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Come si studia il clima Claudio Cassardo Prof. Claudio Cassardo Dipartimento di Fisica Generale Amedeo Avogadro Università di Torino.

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Presentazione sul tema: "Come si studia il clima Claudio Cassardo Prof. Claudio Cassardo Dipartimento di Fisica Generale Amedeo Avogadro Università di Torino."— Transcript della presentazione:

1 Come si studia il clima Claudio Cassardo Prof. Claudio Cassardo Dipartimento di Fisica Generale Amedeo Avogadro Università di Torino

2 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie2 Riassunto Le basi fisiche: lesempio delleffetto serra I dati per lo studio del paleoclima I dati per lo studio del clima attuale I modelli in climatologia: cosa sono e cosa possono prevedere

3 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie3 Dal punto di vista climatico, la Terra può essere suddivisa in 5 componenti + il Sole ATMOSFERALITOSFERA CRIOSFERA BIOSFERA IDROSFERA Il sistema meteo-climatico

4 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie4 Il bilancio energetico della Terra BILANCIO ENERGETICO Input = Output Energia assorbita = Energia emessa

5 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie5 Input Trascuriamo latmosfera Energia assorbita n = (costante solare) x (area opposta al fascio di radiazione solare) x (1 – albedo) = S 0 r p 2 (1 – p ) Per la Terra S 0 = 1367 W m -2, p =0.3, r p ~ 6000 Km Costante solare: essendo la Terra lontana Km dal Sole irradiando il Sole una potenza pari a W Costante solare = potenza / superficie (raggio=distanza Terra-Sole) Costante solare = W / [4 p ( ) 2 ] ~ 1367 W m -2

6 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie6 Output Trascuriamo latmosfera n = emissione di corpo nero = x (temperatura del corpo) 4 x (superficie emittente) = T e 4 4 r p 2 Energia emessa

7 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie7 Il bilancio funziona? Bilancio planetario: S 0 (1 – p ) r p 2 = T e 4 4 r p 2 La temperatura di emissione della Terra vale dunque: La T osservata è 288 K, cioè + 15°C Ci sono ben 33°C di differenza!!! Il bilancio quindi non funziona! Perché? Trascuriamo latmosfera

8 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie8 La temperatura di emissione Un motivo è perché T e NON è la temperatura reale, ma la temperatura di un pianeta ideale senza atmosfera in equilibrio radiativo Infatti lo stesso calcolo non funziona neppure sugli altri pianeti (tranne su Marte, che ha unatmosfera molto rarefatta) Latmosfera influenza quindi la temperatura media Due motivi: –Effetto serra –Turbolenza atmosferica T e [K]T surf [K] calc mis Venere Terra Marte Giove

9 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie9 La radiazione di corpo nero Lenergia emessa da qualunque corpo dipende molto fortemente dalla lunghezza donda della radiazione emessa secondo la legge di Planck, ed anche dalla temperatura del corpo Il picco di emissione è funzione della temperatura: il picco di emissione dei corpi più caldi si trova a lunghezze donda minori (la radiazione è più energetica)

10 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie10 Radiazione solare e terrestre HANNO CARATTERISTICHE DIVERSE!!! Terra Temperatura superficiale: 288 K (15°C) Picco: ~11 m (onda lunga) Sole Temperatura superficiale: 6000 K (6273°C) Picco ~500 nm (onda corta)

11 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie11 Latmosfera terrestre 78% Azoto 20% Ossigeno 1% Argon 0.03% CO 2 + elementi in tracce (H 2 O, …) Il prezioso involucro Elio Azoto Ossigeno Vapore acqueo Argon Neon Biossido Di carbonio Aria

12 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie12 Latmosfera è quasi trasparente per quanto riguarda la radiazione solare (nubi a parte) Invece alcuni gas (tra cui H 2 O, CO 2, CH 4,, N 2 O, O 3 ) assorbono parte della radiazione terrestre Questo è leffetto serra naturale!!! Leffetto serra naturale

13 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie13 Assorbimento della radiazione infrarossa (effetto serra naturale)

14 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie14 Perché si chiama effetto serra? I gas serra (tra cui il biossido di carbonio) atmosferici intrappolano il calore come un coperchio di vetro che non lascia scappare il calore del pianeta Nelle serre, tuttavia, gran parte del calore è anche prodotto dallassenza di rimescolamento turbolento con latmosfera esterna!!!

