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: Kz = Koe-az dove Kz è la radiazione incidente ad onde corte alla profondità z, Ko 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