Geografia e cartografia completa

Suddivisione atmosfera in base agli strati termici

Concetti per capire il clima

Tempo atmosferico vs. clima

• Lunga durata
• Breve durata (mutamento rapido, valori medi e la loro variabilità)

Elementi metereoclimatici

• Temperatura
• Umidità
• P atmosferica
• Vento

I fattori del clima

Latitudine influenza la quantità di radiazione solare ricevuta (insolazione). Influenza complessivamente la temperatura.

Distribuzione continenti-oceano: gli oceani hanno temperature più miti perché si scaldano lentamente ed emettono calore lentamente (contrario dei continenti).

Circolazione atmosferica generale: nella troposfera domina il sistema di venti principali.

Circolazione oceanica: sistema generale di correnti con spostamento di acque fredde verso l'equatore e acque calde verso i Poli.

Altitudine: temperatura, pressione e vapore acqueo diminuiscono verso l'alto nella troposfera. La temperatura decresce.

Barriere topografiche: costituiscono elementi di disturbo influenzando direzione e intensità dei venti e le precipitazioni.

La temperatura e la sua distribuzione sulla Terra

L’energia a disposizione della Terra è in forma di calore. La quantità di radiazione elettromagnetica emessa da un corpo è proporzionale alla temperatura.

La Terra riceve calore dal Sole (insolazione, onde corte) e dall’effetto serra (onde lunghe). La misura della quantità di energia a disposizione è la radiazione netta.

La radiazione solare arriva in forma di energia e si trasmette attraverso l’atmosfera in modi diversi a causa della presenza di gas e pulviscolo.

L'energia termica si può spostare da un luogo all'altro attraverso tre processi:

• Conduzione: trasferimento adiacente di energia da un atomo all’altro attraverso masse gassose, liquide o solide. Si tratta di un flusso continuo di energia da aree ad alta temperatura verso aree a bassa temperatura (gradiente di temperatura). La superficie delle terre emerse si riscalda rapidamente, è un buon assorbitore, e si raffredda rapidamente rilasciando calore all’atmosfera, che a sua volta si scalda solo negli strati bassi.
• Convezione: trasferimento di energia attraverso movimenti di massa verticali in masse gassose o liquide.
• Radiazione: è l’unica forma di energia che si può trasferire nel vuoto o nello spazio. La radiazione solare costituisce la principale fonte di energia della Terra.

Temperatura

Energia - È la misura della velocità media degli atomi e delle molecole (cinetica). Più alta è la temperatura, più velocemente si muovono le particelle della materia.

La misura dell’energia di calore si effettua attraverso la misura della temperatura dell’aria. Alla temperatura di -273,15°C (zero assoluto) il moto atomico si ferma.

Temperatura media giornaliera (media della somma della Tmax e Tmin)

Escursione termica giornaliera (differenza tra Tmax e Tmin)

Temperatura media mensile (somma delle temperature medie giornaliere)

Temperatura media annuale (media delle temperature medie mensili)

Escursione termica annuale (differenza tra le temperature medie mensili più alte e più basse)

Il calore è spesso definito come l’energia spesa nel processo di trasferimento da un corpo a un altro a causa della differenza di temperatura.

Principali forme di calore sulla Terra:

• Capacità di calore - La quantità di energia assorbita da una sostanza associata al corrispondente aumento di temperatura.
• Calore specifico - È la capacità di calore di un’unità di massa di sostanza o il calore necessario per alzare la temperatura di un grammo di un oggetto di un grado Celsius. L’acqua richiede 4-5 volte di calore per alzare la propria temperatura rispetto a un uguale massa della gran parte dei solidi.
• Calore sensibile – È il calore che possiamo percepire (si misura col termometro).
• Calore latente – È l’energia necessaria per far variare una sostanza ad un più elevato stato della materia. La stessa energia è rilasciata quando un cambio di stato è inverso.

Il principale veicolo di calore latente sulla Terra sono le masse d’acqua. I valori più alti di flusso si registrano nelle aree oceaniche subtropicali dove le alte temperature favoriscono l’evaporazione. I valori negativi indicano assorbimento dell’energia latente, prevalentemente attraverso la condensazione o il congelamento delle acque. I valori sulle terre emerse sono generalmente bassi a causa della scarsa presenza di acqua superficiale.

