III Lezione corso Meteo: L’ irraggiamento

L’irraggiamento termico è uno dei meccanismi di trasmissione dell’energia come calore. La sua peculiarità è di non necessitare di un supporto materiale, potendo avvenire anche attraverso il vuoto. L’irraggiamento, per esempio, è il meccanismo mediante il quale l’energia emessa dal Sole raggiunge e riscalda la Terra.
La trasmissione del calore per irraggiamento tra due corpi può avvenire anche in presenza di un mezzo di separazione più freddo di entrambi i corpi: per esempio, l’energia termica emessa da una fiamma raggiunge una persona attraversando aria più fredda, oppure la radiazione solare raggiunge la superficie della Terra dopo aver attraversato, alle elevate altitudini, strati d’aria molto freddi.

L’irraggiamento termico rientra nel più vasto fenomeno fisico della radiazione elettromagnetica. Tutti i corpi materiali, i solidi così come i liquidi ed i gas, emettono energia sotto forma di radiazione elettromagnetica e sono in grado di assorbire tale energia radiante: è così possibile realizzare tra due corpi un trasferimento di energia.
Le onde elettromagnetiche emesse dai corpi viaggiano alla stessa velocità c di propagazione della luce nel mezzo che attraversano e sono caratterizzate dalla frequenza f, la cui unità di misura è Hz e rappresenta il numero di cicli nell’unità di tempo, dalla lunghezza d’onda  lambda generalmente misurata in microm che rappresenta la distanza percorsa in un periodo.
Queste grandezze sono legate tra di loro dalla seguente relazione:

c=f

La velocità di propagazione della luce nel vuoto vale circa 300.000 km/s.
Esistono diversi tipi di onde elettromagnetiche, ciascuno prodotto da una differente causa: i raggi gamma sono prodotti da reazioni nucleari, i raggi X sono prodotti dal bombardamento di metalli con elettroni di alta energia, le microonde sono prodotte da speciali tubi elettronici come il magnetron, le onde radio sono prodotte dal flusso di corrente alternata in conduttori elettrici e la radiazione termica è causata dalla temperatura dei corpi.
L’irraggiamento pertanto si occupa non dello studio di tutta la radiazione elettromagnetica ma solo dello studio della radiazione termica cioè dell’energia elettromagnetica emessa dai corpi a causa della loro temperatura.
Le radiazioni elettromagnetiche differiscono molto nel loro comportamento al variare della lunghezza d’onda. Esse coprono un esteso campo di lunghezze d’onda variabile da meno di 10-9 microm per i raggi cosmici a più di 10^10 microm per le onde elettriche di potenza.
La radiazione termica è caratterizzata da lunghezze d’onda che variano da circa 0,1 microm a 100 microm. Essa include quindi tutta la radiazione visibile, caratterizzata da lunghezze d’onda comprese tra 0,40 e 0,76 microm, e parte della radiazione infrarossa e ultravioletta.

La radiazione elettromagnetica emessa da un corpo per irraggiamento varia sensibilmente al variare della temperatura del corpo, della lunghezza d’onda, del materiale costituente il corpo e del trattamento superficiale di quest’ultimo.
Ad esempio, a parità di lunghezza d’onda e di temperatura, una superficie di ferro ossidato emette grosso modo quanto una superficie intonacata a calce; se il ferro è accuratamente lucidato, la radiazione emessa diventa meno della decima parte.
L’energia termica emessa da una superficie, così come tutte le grandezze che entrano in gioco nell’irraggiamento termico, dipende dalla lunghezza d’onda.

Per saperne di più ci si può iscrivere al corso meteo.

Dalla turbolenza del vento solare ,alla Circolazione Atmosferica, alla Rotazione della Terra ed il Clima

Di seguito si presenta un lavoro , del Prof. Mazzarella, pubblicato su una rivista scientifica, e quindi accettata da una commissione composta da una commissione specializzata
Tale lavoro è di grande rilevanza scientifica, tanto da aver suscitato apprezzamenti nel mondo scientifico.
Abbiamo la fortuna di poterlo proporre in questa sede, tradotto in Italiano.

