Feedback tra biologia e fisica nel Feedback tra biologia e fisica nel Pacifico Equatoriale: risultati da Pacifico Equatoriale: risultati da

simulazioni numerichesimulazioni numeriche

L. Patara, M. Vichi, P. G. Fogli, S. Masina, E. ManziniL. Patara, M. Vichi, P. G. Fogli, S. Masina, E. Manzini

INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia)INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia)

CMCC (Centro Euro-Mediterraneo per i Cambiamenti Climatici)CMCC (Centro Euro-Mediterraneo per i Cambiamenti Climatici)

WORKSHOP W10 Progetto VECTORWORKSHOP W10 Progetto VECTORRimini, 10-11 settembre 2007Rimini, 10-11 settembre 2007

ObiettiviObiettivi

• Valutare l’effetto dell’inserimento di un Valutare l’effetto dell’inserimento di un modello biologico in un modello fisicomodello biologico in un modello fisico

• Quantificare il feedback in termini di Quantificare il feedback in termini di variazioni di proprietà fisiche del sistemavariazioni di proprietà fisiche del sistema

Il feedback bio-ottici della biologia sulla Il feedback bio-ottici della biologia sulla fisicafisica

• Questo processo dà luogo ad un riscaldamento locale:Questo processo dà luogo ad un riscaldamento locale:

• La biologia modifica la curva di radiazione solare penetrante dando luogo a La biologia modifica la curva di radiazione solare penetrante dando luogo a dei massimi di assorbimento dove essa è più abbondante.dei massimi di assorbimento dove essa è più abbondante.

• La radiazione solare entrante viene attenuata esponenzialmente con la La radiazione solare entrante viene attenuata esponenzialmente con la profondità:profondità:

zzQzE biowSPAR exp)(

zdzC

Q

t

TTOT

p

S

exp

• Nakamoto et al. (2001):Nakamoto et al. (2001):

I.I. Assorbimento della radiazione solare aumenta in superficieAssorbimento della radiazione solare aumenta in superficie

II.II. Diminuzione della profondità dello strato rimescolato all’EquatoreDiminuzione della profondità dello strato rimescolato all’Equatore

III.III. Aumento dell’upwelling per aggiustamento geostroficoAumento dell’upwelling per aggiustamento geostrofico

IV.IV. Diminuzione intorno a 1°C della temperatura marina superficialeDiminuzione intorno a 1°C della temperatura marina superficiale

• Murtugudde et al. (2002):Murtugudde et al. (2002):

I.I. Riscaldamento radiativo è al di sotto dello strato rimescolatoRiscaldamento radiativo è al di sotto dello strato rimescolato

II.II. Diminuzione della stratificazione e attenuazione delle correnti Diminuzione della stratificazione e attenuazione delle correnti superficialisuperficiali

III.III. Aumento intorno a 2°C della temperatura marina superficialeAumento intorno a 2°C della temperatura marina superficiale

Alcuni studi nel Pacifico equatorialeAlcuni studi nel Pacifico equatoriale

OceanoOPA 8.2 (ORCA2)

(Madec et al. 1998)

Ghiaccio marinoLIM (ORCA2)(Timmermann(Timmermann

et al. 2005)et al. 2005)

CouplerOASIS3

(Valcke et al. 2004)

Biogeochimica MarinaPELAGOS (ORCA2)

(Vichi et al. 2007 a,b)

AtmosferaECHAM5 (T31L19)

(Roeckner et al. 2006)

Il Modello di Sistema Terra INGV-CMCCIl Modello di Sistema Terra INGV-CMCC

Configurazione degli esperimentiConfigurazione degli esperimenti

• Gli esperimenti BLUE e GREEN:Gli esperimenti BLUE e GREEN:– hanno le stesse condizioni iniziali per la fisica hanno le stesse condizioni iniziali per la fisica – differiscono solo per l’aggiunta del modello biologico nel GREEN.differiscono solo per l’aggiunta del modello biologico nel GREEN.

• L’analisi viene effettuata sugli ultimi 50 anni di simulazione.L’analisi viene effettuata sugli ultimi 50 anni di simulazione.

