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Cambiamenti climatici - Atmosfera, clima e radiazione solare

Tempo atmosferico e clima

 

I termini tempo atmosferico e clima sono strettamente collegati, ma se il tempo atmosferico si sostanzia nelle fluttuazioni a breve termine di alcuni fattori riferite ad un'area definita (la temperatura dell’aria e del suolo, l’umidità atmosferica relativa, la pressione, la velocità del vento e le precipitazioni), tutti fenomeni che ognuno di noi quotidianamente può facilmente osservare, il clima, invece, è determinato dalle condizioni medie del tempo atmosferico e dalle loro variazioni nel lungo periodo in una determinata località o regione. Il tempo meteorologico è, dunque, per sua natura, mutevole e variabile, mentre il clima si definisce sulla base di quegli elementi atmosferici che tendono a ripetersi nel tempo con regolarità, riferendosi ad aree terrestri molto vaste (ad esempio, le fasce climatiche comprendono parti molto estese di più continenti).

Il clima si sostanzia, quindi, nel complesso delle condizioni metereologiche che caratterizzano una data località o regione, determinate o influenzate da fattori ambientali (latitudine, altitudine, distanza dal mare e così via).

Il clima terrestre è il risultato di complesse interazioni tra l'energia solare (“motore” di tutti i processi climatici), l'atmosfera, gli oceani, le nubi, i suoli, la biosfera e la natura della superficie terrestre (tra cui la copertura vegetale, la presenza ed estensione dei ghiacci, le superfici artificiali create dall'uomo). È facile osservare che in ogni località le condizioni atmosferiche variano da momento in momento, essendoci, tra i sistemi atmosferici, interazioni molto complesse. Nonostante questo, durante una stagione, un anno, un decennio o un secolo, possono essere individuati degli andamenti regolari (pattern) delle condizioni climatiche, ma insieme a delle fluttuazioni complesse, dei cicli che rendono incerte e difficoltose le generalizzazioni e le previsioni del tempo atmosferico.

La terra è un’immensa sfera che ruota, il cui equatore è quasi parallelo all’orbita del pianeta intorno al sole (il piano di rotazione della terra è inclinato di soli 23°27’ rispetto al piano orbitale). Il sole è la più grande forma di energia che irradia continuamente il pianeta, ma con disuguale intensità nei vari punti. Il flusso di radiazione che raggiunge una superficie piana, esposta perpendicolarmente ai raggi solari al di fuori dell'atmosfera terrestre ed alla distanza media Terra-Sole, è pari a 1367 W/m2, ed è denominato costante solare (quantità di radiazione che arriva sulla Terra dal Sole per unità di superficie e per unità di tempo: dunque una potenza per unità di superficie).

Mentre l’equatore è irradiato per 12 ore al giorno, alle alte altitudini polari le irradiazioni si diffondono su un’area molto più vasta, risultando meno intense. Inoltre, seppure tutte le parti del pianeta ricevano esattamente le stesse quantità di giorno e di notte durante il corso dell’anno (sei mesi per ognuno), all’equatore la luce è fornita con un’alternanza media di 12 ore di luce e 12 di buio, mentre ai poli una giornata di sei mesi prelude ad una notte lunga sei mesi; da ciò deriva che le basse latitudini hanno un calore più costante e sono più calde delle regioni polari. Al limite superiore dell'atmosfera il valore della costanza solare si riduce - in media - a circa 340 W/m2. Tutto ciò determina una disomogeneità di entrate di risorse energetiche che condiziona il mosaico dei climi sulla Terra e sostanziali differenze a livello di ecosistemi presenti nelle diverse parti del nostro pianeta.

