Geografia fisica - corso di Geologia

La radiazione

La radiazione è un’energia trasferibile sotto forma di onde elettromagnetiche e non avviene trasporto di materia. Vengono classificate sulla base della lunghezza d’onda, (λ).

Leggi della radiazione

Tutti gli oggetti emettono radiazione ma gli oggetti più caldi di più, per unità d’aria, rispetto a quelli freddi.

Insolazione

Flusso di energia solare in entrata (radiazione a onda corta). Quindi è la misura della quantità di energia solare che raggiunge la superficie terrestre attraverso l’atmosfera senza interagire con i gas atmosferici. L’insolazione diffusa è la quantità di radiazione solare che viene diffusa o riflessa nell’atmosfera. Se l’asse terrestre fosse perpendicolare al piano dell’orbita, i poli non riceverebbero alcuna insolazione e si accumulerebbe solamente nell’equatore.

Energia attraverso l'atmosfera

• Trasmissione
• Diffusione
• Riflessione
• Assorbimento
• Rifrazione

Trasmissione

L’energia passa attraverso l’atmosfera. L’atmosfera è un cattivo trasmettitore delle onde lunghe irradiate dalla superficie terrestre mentre è un buon trasmettitore delle onde corte provenienti dal sole. Questa trasmissione selettiva provoca ciò che è detto effetto serra.

Diffusione

Le radiazioni in arrivo sono diffuse nello spazio dalle molecole di gas e dal dust. Il colore del blu (del cielo) è dato dalla diffusione della luce. Le molecole di gas e le impurità atmosferiche diffondono e ridirigono le onde luminose. Alcune onde sono diffuse ma rimangono nell’atmosfera seguendo direzioni diverse. La luce blu viene diffusa più delle altre radiazioni luminose di maggiore lunghezza d’onda.

Riflessione

L’energia è rimbalzata indietro nello spazio (meno energia nel sistema Terra) e alcune delle radiazioni solari vengono riflesse dalle nuvole. La quantità riflessa dipende dal clima. In alcuni climi le nuvole possono riflettere più del 75% delle radiazioni solari. Le radiazioni solari sono riflesse anche dalla superficie della terra. La capacità della terra di riflettere le radiazioni può variare:

• Colori scuri riflettono meno ma assorbono meglio
• Colori chiari riflettono maggiormente ma assorbono meno

Circa il 30% di radiazioni solari è riflesso dalle nuvole, dust, e dalle superfici terrestri. In questo modo, l’albedo della Terra (la frazione di luce riflessa da un oggetto) è di 30%, il restante 70% delle radiazioni solari può essere assorbito dalla Terra o dall’atmosfera.

Assorbimento

L’energia può essere assorbita dall’atmosfera o dalla superficie della Terra e si ha la formazione di energia termica (calore). Viene assorbita da:

• Anidride carbonica
• Vapore d’acqua
• Acqua liquida

La maggior parte della radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre è assorbita o riflessa. I vestiti bianchi riflettono molta energia solare, mantenendo il fresco. I vestiti scuri assorbono energia, facendo salire la temperatura.

Rifrazione

L’angolo con il quale i raggi solari colpiscono la superficie terrestre varia con la latitudine. Più alto è l’angolo, più concentrata è l’energia e quindi più efficace è il riscaldamento. Minore è l’angolo, più i raggi solari devono passare attraverso uno spessore maggiore di atmosfera, di conseguenza, maggiore indebolimento per riflessione, diffusione e assorbimento.

I cicli di Milankovitch

Sono gli effetti collettivi delle variazioni dei movimenti della Terra sul suo clima. I movimenti della Terra sono tre: l’eccentricità orbitale, l’inclinazione assiale e la precessione dell’orbita terrestre. I 3 cicli di Milankovitch variano periodicamente dando luogo a glaciazioni ogni circa 100.000 anni durante l’era glaciale del Quaternario. L’asse terrestre completa un ciclo di precessione ogni 26.000 anni e l’orbita ellittica ruota compiendo un ciclo ogni 22.000 anni. Inoltre, l’angolo tra l’asse terrestre e la normale del piano orbitale varia ciclicamente tra 22,5° e 24,5°, con un periodo di 41.000 anni.

L'eccentricità orbitale

È uno dei tre cicli di Milankovitch, che si pensa possano influire in modo determinante sulle glaciazioni e i suoi periodi interglaciali (mite e asciutto). Influenzando direttamente la distribuzione di energia solare e accentuano o diminuiscono i contrasti fra le stagioni. Alta eccentricità (ellittica) Bassa eccentricità (orbita circolare) Eccentricità= 0.5 Eccentricità= 0.03. Se la Terra fosse l’unico pianeta che orbita attorno al Sole, l’eccentricità dell’orbita nel tempo non varierebbe. La causa principalmente della variazione è l’interazione con i campi gravitazionali di Giove e Saturno, i due pianeti più massivi del sistema solare.

