Ecologia (no Demoecologia - Prof. Lazzara)

Bilancio termico

I corpi sono esposti ad un flusso continuo di radiazioni, e loro stessi emettono radiazioni (INPUT e OUTPUT). Si può valutare tramite questi due valori se il corpo sta accumulando o perdendo radiazione e quindi energia.

A che flusso è sottoposta una pianta?

• Radiazioni solari dirette
• Radiazione solare diffusa che non arriva direttamente alla pianta ma viene modificata lungo il cammino
• Radiazioni che arrivano dal terreno e dalle piante accanto
• Le radiazioni emesse dalla pianta stessa che quindi subirà una perdita di energia per irraggiamento
• Il calore può essere sottratto e ceduto anche dalle masse d'aria che si muovono tramite movimenti convettivi
• Fenomeni legati al passaggio di stato dell'acqua: il velo superficiale di acqua quando la pianta è bagnata tenderà ad espandersi sottraendo calore alla pianta ed evaporando. Oltre a questo, esistono i fenomeni di traspirazione

Meccanismi di trasmissione dell'energia

L'energia si trasmette per:

• Irraggiamento: trasferimento alla velocità della luce e può avvenire nel vuoto
• Conduzione: riguarda i corpi solidi, in cui l'energia cinetica delle particelle passa attraverso gli urti tra queste
• Convezione: avviene nei liquidi, dove le particelle hanno una certa energia cinetica e possono rimescolarsi fino ad arrivare ad un certo equilibrio

Quando energia e materia interagiscono, allora si ha il passaggio completo di energia, altrimenti si hanno due fenomeni: assorbimento e diffusione, che comprende tutte le modalità di attenuazione della luce (riflessione e rifrazione).

Composizione della radiazione solare

La radiazione solare a bassa lunghezza d'onda possiede una componente UV (6.5%), una nel visibile (46.3%) e una nell'IR vicino (42.7%) e IR lontano (4.5%). La radiazione emessa dalla Terra invece è quasi esclusivamente IR lontano. Inoltre, si ha un'emissione da parte dell'atmosfera detta controradiazione atmosferica.

Della radiazione solare, quindi, solo il 47% cade nel visibile, e questo può essere attenuato di un 4% dalle nuvole e di un 20% dall'atmosfera. Quindi, di tutta la radiazione solare che arriva sulla Terra (1351 J/m² s) solo 2140 possono essere utilizzati per la fotosintesi.

• 1/4 della radiazione solare è assorbita dalle nubi che a loro volta aumenteranno il loro livello energetico e riemetteranno la radiazione
• 1/4 della radiazione è riflessa indietro
• La restante metà arriva sulla superficie, e di questa gran parte viene assorbita mentre una piccola frazione viene riflessa (non cambia l'intensità della radiazione ma la direzione)

Effetti della radiazione

• Irraggiamento infrarosso: da parte della superficie verso l'alto che viene intercettato dalle nubi in maniera maggiore, ciò porta all'effetto serra che mantiene la temperatura più alta
• Passaggi di stato dell'acqua: che assorbendo le radiazioni si scalda ed evapora in atmosfera. I trasferimenti di energia dovuti ai passaggi di stato dipendono dal calore latente

L'energia che entra in atmosfera deve essere comunque uguale a quella che esce. La radiazione solare può inoltre dare vita ad altri due fenomeni:

• Diffusione di Rayleigh: quando la radiazione interagisce con molecole del tipo O₂ e N₂, che emettono poi nel blu conferendo il colore al cielo
• Diffusione di Mie: la radiazione assorbita da composti più grandi, come l'aerosol, che emette luce bianca, le nubi nere sono cariche d'acqua e il colore è dovuto al fatto che assorbono molta luce.

Atmosfera e meteo

Atmosfera: fascia che circonda la Terra avente una densità tale da poterla distinguere dallo spazio. Compito dell'atmosfera è ridurre lo scarto tra le temperature, e grazie all'effetto serra evita che diventino troppo basse. (78% N, 21% O₂, 0,434% Argon, 0,033% CO₂ e altri)

È caratterizzata da diversi strati:

