I Climi Di Superfici Semplici Non
Vegetate
Superfici semplici non vegetate:
1.
2.
3.
4.
Suoli nudi
Neve e ghiaccio
Deserti sabbiosi
Acqua
Suoli Nudi
Caratteristiche di un suolo che influiscono sul clima:
a. Albedo
b. Tessitura
c. Disponibilità d’acqua
Esempio della torbiera secca
Basso albedo e bassa diffusività, quindi:
Di giorno:
•Si scalda solo lo strato più superficiale
•Si perde calore per emissione di onde lunghe (L*) e trasferimento di
calore sensibile (QH)
Di notte:
•Si perde calore per emissione di onde lunghe (L*)
•La superficie si raffredda e la torbiera mostra un’inversione di
temperatura
Esempio di suoli umidi sabbiosi o argillosi
Alta diffusività, quindi:
• Il calore assorbito si distribuisce su un volume ampio di suolo
e può essere perso come calore latente (QE)
•
Minori fluttuazioni della temperatura e temperature massime
più basse
Neve e ghiaccio
1. Budget radiativo
2. Bilancio energetico e bilancio idrico
3. Clima
1. Budget radiativo
Radiazione incidente
Radiazione incidente
La radiazione incidente ad onde corte entra in profondità e subisce
un’attenuazione secondo la legge di Beer:
Kz = Koe-az
dove Kz è la radiazione incidente ad onde corte alla profondità z,
Ko è quella incidente alla superficie ed a è il coefficiente di
estinzione (m-1)
Albedo
Per neve e ghiaccio l’albedo:
• Ha un valore alto (circa 0,80)
• Decresce a mano a mano che la neve diventa più compatta e più
sporca
• Ha una relazione esponenziale con l’altezza del Sole e la
riflessione è speculare piuttosto che diffusa
• Varia con la lunghezza d’onda ed è più alto per le onde più corte
(abbronzatura in montagna)
Radiazione a onde lunghe
Neve e ghiaccio sono radiatori (e 1), ma hanno bassa
temperatura, quindi la radiazione effettivamente emessa (L↑) è
poca
Anche le nubi sono dei buoni radiatori, quindi in giornate
nuvolose lo scambio netto di onde lunghe (L*) tra neve e cielo è
funzione delle loro temperature relative:
L* = L↓ - L↑ ≈ s (T4c – T4o)
Dove Tc è la temperatura della base della nube e To è quella della
neve; quando il cielo è sereno L* è in genere negativo
2. Bilancio energetico e bilancio idrico
Sono complicati da tre fattori:
• La trasmissione delle onde corte in profondità
• Il movimento dell'acqua meteorica o di scioglimento
• I cambiamenti di fase
E' necessario considerare il bilancio su un volume
Bilancio netto dell'energia
Trascuriamo i trasferimenti orizzontali di energia
Il bilancio netto dell'energia è:
Q* = QH + QE + DQS + DQM + QG
QH è il calore sensibile, QE è il calore latente, DQS è la variazione
di calore stoccato, DQM è la variazione di calore latente
immagazzinata, QG è il calore scambiato con il suolo
Se la temperatura dello strato di neve è minore di 0°C esso è
“freddo”, se è di 0°C è “caldo”
Strato freddo
Strato freddo
Si può trovare alle alte latitudini in inverno
QE e DQM sono nulli perché non c'è acqua liquida e c’è poco vapor
acqueo
DQS e QG sono nulli a causa della bassa conducibilità e della
mancanza di riscaldamento solare
Il bilancio netto diventa:
Q* = QH
Il budget radiativo è dominato dagli scambi di onde lunghe e
risulta negativo; il raffreddamento della superficie però fa in
modo che il mescolamento dell'aria trasferisca calore
dall'atmosfera alla neve
Strato caldo
Strato caldo
Si possono avere precipitazioni liquide. Il bilancio energetico è:
Q* + QR = QH + QE + DQS + DQM
QR è il calore fornito dalla pioggia; la radiazione Q* e la
convezione QH + QE sono sorgenti di energia
La variazione di energia immagazzinata è dovuta al calore latente
DQM piuttosto che a DQS
Scioglimento
Scioglimento
Prima di mezzogiorno l'input di calore è immagazzinato come
DQS, quindi aumenta la temperatura fino al punto di
congelamento
Il massimo scioglimento è di pomeriggio, mentre più tardi lo
strato torna a congelare (il rilascio di calore latente di
fusione ritarda questo processo)
Esempio del ghiacciaio alpino
Esempio del ghiacciaio alpino
Se la superficie del ghiacciaio contiene materiali morenici il suo
albedo è relativamente basso, quindi la radiazione netta è alta
I gradienti di temperatura e di pressione di vapore tra la superficie
