Parte A: Modelli di circolazione planetaria
Vedere l’atmosfera attraverso le nuvole
Visualizzazione del modello terrestre che mostra le nuvole da una simulazione utilizzando il Goddard Earth Observing System (GEOS) Model, Versione 5.
Fonte: NASA
La maggior parte dei giorni l’atmosfera è trasparente e difficile da vedere a occhio nudo. Occasionalmente, però, nuvole, polvere, nebbia o fumo ci permettono di vedere il movimento dell’aria intorno a noi. Inizia questo laboratorio visualizzando il video di animazione intitolato “GEOS 5 nuvole modellate” collegato qui sotto. Mentre guardi questo breve video clip, considera le seguenti domande sulle nuvole e su come ci aiutano a vedere e comprendere meglio l’atmosfera. (Nota: potrebbe essere necessario guardare il video più volte per vedere tutti i dettagli.)
- Dove sono le nuvole?
- Perché si muovono?
- Ci sono aree senza nuvole?
- Ci sono aree di nuvole estreme?
- Le nuvole si muovono a est e a ovest, a nord e a sud?
- Quali altri modelli di movimento osservi?
- Come fanno le nuvole a permetterci di vedere il vento?
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Video per gentile concessione della NASA/Goddard Space Flight Center.
Discuti
Da quello che hai scoperto nel laboratorio sul ciclo dell’acqua (Lab 2A), descrivi cosa pensi stia causando la formazione delle nuvole. Ricorda un pomeriggio nuvoloso e ventilato; come fanno le nuvole a permetterci di “vedere” il movimento dell’atmosfera? Discuti i modelli di nuvole memorabili con il tuo vicino.
Scale del tempo e del clima
L’atmosfera è un sistema interconnesso. Per comodità di studio, gli scienziati suddividono la circolazione atmosferica e i modelli meteorologici in categorie basate sulla loro dimensione e durata. In generale, i piccoli eventi meteorologici su scala locale hanno la più breve aspettativa di vita, mentre i modelli su scala globale possono persistere per settimane o mesi. In questo studio, comincerai ad esplorare i modelli su scala più grande, la scala planetaria o globale, e lavorerai fino ai modelli su scala più piccola, quelli che hanno luogo nel tuo quartiere, nel cortile della scuola o nel parco.
Fonte del grafico della scala temporale: Studi meteorologici: Introduction to Atmospheric Science, by Joseph Moran.
- Scaricate e stampate la mappa e lo schema organizzativo collegati qui sotto. Mentre stai leggendo, usa la mappa e lo schema, un esempio del quale è raffigurato a destra, per registrare le tue note sulle scale temporali e spaziali del tempo e del clima durante il Laboratorio 3. Versione stampabile delle scale del tempo e del clima (Acrobat (PDF) 51kB Apr4 12) in (PDF).
- Accedi e stampa una mappa World: Climates map from Education Place collection of world maps (link non disponibile).
- Utilizzare matite colorate per registrare le posizioni dei driver globali e continentali del clima sul World: Climates map.
Introduzione a Moving Heat Interactive
Come hai imparato nel Lab 2, gran parte della radiazione solare in arrivo non è direttamente assorbita dall’atmosfera stessa, ma dalle superfici terrestri, incluse sia la terra che l’oceano. L’atmosfera, quindi, è in gran parte riscaldata indirettamente dalla radiazione a onde lunghe emessa dalla superficie terrestre. L’atmosfera si comporta come un fluido gassoso in cui si formano cellule di convezione. Queste celle trasferiscono energia termica e umidità da un luogo all’altro. In questo laboratorio, esaminerete i modelli globali di circolazione nell’oceano e nell’atmosfera. L’oceano e l’atmosfera combinano le forze per muovere sia la materia che l’energia intorno al globo.
Inizia questa sezione del laboratorio esplorando le caratteristiche dell’interattivo Moving Heat, qui sotto. In questo interattivo, esaminerete animazioni, grafici e brevi video costruiti a partire dai dati satellitari della NASA. Mentre indaghi, cercherai i modi in cui l’oceano e l’atmosfera si combinano per spostare l’umidità e l’energia termica in tutto il mondo. Prenditi qualche minuto per esplorare i pulsanti e i livelli di questo strumento di apprendimento interattivo. Quando hai finito di esplorare, clicca sul pulsante Air Flow per tornare alla schermata iniziale.
