Dall’Universo al Pianeta azzurro Tano Cavattoni, Fabio Fantini, Simona Monesi, Stefano Piazzini Dall’Universo al Pianeta azzurro

Capitolo 18 Clima e variazioni climatiche Calda estate / stagione dei densi climi / dei grandi mattini / dell’albe senza rumore […] / stagione estrema, che cadi / prostrata in riposi enormi / dai oro ai più vasti sogni. Vincenzo Cardarelli

variazioni climatiche Capitolo 18 Clima e variazioni climatiche Lezione 48 Il bilancio energetico della Terra §18.1 L’energia solare e l’atmosfera §18.2 L’effetto serra §18.3 La temperatura dell’aria §18.4 Equilibrio termico della Terra §18.5 El Niño e la Niña

variazioni climatiche Capitolo 18 Clima e variazioni climatiche Lezione 49 Il clima §18.6 Fattori ed elementi del clima §18.7 Clima e temperatura §18.8 Clima e precipitazioni §18.9 Il diagramma del clima §18.10 Classificazione dei climi §18.11 I climi d’Italia

variazioni climatiche Capitolo 18 Clima e variazioni climatiche Lezione 50 Cambiamenti climatici §18.12 I gas serra §18.13 L’aumento dell’effetto serra §18.14 Climi e storia della Terra §18.15 Testimonianza dei climi del passato §18.16 Mutamenti climatici globali §18.17 Il riscaldamento globale §18.18 Scenari di un pianeta più caldo

§18.1 L’energia solare e l’atmosfera L'energia che permette il verificarsi dei fenomeni atmosferici proviene dal Sole.

§18.1 L’energia solare e l’atmosfera I fenomeni atmosferici sono causati dall’interazione dell’energia solare con la troposfera. L’energia solare è un insieme di radiazioni elettromagnetiche a diverse lunghezze d’onda. Le radiazioni a lunghezza d'onda corta, come le ultraviolette, sono molto energetiche, quelle a onda lunga, come le infrarosse, sono meno energetiche.

§18.1 L’energia solare e l’atmosfera L’energia solare ricevuta dall’atmosfera e dalla superficie terrestre è restituita allo spazio in uguale quantità. Si stabilisce cioè un equilibrio energetico. La temperatura del pianeta si mantiene mediamente costante nel corso del tempo. 8 8

§18.1 L’energia solare e l’atmosfera Solo una parte della radiazione solare arriva a colpire la superficie terrestre. Una parte è riflessa o assorbita dalla atmosfera. La quantità assorbita dalla Terra è poco meno della metà della radiazione solare incidente 9 9

§18.1 L’energia solare e l’atmosfera 10 10

§18.1 L’energia solare e l’atmosfera Il potere riflettente di una superficie colpita da radiazioni è definito albedo. Anche la Terra ha una albedo. Vista dallo spazio, si presenta come una sfera luminosa grazie al potere riflettente delle regioni ricoperte dai ghiacci e delle nuvole. 11 11

§18.1 L’energia solare e l’atmosfera Diversa intensità di albedo nelle diverse zone della superficie terrestre. 12 12

§18.2 L’effetto serra I raggi solari passano attraverso i vetri di una serra. La radiazione riemessa, costituita da raggi infrarossi, non attraversa i vetri e rimane intrappolata all’interno della serra.

La troposfera si comporta come una serra. §18.2 L’effetto serra La troposfera si comporta come una serra. Il diossido di carbonio (CO2) e il vapore acqueo (H2O), che sono detti gas serra, non schermano le radiazioni in ingresso, ma trattengono le radiazioni infrarosse in uscita e sono responsabili del riscaldamento della troposfera. 14 14

§18.2 L’effetto serra 1. La superficie terrestre è riscaldata dal Sole. 2. La superficie terrestre libera calore. 3. Una parte del calore emesso dalla superficie terrestre si disperde nello spazio. 4. I gas serra presenti in atmosfera trattengono una parte del calore liberato dalla superficie terrestre. 15 15

§18.2 L’effetto serra Sono gas serra: • il vapore acqueo (H2O), • il diossido di carbonio (CO2), • il metano (CH4), • l’ozono (O3), • il protossido di azoto (N2O), • i clorofluorocarburi (CFC). Contributi all’effetto serra dei principali gas serra prodotti dalle attività umane. 16 16

§18.3 La temperatura dell’aria La temperatura dell’aria è influenzata: • dall’inclinazione dei raggi solari, • dalla quota, • dalla vicinanza del mare, • dalla presenza di vegetazione.

