Il clima e la sua variabilità
Vi è una differenza fra clima e tempo atmosferico (Climate e Weather). Infatti il tempo atmosferico rappresenta
la variazione giornaliera della temperatura, pressione atmosferica, umidità vento, nuvolosità, pioggia,
insolazione che derivano dai movimenti di aria nell’atmosfera e dagli scambi termici ed di umidità. Per clima si
intende la media di lungo periodo del tempo atmosferico prevalente. Fra i molti fattori che influenzano il clima
locale il più importante è la latitudine che governa l’insolazione. La differenza di temperatura fra le zone a
differente insolazione governa il movimento generale dell’atmosfera e quindi il trasporto convettivo del calore.
Altri fattori che influenzano il clima sono gli oceani, la
distribuzione di terra e acqua, e le catene
montuose.La circolazione oceanica ha un ruolo
notevole sia a livello regionale (ad esempio la
corrente del golfo) sia a livello globale (ad esempio
El Niño). In relazione alla distribuzione di questi
fattori il pianeta può essere suddiviso in differenti
zone climatiche in cui prevalgono alcuni fattori sugli
altri
http://www.ecn.ac.uk/
Un ruolo notevole sul clima è esercitato dalle correnti oceaniche, che rappresantano un efficiente
modo di trasporto convettivo del calore assorbito dagli oceani.
Le variazioni al normale andamento delle correnti oceaniche possono avere importanti conseguenze sul clima come nel caso
del fenomeno detto di El Niño.
In condizioni normali i venti tropicali (Alisei) soffiano
in direzione ovest causando un sollevamento della
superficie di acqua calda dell’oceano in direzione
ovest ( in prossimità dell’Indonesia la superficie è
circa 0.5 m più alta che non in Perù e la
temperatura superficiale è di circa 8 °C più elevata
ad ovest che ad est). La piovosità è connessa con
la zona a temperatura più elevata ad ovest, mentre
la zona est è relativamente più secca.
Nella fase di El Niño gli Alisei si attenuano con il
conseguente abbassamento del termoclino
(gradiente di temperatura verticale) ad ovest. Si ha
un riscaldamento della superficie dell’oceano che
migra verso est con conseguente migrazione della
piovosità (inondazioni in Perù e siccità in Indonesia
e Australia). Le variazioni della temperatura
superficiale provocano inoltre un’associata
variazione del flusso di acqua fredda dalla
profondità dell’oceano verso l’alto con variazioni dei
nutrienti contenuti. Infatti l’acqua fredda è
particolarmente ricca in nutrienti e favorisce la
pescosità delle zone.
http://www.pmel.noaa.gov/tao/elnino/el-nino-story.html
L’energia emessa dal sole che giunge sulla Terra è il principale fattore che determina non solo il clima ma
la presenza di specie viventi sul pianeta. La quantità di energia intercettata dalla Terra ammonta a 1368
W/m2 mentre il valor medio del flusso di calore emesso dall’interno della Terra è stimato in 69.9x10-3 W/m2 .
L’Irraggiamento è la quantità di energia elettromagnetica incidente su una superficie per unità di area e di
tempo. La Costante Solare è la quantità di energia solare ricevuta alla superficie dell’atmosfera su una
superficie orientata perpendicolarmente alla radiazione incidente S= 1368 W/m2 . L’Insolazione è invece la
quantità di energia solare ricevuta in qualsiasi punto della superficie terrestre per unità di superficie.
Si definisce come corpo nero un corpo che emette o
assorbe radiazioni senza favorire particolarmente alcuna
frequenza e che ha una bassa interazione con l’ambiente
e può essere considerato in uno stato di equilibrio.
La legge fondamentale che regola l’irraggiamento da un
corpo nero è la legge di Planck che definisce l’intensità
della radiazione emessa per unità di superficie in una
determinata direzione come funzione della lunghezza
d’onda ad una temperatura prefissata
Dalla legge di Planck si derivano due altre leggi di radiazione utili:
I(T)  T 4
Legge di Stefan - Boltzmann
max T  costante (2.989x10 -8 mK)
Legge di Wien
 = 5.67x10 -8 Wm2K 4
che danno rispettivamente l’intensità della radiazione emessa per unità di superficie dal corpo nero, ed il
massimo della distribuzione di energia del corpo nero in funzione della temperatura

