Quando piogge intense e forti venti colpiscono le aree costiere densamente popolate, intere città possono essere distrutte. Fortunatamente, governi e residenti hanno la possibilità di prepararsi in anticipo per ridurre al minimo i danni. Molti di questi disastri sono causati dai fiumi atmosferici, che consistono in flussi altamente concentrati di vapore acqueo trasportati da venti intensi.
Questi fenomeni, popolarmente chiamati “fiumi nel cielo”, sono monitorati dai meteorologi, ma comprenderne le dinamiche dietro potrebbe rendere le previsioni più accurate.
Immagine simulata dell'impatto di un fiume atmosferico sulla costa occidentale del Nord America, avvenuto l'11 febbraio 2020. Le sfumature di grigio rappresentano il vapore acqueo, mentre i colori vanno dal blu (pioggia leggera) al verde (pioggia forte), che indica l'intensità delle precipitazioni. Crediti: Progetto E3SM (Department of Energy Office of Science/Energy Exascale Earth System Model).
In uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla naturail professor Da Yang, dell'Università di Chicago, e il ricercatore Hing Ong, dell'Argonne National Laboratory, entrambi negli Stati Uniti, presentano una nuova equazione matematica che chiarisce i processi che governano i fiumi atmosferici.
Il team spera che questo nuovo strumento aiuterà a prevedere eventi meteorologici estremi e a comprendere meglio come il cambiamento climatico influenza tali fenomeni, oltre a migliorare la comunicazione dei rischi meteorologici.
Fiumi atmosferici: fenomeno globale di grande impatto
I fiumi atmosferici sono regioni strette e allungate di vapore acqueo che si formano ai tropici e viaggiano verso i poli, trasportando grandi volumi di umidità con forti venti.
Possono trasportare fino a 15 volte più acqua del fiume Mississippi e causare piogge intense, neve e forti venti quando raggiungono le zone terrestri. In California, ad esempio, circa la metà delle precipitazioni annuali è portata dai fiumi atmosferici, il che rivela la loro importanza per il ciclo dell'acqua della regione.
La costa occidentale del Nord America è particolarmente vulnerabile a questi fenomeni, a volte chiamati “Ananas espresso » quando hanno origine vicino alle Hawaii.
I fiumi atmosferici chiamati “Pineapple Express”, che hanno origine vicino alle Hawaii. Credito: GOES-11/NASA/NOAA
Tuttavia, i fiumi atmosferici non sono esclusivi di quest'area; si verificano a livello globale, con una media di cinque corsi d'acqua in ciascun emisfero, che si spostano da ovest a est. Mentre quelli più deboli contribuiscono a riempire i bacini idrici e ad alleviare la siccità, quelli più intensi portano piogge torrenziali che possono provocare inondazioni e smottamenti.
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Nuovo modello per comprendere e prevedere i fiumi atmosferici
La maggior parte degli studi sui fiumi atmosferici fino ad oggi si sono concentrati sul loro monitoraggio, tracciamento e classificazione. Tuttavia, la comprensione di ciò che determina l’evoluzione di un fiume atmosferico era ancora limitata. In una dichiarazione, Yang ha affermato che un’analisi fisica più dettagliata è essenziale per rispondere a domande come: “Cosa alimenta i fiumi atmosferici e li fa muovere?”
La ricerca di Yang e Ong introduce una formula matematica chiamata “energia cinetica del vapore integrata” (IVKE), che combina la quantità di vapore acqueo e l'intensità dei venti in un unico parametro. A differenza della metrica IVT (trasporto integrato del vapore) convenzionale, che si limita al monitoraggio, IVKE offre una visione più ampia dell’energia che muove questi fiumi atmosferici e può spiegare perché si intensificano, si indeboliscono o cambiano direzione.
“Un’equazione, due risposte”: il segreto della forza e della direzione dei fiumi atmosferici
Con questa nuova struttura, gli scienziati hanno scoperto che i fiumi atmosferici si rafforzano convertendo l’energia potenziale in energia cinetica e si indeboliscono a causa della condensazione e della turbolenza. Il suo movimento verso est avviene mediante lo spostamento dell'energia cinetica e dell'umidità lungo le correnti d'aria.
L'animazione mostra un evento atmosferico fluviale nel gennaio 2017. I fiumi atmosferici sono regioni relativamente strette nell'atmosfera responsabili della maggior parte del trasporto orizzontale del vapore acqueo fuori dai tropici. Credito: Laboratorio di ricerca sul sistema terrestre della NOAA
Questa scoperta, secondo Yang, offre una comprensione basata su principi fisici, consentendo previsioni in tempo reale sull’intensità e lo spostamento dei fiumi atmosferici.
Il modello aiuta anche a integrare le analisi della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) statunitense, l’agenzia statunitense responsabile delle previsioni meteorologiche e del monitoraggio dei fenomeni atmosferici.
L’integrazione del nuovo quadro con i modelli NOAA potrebbe migliorare l’accuratezza delle previsioni di eventi estremi, aiutando i governi e le comunità a prendere decisioni preventive più informate.
Impatto dei cambiamenti climatici sui fiumi atmosferici
Secondo lo studio, anche i cambiamenti climatici svolgono un ruolo nell’evoluzione dei fiumi atmosferici. Con l’aumento della temperatura globale, la quantità di vapore acqueo nell’atmosfera tende ad aumentare, rendendo potenzialmente più intensi i fiumi atmosferici, purché la circolazione atmosferica rimanga relativamente costante. Questa domanda, tuttavia, è stata lasciata per indagini future.
Proseguendo la ricerca di Yang, Aidi Zhang, un nuovo membro del team, studierà come i cambiamenti climatici possono avere un impatto sui fiumi atmosferici utilizzando la metrica IVKE per misurare gli effetti della temperatura sulla formazione e sull'intensità di questi fenomeni. Questa ricerca potrebbe rivelare se gli eventi atmosferici fluviali, potenzialmente più forti in un clima in via di riscaldamento, aumenteranno i rischi di tempeste estreme e inondazioni nelle regioni sensibili.
Yang ha esperienza nello studio delle tempeste nelle regioni tropicali, ma il suo interesse per i fiumi atmosferici è cresciuto dopo aver vissuto in California per più di un decennio, dove ha assistito agli effetti diretti di questi fenomeni. Oggi, a Chicago, cerca di capire come queste “tempeste d’aria” alle medie latitudini influenzano la vita e il clima, soprattutto nelle zone costiere vulnerabili alle piogge torrenziali e ai venti.
Il nuovo strumento di previsione ha il potenziale per fornire informazioni essenziali per proteggere la popolazione e le infrastrutture. Con esso, governi, agenzie e cittadini possono prepararsi in modo più efficiente ad affrontare gli impatti atmosferici dei fiumi in uno scenario di costante cambiamento climatico.