§18.3 La temperatura dell’aria A parità di quota, la temperatura dell’aria diminuisce dall’equatore verso i poli a causa della diversa incidenza dei raggi solari sul piano dell’orizzonte.

§18.3 La temperatura dell’aria Nelle località montane la temperatura dell’aria è minore rispetto alle località di pianura situate alla stessa latitudine. Nella troposfera la temperatura dell’aria diminuisce con la quota. Allontanandosi dalla superficie terrestre, la temperatura si abbassa con regolarità: per ogni kilometro di quota, la temperatura diminuisce in media di 6 °C. 19 19

§18.3 La temperatura dell’aria L’acqua ha un calore specifico più elevato rispetto alle rocce della superficie terrestre. Il mare si riscalda più lentamente delle rocce. La vicinanza di un vasto bacino idrico abbassa l’escursione termica, sia giornaliera che annua, e mitiga il clima.

§18.3 La temperatura dell’aria La differenza tra la temperatura massima e la temperatura minima di una località è definita escursione termica. 21 21

§18.3 La temperatura dell’aria Le piante assorbono una parte delle radiazioni solari in arrivo, grazie alle quali sono in grado di svolgere il processo di fotosintesi. Le piante traspirano ed emettono nell’atmosfera vapore acqueo in abbondanza. Nel passaggio allo stato di vapore, l’acqua assorbe dall’aria una quantità notevole di calore. La presenza di boschi e di vegetazione rigogliosa determina una attenuazione dell’escursione termica. 22 22

§18.4 Equilibrio termico della Terra La differenza fra l’energia solare assorbita da una determinata area della superficie terrestre e l’energia riemessa dalla stessa area corrisponde al bilancio energetico dell’area. Località poste a latitudini diverse hanno bilanci energetici differenti. 23 23

§18.4 Equilibrio termico della Terra Nella fascia compresa tra i tropici, i raggi solari cadono perpendicolari o poco inclinati durante tutto l’anno. La fascia intertropicale riceve più energia di quanta ne riemette. Il bilancio energetico è perciò positivo. In generale, il bilancio energetico annuo è positivo per la fascia compresa tra le latitudini di 38° N e 38° S. In queste zone ci dovremmo attendere un aumento della temperatura anno dopo anno.

§18.4 Equilibrio termico della Terra Le aree poste al di fuori della fascia (38° N e 38° S) hanno bilancio energetico annuo negativo: la quantità di energia persa supera quella ricevuta. Il bilancio energetico è perciò negativo. In queste regioni, quindi, dovremmo aspettarci una progressiva diminuzione della temperatura anno dopo anno. 25 25

§18.4 Equilibrio termico della Terra L’analisi dei valori delle temperature annuali delle varie regioni del pianeta dimostra una sostanziale stabilità. Le frecce rosse indicano i trasferimenti di calore che mantengono mediamente stabili le temperature del pianeta. L’equilibrio termico del pianeta è dovuto alla circolazione dei venti e alle correnti marine. 26 26

§18.5 El Niño e la Niña El Niño è un fenomeno periodico che si verifica con un intervallo dai 2 ai 7 anni e che riguarda la fascia tropicale dell’Oceano Pacifico. Si manifesta con un insolito aumento della temperatura dell’acqua lungo le coste sudamericane dell’Oceano Pacifico durante il periodo natalizio. Il fenomeno di El Niño fa parte di un sistema climatico in cui interagiscono oceano e atmosfera, chiamato ENSO (El Niño Southern Oscillation). 27 27

