Si trova principalmente in Argentina, nella regione meridionale della Patagonia, con piccole porzioni in Cile ed è circondato dalla cordigliera delle Ande ad occidente, dall'Oceano Atlantico ad est, dalla zona argentina della Pampa a nord, e dallo Stretto di Magellano a sud.
Il deserto della Patagonia è la maggiore massa continentale a sud del 40º parallelo ed è un grande deserto di perenne clima isotermico freddo, temperature dovute anche al fatto che per buona parte si estende su di un altopiano (la meseta della Patagonia). La temperatura raramente eccede i 12 °C e arriva a una media di soli 3 °C. La regione sperimenta circa sette mesi di inverno e cinque mesi di estate. Le gelate non sono rare nel deserto, ma, a causa della condizione molto secca tutto l'anno, le nevicate sono scarse. La barriera opposta dalle Ande, che si trova ad ovest del deserto, è la ragione primaria della condizione desertica della Patagonia, dal momento che gli alti crinali (superiori ai 4.000 metri) fermano il flusso di umidità dal sud dell'oceano Pacifico.
Questo crea un'ombra pluviometrica che è la causa principale della formazione del deserto, ed è la causa principale della sua aridità, a dispetto del fatto che circa la metà del deserto si trovi a meno di 300 km dall'oceano Atlantico. Anche la corriente de las Malvinas, molto fredda e secca, che lambisce la costa atlantica del Sud America contribuisce alll'aridità dell'area.
Il deserto della Patagonia è composto principalmente di pianure di ghiaia e da qualche altopiano di pietra arenaria che è stato scavato dai fiumi e dai venti, creando canyon e modellando strane forme di argilla che puntellano il paesaggio, scolpito dal vento del deserto.
La regione che circonda il deserto has molte caratteristiche diverse, che dipendono dalla prossimità alla montagna (con brinazione) oppure all'Oceano Atlantico. Effimeri fiumi ad andamento torrentizio, laghi, e depositi alluvionali sono causati dallo scioglimento annuo stagionale dei ghiacciai delle Ande, che sostengono la vita di alcune pinate acquatiche. Nella regione si mescolano depositi glaciali, fluviali e vulcanici, e questi depositi hanno modificato significativamente nel tempo il clima del deserto freddo, contribuendo specialmente alla formazione dei sedimenti di ghiaia nella Patagonia.
Il deserto della Patagonia è molto ventoso, anche a causa del fenomeno dell'ombra pluviometrica e dell'intenso, polveroso e molto secco vento Zonda, che si ha prima del passaggio di fronti freddi provenienti dal Pacifico, che vengono prima espansi e privati di nubi e dell'umidità sulle Ande cilene, per poi sperimentare la compressione catabatica mentre scendono dalle montagne e vengono compressi nelle valli dell'altopiano. Questi venti rendono il deserto patagonico la maggiore fonte di polvere sopra la parte meridionale dell'Oceano Atlantico.

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