Efectos de la Oscilación Cuasi-Bienal estratosférica sobre la asociación entre la Oscilación del Atlántico Norte y la actividad geomagnética

El objetivo de este trabajo de Tesis es determinar los efectos de las fases de la Oscilación Cuasi-Bienal (QBO) sobre la influencia de la actividad geomagnética en la Oscilación del Atlántico Norte (NAO). La QBO consiste en un patrón de circulación zonal en la estratosfera ecuatorial que afecta al jet polar estratosférico, el cual es parte del fundamento físico que explica el efecto de la actividad geomagnética sobre la NAO. La QBO actuaría entonces como un “regulador” de esta asociación introduciendo un efecto no lineal en la cadena de eventos que van desde el Sol hasta la troposfera de la Tierra, donde actúa la NAO. Se trabajó en dos aspectos de este problema: (1) físico: a través del análisis de la circulación meridional generada por la QBO que afecta a la estratosfera polar y de la influencia de este proceso en la cadena de eventos que relacionan la actividad geomagnética con la NAO, y (2) estadístico: aplicando un método de filtrado que permite eliminar el efecto no-lineal de la QBO sobre los mecanismos que explican la asociación entre la actividad geomagnética y la NAO. Los resultados obtenidos confirman que la QBO tiene un rol significativo modulando esta asociación.

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1. Efectos de la Oscilación Cuasi-Bienal estratosférica sobre la asociación entre la Oscilación del Atlántico Norte y la actividad geomagnética Micaela Gandur Directora: Ana G. Elias 1
2. Esquema de la presentación: 1. Conceptos básicos y antecedentes: 1.1 Actividad solar y geomagnética 1.2 Oscilación del Atlántico Norte (NAO) 1.3 Oscilación CuasiBienal (QBO) 1.4 Vórtice Polar 1.5 Antecedentes 2. Datos 3. Análisis y resultados 4. Discusión y conclusiones 2
3. Actividad solar Índices de actividad solar: Rz, F10.7, ... Se debe a la variación del campo magnético del Sol ↓ todos los aspectos de este varían, como la REM emitida. Índices de actividad geomagnética: Kp, Ap, aa, Dst, ... Producto de la interacción entre el viento solar y la magnetosfera, que se manifiesta en la Tierra como perturbaciones en el campo magnético. Actividad geomagnética ↑ actividad geomagnética → ↑ EPP 3
4. Oscilación del Atlántico Norte (NAO) → Nivel del mar → Oscilación meridional → Latitudes medias y altas Es una oscilación meridional en la masa atmosférica sobre el Atlántico Norte con centros de acción en sistemas permanentes de presión. *Diferencia entre las anomalías estandarizadas de la presión SPL en localidades representativas de los núcleos de presión. *Basados en la descomposición en “componentes principales” de las anomalías de la presión SPL sobre Atlántico Norte. En el área entre estos patrones de circulación pasa una corriente de chorro. 4
5. Oscilación Cuasi-Bienal (QBO) →Estratósfera → Oscilación zonal → Ecuador y latitudes bajas w e Es un régimen de vientos alrededor del ecuador que alterna entre vientos zonales que se propagan desde el este (-) y desde el oeste (+) en la estratosfera. El gradiente del viento vertical resulta en diferencias de temperatura latitudinales y en una circulación meridional asociada a un ascenso (o descenso) de aire en el ecuador y luego un descenso (o ascenso) de aire en latitudes más altas. 5
6. Vórtice polar →Estratósfera → Flujo zonal → Latitudes medias y altas ↓U ↑ T ↑U ↓T Es un flujo vientos intensos en la estratosfera que circulan de oeste a este, que rodea a cada polo geográfico en latitudes medias o altas. Se forma en el otoño. En los solsticios ∇ T meridional es diferente en la troposfera que en la estratosfera. 6 Invierno HN Invierno HS
7. Antecedentes relacionados a esta tesis Rol de la QBO sobre la asociación entre NAO y actividad geomagnética QBO Vórtice Polar estratosférico Posible vía estratosférica como conexión de la perturbación de las oscilaciones ecuatoriales QBO en la influencia de la actividad geomagnética a la superficie hemisférica norte representada por el índice NAO. Mediador! 7
