IL SOLE RISCALDA TERRA: TEMPERATURA, LUCE E COLORE

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1 COMPOSIZIONE E STRUTTURA massa totale: kg = t = Gg (giga-) = Tg (tera-) = Pg (peta-) = Eg (exa-) = 5.1 Zg (zeta-) di cui vapore acqueo: g = 0. 33% il resto è aria secca. composizione dell aria secca: azoto (N2) 78.08% ossigeno (O2) 20.95% argo (Ar) 0.93% anidride carbonica (CO2) % * neon (Ne) % elio (He) % * settembre 2012 IL SOLE RISCALDA TERRA: TEMPERATURA, LUCE E COLORE temperatura superficiale: 5778 K = 5505 C irraggiamento solare: I = σt4 (legge di Stefan-Boltzmann) σ = W m-2 K-4 I = 63.3 MW/m2 costante solare: in arrivo sull orbita terrestre 1361 W/m2 ridistribuita su tutta la superficie terrestre: 340 W/m2 La Terra riceve dal sole enorme quantità energia che non si distribuisce uniformemente. Radiazione solare incidente (insolazione) + intensa prossimità equatore che a latitudini elevate. Parte del calore viene assorbito, parte riflesso (coefficente di riflessione diffusa o riflettività media delle superfici: albedo). L'energia assorbita viene riemessa gradualmente sotto forma di energia termica (2 princ termodinamica) di qualità inferiore. La maggior parte dell'energia solare è sotto forma di luce o di infrarosso vicino. Le radiazioni di breve lungezza d'onda attraversano abb facilm l'atmosfera e giungono sulla superficie terrestre. La radiazione terrestre (energia riemessa dall terra riscaldata da quella solare) ha lunghezza d'onda maggiore e quindi di qualità minore dell'infrarosso lontano dello spettro elettromagnetico. I gas atrmosferici (CO2 e vapore acqueo) assorbono molta di questa energia e la riemettono molto lentamente. Questo fenomeno è noto come effetto serra. Legge di Wien: λ max = b / T La massima lunghezza d'onda dipende dall'inverso della temperatura. I corpi caldi producono energia a lunghezze d'onda minore. Più è caldo un corpo, più, per l'energia cinetica, si muove velocemente. Vengono quindi prodotte oscillazioni + frequenti e + ravvicinate. Il sole emette energia sotto forma di luce a diverse lunchezze d'onda. La terra la riceve e, per essere in qeuilibrio energetico, la riemette in lunghezze d'onda molto più lunghe, che corrispondono allo spettro delle radiazioni infrarosse. L'aria contiene in sospensione anche piccole particelle solide e goccioline liquide dette aerosol. Gli aerosol atmosferici hanno un ruolo molto importante nel bilancio energetico della terra e nella produzione di pioggia.

2 Le nuvole hanno alto potere riflettente. Alla fine la terrra assorbe solo il 485 dell'energia e deve restituirne altrettanta. Il calore si chiama latente perchè non si manifesta in energia ma nella transizione da acqua a vapore. L'atmosfera ha 4 zone distinte in differenti temperature dovute a differenze nell'assorbimento dell'energia solare: 1. Nella troposfera correnti convettive ridistribuiscono continuamente calore e umidità. Essa ha uno spessore di 18 km sopra l'equatore e 8 ai poli. In essa vengono intrappolati gas e calore e qui si verificano i moti di rimescolamento. La tropopausa limita la zona di rimescolamento della troposfera e gli strati superiori. 2. La stratosfera si estende dalla fine della troposfera fino a una quota di 50 km. Altissima concentrazione di ozono, relativamente calma, temperatura più elevata. L'ossigeno assorbe l'energia degli UV, si scinde e va a formare l'ozono. A causa dell'uomo si formano buchi in questo strato che lasciano passare i raggi dannosi. 3. Sopra la stratosfera, temperatura riprende a diminuire nella mesosfera. 4. Al di sopra degli 89 km di altitudine comincia la termosfera, regione a gas altamente ionizzati, riscaldati dal flusso costante di radiazioni solari e cosmiche (raggi X e UV). Più fredda a causa della rarfazione. Nella sua parte bassa, impulsi di radiazioni ad alta energia inducono gli ioni a emettere luce: aurore polari. La circolazione dell'atmosfera Nella stratosfera abbiamo strati di aria più calda che stanno sopra strati di aria più fredda: la situazione è relativamente stabile in senso verticale. Infatti nella stratosfera l'aria è sottoposta a movimenti rapidi essenzialmente laminari (cioè non turbolenti), in senso orizzontale. Invece nella troposfera strati di aria più fredda (e quindi più pesante) stanno sopra strati di aria più calda: è questa una situazione di possibile instabilità. Infatti si possono avere forti movimenti

