Il ciclo dell’acqua
Franco Ravelli

Il clima definisce un’insieme di condizioni abiotiche che, tutte assieme, contribuiscono a caratterizzare un ambiente o un’area geografica. Le principali componenti che definiscono il clima sono la temperatura dell’aria, la piovosità, e i movimenti dell’aria (o venti) predominanti. Sulla Terra le condizioni climatiche sono governate da almeno cinque sistemi diversi: l’atmosfera, l’idrosfera, la biosfera, la criosfera, e la geosfera.
I primi due sistemi sono assoggettati a leggi sostanzialmente fisiche, ma i loro tempi di risposta sono diversi (settimane o mesi per l’atmosfera, anni o decenni per gli oceani). Il tempo di reazione della biosfera è dell’ordine di grandezza di quello dell’atmosfera (mesi o anni) più che di quello dell’idrosfera, ma le leggi cui è assoggettata sono assolutamente diverse da quelle che governano le prime due. La criosfera sembra non avere caratteristiche in comune con alcuno dei sistemi precedenti, ed ha un tempo di reazione dell’ordine di migliaia o milioni di anni. La geosfera è la meno inflenzata dalle prime componenti, ma le influenza pesantemente sia su scala temporale breve (ad esempio con effusioni vulcaniche) sia lunghissima (centinaia di milioni di anni).
Dalla interazione tra questi sistemi scaturisce il governo del clima che, pertanto, è uno dei fenomeni con la dinamica più complessa che si possa pensare di seguire. La quantità di energia solare che giunge sulla Terra è diversa a seconda dell’inclinazione che i raggi solari incidenti hanno con la superficie terrestre. La restituzione notturna di calore (irraggiamento) (componenti a maggiore lunghezza d’onda dell’energia immagazzinata) è invece paragonabile ad ogni latitudine. Con questo si ha che nelle diverse zone del pianeta (e solo per ragioni fisiche o astronomiche) il bilancio termico tra radiazione assorbita radiazione dispersa è variabile. Nella realtà, le basse latitudini non sono uniformemente calde, e quelle elevate non sono uniformemente fredde dal momento che i continenti hanno una capacità termica diversa da quella degli oceani. Esiste, inoltre, un trasferimento di calore dalle latitudini tropicali a quelle polari che si realizza mediante lo spostamento dei fluidi (aria ed acqua) sulla superficie terrestre.
Il bilancio termico positivo a livello dell’equatore (di giorno giunge dal Sole più energia termica di quanta non se ne disperda di notte per irraggiamento) riscalda l’aria espandendola verso l’alto (la alleggerisce) producendo una situazione di generalizzata bassa pressione atmosferica. Ciò causa un richiamo di masse d’aria dalle aree limitrofe all’equatore in modo alquanto costante (venti alisei). Questi venti costanti diretti verso l’equatore sono, a causa della forza di Coriolis, deviati verso W e dunque spirano da NE verso SW nell’emisfero boreale, e da SE verso NW nell’emisfero australe. L’aria che si espande (per riscaldamento) all’equatore è carica di umidità; salendo verso gli strati freddi dell’atmosfera condensa e restituisce l’umidità sotto forma di pioggia. Scaricatasi dell’umidità, questa aria equatoriale viene allontanata verso N e S da altra aria che sale al di sotto di essa, e ridiscende al suolo, asciutta e fredda a causa della sua permanenza negli alti livelli atmosferici, più o meno intorno ai tropici a sostituire l’aria attirata (alisei) dalla bassa pressione equatoriale. Questo schema di circolazione (cella di Hadley) non individua un’unica fascia intertropicale, ma si fraziona in più elementi (basse pressioni equatoriali alternate ad alte pressioni tropicali) che muovono correnti d’aria in circolazioni di senso orario nell’emisfero boreale, e di senso antiorario nell’emisfero australe. La presenza di masse continentali frapposte a quelle oceaniche, infatti, si rende responsabile della localizzazione geografica delle barocellule; inoltre la diversa distribuzione di continenti e oceani ai due lati dell’equatore finisce con alterare anche sensibilmente queste circolazioni. Infatti, a livello del sistema Asia-Oceano Indiano, i movimenti dell’aria (venti monsoni) sono determinati dal più veloce raffreddamento d’inverno, e dal più veloce riscaldamento d’estate, del continente rispetto all’oceano.