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Moving Heat from TERC & informmotion
*Questo video sostituisce un Flash interattivo
I direttori del tempo e del clima globale
In questa sezione, ti verrà presentato ciascuno dei principali direttori del clima e del tempo globale. Prendi nota di ogni “direttore” nel tuo quaderno, o sulla tabella organizzativa fornita all’inizio del laboratorio.
Celle di circolazione atmosferica globale
Il riscaldamento ineguale della superficie terrestre da parte del sole guida il movimento dell’atmosfera, che noi sperimentiamo come vento. Intorno alla Terra ci sono tre grandi celle di convezione conosciute come: Hadley, Ferrel e cellule di circolazione polare. A livello globale, esse aiutano ad equalizzare la radiazione solare in entrata ricevuta sulla Terra trasportando l’energia termica (calore) in eccesso dalle regioni equatoriali ai poli.
Accendi e visualizza le celle di circolazione (clicca sul pulsante mostra sotto Celle di circolazione), nota come queste celle lavorano in concerto per spostare l’aria e il calore dall’equatore verso le regioni polari. L’origine dell’energia usata per guidare queste correnti d’aria è la radiazione solare in arrivo. Il processo può essere suddiviso nei seguenti passi, a partire dall’Equatore.
- Prima la radiazione solare riscalda la superficie terrestre che poi riscalda l’atmosfera.
- Il pacco d’aria riscaldato, una sezione immaginaria di aria diventa meno denso e comincia a salire.
- L’aria riscaldata dal sole si muove verso l’alto, lontano dalla superficie della Terra, iniziando una cella di convezione. Potresti aver visto uccelli (o parapendii) usare versioni su scala locale di questi tipi di “termiche” per muoversi senza sforzo verso l’alto nel cielo con poco o nessun movimento apparente delle ali.
- Il pacchetto d’aria si raffredda mentre sale, rilasciando calore latente (immagazzinato) e umidità, formando le nuvole.
- Quando il pacco d’aria raggiunge il bordo della troposfera, circa 10 chilometri sopra la Terra, si gira e comincia a diffondersi verso i poli.
- A circa 30˚ di latitudine l’aria comincia ad affondare, o a diminuire. Questo affondamento avviene perché l’aria è diventata più fredda e più densa. Il pacchetto d’aria che affonda è più secco perché ha rilasciato la sua umidità mentre saliva vicino all’equatore.
- Quando il ciclo di convezione dell’aria ritorna verso la terra, si riscalda e si asciuga a causa della compressione, formando aree di alta pressione. Ogni ciclo si completa quando l’aria torna verso l’inizio e sale di nuovo.
Checking In
Descrivi il movimento delle cellule di circolazione nell’interattivo; ruotano tutte nella stessa direzione?
Venti e pressione
Usa il Moving Heat interattivo per esplorare la relazione tra venti e pressione. Registra le tue osservazioni sul tuo quaderno o sul grafico e sulla mappa forniti nel link qui sopra.
- Clicca il pulsante per mostrare i Venti & Pressione con le Celle di Circolazione attivate. Notate dove si trovano i sistemi di alta (H) e bassa (L) pressione in relazione alle celle di circolazione. Dove l’aria sta salendo, la pressione è bassa; dove sta scendendo, è alta. Nota: anche la pressione sopra l’Equatore è bassa.
