RADIAZIONE: DESCRIZIONE FISICA, INFLUENZA SULLA METEOROLOGIA E… CURIOSITÀ

Dai processi biologici che regolano il bioritmo delle piante ai fenomeni meteorologici, la Terra è un sistema complesso nel quale viventi e non viventi si trovano ad interagire tra loro, modificandosi ed evolvendosi.
Tutto ciò avviene grazie alla presenza del Sole, o meglio, grazie alla sua emissione di radiazione elettromagnetica che raggiunge l’atmosfera terrestre e successivamente la superficie planetaria nei mari e nelle terre emerse, innescando i processi fisici dai quali, ad esempio, la meteorologia dipende, e senza i quali essa sarebbe completamente diversa.

Ma più precisamente la radiazione in cosa consiste?
La radiazione solare è un flusso di energia che, partito dalla superficie della nostra stella, viaggia ad una velocità di circa 300.000 km/s trasportando un’immensa quantità di energia. Un’onda elettromagnetica è un fenomeno ondulatorio dato da un’onda nel campo elettrico e nel campo magnetico ed è descritto matematicamente come soluzione dell’equazione delle onde, a sua volta ottenuta a partire dalle equazioni di Maxwell secondo la teoria dell’elettrodinamica classica. È anche un fenomeno di natura quantistica data la presenza di un flusso di fotoni, secondo il modello Standard. Quando queste particelle incontrano un atomo possono interagire cedendo pacchetti di energia ben definiti, detti quanti.
Il sole, attraverso la fusione nucleare converte gli atomi di idrogeno in elio, liberando energia come radiazione elettromagnetica verso lo spazio interplanetario secondo l’equazione di Einstein, dai raggi X alle onde radio.
Per la Terra, comunque, la sua presenza è indispensabile. Dà luogo a molti processi fisici, chimici e biologici osservabili sul pianeta come, ad esempio, le basse e alte pressioni, i venti, le distribuzioni di calore su scala planetaria, il ciclo dell’acqua e addirittura la vita stessa, sia animale che vegetale.
Giunta sulla Terra, la radiazione interagisce con la materia. La capacità di un corpo di assorbire la radiazione dipende dalla composizione, secondo la legge del corpo nero. Un corpo nero è un oggetto ideale capace di assorbire tutte le radiazioni che riceve, senza riflessione, e di emettere la massima quantità di energia ad una determinata temperatura. La legge di Planck infatti impone che ad una certa temperatura di un corpo corrisponde un insieme di lunghezze d’onda.
Il top dell’atmosfera (TOA) riceve dal Sole mediamente 1366 W/m² (costante solare) di energia radiativa all’equatore. La quantità di energia però varia in base all’inclinazione dell’asse terrestre e dalla latitudine ed è maggiore rispetto a quella che arriva alla superficie poiché l’atmosfera ne assorbe una parte. È risaputo che lo strato di ozono occupa un ruolo di protezione dalla luce UV per la salute umana. Altri gas, come il vapore acqueo e l’anidride carbonica, assorbono i raggi infrarossi, mentre non assorbono la luce visibile, diffondendo principalmente le lunghezze d’onda dell’azzurro-violetto. Ecco perché il cielo appare di colore blu.
Nel dettaglio, l’energia assorbita complessivamente dall’atmosfera risulta essere il 20 % della radiazione proveniente dal Sole, poiché una parte di quest’ultima viene riflessa dall’alta atmosfera verso lo spazio e una parte invece raggiunge la superficie terrestre.
Oltre che dalle nubi e dai gas, le onde elettromagnetiche sono parzialmente riflesse anche dalla superficie. L’intensità della riflessione dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche dei corpi. In campo meteorologico si parla di albedo ovvero il rapporto fra l’energia riflessa e quella totale incidente sulla superficie di un dato corpo, e più il valore di questo rapporto si avvicina a 1 maggiore è la riflettività. Da questo calcolo si scopre ad esempio che la neve ha un’albedo di circa 0.9 quindi un’elevata riflessione, mentre le rocce scure un basso albedo che comporta però una maggior capacità di assorbimento. Infatti, il 45 % della radiazione totale viene assorbita dalla superficie che si trasforma in calore. Complessivamente sulla Terra la radiazione incidente varia in base alla latitudine, alla nuvolosità, al tipo di terreno e altro, provocando un riscaldamento fortemente positivo attorno alla fascia equatoriale e inferiore altrove. Per colmare quindi il surplus energetico tropicale e il deficit alle alte latitudini è necessario un flusso di energia che ridistribuisca il calore nel globo, più uniformemente possibile. Questo flusso di calore è governato dalle correnti oceaniche e dai moti atmosferici, che si manifestano come fenomeni meteorologici durante i quali il suddetto calore viene ceduto o acquistato. Ecco che i venti, le perturbazioni, i fronti e gli altri fenomeni meteo come gli uragani sono la diretta manifestazione dei processi di bilanciamento energetico globale.

Fonte : Idee per insegnare le Scienze della Terra di Elvidio Lupia Palmieri e Maurizio Parotto – OSSERVARE E CAPIRE LA TERRA, © Zanichelli 2010

A cura di Puppo Francesco