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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 Nel medio-lungo termine, la Terra è in uno stato di equilibrio energetico: alla sua superficie, il rapporto in/out energetico è zero. Questa condizione determina la (quasi) stabilità dei climi terrestri. IL BILANCIO ENERGETICO DELLA TERRA

3 La forzante principale (INPUT) è il Sole, che trasferisce energia alla Terra tramite lINSOLAZIONE. Il contributo della Deep Earth è trascurabile; Il flusso in uscita (OUTPUT) è la somma di insolazione subito riflessa nello spazio per ALBEDO ( ); energia dispersa per IRRAGGIAMENTO (=assorbita dalla Terra e poi rilasciata). IL BILANCIO ENERGETICO DELLA TERRA

4 In realtà, E (ins) > E ( + irr) Una piccola quota di E (ins) viene infatti trattenuta dal sistema Terra e utilizzata nei processi di interazione fra le componenti del SC. IL BILANCIO ENERGETICO DELLA TERRA

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

6 LUCE + MATERIA = CALORE Linsolazione porta calore alla Terra per interazione fra luce e materia, che principalmente è dovuta a: a)interazione fra i campi elettrici di luce e materia (=light energy) b)trasmissione di energia vibrazionale: se f a del campo magnetico associato ad una RE è unarmonica di un oscillatore, i legami chimici di questultimo iniziano a vibrare a f a

7 FREQUENZE ARMONICHE Una qualsiasi onda è composta da una frequenza fondamentale (f base ) e da x f a. Le frequenze armoniche di un oscillatore rispettano lequazione: f a = n * f base dove n è un numero intero. Se f base del CM associato alla luce è unarmonica (f a ) di un oscillatore, i legami chimici di questultimo sono stimolati a vibrare a frequenza (f a ).

8

9 INSOLAZIONE = CALORE E intuitivo che questi processi generano il calore necessario al sostentamento del nostro pianeta. Un esperimento teorico permette di valutare, in modo quantitativo, il loro effetto sul sistema climatico terrestre

10 LAYER MODEL Ipotesi: Terra con atmosfera trasparente alle RE (=no gas serra) Sistema semplificato a due variabili (misurabili): insolazione e albedo

11 LAYER MODEL: ASSUNTI Per rispettare il bilancio energetico (i pianeti non si riscaldano), il flusso energetico in entrata deve eguagliare quello in uscita: F in = F out

12 LAYER MODEL: ASSUNTI Per rispettare il bilancio energetico (i pianeti non si riscaldano), lenergia in entrata deve corrispondere a quella in uscita: F in = F out Linput (F in ) è dato dallinsolazione (Ins = W/m 2 ), che al top dellatmosfera equivale alla costante solare: ~1350 W/m 2

13 LAYER MODEL: ASSUNTI Per rispettare il bilancio energetico (i pianeti non si riscaldano), lenergia in entrata deve corrispondere a quella in uscita: F in = F out Linput (F in ) è dato dallinsolazione (Ins = W/m 2 ), che al top dellatmosfera equivale alla costante solare: ~1350 W/m 2 La stima delloutput (F out ) è più complessa: lalbedo totale (α) è infatti la somma fra la Ins subito riflessa dallatmosfera e quella riflessa dalla superficie terrestre

14 LAYER MODEL: ASSUNTI Per rispettare il bilancio energetico (i pianeti non si riscaldano), lenergia in entrata deve corrispondere a quella in uscita: F in = F out Linput (F in ) è dato dallinsolazione (Ins = W/m 2 ), che al top dellatmosfera equivale alla costante solare: ~1350 W/m 2 La stima delloutput (F out ) è più complessa: lalbedo totale (α) è infatti la somma fra la Ins subito riflessa dallatmosfera e quella riflessa dalla superficie terrestre Lenergia non riflessa è assorbita dalle molecole che compongono la Terra sotto forma di energia vibrazionale (trascuriamo la light energy)

15 LAYER MODEL Lalbedo totale media (α) è ca. 0.3; essa varia nel tempo, in funzione della copertura nuvolosa, dellestensione dei ghiacciai, degli oceani e delle foreste. Linsolazione efficace sulla Terra è quindi: I eff = Ins (1 – α) I eff = (1.350 * 0.7) I eff = ~1.000 W/m 2