Processi di modifica dell'energia solare a contatto con l'atmosfera:

• Diffusione (scattering): particelle e molecole di gas che diffondono parte della radiazione solare in direzioni casuali. Il processo non altera la lunghezza d’onda.
• Riflessione: l’energia solare viene riflessa di 180°, causa la perdita del 100% dell’energia solare. Nell’atmosfera avviene nelle nubi da parte delle particelle d’acqua/ghiaccio. La riflettività delle nubi è di circa il 60% e dipende dallo spessore delle nubi e dall’abbondanza di particelle. Nel passaggio da acqua a ghiaccio aumenta la riflettività.
• Assorbimento: capacità da parte di alcune molecole e di gas di assorbire l’energia solare. Questa viene convertita in calore. L’emissione di calore da parte delle particelle avviene in tutte le direzioni, quindi parte di essa è dispersa nello spazio. I principali assorbitori sono: vapore d’acqua e biossido di carbonio.
• Trasmissione: la radiazione che non viene assorbita, riflessa o diffusa viene trasmessa. La trasmissione atmosferica varia al variare della limpidezza.

Importanti variazioni in questo senso avvengono in continuazione, sia “naturalmente” (nubi, polveri vulcaniche, emissioni biologiche) sia a causa dell’uomo (incendi, combustione, ecc.).

L’insolazione che raggiunge la superficie terrestre senza alcuna modifica è chiamata radiazione netta. La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre dopo essere stata alterata per diffusione è chiamata radiazione solare diffusa.

Non tutta l’energia che arriva sulla superficie della Terra viene assorbita (una parte viene rispedita nello spazio per riflessione).

La misura di riflessione di una superficie = Albedo

Il valore medio dell'albedo è il 30%. L’albedo varia a seconda del tempo meteorico, ad esempio le stagioni, sia in termini di copertura nuvolosa che di umidità, ma anche in termini di copertura vegetale. Brusche variazioni dell’albedo possono essere apportate da cause naturali, ma anche da cause antropiche. Solo il 50% della radiazione totale (diretta e diffusa) è assorbita dalla superficie terrestre.

Questa energia è utilizzata dalla superficie terrestre e dagli strati inferiori dell’atmosfera per lo scioglimento dei ghiacci, l’evaporazione (calore latente) e per la fotosintesi delle piante. Il resto viene riflesso dalla superficie (5%), backscatterato dall’atmosfera (5%) e riflesso dalle nubi e dalle particelle (20%). Il rimanente 20% è la radiazione assorbita dai gas, dalle particelle e dalle nubi. La quantità totale assorbita dalla superficie e dall’atmosfera terrestre equivale a circa il 70%.

I valori più alti di insolazione si registrano alle latitudini intertropicali e sugli oceani. All’Equatore, la presenza quasi costante di nubi riduce l’insolazione diretta. Fuori da questa zona, l’insolazione diminuisce con la latitudine.

Bilancio della radiazione

Un oggetto è capace di assorbire tanta radiazione quanta ne emette. La radiazione assorbita dalla Terra ha una lunghezza d’onda corta, mentre la radiazione emessa dalla Terra ha lunghezza d’onda lunga. Il pattern di distribuzione della radiazione assorbita dal sistema Terra-Atmosfera non è lo stesso della radiazione emessa dallo stesso sistema.

Parte della radiazione assorbita viene ridistribuita, e questo avviene attraverso l’effetto serra e il trasferimento di energia attraverso le correnti atmosferiche e oceaniche. L’emissione di onde lunghe è maggiore in corrispondenza di cieli puliti e di temperature alte alla superficie. Bassi valori di emissione sono legati alle superfici più fredde e alla presenza di coperture nuvolose che sono in grado di bloccare la trasmissione di onde lunghe.

Il vapore acqueo e l’acqua sono capaci di assorbire l’emissione infrarossa, che viene a sua volta radiata di nuovo nell’atmosfera, e la maggior parte viene ritrasmessa alla superficie terrestre.

Onde corte

La radiazione a onde corte (insolazione) viene assorbita dal sistema Terra-atmosfera per il 70%, mentre il 30% viene restituito allo spazio.

Onde lunghe

La radiazione a onde lunghe emessa dalla Terra ammonta a 114 unità. Solo 12 unità si disperdono nello spazio. Le rimanenti 102 vengono assorbite dall’effetto serra e trasformate in energia di calore, che viene poi trasformata in radiazioni riemesse dall’atmosfera. Senza la controradiazione, l’energia emessa dalla Terra sarebbe di sole 20 unità.

