La temperatura

Il bilancio termico

La fonte energetica dell'atmosfera è data dalla radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre sotto forma di radiazioni ultraviolette (10%), visibili (50%), infrarosse (40%) a corta lunghezza d'onda e, in misura molto minore, raggi gamma, raggi X, microonde e onde radio. È invece trascurabile l'energia di origine terrestre.

Al limite esterno dell'atmosfera, su una superficie di 1 cm², posta perpendicolarmente alla direzione dei raggi solari, arrivano circa 8.1 J/min, cioè 1.94 cal/min. questa quantità di energia non mostra significative variazioni nel tempo ed è chiamata costante solare (C):

C = 1.94 cal/cm2/min = 1367 W/m2

Quando la radiazione raggiunge l'atmosfera si possono verificare tre fenomeni.

• Riflessione: le radiazioni arrivano sulle nubi e vengono riflesse senza perdere energia.
• Diffusione: le radiazioni solari viaggiano in linea retta ma le molecole d'acqua e di aerosol le deviano in tutte le direzioni. Per questo risultano illuminate anche zone che non ricevono direttamente la luce solare.
• Assorbimento: le radiazioni sono assorbite dalle molecole di alcuni gas e dalle nubi e in parte sono riemesse con lunghezza d'onda maggiore.

Il ritorno dell'energia nello spazio avviene perciò attraverso due modalità.

• riflessione: le radiazioni sono respinte;
• irraggiamento: le radiazioni sono assorbite e poi riemesse.

Del totale dell'energia solare, circa il 30% è riflesso dalle nubi e dalle polveri atmosferiche, il 19% è assorbito direttamente dall'atmosfera e il 51% raggiunge la superficie: direttamente (26%), diffusa dalle nubi (14%) e diffusa dall'atmosfera (11%); poiché il 4% è riflesso dal suolo, è disponibile solo il 47%, dell'energia solare. Questi sono valori medi, perché la radiazione varia in funzione della latitudine, stagione, ora, presenza di nubi, ecc. 
La radiazione riflessa complessivamente dalla Terra (34%) costituisce l'albedo. 
Raggiunta la superficie, le radiazioni si trasformano in onde lunghe che riscaldano l'atmosfera dal basso (effetto serra). Grazie a questo fenomeno la Terra ha una temperatura media di 15 °C anziché i -20 °C che avrebbe senza questa protezione. Come mai allora la Terra non si riscalda con il passare del Tempo? 
L'equilibrio termico della Terra è garantito da due distinti meccanismi non radiativi che trasferiscono l'energia dalla superficie terrestre all'atmosfera, che a sua volta la disperde nello spazio. 
L'evapotraspirazione, cioè l'evaporazione di tutte le acque superficiali presenti sulla Terra (oceani, mari, laghi, ecc.) unita alla traspirazione delle piante, assorbe il 25% della radiazione solare. Questa energia poi si libera di nuovo come calore latente nei processi di condensazione del vapore acqueo atmosferico che avvengono in quota (nubi) o al suolo (nebbia, brina, rugiada). 
Il 5% dell'energia passa direttamente dal suolo o dal mare all'aria sovrastante, che per i moti di convezione si riscalda e sale in quota, disperdendo poi il calore nello spazio (calore sensibile). 
Se si sommano radiazione terrestre, calore latente e calore sensibile si ottiene un perfetto equilibrio tra energia in entrata ed energia in uscita dalla Terra: il bilancio energetico globale del nostro pianeta è nullo e quindi la Terra, nel complesso, non si riscalda né si raffredda. Questo però non vale se si considerano brevi periodi di tempo o zone limitate di superficie terrestre: in questo caso il bilancio energetico può essere negativo o positivo.

La temperatura

La temperatura è rilevata a un'altezza standard di 1.2 m dal suolo mediante il termometro a massima e a minima, che registra il valore massimo, in genere all'alba, e minimo, nel primo pomeriggio. La differenza tra i due valori è l'escursione termica diurna. Utile in meteorologia è la temperatura media, che può essere giornaliera, mensile o annuale.

Congiungendo i punti che presentano la medesima temperatura media ridotta al livello del mare si ottengono delle curve chiamate isoterme.

Zone termiche

In base alle temperature medie annue, sulla superficie terrestre si possono distinguere cinque zone termiche:

• una zona equatoriale torrida, con temperatura media annua superiore a 20 °C, escursioni termiche annue poco accentuate e quasi del tutto priva di stagioni distinte;
• due zone temperate, una boreale nell'emisfero nord e una australe nell'emisfero sud, con temperatura media annua fra i 20 °C e i 10 °C, escursioni termiche annue considerevoli e stagioni ben distinte;
• due zone polari, una artica e una antartica, con temperatura media inferiore a 10 °C nel mese più caldo, inverno lungo e freddissimo.

