The Global Heat Budget

1. The Global Heat Budget

2. L’unica sorgente di calore per la Terra è costituita dalla radiazione proveniente dal Sole. la lunghezza d'onda a cui corrisponde il massimo di emissione della radiazione solare è legata alla legge dello spostamento di Wien max=5011 Â

3. In accordo con la legge Stefan-Boltzman il flusso radiativo emesso dal Sole sarà: =5.76x10-8 W/m2K4 T= temperatura assoluta in gradi Kelvin F=6.2 x 107 W/m2 Flusso di energia dalla superficie del Sole

4. Tenendo presente che il Sole è ad una certa distanza dalla Terra (che può variare con le stagioni) la radiazione che arriva al top dell’atmosfera è solo: S~1380 W/m2 (in media) Mediando sull’intera superficie della Terra (uguale a 4 volte l’area che è proiettata verso il Sole, si trova che il flusso incidente è: ~344 W/m2

5. - Se l’atmosfera non esistesse …… Emessa E=227 Incidente 344 Riflessa R=I=117 T=251 K = -21 °C Ovviamente questo risultato non ci convince (sappiamo che T medio è circa 15°C  È l’albedo media terrestre ~0.34

6. T3 26 0.36 E1 201.1 R1 113.5 T2 3.4 I 344 [61.9] +[3.4]=65.3 (A1) 558.7 T1 168.6 R2 6.8 E2 519.4 0.64E1 357.6 Evidentemente non si può trascurare l’atmosfera…… 1 -->Albedo Atmosfera 2 -->Albedo surf. terrestre 1--> transmittanza atmosfera A2 161.8 L’atmosfera assorbe radiazione ad onda corta (I-R1-T1) dal Sole e indirettamente dalla Terra (R2-T2) per cui il netto è A1=(I-R1-T1) + (R2-T2) =[1-1-1+12(1- 1)]I=65.3 W/m2

7. Ma … Sia l’atmosfera che la superficie terrestre emettono radiazione ad onda lunga….. Poiché il top dell’atmosfera è più freddo della base emette più radiazione IR verso il basso che verso l’alto. Diciamo un 36% verso l’alto e un 64% verso il basso. Dunque la supefice della terra riceve il 64% della radiazione emessa dall’amosfera nell’IR oltre ai 161.8 W/m2=A2 ricevuti nel visibile. Per cui deve emettere per bilanciare il tutto E2=A2+0.64E1

8. L’atmosfera assorbe A1 e (E2-T3) (onda corta + onda lunga) e questo deve bilancia l’emissione totale E1 E1= A1+E2-T3 = A1+(1-2) E2 Ricordando E2=A2+0.64E1 Segue Essendo E1=558.7 che E2=519.74 E quindi per la legge di stefan-Boltzman T=36°C

9. Che è ancora un po’ troppo ……. Nella realtà la tendenza al riscaldamento legato all’effetto serra è parzialmente corto-circuitato dal ciclo idrologico. Infatti quando l’acqua evapora dalla superficie viene estratto del calore latente dalla superficie terrestre. Il vapore creato sale verso l’alto dove condensa in nubi prima di ritornare alla fase liquida verso la Terra (precipitazioni) quindi (essendo Q=113.6) E2=A2+0.64E1-Q Bilancio alla superficie E1= A1+E2-T3+Q Bilancio in atmosfera E1=573.2, E2=415.0 ---> T=19°C

11. The net surface heat flux at the air-sea interface (Qtot), consists of the absorbed solar radiation (Qs) minus the back radiation (Qb), latent (Qe) and sensible (Qh) heat flux: Qtot rappresenta in definitiva il guadagno (o perdita) netto di calore dovuto alle sorgenti esterne dl tip: riscaldamento dovuto all’irraggiamento solare, riscaldamento o raffreddamento dovuto ad assorbimento ed emissione ad onda lunga, scambi di calore dovuti a evaporazione e condensazione e scambi di calore sensibile dovuti a conduzione termica o convezione.

