Il sistema climatico in un unico diagramma

Mi è venuto in mente di scrivere un pezzo per CM dedicato al diagramma della radiazione entrante e uscente in funzione della latitudine poiché tempo fa, in occasione di una conferenza, ebbi l’occasione di commentarlo ed un amico fisico mi fece osservare che era un grafico bellissimo perché riassumeva in modo estremamente compatto tutti gli elementi chiave del sistema climatico.

Già, per gente come me che vive affogata nei diagrammi non capita spesso di riflettere sulla “bellezza” di uno di questi per cui le parole dell’amico fisico mi hanno fra l’altro spinto a meditare sul significato del lavoro che facciamo, poiché produrre un grafico o una carta belli e cioè in grado di appagare al contempo la nostra curiosità scientifica e il nostro senso estetico è un obiettivo costante, almeno per quel che mi riguarda.

Senso estetico a parte, in questo scritto mi propongo in estrema sintesi di illustrare i contenuti di questo grafico lasciando alla discussione ogni eventuale approfondimento.

Anzitutto come ogni diagramma che si rispetti, riporta le unità di misura: in ascissa vediamo dunque la latitudine (da +90° per il polo nord a +90 per il polo sud) mentre in ordinata troviamo una densità di flusso energetico (W m^-2). Per quanto riguarda invece le curve riportate nel grafico, quella con i pallini in rosso mostra l’energia entrante e quella con i pallini in verde quella uscente.

Si noti che in media 235 W m^-2 sono assorbiti e altrettanti sono emessi, il che risponde a precise ragioni di equilibrio energetico, nel senso che se l’energia entrante superasse quella uscente il pianeta diverrebbe una landa rovente e nel caso opposto sprofonderebbe nella morsa dei ghiacci.

Per inciso i 235 W m^-2 di assorbimento medio planetario si possono ricavare considerando una costante solare di 1368 W m^-2 e un albedo medio planetario del 31%, il che riduce l’energia ricevuta dal pianeta a 1368*(1-0.31)=943 W m^-2. Questo flusso medio interessa ovviamente la sezione terrestre che è un cerchio con superficie r² e deve poi ripartirsi su una superficie planetaria che è una sfera di superficie 4r², per cui si avrà 943/4=235 W m^-2.

E’ da notare a questo punto che, in base alla legge di Stefan e Boltzmann, 235 W m^-2 rappresentano l’emissione di un corpo nero a -19°C. La superficie del nostro pianeta ha un assai più mite temperatura di +14°C grazie al fenomeno noto come effetto serra, in virtù del quale le componenti atmosferiche ad effetto serra (vapore acqueo, anidride carbonica, ossigeno bi e triatomico e metano, polveri, nubi, ecc.) intercettano i fotoni emessi dalla superficie del pianeta aumentando così il proprio livello energetico. L’energia intercettata dalle sostanze a effetto serra viene prima o poi riemessa e parte di tale riemissione avviene verso il suolo creando così il fenomeno per cui la superficie terrestre è in realtà riscaldata da 3 Soli, di cui uno reale e due virtuali costituiti da una radiazione infrarossa nota come “radiazione del cielo”.

Dalla curva dell’energia entrante si deduce anche che questa si distribuisce latitudinalmente in modo assai poco omogeneo, concentrandosi soprattutto nella fascia equatoriale. L’energia uscente (curva con i pallini in verde) è invece assai più regolarmente distribuita in funzione della latitudine, per cui si verifica ad esempio che il polo nord riceve dal sole solo 50 W m^-2 mentre ne emette ben 200. Da dove vengono i 150 W m^-2 in più? Questo surplus energetico indica in modo inequivocabile l’esistenza di un robusto meccanismo di trasporto latitudinale dell’energia attraverso la circolazione atmosferica ed oceanica. Si osservi che il 20% del trasporto energetico è dovuto agli oceani e l’80% all’atmosfera e che nel trasporto atmosferico sono implicate le grandi strutture circolatorie (cella di Hadley, grandi correnti occidentali e relativi vortici).

Sappiamo anche che l’aria, pur avendo una capacità termica molto bassa (l’atmosfera dalla superficie al suo limite superiore, qualche migliaio di km più su, ha la stessa capacità termica di mezzo metro di acqua di mare) è in grado di trasportare tutta questa energia in quanto si avvale di un vettore energetico d’eccezione, l’acqua. Infatti un grammo d’acqua, evaporando dagli oceani o traspirando dalle grandi superfici con vegetali, assorbe 2450 J e la stessa quantità viene ceduta all’ambiente quando l’acqua condensa dando nubi e pioggia. Pertanto ciclo dell’acqua e trasporto atmosferico di energia sono a tutti gl effetti la stessa cosa ed è per tale motivo che quando noi viventi traspiriamo (gli animali per termoregolarsi, le piante per termoregolarsi e al contempo acquisire CO2 dall’atmosfera e nutrienti dal terreno) siamo parte del grande ciclo dell’energia del pianeta, il che da un punto di vista antropologico assume a mio avviso un significato profondo richiamandoci al fatto che siamo parte di un grande e meraviglioso sistema che da miliardi di anni garantisce la vita su questo frammento di cosmo.