Riassunto esame Ecologia, Prof. Occhipinti Anna, libro consigliato Elementi di Ecologia, Smith, Thomas M., Smith, Robert L.

Ecologia – II anno scienze biologiche

Ecologia – II anno scienze biologiche – l’ambiente fisico: il clima

Le caratteristiche dell'ambiente fisico, ossia i fattori abiotici, influiscono sullo sviluppo degli organismi viventi e determinano l'abitabilità della Terra. Gli organismi interagiscono con l'ambiente fisico, a scale temporali diverse:

• Nell'arco di numerose generazioni l'ambiente fisico imprime una direzione al processo della selezione naturale, favorendo individui con certe caratteristiche rispetto ad altri;
• A scala temporale più breve l'ambiente fisico influenza la fisiologia di un organismo e la disponibilità delle risorse.

Il clima rappresenta l'aspetto dell'ambiente fisico che influenza maggiormente un particolare ecosistema, costituendo il condizionamento più significativo per gli organismi. Il tempo rappresenta invece una combinazione di temperatura o umidità, precipitazioni, vento, nuvolosità e di altre condizioni atmosferiche che si verificano in un luogo e in un momento specifico. Il clima rappresenta pertanto un andamento su medio o lungo periodo delle condizioni fisiche prevalenti di un ecosistema, misurabile su scala locale, regionale oppure globale. La quantità di energia solare che raggiunge un determinato ambiente determina la disponibilità di acqua e la disponibilità di calore, determinando pertanto le condizioni climatiche prevalenti. La distribuzione dei diversi climi sulla Terra determina la distribuzione dei diversi ecosistemi/biomi. Nella seguente immagine viene mostrato come esistano dei gradienti di variazione di fattori climatici che determinano la risposta degli organismi. Nella prima immagine (a) si evince come la vegetazione cambi andando da est verso ovest. Tale diversità è determinata dal fatto che le precipitazioni annue diminuiscono poiché vi è un blocco delle nubi e della pioggia determinato dalle montagne rocciose (US). Partendo da est è presente una foresta mesofitica (ossia adattata a condizioni medie di temperatura e umidità), per giungere poi alle foreste di querce e di noce, alla querceta, alla prateria, alle praterie aride fino al deserto. Lo stesso gradiente (b) è osservabile se ci si sposta dall'Equatore verso Nord, poiché le temperature diminuiscono.

