La circolazione dell'atmosfera e degli oceani

Finora abbiamo supposto che l'aria essenzialmente non si muova né in senso verticale né in senso orizzontale (cioè parallelamente alla superficie terrestre). Sappiamo invece che non è assolutamente così. Vogliamo quindi dare qualche nozione di base sulla circolazione della nostra atmosfera e questo ci permetterà anche di capire a grandi linee l'andamento delle correnti oceaniche. Stratosfera e troposfera comprendono insieme il 99.5% di tutta la massa atmosferica e quindi è ragionevole limitarsi a considerare solo la circolazione di queste due zone. Nella stratosfera abbiamo strati di aria più calda che stanno sopra strati di aria più fredda: la situazione è relativamente stabile in senso verticale. Infatti nella stratosfera l'aria è sottoposta a movimenti rapidi essenzialmente laminari (cioè non turbolenti), in senso orizzontale. Invece nella troposfera strati di aria più fredda (e quindi più pesante) stanno sopra strati di aria più calda: è questa una situazione di possibile instabilità. Infatti si possono avere forti movimenti convettivi in senso verticale con la conseguenza che tutti i fenomeni meteorici si svolgono sostanzialmente all'interno della troposfera.

Il sistema dei venti sulla nostra terra è a grandi linee guidato da questi fattori principali: il riscaldamento delle masse degli oceani e dei continenti causato dalla radiazione solare, la rotazione della terra, l'attrito all'interno dell'atmosfera che dissipa energia e l'evaporazione e condensazione dell'acqua (fenomeni di passaggio di fase che coinvolgono il cosiddetto calore latente). Possiamo distinguere essenzialmente due tipi di circolazione: la cosiddetta circolazione meridionale, in cui le masse d'aria cambiano di latitudine, e le correnti a getto, che sono confinate nella parte più alta della troposfera e sono a carattere zonale, cioè circondano tutta la terra a latitudine più o meno costante.

Figura 5: Lo schema della circolazione meridionale dell'atmosfera terrestre. (a) Se la terra non ruotasse e rivolgesse sempre la stessa faccia verso il sole si avrebbero due celle di Hadley caratterizzate da forti movimenti ascendenti ai tropici e subsidenza nelle zone polari; (b) la rotazione della terra (forza di Coriolis) induce una configurazione più complicata con più celle. Oltre alle celle di Hadley si hanno celle in cui la circolazione cambia direzione (celle di Ferrel).

La struttura della circolazione meridionale è schematicamente illustrata in Fig. 5. Se la terra non ruotasse e rivolgesse sempre la stessa faccia verso il sole si avrebbe essenzialmente la formazione di due enormi celle di circolazione atmosferica in direzione parallela ai meridiani, una nell'emisfero boreale e una nell'emisfero australe (Fig. 5a). Infatti la circolazione sarebbe guidata dai seguenti fenomeni:

• la potenza della radiazione solare per unità di superficie è più forte ai tropici e quindi nella cintura equatoriale si ha aria calda e umida che tende a salire verso l'alto (tra l'altro salendo l'aria si raffredda e l'acqua condensa provocando le grandi piogge tropicali);
• l'aria tropicale che sale deve venire rimpiazzata da altra aria e quindi si hanno venti di superficie che vanno da nord verso sud;
• l'aria calda dei tropici non può salire indefinitamente perché salendo va raffreddandosi e quindi aumentando di densità. A un certo punto l'aria si distribuisce un po' verso l'emisfero boreale e un po' verso l'emisfero australe dirigendosi poi verso i poli nella troposfera superiore;
• poiché i poli (e la faccia nascosta della terra) sono freddi l'aria si raffredda ulteriormente e tende a precipitare (subsidenza) ai poli chiudendo così il ciclo.

Le due celle di circolazione che si formerebbero vengono chiamate celle di Hadley in onore del fisico inglese che nel diciottesimo secolo per primo descrisse correttamente la causa della circolazione meridionale, spiegando così il perché dell'esistenza degli alisei, ovvero quei venti che nella zona equatoriale soffiano da nord-est (emisfero boreale) o da sud-est (emisfero australe).

Figura 6: L'origine della forza di Coriolis.

