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LE FORZANTI Agenti esterni al sistema climatico in grado di condizionarne le dinamiche. Lazione delle forzanti determina: - Apporto di energia (che permette.

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Presentazione sul tema: "LE FORZANTI Agenti esterni al sistema climatico in grado di condizionarne le dinamiche. Lazione delle forzanti determina: - Apporto di energia (che permette."— Transcript della presentazione:

1 LE FORZANTI Agenti esterni al sistema climatico in grado di condizionarne le dinamiche. Lazione delle forzanti determina: - Apporto di energia (che permette al motore climatico di funzionare) - Sottrazione di energia (rallenta molti processi e/o diminuisce lintensità dei feedback e delle interazioni fra le componenti del sistema climatico) - Destabilizzazione nel sistema climatico attraverso il superamento di soglie

2 In condizioni standard, la Terra è in uno stato di equilibrio energetico, poiché alla sua superficie il rapporto input-output energetico è zero. In particolare: Lenergia in ingresso (INPUT) è fornita dal Sole (forzante ESTERNA) tramite lINSOLAZIONE: il contributo della Deep Earth è trascurabile; Lenergia in uscita (OUTPUT) è la somma fra linsolazione subito riflessa nello spazio a causa dellALBEDO e quella dispersa per irraggiamento (energia assorbita dalla Terra e poi rilasciata); Una quota viene trattenuta dal sistema per azione dei GAS SERRA ed è utilizzata come carburante dal sistema climatico IL BILANCIO ENERGETICO DELLA TERRA

3 INSOLAZIONE Intensità della radiazione luminosa (=luce) dal Sole alla Terra (W/m 2 ) Qualche : a)La luce è una radiazione elettromagnetica (RE) b)Nel vuoto (=senza interazioni con la materia), la luce veicola energia virtualmente senza dispersioni c)La luce possiede un campo elettrico e, quindi, un campo magnetico

4 LUCE + MATERIA = CALORE! Effetto dellinsolazione è lapporto di calore alla Terra. Questo avviene per interazione luce/materia, ossia per: a)interazione fra i campi elettrici di luce e materia (=light energy) b)trasmissione di energia vibrazionale: se la frequenza del campo magnetico associato ad una RE (=la luce) è unarmonica di un oscillatore (=una qualsiasi molecola), i legami chimici di questultimo iniziano a vibrare a questa/e frequenza/e (diverse per ogni specie chimica)

5 FREQUENZE ARMONICHE Insieme delle frequenze che rispettano lequazione: (f arm ) n =n*f base dove n è un qualsiasi numero intero. Un'onda con f base = n Hz è composta da una frequenza fondamentale (n Hz) e da moltissime f arm, quali (2n, 3n, 4n, 5n...) Hz. Se f del campo magnetico associato alla luce è unarmonica (f n ) di un oscillatore (=una qualsiasi molecola), i legami chimici di questultimo sono stimolati a vibrare a frequenza (f n ).

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7 IL LAYER MODEL Ipotesi: Terra con atmosfera trasparente (=senza gas serra) Sistema semplificato a due variabili (…misurabili): le forzanti efficaci sono linsolazione e lalbedo E un calcolo teorico relativamente semplice, utile per evidenziare il ruolo singolo delle diverse forzanti (gas serra, in particolare)

8 LAYER MODEL: ASSUNTI Il bilancio energetico presume che lenergia in entrata equivalga a quella in uscita: F in = F out ( i pianeti non si riscaldano) Linput (F in ) è dato dallinsolazione (Ins = W/m 2 ), che al top dellatmosfera equivale alla costante solare: ~1350 W/m 2 ( misurabile) Loutput (F out ) è più complesso. In parte è determinato dallalbedo (α): una porzione di Ins viene infatti riflessa o direttamente dallatmosfera o dalla superficie terrestre (copertura nuvolosa, ghiacci, oceani, vegetazione…): è quantificabile Lenergia non riflessa è assorbita dalle molecole che compongono la Terra sotto forma di energia vibrazionale

9 LAYER MODEL Lalbedo media della Terra (α) è 0.3 (varia nel tempo, in funzione della copertura nuvolosa e dellestensione dei ghiacciai) Linsolazione efficace sulla Terra è quindi: I eff = Ins (1-α) I eff = (1.350 * 0.7) I eff = ~1.000 W/m 2