8. (A) Mecanismos que explicarían la vinculación Sol-Clima: (1) la irradiancia del Sol (2) las partículas energéticas solares (3) los rayos cósmicos galácticos cuyo flujo es modulado por el Sol + EPP ↓ + NOx y HOx ↓ - ozono ↓ - T ↓ +∇ T meridional ↓ + U 8
9. Conexión entre la QBO y el vórtice polar: Efecto Holton-Tan (HT) • QBO, fase easterly → vórtice polar más perturbado en la baja estratosfera: T mayor y U menos intensa • QBO, fase westerly → vórtice polar más estable en la baja estratosfera: T menor y U más intensa (B) eQBO → ondas planetarias pueden propagarse wQBO → ondas planetarias se disipan Línea subtropical de viento zonal medio cero ↓ Línea crítica para las ondas planetarias. wQBO eQBO Ondas planetarias propagándose 9
10. Relación de la NAO con el vórtice polar estratosférico: acoplamiento dinámico entre la estratosfera y la troposfera (C) Vórtice polar perturbado: T mayor y U menos intensa. Jet Polar más ondulante dando acceso a latitudes más altas al aire más cálido de latitudes medias. NAO – Vórtice polar estable: T menor y U más intensa. Jet Polar estable, más al norte y exhibe un flujo más zonal. NAO + 10
11. Rol de la QBO en la asociación entre la actividad solar con la estratosfera polar de invierno: Labitzke, K. (1987). Sunspots, the QBO, and the stratospheric temperature in the north polar region, Geophys. Res. Lett. 14, 135-137. 11
12. Rol de la QBO en la asociación entre las EPP con la NAM: Maliniemi et al. (2016). Effect of geomagnetic activity on the northern annular mode: QBO dependence and the Holton-Tan relationship, J. Geophys. Res., 121, 10043–10055. 12
13. Esquema de la presentación: 1. Conceptos básicos y antecedentes: 2. Datos 2.1 Índice de Actividad solar y geomagnética 2.2 Índice NAO 2.3 Índice QBO 2.4 Viento y Temperatura de la estratósfera polar 2.5 Selección de series de datos 3. Análisis y resultados 4. Discusión y conclusiones 13
14. Índices de actividad solar y geomagnética: Rz (rojo) ⇒ revisada recientemente por WDC-SILSO (World Data Center - Sunspot Index and Long-term Solar Observations), Royal Observatory de Bélgica, Bruselas (https://www.sidc.be/silso/datafiles). F10.7 (verde) ⇒ Los datos son procesados por “Space Weather Canada” del National Research Council, (https://spaceweather.gc.ca/forecast-prevision/solar-s olaire/solarflux/sx-en.php). • Indices de actividad solar: • Indices de actividad geomagnética: Kp (azul), Ap (negro) y aa (marrón) ⇒ promedios mensuales a partir de datos diarios disponibles en el World Data Center de Kyoto (https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html). Promedio móvil de 11 años Promedio anual Promedio mensual 14
15. Índices NAO (A) ⇒ Hurrell basada en descomposición en “componentes principales” PC: 20°N-80°N, 90°W-40°E (azul) https://climatedataguide.ucar.edu/ climate-data/hurrell-north-atlantic-oscillation-nao-index-pc-bas ed (B) ⇒ Hurrell basada en estaciones: Lisboa, Portugal y Stykkisholmur/Reykjavik, Islandia (negro) https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/hurrell-north-a tlantic-oscillation-nao-index-station-based (C) ⇒ Jones basada en estaciones: Gibraltar y el suroeste de Islandia (verde) (https://crudata.uea.ac.uk/ cru/data/nao (D) ⇒ basada en datos diarios de RPC: de 500 mb entre 0 °N -90°N (rojo). https://www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/nao/ Series de promedios del invierno extendido (DJFM) DJFM 15
16. ⇒ promedios mensuales de las estaciones: Canton Island (2.8°S, 171.7°O), Gan/Maledive Islands (0.7°S, 73.2°E) y Singapur (1.4°N, 103.9°E) https://www.geo.fu-berlin.de/en/met/ag/strat/produkte/qbo/index.html Velocidad zonal [m/s] a: • 70hPa (~17 km), • 50 hPa (~20 km), • 40h Pa (~22 km), • 30 hPa (~24 km), • 20 hPa (~26 km), • 15 hPa (~28 km), • 10 hPa (~30 km) Índices QBO Mensual e w 16
