Lezione 06a atmosfera seconda parte1 PDF

14/10/2024 Il sottosistema atmosfera parte 2 Prof. Manuela Pelfini 1 riassumendo…… Il Sole La luminosità è il tasso totale di energia rilasciata dal Sole. Sono note stelle 10-4 volte meno luminose del sole e 105 volte più brillanti. Le lo...

14/10/2024 Il sottosistema atmosfera parte 2 Prof. Manuela Pelfini 1 riassumendo…… Il Sole La luminosità è il tasso totale di energia rilasciata dal Sole. Sono note stelle 10-4 volte meno luminose del sole e 105 volte più brillanti. Le loro temperature di emissione vanno dai 2 000 ai 30 000 K mentre le temperature della fotosfera solare sono di circa 6 000 K. La fotosfera è la regione del Sole dalla quale la maggior parte dell’energia emessa è rilasciata nello spazio Il raggio delle altre stelle varia da 0.1 a 200 volte quello del Sole (pari a 6.9 x 10 8 m). L’energia del Sole è prodotta dallo stesso a seguito di processi di fusione nucleare che avvengono nel cuore della stella 2 1  14/10/2024 La Terra nel sistema solare Il Sole Oltre la fotosfera Cromosfera (visibile durante le eclissi totali) – involucro di gas incandescenti Punte luminose = spicole. Corona – parte più esterna dell’atmosfera solare – gas ionizzati sempre più rarefatti. Visibile solo con eclissi totale (alone tenue con luminosità circa ½ di quella della luna piena) https://it.wikipedia.org/ wiki/Cromosfera Parte più esterna della corona: particelle ionizzate sfuggono ad attrazione gravitazionale – si disperdono (vento solare) https://it.wikipedia.org/wiki/Corona_sol are 3 https://www.geopop.it/aspettando-lanello-di-fuoco-leclisse-di-sole-del-14-ottobre- 2023-e-dove-si-potra-vedere/ https://www.open.online/2023/10/14/eclissi- anulare-sole-luna-america-video/ 4 2  14/10/2024 Durante un’eclissi solare viene proiettata un’ombra sulla superficie terrestre. Quanto più la luce solare viene bloccata, tanto più forti saranno i cambiamenti meteorologici. L’eclissi anulare del 14/10/2023 ha bloccato fino al 90% del sole in uno stretto percorso dall’Oregon al Texas. 5 eclisse dell'Agosto 1999 l'Italia è tutta contenuta nella zona di penombra e le zone più prossime alla fascia della totalità sono le regioni nordorientali. https://www.astrogeo.va.it/astronom/eclissi/dove7.htm 6 3  14/10/2024 Attività solare Radiazione Attività stazionaria: energia vento = + solare irradiata dalla solare superficie legata alla T Altri aspetti dell’attività del Sole: - Macchie solari - Protuberanze (nubi di idrogeno che partono dalla cromosfera e penetrano nella corona) - Brillamenti – flares (lampi di luce associati a scariche elettriche – derivano da esplosioni di energia con ampia gamma di radiazioni da raggi x a onde radio. Emettono flusso di particelle atomiche) 7 Dopo l’esplosione di un flares al centro del disco il flusso di particelle raggiunge la Terra…. Corpuscoli solari Aurore polari impattano con alta boreali e atmosfera spingendo australi le particelle ionizzate Tra 20 e 100 km verso la bassa atmosfera Contemporaneamente tempeste magnetiche https://www.newence.com/2019/06/01/auror a-boreale-un-fenomeno-tanto-spettacolare- quanto-minaccioso/ 8 4  14/10/2024 Bilancio energetico globale Radiazione solare All’interno di Sole per temperatura e densità della materia elevate si producono un gran numero di reazioni di fusione. L’idrogeno (H), viene convertito in elio (He), sprigionando una quantità enorme di energia termica, radiazione elettromagnetica, flusso di particelle (vento solare) e neutrini. https://online.scuola.zanichelli.it/cavazzutiterrabiologia3ed- files/TERRA/powerpoint/Cavazzuti_powerpoint_52059_c2.pdf 9 Radiazione solare Tasso di produzione energia solare pressoché costante Quindi pressoché invariata l’emissione di radiazione Quindi pressoché invariata la quantità di energia ricevuta dalla Terra = Costante solare Calcolata oltre i limiti esterni dell’atmosfera 