Variazione dell'inclinazione dell'asse terrestre

Dell’asse terrestre, rispetto alla perpendicolare al piano dell’eclittica, oscilla fra i 22,30° a 24,30°, attualmente è 23,5, in un periodo di 41.000 anni. Più l’asse è inclinato e più estremi sono i contrasti fra le stagioni. Il piano dell’eclittica è il piano orbitale della Terra. Questo piano immaginario passa attraverso il sole e comprende ogni punto dell’orbita terrestre. Poiché l’asse di rotazione è inclinato, il piano dell’eclittica e il piano equatoriale non coincidono.

Il moto di precessione dell'asse terrestre

È un movimento conico dell’asse terrestre rispetto al piano dell’eclittica, attualmente punta alla Stella Polare. Contribuisce a determinare il massimo dell’insolazione alternativamente sull’Emisfero Australe e su quello Boreale.

• Oggi al perielio si ha l’inverno Boreale e l’estate Australe
• In afelio si ha un’estate Boreale e inverno Australe

Il moto di precessione per completare la rotazione impiega 26.000 anni. Ma si osserva che a metà rotazione, ossia 13.000 anni, l’asse di rotazione punterà verso la Stella Vega, invece della stella Polare.

Perché esistono le stagioni e la causa che le origina

• La rivoluzione della Terra attorno al Sole
• L’inclinazione di 23.5° dell’asse terrestre rispetto alla perpendicolare del piano dell’eclittica
• Rotazione della Terra

La rotazione

Il movimento della terra attorno al proprio asse polare viene chiamato rotazione. Il periodo di rotazione rispetto al sole, cioè il tempo medio perché la terra compia una rotazione completa rispetto al sole, viene chiamato giorno solare medio ed ha una durata di 24h. Il verso della rotazione terrestre può essere definito in uno dei seguenti modi:

• Se immaginiamo di osservare la terra stando al di sopra del polo nord, il senso del moto di rotazione è antiorario;
• Se appoggiamo un dito su un punto del globo vicino all’equatore e lo muoviamo verso Est, il globo ruoterà nella direzione corretta;

La velocità di rotazione va a diminuire dall’Equatore (1700Km/h) ai Poli dove la velocità è uguale a zero. Tuttavia, la diminuzione della velocità rotazionale con l’aumentare della latitudine determina due fenomeni fisici importanti:

• La Forza Centrifuga generata dal moto di rotazione, che conferisce agli oggetti della superficie terrestre una debole spinta verso lo spazio esterno.
• Un’altra conseguenza della diminuzione della velocità rotazionale con il crescere della latitudine è quella della Forza Deviante (Coriolis).

Il moto di rivoluzione

Il movimento orbitale della terra attorno al sole viene chiamato rivoluzione. Occorre fare attenzione con i termini “rotazione” e “rivoluzione”, senza scambiarli. Il periodo di rivoluzione, o anno, è il tempo che impiega la terra a completare un giro attorno al sole e può essere misurato in vari modi.

• Perielio
• Afelio

Solstizi – Equinozi

L’asse terrestre è inclinato di 23.5° combinata al moto di rivoluzione intorno al sole genera l’alternarsi delle stagioni, che astronomicamente sono 4. La prima stagione che incontriamo nel corso del calendario annuale è Equinozio Primaverile del 21 marzo. I raggi solari sono distribuiti in egual modo nei paralleli, perciò, il giorno e la notte hanno la stessa durata, dodici ore ciascuno a tutte le latitudini.

• Inizia la primavera nell’emisfero Boreale
• Inizia l’autunno nell’Australe

Il 21 giugno abbiamo il solstizio estivo. L’emisfero Boreale è maggiormente esposto (inclinato verso il sole) dai raggi solari, mentre l’emisfero Australe è meno esposto.

• Estate emisfero Boreale
• Inverno emisfero Australe

Il 23 settembre ritorniamo alla durata del dì e della notte di 12 ore, equinozio d’autunno.

• Inizia l’autunno nell’emisfero Boreale
• Inizia la primavera nell’Australe

Il 21 dicembre abbiamo il solstizio invernale. Tutto il polo nord è nascosto dal circolo di illuminazione, è il giorno più corto dell’anno mentre è completamente esposto dai raggi solari l’emisfero australe.