- Nascondi le celle di circolazione e i sistemi di pressione. Poi, clicca sul pulsante Solo venti per osservare il flusso dei principali venti globali: gli alisei Alisei: questi venti soffiano da est a ovest intorno al globo. Sono venti di superficie, che scorrono nella parte bassa dell’atmosfera. Si trovano nelle latitudini più vicine all’equatore. Gli alisei guidano le tracce delle tempeste tropicali e spostano le grandi tempeste di polvere dall’Africa ai Caraibi. La loro posizione, direzione e persistenza ha permesso la creazione di rotte commerciali attraverso gli oceani Atlantico e Pacifico. e i westerlieswesterlies: sono chiamati così per la loro direzione di flusso, da ovest a est. Sono venti di superficie, che scorrono nella sezione inferiore dell’atmosfera. Si trovano da 30 a 60 gradi di latitudine nord e sud. Guidano le tempeste attraverso il Nord America. . Gli alisei sono i venti più persistenti del pianeta. Soffiano dalla stessa direzione per più dell’80% del tempo! Gli alisei sono importanti per il tempo e il clima negli Stati Uniti contigui.
- Cambia la visualizzazione della Terra tra la temperatura della superficie del mare (SST) e il Blue Marble per studiare la relazione tra la formazione delle nuvole e la SST. Nota l’allineamento delle nuvole e dei venti intorno all’equatore. Le nuvole si sono formate dall’umidità che è evaporata dall’oceano. Prenditi un momento per rivedere l’animazione GEOS, mostrata all’inizio della pagina, per confermare questa relazione. Poi, registra le tue osservazioni e rispondi alle domande di verifica qui sotto.
Cicli globali dell’acqua di evaporazione e precipitazione
- Clicca il pulsante Play animations per visualizzare quattro animazioni di immagini satellitari della NASA. Leggi il testo sopra ogni animazione per una descrizione dei dati che vengono visualizzati. (Nota: il controller video è sotto l’immagine.) Mentre il filmato viene riprodotto, il periodo di tempo viene visualizzato in giorni in modo da poter avere un senso della velocità di movimento dell’aria e delle correnti oceaniche. Nota i modelli spaziali (nello spazio) e temporali (nel tempo) del movimento. Da che parte si muovono le correnti d’acqua e d’aria? Come hai imparato nel Lab 2A, il laboratorio sul ciclo dell’acqua, sulla Terra l’acqua generalmente evapora dall’oceano, si muove con le correnti d’aria, e piove o nevica sulla terraferma.
- Utilizza i pulsanti Overlay e Compare per cercare relazioni tra le serie di dati. Leggi il testo sopra le animazioni che descrive ciò che viene riprodotto nell’animazione. Potrebbe essere necessario riprodurre questi video più volte per vedere tutti i dettagli.
Come hai visto in diversi esempi, i venti e le correnti oceaniche spostano più di un semplice calore, trasportano anche notevoli quantità di umidità in tutto il mondo. Studia l’immagine a sinistra. (Clicca sull’immagine per ingrandirla, in una nuova finestra.)
3. Cerca la relazione tra i modelli di circolazione dell’aria e le regioni secche e umide. Nota le bande simmetriche di regioni umide e secche intorno alla Terra. Mentre guardi l’immagine, rispondi alle domande di Checking In qui sotto.
Checking In
Visualizzando l’immagine a destra, rispondi alle seguenti domande.
- Quale fascia di latitudine è costantemente umida?
- Quali intervalli di latitudine sono costantemente asciutti?
Jet Streams
I Jet Streams sono aree di fiumi di aria in rapido movimento che circondano la Terra. Possono raggiungere velocità di più di 160 km all’ora (100 mph). Si trovano ai confini delle celle Hadley, Ferrel e Polar, descritte sopra. Influenzano il movimento di masse d’aria più grandi che risiedono sopra i continenti e gli oceani. Le correnti a getto si trovano da 6 a 15 chilometri sopra la superficie della Terra, al confine tra la troposfera e la stratosfera. Seguono i meandri tra le masse d’aria polari e quelle delle medie latitudini. La Corrente a Getto Polare, che scorre sul Nord America, è generalmente più forte negli Stati Uniti durante i mesi invernali. Dirige eventi meteorologici invernali famosi come l'”Alberta Clipper” e il “Vortice Polare” attraverso i Grandi Laghi e il New England. Come regola generale, quando la Corrente a Getto Polare si trova a sud della tua posizione, il tempo è relativamente freddo.
