Appunti di Geografia fisica

Geografia fisica

Atmosfera

Atmosfera. Sottile strato di gas che circonda il pianeta Terra.

Satellite in atmosfera a 400 km di quota, si muove a 20000 km/h.

Temperatura della superficie solare di 5900 K, radiazioni emesse a questa temperatura, per cui sono visibili dalla Terra.

Atmosfera moderna

Da 500 milioni di anni. Presenza di diversi gas quali N, O, Ar e un migliaio di altri gas in tracce, quali: H O² 2 (gas serra che permette gli scambi energetici), CO² (gas serra che consente la fotosintesi), CH⁴ (gas serra, più attivo della CO²), NO² (gas serra), O³ (in quota filtra i raggi solari, al suolo è un inquinante), pulviscolo (nuclei di condensazione).

• Pressione media sulla superficie terrestre di 1 bar, circa 1 atm.
• Più del 99% dell’aria si trova nei primi 30 km di quota.
• Atmosfera è trattenuta dalla forza di gravità e trascinata per attrito nel moto di rotazione terrestre.
• Atmosfera mediamente a 500-550 km di quota.

Una colonnina di 1 cm² pesa 1 kg; se salgo di altitudine il peso dell’aria diminuisce: a 5,5 km pesa 0,5 kg ma diminuisce O²; a 18 km pesa 0,1 kg.

Il limite dell’atmosfera è definito dal movimento libero delle molecole, cioè molecole non si incontrano tra loro, a quote mediamente di 100 km; condizione molto vicina al vuoto.

Struttura termica verticale dell’atmosfera

Vedi grafico slide: allontanandosi dalla superficie la temperatura diminuisce, perché la Terra conduce calore. Comportamento isotermo per circa 10 km, da 0 a 20 km di quota, poi aumento fino a 40-50 km fino a raggiungere gli zero gradi centigradi, 0°C; poi altra diminuzione e altro aumento: significa che ci sono oggetti che forniscono calore e non può essere l’energia terrestre, siccome siamo in atmosfera.

Raggi UV rompono i legami delle molecole di Ozono (O³). O³, colpito dai raggi, si scinde in O e O²: O, molto reattivo, andrà a riagganciarsi. L’energia rimasta viene riemessa sotto forma di infrarossi dal legame tra O e O². Si ha la produzione di calore, questo è il secondo radiatore che sposta la curva della temperatura; a 100 km di quota sono bombardate da radiazioni cosmiche: non c’è tuttavia trasferimento di energia tra una molecola e l’altra siccome a questa quota non si incontrano tra loro, quindi trattengono questa energia e vengono riscaldate anche fino a 1000°C, misurati.

Esistono quattro sfere delimitate da pause: tropopausa, stratopausa, mesopausa.

Per quanto riguarda gli ultravioletti, essi vengono assorbiti nella loro quasi totalità nella fascia atmosferica attorno ai 25 km di altezza, grazie al ciclo di creazione e distruzione di Ozono (O3) attraverso reazioni fotochimiche. Questo ciclo ha come risultato netto quello di riscaldare localmente la fascia atmosferica che va dai 12-13 km fino ai circa 50 km di altezza, con temperatura che aumenta all'aumentare della quota. A causa di questo riscaldamento l'atmosfera risulta stratificata, ecco da dove viene il nome di Stratosfera. Questo fenomeno è causato dalla diversa “forza” dei raggi UV: infatti per la formazione della molecola di ozono occorrono raggi UV “estremi” (lunghezza d'onda compresa tra i 10 e 280 nm, solitamente nominati UV-C) per spezzare la molecola di O² in due atomi di ossigeno O, mentre per la distruzione della molecola di ozono bastano raggi UV “vicini” (lunghezza d'onda compresa tra i 280 e 400 nm, solitamente divisi in UV-A e UV-B) che hanno energia inferiore rispetto agli UV-C. La differenza di energia tra i due tipi di raggi si trasforma in energia termica rilasciata alle molecole d'aria che aumentano così la loro temperatura.

Troposfera

Più elevata all’equatore, fino a 10 km, e più bassa al polo, fino a 10 km. Sfera influenzata dai cambiamenti climatici.

La temperatura decresce man mano che si sale di altitudine con un gradiente di circa -6,5°C per ogni chilometro di altezza, questo avviene perché più ci si allontana dal terreno e più il calore disperso dalla Terra viene dissipato in atmosfera e il riscaldamento solare non riesce a scaldare l’aria in maniera efficace, essendo essa una cattiva conduttrice di calore; allo stesso modo si riduce anche la pressione atmosferica, parametro meteorologico.