• Inizia l’inverno nell’emisfero Boreale
• Emisfero Australe inizia l’estate

Il crepuscolo

È un periodo di illuminazione diffusa che segue il tramonto e precede il sorgere del sole, rappresenta un importante prolungamento del periodo di luce diurna utile, soprattutto per le alte altitudini. Il crepuscolo è l’aurora possiedono gli stessi caratteri e durata. Il crepuscolo è il risultato dell’azione di diffusione delle molecole d’aria e della presenza di minute particelle di polvere ed umidità disperse all’interno dell’atmosfera. Queste particelle riflettono i raggi solari verso la superficie terrestre anche dopo la scomparsa del sole al di sotto dell’orizzonte. Dopo il tramonto questa luce diffusa si attenua lentamente sino a ridursi ad un debole chiarore nel cielo dell’occidente. La durata del crepuscolo dipende dallo spessore dell’atmosfera terrestre e dalle velocità con cui il sole scende al di sotto dell’orizzonte. Il crepuscolo è determinato dalla riflessione diffusa, da parte delle molecole dell’atmosfera, della polvere, e delle particelle di acqua e ghiaccio. La durata del crepuscolo dipende dall’inclinazione della traiettoria sul piano dell’orizzonte.

Effetti delle stagioni

• Cambiamenti dell’intensità del sole
• Cambiamenti dell’altitudine del sole
• Cambiamenti nella durata del giorno
• Cambiamenti dei valori della temperatura

Tutti questi cambiamenti sono più intensi nelle alte temperature e meno all’equatore.

Atmosfera

Composizione e struttura dell’atmosfera

L’atmosfera è composta da:

• Azoto (78%)
• Ossigeno (21%)
• Argon (0.9%)
• Altri gas minori (vapore acqueo, CO2, metano ecc.)

La composizione della parte più bassa dell’atmosfera è costituita dal 99% da Azoto e Ossigeno mentre il restante 1% è costituito da altri gas, fra cui Argon e Anidride carbonica. Nell’alta atmosfera, avente uno spessore molto più grande della bassa, i gas più abbondanti sono l’Elio, l’ossigeno atomico e l’idrogeno atomico. L’atmosfera è suddivisa in sfere a seconda della temperatura. Tra una sfera e l’altra si collocano le pause. Le pause corrispondono alle zone in cui la temperatura modifica la propria tendenza.

Struttura atmosferica

• Esosfera: transizione plasma interplanetario
• Termopausa
• Termosfera: temperatura aumenta sino ai 1000°C
• Mesopausa
• Mesosfera: temperatura diminuisce – Gas molto rarefatti
• Strato ionosfera
• Stratopausa
• Stratosfera: temperatura costante 20Km aumenta lentamente 30-32Km – Ozono assorbe raggi UV.
• Tropopausa
• Troposfera: fenomeni meteorologici – poli 6Km – Equatore 18Km
• Omosfera: Comprende troposfera, stratosfera e mesosfera
• Eterosfera: è presente nella termosfera ed esosfera

La troposfera

La troposfera contiene il 90% della massa dell’atmosfera, è quello che più direttamente interessa l’uomo ed il suo ambiente. Quasi tutti i fenomeni del tempo e del clima che interessano fisicamente l’uomo si verificano nella troposfera. La temperatura e il vapore acqueo contenuti nella troposfera diminuiscono rapidamente con l’altitudine. Il vapore acqueo gioca il maggior ruolo nella regolamentazione della temperatura dell’aria perché assorbe energia solare e la radiazione termica. I valori più alti sono sopra i tropici e decrescono verso le regioni polari. La Troposfera contiene miliardi di minuscole parti di pulviscolo, così piccole e leggere che i più lievi movimenti d’aria le trasportano verso l’alto. Esse sono state messe in circolazione nell’aria dalle superfici aride del deserto, dai letti fluviali, dalle spiagge e dalle eruzioni vulcaniche. La polvere nella troposfera contribuisce alla formazione del crepuscolo e a conferire il colore rosso dell’alba e del tramonto. Certi tipi di pulviscolo atmosferico servono come nuclei o centri di condensazione del vapor d’acqua per dar luogo alle nubi.

La tropopausa

Il limite superiore della troposfera nelle ragioni polari è di 8km e di 18Km sopra l’equatore. L’altezza varia con le stagioni: più alta in estate più bassa in inverno. La tropopausa ha una temperatura costante ed essa separa la troposfera dallo strato superiore chiamato stratosfera.

La stratosfera

La stratosfera è il secondo maggior strato dell’atmosfera. Si trova tra 10 e 50Km sopra la superficie terrestre. La temperatura dell’aria della stratosfera rimane relativamente costante sopra una altitudine di 25Km. Dopo aumenta gradualmente da 200-250 Kelvin (50Km).

La mesosfera

Lo strato che si estende da 50-80Km, è caratterizzato da una diminuzione della temperatura. La temperatura è più bassa di quella della troposfera o stratosfera. Con l’aumentare della distanza dalla terra, la temperatura continua a diminuire.