10 5  14/10/2024 Bilancio energetico globale Costante solare: C= Quantità di energia ricevuta dalla Terra ovvero la quantità di radiazione (potenza per unità di superficie) che incide su una superficie normale alla direzione di propagazione posta ad una distanza di 1 U.A. Calcolata oltre i limiti esterni dell’atmosfera 1361 W/m2 (Watt per metro quadro) – 1367 W/m2 (1372 W/m2 ) Per radiazione ricevuta/emessa bisogna tenere cioè conto della potenza della radiazione e dell’area che la riceve/emette L'Unità Astronomica (UA) è la distanza media della Terra dal Sole, indicata in 149.597.870 chilometri. 11 Bilancio energetico globale 12 6  14/10/2024 Processi fondamentali di riscaldamento e raffreddamento dell’atmosfera 2) IRRAGGIAMENTO Processo con cui energia elettromagnetica 1) INSOLAZIONE = quantità di viene emessa da corpo radiante (> calore energia ricevuta dal Sole sulla oggetto, > è la radiazione – minore è la superficie della Terra (costante lunghezza d’onda) - intensità di solare) irraggiamento W/m2 Sole = corpo più caldo del sistema solare, quasi tutta la radiazione è emessa come onde corte Corpo radiante che emette radiazioni su tutte le lunghezze d’onda è detto corpo nero Serie di eventi: 3) ASSORBIMENTO Parte dell’irraggiamento viene Radiazioni elettromagnetiche possono essere riflesso – il resto attraversa assorbite in modo diverso dai materiali. Un buon l’atmosfera – trasformazioni corpo radiante è anche un buon corpo assorbente prima e dopo aver raggiunto il Le molecole sono messe in vibrazione e aumenta la T suolo del corpo Superfici scure assorbono maggiormente Minerali e rocce (e suoli) sono buoni corpi assorbenti, neve e ghiaccio no Vapore acqueo e CO2 assorbono energia radiante emessa dalla Terra 13 4) RIFLESSIONE Capacità di riflettere le onde elettromagnetiche senza alterarle (reinviata verso lo spazio con stesso angolo e stessa lunghezza d’onda) Se riflessa non viene assorbita (opposto dell’assorbimento) Albedo: riflettività complessiva di un oggetto Es neve 95% foresta 14% influiscono angolo di incidenza e rugosità 5) DIFFUSIONE (o scattering) 6)TRASMISSIONE Capacità di deviare le onde (luce) senza Se le onde non vengono riflesse o assorbite modificare la lunghezza d’onda (è una forma possono attraversare il mezzo di riflessione) Grande variabilità dei mezzi Ne consegue radiazione diffusa Roccia bassa capacità (non penetrano in Quantità di radiazione diffusa dipende da profondità - si scaldano solo in superficie) lunghezza d’onda e da dimensione, forma e Acqua trasmette bene tipo di molecole/particelle Onde corte diffuse più facilmente (cielo blu) (viola e blu In alcuni casi dipende dalla lunghezza d’onda deviati più facilmente) incidente (vetro buona trasmissione onde Con Sole basso e diffusione del blu le onde che arrivano al suolo sono più lunghe _ Cielo rosso corte ma non per le onde lunghe ( es auto in estate, effetto serra) 14 7  14/10/2024 7) CONDUZIONE Passaggio di calore da una molecola all’altra senza che queste modifichino la loro posizione relativa Molecole a contatto: la più calda vibra sempre meno cedendo energia e la più fredda sempre di più Grandi differenze nei materiali: buoni conduttori es metalli, cattivi conduttori es ceramica, roccia, aria) 8)CONVEZIONE Energia trasferita con il movimento (circolazione verticale di un fluido – aria, acqua) – celle convettive 9)AVVEZIONE Direzione dominante nel trasferimento di energia (orizzontale) es vento può trasferire calore o aria fredda 15 10) RAFFREDDAMENTO E RISCALDAMENTO ADIABATICO Quando aria sale o scende - la T cambia in relazione ai cambiamenti di pressione Espansione e raffreddamento adiabatico Uno dei processi fondamentali Raffreddamento di massa d’aria senza per la formazione delle nubi perdita di calore – energia viene sottratta alle molecole per disperderle in volume maggiore Adiabatico: senza scambi di calore