16 LAYER MODEL Il flusso totale di energia solare assorbito dalla Terra è: F in = I eff * a Dove a è la superficie irraggiata. Si tratterebbe di un calcolo semplice, se solo la terra fosse piatta. In realtà…

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

18 In due dimensioni il calcolo è immediato:

19 z x y

20 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 solenoidale ( = 0), questo valore equivale alla 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

21 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 = 12,7 * W Assumendo, come detto, che latmosfera sia trasparente (niente gas serra), il layer model da noi immaginato impone che F in = F out

22 LAYER MODEL Un sistema dove F in = F out non esiste (o quasi) in natura. In realtà, corpi celesti privi di atmosfera si avvicinano a questo comportamento; possiamo quindi considerare la Terra come un BLACKBODY RADIATOR.

23 BLACKBODY RADIATOR Un Blackbody è unentità astratta, costituita da oscillatori che vibrano a tutte le frequenze possibili. Quindi, un Blackbody: - ASSORBE TUTTA LA RE CHE RICEVE: non ne riflette ne può esserne attraversato. Possiamo considerare la Terra come un Blackbody (anche se NON lo è) poichè abbiamo eliminato da Ins lalbedo (α); - E UN PERFETTO RADIATORE, che emette un array di RE nello spettro dellinfrarosso (calore: Blackbody radiation) in funzione della sua temperatura.

24 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

25 EMISSIONE DI UN BLACKBODY Lintensità della RE emessa da un Blackbody (Blackbody radiation) è espressa dallequazione di Stefan-Boltzmann: I out = ε σ T 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 Ipotesi di partenza: la Terra è un Blackbody radiator, quindi ε = 1

26 LAYER MODEL Il flusso totale (F out ) emesso dalla Terra è quindi: F out = I out * a da cui F out = σT 4 * a

27 CALCOLO DEL FLUSSO IN USCITA DALLA TERRA F out coinvolge tutta la superficie terrestre: a = 4 π r 2 Terra Quindi, posto che F = I*a: F out = σT 4 Terra * (4 π r 2 Terra )

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

29 CALCOLO DEL FLUSSO IN USCITA DALLA TERRA Semplificando: 4σT 4 Terra = (1-α) Ins Risolvendo in funzione di T terra : T Terra = [ (1-α) Ins 4σ ]

30 CALCOLO DELLA TEMPERATURA DELLA TERRA 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 )

31 CALCOLO DELLA TEMPERATURA DELLA TERRA Quindi, in assenza di gas serra, T Terra* = 255 ˚K = ca. -15 ˚C …eppure, T Terra media reale è ~15 °C (285 °K)! * In questo modello, T Terra = T atm

32 UNATMOSFERA PERFETTA Scenario 2: latmosfera del nostro modellino è satura di gas serra (CO 2, O 3, H 2 O, CH 4 …). Ipotesi di partenza: - Il flusso (EMISSIONE) in uscita (F out ) è totalmente intercettato dallatmosfera; - Anche latmosfera si comporta come un Blackbody radiator.

33 Ins (1 – α Atm ) Ins (α Atm ) ½ F Atm Ins Terra (=blackbody) Atmosfera (=blackbody) VISIBILE IR

34 RICALCOLO DI T Terra Assunti: F in = F out, quindi F Terra = 2 F atm, σT 4 Terra = 2 σT 4 Atm T Terra = ~1.19 T atm = ~1.2 (255 °K) T Terra = ~303 °K = ~30°C E un valore esagerato, frutto di uneccessiva semplificazione del modello. E chiaro però che i gas serra fungono da sub-forzanti.

35 The calculated surface temperature on Earth is 30°C assuming that Earth has a single, perfect greenhouse atmospheric layer. PRO: latmosfera terrestre NON E un perfetto blackbody CONTRO: latmosfera terrestre si avvicina sempre più allo stato di blackbody (effetto antropico) PRO: la variabile T4 indica che un piccolo aumento della temperatura genera un enorme aumento di emissione da parte della Terra feedback negativo CONTRO: laumento di T fa diminuire lalbedo, quindi aumenta Ieff feedback positivo BAD: There is no reason to stop at one atmosphere in our model. For example, Venus' atmosphere absorbs and re-emits IR radiation many times over. Venus' surface absorbs the same direct solar power as does Earth (it is closer to the Sun but has a much higher albedo), yet its temperature is 735 K4. This is an example of a runaway greenhouse effect. CONCLUSION: There is nothing guaranteed about our current mean surface temperature of 14.5°C; with plausible changes to our albedo and atmosphere, we can dial up pretty much any temperature we like, from freezing to boiling.

