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L’ATMOSFERA
L’atmosfera è un involucro gassoso, trattenuto intorno alla terra dalla forza di gravità, che si estende per alcune centinaia di km in altezza, a circa 1500-2000 km di altezza la sua densità diventa simile all’atmosfera solare. La densità di questi miscugli di gas è massima a livello del mare e diminuisce con l’aumentare della quota-limite superiore dell’atmosfera non facilmente definibile. Le variazioni di composizione permettono di suddividerla in numerose sfere concentriche, le cui zone di separazione vengono dette pause.
Composizione dell’Atmosfera
- OMOSFERA (fino a 80-100 km di altezza) aria secca e pura che presenta una composizione uniforme grazie ai continui rimescolamenti ad opera dei movimenti verticali e orizzontali che avvengono in essa. È composta quasi totalmente da azoto e ossigeno 99% in volume. L’ azoto è andato via via aumentando durante l’evoluzione dell’atmosfera terrestre; la quantità di ossigeno dipende invece dalle reazioni che si attuano in vari cicli, sia attraverso l’atmosfera che attraverso biosfera e idrosfera. Anche l’ argon è chimicamente poco attivo e tende ad accumularsi. Particolarmente importante, pur nelle limitatissime concentrazioni, è l’ anidride carbonica , che svolge un ruolo fondamentale nell’equilibrio termico del pianeta: assorbe una parte delle radiazioni caloriche emesse dalla superficie terrestre e le irradia di nuovo su di essa, determinando il riscaldamento della bassa atmosfera; varia con i fenomeni naturali come eruzioni vulcaniche, fotosintesi e respirazione, scambi tra oceano e atmosfera, deforestazione e uso di combustibili fossili. Gli altri gas sono presenti nell’atmosfera in quantità nettamente inferiori; fra questi il metano , tuttavia in aumento a causa dell’attività umana. Ancor più limitata la concentrazione dell’ ozono , che assorbe le radiazioni ultraviolette, formando di nuovo ossigeno e impedendo che le radiazioni raggiungano la superficie terrestre. Nella bassa atmosfera è presente il vapore acqueo derivante dall’evaporazione degli oceani e da processi biologici. Questa parte dell’atmosfera contiene anche una notevole quantità di impurità- minuscole particelle che formano il pulviscolo atmosferico.
- ETEROSFERA (si estende al di sopra di 100 km) la composizione dell’aria diventa molto variabile in rapporto all’altitudine. A queste quote è infatti più accentuata l’azione della radiazione ultravioletta che tende a dissociare le molecole dei gas formate da più atomi. Di particolare importanza è la fascia fra gli 80 e i 400 km, denominata ionosfera, dove atomi e molecole dei gas estremamente rarefatti assorbono le radiazioni ad alta energia provenienti dal Sole. L’assorbimento provoca la cessione di un elettrone con la formazione di uno ione carico positivamente e di correnti elettriche che pervadono tutta questa zona ( ionosfera ), gli strati di ioni riflettono le onde radio rinviandole sulla Terra, rendendo così possibili comunicazioni su grandi distanze. Anche la ionosfera è suddivisa in strati D-E-F , in D e E dei quali si verificano le aurore polari (boreali e australi) = flussi di particelle solari che collidono ad alto velocità con gli ioni nella ionosfera, che vengono portati ai poli magnetici dal campo terrestre.
Origine dell’Atmosfera
L’origine e l’evoluzione dell’atmosfera sono problemi ancora aperti. Alcune ipotesi, che tuttavia oggi trovano poco seguito, ritengono che la genesi dell’atmosfera sia da far risalire all’iniziale aggregazione del pianeta , quando gli impatti derivanti dal continuo bombardamento di meteoriti, avrebbero liberato elementi e composti volatili (vapor acqueo e CO 2 a cui si sarebbero legati CH 4 , H, He e NH 3 ).
→ Secondo la maggior parte delle ipotesi recenti, l’atmosfera nella sua composizione attuale si sarebbe formata per la liberazione di gas (N, CO (^) 2, vapore acqueo) dall’interno del pianeta attraverso eruzioni vulcaniche. L ’atmosfera primordiale che era costituita prevalentemente da vapore acqua e anidride carbonica, è andata persa nell’evoluzione prova di ciò sono la scarsa concentrazione di H e gas rari nell’atmosfera attuale rispetto ai meteoriti e il Sole.
L’ ossigeno è stato prodotto per decomposizione fotochimica delle molecole di vapore acqueo nell’alta atmosfera ad opera dell’atmosfera solare e (la maggior parte) dall’attività di organismi viventi da 2,4 miliardi di anni fa.
Suddivisione Termica dell’Atmosfera
La temperatura è il parametro fisico dell’atmosfera che varia con l’altezza in modo discontinuo. Questo permette di distinguere quattro fasce partendo dalla superficie terrestre, separate da quattro sottili fase di transizione:
- TROPOSFERA (fino a 14/18 km) strato con più interesse per l’uomo e ambiente, qui si verificano i fenomeni meteorologici , concentra i 3\4 dell’intera massa di gas atmosferici e del vapore acqueo – rimescolamento delle masse d’aria a causa degli sbalzi di temperature e rotazione terrestre. Il limite superiore e spessore della fascia variano in funzione della latitudine a causa della forza centrifuga della rotazione terrestre (si presenta come un elissoide → come la Terra).
