geografia fisica e cartografia

INTRODUZIONE AL SISTEMA CLIMA

Il Clima può essere quantitativamente definito utilizzando i valori delle principali

variabili meteorologiche, dette anche elementi climatici, che includono variabili

come la temperatura media, le precipitazioni, il vento, la pressione atmosferica, lo

stato del cielo e l’umidità. Il clima viene valutato in un lasso di tempo di trent’anni di

ricerca, altrimenti si parla di tempo atmosferico; quindi per parlare di cambiamenti

climatici bisogna studiarli in un arci di tempo ancora più lungo.

La temperatura è ampiamente riconosciuta come una variabile climatica

fondamentale. La temperatura media terrestre è pari a 288 K, +15°C o 59° F.

(CELSIUS: 0°C = ghiaccio fondente, 100°C = vapori acqua bollente; FAHRENHEIT:

32°F = 0°C e 212 °F = 100°C, T (f) = 32 + 9/5 t (C))

La temperatura varia lungo la latitudine. Sono stati registrati degli estremi termici che

riflettono il noto decremento termico dai Tropici ai Poli.

-89°C (-128.6°F) a Vostok, Antartide (3450m slm)

 e +58°C (136.4°F) a Al Aziziyah, Libia (ma questo record è oggi messo in

 discussione, si veda http://www.climatemonitor.it/?p=29558

il lapse rate è la diminuzione della Temperatura in funzione della quota dalla

superficie terrestre sino ad un’altitudine di 10-15 km nell’atmosfera.

−∂ T

τ≡ ∂ z

La forza di gravità trattiene intorno alla Terra un involucro gassoso, l’atmosfera, la cui

densità, per la compressibilità dei suoi componenti, decresce quasi esponenzialmente

con la quota, fino a confondersi con i valori propri dei gas interplanetari. La massa

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totale dell’atmosfera è stimata intorno ai 5,2 x 10 tonnellate, cioè meno della

milionesima parte della massa planetaria, circa la metà della massa atmosferica si

trova sotto i 5 km di quota, il 75% sotto i 10 km ed il 95% sotto i 20 km. Da qui

emerge che l’atmosfera è suddivisa in una serie di involucri concentrici attraverso i

quali le proprietà fisiche variano assai più rapidamente in senso verticale che non in

direzione parallela alla superficie terrestre. Intorno ai 500-600 km di quota l’atmosfera

termina perché il libero cammino medio delle molecole (distanza media percorsa

da una molecola tra 2 urti successivi)

raggiunge i 100 km ed è paragonabile al

vuoto. Si può capre che molto sottile se

paragonata ala raggio solido della terra.

L’atmosfera può essere suddivisa in base

ai gradienti termici. Tutte le terre emerse si

trovano nella troposfera tra 0 e 10km in cui

la temperatura diminuisce all’aumentare

dell’altitudine.

L’esosfera o geocorna è la regione di transizione al plasma interplanetario. Di forma

affusolata, si prolunga a coda in direzione opposta a quella del Sole, ed è immersa a

sua volta nell’eliosfera, l’involucro allungato che si ritiene contenga al proprio interno

l’intero Sistema Solare. L’eliosfera è permeata dal vento solare (nome introdotto nel

1958 da Parker), gas ionizzato (plasma) a bassissima densità composto soprattutto da

protoni ed elettroni liberi. A questi si associano durante i brillamenti solari nuclei di

elio, carbonio, azoto, ossigeno e di atomi più pesanti. Il vento solare fluisce quasi

radialmente dal sole, in modo non del tutto uniforme. Le particelle del vento solare

sono catturate dal campo magnetico terrestre ed immerse in un sistema di fasce di

radiazione che circondano la Terra (fasce di Van Allen) a loro volta racchiuse in una

regione chiamata magnetosfera. Il Libero Cammino Medio delle molecole raggiunge

nell’esosfera valori molto elevati, favorendo gli scambi per diffusione sia al suo interno

sia tra esosfera e ambiente interplanetario. Da osservazioni tramite satelliti e veicoli

spaziali si osserva che in prossimità dell’orbita terrestre il vento solare ha una

temperatura prossima ai 100.000 K, una densità dell’ordine di 10 particelle per cm3 ed

una velocità di circa 450 km /sec.

Nell’atmosfera la densità dell’aria e la pressione decrescono in modo continuo verso

l’alto conformemente alle leggi dell’idrostatica. Non così accade per la temperatura

che varia verticalmente in modo discontinuo e permette di riconoscere nell’atmosfera

quattro regioni a diverso regime termico. In base alla nomenclatura OMM

(Organizzazione Meteorologica Mondiale) esse vengono definite: troposfera,

stratosfera, mesosfera e termosfera separate al loro limite superiore da tropopausa,

stratopausa e mesopausa.

