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Lo stato del Tennessee può essere suddiviso, dal punto di vista fisico, in sei grandi regioni: I monti Unaka, la Grande Valle dell'est del Tennessee, L'altopiano del Cumberland, il margine degli altipiani, il bacino di Nashville e la pianura costiera del golfo. Il territorio è inclinato da est verso ovest, ha un'altezza media di 270 m, col punto più elevato in Clingmans Dome (2025 m), ed il più basso nel letto del fiume Mississippi, 54 m.
I monti Unaka, a est dello stato, fanno parte della catena dell Blue Ridge, che si estende dallo stato della Carolina del Nord. Si tratta di una zona selvaggia formata da divere catene montuose e valli e molto boscosa. Tra le catene montuose da segnalare le montagne Great Smoky. L'altopiano del Cumberland è una sezione degli altipiani degli Appalachi, che condivide con gli stati del Kentucky e dell'Alabama. In questa sezione con un altezza media di 600 m, si trovano la catena dei monti Walden e la valle di Sequatchie. La regione degli altipiani circonda il bacino di Nashville e a ovest, l'altopiano del Cumberland. Si tratta di una pianura con basse colline, ma selvagge in alcuni zone a ovest della valle del Tennessee. Il bacino di Nashville, regione chiamata anche Bacino Centrale, è una sezione poco montuosa dove si trovano i migliori terreni agricoli dello stato. Infine, la pianura costiera è un'unità geografica localizzata tra le valli del Tennessee e del Mississippi, parte della grande regione del sub-continente degli Stati Uniti, che si estende negli stati del Mississippi e dell'Alabama.
I fiumi più importanti di questo stato sono il Tennessee ed il Mississippi. Triburtari del primo i fiumi Little Tennessee, Clinch, Duck e Hiwassee. Al Mississippi sfociano oltre allo stesso Tennessee, che si unisce al Mississippi nel territorio del Kentucky, i fiumi Kentucky e Hatchie. In una piccola zona dell'est dello stato scorrono fiumi del sistema dell'Alabama, ed il Cumberland che sfocia nell'Ohio. L'unico lago importante del Tennessee è il Reelfoot che si formò nel 1811 a seguito di una serie di terremoti. Il resto dei grandi laghi dello stato sono artificiali, molti di essi costruiti dalla Tennessee Valley Authority ed dagli ingegneri dell'Esercito degli Stati Uniti durante la grande depressione a partire dal 1933. I più importanti sono il Kentucky, Pickwick Landing, Chickamauga, Watts Bar e Barkley.
Il clima del Tennessee è vario dato che condivide alcune caratteristiche del clima continentale, ma con influenze del clima subtropicale che caratterizza le regioni vicine al golfo del Messico. In generale il clima si può definire mite senza cambiamenti brusci, con una temperatura media annuale di 16 °C, benché si hanno forti differenze di temperatura tra le stagioni. Così, le estati nel Tennessee sono lunghe e calde, mentre gli inverni sono brevi e miti. Dovuto alle differenze topografiche, le temperature sono più calde nelle regioni basse del sud-ovest. In estate, si registra una temperatura media di 25 °C, mentre in inverno di 5 °C. In quanto alle precipitazioni, la media annuale è di 1.270 mm, con variazioni tra 1.150 mm e 1.400 secondo le zone. Precipitazioni nevose di una certa importanza si hanno solo sulle montagne orientali, 380 mm di media annuale.
Il Tennessee è uno stato ricco di biodiversità, con oltre metà del suo territorio ricoperto da foreste. Nella parte orientale dello stato, le foreste sono prevalentemente composte da essenze tenere e dure, mentre nel resto del territorio predominano gli alberi di legno duro. Il bacino di Nashville è noto per i suoi boschi di cedri. La fauna selvatica del Tennessee è stata storicamente molto ricca. Tuttavia, a causa delle pressioni umane e della perdita di habitat, molte specie hanno rischiato l'estinzione. Oggi, lo stato ha implementato severe misure di protezione per conservare questa preziosa biodiversità. La fauna include cervi dalla coda bianca, orsi neri, coyote e numerose specie di uccelli e pesci. Le aree forestali offrono rifugio a molti animali selvatici, contribuendo a mantenere un ecosistema equilibrato.