BLUEBLUE

GREENGREEN

Oceano, Atmosfera, GhiaccioOceano, Atmosfera, Ghiaccio

Oceano, Atmosfera, Ghiaccio, Biogeochimica marinaOceano, Atmosfera, Ghiaccio, Biogeochimica marina

220 anni220 anni 50 anni50 anni

Struttura del campo di clorofilla (mg/mStruttura del campo di clorofilla (mg/m³³))

ModelloModelloClimatologiaClimatologia

Satellite SeaWiFSSatellite SeaWiFSMedia 1997-2003Media 1997-2003

Pacifico Equatoriale: alta Pacifico Equatoriale: alta produttività e forte gradiente produttività e forte gradiente

con i giri subtropicalicon i giri subtropicali

Differenza di T oceanica (°C) tra GREEN e BLUEDifferenza di T oceanica (°C) tra GREEN e BLUEMappe del Pacifico EquatorialeMappe del Pacifico Equatoriale

5 m5 m

95 m95 m

55 m55 m °C°C

Sezioni meridionale a 100W nel Pacifico EquatorialeSezioni meridionale a 100W nel Pacifico EquatorialeDifferenza di T (°C) tra GREEN e BLUE (colori)Differenza di T (°C) tra GREEN e BLUE (colori)

Concentrazione di clorofilla in mg/mConcentrazione di clorofilla in mg/m³³ (contorni) (contorni)°C°C

Termini che contribuiscono al bilancio Termini che contribuiscono al bilancio termico in un puntotermico in un punto

1.1. Assorbimento della radiazione solareAssorbimento della radiazione solare

2.2. Avvezione di calore (zonale, meridionale e verticale)Avvezione di calore (zonale, meridionale e verticale)

3.3. Diffusione di calore (orizzontale e verticale) Diffusione di calore (orizzontale e verticale)

4.4. Flussi di calore all’interfaccia con l’atmosferaFlussi di calore all’interfaccia con l’atmosfera

TATuzdzC

Q

t

TvTOT

p

S

exp

Integrazione dei flussi di calore fino a 140 m di Integrazione dei flussi di calore fino a 140 m di profondità e tra 20° S e 15° Nprofondità e tra 20° S e 15° N

Sezione a 100 WSezione a 100 W

Differenza di T Differenza di T NEGATIVANEGATIVA

Contributo Contributo radiativo nel radiativo nel BLUE supera di BLUE supera di 4.1 W/m4.1 W/m² quello ² quello nel GREENnel GREEN

Contributi Contributi avvettivi similiavvettivi simili

Differenza di T Differenza di T POSITIVAPOSITIVA

Contributo Contributo radiativo nel radiativo nel GREEN supera di GREEN supera di 5.1 W/m5.1 W/m² quello ² quello nel BLUEnel BLUE

Contributi Contributi avvettivi similiavvettivi simili

Contributo termico dell’avvezione verticale è sempre negativo (upwelling). Contributo termico dell’avvezione verticale è sempre negativo (upwelling).

Nel GREEN è più negativo: aumento dell’upwelling nel GREEN in risposta Nel GREEN è più negativo: aumento dell’upwelling nel GREEN in risposta alla variazione del campo di temperatura superficiale. alla variazione del campo di temperatura superficiale.

ConclusioniConclusioni

1.1. L’inserimento del modello biologico PELAGOS nel nostro modello L’inserimento del modello biologico PELAGOS nel nostro modello fisico genera un feedback sulla temperatura oceanica.fisico genera un feedback sulla temperatura oceanica.

2.2. La variazione di temperatura è più intensa (> La variazione di temperatura è più intensa (> ||0.50.5|| °C) dove la °C) dove la concentrazione di clorofilla è più elevata, ovvero:concentrazione di clorofilla è più elevata, ovvero:

I.I. Nelle zone orientaliNelle zone orientali

II.II. A profondità sottosuperficialiA profondità sottosuperficiali

3.3. Si crea un dipolo nelle differenze di temperatura tra GREEN e Si crea un dipolo nelle differenze di temperatura tra GREEN e BLUEBLUE

4.4. Feedback sulla dinamica circolatoria (aumento dell’upwelling nel Feedback sulla dinamica circolatoria (aumento dell’upwelling nel Pacifico orientale)Pacifico orientale)

Implicazioni per il ciclo del carbonioImplicazioni per il ciclo del carbonio

1.1. Variazione di temperatura marina superficiale Variazione di temperatura marina superficiale potrebbe avere un impatto sui flussi di COpotrebbe avere un impatto sui flussi di CO22 con con l’atmosfera: l’atmosfera:

I.I. effetto diretto della variazione di temperatura effetto diretto della variazione di temperatura

II.II. effetto indiretto dovuto al cambiamento dei ventieffetto indiretto dovuto al cambiamento dei venti

2.2. Variazione dell’entità dell’upwelling: impatto sul Variazione dell’entità dell’upwelling: impatto sul rilascio di COrilascio di CO22 dall’oceano all’atmosfera dall’oceano all’atmosfera