La troposfera è la sede dei principali fenomeni meteorologici, si estende dal suolo ad

altezze variabili in funzione della latitudine (circa 6 km ai Poli e 18 km all’Equatore) e

del periodo dell’anno. E’ riscaldata prevalentemente dal basso e quindi mostra valori

di temperatura regolarmente decrescenti con la quota di 6-7°C per km (-0,006 °C/m

gradiente termico verticale o lapse rate), questo valore è calcolato profili termici

verticali ottenuti tramite radiosondaggio. Negli strati bassi della Troposfera la

Temperatura dell’aria non diminuisce sempre regolarmente con l’altezza ma vi sono

zone in cui i valori della temperatura rimangono pressoché costanti (isotermia)

oppure aumentano verso l’alto (inversioni termiche), ovvero una regione

dell’atmosfera caratterizzata da laspe rate negativo. Un esempio è quando in pianura

c’è aria fredda e pesante, mentre se andiamo in montagna la temperatura è più mite

perché colpita dal sole (inversione termica locale). Nelle regioni polari è assai

importante, essa si verifica a seguito del raffreddamento molto rapido e intenso della

superficie terrestre a seguito dell’emissione di radiazione infrarossa in assenza di

insolazione (notte polare). L’aria non emette radiazione in modo così efficace quanto

la superficie terrestre ed il calore emesso da quest’ultima riscalda l’aria della bassa

troposfera che in ultima analisi è più calda della superficie terrestre. Le inversioni al

suolo, conseguenti in genere a intenso

raffreddamento notturno, caratterizzano

soprattutto le regioni continentali, sopra le

quali si forma uno strato di inversione

delimitato superiormente da una netta

superficie di discontinuità (superficie di

inversione). Fenomeni analoghi si

verificano anche nelle valli montane

prevalentemente durante l’inverno,

allorché l’aria più fredda e più densa si

raccoglie a fondovalle. Inversioni termiche si possono avere anche in quota per

scorrimento ascendente di aria più calda su quella fredda o per incunearsi di aria

fredda sotto aria più calda. Tra le anomalie termiche della troposfera vi è anche

l’andamento anormalmente elevato che il gradiente termico verticale presenta negli

strati bassi durante il periodo estivo in conseguenza al surriscaldamento del suolo

Profili di temperatura media annua per i primi 20 km di atmosfera rilevati a tre diverse

bande latitudinali (modificato da Oort, 1983). Le tre curve sono quasi parallele, quindi

lapse rate molto simile fino a più o meno 10km (0,6°C ogni 100m). Nei poli l’atmosfera

è più schiacciata rispetto all’equatore, in quest’ultimo la temperatura continua a

scendere fino a circa 15km. Non c’è la tropopausa ma si passa subito a stratosfera

dove la temperatura aumenta.

Variazioni stagionali dei profili termici rilevati a 75° di latitudine N (modificato da Oort,

1983). Dimostrazione dell’inversione termica al polo nord presente tra dicembre e

febbraio (notte artica) e ancora percepibile tra marzo e maggio perché l’illuminazione

è ancora debole. Assente tra giugno e novembre.

La stratosfera si sviluppa fino ad un’altezza di 50 km circa, la temperatura è quasi

costante fino a circa 20 km e poi aumenta rapidamente sino a 30-32 km di quota oltre

i quali l’innalzamento è più rapido (4-5°C per Km o +0,004 °C/m). Questo aumento è

spiegabile se consideriamo dei processi che liberano energia termica che avvengono

in stratosfera, dove è localizzata l’ozonosfera, cioè dove l’ozono si forma e si dissocia a

seguito di assorbimento di radiazioni ultraviolette ad alta energia. Questa non

raggiunge quindi la superficie terreste dove avrebbe gravi ripercussioni su tessuti

biologici. Infatti, storicamente, la vita è uscita dall’acqua solo dopo che atmosfera da

riducente è divenuta ossidante e dopo che gli organismi acquatici hanno cominciato a

produrre energia e rilasciare come gas di scarto ossigeno, che ha raggiunto alti strati

di atmosfera e ha reagito con radiazione ultravioletta per formare ozono e poi

dissociarlo. In questo modo è stato possibile creare ozonosfera. Questo avviene tra i

30 e i 50 chilometri di quota. Qui andiamo a rinnegare regola che temperatura

decresce con la quota.

Nella stratopausa la temperatura oscilla intorno a 0°C.

