Articolo tratto dalla Newsletter n° 019 del 4 settembre 2024.

L’Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) è un sistema di correnti oceaniche che interessa il bacino atlantico. È un sistema di fondamentale importanza per il clima, perché contribuisce a regolare i trasporti meridionali di calore e sale. La sua struttura è caratterizzata da un ramo superficiale caldo e salino che corre in direzione nord, ed un ramo profondo e freddo che corre in direzione opposta. Un elemento chiave per comprendere il funzionamento e la struttura della AMOC è legato allo sprofondamento di acqua densa (fredda e salata) nel Nord Atlantico subpolare. Infatti, alle alte latitudini arrivano acque superficiali relativamente calde e saline. Queste rilasciano calore all’atmosfera polare più fredda. Ne risultano acque superficiali più dense rispetto a quelle sottostanti, attivando così un processo di convezione.

Il sesto report dell’IPCC (Masson-Delmotte, Zhai et al, 2021) afferma che l’intensità della AMOC con molta probabilità potrebbe diminuire in risposta ai cambiamenti climatici di origine antropica. In particolare i modelli climatici prevedono un indebolimento della AMOC tra il 25% e il 45% entro il 2100. Questo è dovuto ad una diminuzione della densità superficiale dell’oceano nel Nord Atlantico, a causa della progressiva fusione della calotta glaciale della Groenlandia, della fusione del ghiaccio marino, dell’aumento delle precipitazioni alle alte latitudini atlantiche, e del relativo riscaldamento delle acque superficiali subpolari. Allo stesso tempo, per quanto riguarda la possibilità di un collasso della AMOC (tipping point) lo stesso report afferma che “C’è un livello di confidenza medio (medium confidence) sul fatto che non ci sarà un collasso improvviso prima del 2100. Se un tale collasso dovesse verificarsi, molto probabilmente causerebbe cambiamenti improvvisi nei pattern meteorologici regionali e nel ciclo idrologico.”

Infatti, che la AMOC possa avere più stati stabili (di cui uno tipicamente con AMOC spenta) è stato suggerito già da alcuni decenni, anche se non è universalmente accettato in quale condizione di stabilità si trovi oggi la AMOC (Weijer et al, 2019). In breve, un collasso della AMOC in risposta ai cambiamenti climatici è in principio possibile ma non sappiamo dire quali siano le soglie critiche (ovvero livelli di guardia in alcune variabili climatologiche oltre i quali il sistema è destabilizzato) di questo possibile tipping, visto che diversi studi hanno portato a risultati significativamente diversi tra loro.

Mentre tipicamente gli studi sulla stabilità ed evoluzione della AMOC vengono affrontati introducendo forzanti esterne (aumento CO₂ o immissione forzata di acqua dolce nel bacino atlantico, detto freshwater forcing), in Cini et al. 2024, (pubblicato su NPJ climate and atmospheric science) abbiamo analizzato la possibilità di un collasso spontaneo della AMOC. Infatti, i tipping in un sistema dinamico sono tipicamente indotti dall’effetto combinato di un forcing esterno e della variabilità interna del sistema. Esplorare il ruolo della variabilità interna può aiutare quindi a comprendere quali processi possono favorire il collasso. Tuttavia, visto che collassi spontanei della AMOC sono eventi estremamente rari, praticamente impossibili da osservare in simulazioni climatiche, il ruolo della variabilità interna in tali processi è rimasto ad oggi largamente inesplorato. Nello studio abbiamo affrontato il problema utilizzando un algoritmo atto a selezionare eventi rari (rare event sampling). Il compito di questo algoritmo è quello di selezionare, all’interno di un insieme di simulazioni, le traiettorie “più promettenti” e scartare le altre. In pratica, si lancia una simulazione con 100 membri, i quali si differenziano tra di loro solo per una piccola perturbazione casuale nello stato iniziale. Al termine di ogni anno di simulazione, tra i 100 membri vengono salvati solo quelli con un valore più basso di AMOC rispetto agli altri, che invece vengono scartati. I membri salvati vengono clonati nuovamente, aggiungendo del rumore, fino a ricostituire un nuovo ensemble di 100 membri. La simulazione dell’anno successivo può quindi ripartire. Così facendo si riducono notevolmente i costi computazionali legati alle simulazioni di eventi rari.