1. Troposfera: si estende fino a 10 km in altezza ai poli e 15 km all'equatore. La troposfera è lo strato in cui le temperature diminuiscono salendo in altitudine fino alla tropopausa, dove si arriva a -50,-60 gradi. La temperatura diminuisce salendo perché ci si allontana dalla Terra e diminuisce quindi la radiazione IR proveniente dalla Terra. Tempo di rinnovo (tempo necessario al ricambio di tutta la materia interna, soprattutto del vapore acqueo) è di qualche giorno.
2. Stratosfera: arriva fino a 50 km, qui al contrario, salendo la temperatura tende ad aumentare fino alla stratopausa e si mantiene stabile. La concentrazione di vapore acqueo è mille volte minore rispetto alla tropo e una conc di ozono mille volte superiore, per questo è in grado di assorbire gli UV. La temperatura aumenta grazie all'Ozono e all'aerosol in grado di assorbire le radiazioni. Tempo di rinnovo, anni.
3. Mesosfera: la temperatura discende nuovamente.
4. Termosfera: la temperatura aumenta di nuovo. La temperatura di questo strato non è compatibile con la vita sulla Terra poiché nonostante vi siano pochissime particelle, queste hanno un'energia cinetica elevatissima (2000 gradi K). La temperatura dipende dal sole infatti quando questo è perturbato si può creare il cosiddetto "vento solare", in cui certe particelle (elettroni, protoni e nuclei di elio) assorbendo le radiazioni emettono poi elettroni dando luogo a gas ionizzanti che interagendo con il campo magnetico della Terra danno origine all'aurora boreale. Si protrae fino a 500 km.
5. Esosfera fino a 1600 km.

Vento e inversione termica

Vento: movimento delle masse d'aria. Sale di intensità con l'altitudine sia in scale piccole sia a livello delle sfere più esterne, dove le particelle sono più veloci e generano correnti a getto essendo l'aria più rarefatta. Nella troposfera si ha un'intensità di circolazione verticale ed orizzontale e a livello della tropopausa dell'equatore (dove la troposfera è più alta) si possono inserire le correnti a getto, mentre nella stratosfera è più orizzontale.

Inversione termica: a livello del suolo si osserva la mattina, quando si osserva una leggera foschia. Durante la notte la Terra non assorbe radiazioni e quindi l'emissione all'alba sarà minima, se poi non ci sono nubi questa radiazione si allontanerà dalla Terra e l'aria rimarrà fredda fino a quando non sorge il sole che scalderà il suolo. A questo punto l'acqua del sole evapora ed essendo l'aria fredda, l'acqua tenderà a condensare formando la nebbia e la foschia. Questo fenomeno di inversione termica avviene quindi per irraggiamento notturno e assenza di nubi che trattengano la radiazione proveniente dalla Terra.

Clima

Il clima è caratterizzato da elementi del clima che lo descrivono e fattori del clima che lo generano e possono essere di natura geografica o cosmica. Essendo la superficie della Terra curva, i raggi del sole arriveranno con diversa inclinazione alle varie latitudini creando climi diversi. Ad esempio i raggi che arrivano ai poli hanno il percorso più lungo e per questo arrivano con un'energia minima. Inoltre, l'inclinazione dell'asse terrestre crea le differenze stagionali. Il bilancio termico è quindi caratterizzato da un più o meno costante surplus di energia all'equatore e un deficit energetico ai poli.

L'eccesso di riscaldamento atmosferico all'equatore forma una corrente ascensionale forte che, salendo, trova temperature più fredde e per questo se trova i nuclei di condensazione e riesce ad arrivare al punto di saturazione, condenserà e ricadrà sulla Terra come precipitazioni equatoriali. L'aria raffreddata cade a latitudini maggiori verso i tropici dove si ha una condizione di alta pressione. Tra i tropici e l'equatore si avrà poi una massa d'aria che rimpiazzerà quella salita all'equatore. Questi movimenti d'aria creano la prima cella di circolazione connettiva cella di Hadley, che è la più forte tanto da influenzare anche tutte le altre.

1. La seconda cella: l'aria sale dalle regioni temperate e scende ai tropici.
2. La terza cella: sale ai circoli polari e scende ai poli.

In una cella di circolazione quindi l'aria calda sale, cede energia e condensa, divenendo aria più fredda è più pesante e ridiscende. Il vento è un movimento di masse d'aria che vanno da zone di alta pressione a zone di bassa pressione come gli alisei (venti costanti orizzontali a livello dell'equatore). La forza del vento dipenderà dalla differenza di pressione tra i due punti, dalla distanza tra questi e anche dalla deviazione dovuta alla forza di Coriolis. La forza deviante dipende dalla rotazione della Terra, quindi le masse d'aria sono deviate verso destra nell'emisfero boreale e verso sinistra nell'emisfero australe.