Poiché l’aria è riscaldata prevalentemente dal basso, dalla superficie terrestre, la sua temperatura presenta valori che diminuiscono abbastanza regolarmente di circa 0. gradi centigradi ogni 100 m di altezza = gradiente verticale di temperatura dell’ambiente , che presenta tuttavia differenze in rapporto alla latitudine e alla stagione. Può capitare, durante i periodi freddi nelle zone continentali e montane, che la temperatura aumenti con l’altezza a causa della rapida perdita di calore da parte del suolo. Questo processo viene chiamato inversione termica , e fa sì che l’aria più fredda rimanga al di sotto di quella più calda, che riprende la regolare diminuzione. Le inversioni termiche sono frequenti anche nelle vallate alpine e grandi pianure, dove durante la stagione fredda favoriscono la formazione delle nebbie negli strati di aria più bassi. Poiché lo spessore della troposfera è maggiore sulle zone equatoriali che su quelle polari, la diminuzione di temperatura secondo il gradiente indicato si verifica su uno sviluppo altimetrico maggiore per le prime che non per le seconde – sull’equatore, al limite superiore della troposfera ( tropopausa ), si registrano temperature molto più basse che sui poli.
- STRATOSFERA (fino a 50-60 km) si estende nella tropopausa. Il vapore acqueo è molto ridotto, come il pulviscolo atmosferico, e quindi non si formano nuvole e precipitazioni. I gas si mantengono nelle proporzioni ma sono estremamente rarefatti. La temperatura resta costante fino a 20 km con valori simili a quelli della tropopausa, poi tende ad aumentare di 1-3°C per km, raggiungendo verso
riceve meno energia in quanto il 33% delle radiazioni viene riflessa verso lo spazio (fenomeno dell’ albedo , definibile come il rapporto fra radiazione incidente e radiazione riflessa. Interessa tutti i pianeti e provoca la loro luminosità e visibilità), il 24% viene assorbito dall’atmosfera e solo il 43% giunge alla superficie terrestre. L’atmosfera riscaldandosi diventa un corpo radiante e la bassa temperatura di partenza fa sì che vengano emesse solo radiazioni termiche a onda lunga. I gas dell’atmosfera, soprattutto vapore acqueo, anidride carbonica e ozono, assorbono gran parte delle radiazioni termica emessa della superficie terrestre- in questo modo anche l’atmosfera si riscalda ed emette radiazione, comportandosi come una serra.
▲ EFFETTO SERRA : insieme di fenomeni di assorbimento da parte dell’atmosfera della radiazione termica emessa dalla superficie terrestre e dal successivo contro irraggiamento da parte dell’atmosfera verso la superficie, senza questo processo la temperatura della Terra sarebbe ben al di sotto di 0°C con acqua allo stato solido e probabilmente senza vita. La temperatura media della terra è stabile perché l’energia emessa dal sole e dalla terra si equivalgono. Ben diversa è però la situazione su scala locale, dove può prevalere il flusso radioattivo in entrata oppure quello in uscita, e sul breve periodo. Una composizione diversa dell’atmosfera, come Venere (+96% di anidride carbonica) effetto serra accentuato.
▲ INSOLAZIONE : è la quantità di energia che raggiunge una superficie esposta al Sole, che è variabile da un luogo all’altro della terra in rapporto alla sfericità dal pianeta e ai suoi movimenti di rotazione e rivoluzione. L’insolazione è maggiore quando la terra è vicina al 90° di incidenza con raggi solari; man mano che l’angolo diventa più acuto la stessa quantità di radiazione solare si distribuisce su una regione più estesa.
I movimenti di rotazione e di rivoluzione della terra insieme all’ inclinazione e al parallelismo dell’asse terrestre, provocano una variazione nella durata dell’esposizione al sole e sono responsabili dei cicli giornalieri e stagionali dell’insolazione. La durata dell’esposizione ai raggi solari varia in rapporto alla latitudine e all’inclinazione dell’asse terrestre, che determina l’angolo di incidenza.
- Distribuzione della Temperatura sulla Terra e le sue Cause
Il pianeta è diviso in 5 grandi fasce termiche con limiti che seguono i paralleli:
♦ DUE FASCE TEMPERATE = a nord e sud della precedente, comprese tra i tropici e i circoli polari.
♦ UNA FASCIA TORRIDA = tra il tropico del Cancro e quello del Capricorno, divisa in parti uguali dall’equatore.
♦ DUE FASCE GLACIALI = dai circoli polari ai poli.
Se però si tiene conto delle temperature effettivamente misurate, si osservano sensibili differenze sia a livello di tempo che di spazio → non vi è incidenza né a livello annuo ne giornaliero fra il massimo (o min) dell’insolazione e quello delle temperature. Vi è dunque uno scarto temporale fra insolazione e temperatura , dovuto al ritardo con cui l’atmosfera, l’idrosfera e la litosfera rilasciano il calore immagazzinato, tanto che le
stagioni meteorologiche non coincidono con le stagioni astronomiche. Per evidenziare le differenze tra la distribuzione dell’insolazione sulla superficie e le reali condizioni termiche è utile ricorrere a una rappresentazione cartografica.
Isoterme = linee che disegnano sulla carta le curve che uniscono i punti di ugual temperatura media. Si potrà in tal modo osservare come regioni che sono poste alla stessa latitudine possano presentare temperature diverse.