ABSTRACT

L’ analisi incrociata della serie della turbolenza del vento solare, della circolazione atmosferica, della rotazione terrestre, e delle temperature superficiali del mare, distribuiti su una tendenza secolare, e su periodi più brevi di 23 anni, ha consentito di strutturare un modello che mette in relazione i sistemi Sole-Atmosfera-Terra; in particolare lega il vento corpuscolare alla temperatura superficiale del mare, attraverso la circolazione atmosferica e la rotazione terrestre.
Un aumento dell’attività solare corpuscolare causa una decelerazione della circolazione zonale atmosferica, che a sua volta causa un rallentamento della rotazione della Terra, che provoca una riduzione della SST.
Tale aproccio Olistico, ci consente di prevedere una graduale diminuzione del riscaldamento dell’ atmosfera terrestre a partire da questa Decade.

INTRODUZIONE
SI deve registrare un aumento esponenziale nell’ uso dei General Circulation Model, per prevedere
l’ aumento medio delle temperature terrestri, dovuto all’ immissione da parte dell’ uomo della CO2.
Questo richiede l’ uso di potentissimi computer, che forniscono le soluzioni ad una serie di equazioni parziali differenziali, fortemente combinate e non lineari, che coinvolgono una grande quantità di Input.
Per Modellare il sistema Oceano-Atmosfera, spesso sono state introdotte delle semplificazioni, che ignorano una serie di dati: tali semplificazione possono introdurre dati inaspettati, dovuti al “paradosso di Lorenz”.
In passato, questa pratica era limitata, e ciò era dovuto ad un ridotto potere di calcolo da parte degli elaboratori.
L’ abbattimento dei costi della tecnologia, nonché il miglioramento delle prestazioni, hanno reso possibile la costruzione di modelli altamente sofisticati: cosa impensabile fino a qualche decennio fa.
I GCM attuali sono subordinati al valore della loro complessità: questo induce a pensare
che aumentando la complessità, aumenta il “realismo” dei modelli.
Quello che sfugge, però, è che più il modello è complesso, più è duro confutarlo: ci troviamo di fronte ad un paradosso: più il modello si avvicina ad una completa rappresentazione del sistema Oceano-Atmosfera, più diventa complesso valutarne i risultati.
Esiste, pertanto, un compromesso tra rappresentazione e valutazione.
Un modo per superare tale paradosso presentato di seguito: lo scienziato deve avere il coraggio
di venire fuori dal fenomeno investigato e, quindi, analizzare il fenomeno dall’ esterno.
Ciò significa che i dati forniti dal metodo riduzionista dei GCM devono essere paragonati a quelli forniti da un metodo olistico che mette in relazione i fenomeni solari e terrestri, che investiga il fenomeno nella sua totalità e riduce drasticamente i gradi di libertà del sistema, allo stesso modo di quello usato per i meccanismi celesti in cui le forze agenti sono descritte da un piccolo numero di equazioni, coinvolgendo le variabili che sono determinate con un alto grado di precisione.
In questo lavoro, è presentato un metodo olistico mette in relazione l’ attività corpuscolare del sole, la SST, la Circolazione Atmosferica, e la lunghezza del giorno.
In questa sede si fa presente che le radiazioni solari elettromagnetiche e le radiazioni corpuscolari mostrano comportamenti simili nel tempo, ma possono generare meccanismi terrestri completamente diversi.
Il flusso elettromagnetico è considerato essere più forte rispetto a quello corpuscolare, in termini di magnitudo ma la non omogeneità spaziale dell’ ultimo, riveste un importante ruolo nei processi troposferici.

RACCOLTA DATI

External Geomagnetic Activity: Aa ( nT) ( intervallo : 1868-2007) che misura la turbolenza del vento solare nel piano ecclittico[2]. L’ indice aa è la media del K Index misurato su due stazioni antipodali, il che garantisce un’ alta affidabilità nel rilevamento dell’ attività geomagnetica.
L’ osservatorio di Greenwich e l’ osservatorio di Melbourne, hanno lavorato simultaneamente, ed ininterrottamente fino al 1967, quando furono sostituiti dagli osservatori di Abinger Hartland e di Toolangi. I dati annuali dell’ aa index sono riportati
in Fig. 1.

