Questo capitolo si concentra sulla temperatura dell’aria, cioè la temperatura dell’aria osservata a 1,2 m (4 piedi) dalla superficie del suolo. La temperatura dell’aria condiziona molti aspetti della vita umana, dall’abbigliamento che indossiamo ai costi del carburante che paghiamo. La temperatura dell’aria e i suoi cicli agiscono anche per selezionare le piante e gli animali che compongono il paesaggio biologico di una regione. E la temperatura dell’aria, insieme alle precipitazioni, è un determinante chiave del clima, che esploreremo più a fondo nel Capitolo 7.

Cinque importanti fattori influenzano la temperatura dell’aria:

1. Latitudine. I cicli giornalieri e annuali di insolazione variano sistematicamente con la latitudine, facendo variare anche le temperature dell’aria e i cicli di temperatura dell’aria. L’insolazione annuale diminuisce verso i poli, quindi meno energia è disponibile per riscaldare l’aria. Ma poiché il ciclo stagionale dell’insolazione diventa più forte con la latitudine, le alte latitudini sperimentano una gamma molto maggiore di temperature dell’aria durante l’anno.
2. Tipo di superficie. Le temperature dell’aria urbane sono generalmente più alte di quelle rurali. I materiali di superficie della città – asfalto, tegole, pietra, mattoni – trattengono poca acqua, rispetto alle superfici umide del suolo delle aree rurali e delle foreste, quindi c’è poco raffreddamento attraverso l’evaporazione. I materiali urbani sono anche più scuri e assorbono una parte maggiore dell’energia del sole rispetto alle superfici coperte dalla vegetazione. Lo stesso vale per le aree con superfici del suolo sterili o rocciose, come quelle dei deserti.
3. Posizione costiera o interna. Le località vicine all’oceano sperimentano una gamma più stretta di temperature dell’aria rispetto alle località dell’interno dei continenti. Poiché l’acqua si riscalda e si raffredda più lentamente della terraferma, le temperature dell’aria sull’acqua sono meno estreme di quelle sulla terraferma. Quando l’aria passa dall’acqua alla terra, una località costiera sentirà l’influenza dell’acqua adiacente.
4. Elevazione. La temperatura diminuisce con l’elevazione. Ad alta quota, c’è meno atmosfera sopra la superficie, e i gas serra forniscono una coperta isolante meno efficace. Più calore superficiale si perde nello spazio. Sulle alte vette, la neve si accumula e rimane più a lungo. L’effetto serra ridotto provoca anche una maggiore variazione giornaliera della temperatura.
5. Circolazione atmosferica e oceanica. Le temperature locali possono aumentare o diminuire rapidamente quando l’aria di una regione viene portata in un’altra. Le temperature delle regioni costiere possono essere influenzate da correnti costiere calde o fredde. (Approfondiremo questo fattore nel capitolo 5.)

Temperatura del suolo

La temperatura è un concetto familiare. È una misura del livello di energia cinetica degli atomi in una sostanza, sia essa un gas, un liquido o un solido. Quando una sostanza riceve un flusso di energia radiante, come la luce del sole, la sua temperatura aumenta. Allo stesso modo, se una sostanza perde energia, la sua temperatura scende. Questo flusso di energia si muove dentro e fuori da una sostanza solida o liquida alla sua superficie – per esempio, il sottilissimo strato superficiale del suolo che assorbe effettivamente la radiazione solare a onde corte e irradia la radiazione a onde lunghe nello spazio.

La temperatura di una superficie è determinata dall’equilibrio tra i vari flussi di energia che si muovono attraverso di essa. La radiazione netta – l’equilibrio tra la radiazione a onde corte in entrata e la radiazione a onde lunghe in uscita – produce un flusso di energia radiante che può riscaldare o raffreddare una superficie. Durante il giorno, la radiazione solare in entrata supera normalmente la radiazione a onde lunghe in uscita, quindi il bilancio netto della radiazione è positivo e la superficie si riscalda. L’energia fluisce attraverso la superficie nel terreno più freddo sottostante. Di notte, la radiazione netta è negativa, e il suolo perde energia quando la temperatura superficiale scende e la superficie irradia energia a onde lunghe nello spazio.