La Terra intercetta la radiazione solare

La Terra intercetta la radiazione solare. L'andamento del clima e dunque la distribuzione delle piogge è sostanzialmente influenzata dalla radiazione solare intercettata dalla Terra. L'intercettazione è influenzata dai moti principali che compie il pianeta. La radiazione solare è una radiazione elettromagnetica descrivibile come un torrente di fotoni prodotti dal Sole. Questi fotoni possono essere studiati sia come onde che come particelle. L'energia elettromagnetica è misurata in termini di lunghezza d'onda (λ), ossia la distanza fisica fra due creste successive e in termini di frequenza (v), ossia il numero di creste che attraversano un determinato punto nell'unità di tempo. La radiazione in entrata, ossia quella proveniente dal Sole, presenta una lunghezza d'onda diversa rispetto alle radiazioni in uscita. Tutti gli oggetti emettono energia radiante comportandosi dunque come dei corpi neri. L'energia emessa dipende dalla temperatura dell'oggetto da cui proviene. Tanto più caldo è un oggetto tanto maggiore sarà l'energia emessa; tanto maggiore sarà l'energia e tanto più corta sarà la lunghezza d'onda della radiazione stessa. Di conseguenza, l'energia emessa dal Sole (che presenta una temperatura superficiale di 5800 °C) emette delle radiazioni ad onda corta; al contrario, le radiazioni emesse dalla Terra sono radiazioni ad onda lunga (la temperatura media della superficie terrestre è infatti pari a 15 °C). Quanto spiegato in queste poche righe è riassunto nel grafico di sinistra. Per quanto riguarda le radiazioni ad onda corta in entrata, il 19% dell'energia solare radiante viene assorbita dall'atmosfera, mentre il 30% viene riflessa dalle nuvole dell'atmosfera e dalla superficie terrestre. Infatti, questa riflette la radiazione a seconda del valore di albedo, ossia la riflettanza delle superfici. Ad esempio, la cima di una montagna ricoperta da un ghiacciaio presenta un valore di albedo massimo. Al contrario, un terreno privo di ghiaccio o neve presenta un valore di albedo minimo. Soltanto il 51% della radiazione solare giunge sulla superficie terrestre. Di questo valore, il 23% serve per far evaporare l'acqua, il 7% serve per riscaldare l'aria e il 21% finale riscalda le terre e gli oceani. L’energia ad onda lunga in uscita rappresenta il 117%: tale energia viene intercettata dall'atmosfera. Solamente il 6% riesce ad oltrepassare le nubi, mentre la maggior parte di queste radiazioni intercettate dall'atmosfera vengono nuovamente irraggiate sulla superficie terrestre. Per quale motivo la radiazione in uscita è maggiore rispetto alla radiazione in entrata? Questo dipende sostanzialmente da due ragioni: (1) le radiazioni solari vengono intercettate solamente durante il dì, mentre il rilascio dell'energia termica avviene sia di giorno che di notte. Inoltre, (2) la coltre di nubi irradia verso la Terra la maggior parte della radiazione infrarossa, la quale in ingresso era riuscita ad attraversare l'atmosfera poiché l'energia era più elevata. Questo fenomeno prende il nome di effetto serra. Tale effetto è ciò che determina il mantenimento di una temperatura media superficiale di 15 °C. L'effetto serra è possibile grazie alla presenza in atmosfera dei cosiddetti gas serra, come anidride carbonica, metano o biossido di azoto, che presentano un potere calorifico elevato, che consente loro di trattenere il calore. Della radiazione luminosa esiste un ampio spettro: la luce visibile è compresa tra i 400 e i 700nm. Tale luce visibile viene anche definita PAR (radiazione fotosinteticamente attiva), ossia lo spettro dell'intensità luminosa utilizzato dai vegetali per compiere la fotosintesi. A sinistra dello spettro del visibile è presente l'ultravioletto, che rappresenta in generale una gamma di radiazioni dannose.

La radiazione solare varia con la latitudine

La radiazione solare che viene intercettata dalla Terra varia con la latitudine, determinando il fenomeno delle stagioni. Come mostrato nella successiva immagine, la radiazione solare colpisce la zona al di sotto dell'Equatore in modo ortogonale, colpendo una superficie meno estesa. Oltretutto, in questa zona la radiazione solare ha anche attraversato una minor quantità di atmosfera. Viceversa, al di sopra dell'Equatore, la radiazione presenta una maggior distanza da attraversare e inoltre la radiazione si distribuisce su una superficie più ampia: vi è pertanto una diminuzione di intensità. La stessa situazione raffigurata in questa immagine è quella che determina l'estate nell'emisfero boreale e l'inverno nell'emisfero australe. Questo fenomeno spiega il motivo per cui ai poli vi è una rigorosa diminuzione di temperatura. Tuttavia, questo non spiega il motivo per cui si verifichino delle variazioni stagionali. Le variazioni stagionali dipendono dall'inclinazione dell'asse terrestre, il quale non è perpendicolare ma è leggermente inclinato rispetto all'orbita che il pianeta Terra compie intorno al Sole. Solamente nella regione equatoriale l'intensità luminosa è sempre uguale. Al contrario, durante il solstizio d'estate, che si presenta ogni anno il 21 giugno, il Sole colpisce più intensamente l'emisfero boreale, mentre il 22 dicembre, in cui si verifica il solstizio d'inverno, il Sole colpisce più intensamente l'emisfero australe. Queste variazioni stagionali aumentano all’aumentare della latitudine. La Terra non ruota solamente intorno al Sole, ma ruota anche su sé stessa. Pertanto, nell'arco delle 24 ore si verificano 12 ore di luce e 12 ore di buio.

