Guardar la temperatura dell’aria dalla parte delle radici: bilancio radiativo di superficie e trappole per fotoni

La temperatura dell’aria misurata dalle stazioni meteorologiche è frutto di tre principali processi:

1. Il flusso di energia dalla superficie sottostante, che a sua volta è frutto del bilancio energetico di superficie (in proposito vale grossomodo il detto secondo cui il sole non riscalda l’aria ma viceversa riscalda la superficie la quale a sua volta riscalda l’aria).
2. Il trasporto orizzontale di aria calda o fredda (avvezione), fenomeno complesso e che ci rimanda alla circolazione atmosferica alle diverse scale.
3. Il trasporto verticale di aria calda da parte delle masse d’aria (convezione), fenomeno anch’esso complesso perché tira in causa le dinamiche della convezione nello strato limite e nella libera atmosfera.

In questa sede trascurerò i processi 2 e 3 e mi limiterò ad analizzare in modo sommario il processo 1 (bilancio energetico di superficie).

Il bilancio energetico della superficie può essere espresso dall’equazione che segue:

Rn=G+H+LE

In essa:

1. G è il flusso di calore nel terreno.
2. H è il flusso turbolento di calore sensibile (sensibile perché è percepibile con i sensi e con i termometri e dunque è associato alla temperatura dell’aria). H si definisce come il flusso di energia suolo – atmosfera e viceversa che non comporta cambiamenti di stato dell’acqua.
3. LE è flusso turbolento di calore latente (latente perché non è percepibile con i sensi e con i termometri e dunque non è in alcun modo associato alla temperatura dell’aria). LE si definisce come il flusso di energia suolo – atmosfera e viceversa che si svolge attraverso i cambiamenti di stato dell’acqua (evaporazione, condensazione, congelamento, sublimazione). Ad esempio un gramo d’acqua che evapora assorbe 245 Joule e altrettanti ne libera condensando.
4. Rn è il flusso di energia radiante, a sua volta è frutto del bilancio radiativo di superficie.

Questa premessa potrà essere giudicata dal lettore come espressione di nozionismo ma, credetemi, senza uno sforzo di comprensione di questi argomenti non è in alcun modo pensabile addentrarsi in ragionamenti sulla temperatura dell’aria.

Trattando delle equazioni del bilancio radiativo ed energetico di superficie si adotterà la convenzione per cui tutti i flussi sono considerati positivi se diretti verso la superficie, negativi in caso contrario.

L’equazione del bilancio radiativo di superficie è la seguente:

Rn=Rg*(1-A)+RL1+RL2

ove:

• Rn=radiazione netta
• A=albedo
• Rg=radiazione solare globale
• R_L1=radiazione a onda lunga emessa dalla superficie terrestre
• R_L2= radiazione a onda lunga uscente intercettata dall’atmosfera e re-irraggiata verso il suolo

Vediamo di approfondire l’analisi dei diversi termini del bilancio radiativo sottolineando anzitutto che il termine Rg*(1-A) è un termine ad onda corta (emissione solare) mentre i termini R_L1 ed R_L2 sono termini ad onda lunga (emissione terrestre). In proposito si veda lo spettro disegnato in figura 1.

La radiazione solare globale Rg è scomponibile nelle sue componenti diretta e diffusa. La radiazione diretta è quella che pare giungere direttamente dal disco del Sole mentre la diffusa perviene dal resto della volta celeste come risultato dei fenomeni di rifrazione da parte dell’atmosfera. E’ ovvio che il valore assunto dalla radiazione globale e la percentuale di diretta e diffusa dipendono dalla torbidità atmosferica, dall’altezza del sole, dalla presenza di nuvolosità, dall’orizzonte orografico locale e da eventuali ostacoli (edifici, alberi, ecc.).

Per inciso la presenza di radiazione diffusa è cruciale perché la Terra sia come sia: è infatti grazie a tale componente che la vegetazione può prosperare anche in valli chiuse in cui la radiazione diretta non giunge quasi mai. Peraltro se si guarda il cielo visto dalla luna quel che colpisce di più è che esso è completamente nero in virtù di un’atmosfera assai rarefatta, per cui esiste in pratica solo radiazione diretta.