con 11) CALORE LATENTE l’esterno Cambiamenti di stato dell’acqua comportano rilascio o assorbimento di Compressione e riscaldamento energia adiabatico (scambio di energia sotto forma di calore latente) Riscaldamento dell’aria perchè Evaporazione: calore assorbito – processo di sottoposta a pressione maggiore raffreddamento (compressione e quindi aumento Condensazione: rilascio calore latente – processo di riscaldamento dell’energia cinetica) 16 8  14/10/2024 riassumendo: trasferimento di energia Temperatura: data dall’energia cinetica delle molecole all’interno di una sostanza (aumenta all’aumentare della velocità delle particelle) Gli oggetti possiedono diversi livelli di energia che possono aumentare o diminuire. Il calore fluisce dall’oggetto se perde energia e verso l’oggetto se l’acquisisce Forme di trasmissione del calore: Conduzione: tra due corpi a contatto con diverse temperature - parte dell’energia cinetica (moto particelle) viene trasferita al corpo più freddo fino al raggiungimento della stessa T Convezione: flusso di energia che si attiva per spostamento della materia (fluidi, liquidi e gas che hanno temperature e densità diverse) Responsabile della circolazione in atmosfera e negli oceani con trasferimento del calore da aree intertropicali a latitudini maggiori Calore latente: nei passaggi di stato: assorbimento energia per passaggio dallo stato solido a liquido o a gassoso o liberazione (es da vapore a pioggia) in atmosfera raffreddamento o riscaldamento in occasione dei passaggi di stato 17 18 9  14/10/2024 Sistema energetico globale Dissipazione dell’energia solare in atmosfera https://www.unirc.it/documentazione/materiale_dida ttico/1462_2018_449_32017.pdf 19 Sistema energetico globale Albedo Neve e ghiaccio albedo elevata (0,45- Rapporto tra radiazione a 0,85 – riflettono la maggior parte onde corte emessa e energia solare) radiazione incidente Superficie nera albedo = 0,03 Acqua albedo 0,2 Campi coltivati, terreni nudi, foreste: valori tra 0,03 e 0,25 L’energia assorbita da una superficie riscalda per conduzione e convezione l’aria vicina Temperature dell’aria vicino ad una superficie sono maggiori se albedo bassa – Sistema Terra: albedo complessiva tra 0,29 e 0,34 quindi la Terra riflette nello spazio poco meno di 1/3 della radiazione solare ricevuta e ne assorbe i 2/3 Rapporto tra radiazione riflessa e assorbita è tra i principali fattori che determinano la temperatura media della Terra 20 10  14/10/2024 Sistema energetico globale https://www.unirc.it/documentazione/materiale_dida ttico/1462_2018_449_32017.pdf 21 Sistema energetico globale Radiazione di ritorno ed effetto serra La Terra emette radiazione a onde lunghe (infrarosse verso l’alto) – in parte vanno La superficie della Terra è nello spazio, in parte assorbite da atmosfera riscaldata da radiazione che a sua volta assorbe ed emette radiazioni infrarosse in tutte le direzioni – anche verso il suolo = flusso discendente o radiazione di ritorno Bilancia parte del calore emesso dalla superficie = effetto serra Radiazione di ritorno dipende da prevalentemente CO2 e vapore acqueo (assorbono radiazione infrarossa) L’assorbimento aumenta temperatura dell’ atmosfera e causa maggiore radiazione di ritorno In questo modo la bassa atmosfera con i gas che assorbono IR agiscono come una coperta. Il vapore acqueo nelle nubi assorbe radiazioni IR Effetto serra fondamentale per la vita sulla Terra – se non ci fossero i gas serra la T media del pianeta sarebbe -18°C (attualmente 15°C) 22 11  14/10/2024 Bilancio radiativo del Sistema Terra: componenti fondamentali RADIAZIONE SOLARE GAS SERRA RIFLESSA (ALBEDO) CO2 H2O RADIAZIONE INFRAROSSA USCENTE CH4 RADIAZIONE SOLARE ENTRANTE Figura proposta dal Prof. Maugeri 23 Bilancio energetico globale - riassunto Radiazioni infrarosse emesse dalla Terra L’intensità della radiazione e la gamma