Durante l’estate dell’emisfero boreale il maggiore riscaldamento del continente asiatico rispetto all’oceano Indiano, impedisce la formazione degli alisei boreali diretti verso l’equatore e, viceversa, attira gli alisei australi, prolungandone il percorso fin sopra il continente asiatico. Questi venti, carichi dell’umidità che hanno prelevato dal loro lungo spostamento sull’oceano, quando prendono a salire verso l’alto (come avrebbero dovuto fare all’equatore), a causa del riscaldamento del suolo, raffreddandosi si liberano dell’umidità originando piogge intense e durevoli (stagione delle piogge monsoniche). L’aria che, provenendo dall’equatore, ricade verso la superficie terrestre a livello dei tropici, solo in parte torna verso l’equatore attirata dalle basse pressioni qui presenti. Una buona parte di essa, infatti, si dirige, invece, verso il polo originando venti diretti verso NE, nell’emisfero boreale, e verso SE in quello australe, ma dalle caratteristiche meno costanti e prevedibili. Questa circolazione orientata verso i poli viene interrotta da una risalita intorno ai 60° di latitudine dove anche l’aria polare (che muove dai poli verso l’equatore) si innalza determinando una fascia di bassa pressione, però meno precisa e costante di quella equatoriale. Questa seconda fascia di risalita (bassa pressione) corrisponde ad una seconda fascia piovosa.
Esclusivamente in base alle caratteristiche astronomiche, e alla quantità di energia solare che la Terra riceve per unità di superficie dal sole, il pianeta potrebbe essere sostanzialmente suddiviso in 5 grandi domini: due freddi (ai poli), due temperati (a latitudini intermedie), e uno caldo (intertropicale). In realtà, all’interno di ciascuna fascia il clima dipende dal rapporto esistente tra le superfici di terra emersa e quelle di oceano. I confini di tali aree, pertanto, non sono paralleli geografici ma linee isoterme. L’equatore climatico, infatti, corrisponde all’equatore del pianeta solo lungo le aree oceaniche, e se ne differenzia anche notevolmente a livello dei continenti, verso N o verso S, a seconda della stagione. Una temperatura media annua di 20 °C costituisce il limite convenzionale di separazione tra l’area tropicale e quelle temperate; 10 °C di temperatura media del mese più caldo dell’anno, costituiscono invece il limite di separazione tra le zone temperate e quelle fredde o polari. Quest’ultimo limite è particolarmente significativo dal punto di vista biologico in quanto coincide con il limite geografico della vegetazione arborea (nell’emisfero boreale, è il limite settentrionale della tayga). Le regioni climatiche possono essere classificate anche in base a fattori cosiddetti limitanti (caratteristiche ecologiche che, al di là di un dato valore soglia, si comportano come se fossero le uniche responsabili del mantenimento della vita in una data area). Per le regioni terrestri un fattore del genere è senz’altro l’aridità, che si oppone allo sviluppo degli organismi vegetali. L’aridità dipende insieme dalla temperatura e dalle precipitazioni.
Il clima mediterraneo presenta d’inverno caratteristiche più tipiche del clima temperato, mentre d’estate si avvicina al clima tropicale. Le aree caratterizzate da questo particolare clima sono localizzate, in entrambi gli emisferi, fra i 30 e i 45° di latitudine, in genere sul versante occidentale dei continenti.
L’area che costeggia il mare Mediterraneo rappresenta la regione terrestre più ampia con questo tipo di clima. Le caratteristiche principali sono la mitezza degli inverni, piovosi, e un’insolazione particolarmente intensa d’estate, che è un periodo praticamente asciutto. Questa condizione rappresenta un’anomalia planetaria in quanto, eccezion fatta per le regioni oceaniche (in cui piove ogni mese) e quelle desertiche (in cui non piove mai), in tutte le altre regioni del mondo la stagione piovosa è l’estate. Nonostante la mitezza del clima, in queste regioni non è rara la neve, dal momento che il periodo delle precipitazioni coincide con quello invernale. Il clima di ogni regione, e in generale quello di tutto il pianeta, non è costante nel tempo ma ha subito e subisce modifiche. Alcuni grandi eventi climatici (ad es. le ere glaciali) sarebbero correlabili, secondo alcuni, ai periodi orogenetici (caledoniano, ercinico, alpino) del pianeta, secondo altri dipenderebbero dal periodo di rivoluzione dell’intero sistema solare attorno al centro della galassia. Entrambi i periodi hanno un ciclo approssimativo di circa 200 milioni di anni (l’ultima era glaciale ha interessato la Terra, a fasi alterne, da circa 1,5 milioni di anni fa fino a 10.000 anni fa; sembra, al contrario, che siano esistite epoche durante le quali la Terra non aveva calotte glaciali ai poli). Ragioni astronomiche sembrano essere anche alla base di cicli climatici più brevi (ad es. le glaciazioni del Quaternario che sembrano essersi succedute con un periodo di circa 100.000 anni). Tali ragioni sono, ad ogni modo, sufficienti a spiegare solo l’innesco del fenomeno (abbassamento della temperatura media di 6-8 °C). L’accumulo di ghiaccio nell’emisfero boreale, abbassando il livello del mare su tutto il pianeta, avrebbe prodotto la continentalizzazione di aree prima mitigate dal mare e anche l’abbassamento del limite delle nevi perenni in altre parti del globo, provocando in questo modo la segregazione di altra acqua sotto forma di ghiaccio sui continenti, e così via in un processo auto-alimentantesi.
