Annuario 2006
Il clima della Terra è regolato dal continuo flusso di energia proveniente dal sole. La radiazione solare, oltre a fornire l’energia necessaria per la circolazione delle masse d’aria e delle correnti oceaniche, è la maggiore responsabile, ma non l’unica …della temperatura del nostro pianeta. Circa il 30% della radiazione che colpisce la Terra viene immediatamente respinta verso il cosmo, ma il 70% passa attraverso l’atmosfera e raggiunge la superficie terrestre, riscaldandola.
Per poter comprendere da cosa dipende l’“effetto serra” è necessario conoscere alcuni fenomeni fisici. Tra le varie forme di energia riveste un importante ruolo l’energia elettromagnetica che si propaga anche nel vuoto mediante “onde” (secondo la teoria “ondulatoria”). La distribuzione dell’energia elettromagnetica può essere rappresentata sia in funzione della lunghezza d’onda (), che delle frequenze, in quello che è noto, come “spettro elettromagnetico”: più è piccola più la frequenza è alta e più la radiazione è “penetrante”. Le onde più penetranti sono i raggi cosmici, via via che aumenta la lunghezza d’onda si passa successivamente ai raggi gamma, i raggi X, la radiazione ultravioletta (UV), la radiazione visibile dal violetto al rosso (la luce), la radiazione infrarossa (IR), fino alle onde radio e le onde elettriche di potenza. In questo spettro le lunghezze d’onda variano da 0,03 µm ( micron si indica con µm, e corrisponde a 1 milionesimo di metro) fino a 10 km e più ! Per capire l’”effetto serra” ci interessano le radiazioni emesse dal Sole: tutti i corpi infatti emettono radiazioni elettromagnetiche in funzione della loro temperatura superficiale e ad ogni temperatura è associato uno spettro di emissione. All’aumentare della temperatura aumenta sia l’ampiezza dello spettro (cioè vengono coinvolte più lunghezze d’onda) sia la quantità di energia emessa e nel contempo tutto lo spettro si sposta verso lunghezze d’onda più piccole cioè verso radiazioni più “penetranti”. Lo spettro di emissione del Sole è praticamente rappresentato dalla curva T=5900 K (corrispondenti a poco più di 5600 C) , la più ampia tra quelle riportate in figura 1: si vede subito la maggior quantità di energia viene emessa nell’intervallo di lunghezze d’onda che comprendono il culmine della curva cioè nella zona intorno alla radiazione visibile (0,4÷0,7 µm). Queste radiazioni attraversano lo spazio che ci separa dal Sole ovviamente alla velocità della luce e penetrano nella nostra atmosfera
Occorre sapere che l’energia radiante può essere assorbita dai corpi che essa colpisce o attraversa; quando questo avviene l’energia radiante si trasforma in altre forme di energia, più comunemente in calore (sia sempre ben chiaro che non è il “calore” che viaggia nello spazio siderale ma solo l’energia elettromagnetica); l’atmosfera però assorbe poco le radiazioni solari per cui quest’ultime riescono a raggiungere la superficie terrestre. La superficie terrestre viene riscaldata e raggiunge una temperatura di equilibrio che ha un valore medio intorno ai 15 C. Anche la superficie terrestre, come tutti i corpi, emette energia elettromagnetica, ma essendo molto più fredda di quella del Sole emette con lunghezze d’onda mediamente più alte (comprese tra 2 e 100 µm) e quindi non più nel zona del “visibile”, come la luce, ma nella zona dell’infrarosso come si può vedere ancora dalla fig. 1: come curva relativa alla temperatura della superficie terrestre può essere presa quella a T= 300 K (corrispondente a 27 C). Questa energia riprende il suo viaggio verso lo spazio siderale ma a questo punto interviene l’ “effetto serra” : nell’atmosfera non ci sostanze che assorbano la luce solare (radiazione visibile) ma ci sono altresì molte sostanze che assorbono le radiazioni infrarosse riemesse dalla terra; queste sostanze sono : l’anidride carbonica (assorbe radiazioni con =13÷19 µm), il vapor d’acqua (si pensi alle nubi, assorbe radiazioni con = 4÷7 µm) e altri gas detti appunto “gas serra”; tali sostanze