Didattica: la circolazione generale atmosferica

Il sole: motore principale dell’atmosfera a scala globale

L'origine della circolazione atmosferica viene fatta risalire alla non uniforme distribuzione dell'energia solare in seno al sistema terra-atmosfera. Tale sistema riceve le radiazioni solari, riflettendone e diffondendone una parte e assorbendone l'altra. Alla sommità dell'atmosfera giungono in media 2 cal/cm² per min delle quali circa il 60% viene assorbito e il rimanente 40 % riflesso e diffuso verso l'alto. L'energia assorbita non si distribuisce in modo uniforme in seno al sistema terra-atmosfera essenzialmente per due motivi, la forma geometrica della terra e l'inclinazione del suo asse di rotazione rispetto alla perpendicolare al piano dell'orbita intorno al sole.  La forma geometrica della terra implica che l'angolo di incidenza della radiazione solare, ovvero l' angolo tra raggi del sole e la perpendicolare alla terra nel punto di incidenza, vari con la latitudine e precisamente decresca dai poli verso l'equatore. A causa di ciò la stessa quantità di energia si distribuisce su aree sempre più grandi, man mano che ci si sposta dall'equatore verso i poli, con il risultato che il riscaldamento risulta più intenso alle basse latitudini anzichè alle alte. L'inclinazione dell'asse di rotazione della terra rispetto alla perpendicolare al piano dell'eclittica, che è di circa 23,5°, fa sì che in uno stesso punto del pianeta l'altezza del sole sull'orizzonte vari nel corso dell'anno. Dunque il sole, nel suo moto apparente annuale, compie un'oscillazione completa intorno all'equatore fra il tropico del Cancro e il tropico del Capricorno, per cui sulle località della fascia intertropicale i suoi raggi sono quasi sempre perpendicolari alla superficie terrestre, mentre alle latitudini superiori la loro inclinazione diviene sempre più marcata. Ne consegue che il sistema terra atmosfera riceve molta più energia alle latitudini inferiori che a quelle superiori.

Il sistema a sua volta, come si è visto, riemette energia per irraggiamento e la differenza fra quella ricevuta e quella riemessa costituisce il bilancio radiativo globale. Si è dimostrato che tale bilancio è largamente positivo, ovvero si ha guadagno di calore, alle basse latitudini e notevolmente negativo, ovvero si ha perdita di calore, alle alte latitudini. 

L'aria, dunque, si dovrebbe scaldare sempre di più alle latitudini intertropicali e raffreddare sempre di più a quelle polari. Ciò in effetti non accade proprio perchè la circolazione generale dell'atmosfera interviene in modo da assicurare un trasporto di calore lungo i meridiani dall'equatore verso i poli, rimuovendo le eccedenze di energia dalle zone intertropicali e compensando le perdite di energia in quelle polari.

Le leggi fisiche che intervengono nella circolazione generale dell’atmosfera

L’esperienza mostra che l'aria, a scala globale, presenta movimenti caratteristici di cui conviene tener conto. Alle latitudini extratropicali le correnti atmosferiche fluiscono mediamente da ovest verso est con una velocità maggiore di quella alla quale la terra ruota intorno al proprio asse e sono concentrate a due latitudini particolari: intorno al 60° e al 30° parallelo, rispettivamente alle quote di 8-10 e di 12-14 km. Alle latitudini intertropicali, invece, la circolazione, come risulta evidente osservando i venti nei bassi strati, è mediamente orientale, ovvero si svolge in senso contrario alla rotazione della terra, nonostante l'attrito esercitato dalla superficie di questa.

Da quanto sopra risulta che l'aria acquista momento della quantità di moto rispetto alla terra nelle zone temperate e ne perde in quelle equatoriali. Devono di conseguenza esistere meccanismi atti ad assicurare il trasporto di momento della quantità di moto dalle basse latitudini verso quelle intermedie. Alle latitudini equatoriali, per il forte riscaldamento, vi sono continui movimenti ascendenti dovuti all'azione della convezione. Ciò causa un ulteriore aumento di calore nelle zone intertropicali per via delle grandi quantità di calore che si liberano nella condensazione del vapore acqueo. Nelle regioni polari, al contrario, a causa del forte raffreddamento, l'aria tende ad avere moti discendenti. Se la terra fosse omogenea e non ruotante, si determinerebbe lungo i meridiani una circolazione come quella indicata nella figura seguente:

