

I motivi dell’elevata sensitività sono molteplici. Prima di scoprirli, è necessario introdurre il concetto di feedback. Questa parola è oggi usata per indicare una risposta a uno stimolo, un riscontro. In climatologia il significato è analogo: un feedback è la risposta del clima a una perturbazione.

Ci sono meccanismi di feedback positivo oppure negativo. Nel primo caso, la risposta innescata dalla perturbazione acuisce la risposta stessa, portando a una progressiva amplificazione del fenomeno climatico osservato. Al contrario, in un ciclo di feedback negativo, la risposta smorza la causa scatenante, attenuando il processo.

1: ice-albedo feedback (retroazione ghiaccio-albedo)

Alla base dell’amplificazione artica vi è un meccanismo di feedback positivo, l’ice-albedo feedback. Come suggerito dal nome, in questo processo sono coinvolti il ghiaccio e l’albedo. Quest’ultima è la capacità riflettente di una superficie e varia tra 0 e 1. Una superficie con albedo 1 riflette il 100% della radiazione solare che lo colpisce. Una superficie con albedo 0 assorbe tutta la radiazione senza rifletterla.

Sulla Terra le regioni polari sono quelle dotate dell’albedo più elevata. Ciò è dovuto al ghiaccio marino, alla neve e ai ghiacciai. Essi sono altamente riflettenti e assorbono poca radiazione solare. La neve fresca ha un albedo di circa 0.9, riflette cioè il 90% della radiazione che la colpisce, rispedendola nello spazio. Essendo l’artico ricco di superfici riflettenti, la maggior parte della radiazione solare che arriva in queste regioni è rispedita indietro.

L’aumento delle temperature sta però mettendo in crisi il sistema. Sappiamo che la regione artica è essenzialmente marittima, con un oceano coperto da ghiaccio marino. Per via del riscaldamento, il ghiaccio marino è però sempre più ridotto. Nel grafico sopra è mostrata la superficie del ghiaccio marino artico tra il 1979 e il 2021. Si è ridotta di oltre 2 milioni di km2. L’Italia ha una superficie di 0.3 milioni di km2, in 40 anni abbiamo perso oltre 7 Italia di ghiaccio marino.

La perdita di ghiaccio marino sta modificando l’albedo delle regioni polari ed è qui che entra in gioco l’ice-albedo feedback. La sostituzione del ghiaccio marino con acque oceaniche libere, comporta che l’energia solare un tempo riflessa dal ghiaccio verso lo spazio, sia ora assorbita dall’oceano e trasformata in calore. Ciò è dovuto al diverso albedo di ghiaccio marino e acque libere. Il primo riflette l’80% della radiazione, l’oceano ne riflette solo il 7%, assorbendo tutto il resto. Nello schema sotto è possibile farsi un’idea più precisa dei numeri in gioco.

Dal 1980 l’albedo della regione artica è passata da 0.52 a 0.48. Potrà sembrare poca cosa, ma non è così. La regione artica sta assorbendo il 4% in più dell’energia solare rispetto al passato. Ecco perché si sta scaldando velocemente.

Ciò che rende davvero preoccupante il meccanismo è che si tratta di un feedback positivo. Se il ghiaccio scompare, l’energia assorbita dall’oceano aumenta, riscaldando l’atmosfera nella regione polare e accelerando ulteriormente la perdita di ghiaccio. Un cane che si morde la coda.

2: lapse-rate feedback (retroazione del gradiente atmosferico)

Non è soltanto l’ice-albedo feedback che contribuisce amplificazione artica. C’è anche il lapse-rate feedback, che tradotto suona come feedback del gradiente atmosferico. I gradienti atmosferici sono le variazioni delle proprietà dell’atmosfera spostandosi verso l’alto.

L’atmosfera artica è molto stabile e ben stratificata. Una tale configurazione, limita fortemente i movimenti di aria lungo la verticale atmosferica. Questo dipende dalla scarsa insolazione, la quale non è sufficiente per scaldare l’aria a contatto con la superficie e innescare i moti convettivi verso l’alto. La bassa atmosfera polare è quindi isolata, non potendo scambiare con gli strati alti masse d’aria, umidità ed energia.

Perché queste caratteristiche contribuiscono all’amplificazione artica? Perché se avviene un riscaldamento della bassa atmosfera, l’eccesso di energia termica non può essere dissipato verso l’alto. Nelle regioni equatoriali e tropicali l’atmosfera è invece dinamica e turbolenta. L’insolazione alimenta i moti convettivi che trasportano in quota calore e umidità, disperdendone almeno una parte nello spazio.

Sono questi i meccanismi alla base del lapse-rate feedback. A differenza dell’ice-albedo feedback, che è sempre positivo, il lapse-rate è negativo all’equatore e positivo ai poli. Un aumento di temperatura all’equatore rende ancora più efficiente il trasporto di calore, rafforzando la convezione e allontanando una parte del calore dalla superficie. Ai poli questo non avviene. La staticità dell’atmosfera fa sì che un aumento di temperatura rimanga confinato agli strati bassi dell’atmosfera, amplificando l’effetto di riscaldamento.