L’energia può anche muoversi verso o da una superficie in altri modi. La conduzione descrive il flusso di calore sensibile da una sostanza più calda ad una più fredda attraverso il contatto diretto. Quando il calore fluisce nel terreno dalla sua superficie calda durante il giorno, scorre per conduzione. Di notte, il calore è condotto indietro verso la superficie più fredda del suolo. Anche il trasferimento di calore latente è importante. Quando l’acqua evapora su una superficie, rimuove il calore immagazzinato nel cambiamento di stato da liquido a vapore, raffreddando così la superficie. Quando l’acqua condensa su una superficie, il calore latente viene rilasciato, riscaldando la superficie.

Un’altra forma di trasferimento di energia è la convezione, in cui il calore si distribuisce in un fluido attraverso la miscelazione. Se la superficie è in contatto con un fluido, come la superficie del suolo con l’aria sopra, le correnti che scorrono verso l’alto e verso il basso possono agire per riscaldare o raffreddare la superficie.

Temperatura dell’aria

In contrasto con la temperatura della superficie è la temperatura dell’aria, che si misura ad un’altezza standard di 1,2 m (4,0 piedi) sopra la superficie del suolo. La temperatura dell’aria può essere molto diversa dalla temperatura di superficie. Quando si cammina attraverso un parcheggio in una chiara giornata estiva, si noterà che il pavimento è molto più caldo dell’aria contro la parte superiore del corpo. In generale, le temperature dell’aria sopra una superficie riflettono le stesse tendenze delle temperature della superficie del suolo, ma le temperature del suolo sono probabilmente più estreme.

Negli Stati Uniti, la temperatura è ancora ampiamente misurata e riportata usando la scala Fahrenheit. In questo libro, usiamo la scala di temperatura Celsius, che è lo standard internazionale. Sulla scala Celsius, il punto di congelamento dell’acqua è 0°C e il punto di ebollizione è 100°C. Le formule di conversione tra queste due scale sono date nella figura 3.4.

Le misurazioni della temperatura dell’aria sono fatte abitualmente nelle stazioni meteorologiche. Anche se alcune stazioni meteorologiche riportano le temperature ogni ora, la maggior parte riporta solo le temperature più alte e più basse registrate durante un periodo di 24 ore. Questi sono i valori più importanti per osservare le tendenze a lungo termine della temperatura.

Le misurazioni della temperatura sono riportate alle agenzie governative incaricate delle previsioni meteorologiche, come il Servizio Meteorologico degli Stati Uniti o il Servizio Meteorologico del Canada. Queste agenzie tipicamente rendono disponibili le statistiche di temperatura giornaliere, mensili e annuali per ogni stazione utilizzando la temperatura massima, minima e media giornaliera. La temperatura media giornaliera è definita come la media dei valori massimi e minimi giornalieri. La temperatura media mensile è la media delle temperature medie giornaliere in un mese. Queste statistiche, insieme ad altre come le precipitazioni giornaliere, sono usate per descrivere il clima della stazione e della zona circostante.

Temperature vicino al suolo

Le temperature del suolo, della superficie e dell’aria a pochi metri dal suolo cambiano durante il giorno (Figura 3.6). La variazione giornaliera della temperatura è maggiore appena sopra la superficie. La temperatura dell’aria ad altezza standard è molto meno variabile. Nel suolo, il ciclo giornaliero diventa gradualmente meno pronunciato con la profondità, fino a raggiungere un punto in cui le variazioni giornaliere di temperatura sulla superficie non causano alcun cambiamento.

Contrasti ambientali: TEMPERATURE URBANE E RURALI

In una giornata calda, gli ambienti rurali saranno più freschi di quelli urbani. Nelle zone rurali, l’acqua viene assorbita dalle radici delle piante e si sposta verso le foglie in un processo chiamato traspirazione. Quest’acqua evapora, raffreddando le superfici delle foglie, che a loro volta raffreddano l’aria vicina. Le superfici del suolo sono umide perché l’acqua si infiltra nel suolo durante i temporali. Viene attirata verso l’alto ed evapora quando la luce del sole riscalda la superficie, producendo di nuovo un raffreddamento. Ci riferiamo agli effetti combinati di traspirazione ed evaporazione come evapotraspirazione.

