16 April 2021

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Le forme di energia nell’atmosfera e le possibili variazioni future

L’energia potenziale, in atmosfera è costituita da due parti: l’energia potenziale gravitazionale e l’energia potenziale interna. L’energia potenziale gravitazionale deriva dal campo gravitazionale terrestre ed è l’energia posseduta dalle masse d’aria in funzione della loro quota rispetto alla superficie terrestre. L’energia potenziale interna è, invece, l’energia potenziale posseduta dalle masse d’aria, sotto forma di calore (senza apporti di calore latente) in funzione delle loro temperature.

Energia potenziale gravitazionale ed energia potenziale interna non sono fra loro disgiunte. Si può dimostrare che l’energia potenziale gravitazionale di una data colonna d’aria che sovrasta una certa area della superficie terrestre è proporzionale all’energia interna media di quella colonna d’aria. La somma di queste due parti dell’energia potenziale è denominata energia potenziale totale.

Nell’atmosfera, energia cinetica ed energia potenziale giocano un ruolo combinato e complementare. Il caso tipico è quello della stagionalità.

Quando si passa, per esempio, dalla stagione calda a quella fredda, l’atmosfera si raffredda e si contrae (aumenta la sua densità e diminuisce il suo volume), di conseguenza l’energia potenziale diminuisce favorendo l’aumento delle trasformazioni in energia cinetica. In questo passaggio la stagione calda funziona come generatrice di energia cinetica e la stagione fredda come dissipatrice di energia cinetica.

Quando si passa, invece, dalla stagione fredda a quella calda, l’atmosfera si riscalda e si espande (diminuisce la sua densità e aumenta il suo volume), di conseguenza, l’energia potenziale aumenta, e le possibilità di trasformazioni in energia cinetica diminuiscono. In questo passaggio la stagione fredda funziona come generatrice di energia potenziale e la stagione calda come dissipatrice di energia potenziale.

Ma se aumenta l’energia del sistema climatico globale, cosa succede?

A causa della crescente presenza di gas serra in atmosfera, la composizione dell’atmosfera sta subendo crescenti modifiche che sono tali da aumentare, a parità di energia solare incidente assorbita dalla superficie terrestre, il flusso di energia termica che circola nell’atmosfera. Questo surplus di energia termica che, per ora si aggira nei valori lordi attorno a 2-3 watt/mq e nei valori netti attorno a 1,8 watt/mq, e che corrisponde ad oltre un migliaio di terwatt in più nell’atmosfera, sta progressivamente aumentando.

Se non ci saranno adeguate misure per ridurre le emissioni antropogeniche di gas serra e per stabilizzare le concentrazioni atmosferiche dei gas serra, i flussi energetici aggiuntivi nell’atmosfera avranno, nel 2100, secondo IPCC, valori lordi compresi fra 6 e 15 watt/mq e valori netti compresi tra 4 e 10 watt/mq (da 2 ad almeno 5 volte di più di quelli, già anomali, della situazione attuale). Il maggiore contenuto energetico dell’atmosfera implica soprattutto una maggiore energia termica. Una maggiore energia termica significa a sua volta una maggiore espansione (o dilatazione) dell’atmosfera e, di conseguenza, aumenta l’energia potenziale totale dell’atmosfera globale.

Un aumento della temperatura media globale di 3-4°C (prevista da IPCC al 2100 con misure scarsamente efficaci di contenimento dei gas serra) farà innalzare il centro di massa dell’atmosfera globale, attualmente posizionato attorno ai 5.700 metri di altezza dalla superficie terrestre, di circa 70-80 metri, cioè di una percentuale attorno a 1,2% – 1,5% e, quindi, anche l’energia potenziale totale globale aumenterà proporzionalmente delle stesse percentuali.

Poiché l’energia potenziale è strettamente interconnessa con l’energia cinetica, soprattutto nelle trasformazioni energetiche legate alla circolazione termica ed ai moti convettivi verticali, è ragionevole ipotizzare che, se aumenta l’energia potenziale totale globale, anche i moti convettivi (principali responsabili dei fenomeni estremi delle basse latitudini) aumenteranno. In altre parole l’atmosfera diventerà mediamente più instabile e con maggiore turbolenza termoconvettiva. Di pari passo anche la circolazione termica delle masse d’aria, che è fondata sui moti verticali (come quella monsonica e quella di brezza), subiranno una intensificazione.

Prof. Vincenzo Ferrara

Le forme di energia nell’atmosfera e le possibili variazioni future