10 LAYER MODEL Il flusso totale assorbito dalla Terra è: F in = I eff * a Tuttavia….

11 …il sole irraggia solo metà della Terra alla volta, e linsolazione non è distribuita in modo omogeneo a causa della curvatura della superficie terrestre

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13 z x y

14 TEOREMA DI OSTROGRADSKIJ (O DELLA DIVERGENZA) Il flusso di un campo vettoriale attraverso una superficie chiusa eguaglia lintegrale della divergenza del campo nella regione racchiusa dalla superficie stessa. Se il flusso è parallelo, lintegrale di cui sopra eguaglia la proiezione bidimensionale della superficie su un piano ortogonale al flusso stesso = lombra proiettata dalla superficie. Lombra prodotta dalla Terra è circolare, quindi: a = π (r Terra ) 2

15 LAYER MODEL Se a è approssimabile allarea dellombra prodotta dalla Terra, allora F in = π (r Terra ) 2 (1.000 W/m 2 ) F in = 12,7x10 10 Assumendo, come detto, che latmosfera sia trasparente (niente gas serra), il LAYER MODEL impone che F in = F out

16 I BLACKBODY Per stimare F out in assenza di gas serra, possiamo (semplificando) considerare la Terra come un Blackbody. (è unipotesi giustificata da osservazioni strumentali su come la Terra risponde al flusso di radiazione solare) Un Blackbody è unentità astratta, costituita da oscillatori che vibrano a tutte le frequenze possibili. Quindi, un Blackbody: - è un perfetto assorbente di TUTTA la radiazione elettromagnetica che riceve (non ne riflette ne si lascia attraversare). Possiamo considerare la Terra come un Blackbody (anche se NON lo è) avendo già eliminato da Ins leffetto complessivo dellalbedo (α) - è un perfetto radiatore che, riscaldandosi, emette RE nello spettro dellinfrarosso (=calore Blackbody radiation) in funzione della sua temperatura. Pensiamo, ad esempio, ad un pezzo di ferro nella fucina di un fabbro: riscaldandosi, il metallo da nero diventa rosso, poi arancio, poi giallo e infine bianco quindi, emette uno spettro di RE che cambia in funzione della sua temperatura

17 Spettri di emissione da parte di Blackbody a diverse temperature. Notare come allaumentare di T si elevi il picco di intensità della radiazione (=più energia emessa) e diminuisca la lunghezza donda delle emissioni (=più verso il bianco) Comparazione fra gli spettri di emissione del Sole (alta T) e della Terra (bassa T), nellipotesi che si comportino come due perfetti Blackbody

18 EMISSIONE DI UN BLACKBODY Lintensità della RE emessa da un Blackbody (Blackbody radiation) è espressa dallequazione di Stefan-Boltzmann: I out = εσT 4 I out = intensità dellemissione (W/m 2 ) ε = emissività (dove 1 = perfetto Blackbody e 0 = perfetto Whitebody) σ = Costante di Stefan-Boltzmann (= 5.7*10 8 W / m 2 / K 4 ) T = ˚K Se (ipotesi di partenza) la Terra, in presenza di atmosfera trasparente, si comporta come un Blackbody radiator, allora = 1 e F out = f (I out )

19 LAYER MODEL Il flusso totale emesso dalla Terra è quindi: F out = I out * a (N.B.: è la stessa relazione già vista per F in )

20 CALCOLO DEL FLUSSO IN USCITA DALLA TERRA Poiché la Terra irradia in tutte le direzioni, il flusso F out si svilupperà su una superficie sferica, di area A: a = 4 π r 2 Terra Quindi, dato che F = I*a: F out = (4 π r 2 Terra ) σT 4 Terra

21 CALCOLO DEL FLUSSO IN USCITA DALLA TERRA Sappiamo anche che: F in = π r 2 Terra (1-α) Ins Avendo in partenza imposto F out = F in, otteniamo: (4 π r 2 Terra ) σT 4 Terra = π r 2 Terra (1-α) Ins

22 CALCOLO DEL FLUSSO IN USCITA DALLA TERRA Semplificando: (π r 2 Terra ) 4σT 4 Terra = (π r 2 Terra )(1-α) Ins allora 4σT 4 Terra = (1-α) Ins Lequazione precedente può essere risolta in funzione di T terra : T 4 Terra = (1-α) Ins / 4σ

23 CALCOLO DELLA TEMPERATURA DELLA TERRA In assenza di gas serra, T Terra = [ (1-α) Ins 4σ ] Poiché (1- ) Ins = 1000 W/m 2 e σ = (~6*10 -8 W/m 2 /K 4 ), T Terra (°K) = [ 1000 W/m 2 24*10 -8 W/m 2 ] e… T Terra (°K) = (41,7*10 8 )

24 CALCOLO DELLA TEMPERATURA DELLA TERRA Quindi, in assenza di gas serra, T Terra = 255 ˚K, circa -15 ˚C …eppure, T media reale della Terra è circa 15 °C (285 °K)!

