L’altezza geopotenziale (H) è una metrica ampiamente utilizzata per la circolazione atmosferica. Indica il lavoro necessario a vincere la forza di gravità e spostare verso l’alto, ad una determinata altezza, una massa unitaria d’aria. È stato segnalato che H aumenta a causa del riscaldamento globale, ma l’ampiezza e il meccanismo di questo aumento non sono chiari. Sulla base di set di dati di rianalisi e modelli climatici che partecipano al CMIP6, un nuovo studio, pubblicato sulla rivista Climate Dynamics, valuta quantitativamente la sensibilità di H alla temperatura media globale dell’aria superficiale (Ts), ovvero dH/dTs.
“I set di dati di rianalisi e le simulazioni dei modelli mostrano costantemente che dH/dTs aumenta monotonamente con l’altitudine nella troposfera, con un valore medio globale di circa 24,5 gpm/K a 500hPa, che supera la variabilità interannuale dell’altezza geopotenziale”, si legge nello studio. “La diagnosi basata sull’equazione ipsometrica mostra che l’aumento dell’altezza geopotenziale globale è dominato dall’espansione della colonna d’aria dovuta alla riduzione della densità dell’aria indotta dal riscaldamento, e l’entità di dH/dTs è determinata in gran parte da un’integrazione verticale del profilo di riscaldamento sottostante il livello di pressione”, viene spiegato nello studio.
“Poiché l’aumento forzato antropogenico dell’altezza geopotenziale è piuttosto uniforme orizzontalmente e proporzionale alla variazione della temperatura media globale dell’aria superficiale, i cambiamenti passati e futuri previsti nel campo dell’altezza geopotenziale globale a ciascun livello di pressione possono essere riprodotti dalla variazione della Ts moltiplicata per un valore storico costante dH/dTs. L’aumento spazialmente uniforme di H riproduce l’espansione passata e futura prevista del profilo ampiamente utilizzato H = 5880 gpm a 500 hPa, il che suggerisce che non indica un aumento dell’altezza subtropicale ma è semplicemente causato dall’espansione termica dell’atmosfera. Questo lavoro svela il meccanismo fisico per l’aumento dell’altezza geopotenziale e offre un modo semplice per stimare l’anomalia di H basata sull’anomalia di Ts”, concludono gli autori dello studio.
Cos’è il il “geopotenziale”
Con il termine di “geopotenziale” nella meteorologia sinottica s’intende l’energia necessaria che occorrerebbe spendere contro la forza di gravità per portare una massa d’aria unitaria dal suolo (geopotenziale nullo) fino ad una certa altitudine. L’altezza del “geopotenziale” invece si ottiene dal rapporto tra il “geopotenziale” e la forza di gravità media al livello del mare. Proprio per questo motivo è possibile considerare l’altitudine sul livello del mare di una certa massa d’aria, con una certa approssimazione. In meteorologia si usa definire una pressione standard (850 hPa, 700 hPa, 500hPa ad esempio) e tracciare le linee che congiungono i punti di ugual pressione (isoipse) che si trovano alla stessa altitudine (o meglio che hanno la stessa altezza “geopotenziale”).
L’aria non è altro che un gas. E come tutti gli elementi dotati di massa, l’aria intensa come gas, è soggetta alla forza di attrazione gravitazionale da parte della Terra. Per tale motivo, se l’aria è costretta a salire verso l’alto, allontanandosi dal centro della stessa viene spesa dell’energia per vincere tale forza retroattiva. Il “geopotenziale”, in tale contesto, rappresenta l’energia necessaria che serve per spostare verso l’alto una massa d’aria unitaria. Se è vero che il “geopotenziale” al livello del mare è nullo, il “geopotenziale” ad una determinata altezza non è altro che l’energia necessaria per innalzare dal livello del mare, all’altezza prestabilita, una determinata massa d’aria. L’altezza di “geopotenziale” è un parametro direttamente correlato al “geopotenziale” stesso. Dividendo quest’ultimo per una costante, ossia l’accelerazione di gravità media al livello del mare. In sostanza se l’aria viene fatta salire a circa 5500 metri di quota (500 hpa) occorrerà una determinata energia per farla arrivare a tale altezza. Pertanto la pressione dell’aria stessa sarà di certo inferiore rispetto a quando essa era al suolo.
Le correnti in quota seguono fedelmente le isolinee (definite isoipse) che chiudono i vari centri di “geopotenziale”. Di conseguenza le masse d’aria ruoteranno in senso orario attorno i massimi di “geopotenziale” ed antiorario nei minimi di “geopotenziale”. I minimi di “geopotenziale” indicano il passaggio, nella libera atmosfera, di masse di aria fredda, in quanto l’aria fredda essendo densa e pesante è scontato che occorrerà un maggior contributo energetico per sollevarla a quella quota e quindi la pressione diminuirà maggiormente. I massimi di “geopotenziale”, al contrario dei minimi, indicano il transito in quota, nella libera atmosfera, di aria calda. Per cui, in presenza di massimi di “geopotenziale” in quota, occorrerà meno energia per sollevare l’aria ad una certa altezza, e quindi la pressione a quella quota rimane più elevata. Solitamente i “geopotenziali” bassi quando si accompagnano a pressioni relativamente alte al suolo indicano la presenza di aria fredda e asciutta lungo tutta la colonna. I “geopotenziali” alti accompagnati da pressioni relativamente basse indicano la presenza di aria piuttosto calda e umida. Solitamente, analizzando i modelli matematici, notiamo carte di “geopotenziale” (che rappresentano l’altezza del “geopotenziale”) riferite alle singole quote; 850 hpa, 700 hpa, 500 hpa, 300 hpa. Queste carte, alle singole altezze, rappresentano l’altezza in cui una massa d’aria presenta quella determinata pressione. Il “geopotenziale” viene ricavato dalla pressione al suolo e dal contributo energetico che occorre per innalzare la suddetta massa d’aria alla quota prefissata.