Quindi l’effetto serra, cioè la riemissione di radiazione a onda lunga dei gas serra alla superficie terrestre, è di circa 74 unità. Senza queste, la Terra sarebbe in deficit di energia. Il valore globale di radiazione a onda lunga dispersa nello spazio è di 70 unità, che è esattamente lo stesso valore di energia assorbita dalla Terra e dall’atmosfera.

Il bilancio di radiazione e la radiazione netta

La radiazione netta è la quantità di radiazione di tutte le lunghezze d’onda che è disponibile per svolgere un lavoro. La radiazione netta dell’interno Terra dovrebbe essere uguale a 0 a causa del bilancio radioattivo del pianeta. La radiazione netta tende ad essere positiva nelle aree intertropicali e negativa alle medie ed alte latitudini. I valori positivi sono dovuti alla maggiore quantità di radiazione ad onda corta (Sole) assorbita.

All’interno di questa fascia esistono zone con valori negativi (Sahara, penisola iberica) dove la radiazione emessa è maggiore a causa delle nubi. Alle medie ed alte latitudini, il deficit di radiazione netta viene bilanciato dal trasferimento di calore attraverso la circolazione oceanica e atmosferica dei Tropici. In assenza di questo fenomeno, la temperatura aumenterebbe indefinitamente ai Tropici e diminuirebbe indefinitamente alle medie e alte latitudini.

L'effetto serra

È un processo naturale che concorre al riscaldamento della superficie terrestre e dell’atmosfera. Avviene ad opera di alcuni gas (gas serra) capaci di assorbire la radiazione emessa dalla Terra. Senza di esso, le temperature sarebbero di -18°C.

Una volta assorbita l’energia proveniente dal Sole (onde corte), parte di questa viene diretta verso lo spazio e l’atmosfera. Una volta riscaldata la superficie e l’atmosfera, queste cominciano ad emettere radiazione (onde lunghe) e cominciano a raffreddarsi. Parte di questa energia viene assorbita nell’atmosfera dai gas serra, che riemettono a loro volta energia verso la Terra, che viene trasformata in calore.

L’aumento della temperatura dovuto all’effetto serra (riscaldamento globale) dovrebbe portare ad una maggiore evaporazione e all’immissione di grandi quantità di acqua nell’atmosfera. Più vapore d’acqua (gas serra) nell’atmosfera = maggiore riscaldamento. Maggiore umidità, maggior sviluppo di nubi, cioè maggiore riflessione dell’energia solare direttamente nello spazio e minore radiazione solare assorbita dalla Terra. La temperatura dovrebbe abbassarsi.

Fattori che influenzano la temperatura

Latitudine influenza l’insolazione. Dall’Equatore verso i poli, le variazioni stagionali dovute alla lunghezza del giorno e all’angolo di incidenza crescono con la latitudine. Le deviazioni stagionali della temperatura divengono più estreme.

Altitudine: la temperatura decresce con l’altitudine (gradiente termico verticale). Influenza la temperatura in termini di densità dell’atmosfera. Meno particelle, quindi minor assorbimento e riflessione della radiazione solare. Quindi di giorno si dovrebbe registrare un repentino rialzo di temperatura. L’atmosfera più sottile favorisce la perdita di gran parte della radiazione terrestre; l’effetto è un raffreddamento più rapido durante la notte e l’intensità del raffreddamento è in genere maggiore del calore ricevuto.

Inversione al suolo: rapida perdita di calore (prevalentemente notturna), forte radiazione (favorita da cieli limpidi, tipica di superfici nevate). L’aria è più calda in quota generando generalmente campi di alta pressione che favoriscono il permanere al suolo dell’umidità che, a causa dell’aria fredda, tende a condensare.

Copertura nuvolosa: durante il giorno blocca l’insolazione = minor generazione di calore e minor temperatura. Di notte la presenza di nubi previene il raffreddamento e incrementa l’effetto serra. Ad esempio, provoca le forti escursioni diurne e notturne nei deserti (insolazione minore all’Equatore e più alta ai Tropici. All’Equatore la formazione di nubi durante il giorno previene l’insolazione, la presenza dei deserti subtropicali ha l’effetto opposto).