assorbendo la radiazione infrarossa la riducono notevolmente durante l’attraversamento dell’atmosfera trasformandola in calore o addirittura la riflettendola in gran parte nuovamente verso la terra. Ovviamente il fenomeno è molto più complesso di come è stato qui testé descritto, ma inin pratica l’ “effetto serra” non è altro che una sorta di trappola per l’energia radiante, che rimane confinata tra i bassi strati dell’atmosfera, tanto più efficace quanto maggiore è la quantità dei “gas serra”. Un’esperienza diretta l’abbiamo nelle notti invernali durante le quali fa meno freddo quando il cielo è nuvoloso rispetto a quando il cielo è sereno, perché in quest’ultimo caso la terra si raffredda più rapidamente. L’atmosfera terrestre si comporta quindi come una serra per le piante dove si ha un fenomeno analogo: la luce solare (radiazione visibile) entra attraverso i vetri che sono trasparenti ai raggi visibili ma non riesce ad uscire perchè il vetro è “opaco” alla radiazione riemessa dalle superfici interne alla serra che è del tipo “infrarosso” date le temperature in gioco ( inoltre in questo caso la mancanza di contatto con l’aria esterna impedisce anche lo scambio di calore per convezione).
Il cosiddetto “effetto serra” è quanto mai essenziale per la vita sulla terra, perché è stato calcolato che se esso non ci fosse, la temperatura nelle zone superficiali della terra si abbasserebbe di circa 33 C ! Il fatto è che l’attuale attività antropica (soprattutto le combustioni) sta provocando un aumento delle concentrazioni di anidride carbonica nell’atmosfera per cui a causa del suddetto “effetto serra” si ha un innalzamento progressivo e preoccupante della temperatura media terrestre. Alcuni ricercatori affermano che un raddoppio della concentrazione dell’anidride carbonica porterebbe all’aumento della temperatura superficiale all’equilibrio di poco più di 1 C, se altri fattori (quali ad esempio, la formazione e il tipo di nubi, il contenuto di vapore acqueo troposferico e gli aerosol) fossero mantenuti invariati. Ma a questo punto lascio la penna a esperti in Scienze della Terra che spiegheranno molto meglio di me gli effetti di queste variazioni di temperatura.
I valori massimi dell’energia emessa corrispondenti alle di cui è più ricca e le temperature di emissione sono legati dalla relazione (legge della regressione di Wien): ( ° T)max potenza = 2897,8 µm K
Da questa formula si può ricavare, avendo il sole una temperatura intorno a 5800 K, subito la lunghezza d’onda più rappresentativa della radiazione solare : circa 0,5 µm, e cioè all’interno del visibile nella zona del violetto; ma come si vede dalla figura nell’irraggiamento solare sono rappresentate tutte le lunghezze d’onda dall’ultravioletto all’infrarosso, ma la la maggior percentuale di energia appartiene al visibile.
Per chi vuole approfondire (vedi fig.2):
la radiazione in arrivo è caratterizzata da tre diversi modi di propagazione successiva:
1 – Riflessione: parte della radiazione è riflessa (come la luce da uno specchio) dal bersaglio con angoli diversi
2 – Trasmissione: parte della radiazione penetra in alcuni mezzi, per esempio nell’atmosfera, nell’acqua, ecc… e li attraversa
3 – Assorbimento: parte della radiazione che tenta di attraversare il mezzo è assorbita in seguito ad interazioni molecolari o elettroniche con il mezzo; vedremo più avanti che tale energia potrà essere parzialmente riemessa
Le varie sostanze (siano esse gassose, solide o liquide) di cui è composto il nostro pianeta, possono assorbire poco o molto le radiazioni a secondo della loro lunghezza d’onda ed in taluni casi, in dipendenza dell’angolo di incidenza, possono rifletterle come fa uno specchio (ma anche un vetro trasparente o la superficie di un lago, ecc…) con la radiazione luminosa. Non è possibile in questa sede addentrarci nei fenomeni di assorbimento, ma sta di fatto che l’atmosfera terrestre è abbastanza trasparente alla radiazione luminosa.
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