La Radiazione Solare e Terrestre : bilancio ed influenza nel sistema climatico

Andiamo a scoprire insieme il “viaggio” in direzione della Terra della radiazione solare sotto forma di onde elettromagnetiche, il modo in cui essa giunge sulla superficie terrestre, in quale percentuale viene assorbita, riflessa. Qual è la risposta della superficie terrestre alla ricezione della radiazione solare? Quale parte della radiazione, estesa sullo spettro elettromagnetico, interessa il sistema clima?

Secondo appuntamento del percorso didattico che rappresenta il continuo del primo appuntamento: https://www.meteoindiretta.it/giornale-meteo/20211/sorgente-di-energia-terra-sole/  

Ci eravamo difatti lasciati illustrando la struttura esterna e interna del Sole e i relativi processi associati. La radiazione solare, dalla fotosfera, inizia il suo viaggio verso lo spazio in direzione anche della Terra, ma di tutta l’energia emessa dalla superficie solare, solo mezzo miliardesimo giunge sulla Terra.

La radiazione solare si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche, ovvero onde caratterizzate da lunghezza d’onda (λ) e  frequenza (ν)  che viaggiano ad una velocità pari alla velocità della luce (c). Il tutto matematicamente parlando si traduce in questa semplice equazione :

c= λν

Tutta la radiazione solare si estende sullo spettro elettromagnetico, il quale è composto dalle “bande” presenti nella seguente immagine :

Le diverse bande che compongono lo spettro elettromagnetico. Dai raggi γ ai raggi x, attraverso l’ultravioletto (uv), il visibile e l’infrarosso, fino alle microonde e radioonde.

La parte più significativa dello spettro elettromagnetico, per quanto riguarda il trasferimento radiativo di energia nel sistema clima, è compreso tra l’ultravioletto e il vicino infrarosso, passando chiaramente per il visibile. Ciò significa che possiamo scomporre, in due parti distinte, lo spettro di radiazione che interessa il sistema clima :

1) Radiazione ad Onda Corta : è la radiazione solare con lunghezze d’onda pari a  λ<4 µm che va a comporre il Flusso di energia entrante.

2) Radiazione ad Onda Lunga : è la radiazione che emette la Terra con lunghezze d’onda pari a  λ<4 µm che va a comporre il Flusso di energia uscente dalla superficie terrestre verso lo spazio.

Quindi ciò vuol dire che la Terra emette radiazioni?

Certamente! Qualsiasi corpo avente temperatura superiore allo zero assoluto emette energia sotto forma di radiazione. Maggiore è la temperatura, maggiore sarà la quantità di energia emessa, ad una minore lunghezza d’onda, corrispondente al picco di emissione. A causa della notevole differenza di temperatura di emissione tra il Sole (circa 6000 Kelvin) e la Terra (circa 255 Kelvin), la radiazione solare raggiunge il massimo di emissione nella banda del visibile (λ~0.5µm), mentre la radiazione terrestre presenta il suo massimo di emissione nell’infrarosso (IR, λ~10µm). Per tale motivo la radiazione ad onda lunga terrestre è anche detta Radiazione Infrarossa. Tutto ciò è esplicato nel seguente grafico :

Radiazione Solare e Radiazione Terrestre con le rispettive curve indicanti la massima emissione alla corrispondente lunghezza d’onda

BILANCIO ENERGETICO RADIATIVO

Bilancio energetico radiativo

Procediamo ora nella conoscenza del bilancio radiativo, ovvero andiamo a scoprire come viene distribuita la radiazione solare che giunge sulla Terra. Su 100 unità di radiazione solare entrante, il 70% vengono assorbite e il rimanente 30% vengono riflesse, queste ultime quindi non partecipano ai processi fisici e chimici del sistema climatico. Per quanto riguarda le 70 unità di radiazione assorbita, scendendo nel dettaglio : 16 sono assorbite dall’ozono stratosferico, dal vapore acqueo e dagli aerosols ; 4 sono assorbiti dalle nubi; 50 sono assorbiti dalla superficie terrestre. Di questi ultimi 50, nel dettaglio, 20 sono emesse verso l’atmosfera sotto forma di radiazione ad onda lunga, mentre 30 sono trasferite all’atmosfera dai processi turbolenti e convettivi sotto forma di calore sensibile e calore latente.

Per mantenere la Terra in uno stato di equilibrio, (osservabile per scale temporali lunghe), l’energia assorbita, rappresentata dalla radiazione ad onda corta solare, deve essere bilanciata da un’uguale quantità di energia emessa verso lo spazio dalla superficie terrestre, rappresentata dalla radiazione infrarossa ad onda lunga. Chiaramente, come ben sappiamo, sulla Terra è presente un surplus di calore all’Equatore (0°- 20°) e un deficit di calore ai Poli (60°- 90°), derivante proprio dalle differenza tra la radiazione ad onda corta e la radiazione ad onda lunga. La tabella sottostante ci indica proprio il bilancio energetico radiativo nelle diverse aree della Terra, espresse in latitudine, ricavate dalla differenza tra radiazione corta assorbita e la radiazione lunga emessa.

Bilancio energetico alle varie latitudini espresso in cal/cm^2

Esiste nell’atmosfera un meccanismo che cerca di appianare, almeno parzialmente, questo surplus e deficit così marcato tra Equatore e Poli?

Si! Altrimenti sarebbe ancora più  marcato rispetto ai dati visibili in tabella! Lo andremo a scoprire nel prossimo imperdibile appuntamento su www.meteoindiretta.it