§18.5 El Niño e la Niña Condizioni normali della circolazione dei venti e delle acque oceaniche. Sul lato occidentale dell’Oceano Pacifico la temperatura delle acque è maggiore di quella che si riscontra sul lato orientale. In queste condizioni le acque si spostano lungo l’equatore da est verso ovest. 28 28

§18.5 El Niño e la Niña Quando si verifica il fenomeno de El Niño la circolazione dei venti si inverte e l’acqua calda del settore occidentale si muove progressivamente verso est, fino a raggiungere le coste dell’America Meridionale. 29 29

La Niña è il fenomeno opposto a El Niño. §18.5 El Niño e la Niña La Niña è il fenomeno opposto a El Niño. Quando si verifica la Niña, le acque superficiali sono più fredde del solito e la pesca si fa più abbondante. La Niña corrisponde a una accentuazione delle condizioni di circolazione oceanica e atmosferica normali: gli alisei aumentano di intensità e spingono le correnti d’acqua calda e l’aria ricca di umidità verso le coste indonesiane e australiane. 30 30

§18.6 Fattori ed elementi del clima Secondo l’Organizzazione Meteorologica Mondiale per clima s'intende l'insieme delle condizioni fisico- meteorologiche (temperatura, umidità, pressione, venti, ecc.) che caratterizzano mediamente una determinata zona della Terra. L’andamento annuo complessivo degli eventi del tempo meteorologico costituisce il clima di una località. La definizione delle caratteristiche del clima si basa sulla media delle condizioni di un trentennio.

§18.6 Fattori ed elementi del clima Le caratteristiche del clima sono determinate da: • Fattori climatici: condizioni che si mantengono immutate nel tempo perché legate alla posizione geografica della regione (latitudine, orografia, vegetazione, correnti marine, ecc.). • Elementi climatici: condizioni che variano nel tempo (temperatura, pressione, precipitazioni, ecc.). 32 32

§18.6 Fattori ed elementi del clima 33 33

Una delle variabili fondamentali che caratterizzano §18.7 Clima e temperatura Una delle variabili fondamentali che caratterizzano un clima è la temperatura. Per studiare l’andamento della temperatura su vaste aree i meteorologi hanno bisogno di conoscere contemporaneamente le temperature di molte località. Sul territorio sono dislocate moltissime stazioni di rilevamento della temperatura. Con i dati relativi alla temperatura delle stazioni si costruiscono le carte delle isoterme. 34 34

Le isoterme sono linee che uniscono località aventi §18.7 Clima e temperatura Le isoterme sono linee che uniscono località aventi la medesima temperatura. 35 35

§18.8 Clima e precipitazioni Le precipitazioni costituiscono la seconda variabile fondamentale che caratterizza un clima. Le precipitazioni che interessano una determinata regione sono misurate con opportuni strumenti, chiamati pluviometri. Con i dati così raccolti è possibile costruire le carte della piovosità. Nelle carte della piovosità sono riportate le isoiete. 36 36

§18.8 Clima e precipitazioni Le isoiete sono linee che uniscono punti che hanno la stessa quantità di precipitazioni. 37 37

§18.9 Il diagramma del clima I dati delle temperature e delle precipitazioni forniscono le informazioni più significative sulle caratteristiche climatiche di una data località. Per visualizzare con immediatezza l’influenza degli elementi climatici principali si usa il diagramma del clima 38 38

§18.9 Il diagramma del clima Diagramma del clima di Pisa. In ascissa sono riportati i mesi, nell’ordinata a sinistra le temperature medie mensili, in quella di destra le precipitazioni medie mensili. La linea azzurra rappresenta l’andamento delle precipitazioni, la linea rossa rappresenta l’andamento della temperatura. L’area gialla indica la stagione secca, l’area celeste indica la stagione umida. 39 39