Ma la temperatura non scende continuamente allo stesso modo né infinitamente con la quota. Partendo dal suolo si possono avere delle zone dove si presentano strati di aria più calda del normale e questi si dispongono a scalino, una sorta di zona di transizione, più o meno brusca e spessa, nel quale la temperatura subisce un’impennata verso valori più alti. Una di queste zone è presente in permanenza nell’alta Troposfera verso i 10-11 km.

A questa quota la temperatura è sempre molto bassa in ogni stagione e raggiunge picchi di -56° - 60°C. Ma sopra tali quote improvvisamente l’aria riprende a scaldarsi creando una sorta di tappo che blocca la convezione, salita di aria calda, e lo sviluppo delle nubi, in particolare quelle cumuliformi, cumulonembi. Si tratta del fenomeno dell’inversione termica. Questa Inversione è permanente, pur variando di intensità e di quota e con la latitudine, perché è fisiologicamente legata alla dinamica dell’Atmosfera.

Essa varia con le stagioni e con la latitudine. Più alta in Estate e più bassa in Inverno. Più bassa alle alte latitudini e più alta ai Tropici e all’Equatore. Altre inversioni avvengono a quote più elevate.

Inversione termica al suolo

Quando il cielo è sereno il terreno irradia calore verso lo spazio e, se c’è una situazione di Alta Pressione con venti deboli o assenti e poco o nullo rimescolamento dell’aria, si forma uno strato di aria fredda che ristagna presso il terreno, entro poche decine di metri, massimo alcune centinaia.

Questo strato, essendo più pesante, rimane a livello del suolo e con la condensazione dell’umidità origina le nebbie di tipo Padano.

Nella stagione calda invece si ha lo Smog o la Foschia dato che non vi è aria molto fredda in gioco o l’umidità dell’aria non è tale da far sì che avvenga condensazione.

Questo avviene anche nelle valli e nelle conche situate sulle Alpi e gli Appennini dove sono frequenti queste “pozze di aria fredda” ristagnante.

In tale caso l’Inversione è rovesciata infatti si va da temperature piuttosto fredde presso il suolo a temperature che salgono lentamente con la quota finché, ad un certo punto, la temperatura scende bruscamente determinando l’Inversione suddetta.

Frequente in Inverno ma anche in altre stagioni essa produce le Nebbie, le Foschie (Smog) e le Nubi basse che tormentano spesso le nostre città, specie quelle della Padana o di zone di vallata e conca fra i monti.

La nebbia, formata da una convezione, viene interrotta da un “coperchio”, cioè dall’inversione termica, la quale intrappola gas e polveri sottili al suolo, causando un’elevato inquinamento delle zone in cui si verifica il fenomeno. Le nubi rimangono quindi confinate nella vallata, senza riuscire a salire liberamente, “muro di nebbia”. Su superfici di laghi, fiumi, stagni l’inversione può ridursi ad un solo metro di spessore, provocando le nebbie sottili simili a fumo sull’acqua.

Quando il Sole scalda il terreno e l’aria l’Inversione generalmente scompare determinando la scomparsa e il sollevamento di Nebbie o Nubi basse.

Cambiamenti meteorologici, Vento, precipitazioni ecc., distruggono l’Inversione.

L’Inversione Termica è anche alla base della formazione di Brina e Rugiada che si originano in seguito alla presenza di una pellicola di aria fredda intorno al suolo o ad oggetti presenti nell’ambiente. Come nel caso della Nebbia classica da Inversione questo sottile strato fa condensare l’umidità dell’aria in Brina, da 0 a sottozero, o Rugiada, soprazero.

Lo strato di ozono

Lo strato di ozono è una regione dell’atmosfera che rappresenta il naturale schermo della Terra alle radiazioni solari essendo in grado di filtrare le pericolose radiazioni ultraviolette contenute nella luce solare prima che queste raggiungano la superficie terrestre causando danni all’uomo e alle altre forme di vita. Di conseguenza la comparsa di un “buco” di rilevanti dimensioni nello strato di ozono al di sopra dell’Antartide rappresenta uno dei più gravi pericoli per l’ambiente.

La quantità totale di ozono che ci sovrasta in qualsiasi punto dell’atmosfera è espressa in termini di unità di Dobson (DU); una unità di Dobson equivale ad uno strato di ozono puro dello spessore di 0.01 mm alla densità che questo gas possiede alla pressione esistente all’altezza del suolo.