delle lunghezze d’onda dipendono dalla temperatura Terra e atmosfera sono più fredde del Sole Terra emette meno Terra emette nelle lunghezze energia del Sole d’onda dell’infrarosso Lunghezze d’ onda comprese tra 6-8, 14-17 e >21 μm quasi completamente assorbite dall’atmosfera prima della ri-emissione nello spazio Vapore acqueo e CO2 svolgono il ruolo principale nell’assorbimento e nell’effetto serra Lunghezze d’onda di 426, 8214, 17721 μm emissioni più significative = finestre che consentono all’energia di uscire dall’atmosfera 24 12  14/10/2024 Sintesi: La radiazione solare che raggiunge la Terra viene in parte riflessa (circa 30- 31%), in parte assorbita (18%) e solo la metà (media) raggiunge la superficie. L’albedo riflette circa il 35% della radiazione in arrivo La radiazione assorbita viene riemessa come onda lunga (Infrarosso) L’atmosfera si riscalda dal basso e si mantiene calda grazie all’effetto serra (assorbimento della radiazione emessa dalla superficie terrestre da parte di gas serra e vapore acqueo) Il sistema Terra-atmosfera restituisce allo spazio la stessa quantità di energia che riceve dal Sole Nel complesso il bilancio è in pareggio – equilibrio termico La concentrazione dei gas serra è importantissima per definire la temperatura media del pianeta 25 Sistema energetico globale Clima e cambiamento climatico globale Il bilancio energetico Es: taglio foreste e urbanizzazione → globale consente di capire riduzione albedo → maggiore cambiamenti climatici assorbimento energia → innalzamento globali temperatura Maggiore flusso emissioni infrarosse dalla superficie verso atm Assorbimento radiazioni nell’infrarosso → aumento della radiazione di ritorno → incremento del riscaldamento per effetto serra Fondamentale il ruolo dei gas serra! 26 13  14/10/2024 Bilancio energetico globale Bilancio globale delle radiazioni Terra: assorbe continuamente radiazioni onde corte ed emette radiazioni onde lunghe (infrarosso) Particelle in atmosfera e Energia rimanente è assorbita riflessione sulla da atmosfera – terre emerse, superficie terrestre oceani – e viene riemessa come rimandano nello spazio infrarossa una parte della radiazione A lungo termine bilancio costante – temperatura media della Terra tende a rimanere costante 27 Sistema energetico globale Radiazione netta, latitudine e bilancio energetico Tra 40° N e 40° S Oltre i 40° N e S deficit eccedenza di energia energia L’energia si traferisce verso le zone a bilancio negativo come calore sensibile o calore latente = spostamento masse d’acqua e masse d’aria calde verso i Poli, fresche verso equatore → lo squilibrio di insolazione alle diverse latitudini è il motore del trasferimento di energia e quindi dei movimenti delle masse d’aria e di acqua 28 14  14/10/2024 Sistema energetico globale Radiazione netta, latitudine e bilancio energetico Il bilancio energetico alla superficie della Terra è complessivamente in pareggio ma diverso da luogo a luogo e nel tempo (es giorno-notte: mentre la radiazione proveniente dal Sole di notte è assente, superficie terrestre e atmosfera continuano ad emettere energia) Radiazione netta: differenza tra energia ricevuta ed energia irradiata Eccedenza di energia dove flusso energia incidente più veloce di quello relativo all’ energia irradiata (radiazione netta positiva) Deficit dove flusso incidente < di flusso in uscita (radiazione netta negativa) MA Nel complesso bilancio annuo = 0 29 Sistema energetico globale Radiazione netta, latitudine e bilancio energetico 30 15  14/10/2024 Bilancio energetico globale Flusso (W/m2)costante sulla Luoghi diversi ricevono superficie della Terra ma: quantità diverse di energia in tempi diversi In ogni momento insolazione Impatto maggiore quando il dipende dall’angolo di incidenza dei raggi solari Sole è allo zenit rispetto al piano orizzontale Impatto via via minore all’abbassarsi