25 UN LAYER MODEL CON ATMOSFERA NON TRASPARENTE Iniettiamo nellatmosfera del nostro modellino un quantitativo incrementale di gas serra (CO 2, O 3, H 2 O, CH 4 …) Assiomi di partenza (in base allosservazione empirica): - Il flusso in uscita (F out ) è, almeno in parte, intercettato dallatmosfera - Anche latmosfera si comporta, più o meno, come un Blackbody radiator

26 F in (Ins-αAtm) F out (Terra) F out (Atm) F in (Atm) F in (Ins) F out (αAtm)

27 RICALCOLO DELLA TEMPERATURA DELLA TERRA Saltiamo i passaggi (è una procedura simile alla precedente) per ottenere T suolo = 2 x T Atmosfera Il risultato indica che T suolo è ~20% più alta di T atmosfera (sono valori medi). Questo valore è perfettamente coerente con le osservazioni strumentali, a dimostrazione che effettivamente latmosfera si comporta (quasi) come un perfetto Blackbody, grazie allintervento dei GAS SERRA. …quali sono le dinamiche dei gas serra allinterno dellatmosfera?

28 CALCOLO DELLA TEMPERATURA DELLA TERRA Senza gas serra, T Terra sarebbe 30° inferiore allattuale (unenormità). Su basi empiriche, i gas serra sembrano svolgere la funzione di coperta termica: riducono la dispersione di calore dalla Terra verso lo spazio. I gas serra sono trasparenti alla luce solare ma attivi nei confronti della radiazione infrarossa: nel complesso, sono una forzante interna al sistema Terra. Possiamo definire le specie chimiche aventi caratteristiche di gas serra come sub-forzanti.

29 EFFETTO DELLE SUB-FORZANTI Leffetto di ciscuna sub-forzante con effetto di gas serra sullassorbimento di RE IR è molto variabile, ed è descritto da un coefficiente ε (efficiency factor). Per convenzione, ε è 1 per la CO 2 e varia fra 0 e 1 per gli altri gas serra. Leffetto combinato delle varie forzanti (in W/m 2 ) è quindi: F tot = forcing totale sul clima ε = efficiency factor F = forcing dato da ciascuna sub-forzante Ne consegue che sub-forzanti con ε alto possono determinare grandi effetti a fronte di forcing ridotto. Visto che stiamo specificamente trattando di gas disciolti nellatmosfera, i forcing sono proporzionali alla concentrazione di ciscun gas serra. Avendo un ε alto, la CO 2 determina effetti sensibili già a concentrazioni bassissime.

30 IL RUOLO DELLA CO 2 Scenario (ipotetico) di partenza: atmosfera priva di CO 2, di vapor acqueo e di nubi Lo spettro della radiazione (al top dellatmosfera) si avvicina moltissimo a quello di un Blackbody ideale a T = 285 °K, ma mostra zigrinature a frequenze di interferenza fra componenti dellatmosfera e la radiazione in uscita è uno spettro di assorbimento Assorbimenti significativi nella curva appaiono solo in corrispondenza alla banda del CH 4 CH 4

31 IL RUOLO DELLA CO 2 Scenario 1: atmosfera con 10 ppm di CO 2 Lo spettro della radiazione (al top dellatmosfera) indica che T della Terra rimane a ca. 285 °K; compare ovviamente una flessione (=assorbimento) nella banda della CO 2, molto più accentuata di quella del metano CH 4 CO 2 (617)

32 IL RUOLO DELLA CO 2 Scenario 2: atmosfera con 380 ppm di CO 2 (valori odierni) Lo spettro della radiazione (al top dellatmosfera) indica che T della Terra rimane a ca. 285 °K. La flessione (=assorbimento) nella banda della CO 2 si allarga sensibilmente CH 4 CO 2