Ciò che si verifica è un continuo trasferimento di calore dall’equatore ai poli in correnti di fluidi sia in aria che in acqua. Praticamente è l’energia solare che raggiungendo la terra mette in moto i venti, le correnti oceaniche ed il ciclo globale dell’acqua. La luce solare, composta da uno spettro di radiazioni elettromagnetiche, opera diverse funzioni essenziali per la vita: nella regione del visibile (400-700 nm) consente i processi fotosintetici, attraverso cui viene prodotta la maggior parte della materia organica e su cui si basano tutte le catene alimentari, mentre nella regione dell’infrarosso (700-1000 nm) determina il riscaldamento dell’atmosfera e muove il ciclo dell’acqua.

 

Interazione tra radiazione del sole ed atmosfera 


Negli strati superiori dell’atmosfera (stratosfera)  un ricco strato di azoto (O3), (presente in una percentuale mille volte maggiore a quello presente nella troposfera) assorbe gran parte della radiazione solare ultravioletta ad alta energia (UV-B), ossia le lunghezze d’onda (di 290-330 nm) capaci di danneggiare le molecole biologiche.

Sempre nell’alta atmosfera, i gas atmosferici e le nubi riflettono parte dell’energia nello spazio (circa ¼). Il diossido di carbonio (detto comunemente anidride carbonica), il vapore acqueo, l’ozono, il metano ed altri gas assorbono selettivamente un altro quarto delle radiazioni infrarosse (lunghezza d’onda su cui viaggia il calore), intrappolandolo nell’atmosfera e riscaldandola.

La superficie terrestre è raggiunta soltanto dal 50% circa della radiazione in arrivo dal Sole. Di questa, una parte relativamente piccola è riflessa direttamente nello spazio (da superfici più o meno riflettenti come neve, ghiaccio, sabbia) oppure è utilizzata per la fotosintesi; la parte restante viene invece assorbita come calore dalla superficie terrestre e dall’acqua. Quindi, gran parte dell’energia in arrivo è rispedita nello spazio sia sotto forma di radiazione luminosa che sotto forma di radiazione infrarossa (calore). Le superfici che riflettono l’insolazione (o radiazione incidenti), hanno un’elevata albedo (coefficiente di riflessione diffusa o riflettività media), appaiono brillanti alla vista, in quanto riflettono la luce propriamente detta, ovvero le radiazioni visibili all’occhio umano, insieme ad altre forme di energia raggiante. Invece, superfici come il suolo nero, l’asfalto, la vegetazione scura, generalmente hanno una bassa albedo, perché assorbono energia, che  riscalda le superfici, fa evaporare l’acqua, fornisce l’energia per la fotosintesi. Gli oceani hanno una bassa albedo: assorbono molta energia termica proveniente dal sole.

La frazione contemporaneamente assorbita ed accumulata sotto forma di calore dal suolo, dalle acque, dall’atmosfera, garantisce la temperatura relativamente calda del pianeta.

L’energia assorbita è, dunque, riemessa gradualmente sotto forma di energia termica, ossia calore. L’atmosfera assorbe in maniera selettiva le lunghezze d’onda maggiori: la maggior parte dell’energia solare arriva sotto forma di luce, ha elevata energia ed è di brevi lunghezze d’onda. Attraversa facilmente l’atmosfera e raggiunge la superficie terrestre. La radiazione terrestre (riemessa dalla superficie terrestre e riscaldata dall’energia solare), è di lunghezza d’onda maggiore e di qualità inferiore nella regione dell’infrarosso lontano dello spettro elettromagnetico. I gas atmosferici, in particolare il diossido di carbonio ed il vapore acqueo, assorbono gran parte di questa energia, la riemettono nella bassa atmosfera e la lasciano fluire lentamente nello spazio. È il fenomeno conosciuto come effetto serra: è la radiazione terrestre che fornisce la maggior parte del calore nella bassa atmosfera. Se l’atmosfera fosse trasparente alle radiazioni infrarosse così come lo è alla luce, il fenomeno non si verificherebbe e la temperatura media della superficie terrestre sarebbe di circa 33 °C inferiore a quella attuale (15°C), ossia sarebbe di -18°C.