17. Vórtice Polar: ▪ latitud: 50°N a 90°N ▪ longitud: 0° a 357.5°E ▪ nivel de altura: 10 hPa (~30 km), 20 hPa (~26km) y 30 hPa (~24 km) • Promedios zonales ⇒ • Promedio en latitud ⇒ x 3 DJFM Alturas Áreas Inviernos ⇒Reanálisis NCEP/NCAR R1 ttps://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.derived.pressure.html Cobertura espacial global: entre los 90°S y 90°N en latitud, y entre los 0°E y 357.5°E en longitud, con una resolución de 2.5°×2.5° (grilla de 144×72 puntos). 17
18. Selección de series de datos Promedios: D, J, F, M, DJFM, DJF, JFM, DJ, JF, y FM 400 Series!! Datos Actividad solar y geomagnética: Rz, F10.7 , Ap, Kp, aa Datos QBO: 70, 50, 40, 30, 20, 15,10 hPa Datos Vórtice polar: 60, 50-90, 60-90, 70-90ºN 30, 20,10hPa Datos NAO: (A) ⇒ Hurrell basada en estaciones (B) ⇒ Hurrell basada en PC (C) ⇒ Jones basada en estaciones (D) ⇒ basada en datos diarios de RPC Período 1953-2021 18
19. Esquema de la presentación: 1. Conceptos básicos y antecedentes: 2. Datos 3. Análisis y resultados 3.1 Análisis de correlación entre las series de la NAO y los índices solares 3.1.1 Sin filtrado 3.1.2 Filtrando según las fases QBO 3.1.3 Filtrando según las fases QBO e intensidad de la actividad geomagnética 3.2 Rol del vórtice polar estratosférico. Análisis de correlación con: 3.2.1 Índices solares 3.2.2 QBO 3.2.3 NAO 4. Discusión y conclusiones 19
20. Análisis de correlación entre las series de la NAO y los índices solares • Sin filtrado 20
21. • Filtrado según la fase de la QBO a 30 y 50 hPa • Sin filtrado Análisis de correlación entre las series de la NAO y los índices solares 21
22. Serie sin filtrar eQBO wQBO Análisis de asociación entre las series de la NAO y los índices solares DJFM 22
23. • Filtrado según la fase de la QBO a 30 hPa y según intensidad de la actividad geomagnética Análisis de correlación entre las series de la NAO y los índices solares 23
24. Rol del vórtice polar estratosférico mediante el análisis de correlación (A) • Sin filtrado 24
25. Rol del vórtice polar estratosférico mediante el análisis de correlación (A) • Filtrado según la fase de la QBO a 30 hPa 25
26. (A) r(Ap,T) eQBO30 wQBO30 (a) (b) (c) (d) (e) (f) r(Ap,U) Rol del vórtice polar estratosférico mediante el análisis de correlación *0.68 0.08 *0.42 -0,05 *0.23 *0.22 20 hPa 26 DJFM
27. Rol del vórtice polar estratosférico mediante el análisis de correlación (B) • Sin filtrado 27
28. Rol del vórtice polar estratosférico mediante el análisis de correlación • Sin filtrado (C) 28
29. Esquema de la presentación: 1. Conceptos básicos y antecedentes: 2. Datos 3. Análisis y resultados 4. Discusión y conclusiones 4.1 Interpretación del rol de la QBO en la detección de la asociación de la NAO con la actividad geomagnética 4.2 Interpretación del rol del vórtice polar como intermediario 4.3 Conclusiones generales 4.4 Líneas futuras de investigación 29
30. * correlación positiva entre la NAO y los índices Ap con significancia estadística en el caso de Ap para dos de las series de la NAO (A y C) con un bajo porcentaje de varianza explicada. *Se consideró a la QBO como forzante adicional, suponiendo una interacción no-lineal con el forzante solar. Se utilizó un proceso de filtrado sencillo y que tiene en cuenta esta no-linealidad. Los resultados obtenidos indican que cuando se consideran solo los años de fase eQBO a 30 hPa la correlación entre la NAO y el índice de actividad geomagnética, mejora y se diferencian notablemente con respecto a la correlación cuando se consideran los años de fase wQBO resultando más evidente en el período final del invierno. *además se vio que en eQBO los promedios NAO son negativos cuando hay baja actividad geomagnética y positivos con alta intensidad geomagnética. Estas observaciones sobre el rol de la QBO en esta asociación NAO-Sol, constituye un fuerte indicio de la influencia de la estratosfera en el mecanismo físico que explica esta relación. Es decir que la estratosfera actuaría como mediadora. QBO Interpretación del rol de la QBO en la detección de la asociación de la NAO con la actividad geomagnética 30