33 IL RUOLO DELLA CO 2 Scenario 3: atmosfera con ppm di CO 2 (valori superiori a quelli odierni) Lo spettro della radiazione (al top dellatmosfera) indica che T della Terra rimane a ca. 285 °K. La flessione (=assorbimento) nella banda della CO 2 si allarga ancora, ma in modo quasi impercettibile SATURAZIONE DI BANDA CH 4 CO 2

34 IL RUOLO DELLA CO 2 Scenario 1: atmosfera attuale REALE (con CO 2, vapor acqueo, metano, ozono) Lo spettro della radiazione fra 800 e 1000 WN indica la T della Terra (ca. 285 °K). In generale, però, la Terra è termicamente isolata e il flusso verso lo spazio è minore a quello teorico EFFETTO SERRA

35 IL MESSAGGIO DELLA CO 2 La prima conclusione è: allaumentare del tenore di CO 2 nellatmosfera diminuisce la OLR (Outgoing Longwave Radiation) e, quindi, meno calore viene disperso nello spazio (il totale è lintegrale della curva). Seconda evidenza: la relazione fra la concentrazione di CO 2 e la variazione nellOLR non è lineare. Es.: per 0 ppm di CO 2 la OLR è 347 W/m 2, a 10 ppm è 332 W/m 2, a 380 ppm è 313 W/m 2, e salendo a ben ppm cala di poco (308 W/m 2 ). Sembra quindi che, oltre una soglia critica bassissima (=0!), liniezione di CO 2 nellatmosfera non porti variazioni significative nellassorbimento della OLR, e quindi di T (si confrontino le curve con 10 e con ppm). In realtà, laumento dei tenori di CO 2 non approfondisce il flesso ma ne erode i fianchi, con relativo aumento dellassorbimento (che può diventare significativo per il sistema climatico) 0 ppm 10 ppm ppm

36 EFFETTO DELLE VARIAZIONI DI CO 2 Il forcing sul clima dovuto a variazioni della CO 2 è espresso dallequazione di Myhre: F CO2 = forcing sul clima (in W/m 2 ) k = costante di correzione (~5.35 W/m 2 ) C = concentrazione finale di CO 2 C 0 = concentrazione iniziale di CO 2 Il risultato è quindi funzione di un logaritmo, ed indica che ogni raddoppio dei tenori di CO 2 nellatmosfera determina un aumento di assorbimento pari a 4 W/m 2 (misurati al top delatmosfera). Questo risultato racchiude un messaggio fondamentale: ciò che determina cambiamenti nellassorbimento dellOLR da parte della CO 2 nellatmosfera non è la sua concentrazione assoluta, quanto piuttosto le sue variazioni di concentrazione. In sostanza, laumento di concentrazione della CO 2 da 10 a 20 ppm ha lo stesso effetto di una variazione da a 2.000, e molto più grande di una variazione da a N.B.: secondo i modelli, a concentrazioni molto alte il sistema assume un comportamento lineare

37 VARIAZIONI DI CO 2 E DI TEMPERATURA La risposta in termini di T è direttamente proporzionale alla climate sensitivity del sistema, ossia lampiezza della T indotta da ununità di una certa forzante. La climate sensitivity non è quindi un valore assoluto, ma una stima della… sensibilità del sistema climatico allazione di ciascuna forzante. In generale, unalta climate sensitivity indica che è sufficiente un forcing piccolo per indurre variazioni sensibili di T, mentre in caso di bassa climate sensitivity le stesse variazioni possono essere raggiunte solo a costo di un forcing enorme. Es: il nostro corpo ha una bassa sensibilità al cibo (si può morire per obesità, però prima bisogna ingrassare; è un processo lento) ma unalta sensibilità al cianuro (provare per credere!)

38 CLIMATE SENSITIVITY TO CO 2 DOUBLING La stima della climate sensitivity non è semplice nel caso di molte forzanti, mentre non è un calcolo impossibile nel caso della CO 2. Definiamo (senza perderci in calcoli) la formula magica, lequazione di equilibrio: T= F dove è il fattore di Planck (che deriva dellequazione di Stefan-Boltzmann). Per risolvere lequazione dobbiamo solo definire F. Per comodità, visto che labbiamo già quantificato, utilizziamo il valore indotto dal raddoppio della sua concentrazione (doubling), cioè 4 W/m 2. Il risultato indica che ogni raddoppio della concentrazione di CO 2 nellatmosfera induce un T = ~1°C. Possiamo quindi dire che la climate sensitivity al CO 2 doubling è circa 1°C.


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