Nella mesosfera riprende il decremento termico, al limite superiore o mesopausa la

temperatura raggiunge i minimi assoluti di circa -80°C. Sia nella Stratosfera che nella

Mesosfera sono stati osservati repentini cambiamenti di temperatura per i quali non

esistono ancora spiegazioni esaurienti.

La termosfera si trova al di sopra della Mesopausa ed è caratterizzata da un sottile

strato di isotermia e da un successivo pregressivo aumento della temperatura che

arriva a 1000°C ed oltre intorno ai 300 km di quota. Temperature così elevate, in

presenza di atomi o ioni o molecole elevate, sono solo espressione della elevata

energia cinetica media di particelle estremamente rarefatte (Temperature non

rilevabili tramite un comune termometro).

La composizione chimica dell’atmosfera è un fattore determinante per il clima

terrestre. Le interazioni dei gas atmosferici con l’energia radiante modulano i flussi

energetici attraverso i sistemi climatici. La massa dell’atmosfera è di circa 5.14 x 1018

kg, essa è assai piccola se confrontata con la massa degli oceani (1.39 x 1021 kg) o

con la massa della Terra solida (5.98 x 1024 kg). Metà della massa atmosferica si trova

sotto i 5km di quota. L’atmosfera terrestre è un miscuglio di gas, di vapore acqueo e di

particelle liquide e solide (aerosol). Si parla di atmosfera secca con riferimento ai

soli componenti gassosi e di atmosfera umida quando a questi sia associato anche il

vapore acqueo. In climatologia si preferisce parlare di atmosfera secca perché il

vapore acqueo varia nel tempo e nello spazio. Seguendo la terminologia proposta da

Chapman e Nicolet, l’atmosfera in relazione alla composizione chimica viene suddivisa

in tre regioni: omosfera, eterosfera e protosfera.

L’omosfera è compresa tra il suolo e 80 km di quota (comprende troposfera,

stratosfera e un pezzettino di mesosfera), presenta uniforme ed invariabile

composizione dell’aria secca. Tutta l’H2O atmosferica è contenuta in questa regione

unitamente alle particelle di aerosol il cui ruolo è essenziale nei processi di

condensazione e congelamento.

Grafico della composizione dell’atmosfera del 1992: attenzione al valore di CO2 da

confrontare con i dati NOA aggiornati, infatti essa è aumentata in modo importante,

ora sono circa 410 ppm. I gas atmosferici che svolgono un ruolo fondamentale

nell’assorbimento e nell’emissione di energia radiante sono meno dell’1% del totale e

comprendonoil vapore acqueo (3.3 x 10-3 del totale della massa atmosferica),

l’anidride carbonica (CO2, 5.3x10-7), l’ozono (O3, 6.42 x 10-7), elencati in ordine di

importanza per la loro influenza sulla temperatura superficiale, seguiti da metano

(CH4), ossidi di azoto (NOX) ed elementi minori.

La variabilità della CO2 nell’atmosfera è in funzione di:

Combustione di sostanze organiche. Carbone e petrolio liberano CO2 che era

 stata intrappolata milioni di anni fa rimettendola in atmosfera, mentre la

combustione vegetale libera CO2 relativamente recente

Attività vulcanica anche se non è così rilevante perché non ne è stato registrato

 un aumento

Processi biologici (fotosintesi, respirazione, fermentazione)

 Scambi per diffusione tra

 atmosfera ed oceano (le acque

calde cedono CO2, le acque

fredde assorbono CO2)

Il sito della NOAA (National

 Oceanic & Atmospheric

Administration) fa registrazioni

sulla quantità di CO2 in

atmosfera. Vengono fatte in uno

studio a Mauna Loa, perché

anche se si trova vicino ai vulcani, l’eruzione è contante e si trova in una zona

abbastanza isolata rispetto al resto del mondo.

https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/data.html

Il metano (CH4) ha concentrazione nell’atmosfera inferiore di oltre due ordini di

grandezza a quella della CO2 ma rispetto a questa assorbe la radiazione infrarossa in

modo venti volte superiore. Una tonnellata di metano equivale a venti tonnellate di

CO2. Sia l’anidride carbonica che il metano fanno parte dei gas serra (clima alteranti),

così come il vapore acqueo e l’ozono.

L’Ozono (O3) rappresenta meno di un milionesimo dei gas atmosferici ma esso

assorbe quasi interamente la radiazione ultravioletta proveniente dal Sole. L’Ozono si

forma continuamente tra i 25 km ed i 50 km di quota in seguito alla dissociazione di

molecole di ossigeno provocata dalla radiazione UV ad alta energia ed al successivo

urto di atomi isolati O con altre molecole indissociate O2.

