Geografia fisica e cartografia - primo parziale

EMISSIVITÀ

All’equilibrio, dato che l’intensità della radiazione all’interno di un corpo cavo segue la legge di

Stefan-Boltzmann, allora si può definire emissività come il rapporto tra la vera emissione del

E

corpo (E e l’emissione di un corpo nero alla stessa temperatura ( T^4)

reale) -

=E T^4

reale /

S &

Quale superficie del pianeta è irraggiata

Esperimento con oggetto sferico mettere contro il muro e illuminare con una torcia e quella

proiettata sul muro sarà la shadow area, il resto della sfera è buio. Non è mezza sfera ma è un

cerchio, in un istante un quarto della terra e illuminato mentre i tre quarti sono al buio

Emette tutta la sfera onda lunga assorbe solo un quarto onda corta.

radiazione solare assorbita = S0 (1- ap) pi r^2. I fisici stimano ,a riflettività media dell’intero

pianeta che è funzione delle superficie riflettenti presenti, per la terra i ghiacci Marini, le nevi perenni

le nubi in atmosfera i ghiacci continentali. Per la terrra albedo pari al 30%, ossia il 30 della

radiazione solare non arriva alla superficie ma coalbedo sarà il 70% —> albedo 0,3 coalbedo 0,7.

CALCOLO DELLA TEMPERATURA DI EMISSIONE DELLA TERRA

Bilancio energetico terra-sole, conosco energia derivante dal sole, conosco la modalità con cui

la terra emette energia, ma non sappiamo la temperatura di emissione della terra —>

temperatura terra in funzione dell’energia radiante arrivata dal sole, non può essere minore,

più alta (in questo caso ci saranno altri fattori che scaldano la terra oltre il sole)

Temperatura che il pianeta deve avere, di minimo, in funzione dell’energia solare. Differenza

tra 255 e 288 troppo netta —> un altro fenomeno che insieme al sole portava energia al

pianeta. Si noti che la T di emissione è pari a 255 mentre la temperatura media superficiale è

288, la notevole differenza è da attribuirsi all’effetto serra.

EFFETTO SERRA

Per illustrare l’effetto serra si può utilizzare un semplice approccio basato sul modello di bilancio

energetico introdotto per calcolare la temperatura di emissione. Si consideri una teorica atmosfera

trasparente alla radiazione solare ma opaca (corpo nero) alla radiazione terrestre. Dall’equazione

di Wien abbiamo visto che la radiazione solare è per lo più nel visibile ed infrarosso vicino mentre

la radiazione terrestre è infrarosso termico (lontano), si evince quindi l’importanza

dell’atmosfera su queste due diverse radiazioni. Energia interna del nostro pianeta è trascurabile

nel modificare il bilancio di tutto il pianeta, poca rispetto al totale. L’atmosfera così sottile della

terra esclude il fatto che questa potesse avere un ruolo nel riscaldamento del pianeta. Se atmosfera

trasparente alla radiazione solare sarebbe stata trasparente anche quella terrestre, ma radiazione

solare (onda corta corpo che emette 6000 gradi) terrestre ( onda lunga corpo che emette è il nostro

pianeta, no temperature elevate) sono molto diverse. Atsmofera in parte opaca alla radiazione

terrestre. Se sole terrà avessero stessa lunghezza d’onda non ci sarebbe nulla di selettivo, ma

funziona proprio perché emettono differenti. La radiazione riflessa da nevi è a onda corta se ne va

via.

In questo semplice modello il bilancio energetico alla sommità dell’atmosfera è lo stesso di quello

utilizzato per il calcolo della temperatura di emissione. Dato che i livelli atmosferici assorbono

tutta l’energia emessa dalla superficie sottostante ed emettono come un corpo nero, la sola

radiazione emessa verso lo spazio in questo modello è quella dell’atmosfera. Il bilancio energetico

alla sommità dell’atmosfera è quindi

Quindi la T dell’atmosfera in equilibrio deve essere pari alla T di emissione necessaria per

raggiungere il bilancio energetico.

Dal diagramma sopra riportato emerge chiaramente che la temperatura superficiale è maggiore di

quella atmosferica perchè l’atmosfera non inibisce il flusso di energia solare alla superficie

(trasparente) ma agisce invece aumentando il riscaldamento solare della superficie con la

remissione verso il basso della radiazione ad onda-lunga che in questo caso è posta uguale al

riscaldamento solare.

L’effetto serra quindi riscalda la superficie grazie al fatto che l’atmosfera è relativamente

trasparente alla radiazione solare ed al contempo è in grado anche di assorbire ed emettere molto

efficacemente la radiazione solare.

Il flusso di energia verticale presente nell’atmosfera è uno dei piu importanti processi climatici. I

flusssi radiativi e non radiativi tra la superficie, lo spazio e l’atmosfera sono fattori chiave nel

determinare il clima. La facilità con la quale la radiazione solare penetra l’atmosfera e la difficoltà

con cui la radiazione terrestre viene trasmessa attraverso l’atmosfera determina l’efficacia

dell’effetto serra. I contributi dei processi radiativi al bilancio energetico della superficie, della

troposfera e della stratosfera sono illustrati nello schema sotto riportato.

