Comprendere la Dinamica Atmosferica: Energia Solare, Venti e Clima Globale

Dinamica dell'Atmosfera

La Distribuzione Latitudinale dell'Energia Solare

La Terra è una sfera, perciò solo in un punto i raggi del sole sono perpendicolari alla superficie. Ciò avverrebbe permanentemente all'Equatore se l'asse terrestre non fosse inclinato. Tuttavia, a causa dell'inclinazione della Terra, il 21 giugno i raggi solari sono perpendicolari alla superficie nel Tropico del Cancro (coincidente con il mezzogiorno solare) e il 23 dicembre nel Tropico del Capricorno. Per il resto dell'anno, i raggi solari diventano perpendicolari a una latitudine compresa tra i due tropici (Fig. 6.14). Tutto ciò porta al susseguirsi delle stagioni nel corso dell'anno.

La quantità di irradiazione solare ricevuta in un determinato giorno dipenderà da due fattori principali:

• Tempo di esposizione: L'inclinazione dell'asse di rotazione terrestre influenza il numero di ore di luce che un luogo sul pianeta riceve.
• Angolo di incidenza della luce solare sulla Terra: L'intensità della luce solare per unità di superficie diminuisce all'aumentare dell'angolo di inclinazione dei raggi (rispetto alla normale). Qui agiscono due aspetti:
  1. All'aumentare dell'inclinazione, la stessa intensità di radiazione si distribuisce su un'area più ampia.
  2. Con un'inclinazione crescente, il percorso della radiazione attraverso l'atmosfera è più lungo, comportando un maggiore assorbimento atmosferico.

Per questo motivo, la zona tropicale riceve più energia solare per unità di superficie, con scarse variazioni stagionali. Man mano che ci si allontana dall'Equatore verso i poli, l'energia ricevuta annualmente diminuisce e le differenze stagionali aumentano.

Movimenti Verticali dell'Atmosfera

Molti dei movimenti verticali che si verificano nella troposfera sono dovuti alle differenze di temperatura che si manifestano con l'altitudine. Secondo la legge dei gas ideali: p = ρRT (dove p è la pressione, ρ è la densità, R è una costante per ogni gas e T è la temperatura). All'aumentare della temperatura dell'aria (a pressione costante), la sua densità diminuisce e viceversa. Una rappresentazione della variazione della temperatura con l'altezza è chiamata curva di stato.

È comune individuare aree all'interno della troposfera dove si verificano inversioni termiche, ovvero dove la temperatura aumenta con l'altezza. Questo fenomeno è chiamato inversione termica. Esistono diversi tipi di inversione. Una molto comune si verifica a livello del suolo (Fig. 6.18), in condizioni di bel tempo, specialmente in inverno e nelle prime ore del giorno. È dovuta al raffreddamento dello strato d'aria a contatto con il terreno freddo, a causa della forte radiazione emessa dal suolo durante la notte. Nello strato di inversione, l'aria più fredda situata in basso tende a rimanere intrappolata, impedendo la dispersione degli inquinanti atmosferici (se presenti in quella zona). Si tratta di una delle condizioni atmosferiche più sfavorevoli per la dispersione dell'inquinamento atmosferico.

I movimenti verticali delle masse d'aria danno origine a cicloni o anticicloni.

• Cicloni (o Depressioni): L'ascensione di masse d'aria dalla superficie crea aree di bassa pressione, chiamate cicloni o depressioni. L'aria ascendente si raffredda e il vapore acqueo condensa in nubi che si sviluppano e possono causare precipitazioni. Sono legate a condizioni meteorologiche instabili, con piogge. Si verificano a basse latitudini, causati da sollevamento termico dovuto al surriscaldamento (depressioni calde), o a latitudini più elevate, causati da dinamiche termiche (depressioni fredde). Sono condizioni molto favorevoli per la dispersione dell'inquinamento atmosferico, poiché l'aria ascendente disperde gli inquinanti prodotti in superficie.
• Anticicloni (o Alte Pressioni): Le masse d'aria che scendono portano ad aree di alta pressione, chiamate anticicloni. L'aria che scende si riscalda per compressione, mentre l'acqua condensata evapora, per cui le nubi diminuiscono gradualmente di dimensioni o si dissolvono. Queste situazioni sono legate a un clima secco e soleggiato. Esistono anticicloni subtropicali, derivanti da subsidenza dinamica, che sono masse d'aria calda, e anticicloni freddi, causati da un forte raffreddamento degli strati più bassi dell'atmosfera. Questi ultimi si trovano sui poli e, in inverno, all'interno dei continenti ad alte latitudini. Tali condizioni atmosferiche sono negative per la diffusione degli inquinanti.

Movimenti Orizzontali dell'Atmosfera

L'aria che scende in un anticiclone provoca venti di superficie che si allontanano dal centro (questa è una zona di divergenza), mentre il movimento verso l'alto dell'aria nelle aree cicloniche porta a venti di superficie che convergono verso il centro del ciclone (sono le zone di convergenza) (Figura 6.20). Nelle zone di convergenza si verifica il contatto tra masse d'aria di diversa origine (i fronti), quindi in generale il tempo è instabile (Fig. 6.21). Nelle aree di divergenza non c'è contatto tra masse d'aria eterogenee, quindi il tempo è generalmente stabile.

I venti di superficie associati alle aree cicloniche e anticicloniche non seguono linee rette, ma percorsi a spirale (Figura 6.23). Questo è dovuto alla cosiddetta Forza di Coriolis, che è la forza apparente esercitata dal movimento di rotazione terrestre.