36 UN MONDO (IM)PERFETTO

37 EFFETTO DELLE SUB-FORZANTI Leffetto di ciscun gas serra è descritto da un coefficiente A (infrared Absorbance). Per convenzione, A CO 2 = 1. Leffetto delle forzanti è quindi: RF tot = forcing totale sul clima A = assorbimento potenziale di IR P = concentrazione relativa di ciascun gas Quindi, sub-forzanti con A alto sono efficaci già a concentrazioni molto piccole. Quantifichiamo

38 SCENARIO 1 Ipotesi di partenza: atmosfera priva di CO 2, di vapor acqueo e di nubi Lo spettro di emissione simile a quello di un Blackbody 285 °K; sono evidenti zigrinature a certe lunghezze donda assorbimento CH 4

39 Atmosfera con 10 ppm di CO 2 T della Terra rimane a ca. 285 °K; compare una flessione (=assorbimento) nella banda della CO 2, molto più accentuata di quella del metano CH 4 CO 2 (617) SCENARIO 2

40 Atmosfera con 380 ppm di CO 2 (valori odierni) T della Terra rimane a ca. 285 °K. La flessione (=assorbimento) nella banda della CO 2 si allarga sensibilmente CH 4 CO 2 SCENARIO 3

41 Atmosfera con ppm di CO 2 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 SCENARIO 4

42 Atmosfera attuale REALE (con CO 2, vapor acqueo, metano, ozono) T della Terra è ca. 285 °K. La Terra è però termicamente isolata e il flusso verso lo spazio è minore a quello teorico EFFETTO SERRA SCENARIO 5

43 IL MESSAGGIO DELLA CO 2 Prima conclusione: allaumentare della CO 2 nellatmosfera, la radiazione in uscita diminuisce e, quindi, meno calore viene disperso nello spazio (il totale è lintegrale della curva). 0 ppm 10 ppm ppm

44 IL MESSAGGIO DELLA CO 2 Seconda evidenza: lemissione non varia in modo lineare con la concentrazione di CO 2. Es.: a 0 ppm di CO 2, OLR = 347 W/m 2 a 10 ppm, ORL = 332 W/m 2 a 380 ppm, ORL = 313 W/m 2 a ppm, ORL = 308 W/m 2 0 ppm 10 ppm ppm

45 IL MESSAGGIO DELLA CO 2 Apparentemente, la concentrazione di CO 2 nellatmosfera non porta variazioni significative nellassorbimento della OLR ( integrale della curva). Vediamo quali sono le relazioni fra CO 2 e T 0 ppm 10 ppm ppm

46 EFFETTO DELLE VARIAZIONI DI CO 2 Il forcing dovuto a variazioni di CO 2 è espresso dallequazione di Myhre: RF = forcing (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 La curva di RF è quindi logaritmica, ad indicare che ogni raddoppio dei tenori di CO 2 nellatmosfera produce un aumento di assorbimento pari a 4 W/m 2.

47 C (CO 2 ) RF

48 EFFETTO DELLE VARIAZIONI DI CO 2 Messaggio fondamentale: i cambiamenti nellassorbimento di OLR da parte dellatmosfera non dipendono dalla concentrazione assoluta di CO 2, ma dalle 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 maggiore di una variazione da a

49 VARIAZIONI DI CO 2 E DI TEMPERATURA Il T indotto è direttamente proporzionale alla climate sensitivity del sistema, cioè la sua risposta alla pressione unitaria di una certa forzante. Unalta climate sensitivity indica che è sufficiente un forcing piccolo per indurre variazioni sensibili di T; in caso di bassa climate sensitivity, le stesse variazioni avvengono solo in risposta ad un forcing enorme.

50 CLIMATE SENSITIVITY TO CO 2 DOUBLING La climate sensitivity è approssimabile: T = h RF dove h è la costante di Planck (0.27 °C/W/m 2 ).

51 CLIMATE SENSITIVITY TO CO 2 DOUBLING T = h RF Conosciamo il valore di RF relativo al raddoppio di concentrazione della CO 2, cioè 4 W/m 2. Ogni raddoppio della concentrazione di CO 2 nellatmosfera induce un T = ~1°C. La climate sensitivity al CO 2 doubling è quindi 1°C.


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