Il semplice quadro della Fig. 5a è però profondamente alterato dal fatto che la terra ruota intorno al suo asse. L'effetto principale della rotazione della terra sulla circolazione meridionale è quello dovuto alla cosiddetta forza di Coriolis. Essa è una forza apparente, cioè una forza che bisogna introdurre se consideriamo un sistema di riferimento che non sia inerziale, cioè dotato di movimento rettilineo uniforme rispetto al sistema di riferimento delle stelle fisse. In effetti per studiare i movimenti delle masse d'aria e delle correnti oceaniche è molto comodo adottare un sistema di riferimento che sia solidale con la superficie terrestre. Però se si vuole capire quali siano le posizioni e le velocità in questo sistema di riferimento bisogna introdurre non solo le forze vere, ma anche quelle che risultano dal considerare non l'accelerazione in un sistema di riferimento inerziale, ma l'accelerazione in un diverso sistema di riferimento. Se non vi ricordate le formule dalla meccanica, potete capire che cosa è la forza di Coriolis con questo semplice ragionamento. Considerate la Fig. 6, che mostra come la velocità di un oggetto solidale con la superficie della terra è diretta tangenzialmente da ovest verso est, ma ha un modulo che varia con la latitudine: all'equatore la velocità è di 1670 km h$^{-1}$, a 30$^\circ$di latitudine è di 1466 km h$^{-1}$, a 60$^\circ$di 835 km h$^{-1}$. Adesso considerate un oggetto che si muove dall'equatore verso nord; poiché deve valere la conservazione della quantità di moto in direzione tangenziale alla superficie della terra l'oggetto manterrà la velocità di 1670 km h$^{-1}$ in tale direzione spostandosi contemporaneamente verso nord. Ma più a nord la superficie della terra ha una velocità inferiore; quindi l'oggetto non si muoverà lungo un meridiano, ma si troverà ad avere sopravanzato il movimento della terra, ovvero si troverà più ad est. Perciò rispetto al riferimento solidale con la terra è come se ci fosse una forza che spinge l'oggetto verso est.

Questa forza apparente è la forza di Coriolis. Con un ragionamento analogo si può vedere che un oggetto che si muove verso l'equatore venendo da nord è deflesso verso ovest. Più genericamente possiamo dire che tutti gli oggetti che si muovono nell'emisfero boreale sono deflessi verso la loro destra. Analogamente tutti gli oggetti che si muovono nell'emisfero australe vengono deflessi verso la loro sinistra. Perciò la forza di Coriolis induce la formazione di vortici in senso orario nell'emisfero boreale e di vortici in senso antiorario nell'emisfero australe.

In particolare, se riconsideriamo il sistema di circolazione meridionale, ne deduciamo subito che i venti superficiali che nella cella di Hadley si muovono verso l'equatore vengono deflessi verso ovest dalla forza di Coriolis. Per questa ragione gli alisei nel'emisfero boreale soffiano da nord-est e nell'emisfero australe da sud-est. Ma la rotazione della terra ha anche l'effetto di rompere le due grandi celle di Hadley messe in evidenza nella Fig. 5a. Infatti tale configurazione non può essere stabile su una terra in rotazione.

Figura 7: Visione tridimensionale dei principali sistemi di vento sulla terra. Le frecce grandi indicano i grandi sistemi di circolazione, mentre le frecce piccole indicano i venti di superficie nei bacini degli Oceani Pacifico e Indiano. Ognuna delle celle di circolazione meridionale è associata con una corrente a getto occidentale o orientale.

L'aria che dall'equatore si dirige verso i poli nella troposfera superiore non può giungere fino ai poli, proprio a causa della forza di Coriolis che diventa sempre più intensa allontanandosi dall'equatore. Perciò una parte di quest'aria alimenta la corrente a getto subtropicale (vedi dopo) e una parte precipita verso i 30$^\circ$di latitudine in entrambi gli emisferi. Si tratta di aria secca che precipitando verso il suolo assorbe tutta la possibile umidità (ecco perché i grandi deserti si trovano a queste latitudini). Quindi in realtà si hanno due celle di Hadley più piccole in prossimità dell'equatore (Fig. 5b). Invece alle latitudini intermedie la circolazione inverte la direzione e si formano le cosiddette celle di Ferrel (vedi sempre Fig. 5b): l'aria che precipita nelle due celle di Hadley conserva una componente della quantità di moto in direzione dei poli e trasmette questa quantità di moto alla cella di Ferrel, cosicchè in superficie i venti della cella di Ferrel si dirigono verso i poli mentre nella troposfera superiore i venti della cella di Ferrel si dirigono verso l'equatore. A causa della forza di Coriolis i venti di superficie delle celle di Ferrel hanno anche una componente da ovest verso est: sono i venti occidentali che abbiamo alle nostre latitudini. Verso i 60$^\circ$di latitudine le celle di Ferrel si richiudono: c'è un movimento ascensionale dell'aria associato con il tempo instabile tipico di queste latitudini. È il cosiddetto fronte polare che divide la cella di Ferrel da un'ulteriore cella di Hadley, la cella polare, in cui si ha di nuovo la classica circolazione meridionale con venti di superficie che spirano dai poli, venti in quota che spirano verso i poli e subsidenza dell'aria fredda sopra i poli. A causa della forza di Coriolis, che tra l'altro è molto più intensa verso i poli, si ha una forte componente orientale dei venti di superficie provenienti dai poli.

