Fondamenti di Scienze Ambientali 1/3

I sistemi ambientali sono sistemi complessi

All'interno dei sistemi naturali sono presenti più livelli detti livelli discreti. I livelli discreti sono uniti da un filo conduttore, perciò quello che possiamo andare a studiare su un singolo livello ha effetti su tutti gli altri livelli che individuiamo all'interno della gerarchia. Ad esempio, parametri come longevità, sopravvivenza e riproduzione che interessano l'individuo hanno impatto anche sulla popolazione totale. Infatti, più gli individui si riproducono, più o meno varia la grandezza della popolazione e più la popolazione cresce, più o meno questo può avere conseguenze sulla comunità intera in cui quella popolazione si trova e così via, perché la comunità ha effetti sui flussi di energia.

In virtù delle relazioni che esistono fra le diverse componenti, si possono andare a evidenziare delle strette correlazioni fra le componenti stesse e si parla perciò di interdipendenza: una componente A e una componente B sono unite da una relazione diretta. Qualora avessimo degli effetti su A, potremo avere degli effetti anche su B (esempio: relazione su determinata specie e la sua risorsa, se diminuisce la risorsa allora diminuisce anche la popolazione che consuma quella risorsa). Perciò queste relazioni fanno sì che determinati effetti non siano limitati sulla componente singola ma anche sulle componenti con cui questa interagisce.

Questo grado di complessità e effetti che possono esistere possono anche essere più complessi, perché tali relazioni possono essere dirette ma anche indirette, perciò A può avere un effetto indiretto su C, perciò le relazioni possono coinvolgere più componenti in un sistema. I beni culturali sono inseriti in determinati contesti ambientali, perciò le cause del loro deterioramento sono legate a fattori ambientali, sia abiotici che biotici.

Lezione 2

Sistemi ambientali

I sistemi ambientali possono essere definiti come l'insieme della componente biotica e componente abiotica. In particolar modo, la componente abiotica è la componente non vivente dei sistemi naturali ed è importante soprattutto rispetto alla definizione del clima all'interno dei sistemi ambientali, ossia in che modo i processi che avvengono all'interno dell'atmosfera possono determinare le condizioni climatiche che osserviamo nei sistemi stessi. L'atmosfera è un involucro gassoso che circonda la superficie terrestre e che è costituita da una miscela di gas indispensabili per la vita.

L'atmosfera ha una composizione caratteristica di diversi gas, che è mutata e si è evoluta nel tempo. L'aspetto che rende l'atmosfera terrestre caratteristica e la differenzia da altri pianeti del sistema solare è la presenza dell'ossigeno, il gas che consente la sopravvivenza della maggior parte degli organismi presenti sulla terra (non è il caso delle piante). L'ossigeno non è sempre stato presente nell'atmosfera del nostro pianeta. Nella fase primordiale, l'atmosfera era costituita da gas e fluidi che nel corso del tempo sono andati incontro a solidificazione; l'ossigeno era di fatto quasi totalmente assente così come l'atmosfera stessa. In questa fase, l'attività di tutta la miscela che ha dato origine all'attuale crosta terrestre ha fatto sì che fossero emessi tutta una serie di composti, come zolfo, CO₂, metano, ecc. Alcuni sono riusciti a svincolarsi dall'atmosfera, soprattutto quelli più leggeri, mentre quelli più pesanti sono rimasti vincolati all'interno dell'atmosfera a causa della forza di gravità.

Nella fase in cui vi era assenza d'ossigeno quindi un'atmosfera riducente, vi erano organismi in grado di vivere in assenza d'ossigeno, ossia i batteri anaerobi. A questa fase seguì un momento di svolta per il pianeta che fu legato all'evoluzione di alcuni organismi viventi negli oceani, ossia i cianobatteri, che utilizzavano l'anidride carbonica in combinazione all'energia solare per produrre molecole organiche utilizzate per il loro sostentamento e come prodotto collaterale O₂. La concentrazione dell'ossigeno fece sì che si passò da un'atmosfera riducente a una ossidante. Fu tale passaggio che permise a numerosi organismi di evolversi a loro volta e quindi di vivere in presenza di ossigeno, grazie all'ossigeno.