La quantità di ozono che ci sovrasta alle latitudini temperate è pari a circa 350 DU. Per effetto delle correnti stratosferiche, l’ozono viene trasportato dalle regioni tropicali a quelle polari.

Quindi vicino all’Equatore lo strato di ozono che ci protegge dalle radiazioni ultraviolette è minore. La concentrazione di ozono ai tropici mediamente è pari a 250 DU mentre quelle nelle regioni subpolari è circa 450 DU, eccetto le zone sovrastate dal buco dell’ozono.

Buco dell’ozono

A temperature bassissime si hanno cinetiche molecolari molto basse, per cui si ha un fenomeno di assottigliamento naturale dello strato di ozono.

A causa, invece, dell’immissione di gas nell’atmosfera come i Clorofluorocarburi (CFC), si è innescato un meccanismo di assottigliamento dello strato di ozono causato dall’impatto antropico e in particolare dovuto al legame delle molecole di O con le molecole di Cl.

Una serie di radiazioni emesse dal Sole può così attraversare l’ozono, in particolare le onde a bassa frequenza hanno già un’elevata capacità di penetrazione, siccome quelle a frequenza. La superficie esterna del Sole emette onde da 0.3u, infrarossi, a 100u, raggi X.

L’importanza dell’ozono stratosferico

• Radiazioni UV (Sole) --> mutazioni.
• Riduzione plankton (base della catena alimentare marina); danneggiamento dello stadio di sviluppo di pesci, granchi, gamberi, anfibi e altri animali.
• Danneggiamento di coltivazioni e piante.
• Umani: sistema immunitario indebolito, maggiori cancri alla pelle.

Cl² + light ---> 2 Cl

Cl + O³ ---> ClO + O²

ClO + O = Cl + O²

Effetti della diminuzione dell’ozono

• A partire dagli anni ’70 è stata misurata una perdita del 4% annuo dell’ozono totale.
• Buchi in entrambi i poli, specie in Antartide.
• Danneggiamento degli ecosistemi alla base della catena alimentare, plankton, piante.
• Danneggiamento delle larve e di altri stadi di sviluppo degli organismi marini.

Energia, radiazione, insolazione e trasferimenti di energia

Radiazione: energia trasferita in forma di onde elettromagnetiche, senza trasferimento di materia; non necessita di un mezzo di trasporto.

Le onde elettromagnetiche rappresentano una forma di energia che si può propagare nello spazio, senza la necessità di un mezzo di supporto; può propagarsi anche nel vuoto, come succede tra Sole e Terra. Le onde e.m. sono definite da un campo elettrico (E) e da uno magnetico (H) che oscillano perpendicolarmente tra loro e alla direzione di propagazione dell’onda. La velocità di propagazione dell’onda e.m. corrisponde a quella della luce.

Classificata in base alla lunghezza d’onda e alla frequenza. Spettro visibile da 0.38 um a 0.78 um; spettro invisibile costituito da componente infrarossa (>0.78 um), componente ultravioletta (<0.38 um) e onde radio.

Tutti i corpi emettono radiazione, cioè irraggiano, in quantità proporzionale alla loro temperatura.

La natura della radiazione è discontinua e avviene tramite l’emissione di fotoni, onde e.m.

Della radiazione incidente (I) su un oggetto si può concludere che essa può essere Assorbita (A) o Riflessa (R), e vale la relazione I=R+A.

Si definisce “Corpo Nero” quel corpo per il quale viene assorbita tutta la radiazione incidente, quindi si ha R=0. Anche se esso assorbe tutta la radiazione non significa che esso non sia in grado di emettere.

Leggi della radiazione

Leggi della radiazione, che regolano l’emissione di energia del corpo nero.

Legge di Planck: l’intensità della radiazione è proporzionale alla lunghezza d’onda della radiazione emessa; cioè più un corpo è caldo, più è bassa la lunghezza d’onda della radiazione emessa.

Legge di Wien: consente di esprimere il valore della lunghezza d’onda cui corrisponde il massimo di emissione di energia. In particolare si ha che: λ_max = k/T dove k=2897 um K.

Il Sole è pensabile come un corpo nero: la radiazione emessa dal Sole cade nel visibile e corrisponde a λ=0,5 um. Tale valore è in stretta relazione con la temperatura, che, sulla superficie solare, è dell’ordine dei 5000°K.

SOLE: 6000°C (6000 K)

TERRA: 15°C (288 K)

Quest'ultimo è il valore relativo alla sola superficie terrestre, se misurassimo la radianza emessa al di fuori dell'atmosfera, si ricaverebbe un valore pari a 255 K, ovvero -18 °C! Questo significa che se la Terra non avesse atmosfera, la sua temperatura media in superficie sarebbe di -18 °C.