Nella distribuzione reale delle temperature intervengono numerosi fattori tipicamente geografici, legati alle caratteristiche fisiche della superficie terrestre:
- Distribuzione delle terre e dei mari e il loro diverso comportamento nell’assorbire e nel rilasciare il calore. Nel terreno il calore si trasmette per conduzione mentre nell’acqua viene trasportato dalle correnti con variazioni a seconda della profondità e periodo dell’anno. Acqua e suolo hanno diverso calore specifico , quello dell’acqua è quasi il doppio, necessitano quindi di diverse quantità di energia per raggiungere la stessa temperatura. (l’acqua si scalda e raffredda meno intensamente e più lentamente)
- Un altro fattore importante che influenza la temperatura sulla terra è il rilievo. Anche se la radiazione solare in alta montagna è elevata, l’aria rarefatta e secca non è in grado di trattenere in modo efficace l’energia proveniente dal sole e quella irradiata dalla superficie terrestre, si riduce in tal modo l’effetto serra e la temperatura dell’aria tende a diminuire in rapporto all’altezza. Il rilievo influenza la distribuzione della temperatura non solo con l’altitudine, ma anche con la diversa esposizione dei versanti e l’orientamento delle catene montuose che, creando barriere alla circolazione atmosferica, provoca variazioni nella distribuzione.
I fattori descritti, cui si unisce l’influenza delle correnti marine e della vegetazione ,
danno luogo a una distribuzione della temperatura sulla terra alquanto diversa rispetto a quella determinata dai soli fattori astronomici; ciò è messo in evidenza dalle carte a isoterme per i mesi di gennaio e luglio, nelle quali non vi è precisa coincidenza fra le isoterme e i paralleli. Le massime deviazioni delle isoterme rispetto ai paralleli si osservano nelle zone continentali e nell’emisfero boreale, dove si trova la maggior parte di terre presenti.
In centri di alte o basse temperature permanenti le isoterme e i paralleli formano degli ovali , situati nelle zone continentali (zona a temperatura alta = Sahara libico – zone a temperatura bassa = Groenlandia e Antartide).
Confronto fra le isoterme di gennaio e di giugno permetti di misurare le escursioni termiche. Zone come l’equatore hanno un’escursione termica quasi nulla.
Quando si parla di misura della temperatura terrestre per scopi meteorologici/climatici ci si riferisce alla misura della temperatura dell’aria posta a contatto con la superficie
è pari a quello di una colonna di mercurio della sezione di un cm 2 (tenendo conto del peso del mercurio, l’atmosfera esercita una pressione di 1,033 kg/cm 2 ). Dal punto di vista fisico l’utilizzo di una unità di lunghezza per misurare una forza, qual è la pressione atmosferica, è tuttavia impreciso, si è così diffuso in campo meteorologico l’uso del millibar (mb). Da qualche tempo è in uso l’ ettopascal (1hPa=1mb).
Poiché l’aria è facilmente comprimibile, la sua densità e pressione sono maggiori negli strati bassi dell’atmosfera → si ha una riduzione della pressione in rapporto all’aumento dell’altezza perché i gas sono sempre più rarefatti. La diminuzione di spessore in relazione alla quota non avviene linearmente; è rapida nei primi 10-12 km. Le variazioni di pressioni (o bariche ) che rivestono il maggior interesse per le loro influenze in campo meteorologico/climatico sono quelle che avvengono nella troposfera, soprattutto se si tratta di variazioni irregolari, collegate a condizioni di tempo instabile, determinano velocità di spostamento e intensità delle perturbazioni. Esse vengono misurate attraverso il barometro a mercurio , già utilizzato da Torricelli, o con il barometro aneroide (= formato da una capsula metallica con pareti sottili e flessibili e vuota all’interno, le variazioni di pressione determinano formazioni per compressione o dilatazione della capsula).
I dati sui valori della pressione sono raccolti, solitamente insieme ai dati di temperatura e riportati su una carta, sulla quale vengono tracciate le isobare , le linee cioè che uniscono tutti i punti della superficie con la stessa pressione e che permettono la rappresentazione della distribuzione della pressione su una zona estesa della superficie terrestre, esse appaiono ravvicinate quando la variazione di pressione lungo una data superficie ( gradiente barico ) è elevata, mentre nel caso di una variazione limitata si presentano distanziate. L’andamento delle isobare presenta forme caratteristiche, dette configurazioni bariche , tipiche di particolari situazioni meteorologiche:
♦ Anticiclone o zona di alta pressione = le isobare formano aree circolari/ ellittiche con pressione decrescente dal centro
♦ Ciclone o zona di bassa pressione = la pressione diminuisce dalla periferia verso il centro
♦ Promontorio o cuneo = zona di pressione elevata che si protende da un anticiclone
♦ Saccatura = fascia di bassa pressione che si protende da un ciclone
♦ Sella, fascia di pressioni relativamente basse compresa fra due anticicloni
♦ Pressione livellata = zona in cui le pressioni sono pressoché uniformi e le isobare sono molto distanziate.
Quando in due masse d’aria poste alla stessa quota si producono differenze di pressione, si genera uno spostamento orizzontale di aria dalla zona di alta pressione
alla zona di bassa pressione = VENTO. La forza che produce il movimento, detta forza di gradiente , è perpendicolare alle isobare ed è tanto più intensa quanto maggiore è la differenza di pressione fra le due masse e quanto minore è la loro distanza. Su brevi distanze e con velocità non molto accentuate, il movimento dell’aria avviene realmente secondo la direzione del gradiente barico ; su distanze maggiori il flusso d’aria viene invece deviato secondo la legge di Ferrel dalla forza di Coriolis = la deviazione avviene indipendentemente dalla direzione iniziale della traiettoria. Al di sopra dei 1000 m di quota, dove l’attrito con la superficie e ininfluente sul movimento delle masse d’aria, la forza di gradiente e la forza di Coriolis raggiungono un equilibrio.
→ Vento Geostrofico = vento deviato dalla sua direzione di partenza (perpendicolare alle isobare) fino a spirare in una direzione parallela ad esse.