Come conseguenza ci fu anche un abbassamento della concentrazione di CO₂ che, essendo più solubile dell'O₂, permise agli oceani di fungere da serbatoio. Infatti, la CO₂, una volta che entra all'interno di soluzioni acquose, può reagire con l'acqua per dare acido carbonico, che può dissociarsi in ione bicarbonato e carbonato. I carbonati possono reagire a loro volta con calcio e magnesio e determinare dei precipitati, ossia dei composti insolubili che si sono andati ad accumulare nei sedimenti oceanici e hanno fatto sì che l'oceano fosse un importante serbatoio (anche nelle attuali condizioni di cambiamento climatico).

Altro aspetto importante è stata la produzione di ozono, ossia la presenza di ossigeno ha fatto sì che potesse aumentare anche la presenza di ozono, un composto importante perché ha un potere schermante, ossia assorbe le radiazioni ultraviolette emesse dalla radiazione solare e che possono essere dannose per gli organismi, danneggiano le membrane e il DNA. Questi diversi strati sono caratterizzati da un andamento diverso di temperatura e pressione che ha un'importanza sul movimento delle masse d'aria.

Troposfera

Il primo strato che incontriamo a partire dalla superficie terrestre è la troposfera, dove la temperatura e la pressione vanno diminuendo man mano che saliamo e ci allontaniamo dalla superficie terrestre. Questo comporta che le masse d'aria al ridosso della superficie terrestre sono più calde rispetto a quelle a distanza più elevata, poiché la temperatura delle masse d'aria influenza il loro movimento. Queste sono più predisposte ad espandersi e salire verso l'alto, in quanto alta temperatura aumenta l'energia cinetica delle molecole che compongono le masse d'aria stesse. Al contrario, le masse d'aria fredda sono più dense, meno ricche di acqua e quindi hanno una tendenza a muoversi verso il basso.

Questa condizione che scalda l'aria sottostante e rende più fredda l'aria sovrastante determina un mescolamento dell'aria in questa fascia atmosferica.

Tropopausa

A questo strato segue la tropopausa, uno strato in cui la temperatura rimane costante, quindi non avvengono grandi cambiamenti.

Stratosfera

Segue la stratosfera, in cui abbiamo una tendenza opposta alla troposfera, la temperatura aumenta invece di diminuire salendo di quota. Qui abbiamo un'intensa radiazione solare che porta alla fotolisi dell'ossigeno e quindi alla formazione dell'ozono che, assorbendo radiazione solare, subisce un aumento della temperatura soprattutto nelle zone più alte, perciò la stratosfera non subisce fenomeni di rimescolamento turbolento.

Stratopausa

Vi è poi la stratopausa, analogo della tropopausa, con condizioni costanti.

Mesosfera

Vi è la mesosfera, che ha un comportamento analogo alla troposfera.

Mesopausa

Segue la mesopausa.

Termosfera

Infine, la termosfera, uno strato dell'atmosfera con molecole ad alta energia che vanno incontro a fenomeni di collisione e ricombinazione, dando origini a fenomeni naturali come l'aurora boreale.

Bilancio energetico terrestre

Per capire la distribuzione dell'atmosfera e le zone climatiche è importante conoscere il concetto di bilancio energetico terrestre. Descrive il rapporto tra l'energia che entra all'interno della superficie terrestre e quella che viene persa, quindi fornisce il bilancio di quello che è il guadagno energetico rispetto alle perdite. Questo rapporto tra ciò che viene assorbito e ciò che viene perso è quello che fa da motore al sistema climatico globale. La fonte primaria energetica è rappresentata dal sole, ma solo una frazione della radiazione solare raggiunge la superficie terrestre; parte è assorbita dall'atmosfera, parte è riflessa dall'atmosfera, e una parte colpisce la superficie terrestre, ma è riflessa per esempio dalla presenza di corpi d'acqua che hanno un potere riflettente maggiore rispetto superfici non acquatiche (albedo).