Fig.1

Pressione Atmosferica del mare, espressa in hPa: dati forniti dal “Climatic Research Unit, dell’ Università di East Anglia, dal 1873-2003. I dati raccolti per l’ emisfero Nord, sono più “densi” di quelli per l’ emisfero Sud.
L’ analisi oggetto di questo studio è confinata al solo emisfero Nord. I dati annuali, sono raccolti dal 5° Latitudine, 10° Longitudine.
Per ottenere una semplice misura annuale dei venti zonali, è stato preso in considerazione lo Zonal Index (ZI) espresso in hPa, e rappresenta la differenza di pressione tra il 35° e 55° parallelo.[5]
I dati annuali dello ZI, sono riportati in Fig. 2. Tale indice rende semplice la rappresentazione grafica di una situazione abbastanza complessa.

Fig. 2

Lunghezza del Giorno: rappresenta la rotazione terrestre,normalmente ricavata dalla lunghezza media del giorno, LOD, espressa in ms; misura ricavata dalla differenza tra la lunghezza astronomica del giorno, e la lunghezza standard( 1850-2007).[6]

Fig. 3

SST: Temperature superficiali del mare ( °C), dati forniti dal Climatic Research Unit, University of East Anglia (interval: 1850–2007) espresso come anomalie del periodo con maggiore copertura(1961- 1990)
[7,8].
La copertura è particolarmente spinta per l’ emisfero Nord, un po meno per quello sud, ma comunque l’ analisi è confinata all’ Emisfero Nord. I dati annuali di SST sono riportati in fig. 4

Fig. 4

La Temperatura Superficiale del Mare, può essere considerata, con buona approssimazione il vero termometro del sistema Oceano-Atmosfera, data la capacità Termica degli Oceani; le SST sono un filtro naturale che elimina le variazioni di temperature su tempi brevi, che sono presenti nelle temperature dell’ aria. Inoltre circa il 70% della Terra è coperta da Oceani, ed inoltre la SST rappresente la somma di tutte le differenze delle temperature misurate a terra, che dipendono anche dal punto in cui sono situate le stazione.

METODOLOGIA ED ANALISI

E’ comunemente noto che l’ aa, indice di attività gemomagnetica, mostra grandi fluttazioni
a 11 e 22 anni.[3,4,9,10]
Essendo la serie di dati a disposizione dal 1868, tale indice risulta essere essenziale per comprendere il comportamento a lungo termine dell’ attività geomagnetica solare, ed è particolarmente utile normalizzare , in base alla media lineare, tali dati a 23 anni.
Infatti, le variazioni nel residuo possono essere sogette ad un’ analisi più accurata a basse frequenze spettrali che quando sono polarizzate con onde d’ alta frequenza e da un variazione non ciclica.
Lo scpo di questo lavoro è di investigare sul Forcing geomagnetico sulle SST, attraverso la circolazione atmosferica e la rotazione terrestre.
E’ utile rammentare al lettore che il maggior ruolo dell’ aa e lo ZI che una zona cuscinetto, dove l’ energia in entrata da fonti esterne è accumulata modulata e trasmessa.
L’ effetto osservabile da questo tipo di processo è cumulativo, e quindi quello che rappresentano questi due indici, ha effetto sul lungo termine, determinando effetti climatologici che inducono a cambiamenti improvvisi nella bassa troposfera.
Attraverso l’ ausilio dell’ Integrale di Riemann, per detrendizzare i valori annuali di aa e ZI, è possibile ottenere i valori di Iaa, IZI, indicativi del vento solare e della velocità dei venti zonali ( Integrale di una Pressione, e quindi di una Forza, risulta essere la velocità).
La tabella 1 mostra , per ogni coppia di variabili esaminate, il ritardo di fase in corrispondenza di un indice di correlazione con un livello di confidenza non inferiore al 95%.[10]

I Grafici sono ottenuti normalizzando attorno ad una media pari a zero, ed a uno scarto quadratico medio pari ad uno.

