Il vortice polare è un'area di bassa pressione situata in inverno a media-alta quota sopra la regione artica. È suddiviso in un vortice stratosferico e un altro troposferico e influenza, attraverso le sue dinamiche, il clima e il tempo della nostra regione. Gli eventi di riscaldamento stratosferico improvvisi nel cuore dell'inverno a volte possono indebolirlo o addirittura frammentarlo temporaneamente.
In meteorologia, il vortice polare è una vasta area di bassa pressione che staziona in modo semipermanente a media-alta quota sopra il Polo Nord. È presente quasi continuamente, ma soprattutto durante la stagione fredda, ed è un'area che copre una regione molto vasta, molto più grande di una semplice zona di bassa pressione. Le aree di bassa pressione sull'Europa centrale possono avere un diametro di 1’000-2’000 km o più. Il vortice polare copre l'intero Circolo Polare Artico, con un centro intorno al Polo Nord, e può estendersi fin verso alle medie latitudini.
Il vortice polare è una struttura che si sviluppa principalmente nella stratosfera, tipicamente tra i 12 e i 50 km di altitudine e quindi al di sopra della troposfera (e della tropopausa), lo strato più vicino al suolo dove avvengono i principali processi atmosferici della meteorologia. Al di sopra della regione polare, l'atmosfera è più sottile e la stratosfera inizia già attorno agli 8 km. Tuttavia, una circolazione simile, talvolta accoppiata a quella stratosferica, è presente anche nella troposfera, dove è nota come vortice troposferico. In meteorologia si distingue quindi tra il vortice stratosferico e il vortice troposferico, che interessa principalmente le masse d'aria più vicine al suolo. Osservando la Terra dall'alto, esattamente sopra il Polo Nord, si nota un movimento circolare delle masse d'aria in senso antiorario, con alcune ondulazioni piuttosto che un vero e proprio cerchio perfetto: minore è il numero delle ondulazioni, più circolare è la forma del vortice. In meteorologia, queste ondulazioni sono note anche come onde di Rossby. Un vortice simile, chiamato vortice antartico, è presente anche sopra il Polo Sud.
Il senso di rotazione all’interno del vortice polare è in senso antiorario (mentre per il vortice antartico è in senso orario) ed è determinato dalla forza di Coriolis, una conseguenza della rotazione della Terra attorno al suo asse di rotazione. Il vortice polare stratosferico è il risultato della presenza di forti correnti occidentali che hanno origine alle medie latitudini ad alta quota. Queste correnti derivano dallo squilibrio causato dal riscaldamento solare differente tra le basse e le alte latitudini e dai conseguenti contrasti termici, in particolare durante la stagione fredda (raffreddamento più marcato delle zone artiche rispetto alle zone equatoriali). Sono questi venti che soffiando da ovest verso est, innescano la formazione del vortice più o meno circolare intorno al polo. Il vortice stratosferico si rafforza e si espande in autunno e si indebolisce e si riduce a partire dalla primavera (in estate è assente). Il vortice polare stratosferico ha una forma molto più regolare del vortice troposferico. Tuttavia, possono verificarsi eventi temporanei che lo interrompono e per brevi periodi (da pochi giorni a qualche settimana al massimo) non è più presente. Questo può accadere non solo nella sua fase meno intensa, ma anche in pieno inverno, nel periodo in cui la sua intensità dovrebbe essere massima. Può anche accadere che, a causa della formazione di un'area di alta pressione centrata sul polo, che il vortice e il suo centro si spostino. Durante il semestre estivo, il vortice polare stratosferico è spesso sostituito dall'anticiclone polare estivo: il movimento circolatorio cambia direzione e i venti stratosferici soffiano generalmente da est verso ovest.