I valori dello schema sono in percentuale sulla media globale della radiazione solare disponibile alla

sommità dell’atmosfera. Il pianeta assorbe circa il 70% dell’energia solare incidente e riflette il 30%

circa. Il 50% dell’ insolazione disponibile alla sommità dell’atmosfera raggiunge la superficie e

viene assorbito. Il 3% di energia assorbita alla stratosfera è dovuta per lo più all’ozono e all’ossigeno

molecolare qui presente, mentre anidride carbonica e vapor acqueo contribuiscono per il 0,5%.

Il 17 % dell’assorbimento di energia solare nella troposfera è dovuto principalmente al vapor acqueo

(13%), ale nubi (3%), mentre CO2, O3, e ossigeno contribuiscono insieme al rimanente 1%. Una

caratteristica importante dello schema è che gli scambi interni tra la superficie e l’atmosfera dovuti

a flussi radiativi ad onda-lunga sono i più intensi di tutti, maggiori anche dell’insolazione alla

sommità dell’atmosfera. Questo è dovuto all’effetto serra. I maggiori contributi nel bloccare la

radiazione ad onda-lunga nella troposfera vengono dal vapore acqueo, le nubi, la CO2, L’O3, i

diversi NOx, il CH4, e altri costituenti minori. In particolare il vapore acqueo e le nubi sono

responsabili dell’80% dell’attuale effetto serra. Un buon indicatore dell’efficienza dell’effetto serra

atmosferico è dato dalla lettura della colonna di sinistra nel blocco ‘ondalunga’ del diagramma. In

questa colonna di sinistra si illustra cge solo 10 su 110 unità emesse dal terreno sono poi perse

nello spazio (ossia non sono assorbite da tropo e stratosfera). La troposfera riceve 149 unità da parte

di sorgenti radiative e non (infatti l’ultima sezione del diagramma è relativo al trasferimento

latente e sensibile di calore, non radiativo):

• 17 sono da assorbimento di energia solare;

• 103 (98+5) sono poi assorbite come energia ad onda lunga;

• 24 per rilascio di calore latente;

• 5 per trasferimento di calore sensibile del terreno.

La troposfera riemette verso la superficie terrestre 89 unità e verso la stratosfera e lo spazio 60 unità.

L’intensa di-emissione verso la superficie terrestre della radiazione del pianeta è alla base delle

assai limitate variazioni diurne di temperatura superficiale. Se la radiazione ad onda lunga

rivolta verso il basso non fosse maggiore del riscaldamento solare della superficie la superficie

stessa si raffredderebbe rapidamente durante la notte e si riscalderebbe altrettanto rapidamente di

giorno. Un’altra importante conseguenza dell’effetto serra è quindi non solo il mantenimento di

una temperatura superficiale maggiore di quella di emissione ma anche ridotti cicli termici annui.

Alcuni gas possono assorbire pacchetti di onda lunga, assorbe solo e cedendola, quindi energia

termica ceduta va tutte le direzione tra cui la superficie. Questi gas vengono chiamati clima

alteranti. Salto di livello energetico pari al pacchetto di energia al pari della lunghezza d’onda

Effetto serra diventa un problema se aumentiamo i gas assorbenti e modifichiamo la composizione

dell’atmosfera facendo così divenire più caldo il pianeta. Ma l’effetto serra di per se non è un

problema in quanto questo riscaldamento prodotto dall’effetto favorisce la vita per la temperatura.

L’effetto serra pertanto riscalda la superficie grazie al fatto che l’atmosfera è relativamente

trasparente alla radiazione solare ed al contempo è in grado anche di assorbire ed emettere molto

efficacemente la radiazione terrestre. Nell’istante uno il pianeta riceve dal sole,a anche dall’

atmosfera e quindi la temperatura del pianeta non è più esclusa funzione della prima legge della

termodinamica, e anche dell’energia radiante dell’atmosfera che è riuscita ad assorbire parte

dell’energia termica dispersa nello spazio.

Efficacia di assorbimento dei gas clima alteranti, in stratosfera azono, vapore acqueo, e CO2 e

ossidi di azoto in troposfera.

Effetto serra ci spiega perché l’escursioni termiche sono minori rispetto a quelle che avremmo, in

quanto abbiamo un’atmosfera che continua a emettere onda lunga, quindi quando c’è meno vi è

un raffreddamento, ciclo termico smorzato, variazione tra momento di illuminazione e momento

di buio. Cambiamenti climatici

La temperatura di equilibrio è la temperatura MINIMA garantita

dall’energia che arriva grazia al sole, non di meno! Se trattiamo il Pianeta considerato come un corpo

nero:

pianeta come corpo nero l’energia che arriva dal sole e che colpisce il

cerchio di illuminazione è uguale a quella di tutto il pianeta. Non

tutta la radiazione che il pianeta riceve viene assorbita, questa

frazione è chiamata albedo, che significa riflettività, tra 0 e 1. Può

dipendere sia dalla riflessione alla superficie, foreste ghiacciai etc.

Oppure scattering in atmosfera, riflessione e fusione in atmosfera,

come le nubi. Se valutiamo albedo media del nostro pianeta è di circa

30%. Atmosfera gioca un ruolo chiave. La T di

emissione è molto diversa dalla reale T

superficiale media—>differenza di

Per la terra temperatura: di 33 K. Una spiegazione a

questa differenza: atmosfera che potrebbe

essere selettiva perché: quello che entra

(parte entrante) ha un’intensità massima

nella regione del visibile e quello che esce

(parte uscente) ha un’intensità massima

nella regione dell’ infrarosso. Se la

La nostra rad