§18.10 Classificazione dei climi Una delle classificazioni dei climi ancora oggi largamente usata è quella proposta negli anni Trenta dal climatologo russo Wladimir Köppen (1846-1940). La classificazione di Köppen si basa su due elementi climatici principali: - la temperatura, - le precipitazioni. 40 40

§18.10 Classificazione dei climi La temperatura e le precipitazioni determinano il tipo di vegetazione spontanea di una località. Sulla base dello stretto legame tra clima e copertura vegetale, Köppen individuò sull’intera superficie terrestre 5 tipi climatici principali: clima nivale; clima freddo umido; clima temperato umido; clima arido; clima caldo umido. 41 41

§18.10 Classificazione dei climi Distribuzione dei climi sulla Terra, secondo una classificazione che si rifà a quella di Köppen. 42 42

§18.10 Classificazione dei climi Clima nivale Sottoclasse: Clima del gelo perenne Temperature bassissime durante tutto l’anno. Precipitazioni scarsissime. Associazione vegetale: gelo perenne (assenza di vegetazione). 43 43

§18.10 Classificazione dei climi Clima nivale Sottoclasse: Clima subpolare Temperature basse durante tutto l’anno, terreno sempre ghiacciato. Precipitazioni scarse. Associazione vegetale: tundra. 44 44

§18.10 Classificazione dei climi Clima freddo umido Sottoclasse: Clima continentale subartico Estate brevissima e tiepida, inverno molto lungo. Precipitazioni prevalentemente estive e nevose. Associazione vegetale: taiga (foresta di conifere). 45 45

§18.10 Classificazione dei climi Clima freddo umido Sottoclasse: Clima continentale umido Estate breve e calda, inverno freddo e lungo (8 mesi). Precipitazioni abbondanti estive. Associazione vegetale: foresta di latifoglie). 46 46

§18.10 Classificazione dei climi Clima freddo umido Sottoclasse: Clima continentale umido Estate breve e calda, inverno freddo e lungo (8 mesi). Precipitazioni abbondanti estive. Associazione vegetale: steppa-prateria. 47 47

§18.10 Classificazione dei climi Clima temperato umido Sottoclasse: Clima marittimo oceanico Temperature miti. Precipitazioni abbondanti tutto l’anno. Associazione vegetale: foresta con alberi ad alto fusto (regioni calde). 48 48

§18.10 Classificazione dei climi Clima temperato umido Sottoclasse: Clima marittimo oceanico Temperature miti. Precipitazioni abbondanti tutto l’anno. Associazione vegetale: brughiera (regioni fredde). 49 49

§18.10 Classificazione dei climi Clima temperato umido Sottoclasse: Clima mediterraneo Estati calde e secche, inverni miti. Precipitazioni poco abbondanti in autunno e inverno. Associazione vegetale: macchia mediterranea. 50 50

§18.10 Classificazione dei climi Clima arido Sottoclasse: Clima semiarido Forti escursioni termiche diurne Precipitazioni medie annue scarsissime, spesso sotto forma di acquazzoni. Associazione vegetale: steppa predesertica. 51 51

§18.10 Classificazione dei climi Clima arido Sottoclasse: Clima aido caldo Forti escursioni termiche diurne. Assenza prolungata di precipitazioni. Associazione vegetale: vegetazione delle oasi. 52 52

§18.10 Classificazione dei climi Clima arido Sottoclasse: Clima arido freddo Forti escursioni termiche annue. Precipitazioni molto scarse. Associazione vegetale: rade piante erbacee. 53 53

§18.10 Classificazione dei climi Clima caldo umido Sottoclasse: Clima equatoriale Temperature medie annue elevate. Mancanza di stagioni. Precipitazioni abbondanti. Associazione vegetale: foresta pluviale. 54 54

§18.10 Classificazione dei climi Clima caldo umido Sottoclasse: Clima monsonico Temperature medie annue elevate. Forti precipitazioni da maggio a ottobre. Periodo di siccità in ottobre. Associazione vegetale: giungla. 55 55

§18.10 Classificazione dei climi Clima caldo umido Sottoclasse: Clima tropicale Temperature medie annue superiori a 18 °C. Precipitazioni abbondanti nella stagione umida e scarse in quella secca. Associazione vegetale: savana. 56 56

§18.10 Classificazione dei climi La distribuzione latitudinale delle fasce climatiche si ripropone anche con l’altitudine. La stessa analogia si riscontra anche nelle associazioni vegetali. La distribuzione delle fasce climatiche sui versanti delle catene montuose dipende anche dalla latitudine. All’equatore il limite delle nevi perenni si trova a quote più elevate rispetto alle zone temperate.