La presenza di vegetazione può variare la quantità di energia riflessa; suoli nudi riflettono di più, e specie dalla foglia scura riflettono meno di altre specie erbacee. Quindi, la quantità di energia riflessa varia in base alla superficie che colpisce. Perdite di energia sono legate anche a fenomeni che causano la produzione di calore sensibile, legato a uno scambio di calore che si ha tra zone più adiacenti alla superficie terrestre e le zone atmosferiche più fredde, perciò energia sotto forma di calore viene dissipata per fenomeni di conduzione, quindi contatto tra molecole e fenomeni di convezione, cioè movimenti di acqua e aria.

Perdite energetiche le abbiamo anche per fenomeni di evaporazione e traspirazione, cioè perdita di energia attraverso calore che causano perciò un raffreddamento. Fenomeni che portano a un guadagno energetico sono legati alla reimmissione in atmosfera di radiazioni infrarosse. L'energia assorbita dalla superficie terrestre viene poi reimmessa in atmosfera sotto forma di radiazione infrarossa, qui subentra il fenomeno dell'effetto serra, cioè la presenza di determinati gas in atmosfera, che bloccano parte della radiazione e la reirradiano verso la superficie terrestre. Si tratta di un effetto importante che rappresenta un'importante guadagno energetico per la superficie terrestre e che garantisce temperature idonee per la vita, quindi è un effetto che di per sé è positivo ed oggi invece è fortemente legato al problema del cambiamento climatico, in quanto le attività antropiche accentuano fortemente tale fenomeno del tutto naturale. Quando le entrate eguagliano le uscite si ha un sistema stabile.

Una porzione della radiazione solare colpisce la superficie terrestre, ma non colpisce la stessa allo stesso modo in tutti i punti. Nelle zone equatoriali i raggi solari colpiscono perpendicolarmente la superficie terrestre. Mentre man mano che ci spostiamo verso i poli, i raggi arrivano in maniera più obliqua sulla superficie, tra l'altro nella zona in prossimità dei poli abbiamo un'atmosfera che è più densa, quindi assorbe più radiazione luminosa di quanto non succeda all'equatore.

Avremo nelle zone equatoriali rispetto alle zone polari un rapporto energia per unità di superficie diversa, perché la stessa quantità di radiazione luminosa va ad interessare porzioni di superficie diversa, più ridotta nella zona equatoriale, maggiore nella zona polare. Questo differente comportamento dei raggi solari determina un gradiente di temperatura, questa differenza di temperatura è molto importante, perché va a determinare un differente effetto e comportamento delle masse d'aria.

Come abbiamo visto, le masse d'aria calde si espandono, sono più ricche di vapore acqueo e quindi salgono perché meno dense, mentre le masse fredde sono più dense quindi tendono a scendere verso il basso. Chiaramente, nelle zone dove abbiamo una temperatura elevata dovuto ad elevato irraggiamento, le masse d'aria tendono a scaldarsi perché sarà più calda anche la superficie terrestre, specialmente nelle zone tropicali vicine all'equatore, queste masse tendono a salire verso l'alto e nel salire si espandono entrando in contatto con temperature più basse, con masse di aria più fredde, perciò le masse d'aria calda vanno incontro a raffreddamento fino a raggiungere lo strato della tropopausa e una volta raggiunta la temperatura analoga a quella circostante avranno la tendenza a muoversi nuovamente verso il basso, in questa fase detta subsidenza, parte di questa aria che scende tornerà verso l'equatore e parte si muove verso le zone polari, ovviamente tornando in contatto con masse di aria calda perciò scaldandosi nuovamente avrà la tendenza a salire nuovamente.

Si creano lungo la superficie terrestre delle celle di circolazione, questa cella è definita cella di Hadley e si verifica nella zona dell'equatore. Non è la sola che possiamo individuare, altre due celle di circolazione possiamo distinguere: la cella polare che ha un movimento analogo alla precedente ma viene originata dal movimento discendente delle masse fredde delle zone polari, scendendo verso la superficie terrestre si scaldano e poi risalgono, ci sono poi le celle di Ferrel che si originano per la presenza delle due celle precedenti le quali hanno un andamento inverso rispetto alla cella di Ferrel.