3: altre cause dell’amplificazione artica

I due meccanismi descritti qui sopra sono i due più importanti nel determinare l’amplificazione artica. L’ice-albedo feedback contribuisca per il 40%, mentre il secondo per il 15%. La restante parte è dovuta a:

• perdita della copertura nevosa. Non è soltanto la riduzione del ghiaccio marino nel Mar Glaciale Artico ad alterare la climatologia artica. L’aumento delle temperature sta riducendo la durata della copertura nevosa in Siberia e Nord America. La mancanza di neve fa sì che il suolo della tundra si secchi più velocemente, provocando un accelerato riscaldamento della superficie nei mesi estivi. Un suolo secco si scalda più velocemente e intensamente di un suolo umido. Finché in un suolo c’è umidità, parte del calore che esso riceve serve per l’evaporazione dell’umidità, non aumenta la temperatura. Finita l’umidità, tutta l’energia contribuisce invece al riscaldamento.

• aumento della nuvolosità. L’aumento della temperatura e la riduzione del ghiaccio stanno provocando un aumento dell’umidità nell’atmosfera artica. L’aria calda trattiene più umidità di quella fredda. Aumentando la temperatura, l’atmosfera può accogliere sempre più umidità. Anche la riduzione del ghiaccio marino contribuisce a ciò. Una superficie di oceano libero rilascia più umidità in atmosfera rispetto a un oceano coperto dal ghiaccio. L’aumento di umidità nell’aria intensifica la formazione delle nuvole. Esse, al pari di una coperta, inspessiscono l’atmosfera bloccando il poco calore in uscita verso lo spazio.

• trasporto di calore dalle basse latitudini. Uno dei fenomeni meno compresi dell’amplificazione artica, è il ruolo del trasporto di calore dalle latitudini temperate. Lo scambio di energia tra le zone polari e quelle temperate si sta facendo più estremo. Non sappiamo ancora se è più intenso, ma sicuramente avviene in modo sempre più imprevedibile. Quando accadono, le irruzioni di aria polare alle medie latitudini, sono più intense che in passato. Contemporaneamente è più frequente la risalita di aria calda verso l’artico. A testimoniare questi squilibri, sono gli eventi estremi che si susseguono sempre più incalzanti. Pensiamo alle nevicate da record che colpiscono il Nord Europa e il Nord America, ma anche alle temperature torride registrate nell’artico (il record è di giugno 2020, 38°C). Tali squilibri testimoniano una profonda riorganizzazione del sistema che distribuisce l’energia tra i poli e le aree temperate. L’amplificazione artica è la risposta più evidente a questa perturbazione.

L’importanza dell’artico per il clima della Terra

L’amplificazione artica conferma l’importanza dell’artico nel sistema climatico. I tanti meccanismi di feedback coinvolti, lo rendono la regione della Terra con la più alta sensitività climatica. Anche l’oscillazione tra periodi glaciali e non, ha profondi legami con l’artico. È proprio da lassù che le glaciazioni hanno ciclicamente preso forza. E sempre lassù esse hanno mostrato i primi segnali di cedimento, portando il pianeta verso le epoche interglaciali, come quella attuale.

A causa delle connessioni con le medie latitudini. quello che accade nell’artico difficilmente rimane confinato nell’artico. Lo stesso vale per l’amplificazione artica, che sta influenzando anche le nostre latitudini e il resto del pianeta. Basti citare il collasso dei ghiacciai groenlandesi e il conseguente innalzamento del livello dei mari. Oppure la degradazione del permafrost, che rilascia metano in atmosfera, aggravando l’effetto serra.

L’artico sarà probabilmente la prima regione del pianeta a essere letteralmente stravolta dal cambiamento climatico. Ci saranno gravi conseguenze per i fragili ecosistemi e le comunità umane che popolano quei territori. Interi paesaggi saranno presto irriconoscibili.

Cerco di concludere questi approfondimenti sul clima con una prospettiva positiva, una nota che lasci una porta aperta alla speranza che i tempi futuri possano essere migliori del previsto. Non nascondo che per l’Artico è difficile farlo. L’amplificazione artica è ormai una realtà e nulla lascia pensare che il processo rallenterà, anzi. I meccanismi di feedback che la provocano sono in buona parte positivi e ciò significa che la risposta sarà sempre più forte e difficile da fermare. La mia speranza è che questi stravolgimenti ci insegnino qualcosa, un monito dall’artico a proteggere il pianeta e il suo clima.

giovanni baccolo, 10 febbraio 2022

Per saperne di più:

• Budyko (1969) The effect of solar radiation variations on the climate of the Earth. Tellus 21:611-619.
• Cohen et al. (2020) Divergent consensuses on Arctic amplification influence on midlatitude sever winter weather. Nature Climate Change 10:20-29, DOI: 10.1038/s41558-019-0662-y.
• Colman & Soden (2021) Water vapor and lapse rate feedbacks in the climate system. Reviews of Modern Physics 93:045002.
• Sellers (1969) A Global Climatic Model Based on the Energy Balance of the Earth-Atmosphere System. Journal of Applied Meteorology 8:392-400.