L'aria presenterebbe moti ascendenti all'equatore e discendenti ai poli; si determinerebbero correnti dirette verso i poli in quota e verso l'equatore nei bassi strati. Dato che la terra ruota, è necessario tener conto di due leggi della dinamica, che spiegano la circolazione dell' atmosfera a livello globale, così come si osserva in natura: la legge di Coriolis e quella della conservazione del momento assoluto della quantità di moto. In base alla prima legge una particella d'aria che viaggi dall'equatore verso il polo subisce una deviazione verso destra nell'emisfero settentrionale e verso sinistra in quello meridionale, deviazione che va crescendo con la latitudine. Ovvero in entrambi gli emisferi le correnti che si dirigono verso i poli tendono a divenire occidentali. In base alla seconda legge il momento assoluto della quantità di moto occidentale di una particella di massa unitaria, avente componente della velocità lungo i paralleli u e distanza dall'asse di rotazione terrestre r_p è:

M= r_p (u + W r_p) = costante

dove W = cost è la velocità di rotazione della terra.

Il flusso dell'aria che negli strati superiori dall'equatore si dirige verso i poli subisce dunque per la prima legge una deviazione verso oriente, in entrambi gli emisferi, che diventa pressochè totale intorno alla latitudine di 30 gradi; per la seconda legge, poichè, all' aumentare della latitudine r_p diminuisce e M è costante, u deve aumentare; quindi al crescere della latitudine aumenterà l'intensità del vento occidentale. In questo modo si determinano negli alti strati, nei pressi del trentesimo parallelo nord e del trentesimo parallelo sud, massimi del vento da ovest, ovvero quei poderosi flussi d'aria che vengono chiamati correnti a getto subtropicali.

Al semplice modello ad una cellule, per il quale si era supposta la terra omogenea e non ruotante, si deve sostituire un modello più complesso che tuttavia è sicuramente ancora ben lontano dal rappresentare soddisfacentemente quello che avviene in realtà.

Circolazione generale dell'atmosfera a tre cellule: di Hadley (H), di Ferrel (F) e Polare (P). Sono segnalate le posizioni del getto subtropicale (GTS) e di quello polare (GP), della tropopausa tropicale (TT), intermedia (TI) e polare (TP), degli anticicloni subtropicali (As) e di quelli termici polari (At), delle alte e basse mobile delle medie latitudini (Am e Bm), degli alisei (AL) e della zona di convergenza intertropicale (ZCIT).

La cellula più vicina all'equatore, detta di Hadley, rappresenta schematicamente la circolazione a grande scala alle basse latitudini. La persistenza dei getti subtropicali nei due emisferi costituisce una sorta di ostacolo all'estensione dei flussi d'aria in quota provenienti dall'equatore, detti contralisei, verso le zone temperate; quindi, intorno a 30 gradi di latitudine nord e sud si generano correnti discendenti. La persistenza di tali correnti determina subsidenza che favorisce la formazione di anticicloni detti, per la zona in cui si generano, subtropicali. In questi l'aria diverge e la parte che si dirige verso l'equatore, per la legge di Coriolis, devia verso occidente, dando luogo agli alisei. L'aliseo dell' emisfero nord, proveniente da nord-est e quello dell'emisfero sud, proveniente da sud-est, si incontrano lungo la "linea di convergenza intertropicale" ZCIT.

Da quanto sopra esposto risulta che le cellule di Hadley rappresentano la schematizzazione dell'aria a grande scala nelle zone intertropicali e permettono il trasporto di calore dalle regioni equatoriali verso le latitudini subtropicali. L'esistenza di correnti occidentali alle medie latitudini comporta che ci siano meccanismi atti a propagare ulteriormente momento della quantità di moto occidentale dai tropici verso le zone temperate. Ciò avviene mediante due processi, uno legato alla circolazione media, l'altro a quella istantanea. Nel primo caso è la velocissima corrente a getto subtropicale che, funzionando come una specie di volano, trasmette quantità di moto occidentale all'aria delle medie latitudini. Nel secondo caso sono le configurazioni ad onda in quota proprie delle medie latitudini che, in una determinata fase del loro ciclo vitale assumono, con riferimento all'emisfero settentrionale, un orientamento da nord-est verso sud-ovest, facendo sì che l'aria proveniente dalle regioni settentrionali abbia solo una piccola componente da ovest, mentre quella proveniente dalle regioni meridionali una grande componente da ovest. Si determina quindi un trasporto verso sud di una piccola quantità di moto occidentale e un trasporto verso nord di una grande quantità di moto occidentale, tanto che quest'ultima, risultando prevalente, fa sì che, alla fine del ciclo ondulatorio, si ricostituiscano alle latitudini superiori delle zone temperate i preesistenti forti flussi occidentali che costituiscono la corrente a getto polare. Nelle configurazioni di flusso, infatti, si alternano stadi di indice alto, in cui le correnti a getto sono zonali, ovvero seguono quasi i paralleli e stadi di indice basso,in cui le correnti diventano meridiane e prevalgono saccature e promontori di grande estensione, che permettono il trasporto verso nord di momento occidentale.

