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(S-1B)   Il clima globale, Flussi eolici globali

Clima e latitudine

    La distribuzione del calore solare sulla superficie terrestre è tutt'altro che uniforme. Il riscaldamento è più intenso vicino all'equatore, dove i raggi solari arrivano meno obliqui. La luce del Sole, arrivando con un angolo quasi perpendicolare alla superficie, riscalda il terreno in modo molto più efficiente rispetto ai raggi che arrivano obliqui e che quindi si distribuiscono su un'area maggiore (ved. "L'angolo d'incidenza dei raggi solari").

    Quasi tutti i fenomeni meteorologici sono causati dal modo con cui si distribuisce il calore. Essi dipendono anche dall'inclinazione dell'asse terrestre, che provoca le stagioni, e dalla distribuzione degli oceani, che immagazzinano il calore solare e rendono il clima più moderato. Le regioni lontane dagli oceani hanno un clima più rigido, con inverni freddissimi ed estati caldissime, e possono anche essere più aride.

    Le calde regioni tropicali sono tradizionalmente quelle comprese tra le latitudini di 23,5° nord e sud, cioè tra quelle linee (paralleli) note come "tropico del cancro" e "tropico del capricorno". In quelle regioni a cavallo dell'equatore, in qualunque punto esiste almeno un giorno dell'anno in cui il Sole si trova esattamente allo zenit. Viceversa, le regioni polari sono quelle regioni a nord del circolo artico e a sud del circolo antartico (con latitudine maggiore di 66,5°), dove almeno un giorno durante l'inverno il centro del Sole si trova al di sotto dell'orizzonte. Sono le regioni in cui si ha la "notte polare" al culmine dell'inverno, e dove difficilmente le piante riescono a sopravvivere. Al culmine dell'estate, in quelle regioni polari i giorni sono molto lunghi, ma i raggi del Sole sono così obliqui che la loro efficienza di riscaldamento è minima.

    L'energia termica inviata dal Sole è quella che produce gli effetti climatici, ma anche la presenza dell'atmosfera gioca un ruolo importante. Il calore che arriva sul terreno non rimane dove è stato depositato. Prima o poi il suolo caldo irradia la sua energia in forma di radiazione infrarossa. Questi raggi infrarossi, a loro volta, non arrivano molto lontano, poiché vengono riassorbiti dai "gas di serra" come il vapore acqueo (ved. S-1 La luce del Sole e la Terra). Successivamente queste molecole di gas cedono di nuovo il loro calore, sempre come radiazione infrarossa, e alcune si spostano ancora più in alto. Per mezzo di questo processo a catena di assorbimento e riemissione, il calore gradualmente si sparpaglia, come la luce del Sole nella nebbia, fino a che una parte raggiunge quote da cui si irradia nello spazio, senza più fare ritorno.

    La quota a cui questo avviene è l'inizio di uno strato atmosferico secco e stabile noto come stratosfera. La regione dell'atmosfera al di sotto di tale strato -- la regione più attiva e più umida, dove avvengono i fenomeni meteorologici -- è chiamata troposfera, e il limite tra di essa e la stratosfera è detta tropopausa.

I flussi d'aria su larga scala, vicino all'equatore

    Via via che il calore si diffonde attraverso gli strati atmosferici, esso viene anche trasportato dai venti in forma di flussi d'aria calda. In generale


    --Tutti i flussi d'aria sono originati dall' energia termica
                    del Sole ricevuta dal terreno.

    --I flussi d'aria cercano di cedere il loro calore nel modo più efficiente possibile.
    --In generale, l'aria calda fluisce lontano dalle regioni dove è stata riscaldata, verso quelle zone da cui può meglio irradiare il suo calore nello spazio esterno.


    La maggior parte del calore proviene dai tropici, ma può essere irradiato in qualsiasi parte della Terra, grazie al ruolo svolto dall'atmosfera. Questo consente un più efficiente smaltimento del calore, ed è ottenuto dai flussi d'aria globali. L'aria calda viene trasportata verso i poli, e l'aria fredda verso l'equatore.

Ma qual'è il meccanismo?

