Cambiamenti climatici. L’effetto serra: parte I

Come promesso all’autore di un commento al mio articolo sull’albedo, parlerò dell’effetto serra, posponendo l’argomento "isole di calore urbano".

Cominciamo con l’analizzare la radiazione solare, di cui abbiamo già parlato. Premettiamo che ogni corpo emette radiazione elettromagnetica. La Terra emette radiazione elettromagnetica (che chiameremo radiazione terrestre), il Sole emette radiazione elettromagnetica (la radiazione solare), e così via. La radiazione emessa dai corpi fu studiata e spiegata da grandi fisici del passato (stiamo parlando di fine ‘800 ed inizi del ‘900), come Planck, Boltzmann, Wien ed altri. Planck derivò la formula per calcolare la radiazione emessa da un corpo, dove, per la prima volta, si introdusse il concetto di quanto, che tanto doveva sconvolgere la fisica moderna. Questa radiazione non dipende dalle proprietà del corpo che la emette, ma solo dalla sua temperatura.

 

La figura 1 mostra la tipica radiazione di corpo nero in funzione della lunghezza d’onda emessa: maggiore è la temperatura, minore è la lunghezza d’onda emessa. Poiché la lunghezza d’onda è inversamente proporzionale alla energia della radiazione (ometto le formule matematiche, che possono essere comunque trovate su libri di testo o su wikipedia) , le radiazioni emesse ad alta energia sono quelle con lunghezza d’onda più piccola, che corrispondono all’ultravioletto (al mare o in montagna, infatti, ci proteggiamo proprio da questi raggi).  

 

La figura 2 mostra la radiazione entrante misurata da satelliti posti al di fuori dell’atmosfera: corrisponde alla radiazione emessa da un corpo di 5800 gradi kelvin, la temperatura del sole. Pertanto, pensare che sulla terra arrivi radiazione elettromagnetica da pianeti, come Giove o Saturno, è sbagliato: questi corpi non hanno la temperatura necessaria per emettere lo spettro di radiazione che è stato misurato dai satelliti (per esempio, Giove ha una temperatura media al di sotto di zero gradi centigradi). Ma ritorniamo a noi.

 

La radiazione terrestre è stata misurata dai satelliti e corrisponde ad una radiazione emessa da un corpo di 290 gradi kelvin (vedi Figura 3). E’ radiazione termica, diversa da quella che arriva dal sole (a sinistra nella figura). Chi ci legge potrà forse esclamare: “ Capito. E l’effetto serra cosa c’entra?”. E’ presto detto. Considerando la sola radiazione solare, la temperatura della terra dovrebbe essere al di sotto di zero gradi centigradi (questo dato si ottiene da calcoli dovuti a Fourier nel 1827!!), valore di gran lunga inferiore a quello che la nostra esperienza quotidiana ci indica. Questa differenza è dovuta all’atmosfera, che riflette la radiazione terrestre sulla superficie, contribuendo all’aumento della temperatura.

 

Questo fenomeno, conosciuto da circa 2 secoli, si chiama effetto serra (in analogia con quanto succede in una serra, dove i vetri riflettono il calore interno ma fanno passare la luce esterna). I gas dell’atmosfera che contribuiscono a questo fenomeno si chiamano gas serra. Il lettore attento potrà chiedersi: “Ma come? Non tutti i gas dell’atmosfera riflettono la radiazione terrestre? E perché?”. Alcuni gas, che assorbono la radiazione terrestre, “cambiano” il proprio stato rotazionale e vibrazionale. Questi “cambi”, per le leggi della meccanica quantistica, comportano l’emissione di radiazione termica che provoca il riscaldamento della Terra, con un effetto di tipo “ rimbalzo sulla Terra”.

 

Per fortuna, però, non tutti i tipi di gas presenti nell’atmosfera possiedono questa proprietà. L’Azoto e l’Ossigeno che formano il 99% circa dei gas atmosferici, non la posseggono mentre l’anidride carbonica, il metano, i clorofluorocarburi (i gas freon, per intenderci), il vapore acqueo e molti altri gas contribuiscono all’effetto serra.