I parametri fondamentali per caratterizzare un tipo di vento sono la direzione di provenienza e la velocità. La velocità del vento viene misurata in m/s o in km/h (o anche in nodi, 1 nodo = 1 km/h) mediante l’ anemometro , un mulinello a palette o semisfere, la cui velocità di rotazione è proporzionale alle velocità del vento che lo colpisce. Il vento raramente è costiuito da flussi uniformi e regolari, il più delle volte si manifesta con pulsazioni di intensità e di direzione diversa. Esistono tuttavia dei venti che soffiano sempre nella stessa direzione o altri che periodicamente la invertono. I primi sono collegati alla persistenza dalla distribuzione dei centri di pressione sul globo. I venti periodici sono invece originati da specifiche condizioni geografiche, in particolare la distribuzione dei mari e terre. A livello locale, un comune vento periodico è costituito dalle brezze, che in rapporto alla direzione da cui provengono, si distinguono in:
♦ Brezze di mare e di terra : il rapido e intenso riscaldamento diurno della terra determina la formazione di bassa pressione sulla costa; si genera così uno squilibrio barico che viene compensato dall’afflusso di aria più fresca dal mare, dove per il riscaldamento più lento delle acque la pressione è maggiore. Durante la notte a causa della perdita di calore dal terreno si instaura alta pressione sulla costa, mentre sul mare, che cedendo calore più lentamente si mantiene più tiepido, la pressione resta più bassa.
♦ Brezze di valle e di monte : nelle zone montuose, soprattutto quando le rocce sono nude o con scarsa vegetazione e specialmente d’estate, l’atmosfera che sovrasta i rilievi subisce un riscaldamento diurno maggiore delle zone circostanti fondovalle. La bassa pressione che si determina provoca un afflusso di aria che sale dalla valle lungo i pendii. Durante la notte il flusso si inverte, raffreddandosi più lentamente delle zone sommitali, un vento fresco spira verso le valli.
I venti periodici più conosciuti e importanti (influenza notevole sulla navigazione- condizionano la vita delle popolazioni che si affacciano sulle coste del Pakistan, India e del Bangladesh) sono i monsoni , che spirano dall’Oceano Indiano Settentrionale, soprattutto nel Golfo del Bengala e nel Mare Arabico, con provenienza da Nord-Est durante l’inverno e Sud-Ovest durante l’estate. Anche i monsoni traggono la loro origine, come le brezze marine, dal differente riscaldamento del mare e della terraferma- questa teoria risale alle intuizioni di E. Halley della fine del XVII sec. All’inizio del secolo successivo G. Hadley evidenziò l’importanza della rotazione terrestre nel determinare la direzione dei monsoni. Gli studi recenti, pur ribadendo la funzione fondamentale di questi due fattori, hanno sottolineato la complessità del
Alle latitudini più elevate si hanno venti polari od orientali che provengono dalle alte pressioni delle zone polari e si dirigono verso le basse pressioni subpolari; anch’essi sono deviati dalla rotazione terrestre.
→ La teoria classica , proposta da Halley e approfondita da Hadley, faceva risalire la
simmetrica distribuzione delle aree di alta e bassa pressione nonché tutto il sistema dei venti della bassa troposfera a cause esclusivamente termiche. L’intensità della radiazione solare provocherebbe nella fascia equatoriale il riscaldamento dell’aria, che, divenuta più leggera, assume un movimento ascendente. Giunta a quote elevate l’aria si raffredda, si dirige verso i tropici dove, per la sua maggiore densità, forma correnti discendenti ; dai tropici una corrente diverge verso le alte latitudini, dando origine ai venti occidentali , mentre un'altra ritorna verso l’equatore ( alisei ), chiudendo il circuito. Si tratterebbe di una circolazione chiusa, un unico grande circuito delle masse d’aria, definito cellula di Hadley.
La circolazione nella bassa troposfera è in realtà più complessa, la distribuzione delle fasce alta e bassa pressione, che guida i movimenti delle masse d’aria, non è costituita da anelli regolari e continui, ma da una serie di circuiti discontinui, che si spostano da Nord verso Sud in rapporto al moto apparente del Sole. Va infine aggiunto che le osservazioni compiute in questi ultimi decenni hanno mostrato che la distribuzione delle pressioni e dei venti sulla Terra è da attribuirsi non solo a fattori termici, ma anche, e forse soprattutto, ai processi dinamici legati alla circolazione adell’aria nell’alta troposfera.
Il termine venne usato da Rossby nel 1947 per denominare le correnti aeree ad altissima velocità le quali, spirando da Ovest ad alta quota, avevano causato notevoli problemi ai piloti americani sull’Atlantico e sul Pacifico durante la seconda guerra mondiale.
La circolazione nell’alta troposfera presenta dunque caratteri molto diversi rispetto alla bassa troposfera- mancano innanzitutto i condizionamenti esercitati dall’orografia, di conseguenza venti più veloci con l’aumentare dell’altitudine. In secondo luogo, ad alta quota la pressione, al contrario di quanto avviene al livello del mare, è maggiore nella quota equatoriale che sui poli (la pressione diminuisce in rapporto all’altitudine più velocemente nell’aria fredda e densa). Si innescano così dei venti diretti dall’equatore ai poli, che a causa della rotazione terrestre assumono provenienza da Ovest e prendono il nome di correnti occidentali.