15 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie15 Se non ci fosse leffetto serra, lenergia assorbita dalla Terra non sarebbe sufficiente a permettere la vita Si avrebbe T emissione = -18 °C contro T osservata = + 15 °C Leffetto serra naturale è positivo

16 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie16 Il bilancio radiativo terrestre reale

17 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie17 Non solo CO 2 : gli altri gas serra Il vapore acqueo è il gas naturale con il maggior effetto serra, ma la sua concentrazione nelle tre fasi è costante nel tempo Per semplicità si è deciso di introdurre un gas fittizio, lanidride carbonica equivalente (CO 2 e) Esso rappresenta il quantitativo di CO 2 che avrebbe lo stesso potenziale di riscaldamento globale (global warming potential, o GWP) di tutti gli altri gas serra messi insieme in relazione ad una scala temporale specifica, fissata a 100 anni

18 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie18 Torino giardini reali Quali strumenti per le misure meteo-climatiche? Dove si mettono?

19 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie19 I termometri Convenzionali (liquido nel vetro) Elettronici (misurano la resistenza di un metallo) Bimetallici (misurano la torsione) Infrarossi (misurano la radiazione emessa) Unità di misura: gradi Celsius, Kelvin, Fahrenheit

20 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie20 I barometri Sono costituiti da una vaschetta riempita di mercurio, entro cui è immerso un tubo di vetro La pressione atmosferica è equilibrata soltanto dal peso della colonna del mercurio: laltezza di questultima varia dunque al variare della pressione atmosferica Alcuni barometri misurano la pressione dalla deformazione subita da una scatola metallica vuota, che si deforma sotto lazione della differenza di pressione esterna-interna, e sono detti aneroidi.

21 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie21 Gli igrometri Ligrometro a capelli si basa sulla proprietà dei capelli di variare la loro lunghezza al variare dellumidità dellaria La lunghezza dei capelli aumenta (non linearmente) con laumentare dellumidità relativa e viceversa Tali strumenti misurano direttamente la frazione di saturazione, ossia lumidità relativa Lo psicrometro determina la temperatura dellaria e del bulbo bagnato. Indirettamente questi dati forniscono la tensione del vapore acqueo presente nellaria, da cui lumidità Gli strumenti elettronici sfruttano le proprietà elettriche di alcuni mezzi porosi e la diversa costante dielettrica dellacqua

22 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie22 Gli anemometri La direzione del vento è indicata dagli anemoscopi (banderuole girevoli) La velocità si misura con gli anemometri a coppelle o a eliche Altri anemometri più precisi sono gli anemometri ultrasonici

23 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie23 I pluviometri In tutti i tipi di pluviometro, lelemento raccoglitore è il cosiddetto imbuto Il pluviografo più conosciuto ed usato è quello ad altalena, il cui dispositivo contiene due recipienti uguali e non comunicanti che raccolgono alternativamente la precipitazione proveniente dallimbuto Il pluviometro va disposto orizzontalmente e collocato ad unaltezza opportuna sul terreno onde tener conto dellinfluenza determinata dalla presenza di ostacoli, delle perturbazioni prodotte dallazione del vento, e delleventualità che sul terreno si accumuli una grande quantità di neve

24 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie24 Il Global Telecommunication System è il sistema del WMO (World Meteorological Organisation) finalizzato allo scambio delle osservazioni in tempo reale su scala mondiale Dati meteo nel mondo

25 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie25 Stazioni meteo automatiche ~410 Pluviometri270 Termometri252 Idrometri130 Igrometri103 Anemometri (velocità) 82 Anemometri (direzione) 75 Nivometri 74 Radiometri 49 Barometri 43 Proprietà chimiche acqua 14 Termometri neve 11 Dati meteo in Piemonte Dati ARPA Piemonte

26 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie26 Stazione meteo di Cuneo (300 m) Esempi di alcune stazioni Stazione meteo di Pancani (2020 m) Nivometro a Salbertrand Le Selle (1970 m)

27 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie27 I record storici Resoconti orali o scritti di eventi passati Informazioni su alluvioni e livelli fluviali Arte (antichi murali che mostrano piante o animali attualmente non viventi in quel posto) Storie di sviluppo e decadimento di antiche città o civiltà correlate con i cambiamenti climatici Limiti –I resoconti o le informazioni sono: soggettivi, incompleti sia spazialmente che temporalmente –Sono descritti più gli eventi estremi che il clima

28 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie28 Gli strumenti per le misure del clima 1606: termoscopio di Galilei ~1630: i primi termometri XIX secolo: le scale La dendrocronologia: la temperatura media influenza lo spessore dellanello annuo Lanalisi dei sedimenti oceanici o glaciali: –La popolazione marina dipende dalla temperatura dellacqua –Le abbondanze degli isotopi di ossigeno sono correlate alla massa globale di ghiaccio ( 16 O evapora più facilmente di 18 O, più pesante) –Gli aerosol intrappolati nel ghiaccio conservano traccia della polvere e dei costituenti atmosferici passati