Variazioni climatiche di periodo ancor più breve sono invece attribuibili a fenomeni sempre meno prevedibili e più frequenti. Testimonianze delle variazioni climatiche verificatesi in periodi storici (5.000 a.C. - 2.000 d.C.) sono facilmente deducibili dai cicli di sedimentazione lacustre (varve), dallo spessore degli anelli di accrescimento degli alberi (dendrocronologia), dalla successione stratigrafica dei resti di specie legate a particolari climi, dalla testimonianze scritte o tramandate della situazione climatica di una determinata area (ad es., le scene di caccia dipinte sulla roccia del Tassili, nel cuore del Sahara).
Attualmente è ormai assodato che anche alcune attività umane possono in qualche modo influenzare il clima su scala globale. Le immissioni nell’atmosfera di gas derivanti dai processi di combustione industriale, soprattutto a livello dell’emisfero boreale, sono state considerate come causa di un possibile innalzamento della temperatura media del pianeta (il cosiddetto “effetto serra”). L’anidride carbonica è, tra i gas immessi, l’indiziato principale. Questo gas, infatti, è del tutto trasparente alla radiazione solare che colpisce la Terra (soprattutto nelle lunghezze d’onda del visibile), mentre assorbe, e restituisce verso la Terra, radiazione infrarossa che la Terra emette nello spazio in seguito al “riscaldamento” solare. Un aumento della concentrazione della CO2 atmosferica produce, pertanto, una diminuzione di irraggiamento calorico verso lo spazio, cioè un riscaldamento della superficie terrestre. L’aumento di temperatura sulla superficie terrestre anche di soli pochi gradi centigradi, produce un aumento dell’evaporazione delle acque superficiali e dunque un aumento della presenza di vapore acqueo nell’atmosfera. Questo ultimo effetto contribuisce a mantenere calda la superficie terrestre. Il riscaldamento che in questo modo si produce contribuisce a sciogliere i ghiacci delle calotte polari e anche la diminuzione della superficie ghiacciata del pianeta (= diminuzione della superficie riflettente) avrebbe come conseguenza un aumento di temperatura. Inutile aggiungere che lo scioglimento delle calotte glaciali comporta un aumento del livello degli oceani di alcune decine di metri. Inoltre, l’immissione di acqua fredda nella circolazione oceanica la altererebbe, e l’innalzamento del livello del mare, invadendo porzioni continentali, tenderebbe a mitigare i climi continentali più interni e ad allontanare verso l’alto il livello delle nevi perenni.
Per fortuna le attività umane immettono nell’atmosfera anche altre sostanze che mostrano di avere una azione antagonista. Ad esempio i gas contenenti Zolfo (soprattutto l’anidride solforosa, SO2) nell’atmosfera vengono convertiti in acido solforico che ha il potere di riflettere la radiazione solare in arrivo. La presenza di questa sostanza, sotto forma di aerosol, nell’atmosfera determina un raffreddamento della superficie terrestre e dunque, in ultima analisi, produce un effetto antagonista a quello della CO2. Il ruolo degli aerosol di acido solforico è stato verificato nelle eruzioni vulcaniche. L’eruzione del vulcano el Chichon, nel Chiapas (Messico meridionale) nel 1982 immise nell’atmosfera una grande quantità di Zolfo. In effetti il raffreddamento della superficie terrestre in conseguenza ad un’eruzione vulcanica non dipende dalla quantità di ceneri che il vulcano immette nell’atmosfera, come prima si riteneva, dal momento che tali elementi particolati non permangono a lungo nella circolazione atmosferica, ma ricadono ben presto sulla Terra. L’eruzione di el Chichon ebbe, invece, effetti climatici perchè conteneva Zolfo e, contrariamente alle effusioni laviche caratterizzate da questa presenza che sono “tranquille”, esplodendo riuscì a proiettarne una grande quantità nella stratosfera, dove parte di questo elemento si trasformò in acido solforico che, schermando la radiazione solare, determinò un temporaneo raffreddamento dell’area equatoriale terrestre. Sembra, inoltre, che questo episodio vulcanico apparentemente minore sia stato anche responsabile dell’innesco di un fenomeno di inversione climatica della fascia equatoriale pacifica che va sotto il nome di el Niño.