[Titolo dell'intestazione laterale]

Effetto serra

Nelle scienze dell'atmosfera, l'effetto serra è un particolare fenomeno di regolazione della temperatura di un pianeta (o satellite) provvisto di atmosfera, che consiste nell'accumulo all'interno dell'atmosfera di una parte dell'energia termica proveniente dalla stella attorno alla quale orbita il corpo celeste, per effetto della presenza in atmosfera di alcuni gas, detti appunto "gas serra". Tali gas permettono l'ingresso della radiazione solare proveniente dalla stella, mentre ostacolano l'uscita della radiazione infrarossa riemessa dalla superficie del corpo celeste (caratterizzata da una lunghezza d'onda di circa 15 micron, maggiore della lunghezza d'onda della radiazione entrante): ciò porta da una parte ad un aumento della temperatura del corpo celeste coinvolto dal fenomeno e dall'altra parte a escursioni termiche meno intense di quelle che si avrebbero in assenza dell'effetto serra, in quanto il calore assorbito viene ceduto più lentamente verso l'esterno. Il termine deriva dall'errata analogia con quanto avviene nelle serre per la coltivazione: in questo caso l'aumento di temperatura è dovuto all'assenza di convezione (una modalità di trasferimento del calore) e non all'intrappolamento dell'energia radiante. L'effetto serra, inteso come fenomeno naturale, è essenziale per la presenza e lo sviluppo della vita sulla Terra; al contrario, l'aumento dell'effetto serra, che invece è causato dall'intervento dell'uomo sulla natura, alterando il normale equilibrio termico del pianeta, ha portato nel corso degli anni a mutamenti importanti dal punto di vista climatico e ambientale, per effetto del conseguente riscaldamento globale. L'effetto serra agisce direttamente sul trasferimento radiativo nell'atmosfera terrestre: i raggi solari a corta lunghezza d'onda penetrano facilmente nell'atmosfera raggiungendo in buona parte la superficie del pianeta Terra, dove vengono in parte riflessi ed in parte assorbiti dalla superficie e convertiti in calore. Il calore viene dissipato verso lo spazio sotto forma di irraggiamento infrarosso, secondo le leggi fondamentali dell'irradiazione elettromagnetica (legge del corpo nero di Planck, legge di Stefan-Boltzmann e legge di Wien). L'interferenza dei gas serra (sotto forma di assorbimento o opacità) alla dissipazione della radiazione infrarossa terrestre comporta l'accumulo di energia termica in atmosfera e quindi l'innalzamento della temperatura superficiale fino al raggiungimento di un punto di equilibrio termico-radiativo tra radiazione solare in arrivo e radiazione infrarossa in uscita. L'inquinamento atmosferico dovuto alla continua e crescente combustione di fonti fossili a scopo energetico, alla deforestazione tropicale, all'agricoltura industrializzata e all'estensione della pratica dell'allevamento di bestiame, determina un aumento dei gas serra in atmosfera in particolare dell'anidride carbonica (CO₂), del metano (CH₄), del protossido di azoto o ossido di azoto (N₂O) e dell'ozono (O₃), innalzando così l'effetto serra naturale di una componente antropica e dando origine ai cambiamenti climatici attuali sotto forma di riscaldamento globale.

Dunque, seppur sia vero che la Terra riceva sempre la medesima quantità di luce nel corso dell'anno, alle elevate latitudini, dove il Sole non arriva mai ortogonalmente, la quantità di radiazione solare è più bassa. Questo pattern di diversa esposizione alle radiazioni solari determina dunque questo gradiente di temperatura media annua che si registra nelle varie regioni della Terra. Pertanto, questa diversa esposizione alla luce solare determina un gradiente di temperatura dall'Equatore verso i poli.

Le proprietà fisiche dell’aria

Per quale motivo la temperatura si raffredda all'aumentare dell'altitudine? L'aria che circonda la Terra esercita una forza che prende il nome di pressione atmosferica, che viene misurata come massa totale sopra un determinato punto. All’aumentare dell’altitudine, la densità dell’aria sovrastante si assottiglia e la pressione diminuisce, a causa della compressione delle particelle. Infatti, a causa della minor densità dell'aria, le particelle collidono con minor frequenza e dunque generano meno calore. Inoltre, la superficie terrestre riscaldata dall'energia radiante che è stata assorbita viene riemessa riscaldando l'aria sovrastante. Tale riscaldamento è tanto meno intenso quanto più ci si allontana dalla superficie terrestre. È necessario tenere anche in considerazione i movimenti verticali dell'aria: un volume d'aria a contatto con la superficie terrestre si riscalda. Questo determina una diminuzione della densità che rende l'aria più leggera e dunque questa risale. Essendo l'aria qui meno compressa, essa tende ad espandersi e a raffreddarsi. Questo fenomeno prende il nome di raffreddamento adiabatico (in fisica è detto adiabatico un processo o trasformazione fisica delle variabili macroscopiche di un sistema termodinamico - pressione, temperatura, volume - da uno stato fisico a un altro senza scambi di calore con l'ambiente circostante al sistema). Il tasso di raffreddamento adiabatico è dipendente dall'umidità nell'aria. Nell'aria secca, tale raffreddamento è pari a 10°C ogni 1000m di altitudine, mentre per l'aria umida la variazione è di 6°C ogni 1000m. L'aria che invece ritorna verso la superficie terrestre si riscalda. La temperatura dell'aria diminuisce con l'altitudine, ma non in modo costante. Infatti, nella stratosfera le radiazioni ultraviolette vengono bloccate grazie alla presenza dello strato dell'ozono.