12. La conoscenza di Q è fondamentale per la descrizione e la previsione del sistema climatico terrestre. Infatti, tramite la prima legge della termodinamica entra nelle equazioni basilari predittive dell’oceano e dell’atmosfera. Solo nell’ipotesi di fluidi omogenei a densità costante è possibile disaccoppiare la termodinamica dalla dinamica. Nel caso di fluidi non omogenei Q entra tramite Per chiudere il sistema di 6 equazioni differenziali

13. Equazioni fondamentali predittive per l’atmosfera Equazioni orizzontali del moto Equazione idrostatica Conservazione della massa Prima legge termodinamica Legge dei gas

14. Equazioni fondamentali predittive per l’oceano

15. Nel caso dell’oceano le equazioni si modificano alquanto introducendo un’equazione predittiva per la salinità e imponendo la continuità dei flussi all’interfaccia aria-mare. La continuità dei flussi a tale interfaccia da Dove Hocn è il flusso netto di calore entrante o uscente dall’oceano, E è l’evaporazione, P è la precipitazione Cpw è il calore specifico dell’acqua

16. Alla superficie dell’oceano il flusso di momento (stress de vento), il flusso di calore Hocn e di massa possono essere specificati utilizzano dei modelli atmosferici o da dati atmosferici. Nel caso in cui si usano modelli atmosferici questi possono essere accoppiati con il modello oceanico facendo evolvere tutto il sistema climatico insieme o prescritti a partire da formule che usano dati meteorologici alla superficie misurati o dedotti da modelli atmosferici non accoppiati. Le formule empiriche che danno i flussi di calore e di momento tra l’atmosfera e il mare sono chiamate bulk Formulae

17. IR upward Le bulk formulae possono essere usate per stimare i vari termini del bilancio di calore Hocn = S* + F - F - H - LE Latente Sensibile Insolazione IR Downward

22. In definitiva i dati che servonoper calcolare il bilancio di calore con le bulk formulae sono: La copertura nuvolosa La pressione di vapore ambiente e satura (e l’umidità specifica e di saturazione) La temperatura del mare e dell’aria L’intensità del vento

23. La copertura nuvolosa tipicamente si misura ad occhio!!!!! … con metodi più o meno tecnologici che vanno dall’aviere di turno che guarda il cielo e dice quale è, secondo lui, la frazione di cielo ricoperta da nubi o si usano fotocamere grandangolari digitali le cui rivelazioni si possono poi “guardare” con calma. Altrimenti si possono anche usare misure satellitari…. (se abbiamo un buon algoritmo di identificazione delle nubi).

24. Quanto crediamo nelle bulk formulae?

25. Possiamo usare il Mar Mediterraneo come “Test Basin” per queste formule The flux of heat through the Strait of Gibraltar is known well enough that the Mediterranean Sea may be used as a climate test basin. After adjusting reported winds for changes in observing practice, the COADS for 1946 to 1988 was used together with standard heat flux formulas to estimate the long-term mean heat flux into the sea, giving 36 W/m2 more than is compatible with the Gibraltar exchange. As the estimated latent heat flux is consistent with the freshwater budget, it is suggested that standard formulas overestimate insulation in the Mediterranean. If a constant adjustment factor is used for the insulation, or for the latent heat loss, interannual variability of ±15 W m−2 is found in the total heat flux. Changes in the latent heat flux dominate, with contributions from both the humidity of the air and the saturation humidity at the temperature of the sea surface. The buoyancy flux from the sea is also examined and shows that the contributions from precipitation and runoff are important for the long-term mean, but insignificant for seasonal and interannual variability.

27. La correzione delle formule per bilancio IR

28. Confronto tra misure dirette e stime da vari e bulk formulae

29. La formula di Bignami contribuisce a risolvere il problema della chiusura del bilancio di calore nel Mediterraneo Attualmente questa è la formula che si usa per dare i flusssi di calore ai modelli (per la parte radiativa)

30. A1. The role of the Sahara dust

31. West Central East EC Programme: Energy, Environment & Sustainable Development - Project ADIOS – WP 1 – Task 1.1 From: SeaWiFS observations of Saharan dust events over the Mediterranean Sea (GOS ISAC-CNR Rome)

32. Number of Dust events from 1998 to 2002 as observed by SeaWiFS

33. La presenza di aereosols variabili nel tempo e nello spazio nell’atmosfera ci fa capire che non è proprio corretto stimare l’insolazione a partire da una bulk formula che ha una trasmittanza atmosferica costante. Questo è stato compreso da Garret et al. Che ha inserito nel calcolo un coefficiente di trasmittanza che varia con le stagioni. Si tratta comunque di una correzione media climatica che non tiene conto della variabilità interannuale…….. Si fa quel che si può…..

34. Errori nella stima del vento possono provocare errori nella stima del calore latente e sensibile. Tipicamente il vento lo prendiamo dai modelli meteo per averlo con continuità su di un grigliato regolare adatto ai modelli di circolazione Confrontiamo con le misure di due boe le varie stime del vento

37. Pendenza della retta di regressione tra venti misurati dallo scatterometro e stimati da ERA40

38. Solo era40 Blended ERA40-QuikSCAT