3 convettivi in senso verticale con la conseguenza che tutti i fenomeni meteorici si svolgono sostanzialmente all'interno della troposfera. I circoli d'aria dipendono da inclinazione dei raggi UV e differenze di temperature e di pressione. La bassa pressione determina fenomeni discendenti, quella alta ascendenti. Il sistema dei venti sulla nostra terra è a grandi linee guidato da questi fattori principali: il riscaldamento delle masse degli oceani e dei continenti causato dalla radiazione solare, la rotazione della terra, l'attrito all'interno dell'atmosfera che dissipa energia l'evaporazione e condensazione dell'acqua (fenomeni di passaggio di fase che coinvolgono il cosiddetto calore latente). Possiamo distinguere essenzialmente due tipi di circolazione: la cosiddetta circolazione meridionale, in cui le masse d'aria cambiano di latitudine, e le correnti a getto, che sono confinate nella parte più alta della troposfera e sono a carattere zonale, cioè circondano tutta la terra a latitudine più o meno costante. Struttura della circolazione meridionale: se la terra non ruotasse e rivolgesse sempre la stessa faccia verso il sole si avrebbe essenzialmente la formazione di due enormi celle di circolazione atmosferica in direzione parallela ai meridiani, una nell'emisfero boreale e una nell'emisfero australe. La circolazione sarebbe allora guidata dai seguenti fenomeni: la potenza della radiazione solare per unità di superficie è più forte ai tropici e quindi nella cintura equatoriale si ha aria calda e umida che tende a salire verso l'alto (correnti ascensionali); l'aria tropicale che sale deve venire rimpiazzata da altra aria e quindi si hanno venti di superficie che vanno da nord verso sud; l'aria calda dei tropici non può salire indefinitamente perché salendo va raffreddandosi e quindi aumentando di densità. A un certo punto l'aria si distribuisce un po' verso l'emisfero boreale e un po' verso l'emisfero australe dirigendosi poi verso i poli nella troposfera superiore; poiché i poli (e la faccia nascosta della terra) sono freddi l'aria si raffredda ulteriormente, si secca e tende a precipitare (subsidenza) ai poli chiudendo così il ciclo.

4 Le due celle di circolazione che si formerebbero vengono chiamate celle di Hadley in onore del fisico inglese che nel diciottesimo secolo per primo descrisse correttamente la causa della circolazione meridionale. La situazione però non è statica, questo semplice quadro è profondamente alterato dal fatto che la terra ruota intorno al suo asse. L'effetto principale della rotazione della terra sulla circolazione meridionale è quello dovuto alla cosiddetta forza di Coriolis (una forza apparente che agisce su qualunque massa in moto sulla terra). Conseguenza è che tutti gli oggetti che si muovono nell'emisfero boreale sono deflessi verso la loro destra mentre tutti gli oggetti che si muovono nell'emisfero australe vengono deflessi verso la loro sinistra. Perciò la forza di Coriolis induce la formazione di vortici in senso orario nell'emisfero boreale e di vortici in senso antiorario nell'emisfero australe. Allo stesso modo Hadley ha spiegato il perché dell'esistenza degli alisei, ovvero quei venti che nella zona equatoriale soffiano da nord-est (emisfero boreale) o da sud-est (emisfero australe). Se riconsideriamo il sistema di circolazione meridionale, ne deduciamo subito che i venti superficiali che nella cella di Hadley si muovono verso l'equatore vengono deflessi verso ovest dalla forza di Coriolis. Per questa ragione gli alisei nel'emisfero boreale soffiano da nord-est e nell'emisfero australe da sud-est. Ma la rotazione della terra ha anche l'effetto di rompere le due grandi celle di Hadley in diverse celle più piccole. L'aria che dall'equatore si dirige verso i poli nella troposfera superiore non può giungere fino ai poli, proprio a causa della forza di Coriolis che diventa sempre più intensa allontanandosi dall'equatore. Perciò una parte di quest'aria alimenta la corrente a getto subtropicale e una parte precipita verso i 30 di latitudine in entrambi gli emisferi. Si tratta di aria secca che precipitando verso il suolo assorbe tutta la possibile umidità (ecco perché i grandi deserti si trovano a queste latitudini). Quindi in realtà si hanno due celle di Hadley più piccole in prossimità dell'equatore. Invece alle latitudini intermedie la circolazione inverte la direzione e si formano le cosiddette celle di Ferrel : l'aria che precipita nelle due celle di Hadley conserva una componente della quantità di moto in direzione dei poli e trasmette questa quantità di moto alla cella di Ferrel, cosicchè in superficie i venti della cella di Ferrel si dirigono verso i poli mentre nella troposfera superiore i venti della cella di Ferrel si dirigono verso l'equatore. A causa della forza di Coriolis i venti di superficie delle celle di Ferrel hanno anche una componente da ovest verso est: sono i venti occidentali che abbiamo alle nostre latitudini. Verso i 60 di latitudine le celle di Ferrel si richiudono: c'è un movimento ascensionale dell'aria associato con il tempo instabile tipico di queste latitudini. È il cosiddetto fronte polare che divide la cella di Ferrel da un'ulteriore cella di Hadley, la cella polare, in cui si ha di nuovo la classica circolazione meridionale con venti di superficie che spirano dai poli, venti in quota che spirano verso i poli e subsidenza dell'aria fredda sopra i poli. A causa della forza di Coriolis, che tra l'altro è molto più intensa verso i poli, si ha una forte componente orientale dei venti di superficie provenienti dai poli.

5 La forza di Coriolis è anche la principale responsabile del sistema delle correnti a getto. Le correnti a getto sono flussi d'aria in rapido movimento (fino 400 km/h) collocate nell'alta troposfera (circa 11 km di quota) in corrispondenza della transizione tra celle di Hadley e celle di Ferrel. Ad esempio quando l'aria della tropopausa superiore fluisce verso i poli nelle celle di Hadley equatoriali, essa viene deflessa e accelerata verso est formando le correnti a getto subtropicali. Esse sono venti da ovest ad est. Sono correnti sinuose, non dritte, e possono avvolgersi a tal punto da creare una cella ciclonica (umida e calda) o anticiclonica (secca e fredda), distinte dal verso di rotazione.

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