Circolazione delle masse d’aria

Lo strato d'aria che circonda il pianeta è in uno stato di continuo movimento a causa dell'innalzamento e dell'abbassamento delle masse d'aria e della rotazione della Terra sul suo asse. A livello dell'Equatore, l'aria che si riscalda tende ad innalzarsi determinando una zona di bassa pressione. La troposfera rappresenta la zona atmosferica dove avviene il massimo del movimento dell'aria. Risalendo e spostandosi verso i poli, l'aria si raffredda e la sua densità aumenta, comportando un aumento del suo peso e comportando di conseguenza la ricaduta dell'aria verso la superficie terrestre (zona di alta pressione). Di conseguenza, l'aria raffreddata più pesante fluisce nuovamente verso l'Equatore, andando a rimpiazzare l'aria calda che si innalza a sua volta. L'atmosfera non circola però secondo un'unica grande cella, a causa del moto terrestre, nonché a causa dell'orografia terrestre. Inoltre, è importante da tener presente che la Terra, all'Equatore, presenta una velocità di rotazione maggiore che diminuisce spostandosi verso i poli (NB: la Terra ruota da est verso ovest). A livello di un qualsiasi punto sull’equatore dove la circonferenza è pari a 40.176 km, la velocità di rotazione è pari a 1674 km/h. A 60 °nord o sud, la circonferenza terrestre è invece circa la metà di quella dell'Equatore, pari a 20.130 km, mentre la velocità sarà pari a 839 km/h. Per la legge del moto angolare, il momento di un oggetto che si muove da una circonferenza a un'altra minore sarà deflesso nella direzione della rotazione, mentre un oggetto che si muove da una circonferenza a un'altra maggiore sarà deflesso in direzione opposta rispetto a quella di rotazione. Di conseguenza, le masse d'aria non si muovono secondo una singola unica cella, ma secondo sei diverse celle, tre per emisfero. Questo fenomeno è definito effetto Coriolis (in fisica, la forza di Coriolis è una forza apparente, a cui risulta soggetto un corpo quando si osserva il suo moto da un sistema di riferimento che sia in moto rotatorio rispetto a un sistema di riferimento inerziale), dal nome del matematico francese che scoprì tale fenomeno. Questo effetto determina la direzione dei venti e delle correnti oceaniche. In altre parole, l'effetto Coriolis non consente un flusso d'aria diretto dall'Equatore verso i poli, ma determina una deviazione delle masse d'aria, generando una serie di fasci di venti prevalenti, denominati a seconda della direzione da cui provengono (NB: i nomi delle celle non devono essere necessariamente conosciuti). Le celle producono aree di bassa e alta pressione, poiché le masse d'aria salgono dalla superficie e discendono verso di essa, rispettivamente. L'aria discendente forma una fascia di alta pressione semipermanente che prende il nome di zona di alta pressione subtropicale. In figura sono rappresentate le correnti oceaniche mondiali. Da notare come, nel caso dell’aria, la circolazione sia influenzata dalla forza di Coriolis esattamente come il movimento in senso orario nell'emisfero boreale e antiorario nell'emisfero australe, e dai continenti e come gli oceani siano collegati dalle correnti.

La temperatura influenza il contenuto di umidità dell’aria

Le variazioni di temperatura sono fondamentali nel determinare lo scambio dell'acqua tra la terra e l'atmosfera. Ogni volta che la materia, inclusa l'acqua, passa da uno stato ad un altro, l'energia viene assorbita o rilasciata. L'energia totale assorbita o rilasciata per grammo durante un cambiamento di stato è chiamata calore latente. Nel passare da uno stato più ordinato liquido ad uno meno ordinato, gassoso, viene assorbita dell'energia