La stratosfera

La stratosfera ha la sua base intorno agli 8 km di quota ai poli ed ai 20 km all'equatore, termina ad un'altitudine di circa 50 km. Al disotto di essa c’è la troposfera in cui hanno luogo le vicende meteorologiche. La tropopausa è la superficie di suddivisione tra i due strati.
Al disopra troviamo la mesosfera. Separa i due strati la stratopausa.
Le superfici isobariche della stratosfera variano dai circa 100 hPa, appena al disopra della tropopausa, ad 1 hPa in prossimità della stratopausa.
A differenza della troposfera, nella stratosfera il gradiente termico verticale è modesto, inoltre la temperatura, quasi sempre, aumenta con la quota, di conseguenza la modalità di trasmissione del calore per convezione non avviene o è piuttosto rara.
L’aumento di temperatura con la quota (dai valori medi di -60 °C della tropopausa agli 0 °C circa della stratopausa) è dovuto alla presenza di molecole di ozono, che sono più abbondanti alle quote più elevate. L’ozono è una molecola formata da tre atomi di ossigeno che si sviluppa per azione dei raggi ultravioletti (provenienti dal sole) sulle normali molecole bi-atomiche dell’ossigeno atmosferico.
Quando l’atmosfera è ricca di ozono assorbe l’energia dei raggi ultravioletti e si riscalda. Per questo motivo, nel nostro emisfero, la media ed alta stratosfera sono più calde d’estate soprattutto in prossimità del Polo Nord, quando si sviluppa una circolazione anticiclonica, o meglio anti-zonale, molto semplice, con un massimo di geopotenziale sull’Artico circondato da correnti orientali (esterlies).
La circolazione della bassa stratosfera invece, rimane coerente con quella dell’alta troposfera.
Nell’altro emisfero queste dinamiche stratosferiche si manifestano durante l’inverno (estate australe).
Durante l’autunno boreale si raffredda e si sviluppa un Vortice Polare Stratosferico (VPS) che raggiunge la massima intensità nel cuore dell’inverno estendendosi, con la sua circolazione prevalentemente zonale (westerlies), alle medie latitudini.
Anche nel semestre freddo la circolazione stratosferica è meno complessa di quella troposferica, ma è comunque meno “semplice” di quella che si sviluppa nel semestre caldo.
Prevale una circolazione da ovest verso est (zonale) intorno all’Artico (che è l’area più fredda e con valori di geopotenziale più bassi) con un massimo di velocità intorno alla latitudine di 65°N, con i vettori del vento paralleli alle isoipse (“curve di livello”, che uniscono punti aventi la stessa pressione) che a quella latitudine risultano più ravvicinate.
Spesso le isoipse sono concentriche ma il nucleo del VPS non si trova sul Polo Nord, di conseguenza il vortice risulta eccentrico (1-wave pattern).
Frequentemente il Vortice Polare Stratosferico presenta due ondulazioni; ciò avviene quando è ellittico con fuoco in asse col Polo Nord, oppure se è bilobato (2-wave pattern).
Può anche sviluppare un numero maggiore di onde (e quindi di lobi); abbastanza ricorrente è la configurazione a tre onde emisferiche (3-wave pattern) soprattutto in bassa stratosfera.
Quando si sviluppa il VPS, tra la stratosfera e la troposfera si manifestano delle interazioni (in entrambe le direzioni) attraverso l’intermediazione della bassa stratosfera, vale a dire dello strato compreso tra la tropopausa e la superficie isobarica di 50 hPa.
I forcing più intensi provenienti dalla troposfera, per effetto della propagazione verticale delle onde planetarie, possono penetrare nella bassa stratosfera. L’entità dell’attività dell’onda planetaria (tramite la convergenza della sua componente verticale su un punto a livello della tropopausa e la sua divergenza osservabile dalla sua componente meridionale) è rappresentata dall’E-P flux (flusso di Eliassen and Palm), come media zonale di tutte le superfici isobariche dell’emisfero.
La prolungata assenza di forcing provenienti dalla troposfera, consente il progressivo raffreddamento della stratosfera (Strat-Cooling). In particolari condizioni l’E-P flux può propagarsi anche ai piani superiori stratosferici producendo un rapido riscaldamento dell’aria (Strat-Warming).
Un Final Warming si manifesta all'inizio della stagione primaverile quando incomincia la transizione dalla circolazione invernale a quella estiva, vale a dire, la sostituzione delle westerlies con le esterlies.
La stratosfera, a sua volta, può modificare il gradiente verticale di temperatura nella troposfera. Particolarmente rilevanti sono gli effetti degli Strat-Warming sulla circolazione troposferica. L’anomalia positiva della temperatura stratosferica si diffonde verso la troposfera, con tempi di diffusione che variano da 10 a 20 giorni a seconda dell'intensità e della durata del riscaldamento. L’incremento termico diffusosi a quote troposferiche genera una marcata anticiclogenesi. Lo sviluppo di potenti anticicloni polari troposferici induce il VPS a spostarsi verso sud e a scindersi in 2 o 3 vortici.
La stratosfera possiede anche una variabilità a lungo termine; la più importante è la Quasi Biennal Oscillation (QBO). La QBO è l'oscillazione nella direzione dei venti misurata sopra l’equatore a 30 hPa, della durata media di 26 mesi. Quando assume valori negativi (QBO-) il flusso d'aria proviene prevalentemente da est invece che da ovest (QBO+). Di norma una QBO- comporta un indebolimento delle correnti occidentali (flusso zonale debole) e scambi meridiani più accentuati.

Le prime tre immagini raffigurano le configurazioni sinottiche della stratosfera in 1-wave pattern, a 10 hPa, 2-wave pattern, a 10 hPa e 3-wave pattern a 100 hPa. Fonte: Universty of Wyoming.

Gli ultimi 6 grafici raffigurano la sezione verticale nord emisferica (in hPa, nelle ordinate) del vento medio zonale (colore rosso = venti zonali intensi, colore blu = venti anti-zonali intensi) in rapporto alla latitudine (nelle ascisse) insieme ai vettori dell'E-P flux come media zonale per tutte le superfici isobariche, dalla bassa troposfera all'alta stratosfera, dal 4 al 9 marzo 2016. L'evoluzione temporale mostra chiaramente l'efficace propagazione stratosferica dell'E-P flux, che causò un intenso Strat-Warming e la successiva inversione dei vettori (insieme alla comparsa dei venti anti-zonali), alle alte latitudini, causata dallo Strat-Warming.
Fonte: Tokyo Climate Center WMO Regional Climate Center in RA II (Asia) della Japan Meteorological Agency.