Si tratta di una circolazione ad alta quota che segue prevalentemente i paralleli ( circolazione zonale ) ed è particolarmente intensa alle medie latitudini- a queste altezze vi sono le correnti a getto subtropicali , che presentano in rapporto alla stagione variazioni di latitudine, altitudine e velocità. Vi sono inoltre oscillazioni delle correnti cicliche e di breve durata , che determinano la formazione di ondulazioni sempre più accentuate man mano che diminuisce la velocità della corrente stessa- si ampliano fino a divenire instabili e a generare cellule secondarie, che permettono il mantenimento di masse d’aria fredda e altre d’aria calda.
Le moderne teorie tendono ad unificare in un solo quadro dinamico la distribuzione di pressioni e venti ad alta e bassa quota, sottolineando l’importanza della circolazione zonale. In particolare lo spostamento in latitudine verso l’equatore del getto
subtropicale porterebbe ad un accumulo di aria e quindi ad una maggiore pressione sotto il getto stesso, con la formazione della fascia anticiclonica delle zone subtropicali; qui l’aria si riscalda provocando la rapida evaporazione dell’umidità e resta calda e secca. Al contrario verso i poli si verificherebbe una diminuzione dello spessore della colonna d’aria e una conseguente riduzione della pressione con la formazione delle cellule cicloniche delle medie latitudini e annesse perturbazioni. In sintesi, i movimenti zonali dell’alta troposfera (orizzontalmente lungo i paralleli) e quelli di bassa quota (verticali e con direzione mediana) possono rientrare in un quadro dinamico unitario, dove tuttavia può essere riconosciuta una struttura tri cellulare:
1. Cellula di Hadley = la prima cellula, si colloca alle latitudini intertropicali, dove è
alimentata dall’eccesso di radiazione solare. Dall’equatore l’aria tende ad innalzarsi, ad aumentare la propria velocità, a divergere poi verso i tropici, assumendo un andamento zonale che raggiunge la massima intensità nella corrente a getto subtropicale. L’aria che scende da quest’ultima verso il suolo, viene richiamata dalle depressioni tropicali, formando gli alisei e chiudendo il primo circuito.
- Cellula di Ferrel = la seconda cellula, caratterizza le medie latitudini. I venti a bassa quota, anch’essi derivanti dall’aria che discende dal getto subtropicale, spirano in prevalenza da occidente; ad alta quota la corrente zonale si muove da Ovest. Verso il polo la cellula si chiude con le basse pressioni subpolari e con i movimenti ascendenti, al di sopra dei quali si colloca la corrente a getto polare, caratterizzata da frequenti variazioni delle velocità massime.
- Una terza cellula si trova alle alte latitudini, con venti orientati al suolo ed occidentali in quota; moti discensionali di aria fredda si verificano sul polo, mentre risalita di aria relativamente calda si ha in corrispondenza delle basse pressioni subpolari.
Umidità e Precipitazioni
L’acqua, insieme al calore, è una componente essenziale per la biosfera. La vita vegetale ed animale è condizionata dalla disponibilità d’acqua.
- Gli Stati Fisici dell’Acqua
Il vapor d’acqua è uno dei tre stati fisici che l’acqua può assumere sul nostro pianeta. I passaggi di stato avvengono con scambi di calore e rappresentano un fattore fondamentale nell’evoluzione dei fenomeni atmosferici e nel differenziare i climi sulla superficie terrestre. Il passaggio dallo stato liquido allo stato gassoso viene definito evaporazione mentre il fenomeno opposto condensazione. Il passaggio dallo stato liquido a quello solido si definisce congelamento , mentre il fenomeno inverso è la fusione. Con il termine sublimazione si indica sia il passaggio diretto dal vapore allo stato solido, sia la trasformazione opposta.
Alla formazione delle nubi si aggiungono i nuclei di condensazione , minutissime particelle diffuse nell’atmosfera (immesse da processi naturali e antropici), se mancano i nuclei, l’aria riesce a contenere una quantità di vapore acqueo maggiore di quella necessaria per la condensazione (in tal caso l’aria si definisce soprassatura).
→ Nubi = sono aggregati di minuscole gocce d’acqua o di cristalli di ghiaccio tenuti in sospensione nell’atmosfera dai moti ascendenti dell’aria, sono di colore bianco perché il sole riflette la superficie della nube diventano grigie o nere quando invece assumono spessore notevole e la loro superficie inferiore rimane all’ombra.
▲ (^) Gradiente verticale adiabatico secco = nell’aria secca o dove non sia in atto la condensazione, la temperatura diminuisce di 1°C ogni 100 m. NON vi sono scambi di calore con l’atmosfera circostante.
▲ Gradiente adiabatico umido = quando la massa d’aria satura e si attua la condensazione, la diminuzione di temperatura in rapporto all’altezza diviene meno rapida.
Anche se le nubi costituiscono uno degli elementi naturali più mutevoli e instabili, fin dall’inizio dell’800 sono state proposte numerose classificazioni – ancor oggi la distinzione si basa sulla distinzione proposta dall’inglese L. Howard nel 1803 in strati , cumuli , nembi e cirri. È una classificazione che si basa sulla forma assunta dalle nubi, cui si può aggiungere una suddivisione che tenga conto dell’altitudine. Le nubi a sviluppo verticale sono legate ai moti ascendenti dell’aria ( moti convettivi ).
♦ Cumuli = sono masse nuvolose isolate a contorni netti, bianche e globulari, si formano nel primo pomeriggio quando il riscaldamento del suolo favorisce il movimento verso l’alto di una massa d’aria di limitate dimensioni; si dissolvono rapidamente e sono indice di tempo buono.
♦ Cumulonembi = nubi tipiche delle situazioni temporalesche, create dai movimenti verticali molto veloci, assumono forma di incudine.
