Feedback tra biologia e fisica nel
Pacifico Equatoriale: risultati da
simulazioni numeriche
L. Patara, M. Vichi, P. G. Fogli, S. Masina, E. Manzini
WORKSHOP W10 Progetto VECTOR
Rimini, 10-11 settembre 2007
INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia)
CMCC (Centro Euro-Mediterraneo per i Cambiamenti Climatici)
Obiettivi
•
Valutare l’effetto dell’inserimento di un
modello biologico in un modello fisico
•
Quantificare il feedback in termini di
variazioni di proprietà fisiche del sistema
Il feedback bio-ottici della biologia sulla
fisica
•
La radiazione solare entrante viene attenuata esponenzialmente con la
profondità:
E PAR ( z )   QS expw z  bio z 
•
Questo processo dà luogo ad un riscaldamento locale:
QS
T

exp TOT z 
t  C p dz
•
La biologia modifica la curva di radiazione solare penetrante dando luogo a
dei massimi di assorbimento dove essa è più abbondante.
Alcuni studi nel Pacifico equatoriale
•
Nakamoto et al. (2001):
I.
II.
III.
IV.
•
Assorbimento della radiazione solare aumenta in superficie
Diminuzione della profondità dello strato rimescolato all’Equatore
Aumento dell’upwelling per aggiustamento geostrofico
Diminuzione intorno a 1°C della temperatura marina superficiale
Murtugudde et al. (2002):
I.
II.
III.
Riscaldamento radiativo è al di sotto dello strato rimescolato
Diminuzione della stratificazione e attenuazione delle correnti
superficiali
Aumento intorno a 2°C della temperatura marina superficiale
Il Modello di Sistema Terra INGV-CMCC
Atmosfera
ECHAM5 (T31L19)
(Roeckner et al. 2006)
Coupler
OASIS3
(Valcke et al. 2004)
Ghiaccio marino
LIM (ORCA2)
(Timmermann
et al. 2005)
Oceano
OPA 8.2 (ORCA2)
(Madec et al. 1998)
Biogeochimica Marina
PELAGOS (ORCA2)
(Vichi et al. 2007 a,b)
Configurazione degli esperimenti
Oceano, Atmosfera, Ghiaccio
BLUE
Oceano, Atmosfera, Ghiaccio, Biogeochimica marina
220 anni
•
50 anni
Gli esperimenti BLUE e GREEN:
– hanno le stesse condizioni iniziali per la fisica
– differiscono solo per l’aggiunta del modello biologico nel GREEN.
•
L’analisi viene effettuata sugli ultimi 50 anni di simulazione.
GREEN
Struttura del campo di clorofilla (mg/m³)
Pacifico Equatoriale: alta
produttività e forte gradiente
con i giri subtropicali
Modello
Climatologia
Satellite SeaWiFS
Media 1997-2003
Differenza di T oceanica (°C) tra GREEN e BLUE
Mappe del Pacifico Equatoriale
5m
55 m
95 m
°C
Sezioni meridionale a 100W nel Pacifico Equatoriale
Differenza di T (°C) tra GREEN e BLUE (colori)
Concentrazione di clorofilla in mg/m³ (contorni)
°C
Termini che contribuiscono al bilancio
termico in un punto

 


QS
T

expTOT z    u T    Av  T
t  C p dz
1.
Assorbimento della radiazione solare
2.
Avvezione di calore (zonale, meridionale e verticale)
3.
Diffusione di calore (orizzontale e verticale)
4.
Flussi di calore all’interfaccia con l’atmosfera

Integrazione dei flussi di calore fino a 140 m di
profondità e tra 20° S e 15° N
Sezione a 100 W
Differenza di T
POSITIVA
Differenza di T
NEGATIVA
Contributo
radiativo nel
GREEN supera di
5.1 W/m² quello
nel BLUE
Contributo
radiativo nel
BLUE supera di
4.1 W/m² quello
nel GREEN
Contributi
avvettivi simili
Contributi
avvettivi simili
Contributo termico dell’avvezione verticale è sempre negativo (upwelling).
Nel GREEN è più negativo: aumento dell’upwelling nel GREEN in risposta
alla variazione del campo di temperatura superficiale.
Conclusioni
1.
L’inserimento del modello biologico PELAGOS nel nostro modello
fisico genera un feedback sulla temperatura oceanica.
2.
La variazione di temperatura è più intensa (> |0.5| °C) dove la
concentrazione di clorofilla è più elevata, ovvero:
I.
II.
Nelle zone orientali
A profondità sottosuperficiali
3.
Si crea un dipolo nelle differenze di temperatura tra GREEN e
BLUE
4.
Feedback sulla dinamica circolatoria (aumento dell’upwelling nel
Pacifico orientale)
Implicazioni per il ciclo del carbonio
1.
2.
Variazione di temperatura marina superficiale
potrebbe avere un impatto sui flussi di CO2 con
l’atmosfera:
I.
effetto diretto della variazione di temperatura
II.
effetto indiretto dovuto al cambiamento dei venti
Variazione dell’entità dell’upwelling: impatto sul
rilascio di CO2 dall’oceano all’atmosfera