§18.11 I climi d’Italia Le condizioni climatiche complessive dell’Italia rientrano nel clima temperato umido. In Italia si riconoscono sei regioni climatiche: • regione alpina; • regione padana; • regione appenninica; • regione ligure-tirrenica; • regione adriatica; • regione calabrese e insulare. 58 58

§18.12 I gas serra I gas responsabili dell’effetto serra sono prodotti dalle attività umane in quantità crescente. 59 59

§18.12 I gas serra Escluso il vapore acqueo il maggiore responsabile dell’effetto serra è il diossido di carbonio. In natura esistono sistemi di regolazione della concentrazione del diossido di carbonio basati sull’equilibrio di processi che immettono CO2 nell’atmosfera (come la respirazione e la combustione) ed altri che lo sottraggono (come la fotosintesi). 60 60

§18.13 L’aumento dell’effetto serra Causa dell’aumento del diossido di carbonio sono la deforestazione e la combustione di combustibili fossili. La concentrazione di diossido di carbonio è passata dal 1860 a oggi da 285 a 380 parti per milione. Anche la temperatura media della Terra, sia pure in modo irregolare, è aumentata nello stesso periodo. 61 61

§18.14 Climi e storia della Terra Testimonianze storiche, archeologiche e geologiche rivelano che il passato della Terra è ricco di ampie variazioni climatiche. Il dettaglio con cui è possibile ricostruire queste variazioni si fa sempre più sfumato nel tempo, ma non lascia adito a dubbi.

del passato §18.15 Testimonianze dei climi Diverse sono le tracce lasciate dalle variazione climatiche. I sedimenti forniscono informazioni riguardo al fluido che li ha trasportati. Le configurazioni dell’erosione sono rivelatrici degli agenti erosivi che le hanno provocate. I fossili testimoniano gli adattamenti degli organismi alle caratteristiche degli ambienti in cui vivevano. Le abbondanze relative degli isotopi di certi elementi indicano la temperatura dei mari del passato.

§18.16 Mutamenti climatici globali La paleoclimatologia rivela che nel passato si sono succedute ere glaciali e periodi interglaciali. Secondo il modello di Milankovic l’alternanza di ere glaciali e periodi interglaciali dipende dai moti millenari. I moti millenari sono lenti movimenti dell’asse terrestre che avvengono nell’arco di decine di migliaia di anni e che provocano variazioni periodiche dell’orbita terrestre.

§18.17 Il riscaldamento globale L’esame dei dati oggi disponibili sembra confermare una tendenza abbastanza costante all’incremento della temperatura media globale. Questa tendenza appare correlata all’aumento dei gas serra verificatosi negli ultimi secoli in dipendenza delle attività antropiche. Trivellazioni nelle calotte glaciali forniscono «carote» di ghiaccio in cui sono rimaste intrappolate bolle d’aria «fossile» che costituiscono una finestra sulla composizione dell’atmosfera del passato. La datazione si effettua con gli anelli annui di accrescimento del ghiaccio. Anello di accrescimento Bolla d’aria

più caldo §18.18 Scenari di un pianeta Le possibili implicazioni conseguenti all’aumento della temperatura del pianeta sono: - scioglimento dei ghiacci polari con conseguente innalzamento del livello dei mari e la sommersione di molte aree costiere; - maggior frequenza nel verificarsi di eventi climatici estremi, in particolare quelli caratterizzati da caldo e aridità.

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