    La risposta è un po' complicata (e desidero ringraziare il Dott. Mark Schoeberl del "Goddard Space Flight Center" della NASA per avermi aiutato). Innanzi tutto, poiché l'atmosfera è un sistema a 3 dimensioni, ci si può chiedere: i moti dominanti sono verticali o orizzontali? Fare appello alla logica non ci aiuta molto. È meglio osservare come si comporta la natura, oppure (in tempi recenti) usare potenti calcolatori per simulare i fenomeni fisici, in modo da comprendere come i vari fattori responsabili dei fenomeni si combinino tra loro.

Circolazione della cella di Hadley

    Fu Hadley nel 1735 che ipotizzò che il moto fosse prevalentemente verticale (ved. lo schema qui sopra). Se la Terra non ruotasse, un tale flusso sarebbe confinato in un piano nord-sud. L'aria calda vicino all'equatore fluirebbe verso l'alto e si raffredderebbe ad alta quota, mentre l'aria più fredda nelle regioni lontane dall'equatore si sposterebbe verso l'equatore per rimpiazzare quella che era salita.

    La rotazione della Terra modifica molto questo flusso, a causa dell'effetto di Coriolis, come ora verrà spiegato. Osserviamo prima il lato destro della figura qui sotto.

  • All'equatore l'aria si muove nello stesso verso del terreno sottostante, cioè il suo moto da est verso ovest coincide con quello dell'equatore.

  • Nelle zone lontane dall'equatore, tuttavia, la superficie terrestre si trova più vicina all'asse di rotazione. Pertanto, la distanza che un punto percorre nelle 24 ore diventa minore, e la sua velocità in direzione da ovest verso est diventa anch'essa minore. Se l'aria che si allontana dall'equatore mantiene la sua originale velocità da ovest verso est, essa sorpasserà il terreno sottostante, facendo sì che i venti soffieranno in modo predominante da ovest verso est. Le frecce nella parte destra del disegno mostrano quindi la velocità del vento rispetto al suolo. Il risultato sono i "venti occidentali", un anello persistente di venti che soffiano da ovest.

  • I venti occidentali dominano la situazione meteorologica nei 48 stati continentali degli Stati Uniti e in Europa. I venti possono soffiare da nord-ovest o da sud-ovest, con variazioni nel flusso (discusse più avanti), ma generalmente provengono "da qualche parte nell'ovest". La regione in cui la velocità del flusso è maggiore (come in ogni fiume) è quella centrale, e in essa l'aria fluisce più rapidamente ad alta quota, diciamo, intorno ai 10 mila metri. Questa regione centrale di flusso veloce è detta corrente a getto, ben evidenziata nelle mappe meteorologiche, in quanto fornisce una provvidenziale spinta in coda agli aerei di linea che viaggiano verso est e che invece deve essere evitata (per quanto possibile) dagli aerei che volano verso ovest. Nelle previsioni meteorologiche si preferisce evidenziare la corrente a getto, poiché la sua posizione serve a fornire una indicazione generale del più ampio fl o verso est.

  • L'aria più fredda ritorna verso l'equatore (verso il centro del disegno che rappresenta la circolazione di Hadley) a quote più basse, completando il circolo. Se questo flusso d'aria mantiene ancora la sua originale velocità da ovest verso est, di nuovo si accorderà con la rotazione locale dell'equatore.

  • Tuttavia, su scala globale, tutti questi flussi trasferiscono una quantità di moto. Essi trasferiscono una quantità di moto verso est dall'equatore verso le medie latitudini, e, poiché la quantità di moto di conserva (per il terzo principio della dinamica "ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria"), deve essere trasferita una uguale quantità di moto verso ovest, cioè verso le regioni equatoriali. L'effetto complessivo è quello di un flusso eolico verso est (venti che soffiano provenienti da ovest o "venti occidentali") a medie latitudini, e un flusso eolico verso ovest ("venti orientali" che soffiano provenienti da est) nella regione equatoriale.