e l'aria consentono un continuo passaggio di calore sensibile e
latente al ghiaccio
Di notte il trasferimento convettivo QH + QE compensa l'emissione
netta di radiazione; di giorno la convezione si aggiunge alla
radiazione e fa aumentare il tasso di scioglimento DQM
Bilancio idrico
Bilancio idrico
Se si assume che l’acqua persa dalla base del ghiaccio sia
trascurabile, il bilancio idrico è:
DS = p - E + Dr
DS è la variazione di massa immagazzinata, p sono le
precipitazioni solide e liquide, E comprende i processi di
evaporazione, condensazione e sublimazione e Dr è il run off;
DS andrebbe espresso in termini di spessore equivalente
dell'acqua (100 mm di neve equivalgono a 10 mm di acqua)
3. Clima
Temperatura
Di giorno mostra un massimo subito sotto la superficie; infatti:
• il trasferimento di calore radiativo predomina sul trasporto di
calore, ma le onde corte raggiungono profondità maggiori di
quelle lunghe
• la perdita di radiazione è dovuta alla riflessione di onde corte ed
all'emissione di onde lunghe, ma la neve ha forte assorbanza
nell'infrarosso, quindi tale perdita avviene solo in un sottile
strato superficiale
Di conseguenza la radiazione netta mostra un assorbimento
massimo subito sotto la superficie
Temperatura
Di notte:
• gli scambi radiativi coinvolgono solo le onde lunghe
• la bassa diffusività della neve comporta un rapido
raffreddamento dello strato superiore
• le temperature più basse si raggiungono molto vicino alla
superficie ed il massimo diurno migra verso il basso per
conduzione
Si sviluppa quindi un'inversione termica (la temperatura aumenta
anche di 20°C nei primi 20 m)
Neve come copertura isolante
Neve come copertura isolante
Questa proprietà è dovuta a conducibilità e diffusività molto basse
Il terreno risulta isolato dai cambiamenti superficiali di
temperatura e conserva il suo calore
La temperatura del suolo rimane intorno a 0°C, quindi l'acqua può
ghiacciare, ma l’emissione di calore latente rallenta l’ulteriore
congelamento
Si crea una situazione di auto-equilibrio che mantiene la
temperatura costante: il suolo non ghiaccia
Deserti Sabbiosi
1. Bilancio energetico
2. Clima
1. Bilancio energetico
Forte input di radiazione
solare (K)
• L’80% circa della radiazione
solare raggiunge il suolo
• Molti deserti sono in zone subtropicali (Sole allo zenit)
Forte output di radiazione
• Molta radiazione incidente è
riflessa (alto albedo)
• Il suolo riscaldato emette
radiazione a onde lunghe (L)
Q* non è elevata
L* di notte è fortemente negativa
Surplus energetico
Il calore in eccesso:
• Non può essere perso per evaporazione
• Il 90% è perso come calore sensibile (QH)
• Il 10% (QG) riscalda il suolo
Vento
Di notte e di mattina presto:
• La velocità del vento è bassa ed il trasferimento turbolento è
rallentato
• La perdita di calore è principalmente per conduzione (QG)
Nella tarda mattinata e di pomeriggio
• C’è instabilità atmosferica e dunque alta velocità del vento
• La perdita di calore sensibile (QH) è favorita
Profondità
A causa della bassa diffusività:
• Lo strato più superficiale si scalda molto durante il giorno e si
raffredda molto di notte
• Gli strati più profondi sono poco coinvolti negli scambi
energetici e subiscono lievi variazioni di temperatura
2. Clima
Stabilità e instabilità
Di giorno:
• Si creano gradienti termici verticali circa 55.000 volte più
intensi del gradiente adiabatico secco: la bassa atmosfera è
convettivamente molto instabile
• Si creano “dust devils” e effetti ottici insoliti (luccichio degli
oggetti e miraggi)
Di notte:
• Si sviluppa un’inversione termica: la bassa atmosfera è stabile
Vento
La forte instabilità diurna provoca un rimescolamento dell’aria ed
un conseguente aumento della velocità del vento: problemi di
erosione, di deposizione e di visibilità
La stabilità notturna interrompe gli spostamenti verticali e rallenta
il movimento dell’aria
Acqua
Caratteristiche dell’acqua:
• Immagazzina e trasporta energia
• È un fluido, quindi il trasferimento di calore può
avvenire non solo per conduzione e radiazione, ma