Cicloni: è una zona a bassa pressione in cui si ha una rotazione antioraria (nell'emisfero boreale, mentre oraria nell'emisfero australe) dei venti e le masse d'aria sono soggette a forza centripeta (dirette verso il centro del ciclone). Anticiclone: zona alta pressione soggetta a rotazione oraria (nell'emisfero boreale e antioraria nell'australe) e soggetta ad una forza centrifuga (fuori dal ciclone). I venti non si spostano dal centro di bassa pressione a quello di alta pressione poiché concorrono vari fenomeni alla circolazione dei venti. Alcune regolarità però esistono perché all'equatore c'è una bassa pressione permanente e ai tropici un'alta pressione. Intorno ai poli invece si avrà una variabilità nell'emisfero nord a causa della vasta distesa di acqua. L'entità dei venti dipende dall'insolazione, e quindi durante i solstizi sarà massima ai tropici e durante gli equinozi all'equatore. Ciò fa capire che in realtà esiste un equatore detto equatore termico che non coincide con quello geografico e che si sposta durante i passaggi stagionali, è il punto di massima insolazione. In inverno gli alisei sono spostati verso sud e in estate verso nord.

Monsoni: sono venti stagionali o periodici. Nascono dalla differenza di insolazione del continente o nella massa d'acqua. La terra si scalda prima poiché l'acqua è dotata di forte inerzia termica. In estate l'aria calda del continente sale e viene sostituita da quella umida proveniente dal mare, anch'essa quindi sale e formerà le piogge che si muovono verso l'interno del continente. Mentre in inverso, l'oceano è più caldo e l'aria asciutta si muove verso l'oceano.

Brezza: dipende dalla variazione di insolazione giornaliera. Avviene sia tra terra-mare sia tra monte-valle. Il massimo riscaldamento diurno del terreno si ha la brezza di mare, mentre di notte, massimo riscaldamento dell'acqua, si ha la brezza di terra.

Fronte: è il confine tra due masse d'aria con diverse caratteristiche. L'incontro tra una massa fredda e una calda genera un fronte freddo (genera una colonna di nubi, poiché l'aria calda sale, si fredda e condensa: fenomeno di cumulonembo, che si sviluppa in condizioni di forte instabilità atmosferica). Se la massa calda invece raggiunge quella fredda si forma il fronte caldo dove si ha una zona di bassa pressione e una forte variazione di temperatura tra l'acqua e l'aria sovrastante, si forma così una circolazione spirale nei mari caldi e il vapore che sale cede calore latente intensificando la circolazione.

Ciclo idrologico

Atmosfera + idrosfera = terra fluida. La riserva atmosferica di acqua è la più piccola, il 97% dell'acqua proviene dagli oceani dove assorbe la radiazione solare, evapora e passa nell'atmosfera dove condensando riprecipita. Una volta arrivata al suolo l'acqua può infiltrarsi e tornare nei bacini oceanici da dove riparte il ciclo. Il ciclo è causato dai processi di evaporazione/condensazione. In seguito a questi passaggi di stato si hanno infatti le meteore (pioggia, neve, grandine).

L'acqua presente in atmosfera è detta umidità (quantità di acqua per unità di volume) e dipende dalla quantità di acqua che è disponibile per l'evaporazione. La condensazione invece dipende dalla temperatura delle masse d'aria che si possono arricchire di acqua fino ad un punto di saturazione oltre il quale si ha appunto la condensazione quando sono presenti i nuclei di condensazione (aggregati di piccolissime particelle come cristalli di sale, polvere, dimetilsolfuro che diventa poi acido meta-solforico). Il punto di saturazione dipende dalla temperatura dell'aria, quando l'aria è fredda è necessaria meno acqua per arrivare a saturazione.

Si definisce inoltre l'umidità relativa, ovvero la quantità di acqua presente rispetto alla massima che si potrebbe avere a tale temperatura. A condizioni di parità di temperatura, si hanno effetti diversi sulla popolazione quando l'umidità è diversa. Se l'umidità è già alta, è più difficile che evapori altra acqua e quindi gli individui tendono a traspirare meno.

Temperatura

La temperatura si può misurare in due modi:

• A bulbo secco: temperatura indipendente dall'umidità
• A bulbo umido: il bulbo viene circondato con una garza bagnata. La differenza tra i due valori darà il valore di umidità relativa.

