Ecologia agraria

Il concetto di scala nella trattazione dei fenomeni

Trattare insieme fenomeni molto piccoli e molto grandi produce molta confusione (è fonte di errore) -> problema risolto suddividendo i fenomeni in base alla loro dimensione

La base energetica del concetto di scala

L'energia del Sole muove i vortici più grandi che con la loro energia alimentano vortici più piccoli che a loro volta alimentano vortici ancora più piccoli e così via fino ai vortici a microscala (cascata energetica)

Il concetto di scala è fondamentale per:

• Analizzare in modo esauriente i fenomeni atmosferici ed i loro effetti (esempio della gelata)
• Progettare le reti osservative (passo di griglia)
• Disegnare algoritmi di analisi che distinguano il segnale dal rumore (es: possibilità di filtrare effetti di microscala in reti sinottiche)

Concetti analoghi si ripropongono in tutti gli ambiti di interesse dell'agronomia.

Di fronte al sistema atmosferico

Compito della climatologia è la descrizione del...

passato su archi temporali più o meno lunghi:

- Clima attuale

- Climi del passato

Compito della meteorologia

1. analizzare lo stato attuale
2. Prevedere lo stato futuro (prognosi)

E' necessario un atteggiamento umile ! (conosciamo ancor oggi pochissimo)

PUNTO DI PARTENZA

Elementi che rendono il nostro pianeta un unicum:

• l'atmosfera
• gli oceani

E di conseguenza:

• la circolazione atmosferica e oceanica
• l'effetto serra

Tentiamo una chiave di lettura quantitativa di questi fenomeni.

LA LEGGE DI STEFAN BOLTZMANN

Scoperta sperimentalmente da Stefan nel 1879 e spiegata teoricamente da Boltzmann nel 1884. Lega l'energia emessa da una corpo alla sua temperatura

4E=s T

Ove:

• l'energia E emessa dal corpo (W m ) è proporzionale alla 4a potenza della temperatura (K)
• la costante di proporzionalità s è pari a 5.67*10

ALLA LUCE DI QUESTA LEGGE

Valutiamo due casi di studio:

1. un pianeta senza atmosfera e oceano (solo

roccia) - un pianeta con atmosfera e oceano (la Terra)

Entrambi i pianeti hanno le stesse caratteristiche della Terra in termini di:

• dimensione -2
• distanza dal sole (per cui ricevono 235 Wm di energia)
• albedo planetario (31%)
• inclinazione dell'asse
• rotazione intorno al proprio asse (1 angolo giro ogni 24 ore) e rivoluzione intorno al sole (in 365 giorni).

Circolazione: l'assorbimento di energia si concentra nella fascia equatoriale ma l'emissione è assai più regolare → dev'esserci un trasferimento latitudinale di energia dovuto alla circolazione. -2

Effetto serra: mediamente 235 W m sono assorbiti e altrettanti sono emessi per ragioni di equilibrio energetico. 235 W m-2 è l'emissione di un corpo con T=-19°C. L'effetto serra giustifica il fatto che la Terra in superfine ha una temperatura di +14°C.

IL SISTEMA CLIMATICO

È un sistema termodinamico (porzione limitata dell'universo contenente materia ed energia) Nel suo

Complesso è un sistema chiuso (con lo spazio esterno scambia energia e non materia). I suoi sottosistemi sono sistemi aperti (scambiano fra loro energia e materia).

L'ATMOSFERA E LA SUA COMPOSIZIONE

Questa composizione viene rispettata fino a 100 km di altezza (omosfera). In passato è sempre stata così? - Il ruolo degli autotrofi.

IL RUOLO DELLA CIRCOLAZIONE

Scopo della circolazione: riequilibrare gli scompensi dovuti all'irregolare distribuzione della radiazione solare. Come assolve a tale scopo: in massima parte attraverso l'atmosfera (più dell'80%) e poi attraverso gli oceani (meno del 20%) - non si può parlare di clima senza considerare la circolazione atmosferica. Il vettore dell'energia è sempre l'acqua!

LE FASCE CIRCOLATORIE

Tre grandi fasce:

- fascia intertropicale (l'aria sale all'equatore e ricade ai tropici)

- due fasce extratropicali (due grandi fiumi d'aria corrono da ovest verso est trasciando dei vortici - i sistemi

frontali – necessari per lo scambio di energia fra medie e alte latitudini)

CIRCOLAZIONE ATMOSFERICA E OCEANICA

Cos'è: un motore termico messo in moto dall’energia del Sole -> se non ci fosse il Sole...

Finalita: riequilibrare gli scompensi fra aree troppo calde e aree troppo fredde

Il riequilibrio: è garantito per l’80% dall’atmosfera e per il 20% dagli oceani-> - l'atmosfera ha una capacità termica bassissima → può trasportare tanta energia perché sfrutta i cambiamenti di stato dell'acqua.

IL VAPORE ACQUEO

COME GAS SERRA

in buona parte dello spettro di emissione terrestre (3-100 micron) risulta opaco, per cui impedisce l’emissione verso lo spazio di energia.

COME VETTORE DI ENERGIA NELL’ATMOSFERA

i cambiamenti di stato dell'acqua sono associati a rilevanti trasferimenti d’energia (H O assorbe 335 J/g (=80 cal) nel processo di fusione e 2470 J/g2(=590 cal) nel processo di evaporazione.

