Il clima e la sua variabilità

Vi è una differenza fra clima e tempo atmosferico (Climate e Weather). Infatti il tempo atmosferico rappresenta la variazione giornaliera della temperatura, pressione atmosferica, umidità vento, nuvolosità, pioggia, insolazione che derivano dai movimenti di aria nell’atmosfera e dagli scambi termici ed di umidità. Per clima si intende la media di lungo periodo del tempo atmosferico prevalente. Fra i molti fattori che influenzano il clima locale il più importante è la latitudine che governa l’insolazione. La differenza di temperatura fra le zone a differente insolazione governa il movimento generale dell’atmosfera e quindi il trasporto convettivo del calore.

http://www.ecn.ac.uk/

Altri fattori che influenzano il clima sono gli oceani, la distribuzione di terra e acqua, e le catene montuose.La circolazione oceanica ha un ruolo notevole sia a livello regionale (ad esempio la corrente del golfo) sia a livello globale (ad esempio El Niño). In relazione alla distribuzione di questi fattori il pianeta può essere suddiviso in differenti zone climatiche in cui prevalgono alcuni fattori sugli altri

Un ruolo notevole sul clima è esercitato dalle correnti oceaniche, che rappresantano un efficiente modo di trasporto convettivo del calore assorbito dagli oceani.

Le variazioni al normale andamento delle correnti oceaniche possono avere importanti conseguenze sul clima come nel caso del fenomeno detto di El Niño.

http://www.pmel.noaa.gov/tao/elnino/el-nino-story.html

In condizioni normali i venti tropicali (Alisei) soffiano in direzione ovest causando un sollevamento della superficie di acqua calda dell’oceano in direzione ovest ( in prossimità dell’Indonesia la superficie è circa 0.5 m più alta che non in Perù e la temperatura superficiale è di circa 8 °C più elevata ad ovest che ad est). La piovosità è connessa con la zona a temperatura più elevata ad ovest, mentre la zona est è relativamente più secca.

Nella fase di El Niño gli Alisei si attenuano con il conseguente abbassamento del termoclino (gradiente di temperatura verticale) ad ovest. Si ha un riscaldamento della superficie dell’oceano che migra verso est con conseguente migrazione della piovosità (inondazioni in Perù e siccità in Indonesia e Australia). Le variazioni della temperatura superficiale provocano inoltre un’associata variazione del flusso di acqua fredda dalla profondità dell’oceano verso l’alto con variazioni dei nutrienti contenuti. Infatti l’acqua fredda è particolarmente ricca in nutrienti e favorisce la pescosità delle zone.

Si definisce come corpo nero un corpo che emette o assorbe radiazioni senza favorire particolarmente alcuna frequenza e che ha una bassa interazione con l’ambiente e può essere considerato in uno stato di equilibrio.

La legge fondamentale che regola l’irraggiamento da un corpo nero è la legge di Planck che definisce l’intensità della radiazione emessa per unità di superficie in una determinata direzione come funzione della lunghezza d’onda ad una temperatura prefissata

L’energia emessa dal sole che giunge sulla Terra è il principale fattore che determina non solo il clima ma la presenza di specie viventi sul pianeta. La quantità di energia intercettata dalla Terra ammonta a 1368 W/m2 mentre il valor medio del flusso di calore emesso dall’interno della Terra è stimato in 69.9x10 -3 W/m2 .

L’Irraggiamento è la quantità di energia elettromagnetica incidente su una superficie per unità di area e di tempo. La Costante Solare è la quantità di energia solare ricevuta alla superficie dell’atmosfera su una superficie orientata perpendicolarmente alla radiazione incidente S= 1368 W/m2 . L’Insolazione è invece la quantità di energia solare ricevuta in qualsiasi punto della superficie terrestre per unità di superficie.

Dalla legge di Planck si derivano due altre leggi di radiazione utili:

I(T) T 4 Legge di Stefan- Boltzmann

maxT costante (2.989x10-8mK) Legge di Wien

= 5.67x10-8Wm 2K 4

che danno rispettivamente l’intensità della radiazione emessa per unità di superficie dal corpo nero, ed il massimo della distribuzione di energia del corpo nero in funzione della temperatura

Spettro continuo

Spettro di emissione discreto

Spettro diassorbimento discreto

Lo spettro della radiazione solare ha il suo massimo nel range del visibile.

La costante solare si stima in base alla temperatura di emissione del Sole (˜5800 K), la distanza Terra-Sole (1.49x1011 m) ed il raggio del Sole (6.96x108 m) e quello della Terra (6.40x106 m). Si ipotizza che il Sole emetta radiazione di corpo nero e si calcola la frazione intercettata dalla terra alla distanzaTterra-Sole (0.46x10-9)

La radiazione solare incidente sulla terra viene in parte assorbita dall’atmosfera in parte trasmessa, ed in parte riflessa

In condizioni di equilibrio termico, l’energia ricevuta dal sole eguaglia l’energia irraggiata dalla terra nello spazio. Indicando con a l’albedo , cioè la frazione di energia riflessa nello spazio si può scrivere l’equazione dell’energia:

1 a R2S 4R2T 4

co le notazioni date precedentemente per i simboli e con R raggio terrestre. Utilizzando un valore di albedo di 0.34 si ottiene un valore della temperatura di T=250. Il fatto che la temperatura superficiale sia di 288 K dipende dalla presenza di gas serra che assorbono nell’atmosfera la radiazione termica emessa dalla terra.

Una comprensione qualitativa dei fattori che influenzano la temperatura superficiale della terra è espressa nella figura seguente in cui si esemplifica il bilancio di radiazione fra superficie ed atmosfera.

Atmosfera

Superficie

1/4 S

ta

aa

as

Ta

Ts

c(Ts- Ta) Ts4

Ta4

t’a

a’a Ta4

Dove si indica con t la radiazione trasmessa ed a quella riflessa rispettivamente da superficie ed atmosfera

Per lunghezze d’onda lunghe si ipotizza che l’albedo della superficie della terra sia zero e la trasmissione della atmosfera alla radizaione infrarossa con t’a. L’interazione fra superficie ed atmosfera attraverso scambi non radiativi è espressa in prima approssimazione come il prodotto fra una costante c e la differenza di temperatura fra superficie ed atmosfera. Per la radiazione di corpo nero si usa la legge di Stefan Boltzmann. La costante solare S deve essere divisa per 4 in quanto la radiazione incidente sul disco è distribuita sull’area totale della terra. In condizioni stazionarie il bilancio energetico per la superficie della terra è:

ta 1 as S4

c Ts Ta Ts4 1 a'a Ta

4 0

in cui il primo termine esprime l’assorbimento, il secondo l’interazione non radiativa fra atmosfera e superficie, il terzo la radiazione emessa meno quella riflessa e l’ultimo termine la radiazione emessa dall’atmosfera.

Analoganente per l’atmosfera si ha:

1 aa ta asta S4

c Ts Ta Ts4 1 ta

' a'a 2Ta4 0

Lunghezze d’onda corte

Lunghezze d’onda lunghe

as=0.11 c=2.5Wm-2K-1

ta=0.53 t’a=0.06

aa=0.30 a’a=0.31

Per una Terra uniformemente coperta di ghiaccio si avrebbe un valore di albedo più elevato (0.75) e di conseguenza una temperatura superficiale stimata intorno a 270 K. L’effetto serra è connesso con la radiazione trasmessa dall’atmosfera per le lunghezze d’onda lunghe.