1. Che cos’è il clima e quali fenomeni lo influenzano?

Secondo gli scienziati il clima terrestre oggi sta rapidamente cambiando; questo fenomeno deve preoccuparci, per varie ragioni.
In particolare, anche in una società altamente tecnologica come la nostra, abbiamo pur sempre bisogno di alimentarci; il cibo ce lo fornisce l’agricoltura, che dipende in modo decisivo proprio dalla benevolenza del clima.

Durante la storia dell’umanità, il destino di intere civiltà è stato condizionato dal clima e dalla sua evoluzione nel tempo.
Per poter valutare la rilevanza e le implicazioni dei cambiamenti climatici osservati oggi nel mondo, è bene aver chiaro che cos’è il clima e da quali fattori dipende.

Le differenze tra clima e meteo

Il tempo atmosferico o meteorologico, spesso detto più semplicemente meteo, descrive le condizioni dell’atmosfera in un dato istante di tempo.
Il clima è una media del meteo osservato per lunghi periodi di tempo; i climatologi di solito calcolano la media su un intervallo di 30 anni.

Questo significa che per identificare cambiamenti climatici si devono studiare dati meteorologici raccolti nell’arco di decenni. Non bastano, per esempio, un inverno particolarmente caldo o un’estate particolarmente fredda per far concludere che il clima sta cambiando.

Il meteo e il clima si differenziano anche per la scala geografica dei fenomeni da cui dipendono:

il meteo è determinato da perturbazioni locali e transitorie della troposfera, lo strato dell’atmosfera più vicino al suolo;
il clima invece è fortemente influenzato da fenomeni globali e permanenti, che riflettono il bilancio energetico dell’intero pianeta.

Il riscaldamento solare

La principale fonte di energia per il pianeta Terra è la radiazione che arriva dal Sole. La radiazione solare attraversa l’atmosfera e riscalda il suolo e la superficie del mare che, a loro volta, riemettono energia in forma di raggi infrarossi e cedono così calore all’aria.

Per ragioni geometriche il riscaldamento solare varia con la latitudine:

in corrispondenza dell'equatore (agli equinozi) e dei tropici (ai solstizi) i raggi del Sole incidono perpendicolarmente sulla superficie terrestre e l’energia solare arriva molto concentrata: qui, perciò, si hanno i climi più caldi;
vicino ai poli, invece, i raggi del Sole arrivano molto inclinati e l’energia solare si distribuisce su un’area maggiore: qui, perciò, si hanno i climi più freddi.

Per gli stessi motivi, siccome l’asse di rotazione terrestre è inclinato rispetto al piano dell’orbita di rivoluzione intorno al Sole, il ciclo delle stagioni fa sì che a ogni latitudine il clima sia più caldo in estate e più freddo d’inverno.

A ogni latitudine, inoltre, il clima è più freddo in montagna che al livello del mare: salendo di quota, infatti, la pressione atmosferica diminuisce, perciò l’aria si espande e, come conseguenza, si raffredda.

L’albedo

Non tutta la luce solare che investe il nostro pianeta, però, lo riscalda. Infatti, una frazione della radiazione solare chiamata albedo («bianchezza» in latino) viene riflessa nello spazio e quindi non è assorbita dalla superficie terrestre.

Un corpo nero che assorbe tutta la radiazione incidente ha il valore minimo di albedo, pari a 0, mentre uno specchio ideale, perfettamente riflettente, ha albedo massima pari a 1.
L’albedo delle nubi può arrivare fino a 0,7: questo significa che riflettono nello spazio anche più di due terzi della luce in arrivo dal Sole. L’albedo della sabbia dei deserti invece è intorno a 0,4 mentre quello di una foresta è inferiore a 0,2.

Il ciclo dell’acqua

Nel Sistema solare la Terra è l’unico pianeta ad avere in superficie acqua allo stato liquido, con oceani che coprono ben due terzi del globo.

L’energia della luce solare alimenta un ciclo dell’acqua che sposta continuamente questa sostanza e le fa cambiare stato di aggregazione: l’acqua degli oceani evapora, poi condensa nelle nubi e quindi ricade al suolo sotto forma di precipitazioni (pioggia, neve e grandine).
L’umidità dell’aria, legata alla concentrazione del vapore acqueo nell’atmosfera, è un fattore molto importante nel determinare il clima.

Il sistema climatico

I diversi climi sulla Terra sono il risultato del modo in cui il calore e l’umidità dell’aria sono ridistribuiti nelle diverse parti del globo attraverso l’interazione tra le cinque componenti del sistema climatico:

l’atmosfera, con l’aria, il vento, le nubi e le precipitazioni;
l’idrosfera, con l’acqua dei mari e degli oceani;
la criosfera, con il ghiaccio delle calotte polari e del permafrost;
la litosfera, con le rocce dello strato solido più esterno del pianeta;
la biosfera, con tutti gli esseri viventi tra cui piante e animali.

Le celle convettive globali

Nella troposfera il calore riemesso dalla superficie terrestre è trasportato con il meccanismo della convezione:

l’aria calda e umida è meno densa e tende a salire in quota;
arrivata in quota, dove la temperatura è più bassa, l’aria si raffredda e l’umidità condensa a formare le nubi;
quando l’aria diventa fredda e secca, è più densa e ridiscende verso il suolo.