Anche la NEBBIA è un particolare tipo di nube, non vi sono perciò differenze nella genesi dei due fenomeni. È una nube stratiforme che sovrasta il suolo. Frequente durante l’inverno nella pianura padana e nelle maggiori vallate alpine è la nebbia ad irraggiamento che si forma quando nello strato d’aria più vicino al suolo e ricco di umidità la temperatura scende fino al limite di saturazione. A quota più elevata la temperatura diminuisce meno velocemente, per cui si verifica una tipica situazione di inversione termica. La nebbia si forma anche per il contatto fra una massa d’aria calda-umida e una superficie terrestre o marina più fredda- sono le nebbie di avvezione.
In campo climatico l’importanza della copertura nuvolosa e delle sue variazioni è evidente; le nubi infatti non solo riflettono, assorbono e diffondono la radiazione solare, ma esplicano anche una funzione di schermo rispetto all’energia emessa dalla superficie terrestre, contribuendo al mantenimento/ampliamento dell’effetto serra.
→ Le zone con nebulosità minima sono localizzate in corrispondenza dei deserti caldi, mentre per tutto il pianeta la nebulosità media è di quattro ottavi (metà della superficie terrestre ha una costante copertura nuvolosa).
♦ Nubi calde = la totalità dell’acqua contenuta è già allo stato liquido, si verifica un processo di coalescenza ; le gocce vengono sospinte verso l’alto dalle forti correnti ascensionali tipiche dei cumulonembi, fondendosi con quelle più piccole per aumentare le loro dimensioni. Cadono così verso il suolo, con successive altre collisione che aumentano ulteriormente la loro dimensione.
♦ Nubi delle regioni extratropicali = la parte superiore delle nubi stesse è formata da aghetti di ghiaccio, mentre nella parte inferiore prevalgono le gocce d’acqua. Le particelle di ghiaccio tendono a ingrandirsi mediante complessi fenomeni di evaporazione e sublimazione, finché la quasi totalità della nube risulta costituita da cristalli di ghiaccio. Questi si aggregano formando fiocchi di neve che, cadendo verso il suolo, se incontrano strati d’aria con temperature +0°, si trasformano in gocce di pioggia.
♦ Di ghiaccio sono costituiti anche i chicchi di grandine , che si forma all’interno dei cumulonembi, dove i violenti moti ascensionali portano a quote elevate le gocce d’acqua dove inizia il congelamento; con il peso le correnti ascensionali non riescono più a sostenerle e le rilasciano al suolo.
La formazione di precipitazioni può avvenire per modi diversi; in particolare le piogge possono quindi essere classificate tenendo conto dei fenomeni che provocano l’innalzamento e il raffreddamento adiabatico delle masse d’aria al di sotto del punto di rugiada. Si possono così distinguere le piogge in:
- Piogge convettive sono provocate dall’ascesa di aria calda/umida, derivante da un forte riscaldamento della superficie terrestre. L’aria in movimento verso l’alto si raffredda, fino al di sotto del punto di rugiada; diviene in tal modo satura ed inizia la condensazione che dà origine ai classici cumuli. Se la temperatura dell’aria in ascesa è inferiore a quella dell’atmosfera dell’aria circostante, il moto convettivo si attenua e l’aria, più densa e pesante, tende a scendere nuovamente verso il suolo- è una situazione di stabilità che non provoca precipitazioni: i cumuli, trasportati dal vento, si dissolvono lentamente. Quando invece l’aria in ascesa continua a mantenere una temperatura superiore a quella dell’atmosfera circostante, si crea situazione di instabilità : il movimento verso l’alto diviene più veloce, la temperatura della massa d’aria resta elevata anche dopo l’inizio della condensazione, si formano cumulonembi estesi in altezza e si verificano abbondanti e intense precipitazioni. Condizioni favorevoli alle piogge convettive si riscontrano nella fascia equatoriale, mentre alle medie latitudini sono tipiche della stagione estiva.
- Piogge orografiche l’ascesa delle masse d’aria, e il conseguente raffreddamento, sono provocati dalla presenza di un rilievo. Le condizioni più favorevoli per le piogge di questo tipo, che sono in assoluto le più importanti e diffuse, si verificano
- Fronte occluso = la massa d’aria fredda può sostituirsi completamente a quella calda, che viene sollevata, fatta scorrere lungo il fronte e staccata dal suolo. Il termine fronte venne introdotto nella meteorologia nel 1918 dal norvegese Bjerknes.
Secondo questo studioso l’origine delle perturbazioni che si sviluppano nelle zone temperate va ricercata nel movimento verso sud dell’aria fredda e verso nord dell’aria calda. Lo stadio iniziale di una perturbazione o ciclone extratropicale va fatta risalire a una lieve ondulazione, probabilmente legata a una variazione di velocità della corrente a getto polare, che si produce lungo la linea di contatto fra una massa d’aria calda e una fredda. Se l’ondulazione si amplifica, cominciano a delinearsi un fronte freddo ad Ovest, dove l’aria fredda si sposta verso quella calda, e un fronte caldo ad Est. Data la maggiore velocità del fronte freddo, la zona dell’aria calda, dove la pressione diminuisce, tende a restringersi. Continuando il moto vorticoso, il fronte freddo raggiunge quello caldo, finchè l’aria calda viene spinta totalmente in quota determinando l’occlusione del fronte. La perturbazione lentamente si estingue e il fronte polare (cioè la linea di discontinuità tra masse d’aria a diversa temperatura) si ristabilisce.
