Applicazioni della termodinamica: i venti


Il clima delle regioni marittime è caratterizzato da piccole escursioni di temperatura (sia annue sia diurne) per l’azione termoregolatrice del mare che, a causa dell’elevata capacità termica dell’acqua e quindi in ultima analisi agli effetti del legame idrogeno, si riscalda lentamente, assorbendo calore, e lentamente si raffredda, restituendolo.

Il calore specifico dell’acqua è infatti di circa quattro volte superiore a quello del suolo.

Durante il giorno la terra e il mare ricevono circa la stessa quantità di calore dal Sole, ma poiché la terra ha una capacità termica molto più bassa rispetto all’acqua la sua temperatura aumenti più rapidamente e ciò fa sì che  l’aria sopra la terra si riscaldi con conseguente  diminuzione della  sua densità che ne provoca  l’innalzamento. Questo comporta un abbassamento della pressione al livello della superficie terrestre e di conseguenza l’aria che si trova sopra la superficie del mare, più fresca e in una zona a pressione maggiore si sposta quindi verso la debole depressione generatasi sopra la terraferma inducendo un vento debole noto come brezza marina.

I raggi solari riscaldano la superficie terrestre che emette una radiazione elettromagnetica che, alla temperatura  di 15 °C, ha una lunghezza d’onda di circa 10-15  μm che cade nel campo dell’infrarosso. L’atmosfera terrestre, che è trasparente alla luce visibile e al vicino infrarosso non è tale alla lunghezza d’onda di 10-15  μm per cui solo il 12% della radiazione emessa dalla terra riesce a sfuggire nel cosmo. Il resto viene assorbito dall’atmosfera stessa e la riscalda con diminuzione della sua densità e conseguente espansione. A causa della minore densità l’aria tende a salire attraverso l’aria circostante e subisce un’ulteriore espansione quando incontra pressioni inferiori a maggiori altitudini.

Ogni volta che un gas si espande contro una pressione compie un lavoro sull’ambiente e, secondo il Primo Principio della termodinamica, ΔU = Q + W.

Se questo lavoro non è accompagnato da un flusso di compensazione di calore nel sistema, la sua energia interna diminuirà, e così, di conseguenza, farà sua temperatura.

Poiché il flusso di calore e di mescolamento nell’atmosfera sono processi piuttosto lenti rispetto al moto convettivo il Primo Principio della termodinamica può essere scritta come ΔU = W ( si ricordi che W è negativo quando un gas si espande.)

Così non appena l’aria sale sopra la superficie della terra subisce un’espansione adiabatica e si raffredda. La velocità con cui si verifica la diminuzione di temperatura in funzione dell’altitudine dipende dalla composizione dell’aria, la cui variabile principale è il contenuto di umidità, e la sua capacità termica. Per l’aria secca, questo si traduce in un gradiente adiabatico di 9.8 C ° per km di altitudine.

Il  contrario accade quando i venti si sviluppano in zone ad alta quota: mentre l’aria scende, subisce la compressione da parte della pressione dell’aria sovrastante e in tal caso è l’ambiente a compiere lavoro sul sistema e poiché il processo avviene molto rapidamente affinché l’aumento di energia interna sia allontanato sotto forma di calore si può assumere che la compressione sia adiabatica e quindi l’aria scende verso il basso e si scalda per effetto della compressione adiabatica secondo il gradiente adiabatico secco di circa 10°C ogni 1000 m in discesa diventando calda e secca.

Un esempio di vento di caduta che ha questa origine è il Föhn che si presenta su entrambi i lati della catena alpina o il vento di chinook  osservabile nell’entroterra del “West” dell’America del Nord, dove le praterie canadesi e le grandi pianure statunitensi terminano e iniziano le Montagne Rocciose. Il chinook è un autentico vento mangia-neve, capace in quanto fa sparire in una giornata oltre 30 cm di neve che in parte fonde e in parte evapora a causa dell’aria molto secca. Un altro vento che ha la stessa origine è il  Santa Ana tipico  del sudovest della California che spira con direzione nord-est/sud-ovest attraverso i canyon verso l’area costiera. I venti di tipo Santa Ana sono stagionali, avendo luogo in autunno, inverno e primavera. Il vento si origina quando l’aria fredda si spinge verso sud nel Gran Bacino, intrappolata tra le Montagne Rocciose a est e la Sierra Nevada e le altre catene montuose sub-costiere californiane a ovest. Questa massa d’aria fredda è caratterizzata da pressione molto alta vicino al suolo. I venti sono guidati verso la California del Sud quando la pressione di questa massa d’aria interna supera di molto quella lungo la costa.

Poiché l’aria dai territori più elevati del Gran Bacino scende di quota quando fluisce verso la costa, essa si scalda per compressione adiabatica e le temperature sono spesso piuttosto alte.

Autore: Chimicamo

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