Ombra di pioggia

Ombra di pioggia: fenomeno montano. Quando una massa d'aria raggiunge una montagna, sale lungo in pendio e arrivata in cima con la temperatura più bassa, condensa e precipita. Sul versante opposto invece si avrà una condizione di siccità poiché l'aria che riscende è scarica di pioggia. (Alpi Apuane)

Bilancio idrico globale

I processi legati all'acqua sono: Precipitazione (P), evaporazione (E), traspirazione (T), ruscellamento (R) e infiltrazione (I). P = E + T - R - I. La terra è in pareggio, mentre si ha uno sbilancio tra continenti e oceani, infatti il bilancio risulta negativo per gli oceani e positivo per i continenti. L'acqua scorre dai continenti al mare tramite i fiumi, negli oceani quindi si formano più nuvole e quindi più precipitazioni che ricadranno poi sui continenti.

Distribuzione delle acque: atmosfera-laghi, fiumi-calotte-falde-oceani.

Distribuzione delle precipitazioni

Le grandi piogge sono concentrate nella zona equatoriale dove si hanno anche più di 300 cm di pioggia l'anno, zone meno piovose sono i poli dove a causa della bassa temperatura e dell'alta pressione l'acqua non evapora. Tra i due poli si trovano però delle distinzioni: al polo Nord si forma il ghiaccio sopra il continente stesso, mentre al polo Sud.

Acqua delle falde

I fenomeni che coinvolgono l'acqua e la sua interazione con il terreno sono: dilavamento, liscivazione, capillarità e assorbimento radicale. L'acqua percola nel terreno attraverso gli spazi liberi fino ad arrivare ad uno strato impermeabile, dove si accumula e forma un piccolo lago sotterraneo chiamato falda. Le falde possono essere freatiche: se sono le falde classiche più superficiali da cui si può attingere formando delle depressioni, oppure artesiana: se è circondata da due strati impermeabili e quindi si trova sotto pressione, in questo caso forando il terreno l'acqua zampillerà fuori spontaneamente.

Le zone umide sono delle zone che raccolgono acqua proveniente dalle piene senza che queste creino problemi, funzionano insomma come cassa di espansione naturale. La disponibilità d'acqua è un problema attuale, perché le precipitazioni non sono costanti nel tempo, e l'acqua portata dai fiumi si ha in piene stagionali e quindi in momenti in cui è inutilizzabile.

Bilancio idrico locale

L'utilizzo di acqua attualmente cresce più velocemente della popolazione e si divide in compartimenti diversi: agricolo (69%), domestico (6%), industriale (25%). Per aumentare la disponibilità d'acqua si possono mettere in atto una serie di tecniche:

• Inseminazione (?) artificiale delle nuvole tramite nuclei di condensazione
• Desalinizzazione tramite distillazione
• Introduzione di nuove tecniche di irrigazione
• Accumulo di riserve in bacini artificiali dove si fa fluire l'acqua attraverso canali ed acquedotti. Questa procedura presenta però il problema della scomparsa del fondo valle. Questi bacini inoltre si riempiono di sedimenti che vengono pian piano interrati.

Movimenti delle acque

Correnti oceaniche: sono dovute al movimento dei venti e alla differenza di densità e quindi alla forza di gravità esercitata da sole e luna. La differenza di densità può essere anche causata da una differenza di temperatura tra le acque. Si distinguono correnti superficiali e correnti profonde. Le correnti superficiali si dividono in cinque grandi circuiti e due cinture:

• Cintura degli alisei: venti che soffiano da sud est a nord ovest, e quando si incontra con i continenti devia a destra nell'emisfero boreale e a sinistra nell'emisfero australe. L'altra cintura è data dai venti diretti a est intorno all'Antartide.

I circuiti sono fatti da varie correnti:

• Circuito della corrente di Kuroshio (tocca il Giappone) + corrente della California
• Corrente del Perù (circola in senso opposto a quella della California nel emi boreale)
• Corrente del Golfo (in Europa, inizia in Messico e si incontra con la corrente delle Canarie)
• Corrente del Brasile + corrente del Bengala (?)
• Circuito che tocca l'Indonesia

Sotto i 300 m si parla di correnti intermedie, mentre le correnti profonde partono da 1500 m di profondità. La circolazione profonda è il nastro trasportatore del calore, nasce nei pressi dell'Artico dove soffiano i venti catabatici asciutti e freddi che fanno abbassare la temperatura e quindi sprofondare le acque, e si muove verso l'Antartico e da qui si dirige verso l'oceano Indiano o Pacifico.

Moto ondoso: è di tipo circolare poiché la massa d'acqua torna sempre al solito punto. L'altezza dell'onda dipende dall'intensità del vento che la genera.