Ghiaccio antartico: conoscere l’oceano per prevedere meglio la variabilità del ghiaccio marino

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Prevedere l’evoluzione del ghiaccio marino nei mari antartici è tuttora una sfida per le scienze del clima. Un lavoro della Fondazione CMCC aggiunge un tassello agli sforzi della ricerca internazionale per migliorarne la prevedibilità su scala decadale, dimostrando che le previsioni sono più accurate quando sono disponibili e inclusi nei modelli i dati sulla temperatura e la salinità dell’oceano.

Il ghiaccio marino antartico influisce profondamente sul clima del pianeta in diversi modi, regolando lo scambio di calore e gas tra la superficie oceanica e l’atmosfera e guidando la formazione dell’Acqua di fondo dell’Oceano antartico che viaggia lungo l’oceano globale.

Record di dati satellitari disponibili dagli anni ‘80 mostrano che l’evoluzione del ghiaccio marino antartico presenta una forte variabilità regionale e stagionale nelle ultime 4 decadi, in contrasto con la perdita uniforme e rapida di ghiaccio marino caratteristica della regione artica. L’estensione del ghiaccio marino nell’emisfero australe ha infatti subito rapide oscillazioni a partire dal 2012, raggiungendo prima un record massimo tra il 2013 e il 2015, e poi record minimi negli anni successivi (2016-2022). Mentre la copertura del ghiaccio marino si è espansa nella maggior parte dell’Oceano Antartico con una grande variabilità da un anno all’altro, alcune aree come il Mare di Ross orientale e la Penisola Antartica ne hanno invece registrato una significativa perdita di ghiaccio. Il risultato di queste diverse manifestazioni su scala regionale è una leggera tendenza all’aumento della copertura totale di ghiaccio marino Antartico nel corso degli ultimi decenni.

Questa variabilità è spiegata da diversi fattori, ad esempio i cambiamenti nella circolazione atmosferica legati alla riduzione dell’ozono nella stratosfera, il riscaldamento dell’oceano e lo scioglimento delle calotte di ghiaccio. Come suggerito da alcuni studi, processi lenti e su scale temporali lunghe che influenzano la variabilità decadale dei ghiacci contribuiscono anche all’aumento del ghiaccio marino. Tuttavia, vi è ancora una sostanziale incertezza nelle attuali stime dei modelli e una previsione accurata della variabilità decadale del ghiaccio marino nei mari antartici rimane una sfida per la comunità internazionale dei modellisti climatici.

Grazie alla collaborazione con Yushi Morioka, ricercatore in materia di oceani e clima presso la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), i ricercatori del CMCC Dorotea Iovino, Andrea Cipollone and Simona Masina della Divisione “Ocean modeling and Data Assimilation” (ODA) hanno dimostrato che è possibile produrre previsioni accurate della variabilità decadale del ghiaccio marino in Antartide occidentale utilizzando un modello di circolazione accoppiato atmosfera-oceano-ghiaccio in cui siano utilizzati dati basati sulle osservazioni, sia della copertura del ghiaccio sia delle proprietà dell’oceano. Questo approccio consente di migliorare la predicibilità del ghiaccio marino da un anno all’altro, fino a 6 anni di distanza.

“Abbiamo scoperto che l’abilità di previsione della variabilità del ghiaccio marino dipende in modo cruciale da una rappresentazione iniziale realistica non solo del ghiaccio stesso, ma anche della temperatura e della salinità dell’oceano sotto-superficiale“, spiega Dorotea Iovino. “La disponibilità di osservazioni della temperatura e salinità oceaniche ha dimostrato di apportare un grande valore aggiunto. Se il nostro modello può contare su una descrizione delle condizioni dell’oceano, oltre che del ghiaccio, allora riusciamo a migliorare significativamente le previsioni, specialmente nella regione antartica occidentale“.

La Figura 1 dell’articolo pubblicato su Communications Earth & Environment (appartenente al portfolio Nature) confronta i risultati predittivi di vari esperimenti numerici che hanno utilizzato condizioni iniziali differenti. Il primo esperimento è quello di controllo (a, CTL), in cui viene considerata in partenza solo la temperatura superficiale dell’oceano sulla base di dati osservativi; nel secondo esperimento (b, SIR) si considerano sia la temperatura superficiale dell’oceano che la concentrazione del ghiaccio sulla base dei dati osservati; nella terza simulazione (c 3DVAR – un approccio tridimensionale di assimilazione variazionale dei dati), viene considerato anche lo stato iniziale della salinità sotto-superficiale. Con l’ultimo e più recente approccio, il modello climatico è in grado di prevedere meglio l’aumento del ghiaccio marino avvenuto dopo la fine degli anni 2000 e fornisce la massima capacità di previsione della concentrazione di ghiaccio marino nell’Antartide occidentale (mari di Amundsen-Bellingshausen). Questo significativo miglioramento deriva da una migliore rappresentazione della circolazione oceanica sotto-superficiale e in particolare della Corrente Circumpolare Antartica e della sua variabilità decadale.

 

Figura 1. Coefficiente di correlazione spaziale delle anomalie che quantifica la capacità del modello di rappresentare l’evoluzione del ghiaccio marino in tre diversi assetti: a) nessuna correzione iniziale (CTL); b) inizializzazione realistica del campo superficiale (SIR); 3) inizializzazione realistica della temperatura e della salinità superficiale e sotto-superficiale (3DVAR). Le aree tratteggiate in rosso mostrano le regioni in cui la concentrazione di ghiaccio marino è predetta con precisione.

 

Come atteso, l’effetto positivo derivante dalla considerazione dei dati osservati dell’oceano sotto-superficiale sulle capacità di previsione del ghiaccio marino si riduce nelle regioni in cui c’è una scarsa disponibilità di tali dati, come nel Mare di Weddell settentrionale. Questo porta a una rappresentazione imprecisa delle condizioni iniziali dell’oceano negli esperimenti del modello. In queste regioni, l’inizializzazione della sola concentrazione di ghiaccio marino rimane quindi il metodo più efficace per prevederne la variabilità decadale.

Al CMCC sono in corso nuove ricerche per migliorare ulteriormente la previsione delle variazioni decadali del ghiaccio marino antartico ricorrendo all’utilizzo di ulteriori dati di partenza, come la stima dello spessore del ghiaccio marino da osservazioni satellitari, soprattutto durante l’inverno australe.

Per maggiori informazioni:

Morioka, Y., Iovino, D., Cipollone, A. et al. Decadal Sea Ice Prediction in the West Antarctic Seas with Ocean and Sea Ice Initializations. Commun Earth Environ 3, 189 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00529-z

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