L’effetto serra
Per effetto serra si intende il fenomeno naturale che permette il riscaldamento del globo terrestre, grazie alla presenza di gas serra in atmosfera, capaci di trattenere sul pianeta il calore proveniente dalla radiazione solare. Come? Capiamo meglio l’effetto serra. È ben noto a tutti che l’esposizione alla radiazione solare provoca una sensazione di caldo. Il sole trasferisce calore al nostro corpo tramite radiazione. Questo fenomeno di trasferimento di calore è detto irraggiamento. Così, tramite l’irraggiamento solare, la terra si riscalda. Come il sole, ogni corpo caldo è capace di emettere radiazione, dunque allo stesso modo farà la terra. L’emissione di radiazione da parte della terra provoca il suo raffreddamento.
Per fare un paragone, come Goku in DragonBall perde energia quando scaglia un’onda energetica, allo stesso modo la terra perde calore nel momento in cui emette radiazione. La radiazione emessa dalla terra viene però bloccata in atmosfera dai cosiddetti gas serra, che la fanno nuovamente rimbalzare sulla superficie terrestre. Il risultato è che buona parte del calore di cui si voleva disfare la terra, lanciandolo via tramite radiazione, rimane in circolo, provocando il riscaldamento.
L’effetto serra di tutti i giorni
È capitato a tutti di lasciare l’auto parcheggiata sotto il sole in una torrida giornata estiva. Al rientro percepiamo l’aria nell’auto bollente, più calda dell’ambiente circostante. Si tratta ancora dell’effetto serra, il cui nome deriva proprio dal suo utilizzo per mantenere calde le serre dei vivai. Infatti come i gas serra, il vetro non permette la totale fuoriuscita della radiazione emessa dalle piante, intrappolando il calore all’interno della serra.
L’intervento dell’uomo
Questo riscaldamento è fondamentale per il mantenimento della vita sulla terra: senza di esso la temperatura media globale sarebbe di circa -18°C (gradi Celsius, i comuni “gradi” usati per le usuali misure di temperatura della vita quotidiana) piuttosto che di 15°C. Il riscaldamento della terra grazie al sole avviene per un terzo mediante l’assorbimento diretto di radiazione e per gran parte, i due terzi, per effetto serra. Questo per ribadire che l’effetto serra è un fenomeno tutt’altro che negativo.
Tuttavia negli ultimi anni c’è stato un eccessivo aumento delle temperature, principalmente causato dall’azione umana. Per dare una stima, la componente antropica è pari a circa il 5% dell’effetto serra totale. Potrebbe sembrare poco ma è questa la causa determinante il surriscaldamento globale del pianeta. Infatti, sebbene gran parte dei gas serra sia di origine naturale, questi sono in equilibrio all’interno del proprio ciclo. Ad esempio, il vapore acqueo (H2O) costituisce circa il 70% dei gas serra e in modo naturale l’atmosfera regola la quantità di vapore acqueo in essa presente. Infatti essa si carica di vapore acqueo attraverso l’evaporazione dell’acqua presente sulla superficie terrestre e la scarica attraverso le piogge.
È l’intervento dell’uomo che genera squilibri. Circa il 25% dell’effetto serra è prodotto da anidride carbonica (CO2) e metano (NH4). L’azione antropica ha aumentato la concentrazione atmosferica di questi gas, principalmente a causa dell’utilizzo dei combustibili fossili e dell’allevamento di bestiame. Non solo, l’uomo altera il ciclo della CO2 attraverso la deforestazione. Difatti, l’assorbimento di anidride carbonica da parte delle piante garantisce un perfetto metodo naturale al fine di diminuire la CO2 nell’aria. Nel 2012 si è stimato che la quantità di gas serra emesso nel periodo di un anno è doppia rispetto a quella che è possibile smaltire tramite l’assorbimento di foreste e oceani.
Sapevate che…
L’ effetto serra, contrariamente al pensiero comune, è minimo quando fa caldo, in estate, e massimo quando fa freddo, in inverno. Infatti d’estate l’intensa radiazione solare fa diminuire l’umidità dell’aria (meno vapore acqueo in atmosfera) e le piante richiedono un maggiore consumo di anidride carbonica, riducendo la concentrazione atmosferica di CO2. Il grande caldo nella stagione estiva quindi provoca una diminuzione di gas serra e quindi un effetto serra meno intenso.
Un altro effetto interessante e controintuitivo è il seguente: Quando in inverno, durante la serata il cielo è sereno ed è possibile vedere le stelle, ci si deve aspettare una notte gelida. Al contrario, se il cielo è nuvoloso, c’è molto vapore acqueo in atmosfera ad amplificare l’effetto serra, e ci aspettiamo una notte non molto fredda.
Cambiamenti climatici
Diamo qualche numero relativamente al riscaldamento globale. A partire dal 1906 la temperatura media globale si è alzata di circa 1°C e si stima che entro il 2052 si alzerà di 2°C. Il 2016 e il 2020 sono riconosciuti come i due anni più caldi mai registrati. Oltre a scorgere gli effetti dell’aumento delle temperature nel passato e a prevederli nel futuro, già al giorno d’oggi stiamo toccando con mano le conseguenze, attraverso i cambiamenti climatici:
- Scioglimento dei ghiacciai: Il ghiaccio marino artico è diminuito in media del 12,8% per decennio, causando un innalzamento del livello del mare medio di 3,2 mm l’anno;
- Impatto sul mondo animale: L’aumento delle temperature sta alterando l’habitat di specie che hanno difficoltà ad adattarsi, provocandone la graduale estinzione o la migrazione. Altre stanno addirittura proliferando, come meduse e zanzare;
- Fenomeni atmosferici estremi: Le precipitazioni (pioggia e neve) sono mediamente più frequenti su tutto il globo. Ogni anno aumentano i cicloni e le alluvioni, che risultano sempre più devastanti e colpiscono anche in periodi atipici dell’anno. Alcune regioni stanno attraversando periodi di siccità, con conseguente aumento del rischio di incendi e perdita del raccolto.