    Nell'epoca della marina a vela, i capitani delle navi sfruttavano questo fenomeno. Navigando dalla Spagna all'America, essi si posizionavano più vicini all'equatore, lungo una rotta più meridionale che sfruttava i venti "alisei", che soffiano da est verso ovest. Nel viaggio di ritorno verso l'Europa, essi si spostavano invece verso nord per sfruttare i venti occidentali. Molte navi spagnole naufragarono nei pressi della Florida durante il loro viaggio di ritorno in Spagna, con il loro prezioso carico di oro e argento proveniente dal Messico e dal Sudamerica.

    I flussi d'aria su larga scala, verso le regioni polari

        Le osservazioni confermano l'effettiva esistenza, vicino all'equatore, delle "celle convettive di Hadley", ma esse si estendono soltanto fino a una latitudine di circa 20°. È a questo punto che il flusso di Hadley discende di nuovo. Il flusso ascendente delle celle di Hadley può salire verso la tropopausa fino a 16 chilometri. Dove il flusso discende, anche la tropopausa si sposta verso il basso, e può scendere anche fino a una quota di 10 km. L'aria che scende è anche secca, e questo dà origine alla fascia desertica a queste latitudini, come nelle regioni sudoccidentali degli Stati Uniti e in Messico, nel Sahara, in Arabia, Namibia e nelle zone interne dell'Australia.

        Un altro effetto è la variazione di spessore dello strato di ozono, il gas stratosferico che ci protegge dai raggi ultravioletti del Sole. Sull'equatore la stratosfera viene spinta verso l'alto e lo strato di ozono è più sottile, mentre a medie latitudini l'ozono fluisce verso quote più basse, dove persiste più a lungo. Come risultato, l'intensità dei raggi ultravioletti è maggiore alle latitudini equatoriali. Forse è questo il motivo per cui nelle popolazioni che risiedono in quelle regioni si è sviluppata una pelle più scura, per proteggerle dagli ultravioletti.

    Onde di Rossby nel flusso d'aria da ovest verso est

        Il Sole riscalda ancora molto la superficie terrestre ben oltre la latitudine di 20° -- per esempio in Florida e nelle Hawaii -- ma i flussi d'aria che diffondono il calore non sono verticali ma orizzontali. Essi sono causati dalla instabilità dei venti occidentali, e ciò spinge il calore ancora più verso i poli. Quello che avviene è che il flusso eolico principale proveniente da ovest sviluppa le "onde di Rossby" che lo spingono ulteriormente verso i poli. In queste onde, nella parte orientata verso i poli si produce una pressione maggiore, mentre negli avvallamenti di ritorno (ved. la figura qui sopra) la pressione è minore. I flussi d'aria entrano ed escono da queste regioni di differente pressione, e si producono dei vortici (ved. Sistemi di riferimento in rotazione nello spazio e sulla Terra), e tutto questo contribuisce a diffondere l'aria calda in direzione dei poli.

        Come sa bene chi osserva le previsioni meteorologiche, queste onde possono spostarsi apprezzabilmente. È questo il motivo per cui il tempo è così variabile ed è difficile fare previsioni meteorologiche: basta un leggero spostamento laterale per cui l'acquazzone previsto in una città può arrivare in una diversa regione (o viceversa). Anche la struttura del terreno può influenzare il flusso; per esempio, negli Stati Uniti, le catene montuose delle regioni occidentali tendono a spostare i venti occidentali in direzione dei poli, cioè verso il Canada.

        A causa della distribuzione disomogenea delle terre emerse e degli oceani, delle pianure e delle montagne, la struttura descritta precedentemente può anche essere modificata in altri modi. In particolare, il sistema di Hadley al di sopra dell'Oceano Pacifico non fluisce soltanto in direzione nord-sud ma anche tra est e ovest. Uno spostamento di questa struttura causa un cambiamento meteorologico globale noto come El Niño -- "Il Bambinello" in spagnolo, indicando Gesù Bambino, un nome dato dai pescatori peruviani poiché (quando si verifica) l'inizio cade nel mese di dicembre.

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    Autore e Curatore:   Dr. David P. Stern
         Ci si può rivolgere al Dr. Stern per posta elettronica (in inglese, per favore!):
              audavstern ("chiocciola") erols.com

    Traduzione in lingua italiana di Giuliano Pinto

    Aggiornato al 10 Dicembre 2005