Forza di Coriolis

La Terra ruota da ovest verso est (vista dall'alto, in senso antiorario). La velocità di rotazione è minore ai poli rispetto all'Equatore. Un punto sulla superficie vicino ai poli e uno nei pressi dell'Equatore compiono un giro completo in 24 ore; tuttavia, il punto vicino ai poli percorre una distanza minore rispetto a quello equatoriale, che deve coprire un percorso circolare più ampio. Per questo motivo, nell'emisfero settentrionale, se il vento si muove da un punto A verso nord, tende a deviare verso destra (est) rispetto alla direzione di movimento, poiché i paralleli diventano progressivamente più piccoli, con un conseguente aumento della velocità relativa rispetto alla velocità di rotazione terrestre. Se invece il vento si muove da un punto A verso sud, devia anch'esso verso destra (ovest), poiché la rotazione è in ritardo rispetto ai paralleli più veloci.

Circolazione dell'Aria nei Cicloni e negli Anticicloni

Una volta compreso l'effetto della forza di Coriolis, è facile capire il flusso d'aria nei cicloni e negli anticicloni. Nell'emisfero nord, il vento viene deviato verso destra:

• Nei cicloni, l'aria converge a spirale verso l'interno in senso antiorario.
• Negli anticicloni, la rotazione a spirale è in direzione opposta (divergente e in senso orario).

Nell'emisfero sud, il vento viene deviato verso sinistra:

• Nei cicloni, ciò produce una rotazione a spirale in senso orario.
• Negli anticicloni, la rotazione a spirale è in direzione opposta (divergente e in senso antiorario).

Mappa e Interpretazione delle Isobare

Le isobare sono linee che uniscono punti con la stessa pressione atmosferica. Queste linee consentono di studiare la situazione dei centri di alta o bassa pressione. Conoscendo la disposizione del campo di pressione, è possibile determinare in ogni punto la direzione e la velocità dei venti di superficie.

Negli anticicloni, la pressione aumenta verso il centro; nei cicloni, avviene il contrario. Se le isobare sono distanziate, indicano che i cambiamenti di pressione avvengono molto lentamente (gradiente di pressione debole). Se le isobare sono vicine tra loro, indicano che le variazioni di pressione si verificano molto rapidamente (gradiente di pressione forte).

Il vento scorre dalle aree di alta pressione (anticicloni) verso quelle di bassa pressione (cicloni), attraversando le isobare. I gradienti di pressione forti, indicati sulla mappa da isobare ravvicinate, provocano venti intensi. Qualora le isobare siano distanti, si possono prevedere venti leggeri.

Nei cicloni, le isobare sono di solito abbastanza ravvicinate (indicando la presenza di venti forti); negli anticicloni, si trovano in zone con isobare molto distanziate (vento leggero). Le isobare per gli anticicloni sono abbastanza regolari, mentre quelle che circondano i cicloni tendono ad essere irregolari e presentano bruschi cambiamenti di curvatura. Semicerchi e triangoli simboleggiano rispettivamente i fronti caldi e freddi, e sono diretti verso il luogo dove la massa d'aria si muove.

Schema Generale della Circolazione Atmosferica

L'aria a contatto con la superficie terrestre nella regione equatoriale si riscalda e, una volta riscaldata, sale nella troposfera superiore e fluisce verso i poli. L'aria fredda dalle regioni polari scende verso la superficie e fluisce verso l'Equatore.

Il percorso dell'aria è il seguente:

1. L'aria sale nella zona equatoriale (che è una zona di bassa pressione) ed è diretta dagli strati superiori verso nord-est.
2. Intorno ai 30° di latitudine, l'aria si trova in condizioni di vento che circola nella troposfera superiore (Fig. 6.28) nella stessa direzione della rotazione terrestre (venti occidentali) e in parte scende verso la superficie, creando una zona di alta pressione (cintura anticiclonica subtropicale).
3. Dall'anticiclone subtropicale, i venti di superficie si dirigono verso l'Equatore con una deviazione verso ovest (i cosiddetti alisei) e verso nord con una deviazione verso est (i cosiddetti venti occidentali).
4. Gli alisei di entrambi gli emisferi convergono in una zona chiamata Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ), che non è identica all'Equatore e la cui posizione varia leggermente nel corso dell'anno.
5. I venti dagli anticicloni subtropicali risalgono verso nord-est in una zona di bassa pressione situata a circa 60° di latitudine (zona temperata di bassa pressione).
6. I venti di superficie che provengono dalle zone di alta pressione polari e si dirigono verso sud-ovest giungono anch'essi alla zona di bassa pressione e lì risalgono.

Il fronte polare è il confine tra l'aria polare fredda e quella calda. In realtà non è un fronte unico, ma diversi che formano una cintura, la cui situazione varia nel corso dell'anno.

Zone Climatiche e Diagrammi Climatici

Le variabili determinanti del clima e della sua regolarità (il tempo meteorologico) sono la temperatura, la pressione, i venti e le precipitazioni. I parametri climatici sono i valori medi delle variabili meteorologiche raccolti in molti anni.

Diagrammi Climatici

I fattori climatici non agiscono isolatamente sulla materia vivente; ciò che conta è la loro azione simultanea. In questo senso, i diagrammi climatici forniscono informazioni molto interessanti, indicando il rapporto tra temperatura e precipitazioni nel corso dell'anno. Nella Figura 6.30 sono presenti indicazioni per interpretare un diagramma climatico.