Quindi ci si domanderà il motivo per cui la temperatura superficiale sia ben 33 °C superiore al valore che dovremmo avere se considerassimo l'atmosfera completamente trasparente alla radiazione. In realtà come ben sappiamo, esiste il cosiddetto “Effetto Serra”, grazie al quale parte della radiazione emessa dalla superficie rimane intrappolata in atmosfera e riemessa indietro, contribuendo ad innalzare la temperatura degli strati vicini al suolo.

Emissione prevalente su infrarosso. Le due curve non hanno lo stesso integrale.

Quando si parla di shortwave, lunghezze d’onda corte, si parla del sistema radioattivo solare; invece quando si parla di longwave ci si riferisce al sistema radioattivo terrestre, secondo quanto enunciato nella legge di Wien.

Legge di Boltzmann: stabilisce che la emittanza di un corpo nero è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura, espressa in °K.

L’atmosfera si trova tra questi due sistemi, Sole e Terra; dal punto di vista radiativo l’atmosfera ha una temperatura quindi anche essa si comporta come un corpo nero, quindi è in grado di emettere radiazioni, mentre lo strato d’ozono non ha che fare con la radioattività; essa non è solo in grado di emettere ma anche di trasmettere l’energia che la colpisce, ha capacità di riflessione dei colori, per questo appare di colore azzurro/blu all’occhio umano, e anche capacità di assorbire.

La luce emessa dal Sole subisce dei processi che la modificano mentre attraversa l’atmosfera.

Esempio: quando lo strato di ozono viene colpito emette, dopo una serie di processi chimici, sull’infrarosso.

Effetti della radiazione nell’atmosfera

• Trasmissione.
• Diffusione.
• Riflessione.
• Assorbimento.
• Rifrazione.

Riceviamo una radiazione diretta che passa attraverso l’atmosfera e raggiunge la superficie terrestre.

Dell’intero spettro trasmesso passano solo alcune lunghezze d’onda: l'atmosfera lascia passare solo le onde appartenenti al visibile, anche se ci sono alcune eccezioni, onde che quindi arrivano indisturbate alla superficie terrestre, mentre non permette il passaggio ai raggi ultravioletti ed a gran parte dei raggi infrarossi.

Questi ultimi due tipi di radiazione sono assorbiti dall'atmosfera attraverso meccanismi differenti, che hanno a che vedere con reazioni chimiche delle molecole gassose.

Dei 342 W/m² di radiazione solare, o di onda corta, in arrivo al top dell'atmosfera solo poco più del 70% arriva sulla superficie; il restante 30% è difatti subito riflesso verso lo spazio dalla superficie stessa e dall'atmosfera, Effetto Albedo.

Per quanto riguarda gli ultravioletti, essi vengono assorbiti dall’atmosfera circa a 25 km di quota grazie al ciclo di creazione e distruzione dell’Ozono, attraverso reazioni fotochimiche.

Diffusione (Scattering)

In atmosfera le molecole d’aria, piccole e numerose, specialmente nella parte inferiore dell’atmosfera, più densa, si possono comportare da elementi riflettenti: l’energia rimbalza su di esse e irradia in tutte le direzioni. Retrodiffusione, o Albedo, interessa solo la parte superiore dell’atmosfera.

Si divide in scattering singolo, radiazione che colpisce direttamente una molecola per poi essere diffusa, e multiscattering, radiazione diffusa da più molecole, si pensi a diversi urti consecutivi. Il motivo per cui il cielo si presenta azzurro è proprio dovuto allo scattering: quasi tutto il visibile attraversa senza problemi l'atmosfera, ma in particolare la radiazione appartenente all'intervallo di lunghezze d'onda dell'azzurro viene diffusa dalle molecole atmosferiche in tutte le direzioni, permettendo questa colorazione, che altrimenti sarebbe sostituita dal colore nero dello spazio aperto.

Il colore rosso che si nota al crepuscolo o all'alba è invece dovuto al fatto che un Sole basso sull’orizzonte significa anche angolo di incidenza molto piccolo, e quindi maggior diffusione per tutta la radiazione visibile, compresi i colori vicini al giallo; pertanto ai nostri occhi arriva con maggiore efficacia solo la componente rossa.

Lo scattering da parte di materiale gassoso avviene comunque secondo la teoria di Rayleigh, che si basa sul fatto che le dimensioni delle molecole sono molto più piccole delle lun