Terra, motore del clima

L'atmosfera è l'involucro gassoso che la forza di gravità raccoglie intorno alla Terra; è composta da: 78% di azoto, 21% di ossigeno, tracce dei cinque gas nobili (elio, neon, argon, kripton, xenon), 0,035% di anidride carbonica, vapore acqueo, ozono e altri elementi. Essa ha un'importanza fondamentale per la superficie terrestre. I suoi gas, in particolare l'ossigeno e l'azoto, sono essenziali per lo sviluppo della vita vegetale e animale sulla superficie terrestre, mentre l'ozono ci protegge dai raggi ultravioletti del Sole; nell'atmosfera inoltre si forma il vapore acqueo, fondamentale per le precipitazioni e quindi per la vita.

Con la sua massa gassosa essa attenua gli sbalzi della temperatura tra il giorno e la notte e i movimenti d'aria che la rimescolano continuamente rendono più uniforme la distribuzione di calore e di umidità sulla superficie della Terra.
L'atmosfera ha un'altezza indefinita poiché i gas che la compongono, via via che aumenta l'altitudine, si dilatano sempre più, finché, anche per la ridotta attrazione terrestre, si disperdono nello spazio. Tenendo conto delle sue caratteristiche, si è notato però che l'atmosfera ha una struttura stratificata ben definita.
Lo strato più vicino al suolo, chiamato troposfera, ha uno spessore variabile: questo infatti è di 15.000 m. nella fascia equatoriale e diminuisce gradualmente fino a ridursi a 8000 m. in corrispondenza delle regioni polari. In questo strato si concentra il 90% di tutta l'aria e il 75% del vapore acqueo.
Al di sopra della troposfera si estende la stratosfera, nella quale è presente uno strato di ozono che assorbe le radiazioni ultraviolette del Sole.
I fenomeni atmosferici avvengono quasi tutti nella troposfera. Essa è rimescolata da continue turbolenze, che danno vita a tutti quei fenomeni che caratterizzano il tempo meteorologico.

Il motore del clima

Il Sole è la fonte di energia che rende possibili i fenomeni meteorologici. La temperatura, la circolazione atmosferica, l'evaporazione dei mari, l'intero ciclo dell'acqua, hanno come motore la luce del Sole. Essa infatti irradia nello spazio circostante una enorme quantità di energia che scalda l'atmosfera e la superficie terrestre, distante dal Sole circa 150 milioni di chilometri, permettendo la vita. L'energia solare provoca l'evaporazione delle acque marine e quindi la formazione di quel vapore acqueo che, condensandosi, origina le precipitazioni. Infine la diversa quantità di calore assorbita dalla superficie terrestre produce nell'atmosfera la formazione di quelle zone di alta e bassa pressione che sono la causa principale del variare del tempo meteorologico nel corso dell'anno.
Temperatura e pressione
I mutamenti che si verificano nella troposfera hanno origine nella continua ricerca dell’equilibrio tra temperatura e pressione.
Uno dei fattori che influisce sulla temperatura è l'altitudine: infatti più ci si alza sul livello del mare, più diminuisce la temperatura. Un altro fattore fondamentale è la latitudine, cioè la distanza dall'equatore. Ciò dipende dall'angolo di incidenza dei raggi solari sulla superficie terrestre; infatti, più i raggi sono inclinati e minore è la loro capacità di riscaldare la superficie terrestre e l'aria sovrastante; essendo la terra una sfera, i raggi solari hanno un angolo di incidenza diverso da un luogo all'altro, a seconda della latitudine, cioè in base alla maggiore o minore distanza di ogni località dall'equatore e dal polo. All'equatore i raggi solari giungono sulla superficie terrestre perpendicolari o quasi; man mano che ci si allontana dall'equatore l'angolo di incidenza dei raggi solari diminuisce, finché nella zona polare essi sono radenti il terreno. Ne deriva che all'equatore e nelle regioni vicine l’irradiazione è fortissima; ma via via che si procede verso il polo, essa diminuisce gradatamente, fino a divenire debolissima.
A determinare la diversità delle temperature della Terra contribuisce anche il fatto che sulla superficie si alternano masse continentali e masse oceaniche: le rocce delle masse continentali tendono a riscaldarsi e a raffreddarsi molto più rapidamente dell'acqua degli oceani e delle superfici lacustri, che impiegano invece molto tempo a riscaldarsi e molto tempo poi a raffreddarsi; in conseguenza di ciò, l'aria che si trova sopra i continenti (soprattutto nelle regioni più interne) tende a riscaldarsi o a raffreddarsi rapidamente, facendo registrare forti e rapidi sbalzi di temperatura, cioè una forte escursione termica – che è la differenza tra la temperatura massima e la temperatura minima registrate in un luogo - tra il giorno e la notte (e. t. diurna) e tra le diverse stagioni (e. t. annua). Sugli oceani e sui grandi laghi la temperatura dell'aria registra, invece, variazioni più contenute e attenuate, cosicché le regioni costiere e lacustri registrano escursioni termiche più deboli.
Anche il mantello vegetale influisce sulla temperatura; infatti, quando le piante restituiscono all'ambiente circostante, sotto forma di vapore acqueo, parte dell'acqua assorbita dalle radici, si verifica un abbassamento di temperatura. Per questo motivo le regioni ricche di boschi e foreste presentano temperature meno elevate e umidità maggiore rispetto alle regioni in cui è totalmente assente una copertura arborea.
Ricordiamo infine le correnti marine calde e fredde, che influiscono sulla temperatura dell’aria e delle coste che lambiscono.
L'aria ha un peso, che esercita una pressione sulla superficie terrestre. Al livello del mare e a 0°C la pressione media è di Kg 1033 per cm2. La pressione atmosferica varia con l'altitudine e con la latitudine.
Se una zona a bassa pressione è circondata da zone a pressione rapidamente crescente, l'aria affluirà al centro, si riscalderà e si espanderà verso l'alto. Si genera così un'area ciclonica.
Viceversa, se in una zona la pressione tende a salire mentre tutto intorno si mantiene bassa, dal centro l'aria si precipiterà verso l'esterno dove, riscaldandosi, ascenderà verso l'alto. Così si forma un'area anticiclonica.