Lo spettro della radiazione solare ha il suo massimo nel
range del visibile.
La costante solare si stima in base alla temperatura di
emissione del Sole (˜5800 K), la distanza Terra-Sole
(1.49x1011 m) ed il raggio del Sole (6.96x108 m) e
quello della Terra (6.40x106 m). Si ipotizza che il Sole
emetta radiazione di corpo nero e si calcola la frazione
intercettata dalla terra alla distanzaTterra-Sole
(0.46x10-9)
La radiazione solare incidente sulla terra viene in
parte assorbita dall’atmosfera in parte
trasmessa, ed in parte riflessa
Spettro continuo
Spettro di emissione discreto
Spettro diassorbimento discreto
In condizioni di equilibrio termico, l’energia ricevuta dal sole eguaglia l’energia irraggiata dalla terra nello
spazio. Indicando con a l’albedo , cioè la frazione di energia riflessa nello spazio si può scrivere l’equazione
dell’energia:
1 aR2S  4R2T 4
co le notazioni date precedentemente per i simboli e con R raggio terrestre. Utilizzando un valore di albedo di
0.34 si ottiene un valore della temperatura di T=250. Il fatto che la temperatura superficiale sia di 288 K
dipende dalla presenza di gas serra che assorbono nell’atmosfera la radiazione termica emessa dalla terra.

Una comprensione qualitativa dei fattori che influenzano la temperatura superficiale della terra è espressa
nella figura seguente in cui si esemplifica il bilancio di radiazione fra superficie ed atmosfera.
1/4 S
aa
 Ta4
t’a
Ta
Atmosfera
a’a
as
ta
c(Ts- Ta)
 Ts4
Superficie
 Ta4
Ts
Dove si indica con t la radiazione trasmessa ed a quella riflessa rispettivamente da superficie ed
atmosfera
Per lunghezze d’onda lunghe si ipotizza che l’albedo della superficie della terra sia zero e la
trasmissione della atmosfera alla radizaione infrarossa con t’a. L’interazione fra superficie ed atmosfera
attraverso scambi non radiativi è espressa in prima approssimazione come il prodotto fra una costante c
e la differenza di temperatura fra superficie ed atmosfera. Per la radiazione di corpo nero si usa la legge
di Stefan Boltzmann. La costante solare S deve essere divisa per 4 in quanto la radiazione incidente sul
disco è distribuita sull’area totale della terra. In condizioni stazionarie il bilancio energetico per la
superficie della terra è:
S
t
1
a
 a  s   cTs  Ta   Ts4 1 a'a   Ta4  0
4
in cui il primo termine esprime l’assorbimento, il secondo l’interazione non radiativa fra atmosfera e
superficie, il terzo la radiazione emessa meno quella riflessa e l’ultimo termine la radiazione emessa
dall’atmosfera.

Analoganente per l’atmosfera si ha:
S
1 aa  ta  ast a   cTs  Ta   Ts4 1 t a'  a'a  2Ta4  0
4
Per una Terra uniformemente coperta di ghiaccio si
avrebbe un valore di albedo più elevato (0.75) e di
conseguenza una temperatura superficiale stimata intorno
a 270 K. L’effetto serra è connesso con la radiazione
trasmessa dall’atmosfera per le lunghezze d’onda lunghe.
Lunghezze
d’onda corte
Lunghezze
d’onda lunghe
c=2.5Wm-2K-1
as=0.11
ta=0.53
t’a=0.06
aa=0.30
a’a=0.31