Ci sono altre ragioni per cui le superfici urbane sono più calde di quelle rurali. Molte superfici urbane sono scure e assorbono piuttosto che riflettere l’energia solare. Infatti, la pavimentazione in asfalto assorbe più del doppio dell’energia solare rispetto alla vegetazione. La pioggia scorre dai tetti, dai marciapiedi e dalle strade nei sistemi di fognatura. Poiché le superfici della città sono asciutte, c’è poca evaporazione che aiuta ad abbassare le temperature. Un altro fattore importante è il calore disperso. In estate, le temperature dell’aria della città sono aumentate dall’aria condizionata, che pompa il calore dagli edifici e lo rilascia nell’aria.

In inverno, il calore dagli edifici e dalle strutture è condotto direttamente nell’ambiente urbano.

L’ISOLA DEL CALORE URBANO

Come risultato di questi effetti, le temperature dell’aria nella regione centrale di una città sono tipicamente diversi gradi più calde di quelle della periferia e della campagna circostante, come mostrato nella Figura 3.8. Lo schizzo di un profilo di temperatura attraverso un’area urbana nel tardo pomeriggio mostra questo effetto. Chiamiamo l’area centrale un’isola di calore urbano, perché ha una temperatura significativamente elevata. Una tale quantità di calore è immagazzinata nel terreno durante le ore diurne che l’isola di calore rimane più calda dei suoi dintorni anche durante la notte. L’immagine all’infrarosso termico del quartiere centrale degli affari di Atlanta di notte dimostra l’effetto isola di calore.

L’effetto isola di calore urbano ha importanti conseguenze economiche. Le temperature più alte richiedono più aria condizionata e più energia elettrica in estate. Il combustibile fossile bruciato per generare questa energia contribuisce al CO2 e alle sostanze inquinanti nell’aria. L’aumento delle temperature può portare alla formazione di smog, che è malsano e dannoso per i materiali. Per ridurre questi effetti, molte città stanno piantando più vegetazione e usando superfici più riflettenti, come il cemento o materiali luminosi per i tetti, per riflettere l’energia solare nello spazio.

L’effetto isola di calore non si applica necessariamente alle città in climi desertici. Nel deserto, l’evapotraspirazione della vegetazione irrigata della città può effettivamente mantenere la città più fresca della regione sterile circostante.

AMBIENTI DI ALTA MONTAGNA

Abbiamo visto che la superficie del terreno influenza la temperatura dell’aria direttamente sopra di essa. Ma cosa succede quando si viaggia a quote più alte? Per esempio, salendo più in alto su una montagna, si può avere il fiato corto e si può notare che ci si scotta più facilmente. Si sente anche che la temperatura scende, man mano che si sale. Se ti accampi, vedrai che la temperatura notturna diventa più bassa di quanto ti aspetteresti, anche considerando che le temperature sono generalmente più fresche man mano che si sale.

Cosa causa questi effetti? Ad alta quota c’è molta meno aria sopra di te, quindi la pressione dell’aria è bassa. Diventa più difficile riprendere fiato semplicemente a causa della ridotta pressione dell’ossigeno nei polmoni. E con meno molecole per disperdere e assorbire la luce del sole, i raggi del sole si sentiranno più forti. C’è meno anidride carbonica e vapore acqueo, e quindi l’effetto serra è ridotto. Con meno riscaldamento, le temperature tenderanno ad abbassarsi ancora di più di notte. Più avanti in questo capitolo, vedremo come questo modello di diminuzione della temperatura dell’aria si estende in alto nell’atmosfera.

La figura 3.10 mostra i grafici della temperatura per cinque stazioni a diverse altezze nella Cordigliera delle Ande in Perù. Le temperature medie diminuiscono chiaramente con l’elevazione, da 16°C (61°F) al livello del mare a ?1°C (30°F) a 4380 m (14,370 ft). Anche l’intervallo tra le temperature massime e minime aumenta con l’altitudine, tranne che per Qosqo. Le temperature in questa grande città non scendono così in basso come ci si potrebbe aspettare a causa della sua isola di calore urbana.