La fisica dell’effetto serra
Mettiamoci in sella alla radiazione emessa dal sole e percorriamo insieme a lei il tragitto che la porta fino a rimanere intrappolata sulla terra. Durante il viaggio risponderemo a tante domande che non ci siamo posti finora ma che chiariscono il funzionamento dell’effetto serra.
Cos’è la radiazione?
La radiazione è un’onda elettromagnetica, ma cosa significa? La prima immagine che ci passa per la mente quando si parla di onda è sicuramente quella di un’onda del mare. Per originarla è sufficiente lasciar cadere un sassolino in acqua. Il sasso, colpendo la superficie dell’acqua, la mette in oscillazione. Cioè provoca un continuo “sali e scendi” del livello del mare, che si propaga poi nello spazio, anche lontano dal punto di caduta del sasso. Abbiamo usato con questo esempio tutte le parole necessarie a spiegare più in generale cosa si intenda in fisica per onda: una perturbazione che nasce da una sorgente (il sasso che colpisce l’acqua) e si propaga nel tempo e nello spazio.
Cosa si propaga? Nel caso dell’onda del mare l’altezza dell’acqua. Infatti essa risulta diversa tra punti vicini, conferendo alla superficie dell’acqua i consueti lineamenti ondulatori. Per quanto riguarda la luce a propagarsi sono invece i campi elettrico e magnetico, oggetti più astratti che non ci interessa approfondire in questo momento. Per ora ci basta capire che un’onda elettromagnetica è una perturbazione (del campo elettromagnetico astratto piuttosto che del livello dell’acqua) che nasce da una sorgente (il sole) e si propaga nello spazio e nel tempo.
Si dicono creste i punti più alti dell’onda. Come si può notare dall’immagine dell’onda nel lago, si formano tante creste circolari, ricordando proprio la periodicità dei punti di massima altezza nella cresta di un gallo. Si dice lunghezza d’onda la distanza tra due creste consecutive.
La radiazione solare
Ogni corpo caldo è capace di emettere radiazione, più precisamente tanti tipi di radiazione che si distinguono tra loro per il valore della lunghezza d’onda. Ogni oggetto è caratterizzato da un suo spettro di emissione, che specifica quanta radiazione di ciascun tipo emette il corpo. Il sole che tipo di radiazioni emette? E quanta di ciascun tipo? La risposta a queste domande è data dalla Legge dello spostamento di Wien. Essa asserisce che la lunghezza d’onda preferita del corpo che la emette è inversamente proporzionale alla sua temperatura.
Ad esempio, la temperatura superficiale del sole è di circa 5600°C, per cui esso emetterà onde elettromagnetiche di bassa lunghezza d’onda. In particolare, secondo la legge di Wien, il giallo, corrispondente 0,5 micron (milionesimi di metro, d’ora in avanti μm). Il sole irradia luce intorno a questo valore, coprendo quindi principalmente lo spettro visibile (0.4-0.7 μm) e, con minore intensità, infrarosso (superiore a 0.7 μm) e ultravioletto (inferiore a 0.4 μm), come ben descrive la figura seguente.
La radiazione terrestre
Perché la radiazione emessa dalla terra viene bloccata dai gas serra mentre la luce solare in ingresso attraversa l’atmosfera senza problemi?
La terra assorbe la radiazione proveniente dal sole e si riscalda. La terra a sua volta, in quanto corpo caldo, deve emettere radiazione. Avendo temperatura inferiore a quella del sole, emetterà, secondo la legge di Wien, radiazione di lunghezza d’onda maggiore a quella prodotta dal sole. In particolare lo spettro di emissione della terra è centrato sull’infrarosso a lunghezze d’onda di circa 15μm. Questo è un passaggio importante: la radiazione emessa dalla terra è diversa da quella proveniente dal sole. È per questo che l’atmosfera si comporta in modo diverso nei due casi, facendo comodamente passare la luce solare e invece intrappolando quella in uscita dalla terra.
La riflessione degli infrarossi
Perché i gas serra, come il vetro nelle serre, riflettono la radiazione infrarossa?
Perché sia le molecole costituenti il vetro che i gas serra sono sensibili alla radiazione infrarossa. Ovvero, la assorbono e subito la riemettono in tutte le direzioni. Il risultato è che solo il 30% delle onde infrarosse provenienti dalla terra vengono liberate nello spazio, mentre il restante 70% resta in circolo in atmosfera e, venendo nuovamente assorbito, provoca il riscaldamento del globo.
La sensibilità agli infrarossi secondo la fisica quantistica
Ma cosa hanno in comune i vari gas serra e le molecole del vetro, da renderle così sensibili all’infrarosso?
La spiegazione di questo è data dalla meccanica quantistica. Sostanzialmente il salto energetico che a queste particolari molecole serve fare per raggiungere il livello vibrazionale eccitato corrisponde proprio all’energia che è in grado di scambiare la radiazione infrarossa. Così, nel momento in cui la molecola assorbe la radiazione, essa inizia a vibrare, per poi riemettere la radiazione infrarossa e tornare al livello energetico di partenza.
a cura di Giuseppe Mansi