In figura 5 è rappresentato il diagramma nel dominio del tempo dei valori annuali di Iaa e di IZI, detrendizzati e regolari secondo la media di 23 anni; Iaa e IZI appaiono in relazione inversa, con un indice di correlazione pari a -0.97 con Iaa shiftata in avanti di 5 anni. Questo indica che un aumento del vento solare causa una diminuzione della circolazione zonale dopo 5 anni.

Fig. 5

La Figura 6 mostra la relazione tra i valori annuali di IZI e di LOD . avendo come riferimento la media di 23 anni: spostando in avanti IZI di 4 anni, le due curve sono in relazione tra loro con un indice di correlazione pari a -0.87.Questo indica che una diminuzione della circolazione zonale causa un rallentamento della Terra, dopo 4 anni.

Fig. 6

La Figura 7 mostra il grafico dei valori annuali di LOD e di SST, detrendizzati secondo la media di 23 anni; LOD modula le SST, secondo un relazione inversa, con un coefficiente di correlazione di -0.98 quando IZI è spostato in avanti di 4 anni: questo indica che un aumento della lunghezza del giorno causa una diminuzione nella temperatura delle superficie del mare dopo 4 anni.

Fig. 7

DISCUSSIONE
La maggior parte dei scienziati ritengono che la CO2 di origine antropica sia alla base dell’ effetto serra responsabile dell’ aumento delle temperature globali; non solo: questo aumento viene proiettato sui prossimi 100 anni.
Questo fatto è sostanzialmente dovuto all’ adesione di questi scienziati al riduzionismo matematico, che fornirebbe delle previsioni partendo da alcune “scatole” sempre più piccole che contengono parti del sistema Atmosfera-Oceano, dove avvengono dei meccanismi che si traducono in procedure non lineari.
A tal proposito vanno considerati i GCM utilizzati per le previsioni stagionali, che spesso incorrono in clamorosi errori a distanze temporali nel medio periodo.
Questo metodo riduzionista, insomma, induce a degli errori, dovuti al fatto che il modello non potrà mai rappresentare correttamente l’ intero sistema Atmosfera-Oceano.
Per superare un tal paradosso,si è scelta la strada di seguire un modello olistico, ossia un modello che analizza i Sole, la circolazione atmosferica, la rotazione terrestre, e la temperatura del mare come una singola unità (sint di unum del ut): L’ arrivo sulla Terra di forti onde d’ urto “Hydrodinamiche”durante i periodi di forte espulsione di particelle da parte del Sole provoca una deformazione della magnetosfera della Terra, ed una decelerazione dei venti zonali, che forza la rotazione Terrestre, rallentondola, provocando una diminuzione delle SST.
Seguendo questo approccio Olistico, la turbolenza del vento solare e dei venti zonali, hanno effetti cumulativi, piuttosto che istantanei, dove gli assorbimenti di energia vengono prima “ immagazzinati” e poi trasmessi.
L’ Accelerazione dei venti zonali, è verificata seguendo la procedura di Riemann, il che permette di classificare la dominanza del tipo di circolazione: :
la circolazione meridionale è stata dominante nei seguenti periodi: 1885-1915 e 1960-2000 ;
la circolazione zonale tra il 1915-1960 , e l’attuale periodo (fig. 5).
Come si può notare esiste una sorta di equilibrio fra le componenti dei venti zonali.
Una circolazione fortemente zonale, si traduce in una contrazione del Vortice Polare, il che si traduce in un aumento delle SST; una circolazione debole dei venti zonali, che si traduce in una forte circolazione meridionale ( meridianizzazioni) significa che il Vortice Polare è in espansione, il che è collegato ad una diminuzione delle SST.
I periodi di forte circolazione Zonale sono caratterizzati da riscaldamento globale, nei periodi di circolazione meridiana si è assistito ad un periodo di raffreddamento globale [11.12].
La lunghezza del giorno (LOD) Si comporta come variabile che integra tutta la dinamica interna tra le diverse celle di circolazione troposferica. Ad esempio il comportamento dello IZI, calcolato tra 85°N e 55°N risulata simile a quello ottenuto fra fra 35°N e 55°N ma con un ritardo di fase differente per quanto riguarda Iaa.
Vale la pena notare l’ asimmetria tra il LOD e la SST, riportata nella fig. 7: Quando il LOD ha un massimo, la SST ha un minimo con ampiezza simile, sfasato di 4 anni.
Attraverso quest’ approccio Olistico è possibile farsi un’ idea del clima futuro partendo dalle fluttuazione del LOD, che hanno come eff etto un cambio delle SST.
E’ di recente identificazione un ciclo di 60 anni per il LOD, con un livello di confidenza superirore al 99%[13]; attraverso le relazioni trovate tra il LOD e SST, e tenendo conto del ciclo di 60 anni del LOD, si può dedurre come le temperature (SST) , a partire dal 2005 , possano inziare a scendere, e i recenti dati supportano questo risultato ( Fig. 4)