I cicloni extratropicali apportano nuvolosità piogge e rovesci soprattutto nelle zone di medie latitudini, ma la loro violenza non è lontanamente paragonabile a quella dei cicloni tropicali , certamente meno frequenti ed estesi, ma tra i più pericoli e distruttivi. Denominati uragani nel Mar dei Caraibi, cicloni nell’Oceano Indiano e tifoni nel Pacifico sudoccidentale. In un ciclone tropicale si osserva una depressione barica molto accentuata nella sua zona centrale con un sistema di venti ascensionali violenti che ruota attorno ad essa. L’aria che sale è calda e umida; raffreddandosi si condensa e libera una enorme quantità di calore latente che fornisce energia al ciclone. Questo si presenta come un complesso imponente di cumulonembi che si alzano a spirale attorno al centro della depressione ( occhio : dove i venti sono deboli e discendenti) formando un vero e proprio muro di nuvole, per poi allargarsi lateralmente. L’origine dei cicloni, che possono raggiungere i 300km di diametro, non è ancora totalmente chiarita, si ritiene comunque che la loro fase iniziale sia innescata sul mare nei mesi più caldi da variazioni locali a bassa quota della direzione del vento.
→ Perturbazioni intense e violente, che interessano tuttavia aree molto più limitate dei cicloni, sono costituite dai temporali e dai tornado.
♦ Temporali = si sviluppano da cumulonembi dove vi sia un alto tasso di umidità e un gradiente termico verticale che inneschi intense correnti ascensionali- il vapore acqueo viene portato a quote elevate, dove condensa e dà origine ad abbondanti precipitazioni. Il temporale, caratterizzato anche da lampi e tuoni derivanti dalla differenza di potenziale elettrico che si crea fra nubi e nubi o fra nubi e suolo, è sempre innescato da un intenso riscaldamento degli strati bassi della troposfera.
♦ Tornado = sono costituiti da uno stretto vortice (diametro 200m) che si sviluppa verso il basso a partire da una nube temporalesca. Il vortice è in realtà una nube formata da minute gocce d’acqua che appare di colore scuro in quanto ricca di polvere e rottami. Le vorticose correnti ascensionali possono infatti sventrare case- la loro velocità non è nota, in quanto gli anemometri vengono distrutti dal loro
passaggio. Il ciclo di vita di un tornado è solitamente piuttosto breve, la sua energia si esaurisce in pochi minuti e le traiettorie percorse non superano i 5-10 km.
- Misura e Distribuzione delle Precipitazioni
La quantità di pioggia caduta, espressa solitamente in mm, corrisponde all’altezza che l’acqua raggiungerebbe su una superficie impermeabile, senza che si verifichi evaporazione, infiltrazione o ruscellamento. Lo strumento che viene utilizzato per misurare le precipitazioni è il pluviometro , formato essenzialmente da un imbuto e un contenitore – la quantità di pioggia caduta si misura dividendo il volume dell’acqua per la superficie corrispondente all’apertura dell’imbuto. Sono in uso anche i pluviografi , che registrano automaticamente la quantità di acqua e ne danno un diagramma continuo. I valori locali dell’altezza delle precipitazioni vengono utilizzati per la costruzione di carte ad isolinee, dette isoiete , che uniscono i punti aventi la stessa quantità di precipitazioni.
La distribuzione è molto irregolare: vi è innanzitutto una netta contrapposizione fra zone molto piovose e zone aride. Le prime sono concentrate lungo la fascia equatoriale (bacino del Rio delle Amazzoni, bacino del Congo, Indonesia), dove i forti moti convettivi della convergenza intertropicale arrecano piogge abbondanti, e nelle regioni monsoniche (coste occidentali dell’India, pianura indogangetica, versante meridionale dell’Himalaya, Indocina), dove sono stati registrati i valori in assoluto più elevati. Le zone aride sono localizzate sia alle alte latitudini sia lungo i tropici. Nelle regioni polari , in particolar modo nell’emisfero australe, si estendono i più vasti deserti della Terra (in Antartide la media annua delle precipitazioni corrisponde a 130mm di acqua equivalente).
Nelle regioni tropicali e subtropicali si trovano si trovano i deserti caldi, la loro esistenza è dovuta alla presenza costante lungo i tropici di cellule di alta pressione dove l’aria discendente si riscalda per compressione adiabatica. Estese aree desertiche si trovano anche alle medie latitudini dell’emisfero boreale, come in Cina; in questo caso si tratta di deserti freddi dove l’assenza di precipitazioni è dovuta alla notevole distanza dal mare o dalla presenza di catene montuose che impediscono il passaggio delle masse d’aria umida.
Va infine aggiunto che la quantità delle precipitazioni subisce variazioni, sia a livello diurno che annuo. La distribuzione delle precipitazioni nel tempo, cioè il regime pluviometrico , è di notevole importanza per l’identificazione dei tipi climatici e per le sue influenze sulla dinamica dei versanti, sullo sviluppo della vegetazione e anche sulle varie attività economiche. Nelle regioni intertropicali, poiché le temperature non presentano sensibili escursioni mensili, è proprio la distribuzione delle piogge che individua le stagioni. Lungo l’equatore le piogge sono ben distribuite in tutti i mesi dell’anno; verso i tropici si incontrano due periodi di precipitazioni abbondanti che si alternano a due periodi asciutti. Nei pressi dei tropici i due periodi piovosi si fondono in una ben marcata “stagione delle piogge” seguita da un lungo periodo secco, come si verifica anche per i paesi monsonici, dove però la stagione piovosa inizia in modo repentino. Alle medie latitudini i regimi pluviometrici sono condizionati soprattutto dalla contrapposizione tra le regioni interne, dove predominano le precipitazioni estive (regime continentale), e le coste occidentali dei continenti, dove si registra un massimo di precipitazioni nel periodo invernale (regime oceanico). Alle alte latitudini e nelle zone montane le precipitazioni avvengono in parte o totalmente sotto forma di
verificatosi a partire dalla seconda metà del XIX sec, che ha determinato fra l’altro una riduzione del 50% delle superfici glaciali non polari.
