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La formazione di un uragano sulla Terra: i movimenti dell'atmosfera derivano dall'energia trasmessa al pianeta dal Sole. Foto: Stockbyte/Photos.com

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Climatologia. Anche il clima è una questione energetica

Antonio Navarra, Direttore del Centro Euromediterraneo per i Cambiamenti Climatici, Istituto nazionale di Geofisica e Vulcanologia

17 marzo 2012

Il clima del pianeta è un meccanismo che deve equilibrare la quantità di energia che la Terra riceve e quella che restituisce, ma anche l’energia che raggiunge ogni zona del globo. La grande sfida della meteorologia è capire come funziona precisamente e come si sta modificando oggi questo sistema.

Tutta l’energia disponibile sul nostro pianeta proviene in ultima analisi dal Sole. Tutti i fenomeni terrestri, tutti i fenomeni che osserviamo, i moti che vediamo, dai cicloni tropicali ai temporali estivi, sono dovuti alla trasformazione e al trasporto dell’energia solare.

La storia dell’energia solare e del suo ruolo nel determinare il clima del nostro pianeta è però ben lungi dall’essere semplice e lineare. La superficie radiante del Sole è ad alta temperatura e perciò emette radiazioni a lunghezze d’onda piuttosto corte, quelle che corrispondono alla luce visibile e all’ultravioletto (le leggi della fisica dicono infatti che più è alta la temperatura di un corpo e più cresce la frequenza della radiazione che emette).

L’atmosfera terrestre è sostanzialmente trasparente a questa radiazione solare a lunghezza d’onda corta, ossia la lascia passare quasi tutta, e quindi la radiazione arriva per la maggior parte sulla superficie del pianeta.

Ma non proprio tutta. Nella nostra atmosfera ci sono infatti alcuni elementi che assorbono direttamente la radiazione solare: il più famoso è l’ozono, l’isotopo dell’ossigeno che è in grado di bloccare alcune radiazioni ultraviolette. E una parte della radiazione viene riflessa direttamente verso spazio anche dalle nubi.

Il resto arriva sulla superficie del pianeta. Ma anche la radiazione che raggiunge il suolo non diventa tutta disponibile per le trasformazioni energetiche all’interno del sistema Terra. La stessa superficie terrestre, infatti, riflette immediatamente verso lo spazio una parte della radiazione ricevuta. Rispetto alla radiazione iniziale, dunque, tre fattori l’hanno ridotta: alcune sostanze presenti nell’atmosfera, le nubi, l’effetto riflettente della superficie del pianeta.

Il sistema Terra nel suo complesso, formato dalla superficie del pianeta e dall’atmosfera, a questo punto non può conservare l’energia in arrivo e deve in qualche modo liberarsene, in modo da raggiungere uno stato di equilibrio. Così la Terra emette a sua volta una radiazione, solo che non ha bisogno che sia molto energetica e quindi l’emissione terrestre avviene a lunghezze d’onda molto più lunghe e soprattutto come energia termica, cioè nell’infrarosso. 

Il meccanismo dell'effetto serra. A sinistra, la radiazione solare in arrivo e riflessa da nubi, atmosfera e superficie; a destra la radiazione riemessa dalla superficie e il modo in cui si disperde verso lo spazio.

Il meccanismo dell'effetto serra. A sinistra, la radiazione solare in arrivo e riflessa da nubi, atmosfera e superficie; a destra la radiazione riemessa dalla superficie e il modo in cui si disperde verso lo spazio.

Riassumendo, la Terra deve liberarsi dell’energia radiante di origine solare in modo che 

energia totale intercettata dalla Terra = energia totale emessa dal Sistema Terra

Questo punto d’equilibrio dipende dalla densità di energia radiante che arriva sul pianeta, cioè dalla quantità di energia che raggiunge ogni unità di superficie della Terra. E questo valore cambia in base alla distanza della Terra rispetto al Sole. La distanza, come sappiamo, non è sempre uguale, perché varia lungo il tragitto dell’orbita terrestre.

Ma se in prima approssimazione ignoriamo questa variazione, la densità di energia radiante di origine solare può essere considerata costante e spesso si indica come S. 

La costante S è detta “costante solare” e rappresenta dunque il flusso energetico solare per metro quadro all’altezza dell’orbita della Terra. Il suo valore è di circa 1368 Watt per metro quadrato. In realtà, come abbiamo visto, non tutta la radiazione viene assorbita alla superficie: una frazione rilevante viene riflessa dal pianeta stesso, dalla sua superficie, oppure dalle nuvole. La frazione di radiazione riflessa è quello che si definisce albedo.