INVERSAZIONE DI TEMPERATURA

Finora, le temperature dell’aria sembrano diminuire con l’altezza. Ma è sempre vero? Pensate a cosa succede in una notte limpida e calma. La superficie del suolo irradia energia a onde lunghe verso il cielo, e la radiazione netta diventa negativa. La superficie si raffredda. Questo significa che anche l’aria vicino alla superficie si raffredda, come abbiamo visto nella figura 3.6. Se la superficie rimane fredda, uno strato di aria più fredda sopra la terra si formerà sotto uno strato di aria più calda, come mostrato nella figura 3.11. Questa è un’inversione di temperatura.

In un’inversione di temperatura, la temperatura dell’aria vicino al suolo può scendere sotto il punto di congelamento. Questa condizione di temperatura è chiamata gelo mortale – anche se il gelo reale non si forma – a causa del suo effetto sulle piante sensibili durante la stagione di crescita.

I coltivatori di alberi da frutto o altre colture usano diversi metodi per rompere un’inversione. Grandi ventilatori possono essere usati per mescolare l’aria fredda in superficie con l’aria più calda sopra, e i riscaldatori a olio sono talvolta usati per riscaldare lo strato d’aria superficiale.

INDICI DI TEMPERATURA

La temperatura può anche essere usata con altri dati meteorologici e climatici per produrre indici di temperatura-indicatori dell’impatto della temperatura sulle condizioni ambientali e umane. Due degli indici più familiari sono l’indice di raffreddamento del vento e l’indice di calore.

L’indice di raffreddamento del vento è usato per determinare quanto freddo ci sembra la temperatura, basandosi non solo sulla temperatura effettiva ma anche sulla velocità del vento. L’aria è in realtà un ottimo isolante, quindi quando l’aria è ferma, la temperatura della nostra pelle può essere molto diversa da quella dell’ambiente circostante. Tuttavia, quando l’aria si muove sulla nostra pelle, rimuove il calore sensibile e latente e lo trasporta lontano dal nostro corpo. Durante l’estate, questo processo ci mantiene freschi perché il sudore evapora, abbassando la temperatura della pelle. Durante l’inverno, rimuove il calore necessario per mantenere il nostro corpo caldo, raffreddando così la nostra pelle e facendo sentire le condizioni molto più fredde della temperatura reale misurata.

L’indice di raffreddamento da vento, che è usato negli Stati Uniti e misurato in °F, può essere molto diverso dalla temperatura reale (Figura 3.12). Per esempio, una temperatura effettiva di 30°F (?1°C) e una velocità del vento di 30 mi/hr (13,45 m/s) producono un wind chill di 15°F (?26°C).

L’indice di calore dà un’indicazione di quanto caldo sentiamo basandoci sulla temperatura effettiva e sull’umidità relativa. L’umidità relativa è l’umidità indicata nella maggior parte dei bollettini meteorologici e indica quanto vapore acqueo c’è nell’atmosfera come percentuale della quantità massima possibile. Una bassa umidità relativa indica condizioni atmosferiche relativamente secche, mentre un’alta umidità relativa indica condizioni atmosferiche relativamente umide.

Perché l’umidità relativa influenza la sensazione di calore della temperatura? Uno dei modi in cui il nostro corpo elimina il calore in eccesso è attraverso l’evaporazione del sudore dalla pelle. Questa evaporazione rimuove il calore latente, che raffredda il nostro corpo. Tuttavia, quando l’umidità relativa è alta, si verifica meno evaporazione perché l’atmosfera circostante è già relativamente umida, e l’effetto di raffreddamento è ridotto.

L’indice di calore è dato in °F, e, come il vento freddo, può essere molto diverso dalla temperatura reale (Figura 3.13). Per esempio, se la temperatura reale è di 90°F (32°C) e l’umidità relativa è del 90%, l’indice di calore indica che la temperatura sembrerà di 122°F (50°C) – una differenza di 32°F (18°C)!