Il vortice polare troposferico è anch’esso un'area di bassa pressione centrata attorno al polo. Questo vortice è spesso definito dalla zona di espansione della bassa pressione tra le altitudini di circa 5’000 e 9’000 metri. In genere si estende fino a latitudini comprese tra 40 e 50° N ed è quindi più esteso del vortice stratosferico. È pure delimitato da correnti occidentali, ma ha una struttura meno compatta rispetto a quella del vortice stratosferico. Su una scala di un mese o più, il vortice troposferico è spesso composto da uno o due centri, ma può essere composto da diversi centri su scala giornaliera. In media, durante l'inverno boreale, il vortice presenta da due centri: uno vicino all'isola di Baffin (Canada) e l'altro sulla Siberia nordorientale. A differenza del vortice polare stratosferico, non scompare in estate, ma è molto meno marcato ed esteso. Le correnti occidentali possono quindi essere ancora presenti, anche se sono meno intense e molto meno frequenti. Poiché il vortice polare troposferico è meno compatto, tende a ondulare in modo talvolta caotico. Questo genera improvvisi cambiamenti del tempo alle medie latitudini. Sebbene separati dalla tropopausa, i due vortici possono talvolta interagire e alimentarsi a vicenda.
Il vortice polare troposferico interagisce su larga scala con gli anticicloni subtropicali situati a latitudini inferiori. A causa della rotazione terrestre, non c'è uno scambio diretto di masse d'aria tra l'equatore e il polo, nemmeno ad alta quota. Le correnti a getto delle medie latitudini deviano questi flussi, che cercano di compensare il deficit e il surplus di energia, rispettivamente, nelle regioni polari ed equatoriali. Senza la rotazione terrestre, questo scambio sarebbe un flusso diretto sud-nord e la dinamica dell'atmosfera terrestre sarebbe decisamente diversa da quella che conosciamo oggi.
Maggiore è la velocità di rotazione del vortice polare troposferico (dovuta ad una elevata velocità dei venti in quota), più è intensa e minore è la probabilità che l'aria polare troposferica irrompa verso le medie latitudini (ad esempio verso la Svizzera). In questi casi, la corrente a getto troposferica delle medie latitudini è rettilinea, con poche ondulazioni. Gli scambi di energia tra la zona equatoriale e la zona polare sono più difficili e poche perturbazioni ben organizzate riescono a "scivolare" verso le medie latitudini. Al contrario, un vortice polare troposferico meno intenso genera una corrente a getto più debole ma più ondulata, con onde che favoriscono lo scambio di energia tra l'equatore e il polo. In questo caso, è più probabile che si formino aree di bassa pressione con i relativi fronti che raggiungono anche le medie latitudini. In poche parole un vortice polare troposferico ben formato, intenso e centrato sul Polo Nord porta ad intense correnti da ovest marittime e miti sull’Europa, mentre un vortice polare debole porta ad una maggiore variabilità delle correnti sull’Europa e quindi anche ad un maggiore rischio di ondate di freddo intense. Fra la stratosfera e la troposfera vi sono delle interazioni. A volte i vortici troposferici e stratosferici sono accoppiati e le correnti stratosferiche tendono a propagarsi alla troposfera. Di conseguenza un vortice stratosferico ben strutturato e intenso tenderà in queste situazioni a trascinare con sé il vortice troposferico, rafforzando così le correnti occidentali nella troposfera.
A volte la stratosfera a livello del vortice polare stratosferico si riscalda improvvisamente (fino a 50°C nel giro di pochi giorni). Si tratta del cosiddetto riscaldamento stratosferico improvviso. Questo riscaldamento stratosferico, noto come " sudden stratospheric warming " (o talvolta "stratwarming") e abbreviato SSW, è di un certo interesse per le conseguenze che può avere sul tempo dell’Europa e del Nord America (ad esempio con ondate di freddo alle medie latitudini, come la Svizzera). Quando si verifica uno stratwarming, nella stratosfera si forma un'area di alta pressione che frammenta e divide il vortice polare in due o più parti, che si spostano dal polo a latitudini leggermente inferiori. Questa dislocazione del vortice polare stratosferico può propagarsi nella troposfera e rallentare e interrompere il flusso della corrente a getto. Anche il vortice polare troposferico, a circa 5’000 m di altitudine, può dividersi in più parti indipendenti (centri di bassa pressione) chiamate lobi.