31. QBO • U claramente correlaciona con Ap cuando las series correlacionadas incluyen solo años con fase eQBO a 30 hPa. * Al estudiar a la NAO y QBO se pude apreciar que en general correlacionan significativamente con el vórtice polar, con valores positivos considerando U y negativos con T a 30 hPa. Vórtice Polar estratosférico (A) (B)(C) Interpretación del rol del vórtice polar como intermediario + EPP → + NOx, HOx → - ozono → - T → + U (Vórtice polar estable) Vórtice polar fuerte y estable + U → jet polar en la troposfera estable → NAO+ 31 QBO → Vórtice polar
32. QBO Vórtice Polar estratosférico Podemos concluir que la QBO cumple el rol planteado en la hipótesis de este trabajo, de regular la asociación entre la NAO y la actividad geomagnética, a través de su efecto sobre el vórtice polar. Resultando asertivo el supuesto planteado de una posible vía estratosférica como conexión de la perturbación de las oscilaciones ecuatoriales QBO en la influencia de la actividad geomagnética a la superficie hemisférica norte representada por el índice NAO. Conclusiones generales 32
33. Líneas futuras de investigación (1) Indagar como la variación de largo plazo en la concentración de gases de efecto invernadero, no relacionada con la actividad solar y geomagnética, interviene en su asociación con la NAO y con la intervención del vórtice polar; (2) repetir el análisis para la serie de la NAM que incluye régimen zonal completo (3) profundizar el estudio para el período de invierno FM durante el cual el vórtice polar comienza a desvanecerse (4) hacer un estudio aislando los años que presenten SSW (calentamientos estratosféricos repentinos) (5) hacer un análisis considerando sectores zonales en vez del promedio zonal completo, para profundizar el estudio de T en el vórtice polar y su asociación con la NAO, Ap y F10.7. (6) incluir en el análisis estadístico otros índices de oscilación de la atmósfera como el ENSO (El Niño Southern Oscillation) (7) hacer un análisis análogo y uno comparativo con el hemisferio sur (8) analizar los efectos espurios que introduce el proceso de filtrado de separación de datos en función de la QBO generando dos series en el caso de la NAO, el cual puede introducir periodicidades y asociaciones de índole solo estadística (Salby & Shea, 1991; Elias & Zossi, 2006); (9) examinar la concentración de ozono en la estratósfera polar y su relación con el vórtice polar, la QBO y la actividad solar y geomagnética. 33
34. Publicaciones • Presentación oral en la 107º Reunión de la Asociación de Física Argentina en 2022, exponiendo el Rol de la QBO en la asociación entre el vórtice polar estratosférico y la actividad geomagnética. 34
35. Agradecimientos A mis padres les estoy infinitamente agradecida por apoyarme, impulsarme y a veces hasta insistirme a estudiar mi carrera, por contenerme estos años y darme amor incondicional toda mi vida. A mi directora Georgina, por inspirarme a superarme y dar lo mejor de mí, por compartir generosamente su conocimiento con constante buena predisposición, por acompañarme y ayudarme tanto en lo académico como en la vida. A mi familia y mis amigos que hacen mi vida más bonita, por preocuparse y apoyarme en mis decisiones y muchas veces escucharme hablar de física aun cuando no me entendían. A mis facu-amigos que fueron indispensables desde el primer día. Con ustedes a los días de cursado no les faltaron risas, ayuda y buena compañía, haciendo más sencilla toda la carrera. A los profesores que me enseñaron y acompañaron a lo largo de estos años, transmitiendo su pasión por la física en sus diversas áreas. Al jurado por tomarse el tiempo de leer y corregir mi trabajo, sus devoluciones fueron muy útiles para mejorar esta tesis. También agradezco al Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología (FACET), de la Universidad Nacional de Tucumán (UNT), por el lugar que me brindó para realizar este trabajo de Tesis. A la Secretaría de Ciencia, Arte e Innovación Tecnológica (SCAIT) de la UNT por la Beca Estudiantil CIUNT otorgada para realizar esta investigación. 35
36. Muchas gracias !! 36