Le onde in quota alle medie latitudini, in una certa fase del loro ciclo vitale, determinano un grande trasporto di quantità di moto occidentale verso nord. La figura si riferisce all'emisfero settentrionale

Fasi del ciclo ondulatorio delle configurazioni di flusso in quota alle medie latitudini.

Alla fine si determinano configurazioni chiuse di bassa e alta pressione alle latitudini inferiori e si ricostituisce la corrente a getto zonale a quelle superiori.

Le saccature e i promontori in quota, associati rispettivamente ai cicloni e agli anticicloni mobili al suolo, costituiscono una sorta di macroturbolenza, che opera il trasporto meridiano del momento della quantità di moto.  Il trasporto di energia attraverso le medie latitudini, attuato dalle saccature e dai promontori in quota, dalle correnti a getto polari, dai cicloni e dagli anticicloni al suolo, dai fronti, tutti sistemi tra loro intimamente connessi, è assai complesso. Infatti sono coinvolte molte forme di energia, che possono anche trasformarsi l'una nell'altra: energia cinetica, energia potenziale di gravità, energia interna, calore latente, il tutto  complicato dagli scambi con la superficie degli oceani, delle terre emerse, delle distese di ghiaccio ecc..

Per completare la descrizione delle cellule di circolazione evidenziate nella figura 3, si ponga l'attenzione su quella a nord del 60° parallelo. L'esistenza di cellule di questo genere non è sicura. Tuttavia l'osservazione mostra che sulle calotte polari in media prevalgono anticicloni termici. L’aria fredda che diverge da tali anticicloni, dirigendosi verso le latitudini inferiori, devia verso ovest per Coriolis e va a convergere con quella calda delle medie latitudini, che mediamente è trasportata da correnti occidentali. Si determinano in questo modo condizioni di forte gradiente termico e di intensa baroclinicità, caratteristici dei sistemi frontali, sui quali si sviluppano i cicloni extratropicali. Gli scambi d'aria lungo i meridiani alle medie latitudini possono schematizzarsi con le cellule di Ferrel solamente dal punto di vista delle medie. Le cellule di Ferrel vengono dette a circolazione indiretta perchè nella parte meridionale, dove l'aria è più calda, darebbero luogo a moti subsidenti e in quella settentrionale, ove l'aria e più fredda, a moti ascendenti. Palmen ideò un modello che sembra descrivere in modo migliore ciò che accade in realtà, in particolare per quel che riguarda la circolazione di masse d' aria di diversa origine.

In tale modello la parte discendente della cellula di Hadley si divide in due rami: uno torna verso l'equatore a chiudere la circolazione della cellula stessa, l'altro volge verso il polo, salendo in quota lungo la superficie del fronte polare. Durante questa ascesa l'aria tropicale si inserisce nelle correnti occidentali, proprie delle medie latitudini, e, mescolandosi con esse, perde le sue caratteristiche originali. Il flusso, poi, superato in quota il fronte polare, ridiscende, dividendosi in due rami: uno, diretto verso il polo, subisce un rimescolamento orizzontale con l'aria polare, l'altro, diretto verso l'equatore, va a ricollegarsi alla cellula di Hadley intorno al 30° parallelo, nella zona in cui, prevalendo la divergenza, non ci si attende una zona limite ben marcata fra diverse masse d'aria. Il modello di circolazione a tre celle della figura 3 può dunque essere sostituito da quello della figura 7, nel quale risulta evidente come alle medie latitudini predomini la circolazione legata ai sistemi frontali, mentre alle basse latitudini quella associata alla cellula di Hadley. L' aria polare si dirige verso le latitudini inferiori a ovest dei sistemi frontali, mescolandosi con l'aria discendente dagli strati superiori dietro la superficie frontale. Confluisce quindi, ormai trasformata, nella parte inferiore della cella di Hadley, ovvero negli alisei. Aria tropicale, proveniente dalla cellula di Hadley viene invece verso nord, salendo in quota.

Si ringrazia il sito www.meteorologia.it

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