29 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie29 Dendrocronologia –La dendrocronologia (dal greco: dendron: albero; kronos: tempo; logos: discorso) studia l'accrescimento delle piante –Nei climi temperati l'alternanza di stagioni calde e fredde si riflette nella diversa produzione di legno: –nel legno primaverile le cellule sono più ampie e con pareti sottili –nel legno estivo-autunnale le cellule sono più strette e con pareti più spesse –per cui si formano, nella sezione trasversale del fusto, una serie di anelli concentrici

30 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie30 Analisi nei ghiacciai Le abbondanze degli isotopi di ossigeno sono correlate alla massa globale di ghiaccio Gli aerosol intrappolati nel ghiaccio conservano traccia della polvere e dei costituenti atmosferici passati

31 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie31 Ghiacciai polari Ghiacciai temperati ghiaccio freddo a temperatura nettamente inferiore al punto di fusione neve fredda deposta e conservata immune da fusione, trasformata in nevato e in ghiaccio per compattazione, sinterizzazione e metamorfismo profilo termico verticale f ( temperatura neve, tasso di accumulo, flusso geotermico) conservazione di molti dei segnali originali chimico-fisici acquisiti dalla neve nella massa daria in cui si è condensata interamente composti da ghiaccio caldo (temperatura di fusione) presenza dacqua in tutta la loro massa profilo verticale isotermico, acquisito per ripetuti processi di fusione/rigelo con rilascio del calore latente segnali chimici e fisici acquisiti dalla neve nellatmosfera cancellati

32 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie32 Schema di una calotta glaciale polare con linee di flusso divergenti dal centro alla periferia.

33 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie33 Legrand, Jouzel and Raynaud (1995) Meccanismo di intrappolamento dellaria nei ghiacciai polari

34 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie34

35 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie35 Carotaggi profondi in ghiacccio Antartide Groenlandia 2774 m 3026 m 3623 m 3270 m 2163 m 1387 m 3085 m 3029 m 3037 m

36 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie36 D, 18 O ice, 10 Be, spessore livelli annui Accumulo particolato atmosferico, Nd/Sr Provenienza e circolazione atmosferica O 2, N 2, CO, CO 2, CH 4, N 2 O, 18 O atm Gas: naturali e prodotti dalluomo ECM, DEP, Al, Ca 2+, Na +, SO 4 2-, NO 3 -, pulviscolo atmosferico, picchi di acidità (ECM, DEP, SO 4 2- ), ceneri vulcaniche SO 4 2-, NO 3 -, Pb, metalli in tracce, fallout radioattivo, composti organici Aerosol naturali prodotti dalluomo eccesso di deuterio Aree sorgenti umidità δD, δ 18 O ice, profilo di temperatura in pozzo, ecc. Temperatura Parametri climatici e corrispondenti indicatori nelle carote di ghiaccio Atmosfera Carote di ghiaccio

37 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie37 10 %Nessun limite di età Modelli di flusso glaciale Stratigrafia isotopica Metano δ 18 O atm 10% 1-5 % 3-10 % 1-5 % Variazioni stagionali, conteggio Incrementi annui stratigrafia, densità, cristallografia, livelli di polveri acidità (ECM) microparticelle isotopi stabili 1 anno Pochi anni dal Stratigrafia: orizzonti di riferimento di età nota fallout atomico ceneri vulcaniche picchi di acidità vulcanica Metodi di datazione e correlazione nelle carote di ghiaccio Metodo Intervallo temporaleAccuratezza

38 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie38 Il 18 O nei sedimenti oceanici I gusci di carbonato di calcio (CaCO 3 ) dei Foraminiferi sono i più comunemente usati per fare il test Il rapporto 18 O/ 16 O viene usato per ricostruire la temperatura dellacqua (dipende anche da altri fattori, come la salinità delle acque, e il volume di acqua rinchiusi nel ghiaccio) Quando il vapore acqueo evapora, le molecole di acqua leggera tendono ad evaporare prima; quando condensa, le molecole di acqua pesante tendono a condensare e precipitare prima Di conseguenza, la superficie degli oceani contiene una maggiore quantità di 18 O nelle aree subtropicali e tropicali (> evaporazione) e minore alle medie latitudini (> pioggia): si crea un gradiente negativo di 18 O muovendosi dai tropici verso i poli I cambiamenti climatici globali modificano la temperatura, il rateo di evaporazione e quindi il rapporto 18 O/ 16 O

39 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie39 Analisi dei pollini I granuli pollinici si liberano nellaria per rottura della sacca pollinica e sono portati passivamente dal vento verso gli organi femminili (dispersione anemofila) Parte dei granuli si disperde e sedimenta sul terreno nelle depressioni superficiali insieme a particelle di polvere ed altri sedimenti C l componente locale C r componente con la pioggia C t trunk space component C w componente secondaria trasportata dallacqua