Clicca questo link per visualizzare una mappa delle Correnti a Getto di oggi sulla posizione del Globo. Sul globo, cerca la regione del flusso d’aria più veloce, colorata in rosso. Le informazioni sui dati possono essere trovate cliccando la parola “terra” sotto il grafico. Guarda il globo per vedere come le correnti a getto serpeggiano nel tempo. Registra le tue osservazioni sulla posizione generale delle correnti a getto sul tuo mappamondo stampato.
I modelli di circolazione oceanica termoalina
I modelli di vento e le tempeste si combinano per spostare la maggior parte del calore intorno alla Terra. Secondo gli scienziati del National Center for Atmospheric Research (NCAR), il 78% del trasporto di calore verso il polo nell’emisfero nord e il 92% nell’emisfero sud è dovuto ai processi atmosferici. Per avere un’idea di questo, considerate, per esempio, quanta energia solare era necessaria per guidare il ciclo dell’acqua nel laboratorio 2A. Quando l’acqua cambiava stato da liquido a gas, l’energia veniva assorbita, formando una “nuvola” di vapore acqueo. Nell’atmosfera, le nuvole sono trasportatori sia di umidità che di energia termica.
Le correnti oceaniche trasportano il resto del calore. Queste correnti includono sia le correnti di superficie, o correnti guidate dal vento, che le correnti termoaline (termo=calore; haline=sale) o di densità. Un semplice schema di queste correnti è illustrato a sinistra. Si stima che l’acqua di queste correnti possa impiegare mille o più anni per far circolare il globo! Guarda il breve video narrato, qui sotto, dalla National Science Foundation (NSF) per saperne di più su questo importante trasportatore globale di calore. Durante la visione, osserva come il calore è distribuito nel mondo dalle correnti oceaniche.
Dopo aver visto il video collegato qui sotto, rispondi alle domande di Checking In, qui sotto. (Nota: clicca sulla freccia, sotto lo schermo dell’immagine, per avviare il video.) Earth’s Heat Balance è uno dei video di Science 360.
Checking In
Secondo il video:
- Quale parte della Terra riceve più energia solare (insolazione) tutto l’anno?
I tropici.
- Quali meccanismi spostano il calore dai tropici?
La circolazione oceanica e atmosferica sposta il calore dai tropici ai poli.- Quando l’acqua fredda e densa dell’oceano affonda ai poli, dove va?
Viaggia fino al fondo dell’oceano e poi viaggia a nord o a sud verso l’equatore.Fermati e pensa
Usa le informazioni fornite nel testo, nei grafici, nel Moving Heat interattivo e nei video di questa sezione per rispondere alle seguenti domande. Usa gli appunti che hai preso sulla tua mappa del clima mondiale e sul grafico della scala temporale del tempo e del clima. Quando possibile, fornisci esempi specifici. Per informazioni più approfondite, guarda il sito Climate Reanalyzer descritto nelle estensioni opzionali qui sotto.
- Descrivi i modelli globali di movimento dell’atmosfera e dell’oceano. Elenca esempi specifici di driver climatici globali.
- Cosa trasportano le correnti dell’atmosfera e dell’oceano?
- Spiega come l’oceano e l’atmosfera sono interconnessi.
- In che modo il tempo e il clima della Terra sarebbero diversi se queste correnti di aria e acqua non esistessero?
I modelli globali delle precipitazioni e della temperatura si combinano con altre influenze regionali e locali, come la geografia, per determinare il clima di un’area e, in definitiva, i modelli di vegetazione. Nel Laboratorio 4: Modelli climatici e vita, esaminerai più da vicino l’influenza del clima sulla distribuzione spaziale della vita animale e vegetale.
Estensioni opzionali
L’App MeteoEarth per iPad e tablet Android, è un modo divertente per esplorare le relazioni tra i fattori meteorologici, come i sistemi di pressione e i modelli di vento.
Curioso dei modelli meteorologici recenti o storici? Date un’occhiata a questo incredibile sito web Climate Reanalyzer per vedere una varietà di affascinanti scale di mappe dal globale al regionale.Questo contenuto è disponibile solo in formato flash.
Si prega di consultare le nostre istruzioni per abilitare Flash nel tuo browser web. - Quali meccanismi spostano il calore dai tropici?