anche per convezione e avvezione
Molta energia si distribuisce su un ampio volume d'acqua
Acqua
1. Budget radiativo
2. Bilancio energetico
3. Clima
1. Budget radiativo
Radiazione a onde corte
E’ trasmessa in profondità con attenuazione descritta dalla legge di
Beer
Il coefficiente di estinzione dipende da:
• Chimica dell'acqua
• Quntità di plancton
• Torbidità
• Lunghezza d'onda (aumenta andando verso l'infrarosso)
Albedo
Albedo
Non è costante, infatti:
• E’ funzione dell'angolo d'incidenza dei raggi solari (più il Sole è
basso sull'orizzonte più la riflettività aumenta)
• E’ modificato dalla rugosità della superficie dell'acqua (le
increspature invertono il comportamento dell'albedo)
Budget radiativo (K)
• KEx descrive una curva simmetrica con un massimo a
mezzogiorno
• K↓ ha lo stesso andamento di KEx, ma è ridotto per effetto
dell'atmosfera
• K↑ è scarsa a causa del basso albedo (a circa 0,07)
K* descrive una curva come quella di K↓, ma meno intensa
Budget radiativo (L)
• L↓ è abbastanza costante nel tempo (la temperatura della massa
d’aria sopra all’acqua varia poco)
• L↑ è piuttosto costante nel tempo (la temperatura dell’acqua
varia poco)
L* è negativo e costante durante il giorno
Budget radiativo (Q)
• Di giorno c'è assorbimento di energia (basso albedo e bassa
temperatura dell'acqua)
• Di giorno Q* è governato da K*
• Di notte Q* è uguale a L*
2. Bilancio energetico
Bilancio energetico
Per la superficie di un corpo idrico è dato da:
Q* = QH + QE + DQS + DQA + QR
DQS è la variazione di calore stoccato (spesso è nulla in un anno)
DQA è il trasferimento orizzontale netto di calore dovuto alle
correnti
QR è il trasferimento netto di calore dovuto alla pioggia
QE è il termine più importante per la perdita di calore
Si assume che non ci siano trasferimenti di calore verticale alla
base del volume d'acqua
Esempio della risaia allagata
Esempio della risaia allagata
DQA non è rilevante, QG diventa importante
• La radiazione assorbita è immagazzinata (DQS) o trasferita al
suolo (QG), in minima parte è trasportata all'aria per convezione
(QH + QE)
• Nel pomeriggio tardi e di notte l'acqua ed il suolo diventano
sorgenti di calore per l’emissione di onde lunghe e per
l’evaporazione
• Nell'arco di un giorno completo i guadagni e le perdite di
energia si bilanciano
Esempio dell’oceano
Esempio dell’oceano
Trascuriamo DQA e assumiamo che tutta l'energia in ingresso sia
contenuta nello strato più superficiale; il bilancio energetico
diventa:
Q* = QH + QE + DQS
Di giorno la radiazione assorbita è immagazzinata (DQS): oceano
come “sink”
Di notte DQS è una sorgente di energia per il flusso di calore
all'atmosfera: oceano come “source”
Sul bilancio c’è anche l’influenza delle masse d'aria (secche o
umide, fredde o calde)
3. Clima
L’acqua assorbe calore e non si scalda
• La radiazione assorbita è diffusa in un ampio volume
• La convezione ed il trasporto di massa permettono che le perdite
ed i guadagni di calore vengano diluiti nello spazio
• L'evaporazione comporta un'intensa perdita di energia per la
capacità termica dell'acqua
L’acqua ha un comportamento termico conservativo
Esempio degli oceani
Solo lo strato più superficiale (30 m) mostra scambi di calore
attivi
La zona che divide lo strato attivamente rimescolato da quello
sottostante più stabile è detto termoclino
Esempio dei laghi
Lo strato superiore è l’epilimnio e quello più profondo è
l'ipolimnio
Gli scambi tra queste due zone dipendono dalla temperatura
dell'acqua:
• se l’epilimnio è a meno di 4°C un riscaldamento fa aumentare la
densità dell’acqua: instabilità e rimescolamento in tutto il lago
• Se l’epilimnio è a più di 4°C un riscaldamento fa diminuire la
densità dell'acqua: stabilità e rimescolamento confinato
all’epilimnio
Sistemi piccoli
Il volume d'acqua coinvolto è minore e quindi l'inerzia termica è
ridotta
La radiazione incidente può raggiungere anche l'acqua più
profonda, che quindi contribuisce al riscaldamento degli strati
soprastanti
Si possono avere effetti di confine ai margini del corpo idrico:
conduzione di calore con il terreno circostante e avvezione