Questa circolazione in celle convettive produce i venti che al suolo soffiano dagli anticicloni, le zone di alta pressione, verso i cicloni, le zone di bassa pressione in cui si concentrano le precipitazioni.

Su scala globale la convezione, insieme al ciclo dell’acqua e alla rotazione terrestre, genera tre grandi anelli di celle convettive, simmetrici nei due emisferi del pianeta, a cui sono associati venti costanti che ridistribuiscono il calore e l’umidità.

Le celle convettive globali danno origine a grandi «fasce climatiche» a cui sono associati i biomi terrestri, cioè i principali habitat di terraferma nel nostro pianeta. I deserti, per esempio, si concentrano intorno ai 30° di latitudine.

Il ruolo degli oceani

Gli oceani hanno una forte influenza sul clima, per due ragioni:

determinano l’umidità dell’aria tramite l’evaporazione dell’acqua, che è maggiore dove l’oceano è più caldo;
ridistribuiscono in tutto il globo l’energia ricevuta dal Sole con le correnti oceaniche.

Le correnti oceaniche sono grandi «nastri trasportatori» del calore: spostano acqua calda dai tropici verso i poli e acqua fredda in verso opposto; così regolano il clima, compensando il fatto che la radiazione solare è più intensa all’equatore e più debole ai poli.

Se non ci fossero le correnti oceaniche, ai tropici farebbe molto più caldo e vicino ai poli molto più freddo: gran parte del pianeta non sarebbe abitabile.

I fattori che possono perturbare il sistema climatico

Il sistema climatico è soggetto a perturbazioni (o forzanti) esterne che possono influenzare il clima. Esaminiamo per esempio alcune possibili perturbazioni del bilancio energetico terrestre.

Le variazioni nella quantità di energia ricevuta dal Sole. Il grafico seguente mostra l’irradianza solare, ovvero l’energia per unità di tempo e superficie che arriva dal Sole. Nell’ultimo secolo la quantità di energia ricevuta dal Sole è cambiata in modo trascurabile. Anche le oscillazioni associate al ciclo solare che si ripete ogni 11 anni (curva a tratto sottile) sono inferiori allo 0,1% del valore medio dell’irradianza solare, chiamato costante solare. Sulla scala dei millenni, invece, possono verificarsi oscillazioni più significative, in particolare a causa delle variazioni dell’orbita della Terra attorno al Sole.

Le variazioni dell’albedo. Il ghiaccio, per esempio, ha un’albedo di circa 0,4 mentre l’albedo dell’oceano è minore di 0,1. Perciò, quando la banchisa artica fonde, l’energia solare assorbita nelle regioni polari aumenta del 50% (perché la frazione di radiazione assorbita sale da 0,6 a 0,9).
Le eruzioni vulcaniche (fenomeni endogeni, legati cioè al calore emesso dall’interno della Terra). Queste disperdono nella stratosfera grandi quantità di polveri e in casi estremi possono schermare, per periodi più o meno lunghi, una parte significativa della radiazione in arrivo dal Sole.
Le attività umane. In particolare, il cambiamento della composizione dell’atmosfera, dovuto a emissioni di gas come l’anidride carbonica e il metano, può modificare il clima attraverso l’aumento dell’entità dell’effetto serra.

Gli effetti di retroazione

Il sistema climatico è caratterizzato da molti meccanismi di retroazione, o feedback. A seconda delle circostanze, questi possono smorzare i cambiamenti (retroazione negativa) e avere quindi un effetto stabilizzante, oppure amplificare i cambiamenti (retroazione positiva) e destabilizzare ancora di più il sistema.

Per esempio, quando l’atmosfera si riscalda, è in grado di contenere più vapore acqueo e possono formarsi più nubi. Questo fenomeno può avere due effetti opposti tra loro:

le nubi hanno un’albedo maggiore rispetto al suolo, perciò riflettono più radiazione solare verso lo spazio; questo raffredda l’atmosfera (feedback negativo);
le nubi, d’altra parte, intrappolano come una coperta il calore emesso dalla superficie terrestre; questo provoca un ulteriore riscaldamento dell’atmosfera (feedback positivo).

Quale tra i due effetti prevarrà? La risposta dipende dalla quota a cui si formano le nubi e dalle loro proprietà ottiche:

nelle nubi alte e fredde (cirri) prevale l’effetto di blocco della radiazione termica terrestre e quindi la retroazione positiva che provoca riscaldamento;
nelle nubi basse (strati e stratocumuli) è prevalente invece l’aumento dell’albedo e quindi la retroazione negativa che porta raffreddamento.

Non sappiamo, però, quale tipo di nubi si formerà con maggiore probabilità in un’atmosfera soggetta al riscaldamento globale.

Questo esempio illustra il fatto che il sistema climatico è intrinsecamente molto complesso. Di conseguenza, le previsioni degli scienziati riguardo all’evoluzione futura del clima sono inevitabilmente affette da importanti incertezze.