Diapositiva 1 - e

FORESTE E CAMBIAMENTI CLIMATICI
SFA (GAB) – II anno – II semestre
A.A. 2013-2014
ATMOSFERA
Caratteristiche
Chimiche
COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA
Fisiche
• TEMPERATURA
• PRESSIONE
• UMIDITÀ
• ….
RADIAZIONE
Tutti gli oggetti emettono radiazione elettromagnetica
λ
ENERGIA
λ
< lunghezza d’onda (λ)
> energia
>λ = < energia
Corpi più caldi emettono radiazioni con λ più piccole
Proprietà radiative di un corpo:
• Emittanza (capacità di emettere radiazione)
• Assorbanza (capacità di assorbire radiazione – riscaldamento)
• Riflettanza (capacità di riflettere radiazione)
• Trasmittanza (capacità di farsi attraversare dalla radiazione)
Corpi dotati di buona assorbanza sono anche buoni emettitori di
radiazione
SOLE vs. TERRA
15°C
TEMPERATURA
È la misura dell’agitazione termica media delle molecole
Scale della temperatura:
Fahrenheit (F): P. fusione: 32°F; P. ebollizione: 212°F
Celsius (C): P. fusione: 0°C; P. ebollizione: 100°C, T(F) = (9/5) T(C) + 32
Kelvin (K): P. fusione: 273.15 K; P. ebollizione: 373.15 K, T(K) = T(C) + 273.15
T(F) 
9
 T(C)  32
5
T(K)  T(C)  273.15
PRESSIONE
È il peso per unità di superficie della colonna di atmosfera sopra una data altezza
EttoPascal: 1 hPa = 100Pa = 10-4 MPa
MegaPascal: 1 MPa = 106 Pa
Atmosfera: 1 atm = 0.1 MPa
Bar: 1 bar = 0.1 MPa
millibar: 1 mb = 10-4 MPa
mm Hg: 1 mmHg = 133.2 Pa
LEGGE DI STEVINO
P    gh
Densità del fluido (kg·m-3)
Al livello del mare
P = 1013.25 hPa
Altezza della colonna di
fluido (m)
Accelerazione di gravità
(9.8 m·s-2)
P = [kg m-1 s-2] = [N m2] = [Pa]
Pascal (unità per P nel SI)
COMPOSIZIONE CHIMICA DELL’ATMOSFERA
L’atmosfera è un insieme di gas (e particelle sottili) la cui composizione
varia nello spazio e nel tempo
Altri gas:
• Neon (Ne): 18.2 ppm (0.00182 %)
• Elio (He): 5.24 ppm (0.000524 %)
• Metano (CH4): 1.8 ppm (0.00018 %)
• Kripton (Kr): 1.14 ppm (0.000114 %)
• Idrogeno (H): 0.5 ppm (0.00005 %)
COMPOSIZIONE CHIMICA DELL’ATMOSFERA
Elementi permanenti (≈99.9%):
•
Azoto (N2)
•
Ossigeno (O2)
•
Argon (Ar)
Poco importanti per le dinamiche
climatiche dell’atmosfera
Elementi variabili:
•
Anidride carbonica (CO2)
•
Acqua (H2O)
•
Ozono (O3)
•
Metano (CH4)
•
Diossido di azoto (NO2)
•
Alocarburi
•
Aerosol
Importanti per le dinamiche
climatiche dell’atmosfera
ELEMENTI VARIABILI DELL’ATMOSFERA
ANIDRIDE CARBONICA (CO2)
390 ppm
Immessa in atmosfera attraverso:
•
•
•
•
•
Eruzioni vulcaniche
Respirazione animale / vegetale
Degradazione della sostanza organica nel suolo
Utilizzo combustibili fossili
Deforestazione
Rimossa dall’atmosfera attraverso:
•
•
Fotosintesi
Dissoluzione chimica (suolo, aria, acqua)
Concentrazione di CO2 aumenta di ≈ 2 ppm/anno
ELEMENTI VARIABILI DELL’ATMOSFERA
VAPORE ACQUEO (H2O)
Immessa in atmosfera attraverso:
• Evaporazione dell’acqua dalla superficie
terrestre (E suolo + evapotraspirazione)
Rimossa dall’atmosfera attraverso il ciclo idrologico:
• Precipitazioni
La quantità di acqua in atmosfera dipende fortemente dalla
temperatura
UMIDITÀ: contenuto di vapore acqueo
UMIDITÀ ASSOLUTA: g vapore / m3 aria
UMIDITÀ SPECIFICA: kg vapore / kg aria umida
MIXING RATIO: kg vapore / kg aria secca
UMIDITÀ RELATIVA: e / eS
ELEMENTI VARIABILI DELL’ATMOSFERA
OZONO (O3)
Si forma a causa della radiazione UV nell’alta stratosfera
(rappresenta una barriera naturale ai raggi UV)
BUCO DELL’OZONO
I composti cloro-fluoro-carburi (CFC)
danneggiano lo strato di ozono in
atmosfera
Aumento dei casi di:
• Cancro della pelle
• Cataratta
Può avere effetti negativi sulla
produttività agricola su scala locale
O3 è nocivo alla salute e si può trovare
nello smog
ELEMENTI VARIABILI DELL’ATMOSFERA
METANO (CH4)
1800 ppb
Costituente principale del gas naturale
Immesso in atmosfera attraverso:
•
Decomposizione batterica
•
Fermentazioni metaboliche (es. ruminanti; termiti)
•
Miniere
•
Giacimenti
La concentrazione di CH4 è raddoppiata dal 1700
ELEMENTI VARIABILI DELL’ATMOSFERA
OSSIDO DI DIAZOTO (N2O)
324 ppb
Immesso in atmosfera attraverso:
•
Processi microbiologici (suolo e mari/oceani)
•
Incendi boschivi
•
Fertilizzanti
•
Combustibili fossili
Ha un forte impatto sul riscaldamento globale (importante forzante radiativo)
ELEMENTI VARIABILI DELL’ATMOSFERA
ALOCARBURI
Composti chimici contenenti alogeni (Cl, Fl, Br, I, At) legati a composti
organici (C)
Tra questi i CFC responsabili della degradazione dello strato di ozono
Sono composti di sintesi utilizzati in processi industriali, nella lotta agli
incendi, come fumiganti, refrigeranti e propellenti
Contribuiscono al riscaldamento globale nella troposfera
ELEMENTI VARIABILI DELL’ATMOSFERA
AEROSOL
Particelle sottili solide/liquide
• Assorbono e riflettono la radiazione
• Favoriscono la condensazione del vapore acqueo agendo da
elementi di nucleazione
Immessi in atmosfera attraverso:
• Polveri naturali (deserti)
• Incendi boschivi
• Vulcani
• Mare
• Foreste
• Combustibili fossili
STRUTTURA DELL’ATMOSFERA
Dipende dalle proprietà chimico-fisiche dei diversi elementi che compongono
l’atmosfera
Il numero di molecole che compongono l’atmosfera
diminuiscono con l’altezza
Gradiente barico nella bassa troposfera: 1 hPa / 8.23 m
0.1
Kg m3
1.275
Kg m3
99% di tutta la massa dell’atmosfera
Densità aria
STRUTTURA DELL’ATMOSFERA
≈0
TROPOSFERA
0 - 15 km dalla superficie
Contiene più del 50% della massa dell’atmosfera
È la fascia dell’atmosfera dove si concentrano
gli elementi a più elevata densità, tra cui H2O (1-4 %
del volume totale), CO2 e aerosol
È la fascia dell’atmosfera dove avvengono i fenomeni meteorologici
TROPOSFERA
È riscaldata dal basso (radiazione terrestre)
EFFETTO SERRA
La temperatura diminuisce fino al limite della
troposfera (TROPOPAUSA):
≈ 16 km ai tropici
≈ 9 km ai poli
Tasso di riduzione di T in prossimità della
superficie terrestre
ΔT altitudinale ≈ 0.56 °C/100 m
STRATOSFERA