L’albedo è diverso per ogni pianeta, a seconda della sua composizione. Quello della Terra si può definire grossolanamente pari a 0,3. A questo punto possiamo scrivere una formula che mostra in che modo la temperatura del pianeta dipenda dalla costante solare “S”, dall’albedo “α” e da un’altra costante chiamata “σ”, una costante universale nota come costante di Stefan-Boltzmann. L’uguaglianza, per chi ha dimestichezza con le formule, è 

T = (S(1–α)/4σ)1/4

Ossia la temperatura, come ci si può aspettare, cresce all’aumentare della costante solare e diminuisce se aumenta l’albedo. Inserendo i valori terrestri otteniamo una temperatura di circa 18 gradi sotto zero, che non è proprio il valore tipico del nostro pianeta.

Evidentemente manca qualcosa. Il fattore che manca dipende dal fatto che l’atmosfera non partecipa passivamente nell’equilibrio radiativo. L’atmosfera infatti è trasparente alla radiazione solare, ma è abbastanza opaca alla radiazione termica emessa dalla superficie della Terra.

Questo significa che l’atmosfera non lascia passare tutta la radiazione che viene riemessa dalla superficie terrestre e una parte la assorbe. Ma siccome anche l’atmosfera deve essere in equilibrio radiativo, ad ogni assorbimento dell’energia emessa dalla Terra corrisponde una nuova, immediata emissione.

In questo nuovo processo di emissione non c’è una direzione privilegiata e quindi la radiazione riemessa dall’atmosfera si dirige sia verso lo spazio esterno, che la allontana da noi, sia di nuovo verso la superficie terrestre. In definitiva, il pianeta si trova a sperimentare due flussi di energia: il primo proveniente direttamente dal Sole ed il secondo emesso da tutta l’atmosfera sovrastante quando riceve la radiazione terrestre.

Possiamo intuire che il processo aumenti la temperatura d’equilibrio sulla superficie ed è effettivamente quello che succede. Questo effetto viene chiamato effetto serra. Se inseriamo l’effetto serra nel calcolo dell’equilibrio, il valore della temperatura diventa più alto e passa al di sopra dello zero centigrado, indican do che è l’effetto serra che permette la presenza dell’acqua liquida sulla superficie del nostro pianeta. 

Foto: Josef Friedhuber/iStockphoto

I diversi componenti della nostra atmosfera hanno proprietà diverse rispetto alla radiazione sia solare sia terrestre: significa che possono lasciar passare alcune radiazioni e assorbirne altre e riemettere in forme diverse le radiazioni che assorbono. Le regole sono specifiche per ogni tipo di assorbitore o emettitore, portando ad una vera e propria “firma” delle caratteristiche radiative per ogni tipo di gas o composto.

Tra tutti i componenti dell’atmosfera, l’anidride carbonica e il vapor d’acqua sono quelli che hanno proprietà d’assorbimento proprio nella regione della radiazione infrarossa emessa dalla superficie della Terra. In altre parole, CO2 e vapore acqueo sono le sostanze che più impediscono alla radiazione emessa dalla Terra di disperdersi verso lo spazio.

L’opacità dell’atmosfera terrestre alla radiazione terrestre infrarossa, e in ultima analisi l’effetto serra, è dovuto perciò in gran parte alla loro presenza. In altre parole, possiamo dire che la presenza di vapor d’acqua e di anidride carbonica determina la temperatura alla superficie del pianeta. 

Il vapor d’acqua è fortemente dinamico e la sua presenza viene regolata da una serie di processi relativamente rapidi. L’anidride carbonica invece viene regolata attraverso un ciclo molto più lungo che coinvolge la quantità di carbonio che è immagazzinata nel suolo, nelle rocce, nell’oceano e nella biosfera.

Alterazioni del ciclo naturale del carbonio hanno quindi una scarsa possibilità di essere recuperate rapidamente. In effetti, le attività umane, attraverso l’uso dei combustibili fossili che liberano grandi quantità di CO2 nel processo di combustione hanno immesso enormi quantità di questo gas che il sistema non è stato capace di assorbire. Il risultato è stato un aumento della CO2 atmosferica che è chiaramente osservabile e che è alla base dei problemi odierni dei cambiamenti climatici.

Ma è possibile guardare anche più in dettaglio al bilancio radiativo del pianeta. Il grafico mostra la media annuale della radiazione solare e di quella terrestre nella sua variazione da polo a polo. La radiazione solare aumenta dai poli verso l’equatore a causa dalla geometria sferica del pianeta che modifica l’angolo di incidenza della radiazione solare facendo diminuire la densità di energia per metro quadro verso i poli.

