Radiazione solare e bilancio termico
Se considerato rispetto a periodi di tempo sufficientemente lunghi, il
bilancio energetico del sistema Terra-atmosfera è praticamente in pareggio:
l'energia ricevuta dal Sole è quasi esattamente bilanciata dall'energia
irradiata nello spazio dall'atmosfera. Il flusso medio di energia solare
incidente al limite dell'atmosfera per unità d'area perpendicolare ai raggi
solari è circa 1380 watt/m² (vedi costante solare). Questa energia non viene
totalmente assorbita, ma una frazione di essa viene riflessa nello spazio dalle
nubi e dalla superficie terrestre. Questa frazione prende il nome di albedo, e
rappresenta circa il 30% del totale.
Un'ulteriore frazione, il 19% circa, viene assorbita dall'atmosfera, mentre
il rimanente 51% viene assorbita direttamente dalla superficie terrestre (v.
insolazione).
La somma dell'energia assorbita dalla Terra e dall'atmosfera dev'essere
bilanciata dall'energia termica irradiata nello spazio. La quantità di energia
irradiata da un corpo dipende principalmente dalla sua temperatura: secondo la
legge di Stefan-Boltzmann, un corpo radiante di efficienza massima (il
cosiddetto corpo nero) emette una quantità di energia che è proporzionale alla
quarta potenza della sua temperatura assoluta. In conseguenza di questa legge,
si può calcolare che la Terra bilancia la frazione di radiazione solare
assorbita emettendo nello spazio una quantità d'energia corrispondente ad una
temperatura media planetaria di circa -20 °C. Questa temperatura è
sensibilmente inferiore a quella media della superficie terrestre, che è circa +15
°C. Questo eccesso di temperatura sulla superficie è reso possibile
dall'effetto termoisolante dell'atmosfera (il cosiddetto effetto serra). Gran
parte delle radiazioni infrarosse emesse dalla Terra vengono assorbite dal vapor
d'acqua e dal biossido di carbonio presenti nell'atmosfera. Queste radiazioni
vengono successivamente riemesse dall'atmosfera sia verso l'alto che verso il
basso; la frazione emessa verso il basso viene assorbita dalla superficie
terrestre, fornendo così l'energia necessaria a mantenere la temperatura in
superficie ad un valore superiore a quello che si avrebbe all'equilibrio in
assenza di atmosfera. L'intensità
dell'effetto serra dipende dalla concentrazione nell'atmosfera dei gas capaci di
assorbire le radiazioni infrarosse.
La quantità di energia irradiata dall'atmosfera risulta superiore al totale
assorbito della radiazione solare e della radiazione infrarossa del suolo di una
quantità equivalente a circa il 30% della radiazione solare totale. Questo
deficit energetico è compensato dal trasferimento di calore dalla superficie
terrestre all'atmosfera che avviene principalmente attraverso la liberazione del
calore latente per evaporazione dell'acqua alla superficie e condensazione
nell'atmosfera sotto forma di nubi.
La quantità di radiazione solare annua mediamente ricevuta dall'atmosfera
varia fortemente con la latitudine, ad esempio essa
è quattro volte maggiore all'equatore che non ai poli. Al contrario, la
quantità di energia emessa dalla Terra nello spazio, non varia molto con la
latitudine. Il risultato di questo processo è che vi è un surplus di
insolazione ai tropici e un netto deficit ai poli. Così, per mantenere costante
il bilancio energetico complessivo, ci dev'essere trasporto di energia
dall'equatore ai poli. Le osservazioni sperimentali indicano che, per esempio,
il trasporto di calore verso i poli operato da correnti oceaniche, come la
corrente del golfo, fornisce il 50% del fabbisogno calorico. Il restante 50%
viene trasportato dal sistema dei venti.
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