La forza di Coriolis è anche la principale responsabile del sistema delle correnti a getto. Le correnti a getto sono collocate nell'alta troposfera in corrispondenza della transizione tra celle di Hadley e celle di Ferrel (vedi la rappresentazione tridimensionale in Fig. 7). Ad esempio quando l'aria della tropopausa superiore fluisce verso i poli nelle celle di Hadley equatoriali, essa viene deflessa e accelerata verso est formando le correnti a getto subtropicali. Le correnti a getto possono raggiungere i 400 km h$^{-1}$ e vengono comunemente sfruttate dai moderni aerei per volare da ovest verso est. La Fig. 7 rappresenta pittoricamente tutte le celle di Hadley e di Ferrel e le correnti a getto.

Figura 8: L'andamento globale delle correnti oceaniche.

Il regime dei venti superficiali, la forza di Coriolis e la forma dei continenti sono anche in grado di spiegare l'andamento generale delle correnti oceaniche mostrato in Fig. 8. Gli alisei soffiando verso l'equatore da oriente accumulano l'acqua dell'Atlantico contro le coste orientali dell'America. L'acqua sul lato atlantico dell'istmo di Panama è decisamente più alta dell'acqua sul lato pacifico. L'acqua accumulata sfugge verso nord nell'emisfero boreale e verso sud nell'emisfero australe. In questa maniera si forma ad esempio la Corrente del Golfo. La forza di Coriolis continua a deflettere la Corrente del Golfo verso destra cosicchè le acque scorrono lungo le coste occidentali dell'Europa e dell'Africa chiudendo così il ciclo. Tra l'equatore e le medie latitudini tutti i sistemi di correnti sono in senso orario nell'emisfero boreale e in senso antiorario in quello australe. Particolarmente importante è il sistema di correnti che si sviluppa tra l'Australia e l'America Meridionale. Gli alisei accumulano acqua più calda nel Pacifico occidentale tanto che la superficie del mare è circa mezzo metro più alta in Indonesia che in Ecuador. Inoltre nel Pacifico occidentale l'acqua è di circa 8$^\circ$ C più calda che al largo delle coste sudamericane poiché il sistema di correnti provoca una risalita delle acque profonde più fredde specialmente in corrispondenza del Perù. Poiché le acque profonde sono più ricche di sali nutrienti queste acque sono molto ricche di flora e di fauna marina. Si trovano qui alcune delle zone più pescose al mondo. Tuttavia questo sistema di correnti non è molto stabile. Periodicamente possono svilupparsi condizioni particolari per cui la forza degli alisei diminuisce, le piogge che sono normalmente sul Pacifico occidentale si spostano verso est e si hanno periodi di siccità in Australia e in Indonesia, mentre la risalita delle acque fredde al largo del Sud America si attenua portando a una decisa diminuzione dell'abbondanza degli organismi marini e quindi della pesca. Queste particolari condizioni si hanno spesso nel periodo natalizio e per questa ragione il fenomeno viene chiamato El Niño. Questa oscillazione è uno dei fenomeni che ha la maggior rilevanza nel determinare la meteorologia del nostro globo anche in zone distanti dall'Oceano Pacifico.

Figura 9: Il sistema della circolazione termoalina. Differenti colorazioni dell'acqua indicano differenti salinità misurate secondo la Practical Salinity Scale (valori più alti = acque più salate). Tratta da Riebeek e Simmon (2005).

Infatti le masse d'acqua oceaniche sono connesse tra di loro a scala globale dal fenomeno della circolazione termoalina. Essa lega le correnti superficiali, essenzialmente causate dai venti e dalle maree, con quelle profonde. Questo fenomeno ha anche giocato un ruolo importante nella durata delle ere glaciali. Come mostrato in Fig. 9, acqua densa, molto salata si inabissa nell'Atlantico settentrionale fornendo la spinta al cosiddetto ``nastro trasportatore'' delle correnti. Il nastro trasportatore convoglia il calore dall'equatore verso i poli e innalza le temperature artiche. Flussi di acqua dolce che provengano dalle terre emerse vicine al Nordatlantico o dallo scioglimento dei ghiacci possono rallentare la circolazione provocando un raffreddamento dell'emisfero settentrionale. La Fig. 9 mostra la posizione e la direzione delle correnti superficiali calde e di quelle profonde fredde che costituiscono il nastro trasportatore. Viene anche riportata la salinità delle masse d'acqua.