15 - 50 km dalla superficie
Fino al 99% della massa dell’atmosfera
UV
Componente UV della radiazione solare assorbita dalla
fascia di O3 (OZONOSFERA ≈ 30-40 km)
UV
O3
Cade perché è
più pesante
O2
O2
O
O
O
O2
O2
O 3 O 3 O 3 O3 O3 O 3
O3
O2
O2
O
O3
La fascia di ozono è caratterizzata da un equilibrio dinamico
La temperatura aumenta fino al limite della stratosfera
(STRATOPAUSA: ≈ 50 km)
Buco dell’ozono è causato da CFCs che reagiscono con O
MESOSFERA
50-80km
Temperatura diminuisce con l’altezza fino al limite della
mesosfera (MESOPAUSA: ≈ 80 km)
Si registrano le temperature più basse dell’atmosfera
130 K ≈ -145 °C
TERMOSFERA
80-500 km
Composto sostanzialmente da atomi di O e N, che
assorbono radiazione a basse λ (0.2 μm)
Temperatura aumenta con l’altezza fino a ≈ 200 km
Max T ≈ 2000 K ≈ 2270 °C
È sede delle aurore
RISCALDAMENTO DELL’ATMOSFERA
AVVIENE PER CONVEZIONE
L’atmosfera può essere semplificata come un insieme di particelle (bolle) d’aria
(fluidi) immiscibili
Processi termodinamici dell’atmosfera possono essere assimilati a
trasformazioni adiabatiche
(senza scambio energetico con l’ambiente esterno)
GRADIENTE ADIABATICO
SECCO
• Privo di umidità
• dT/dH = 9.8 °C · km-1
SATURO
• Umidità a saturazione (100% UR)
• dT/dH ≈ 4 °C · km-1 nella bassa troposfera
• dT/dH ≈ 6-7 °C · km-1 nella media troposfera
Alle medie latitudini il gradiente termico (adiabatico umido) medio è
dt/dH ≈ 5.6 °C · km-1 (0.56 °C / 100 m)
DIAGRAMMA TERMODINAMICO SKEW T
Utile per studiare i movimenti verticali delle masse d’aria
Isobare
Isoterme
Poiché la pressione dell’aria varia con l’altitudine, P “rappresenta” anche l’altezza
dalla superficie
Adiabatiche secche
Isoterme
Adiabatiche sature
MACQUA
Mixing ratio costante
MARIA
Trasformazione adiabatica secca
Particella d’aria più calda dell’aria circostante tende a salire (legge di Archimede)
No scambi con l’ambiente circostante
dT
 9.8C  km1
dh
Aria risalendo aumenta di volume e la temperatura diminuisce
Trasformazione adiabatica satura
Risalendo, il vapore condensa rilasciando calore latente, diminuendo il tasso di
raffreddamento
Media troposfera
dT
 7C  km1
dh
Bassa troposfera
dT
 4C  km1
dh
SVILUPPO DI UNA BOLLA CONVETTIVA
Dissoluzione bolla
convettiva
T di rugiada
T bolla
T aria
Stabilità
Inibisce il rimescolamento delle masse d’aria
Condizione negativa per la dispersione degli inquinanti
Inversione termica è una condizione di stabilità
Si intersecano gradiente termico e adiabatica satura: si dissipa la cella convettiva
GRADIENTE TERMICO VERTICALE
GRADIENTE TERMICO VERTICALE
Aumento frequenza eventi estremi
TREND DI UMIDITÀ SPECIFICA
(US= kg vapore / kg aria umida)
TREND DI UMIDITÀ SPECIFICA
(US= kg vapore / kg aria umida)
La quantità di H2O nella bassa troposfera è maggiore rispetto al passato
Situazione normale
Stabilità dell’atmosfera - siccità
Instabilità dell’atmosfera – precipitazioni abbondanti,
alluvioni, tornado….