Quantità analoghe d'energia sono liberate nei processi inversi (condensazione e solidificazione). È del tutto trasparente (non visibile). Vediamo la sua presenza solo quando in forma condensata (nubi, nebbie, foschie, ecc.). Il vapore acqueo in pratica: 1. Accumulo lento su grandi superfici (oceani, laghi, aree coperte da vegetazione, ecc.) di grandi quantità di energia nell'aria; 2. Liberazione rapida e concentrata dell'energia su superfici ridotte anche molto lontane dai luoghi di accumulo = perturbazioni atmosferiche = condensazione del vapore acqueo in nubi e idrometeore. Effetto serra: Fenomeno meraviglioso: è grazie ad esso che la temperatura media della superficie è di +14°C. Senza di esso la superficie del nostro pianeta avrebbe una temperatura di -19°C e la vita sarebbe impossibile. Meccanismo dell'effetto serra: La Luna è riscaldata solo dal sole. La Terra è riscaldata dal Sole e dall'atmosfera (in pratica è come se

vi fossero tre Soli)Come funziona?-Spettro eletromagnetico-Emissione dei corpi (fotoni)-Intercettamento dei fotoni-Riemissione di energia da parte delle molecole eccitate

IL RUOLO DELL'EFFETTO SERRA -2Emissione media della Terra = 235 W m-2235 W m = emissione di un corpo a 253 K (-20°C)La temperatura media della Terra in superficie è di 14°C Come mai?E' tutta "colpa" dell'effetto serra.

Perché gli scenari di aumento di 2-6°C delle temperature globali che tanto preoccupano?Sono ottenuti con modelli matematici (GCM), basandosi sull'ipotesi secondo cui l'aumento della CO provocherà:2- aumento del vapore acqueo atmosferico- diminuzione delle nubi basse (quelle che raffreddano il pianeta) e/o aumento delle nubi alte (quelle che riscaldano il pianeta)-> l'effettivo verificarsi di tali fenomeni è ancora da dimostrare

ALCUNE CONCLUSIONI OPERATIVEAssurdità di slogan del tipo:- lottiamo contro l'effetto

serra - la CO2 è un inquinante- la CO2 è "il gas serra"

La CO2 non è un inquinante (niente CO2 niente cibo)

L'effetto serra non è il cancro del pianeta (niente effetto serra niente vita)

La CO2 non è il principale gas serra (l'acqua è molto più importante)

L'AZOTO ATMOSFERICO

Ruolo per la nutrizione delle piante (uno dei tre macroelementi - es: base delle proteine)

Le piante superiori lo attingono dal terreno e non sono in grado di acquisirlo direttamente dall'atmosfera

Dall'atmosfera possono attingerlo gli azotofissatori (simbionti e non)

Il ruolo dei fulmini

LA CIRCOLAZIONE GENERALE ATMOSFERA TERRESTRE

Enorme motore termico: gli squilibri termici attivano un meccanismo di compensazione rappresentato dal moto delle masse di aria

Il suo fine ultimo: riequilibrio energetico fra basse e alte latitudini che avviene tramite la circolazione atmosferica (80%) e oceanica (20%)

Per capire la circolazione:- Consideriamo

L'atmosfera è composta di tante particelle d'aria- ogni particella è sottoposta ad una serie di forze (gravità, gradiente di pressione, Coriolis, centrifuga, attriti).- per effetto di tali forze ogni particella subisce un'accelerazione.

Il significato di media in un fluido turbolento è che "Lo stato medio della circolazione anulare è zonale".

In un fluido turbolento non basta parlare di media, la variabilità intorno alla media essendo estremamente ampia. Basta che guardiamo la configurazione di un giorno particolare per cogliere quanto possa essere lontana dalla media.

I blocchi sono le deviazioni rispetto al regime zonale imposte dalle grandi aree cicloniche e anticicloniche che le masse d'aria delle medie latitudini, che tendono per loro natura a scorrere da ovest a est, incontrano sul loro cammino.

I blocchi deviano la circolazione costringendo l'aria a girare.

Viziosi per muoversi da ovest a est. Nel caso estremo la circolazione delle medie latitudini può orientarsi da est verso ovest (regime antizonale).

Quanto a lungo persiste un blocco? Di norma solo pochi giorni; tuttavia in casi particolari può durare settimane o anche mesi. In tal caso l'atmosfera si comporta riproponendo la stessa struttura sulla stessa area per lunghi periodi, dimostrando una memoria davvero prodigiosa per un sistema turbolento.

Climatologia dei blocchi e eventi estremi. La climatologia dei blocchi (frequenza, persistenza) è strettamente legata ad anomalie climatiche importanti:

• Ondate di caldo (es: estate del 2003 in Europa)
• Irruzioni fredde (es: grandi inverni europei - 1929, 1956, 1985)
• Piogge persistenti (es: alluvione di Firenze del 1966)
• Siccità (es: dust bowl degli anni '30 in Usa)

Atmosfera terrestre. Le grandi correnti occidentali:

1. Si ondulano creando delle grandi onde planetarie (onde di Rossby)
2. Appaiono instabili rispetto a
da si incontrano e si solleva quella calda sopra quella fredda3. l'aria calda che si solleva si raffredda e si condensa formando nuvole4. le nuvole possono portare alla formazione di piogge o temporali5. i sistemi frontali sono zone di confronto tra masse d'aria con caratteristiche diverse, che possono generare onde di Bjerknes6. le onde di Bjerknes sono piccole perturbazioni che tendono ad amplificarsi e possono portare a fenomeni meteorologici intensi