 

Abbiamo spiegato perché avviene l’effetto serra ed a cosa è dovuto. Vediamo ora come contribuisce all’aumento della temperatura terrestre. La figura 4 mostra i flussi, misurati da satellite, delle radiazioni solari e delle emissioni terrestri. Non entrerò nei dettagli, ma un semplice calcolo delle radiazioni in ingresso e in uscita mostra che la Terra si riscalda, mentre l’atmosfera si raffredda. L’effetto serra, quindi, è responsabile del riscaldamento (e della vita) del pianeta. Il lettore potrà, però, chiedersi se vi sia stato in questi anni un effettivo riscaldamento del pianeta e se questo sia dovuto all’emissione di anidride carbonica o altri gas serra da parte dell’uomo, come riportato da vari giornali e fonti scientifiche. Cerchiamo di rispondere, come sempre, con dati scientifici alla mano. La temperatura è stata sempre misurata da stazioni sparse nel mondo e, a partire dalla fine dagli anni settanta, anche da satelliti. La temperatura globale media, come si vede nella figura 5, è aumentata sensibilmente in tutti questi anni, con una tendenza attuale di aumento di circa 0,2 gradi centigradi per decennio.

 

Chiediamoci se questo aumento di temperatura è dovuto alle attività umane che provocano l’emissione di gas serra. La risposta può sembrare scontata: un aumento delle concentrazioni di gas serra comporta un “rimbalzo” sulla superficie di una maggiore quantità di radiazione terrestre, con conseguente aumento della temperatura. Occorre, però, rispondere anche ad altre domande: quali possono essere i gas serra responsabili di questo aumento? Sono emessi dall’uomo o seguono una tendenza naturale e ciclica? Ve ne sono alcuni che contribuiscono maggiormente rispetto ad altri? E quali dati scientifici possono supportare queste affermazioni? Vi sono altri effetti che possono portare ad un incremento della temperatura globale? Sono domande importanti, non solo da un punto di vista scientifico, ma anche per le scelte di politiche ambientali ed economiche da intraprendere. Ne parleremo diffusamente nel prossimo articolo.

Commenti all'articolo

• Di Damiano Mazzotti (---.---.---.44) 16 febbraio 2010 12:37

  

  le eruzioni vulcaniche sono molto più incisive...

  Le fasi e i cicli atomici solari sembrano più incisivi..

  Gli spostamenti di asse terrestre e di polo magnetico dove li mettiamo?

  Poi c’è l’avvicinamento di una piccola fase geologica glaciale

  E si vive molto meglio con qualche grado in più che con qualche grado in meno..

  Guardate quanta vita in più c’è all’equatore e quanta in meno al polo.. 

  La realtà è che gran parte degli "ambienatlisti" nati in città capisce ben poco della natura..

  Bisogna viverci in mezzo per capirla e un contadino africano può capirne molto di più di uno stupido scienziato amricano..

  Orami anche la scienza è diventata una questione di moda e di soldi: chi urla di più e ha l’appoggio dell’opinione pubblica ottiene più soldi.. tutto qui...
  

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• Di Renzo Riva (---.---.---.226) 17 febbraio 2010 12:52

  

  Una piccola osservazione Signor Damiano quando scrive:
  Guardate quanta vita in più c’è all’equatore e quanta in meno al polo.. 
  
  Nel mare è l’inverso

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• Di Giovanni Macchia (---.---.---.22) 22 febbraio 2010 00:21

  Con questo articolo ho, tra l’altro, mostrato che
  a) l’aumento di temperatura esiste
  b) dire che i pianeti (come Giove..) incidono sull’effetto serra è un’idiozia antiscientifica

  Con il prossimo articolo, toccherò gli argomenti sollevati, e quindi, come mio costume, non rispondo qui. Dico solo che le eruzioni vulcaniche tendono a raffreddare la terra, non a riscaldarla, in quanto coprono la superficie dalla radiazione solare.
  Che si vive meglio con qualche grado in più, lo dica ai poveri vecchi che crepano per il calore ogni anno, sig. Mazzotti. E quello che dice sullo "stupido scienziato americano" (non so a chi si riferisce) non merita alcuna risposta, poichè si commenta da se.

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