Il sistema climatico - Introduzione
In un saggio dal titolo "Evoluzione del significato di clima dal medievale al
moderno" (Affronti, 1988), l’autore ricorda come, durante l’antichità, l’intento
di descrivere il mondo allora conosciuto con la localizzazione delle regioni più
importanti e delle loro caratteristiche ambientali e geografiche, aveva portato
a calcolare matematicamente paralleli e meridiani ed a determinare fasce
geografiche o zone, che furono distinte in abitabili o inabitabili, a seconda
che il freddo ed il caldo fossero sopportabili o meno. Queste caratteristiche
erano attribuite strettamente ed esclusivamente alla latitudine, dove la
radiazione solare è in funzione dell’inclinazione (quest’ultimo concetto è
definito in greco dal termine “clima”) della regione o distanza dall’equatore.
Gli astronomi e geografi antichi, distinsero matematicamente sette climi che
influenzavano gli eventi terrestri. Il filosofo Teofrasto nel III secolo A.C.
aveva tentato di introdurre nel concetto geografico matematico di clima la
nozione di possibili lentissimi cambiamenti d’ordine geologico e di possibili
influenze dovute alla continentalità o marittimità dei luoghi, ma senza trovare
un seguito.
Oggi si concepisce il clima come l’insieme delle proprietà statistiche degli
stati del sistema atmosfera-oceano-suolo, durante un periodo di tempo
relativamente lungo (Monin, 1986).
I meccanismi che creano il clima della Terra e le sue variazioni sono parte di
un sistema fisico molto complesso che comprende il comportamento dell’atmosfera,
degli oceani e delle masse di ghiaccio, insieme alle variazioni che avvengono
sulla superficie. Oltre ai fattori fisici, ci sono i processi chimici e
biologici che interessano e sono di fondamentale importanza per gli effetti che
il clima produce sull’ecosistema terrestre.
La moderna climatologia si avvale dell’uso della teoria dei sistemi e di modelli
matematici per descrivere l’insieme dei fenomeni che determinano il clima. Si è
passati quindi, da una semplice descrizione delle caratteristiche climatiche,
allo studio delle varie interazioni e scambi di energia che regolano l’ambiente
climatico.
La climatologia classica si basa solo sull’elencare i valori medi ed estremi
delle varie grandezze climatologiche; la moderna climatologia invece è
interessata alle reali cause del clima ed ad ogni variazione climatica.
I dati disponibili sulle attuali condizioni climatiche della Terra sono frutto
delle osservazioni compiute nelle stazioni meteorologiche dislocate nelle varie
regioni del mondo. In queste stazioni sono giornalmente rilevate in superficie e
in quota i valori di temperatura, di umidità, di precipitazione, di nuvolosità,
di pressione, di vento e di altri elementi meteorologici.
Negli ultimi anni alle osservazioni convenzionali si sono aggiunti i
rilevamenti da satellite che permettono di avere informazioni sulle
caratteristiche della nube e sui flussi radiativi alle alte quote.
Poiché le variazioni climatiche della Terra avvengono in tempi notevolmente più’
lunghi rispetto alla vita media dell’uomo, si possono considerare le attuali
condizioni climatiche approssimativamente stabili e di descrivere il clima
attraverso i valori medi degli elementi meteorologici per le diverse stagioni e
regioni geografiche.
Il regime meteorologico attuale è caratterizzato da una zonalita’ termica
latitudinale molto pronunciata.
La temperatura media dell’aria vicino alla superficie ai tropici rimane elevata
durante tutto l’arco dell’anno; alle medie latitudini invece, la temperatura
decresce notevolmente nella stagione invernale determinando differenze di
temperatura tra estate ed inverno che sono più’ pronunciate nelle regioni
continentali; nelle zone polari, la temperatura dell’aria rimane bassa durante
tutto l’anno, favorendo una grande estensione della copertura di ghiaccio sulla
terra ferma e sull’oceano.
Per spiegare le cause che determinano le differenze tra i vari climi, è
necessario studiare le trasformazioni dell’energia solare incidente, le
differenze tra i valori che le componenti del bilancio energetico assumono nelle
diverse aree geografiche, del trasferimento meridiano di calore.
Da un punto di vista climatologico, l’atmosfera, gli oceani e la superficie
terrestre possono essere considerate come parti di un sistema a cascata connessi
tra loro dai flussi di massa e di energia. Il ciclo idrologico rappresenta un
buon esempio di sistema a cascata.