Oceani vs. Continenti

Sulle terre emerse, lo scambio di calore (insolazione vs. radiazione) è più rapido e intenso: bassa conduttività termica (solo una piccola parte di energia solare viene trasmessa all’interno della terra) e la maggior parte di quel poco assorbito ritorna all’atmosfera per conduzione e convezione. Di giorno lo scambio è molto alto, di notte molto basso, così come al variare delle stagioni. Questo è il motivo per cui le escursioni massime giornaliere e annuali sulle terre emerse sono estreme.

Le acque immagazzinano molta energia a causa della natura fluida e dell’alto calore specifico. Il calore assorbito viene ridistribuito attraverso la circolazione. I corpi d’acqua immagazzinano calore da migliaia di anni. Parte di questo viene rilasciato per convezione e conduzione, ma questa quantità è controllata dal calore degli oceani stessi. Variazioni annuali di insolazione provocano effetti minimi sulla variazione di radiazione di calore.

Nell’emisfero settentrionale (tra 30° e 70° latitudine) prevalgono le terre emerse, in quello meridionale gli oceani, dove le escursioni delle temperature medie sono minori.

Correnti oceaniche

Le masse d’acqua oceaniche sono in movimento, sia orizzontale sia verticale. Il primo genera le correnti oceaniche che sono associate e guidate dalla circolazione atmosferica generale. La presenza di masse d’acqua calde (che dall’equatore muove verso i poli) e fredde (che dai poli muovono verso l’equatore) condizionano la temperatura superficiale.

I cicli della temperatura giornalieri

Cause principali: moti della Terra, rotazione e rivoluzione.

Insolazione massima: quando il sole è alla massima altezza.

Radiazione netta: surplus durante le ore di maggior insolazione, deficit all’inizio del tramonto e durante le notti (la radiazione terrestre è maggiore dell’insolazione).

Tmax e Tmin: a seconda della stagione e delle ore di insolazione. L’equinozio di Settembre è più caldo a causa del riscaldamento estivo.

I cicli della temperatura annuali

Con la rivoluzione della Terra, la superficie terrestre subisce variazioni stagionali della temperatura dell’aria. Le variazioni mensili variano al variare della radiazione netta. Il surplus di questa infatti viene usato per creare calore sensibile. Le variazioni di radiazione netta dipendono dall’insolazione e dalla latitudine.

Esempio: A Singapore (1°N) la radiazione netta varia pochissimo, così come le temperature medie mensili. La maggior quantità di radiazione netta è tra Febbraio-Aprile, periodo secco con meno formazione di nubi (maggiore insolazione). Le Tmax si registrano in Maggio-Giugno, un mese di ritardo, dovuto al trasferimento di energia (conduzione, convezione, radiazione). Novembre-Gennaio, monsoni, formazione di nubi, minor insolazione, minore temperatura media in Gennaio, ritardo dovuto agli stessi motivi.

Patterns globali della temperatura: le medie annuali

La distribuzione è fortemente controllata dalla latitudine (aree desertiche intertropicali, cieli più limpidi, massima insolazione) e decresce verso i poli. La zonazione secondo la latitudine è parzialmente disturbata dall’effetto aree oceaniche vs. aree continentali e correnti oceaniche.

Si osserva anche l’effetto altitudine (Himalaya e Ande) e albedo (aree glacializzate). L’escursione annuale della temperatura globale percepisce l’importanza delle terre emerse e degli oceani. Vicino all’equatore l’escursione è quasi nulla. Sulle terre emerse alla stessa latitudine si osservano forti differenze mentre sugli oceani alla stessa latitudine le differenze sono minime.

Idrosfera

• L’acqua ha una struttura atomica semplice: H₂O
• Aumenta di volume passando da uno stato all’altro, mentre diminuisce la densità
• Ha un pH neutro (7) ma cambia in base alle condizioni (es. piogge acide); le piogge hanno pH di 5,6 perché contengono CO₂ e SO₂
• È il migliore solvente che esista, agisce sui composti che possono essere trasportati come anche esseri viventi
• Ha una forte tensione superficiale: è adesiva ed elastica, tende ad aggregarsi in gocce o a espandersi come una pellicola. Può aderire su superfici verticali vincendo la forza di gravità. La tensione superficiale consente la circolazione di acqua dalle piante alle radici e alle foglie.