La circolazione atmosferica

Il tempo e il clima di una regione dipendono fondamentalmente dalla pressione atmosferica. Essa, quando l'aria è calda e umida, diminuisce, per cui l'aria tende a salire; quando invece l'aria è fredda e secca aumenta, per cui l'aria tende a scendere verso il suolo. Le zone di alta pressione sono zone di tempo stabile e cielo sereno, mentre quelle di bassa pressione sono zone di tempo instabile e piovoso.
I venti sono spostamenti di masse d'aria in seno all'atmosfera, prodotti da differenze di pressione, causate a loro volta da differenze di temperatura.
Immaginiamo due zone poste a una certa distanza, di cui una sia calda, l'altra fredda. Sulla zona calda l'aria tende a espandersi verso l'alto (perché riscaldandosi aumenta di volume e diviene meno densa). Nella zona fredda si determinerà un accumulo di aria e quindi un aumento di pressione. Dunque, sulla zona calda si avrà bassa pressione, sulle zone fredde alta pressione. Per ristabilire l'equilibrio, l'aria fredda dovrà dirigersi verso la zona calda: si originano così dei moti convettivi, che sono i venti, la cui forza e la cui velocità saranno in funzione delle differenze di temperatura e quindi di pressione.
I venti si muovono dunque dalle aree di alta pressione verso quelle di bassa pressione.
Sulla superficie terrestre la diversa distribuzione del calore solare e la presenza di masse continentali e oceaniche porta alla formazione di zone di bassa pressione e zone di alta pressione che comunicano fra loro producendo la formazione di anelli di circolazione atmosferica chiamati celle.
La prima coppia di celle è presente tra l'equatore e i due tropici. Lungo la fascia equatoriale è presente una zona costante di bassa pressione; qui l’aria calda e umida sale in quota e salendo si raffredda, diventa più pesante e discende verso le due fasce tropicali dove origina zone di alta pressione. Una seconda coppia di celle si forma alle medie latitudini tra le zone sub-popolari e quelle tropicali, dove si formano aree di bassa pressione che sale e ridiscende verso le zone tropicali di alta pressione. Una terza coppia di celle si forma tra la zona sub-polare e i poli, dove staziona l'alta pressione.
La circolazione di aria tra le zone di alta e quelle di bassa pressione genera dei venti costanti, cioè venti che soffiano regolarmente sulla superficie terrestre. Nelle regioni calde troviamo gli alisei, venti che soffiano regolarmente dalle zone tropicali di alta pressione verso la fascia equatoriale. Per effetto della rotazione terrestre che fa deviare il loro andamento, gli alisei nell'emisfero settentrionale spirano da nord-est, nell'emisfero meridionale da sud-est. Questi venti erano ben conosciuti anche nel passato dai marinai che li utilizzavano per muovere le navi a vela nell'oceano.
La circolazione dell'atmosfera produce anche venti periodici che soffiano cioè seguendo l’alternarsi delle stagioni: particolarmente importanti sono i monsoni, che d'estate soffiano dall’Oceano Indiano verso l'Asia meridionale portando copiosissime piogge e d'inverno, quando sono freddi e secchi, dal continente asiatico all’Oceano Indiano. Alle nostre latitudini sono importanti le brezze, causate dalle differenze di temperatura e pressione tra il mare e la costa (brezze di mare e di terra), tra la montagna e la valle (brezze di monte e di valle) o tra il lago e la sua sponda (brezze di lago e di riva).