Su scala globale è possibile riconoscere quattro riserve d’acqua : gli oceani,
il ghiacciai polari, le acque sotterranee quelle in atmosfera. L’acqua negli
oceani evapora sotto l’influenza della radiazione solare e le risultanti nubi di
vapore acqueo sono trasportate dalla circolazione atmosferica sulle zone
continentali, dove precipitano e quindi il flusso d’acqua ritorna agli oceani
per l’effetto della gravità. Il ciclo idrologico è guidato da due principali
“input” di energia, la gravita’ e la radiazione solare. La gravita’ comporta che
l’acqua scende giù’ dai pendii e quindi si accumuli negli oceani. La radiazione
solare causa l’evaporazione dell’acqua ,che vincendo la forza di gravita’ è
immessa in atmosfera sotto forma di vapore. Il vapore d’acqua condensa sopra le
zone di terra, e poi scorre verso gli oceani, e cosi’ il ciclo idrologico è
completo.
Il sistema climatico è composto di proprietà’ e processi che sono responsabili
del clima e delle sue variazioni.
Le proprietà del sistema climatico possono essere suddivise in:
-proprietà termiche (temperatura dell’aria, dell’acqua, del ghiaccio della terra
etc.);
- proprietà cinetiche (vento, correnti oceaniche, moti verticali e i moti dei
ghiacciai);
-proprietà dell’acqua (umidità, nuvolosità, contenuto dell’acqua nelle nubi,
nelle acque sotterranee, nei laghi, nella neve etc.),
Proprietà statiche (pressione, densità dell’atmosfera e degli oceani,
composizione dell’aria, salinità, confini geometrici e le costanti fisiche del
sistema). Queste grandezze sono interconnesse tra loro da vari processi fisici,
evaporazione e precipitazione, dalla radiazione e dal trasferimento di energia
per mezzo dell’avvezione e la turbolenza.
Il sistema climatico consiste di cinque componenti fisiche: l’atmosfera,
l’idrosfera, la criosfera, la litosfera e la biosfera.
L’atmosfera comprende la copertura gassosa della terra e rappresenta la parte
più suscettibile a variazioni dell’intero sistema. Le variazioni di temperatura
avvengono in un mese, attraverso il trasferimento verticale e orizzontale di
calore. Questo periodo rappresenta anche il tempo che l’energia cinetica impiega
a dissiparsi per attrito, se non intervengono altre cause agenti.
L’idrosfera comprende la quantità di acqua distribuita in superficie (oceani,
laghi, fiumi, acque sotterranee). Da un punto di vista climatico , gli oceani
giocano il ruolo primario: essi assorbono la maggior parte della radiazione
solare incidente e rappresentano anche un'enorme riserva di calore per la loro
grande massa e per il calore specifico dell’acqua.
La criosfera comprende la massa dei ghiacciai e i depositi di neve (i
lastroni di ghiaccio continentali, i ghiacciai delle montagne, i ghiacciai sul
mare, le coperture nevose in superficie, i laghi e i fiumi ghiacciati).Le
variazioni nella copertura nevosa sono stagionali, mentre i ghiacciai e le
lastre ghiacciate mostrano variazioni significative nel volume ed estensione in
periodi molto più lunghi dai cento ai milioni di anni.
La litosfera è rappresentata dalle masse continentali, includendo le catene
montuose, i bacini oceanici, le rocce in superficie, i sedimenti e il suolo. Le
variazioni climatiche avvengono in periodi così lunghi tali da essere paragonati
a quelli dell'età della Terra stessa.
La biosfera comprende il mondo vegetale ed animale sulla terra, negli oceani e
nell’aria. Gli elementi biologici sono sensibili a variazioni climatiche e di
conseguenza possono essi stessi influenzare il clima.
La radiazione solare è la principale fonte di energia del sistema climatico. I
venti e le correnti, sviluppati nell’atmosfera e negli oceani, servono a
trasportare il calore da regioni che ne ricevono in abbondanza a zone che sono
in deficit termico. Una grande quantità di calore è trasportato dalle
perturbazioni a grande scala. A causa della grande capacita’ termica del
sistema, confrontata al tasso di riscaldamento, i sistemi a grande scala hanno
un tempo di vita medio pari ad una settimana. Oltre poche settimane, il
riscaldamento diventa essenziale per un immagazzinamento di energia
dell’atmosfera