La radiazione termica emessa dalla Terra è mostrata dalla curva in basso. La differenza tra le due radiazioni è il bilancio netto di radiazione che rappresenta la quantità totale di energia assorbita o persa dalle varie zone del pianeta. Globalmente, come abbiamo detto, le due curve si equivalgono: energia assorbita ed emessa alla fine sono uguali. Ma si può vedere che i poli ricevono meno energia, a causa della loro posizione, e ne emettono di più, mentre le zone subtropicali ne ricevono di più e ne emettono di meno.

Il bilancio della radiazione della Terra. La radiazione solare (in arancione), quella emessa dalla superficie terrestre (in verde) e la differenza. Sull'asse delle X sono indicati i paralleli e quindi i margini del grafico rappresentano i poli e il centro l'equatore. Sull'asse delle Y è indicata la densità di energia media per metro quadrato.

Il bilancio della radiazione della Terra. La radiazione solare (in arancione), quella emessa dalla superficie terrestre (in verde) e la differenza. Sull'asse delle X sono indicati i paralleli e quindi i margini del grafico rappresentano i poli e il centro l'equatore. Sull'asse delle Y è indicata la densità di energia media per metro quadrato.

Una situazione del genere non è sostenibile senza che l’energia in eccesso ai tropici venga portata ai poli in modo da poter essere dissipata. Questo trasporto è effettuato dall’atmosfera e dall’oceano attraverso i loro moti. Il motivo ultimo per la presenza di tutti i tipi di circolazione atmosferica ed oceanica si può così trovare nel trasporto di energia necessario per chiudere il bilancio di energia radiativo del pianeta. La Circolazione Generale è il modo con cui il nostro pianeta ha scelto di realizzare questo equilibrio.

L’idea della circolazione generale è molto recente. La prima ipotesi di circolazione generale è del 1735 e si deve al naturalista inglese George Hadley. Si basava sulle osservazioni raccolte dalle spedizioni che in quegli anni cominciavano ad esplorare tutto il globo e quindi ad avere le prime osservazioni delle temperature e dei venti veramente globali.

L’idea era quella di una circolazione diretta, che solleva l’aria calda e secca all’equatore, portandola verso i poli in quota, mentre alla superficie avviene il contrario. La rotazione impedisce una circolazione diretta lungo i meridiani, dall’equatore al polo, deviando la direzione prevalente dei venti verso destra, ovvero verso ovest.

La raffigurazione di Hadley rappresentava ragionevolmente bene la circolazione tropicale degli alisei tropicali alla superficie, già allora ben documentati. Una circolazione di questo tipo non è diversa da quella che si crea in una stanza riscaldata direttamente da un termosifone ed è un’idea semplice e comprensibile, ma non esatta.

Solo nel 1928, avendo a disposizione le prime osservazioni in quota, il meteorologo Tor Bergeron propose la visione moderna della circolazione generale della Terra. Nel suo schema, la circolazione generale è organizzata in tre celle di circolazione. La cella di Hadley che si estende dall’equatore fino ai tropici ed è una circolazione diretta come immaginata da Hadley stesso.

La cella di Ferrel, la cui circolazione è nel senso opposto a quella della cella di Hadley e che domina le medie latitudini temperate. E una terza cella tra le medie latitudini e i poli. Nel complesso, il sistema delle celle è una conseguenza del riscaldamento differente tra polo ed equatore della Terra e della rotazione del pianeta.

Così nasce il clima. La circolazione generale secondo il modello di Bergeron, con tre "celle" di circolazione, tre diversi modi in cui l'aria si muove per riequilibrare la quantità di energia tra l'equatore e ciascuno dei poli.

Così nasce il clima. La circolazione generale secondo il modello di Bergeron, con tre "celle" di circolazione, tre diversi modi in cui l'aria si muove per riequilibrare la quantità di energia tra l'equatore e ciascuno dei poli.

Ogni pianeta seleziona uno o più regimi di questo tipo in conseguenza della sua geometria e della sua distanza dal Sole. Giove, per esempio possiede molteplici celle di questo tipo che creano le fasce presenti sulla sua superficie. L’investigazione dei meccanismi che regolano la comparsa delle celle, il loro numero, la loro estensione e la loro relazione con la circolazione è uno dei più affascinanti problemi della meteorologia.

Così come la grande sfida della climatologia moderna è cercare di prevedere le nuove distribuzioni della circolazione e della variabilità atmosferica e oceanica rispetto alle modifiche dell’equilibrio energetico causato dall’aumento di CO2

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