L’albedo A è fortemente influenzato dal tipo di superficie (tabella 1). Per le colture agrarie può essere considerato un albedo medio di 0.23, con valori alquanto variabili in funzione del tipo di coltura e dello stadio di sviluppo.

I termini R_L1 ed R_L2 (termini a onda lunga di origine terrestre) agiscono in continuo con il risultato di una graduale perdita di energia del pianeta, perdita che solo di giorno è controbilanciata dalla radiazione solare. Al contrario durante la notte, essendo nulla la radiazione solare, R_L1 ed R_L2 sono cruciali nel determinare l’entità del raffreddamento notturno del suolo e quindi ad esempio la possibilità di gelate.

Al termine R_L2 (radiazione del cielo) contribuiscono in modo determinante i componenti atmosferici che con la loro azione intercettano l’energia emessa dalla Terra (effetto serra). In sostanza si può considerare che un generico fotone emesso dalla Terra venga intercettato dalla molecola di un gas serra, che acquisirà energia passando ad un stato eccitato. In seguito tale molecola ricadrà allo stato di base emettendo un proprio fotone in una qualunque direzione. Se l’emissione avverrà verso la Terra questa riacquisterà almeno in parte l’energia persa in precedenza (figura 2a).

Il contributo all’entità di R_L2 degli ostacoli naturali o artificiali (alberi, case, montagne, ecc.) si esplica attraverso una riduzione della visione del cielo; in altri termini tanto meno cielo è visto da un certo punto della superficie per effetto degli ostacoli e tanta più alta è la frazione di R_L1 intercettata dagli ostacoli stessi e rinviata verso terra (figura 2b).

Il basso fattore di visione del cielo è ad esempio il motivo per cui in ambito urbano è difficile assistere a gelate in vie strette mentre assai più frequente è il fenomeno in piazze ampie; le città si comportano cioè come delle gigantesche trappole per fotoni (figura 2b e figura 3). Anche i fondovalle di vallate strette vedono poco cielo e dunque presentano un’emissione netta verso lo spazio di molto inferiore rispetto alle cime delle montagne stesse. In quest’ultimo caso l’alta probabilità di gelate invernali nei fondovalle si deve non tanto all’irraggiamento quando al drenaggio di aria fredda dalle cime, che avendo invece un fattore di visione del cielo molto alto si raffreddano fortemente risultando produttrici di enormi quantità di aria fredda che essendo più densa ricade nei fondovalle.

In tabella 2 si riportano i valori indicativi dei diversi termini del bilancio che si registrano di notte e di giorno mentre in figura 4 si riporta l’andamento nelle 24 ore dei termini del bilancio radiativo in un ambiente forestale ed in condizioni di tempo stabile e soleggiato. Si osservi che al mezzogiorno solare alle medie latitudini in giornate estive di cielo limpido giunge al suolo un valore di Rg grossomodo pari a 900W/m². Si tratta di una quantità di energia che, seppur di molto inferiore rispetto ai 1367 W/m² della costante solare, è veramente considerevole. Infatti se un agricoltore pagasse a prezzi di mercato (tariffe Enel) l’energia che in una giornata estiva serena giunge sul suo campo, l’esborso per ogni ettaro coltivato sarebbe di circa 1500-3000 Euro.

Ricapitolando, il bilancio radiativo di superficie serve per rendere ragione dei flussi di energia in forma di radiazione che interessano tutti i corpi. La radiazione netta che è il risultato di tale bilancio è responsabile dei conseguenti flussi in forma diversa dalla radiazione (calore latente, calore sensibile e calore del suolo) che caratterizzano il bilancio energetico di superficie. E’ da questi flussi ed in particolare dal flusso di calore sensibile che dipende la temperatura dell’aria, ma di questo parleremo in un prossimo post.