→ Buco dell’ozono = questo gas (ozono) ha una funzione essenziale nell’assorbire e filtrare le radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole. Immissione di clorofluorocarburi (CFC)– questi gas salgono verso la stratosfera dove liberano il cloro che reagisce chimicamente con le molecole di ozono distruggendole. Alla fine della reazione il cloro viene liberato e può combinarsi con altro ozono. Una riduzione dell’1% dell’ozono può comportare un aumento del 2% della radiazione UV.
Di fatto, manca allo stato attuale delle cose un piano organico e globale per la riduzione dell’inquinamento atmosferico- si procede ancora con palliativi e con “provvedimenti tampone”.
CLIMI: CLASSIFICAZIONI E VARIAZIONI
Tempo Atmosferico e Clima
Il tempo è la combinazione momentanea di temperatura, pressione e umidità, venti e precipitazioni in un certo luogo. Il clima è l’insieme delle condizioni meteorologiche medie, osservate per un periodo di tempo sufficientemente lungo (circa trent’anni), che caratterizzano una determinata regione e che costituiscono il risultato delle interazioni di energia e materia fra l’atmosfera, la litosfera, l’idrosfera, la criosfera e la biosfera (differenziando da quest’ultima l’antroposfera).
La maggior parte della popolazione mondiale è stanziata in aree con il clima temperato (mesotermico) o monsonico, dove le temperature non presentano escursioni troppo accentuate nel corso dell’anno e dove c’è una stagione piovosa. La densità della popolazione diminuisce nelle regioni aride equatoriali e polari; tuttavia, le numerose eccezioni a questa regola (fittissimo popolamento dell’isola di Java , situata nella fascia della foresta equatoriale) indicano come la distribuzione della popolazione sia sempre e comunque determinata non solo da fattori fisico-ambientali, ma anche da fattori storici, politici, culturali ed economici. A tale proposito anche la coincidenza fra le fasce del sottosviluppo e del clima tropicale costituisce solo uno degli aspetti della differente distribuzione e utilizzazione delle risorse sulla Terra.
Con il termine elementi del clima si indicano le componenti meteorologiche che
hanno sede nell’atmosfera e precisamente: la temperatura dell’aria ; la pressione atmosferica (e i venti); l’umidità dell’aria (e le precipitazioni). Su questi elementi
agiscono numerosi fattori del clima , che possono essere distinti in:
♦ Astronomici = i movimenti di rivoluzione e rotazione terrestre, l’inclinazione dell’asse della Terra, incidenza dei raggi solari, latitudine, altitudine.
♦ Geografici = la distribuzione delle terre e dei mari, le correnti marine, la distanza dal mare, l’orientamento, la forma e l’estensione dei continenti, la distribuzione dei laghi, la presenza di vegetazione, attività antropiche.
L’elevato numero degli elementi e dei fattori che concorrono all’individuazione di un tipo di clima, rendono complesse e parziale qualsiasi ipotesi di classificazione. Per essere utilizzabile una classificazione deve basarsi su un complesso di dati raccolti per un periodo sufficientemente lungo e in stazioni di rilevamento ben distribuite su tutta la Terra. Gli aspetti climatici sono chiamati in causa soprattutto per evidenziare la distribuzione delle componenti essenziali per lo sviluppo e la sopravvivenza della vita, in particolare il calore e l’acqua, distribuzione e rapporti fra calore e acqua: temperatura e precipitazioni. La classificazione che ancora oggi riscuote i maggiori consensi in campo geografico per il suo rigore e la sua semplicità è quella proposta in Austria nel 1918 da Köppen.
- La classificazione dei climi di Köppen
Il sistema si basa sostanzialmente su valori di temperatura e di precipitazioni , di cui
vengono calcolate le medie annue o mensili; i diversi regimi climatici sono individuati con riferimento alla distribuzione della vegetazione naturale. Metodo schematico, che non tiene conto di molti altri parametri climatici, come la pressione, le masse d’aria e i fronti, ma facilmente applicabile, in quanto basata su dati disponibili a scala mondiale.
→ Köppen distinse 5 gruppi principali di climi, distribuiti secondo incrementi di latitudine dall’Equatore ai Poli:
A. Climi Megatermici Umidi o Climi Tropicali Piovosi = la temperatura media di tutti i mesi dell’anno supera i 18°C, non c’è una stagione invernale; le precipitazioni annue sono copiose e superano l’evaporazione. (piante megaterme)
B. Climi Aridi = l’evaporazione supera le precipitazioni per tutto l’anno. Non vi è eccedenza idrica per cui i corsi d’acqua hanno solo carattere temporaneo. (piante xerofile)
C. Climi Mesotermici o Miti e Umidi Temperati delle medie latitudini = la temperatura del mese più freddo è compresa fra i 18°C e i -3°C; almeno un mese ha la temperatura media che supera i 10°C. È possibile distinguere una stagione estiva e una invernale. (piante mesoterme)
D. Climi Microtermici o Freddi delle medie latitudini = la temperatura media del mese piu freddo è inferiore a -3°C, mentre quella del mese più caldo supera i 10°C. Questi climi sono anche definiti “delle foreste boreali”.
E. Climi Polari o Nivali = temperature medie del mese più caldo inferiori a 10°C; non esiste una vera e propria estate. Per molti mesi la temperatura media è notevolmente inferiore a 0°C. (piante echisoterme)