Va notato, tuttavia, che la circolazione troposferica non è sempre accoppiata alla stratosfera. È possibile avere un potente vortice stratosferico e una debole corrente occidentale nella troposfera. Al contrario, il riscaldamento nella stratosfera non sempre si riflette nella troposfera.
È dai lobi che l'aria fredda di origine polare o addirittura artica viene talvolta convogliata verso latitudini più basse, verso l'Europa, il Nord America o l'Asia. Il posizionamento dei lobi è piuttosto casuale, dato anche il movimento caotico dell'atmosfera, ma va tenuto presente che le analisi climatologiche della frequenza di posizionamento dei lobi sono ancora difficili da effettuare a causa della mancanza di una serie di misura sufficientemente lunghe e omogenee. Tuttavia, vi è una posizione particolare che se è assunta da un lobo è decisiva per determinare la comparsa o meno di un'ondata di freddo sull'Europa. Nel nostro continente, per avere ondate di freddo forti ed estreme, il lobo deve posizionarsi tra la Siberia e l'Europa orientale, come è già successo in passato. Con un vortice polare troposferico destrutturato e quindi una corrente occidentale più debole della media, delle dorsali anticicloniche possono estendersi verso il Mare del Nord e l'Atlantico. Queste condizioni favoriscono l'instaurarsi di una corrente proveniente dall'Europa orientale, che può portare aria fredda dai lobi dalla Siberia. In queste situazioni si verificano temperature estreme in Europa e in Svizzera, sia ad alta che a bassa quota.
L'ultimo evento di riscaldamento stratosferico degno di nota che ha portato a un afflusso di aria fredda sull'Europa è stato nel febbraio 2018. A metà febbraio si è verificato un significativo riscaldamento della stratosfera con una scissione del vortice polare stratosferico in due parti, una sull'Europa occidentale e l'altra sul Pacifico settentrionale.
Nella situazione citata il riscaldamento stratosferico si è diffuso verso la troposfera e ha frammentato il vortice troposferico, creando un lobo in posizione favorevole per un afflusso di aria molto fredda sull'Europa. Una corrente orientale ha trasportato l'aria siberiana verso l'Europa occidentale.
Tuttavia, il fenomeno è rimasto abbastanza limitato nel tempo: nel 2018, circa dieci giorni dopo, il vortice polare ha ripreso forza e l'ondata di freddo in Europa ha lasciato nuovamente il posto a correnti più miti provenienti da ovest. Il riscaldamento stratosferico non ha sempre caratterizzato gli inverni freddi del passato, soprattutto perché il fenomeno riguarda un periodo di tempo e un’estensione geografica piuttosto limitati. Le ondate di freddo si verificano anche senza un precedente episodio di SSW.
La dinamica del vortice sopra il Polo Sud è simile a quella del vortice artico, con l'eccezione che la corrente ruota in senso orario, come attorno a tutte le aree di bassa pressione nell'emisfero meridionale. È molto raro che i due vortici polari, quello artico e quello antartico, siano presenti e forti allo stesso tempo, poiché le stagioni sono invertite nei due emisferi. Il vortice antartico (sia stratosferico che troposferico) ha generalmente una forma più regolare, con una circolazione leggermente più circolare intorno al polo, che tende a ondulare meno. Le ragioni sono molteplici, legate alla dinamica atmosferica e in particolare al fatto che alle medie latitudini dell’emisfero meridionale le terre emerse (vale a dire i continenti) sono meno estesi rispetto alla situazione dell’emisfero settentrionale. Il vortice polare antartico tende a frammentarsi di meno e gli eventi di riscaldamento stratosferico, pur presenti, sono meno studiati e c'è ancora molta incertezza sull'argomento.