40 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie40 I modelli di previsione meteorologica Un modello è un codice numerico in grado di risolvere le equazioni di base dei processi e dei fenomeni studiati, ed in grado di fornire i valori delle variabili in un istante futuro Il primo tentativo di modello numerico risale al 1922 ad opera di L. F. Richardson: egli risolse numericamente e manualmente le equazioni del moto usando la tecnica delle differenze finite e discretizzando le variabili; impiegò un anno di lavoro per prevedere i valori relativi al giorno successivo; il suo tentativo fallì a causa dellinstabilità numerica Il tentativo successivo fu effettuato nel 1950 dal gruppo di Charney, Fjorton e Von Neumann usando un titanico calcolatore ENIAC, e stavolta ebbe successo Da allora lo sviluppo della modellistica numerica ha avuto un inarrestabile progresso legato allo sviluppo progressivo della potenza di calcolo dei calcolatori

41 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie41 Le 6 equazioni primitive per la previsione meteorologica Equazione di Navier-Stokes (bilancio quantità di moto in un fluido, per il campo di vento orizzontale – Eq. non lineari – eq. differenziali alle derivate parziali) Equazione della termodinamica (scambi energia) Equazione del vapore acqueo (passaggi di stato) Equazione di continuità (massa che entra = massa che esce) Equazione di stato dei gas (PV=nRT) Equazione idrostatica (variaz. pressione e densità aria con la quota)

42 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie42 La discretizzazione Suddivisione del volume in blocchi tridimensionali In ogni blocco le variabili sono considerate costanti ed assegnate al centro del blocco Il volume del blocco può variare con la quota e la latitudine Lampiezza del blocco è legata alla risoluzione del modello Minore è lampiezza, maggiore è la risoluzione del modello Per i modelli meteorologici, la risoluzione è pari a Km Per i modelli climatici, Km

43 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie43 Leffetto della risoluzione 5.0°x5.0°4.0°x4.0°3.0°x3.0° 2.0°x2.0°1.0°x1.0°0.5°x0.5° 0.3°x0.3°0.1°x0.1° A 2°x2° (150x150 Km) di risoluzione non si vede lItalia!

44 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie44 Il limite di predicibilità Le previsioni del tempo sono valide al massimo per alcuni giorni, al più una settimana Problematiche sono la capacità di modellazione e linadeguatezza delle osservazioni, ma anche se queste ultime fossero perfette, il limite di predicibilità sarebbe di circa 2 settimane (Lorentz) Questo limite è una proprietà dellatmosfera stessa, non un errore della nostra scienza! Le equazioni dinamiche che regolano i moti atmosferici ed oceanici sono fortemente non lineari, per cui il modello diventa fortemente dipendente dalle condizioni iniziali Errori nelle condizioni iniziali, non importa quanto piccole o insignificanti, crescono rapidamente in grandezza e si propagano alle scale (analogia della farfalla di Lorenz, 1963)

45 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie45 Modelli globali (passo di griglia 40 km) affidabilità decrescente nel tempo, max 10 gg

46 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie46 Le previsioni climatiche Il clima è una raccolta di possibilità, ed è determinato dalle proprietà del sistema terrestre (le condizioni al contorno) Se non si riesce a prevedere il tempo più in là di 7-10 giorni, come si può pensare di prevedere il clima? Analogia dellaeroplano: il flusso attorno ad unala di un aeroplano è governato dalle stesse equazioni di Navier- Stokes fortemente non-lineari che governano latmosfera Per la stessa ragione per cui non si può prevedere il tempo un mese in anticipo, non si possono prevedere i dettagli del flusso daria attorno allala Eppure, dati i valori al contorno ed alcuni parametri, si può prevedere con successo la statistica relativa a tale flusso, altrimenti volare sarebbe impossibile!!!

47 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie47 Struttura di un modello climatico

48 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie48 Le celle di un modello climatico

49 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie49 Modelli globali: Risoluzione da 200 Km (UKMO) a 50 Km (ICTP) Modelli regionali: Risoluzione fino a 35 Km (ICTP) I modelli regionali

50 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie50 Levoluzione dei modelli climatici

51 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie51 I modelli sono attendibili? Forzanti naturali: Radiazione solare Gas serra costanti (salvo eruzioni) Forzanti antropiche: Incremento gas serra, aerosol Il modello con le sole forzanti naturali non spiega il riscaldamento recente Quello con le forzanti naturali e quelle antropogeniche sì!

52 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie52 Le variazioni hanno lo stesso segno ovunque

53 Alessandria, 22 aprile 2009Lezione corso aggiornamento Clima/Energie53 Uncertainty about human decisions is a major driver of uncertainty in climate change Model ensemble simulated warming ranges ~ 2.5º K in 2100 Sensitività agli scenari di emissione Emissions CO 2 Temperature


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