I limiti delle zone termiche non coincidono con i paralleli, perché i valori delle temperature sono influenzati non solo dalla latitudine, ma anche dalla distribuzione delle masse continentali e delle aree oceaniche, dalla morfologia e dalla disposizione dei rilievi ecc. Per questo le zone termiche non coincidono esattamente con le zone astronomiche. Anche l'equatore termico (cioè la linea che congiunge tutti i punti della Terra a temperatura più elevata) non coincide con l'equatore geografico, ma è spostato verso l'emisfero nord di circa 6°, a causa della diversa distribuzione delle terre e degli oceani nei due emisferi. 
Si veda il capitolo sul clima.

Fattori che la modificano

L'atmosfera è trasparente alla radiazione solare, che raggiunge il suolo senza riscaldarla. A contatto con il terreno e l'acqua modifica la lunghezza d'onda riuscendo così a riscaldare dal basso l'aria per irraggiamento. Il calore è poi trasferito in alto grazie alle correnti convettive. 
I fattori che influenzano la temperatura sono i seguenti:

Altitudine. La temperatura diminuisce con l'altezza secondo un gradiente termico medio corrispondente a circa 0.6 °C ogni 100 m. Il gradiente termico per l'aria secca è di 1 °C ogni 100 m e 0.5 °C per l'aria soprasatura di umidità. Il gradiente adiabatico umido è inferiore a quello secco perché durante il passaggio di stato da vapore a liquido si ha la liberazione del calore latente di condensazione.

Inclinazione dei raggi solari. Un secondo fattore riguarda l'angolo di incidenza dei raggi solari. I raggi raggiungono il suolo con una inclinazione che dipende

• dalla latitudine: spostandosi verso i poli aumenta l'inclinazione a causa della sfericità terrestre;
• dalla stagione: in estate i raggi arrivano meno inclinati rispetto l'inverno e il dì dura più della notte;
• dall'ora: a mezzogiorno sono meno inclinati;
• dall'inclinazione del terreno: più sono inclinati e maggiore insolazione ricevono;
• dall'esposizione dei versanti: i versanti a sud sono maggiormente riscaldati, tanto che in alcune zone durante l'inverno alcune aree esposte a nord possono rimanere in ombra per l'intera giornata.

Natura della superficie. Il terreno tende più facilmente a riscaldarsi, ma altrettanto facilmente si raffredda, mentre l'acqua, pur impiegando parecchio tempo a scaldarsi, conserva il suo calore più a lungo (elevato calore specifico). Di conseguenza, le zone costiere hanno inverni più miti ed estati meno calde rispetto alle zone continentali e presentano perciò un'escursione termica annua inferiore.

Copertura vegetale. Ha una grande importanza nel mitigare l'escursione termica rispetto alle zone desertiche.

Pulviscolo e copertura nuvolosa. Durante il giorno la presenza di una spessa coltre di nubi e pulviscolo diminuisce il riscaldamento del suolo; di notte, viceversa, la copertura nuvolosa trattiene il calore proveniente dalla superficie.

Posizione geografica. Una zona sottoposta a continui venti o una zona all'ombra di una catena montuosa ha temperature diverse rispetto ad altre zone che presentano uguali i fattori indicati sopra.

Correnti marine. Le zone costiere interessate da correnti calde hanno una temperatura più mite rispetto a quelle che si trovano alla medesima latitudine ma interessate da correnti fredde.

Urbanizzazione. Nelle zone intensamente urbanizzate la temperatura è più alta rispetto alla campagna perché l'asfalto e gli edifici assorbono più calore del terreno agricolo e c'è una minore circolazione dell'aria.

L'inversione termica

Si parla di inversione termica quando la temperatura dell'aria aumenta salendo di quota per alcune centinaia di metri, invece di diminuire.

L'inversione termica al suolo è un fenomeno temporaneo dovuto al fatto che la roccia di notte si raffredda molto rapidamente e conseguentemente gli strati a contatto con il suolo risultano più freddi di quelli sovrastanti. Al sorgere del sole il fenomeno scompare. Il fenomeno è più frequente in inverno quando le notti sono lunghe e fredde. Fenomeno analogo si ha nelle zone montuose, quando il sole al mattino riscalda prima le zone elevate, mentre nelle vallate profonde si conservano il freddo e l'umidità notturna.

L'inversione termica in quota è più duratura e si verifica quando una massa d'aria scende e si riscalda per compressione: se non si rimescola con quella più fredda presente al suolo, troviamo una temperatura inferiore in basso rispetto agli strati più alti. Se l'aria al suolo è carica di umidità si formano le nebbie come quelle invernali tipiche della Pianura Padana dove, nelle grandi città, le goccioline si mescolano ai fumi e alle polveri formando lo smog, che rimane imprigionato dalla cappa di aria calda sovrastante impedendone il rimescolamento.