Per le simulazioni è stato usato un modello di circolazione generale a complessità intermedia, composto da PlaSIM (per la circolazione atmosferica, il ghiaccio marino, e lo strato superficiale oceanico) ed LSG (per la circolazione oceanica profonda e di larga scala). I risultati ottenuti mostrano che l’AMOC può collassare spontaneamente a causa della sua variabilità climatica interna, anche senza forzanti esterne (figura 1). Inoltre, alcune traiettorie tracciate dal modello mostrano un collasso che persiste per centinaia di anni, suggerendo il passaggio di un tipping point e l’instaurarsi di una nuova configurazione stabile per l’AMOC.

Nelle nostre simulazioni, il collasso della AMOC comporta una diminuzione generale delle temperature nell’emisfero boreale, con un calo dell’ordine di 1.5° C nei continenti settentrionali e di 0.5 °C a livello globale (figura 2), con ricadute anche sui pattern di precipitazione e sulla circolazione generale atmosferica (in particolare uno spostamento del jet atlantico in direzione nord).

L’applicazione dell’algoritmo ha consentito, inoltre, di indagare i meccanismi interni alla variabilità climatica che favoriscono il collasso della AMOC. In questo esperimento e con questo modello, in particolare emerge che un aumento dei venti di superficie nel bacino Nord Atlantico possa creare condizioni favorevoli al collasso della AMOC (figura 3). La catena di meccanismi che, partendo da queste anomalie di vento, porta al collasso della AMOC non è chiara. Tuttavia suggeriamo che le anomalie di vento zonale, che inducono una corrente superficiale in direzione meridionale, possano indebolire la circolazione tipica della AMOC e causare quindi un indebolimento della convezione nel Labrador Sea, a sua volta ne risulta indebolita la formazione di acqua profonda.

In definitiva, abbiamo osservato che la variabilità interna atmosferica del sistema può portare ad un collasso della AMOC anche in assenza di forzanti esterne. Inoltre il fatto che questo algoritmo sia riuscito ad evidenziare un tipping point della AMOC, potrebbe aprire la strada ad ulteriori applicazioni in questo campo. La sua utilità sta nella possibilità di generare eventi rari senza introdurre alcuna forzante esterna. Questo può essere particolarmente utile nei casi in cui la conoscenza dei meccanismi che forzano un determinato evento sia scarsa.

È bene precisare che gli eventi spontanei osservati nelle simulazioni sono comunque estremamente rari. Motivo per cui non possono essere simulati con approcci tradizionali. Allo stesso tempo, nell’applicazione di questo particolare algoritmo non siamo al momento capaci di stimare la probabilità di questi eventi, per insufficienza di dati. Riuscire a quantificare questa probabilità permetterebbe di valutare come questa cambi in funzione del livello di CO₂. Il che sarebbe un risultato estremamente utile per comprendere l’effetto dei cambiamenti climatici di origine antropica nel collasso della AMOC.

Un ulteriore limite da affrontare è quello della complessità del modello. Per quanto l’applicazione dell’algoritmo abbia ridotto i costi di simulazione, permettendo di usare un modello di circolazione generale accoppiato, PlaSIM-LSG rimane un modello con una rappresentazione dei processi semplificata rispetto ai modelli usati nelle proiezioni IPCC. Testare l’algoritmo su un modello allo stato dell’arte IPCC, ma girato a risoluzione spaziale ridotta, potrà essere un primo passo per colmare questo gap.

Bibliografia

Cini, M., Zappa, G., Ragone, F. et al. Simulating AMOC tipping driven by internal climate variability with a rare event algorithm. npj Clim Atmos Sci 7, 31 (2024). https://doi.org/10.1038/s41612-024-00568-7

Masson-Delmotte, V., P. Zhai et al. IPCC, 2021. Climate Change 2021 – The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. (Cambridge University Press, 2023). https://doi:10.1017/9781009157896.

Weijer, W. et al. Stability of the Atlantic Meridional Overturning Circulation: A Review and Synthesis. J. Geophys. Res. Oceans 124, 5336–5375 (2019).

Autori:

Matteo Cini (Dipartimento di Fisica Università di Torino CNR-ISAC)	Giuseppe Zappa (CNR-ISAC)	Francesco Ragone (Université catholique de Louvain Royal Meteorological Institute of Belgium)	Susanna Corti (CNR-ISAC)