CONCLUSIONI
Attraverso questo studio si è affrontata al tematica del riscaldamento globale, inquadrata in un approccio che tiene conto della turbolenza del vento solare, della circolazione atmosferica,
e della lunghezza del giorno.
Attraverso questo approccio si tiene conto dell’ intero meccanismo Terra-Atmosfera-Sole.
Partendo dal fatto che l’ attività corpuscolare del Sole abbia lo stesso comportamento del passato,tenendo conto del ciclo di 60 anni, si può prevedere un graduale raffreddamento in questa decade.

[1] Liritzis I, Galloway RB. Solar-climatic effects on lake /marine
sediment radioactivity variations. J Coast Res 1995, 17: 63-71.
[2] Mayaud PN. The aa indices: a 100-year series characterizing the
magnetic activity. J Geophys Res 1972; 77: 6870-74.
[3] Legrand JP, Simon PA. Solar cycle and geomagnetic activity: A
review for geophysicists, I; the contributions to geomagnetic activity
of shock waves and of solar wind. Ann Geophys 1989; 7: 565-
78.
[4] Simon PA, Legrand JP. Solar cycle and geomagnetic activity: A
review for geophysicists, II; the solar sources of geomagnetic activity
and their links with sunspot cycle activity. Ann Geophys 1989;
7: 579-94.
[5] Rossby CG. Relation between variation in the intensity of the zonal
circulation of the atmosphere and the displacements of the
semipermanent centers of action. J Marine Res 1939; 2: 38-50.
[6] Stephenson FR, Morrison LV. Long-term fluctuations in Earth’s
rotation: 700 BC to AD 1990. Philos Trans R Soc A 1995; 351:
165-202.
[7] Brohan P, Kennedy JJ, Harris I, Tett SFB, Jones PD. Uncertainty
estimates in regional and global observed temperature changes: a
new dataset from 1850. J Geophys Res 2006; 111, D12106.
[8] Rayner NA, Parker DE, Horton EB, et al. Globally complete analyses
of sea surface temperature, sea ice and night marine air temperature,
1871-2000. J Geophys Res 2003; 108, 4407.
[9] Mazzarella A, Palumbo F. Rainfall fluctuations over Italy and their
association with solar activity. Theor Appl Climatol 1992; 45: 201-
07.
[10] Ferraro S, Mazzarella A. Solar activity and algal bloom occurrences
in the Northern Adriatic Sea: geomagnetic connection.
Theor Appl Climatol 1998; 59: 129-34.
[11] Lamb HH. Climate, Present, Past and Future, Methuen, London,
1972; p. 613.
[12] Lambeck K. The Earth’s variable rotation, Cambridge University
Press, 1980; p. 449.
[13] Mazzarella A. The 60-year modulation of global air temperature:
the Earth’s rotation and atmospheric circulation connection. Theor
Appl Climatol 2007; 88: 193-99.

Traduzione a cura di Fabio Febbraio