O2 + Uv = O + O

O + O2 = O3

O3 + Uv = O2 + O + energia termica

Questa energia liberata spiega l’innalzamento termico che si registra in prossimità

della stratopausa oltre i 50 km di quota. La radiazione UV assorbita è compresa tra

0,24 e 0,29 micrometri.

Fenomeni di turbolenza e movimenti verticali trasferiscono l’ozono così formatosi a

quote di 20-25 km dove si raggiunge la massima concentrazione che varia tuttavia

con la latitudine e con le stagioni. Attività umane che possono compromettere l’ozono

atmosferico:

Esplosioni nucleari a cielo aperto hanno compromesso sino al 70% dell’ozono in

 atmosfera

Aviogetti supersonici che volano a quote stratosferiche emettono 270 g di NOx,

 ossidi di azoto, al secondo, che si mette al posto dell’ossigeno impedendo così

la formazione di ozono, sono dei competitor. Ormai non vengono più utilizzati a

scopo civile, ma solo a scopo militare

CFC (CloroFluoroCarburi) ampiamente utilizzati perché considerati inerti in

 laboratorio. Molto comprimibili usati nelle bombolette spray o nei frigoriferi. Una

volta liberati in atmosfera arrivavano ad alte altitudini perché molto volatili,

reagivano con la radiazione ultravioletta, si formava un cloro monoatomico

libero molto reattivo che si legava con l’ossigeno formando il monossido di

cloro, che a sua volta reagiva con altro ossigeno creando O2 + Cl. In questo

modo la reazione poteva ripetersi e distruggere fino a 100 mila molecole di

ozono. Ora sono banditi, ma se ne trovano ancora in atmosfera

CFC + UV = Cl + energia

Cl + O3 = ClO + O2

ClO + O = Cl + O2

Cl + O3 = ClO + O2

Parlare di buco nell’ozono è sbagliato, è un assottigliamento dell’ozonosfera. La

riduzione della quantità primaverile di ozono verificatasi nella media e bassa

troposfera antartica a partire dal 1977 sembra da attribuirsi in buona parte ai CFC

anche se non si esclude che alla rarefazione abbia contribuito una variazione della

dinamica atmosferica nell’emisfero australe. L’ozono presente nello smog urbano è

uno dei più energici ossidanti. Rappresenta un serio pericolo per la salute umana e per

i danni arrecati a piante e materiali. NO →NO2

NO2 + Uv bassa energia → NO + O

O + O2 → O3

Gli inquinanti atmosferici immessi dall’uomo sono CO o monossido di carbonio, SO2 o

anidride solforosa, NOx o ossidi di azoto, CxHx o idrocarburi. Nelle giornate luminose

gli idrocarburi possono reagire fotochimicamente con le molecole di NO2 e dare

origine a complesse molecole organiche che in presenza di elevata umidità formano il

cosiddetto smog. CO, NO2, ed SO2 sono contenuti in quantità notevoli nei gas di

scarico dei motori, di automobili e di aerei. La SO2 può tuttavia derivare anche da

eruzioni vulcaniche. Parte degli inquinanti da origine ad una deposizione secca entro

200-300 km dalla sorgente, senza che le molecole subiscano alcuna trasformazione. Il

resto ricade a distanze maggiori (anche di mille o più Km) dopo aver viaggiato

attraverso l’atmosfera grazie ai venti ed alla diffusione ed aver subito una complessa

serie di trasformazioni chimiche. Tra gli inquinanti presenti nell’atmosfera in quantità

variabili nel tempo e nello spazio si possono annoverare anche i prodotti del rilascio

radioattivo conseguente a incidenti in cui siano coinvolti reattori nucleari: il più grave

si è verificato nella notte tra il 25-26/04/1986 ad un reattore della Centrale di

Chernobyl. L’elevata temperatura di fuoriuscita del materiale radioattivo ne ha

provocato la rapida dispersione sulla verticale sino a circa 3000m, a cui è seguita per

azione delle correnti aeree la dispersione dello stesso materiale su vaste zone

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d’Europa. In Italia I, Sr, Cs, Cs si sono depositati al suolo in funzione delle

precipitazioni nel periodo tra il 30 aprile e il 6 maggio.

Tra i componenti variabili non gassosi dell’atmosfera vi è l’acqua sotto forma di vapore

acqueo che si trova sempre al di sotto della temperatura critica di 374°C e può quindi

subire trasformazioni di stato quali condensazione e sublimazione.

La sua distribuzione verticale si caratterizza per una rapida diminuzione verso l’alto (è

quasi tutta concentrata negli strati bassi della troposfera). Al di sopra vi &egrav