della posizione del Sole Insolazione: flusso di radiazione solare in arrivo (valutato al di sopra dell’atmosfera) 31 Bilancio energetico globale Quantità di energia trasmessa a ciascun punto della Terra dipende dall’angolo di incidenza dei raggi solari (oltre che dalla trasparenza locale dell’atmosfera) L’angolo di incidenza dei raggi solari dipende da: - Altezza del Sole sull’orizzonte (che dipende dalla stagione e dall’ora del giorno) - Inclinazione locale della superficie terrestre - - orientamento del versante https://www.sutori.com/story/angolo-di-incidenza-dei-raggi-solari-- DrpXLi2rSQ146T9Yd75qDQat 32 16  14/10/2024 Bilancio energetico globale Variazione dell’insolazione giornaliera nel corso dell’anno Nelle 24 ore dipende da: -Angolo di incidenza dei raggi del Sole sulla superficie nell’arco della giornata -Durata dell’esposizione Entrambi i fattori dipendono dalla latitudine e dalla stagione (ovvero direzione di inclinazione dell’asse terrestre rispetto al Sole) 33 Conseguenze dei moti della Terra + Bilancio energetico globale Medie latitudini - Estate: giornate più lunghe, inclinazione più alta del Sole Durante il giorno: mezzogiorno – max altezza del Sole – max insolazione La lunghezza della traiettoria e l’altezza angolare del sole durante la giornata cambiano nel corso Traiettoria del Sole nel cielo a 40°N dell’anno 34 17  14/10/2024 https://www.youmath.it/domande-a-risposte/view/2477-dove-sorge-il-sole-dove-tramonta.html 35 Riassunto variazione insolazione (W/m2) alle diverse latitudini Diurna Alte latitudini: grandi variazioni diurne a seconda della stagione Equatore: minime variazioni Polo N: insolazione si annulla all’equinozio di settembre (Sole scompare sotto l’orizzonte fino all’equinozio di primavera) Annua: Varia gradualmente da Equatore ai Poli Alte latitudini ricevono comunque globalmente un considerevole flusso di energia solare (al polo 40% di quella all’equatore) Se l’asse di rotazione non fosse inclinato: no stagioni, insolazione molto alta all’equatore e nulla ai Poli (raggi solari sempre tangenti) 36 18  14/10/2024 Fasce latitudinali del globo Dal modello stagionale dell’insolazione giornaliera: suddivisione del globo in fasce latitudinali Zona equatoriale: compresa tra 10°N e 10°S Intenso irraggiamento tutto l’anno. Durata dì e notte circa uguali Zone tropicali: comprese tra 10°N e 25°N – 10°S e 25°S Marcato ciclo stagionale Tropico del Cancro Tropico del Capricorno Alternanza tra alto e basso irraggiamento nel corso dell’anno Zone subtropicali: tra 25° e 35 ° (N e S) Forte ciclo stagionale con elevata insolazione annua Zone delle medie latitudini: tra 35° e 55 ° (N e S) Grandi variazioni nell’insolazione e nella durata del dì nel corso dell’anno – grandi differenze annuali della temperatura media superficiale segue 37 Fasce latitudinali del globo Dal modello stagionale dell’insolazione giornaliera: suddivisione del globo in fasce latitudinali (segue) Subartica e subantartica: compresa tra 55° e 60° N e S Zone artica e antartica: comprese tra 65° e 75° N e S Grande variazione annuale della lunghezza del dì Enormi contrasti di insolazione lungo il corso dell’anno Zone polari: da 75°(N e S) ai Poli N e S Maggior contrasto stagionale di insolazione Dì durata 24 ore per 6 mesi anno Notte durata 24 ore per 6 mesi anno 38 19  14/10/2024 In sintesi Mediando su un intero anno, la quantità di energia assorbita non è uguale su tutto il pianeta ma risulta marcatamente maggiore all’Equatore rispetto ai Poli. L’atmosfera e gli oceani trasportando l’energia dall’Equatore verso i due Poli contribuiscono a ridurre gli effetti sulla temperatura superficiale di questo gradiente del riscaldamento. 39 I processi alla superficie sono alimentati dall’energia del Sole Esempi Movimento delle aria (vento) azione di erosione Movimento dell’acqua (fiumi – trasporto deposito….. onde ….) 40 20