Nelle regioni temperate si formano i venti occidentali che soffiano da sud-ovest nell'emisfero settentrionale e da nordovest nell'emisfero meridionale. Infine dalle zone polari di alta pressione soffiano i venti polari.
Ma la circolazione dell'atmosfera è resa più complessa dalla presenza nell'alta troposfera, in particolare attorno alle fasce temperate, di venti con velocità molto elevate (fino a 500 km orari) che gli scienziati hanno chiamato correnti a getto.
I venti variabili dipendono da disequilibri tra masse d’aria che si verificano a livello locale.
Un caso particolare è rappresentato dai cicloni (o uragani, o tifoni, o tornados…). Essi nascono dallo scontro tra la massa d’aria polare – fredda, che scende in direzione Nord-Est, rasente al suolo, dalla calotta polare - e la massa d’aria tropicale – calda, che sale da Sud-Ovest. Il fronte della corrente fredda avanza con una leggera inclinazione verso il basso e incontra il suolo secondo una linea che coincide all’incirca con un parallelo. Questa linea si chiama fronte polare.
Dall'urto delle due masse d'aria si generano delle onde che si propagano fra i due strati scorrenti uno a ridosso dell'altro, dando origine a lingue di aria fredda interposte fra lingue d'aria calda, mentre nell'intercapedine si producono brusche depressioni barometriche e quindi violente manifestazioni temporalesche. Così si origina e si evolve il movimento ciclonico.
Sulla sommità di una di queste onde (guarda la figura) la lingua d'aria tropicale viene a premere su quella polare formando una insaccatura che diverrà il nucleo del ciclone. Allora, la lingua d'aria fredda seguendo la curva dell’insaccatura tenderà ad aggirare l'aria calda, ad avvolgerla fino a chiudersi su se stessa, isolando così una massa d'aria tropicale che, con moto rotatorio, tenderà a sollevarsi verso l'alto. Il ciclone è ora occluso: la sua energia rapidamente va esaurendosi ed esso finisce col ridursi a un semplice vortice d'aria fredda.

Le precipitazioni

Le precipitazioni si verificano quando le particelle di vapore acqueo presenti nell’atmosfera raggiungono dimensioni tali da non poter più mantenersi in sospensione nell'aria. In funzione della temperatura esse possono essere allo stato liquido o solido. Sono: la nebbia, che è prodotta da una differenza di temperatura tra il suolo e gli strati d’aria inferiori; le nubi, prodotte dalla condensazione del vapore acqueo e formate da minuscole gocce d’acqua; la rugiada, minuscole gocce che si depositano sulle piante raffreddate a poca distanza dal suolo; la brina, che è rugiada ghiacciata; la pioggia, che si ha quando le gocce che formano le nubi diventano pesanti e cadono al suolo; la neve, che si forma quando il vapore acqueo passa direttamente allo stato solido; la grandine, che è formata da chicchi di ghiaccio.