Si origina questo movimento di masse d'aria lungo la superficie terrestre, che salgono e scendono e andranno a determinare zone di alta e bassa pressione sulla superficie stessa. Alta pressione dove le masse d'aria tendono a scendere e bassa pressione dove le masse d'aria tendono a salire. L'originarsi di queste zone a diversa pressione, e l'originarsi di queste celle in particolare modo la presenza di diverse zone di risalita di masse d'aria, richiama dalle zone ad alta pressione, aria che va a sostituire l'aria che sale, questo genera i movimenti di masse d'aria lungo la superficie terrestre, quindi origina i venti che soffiano dalle aree ad alta pressione a quelle a bassa pressione.

I venti sono estremamente importanti perché trasportano il calore dalle regioni più calde verso le latitudini più elevate e hanno perciò un effetto mitigante della temperatura. Le frecce sono deviate, non vanno perpendicolarmente alla terra ma sono deviate a nord, nell'emisfero nord verso destra (se mi metto con le spalle da dove il vento arriva) e nell'emisfero sud vanno verso sinistra. Questo dipende dal movimento di rotazione della terra intorno al proprio asse, questo movimento rotatorio determina questa deviazione apparente delle masse d'aria, è definito come effetto Coriolis.

La terra gira intorno al proprio asse e ogni punto sulla superficie nell'arco di 24 ore fa un giro completo ma i diversi punti che si trovano lungo la superficie terrestre tra l'equatore e le zone polari devono compiere un tragitto diverso, punti o corpi che stanno lungo la zona equatoriale devono compiere una circonferenza più grande rispetto a corpi che stanno vicino ai poli, dovendo compiere tragitti diversi nello stesso arco temporale, chi percorre tragitti più lunghi sarà caratterizzato da una velocità maggiore.

Questa diversa velocità con cui si muovono le masse d'aria fa sì che nell'emisfero boreale, le masse d'aria che si muovono dalle latitudini più basse a latitudini più alte avranno la tendenza ad essere deviate verso destra perché conservano la loro velocità iniziale e saranno in anticipo rispetto a chi si muove nel punto di destinazione, considerando che la terra si muove in senso antiorario. L'opposto succede nell'emisfero australe. L'effetto Coriolis di fatto devia la direzione dei venti, ha un impatto su quelli che sono i fenomeni legati alla formazione di tempeste e influenza la rotazione dei cicloni.

Questo movimento delle masse d'aria oltre a trasportare calore, determina anche movimento delle masse d'acqua, quindi correnti marine. Queste correnti che si muovono anche sotto l'effetto della forza di Coriolis, rappresentano un fattore importante che va a incidere quelle che sono le condizioni climatiche su larga scala, anche le masse d'acqua sono caratterizzate da un movimento con fasi di discesa e risalita in funzione della temperatura e la densità.

L'insieme delle masse oceaniche che si muovono è definito come nastro trasportatore oceanico, cioè un movimento che trasporta calore dalle zone equatoriali alle zone più a nord. L'azione di queste correnti è estremamente importante perché mitigano i climi, perciò l'azione combinata di radiazione solare che è la componente chiave insieme all'azione dei venti e all'azione delle correnti d'acqua determina questo pattern globale, che localmente può risentire di fenomeni come le correnti oceaniche.

Un altro fattore che determina le condizioni climatiche oltre la temperatura sono le precipitazioni. I fenomeni di irraggiamento solare e circolazione atmosferica sono fondamentali nel determinare l'entità e l'abbondanza delle precipitazioni su larga scala. Ciò è legato alle masse d'aria calde che sono ricche di vapore acqueo e salendo verso l'alto gradualmente si raffreddano, raffreddandosi potranno contenere meno valore acqua e per effetto di questa riduzione della temperatura si condenseranno dando origine alle precipitazioni. La massima abbondanza di precipitazioni sarà nelle zone tropicali in cui abbiamo masse d'aria calde che salgono poi si raffreddano, laddove invece le masse d'aria sono fredde e tendono a scendere verso il basso le precipitazioni saranno più scarse.

Lungo la superficie terrestre avremo aree caratterizzate da un quantitativo maggiore di precipitazioni e aree invece più aride, le prime sono associate presumibilmente ad aree caratterizzate da bassa pressione dove le masse d'aria salgono verso l'alto, le zone di alta pressione sono quelle caratterizzate da una più scarsa presenza di precipitazioni. Anche la topografia può influenzare il clima, cioè la presenza di catene montuose può influenzare l'andamento delle precipitazioni su scale spaziali più piccole.