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L'Effetto Serra naturale, o Global Warming

Lo spettro elettromagneticoEffetto serra naturale: una necessità per la vita sulla Terra. Ma spesso, a volte a sproposito, si sente parlare di effetto serra solo come un fattore negativo dovuto all'uomo...


Certo, in parte è vero, ma sarebbe più opportuno distinguere, in questo caso, tra effetto serra indotto dall’uomo, o meglio AGW (Anthropic Global Warming), ed effetto serra dovuto esclusivamente a cause naturali, ciò che viene semplicemente chiamato GW (Global Warming)...

Tutto questo può creare confusione in quanto spesso nei media (e anche tra certi addetti ai lavori) si lascia passare il messaggio che l'effetto serra è quel "riscaldamento globale" causato dall'uomo, come se non ce ne fossero altri e questo, dal punto di vista climatologico, non è assolutamente vero.


In questo articolo voglio pertanto solo evidenziare, tramite un conto matematico, come l’effetto serra naturale sia assolutamente indispensabile per la sopravvivenza di qualsiasi forma di vita sulla Terra.Il Sole è una stella che emette un flusso medio di energia luminosa di circa 3.98*1026 W (Watt).

Si definisce irradianza la quantità di radiazione elettromagnetica (trasmessa per irraggiamento) che incide su una superficie in tutte le direzioni possibili e si misura in W/m2. Possiamo quindi calcolare l'irradianza nel caso della Terra, sapendo che la distanza Terra-Sole è 1UA (circa 150 milioni di km) come E=W/4πrn, poiché a denominatore ho indicato l’area della n-esima sfera con al centro il sole. In altri termini, se immaginiamo il sole “inglobato” da sfere sempre più grandi, raggiungiamo quella dove il raggio rn è proprio 1UA (ovvero il caso della Terra): svolgendo i conti otteniamo E≈1370 W/m2, che viene chiamata costante solare. Ho messo l’approssimazione perché il valore non è fisso, ma ha sia un margine di incertezza, sia di fluttuazione, a seconda che ci troviamo in perielio, afelio, oppure a differenti latitudini, così come il Sole ha delle oscillazioni nell’energia luminosa emessa, il cui valor medio su lungo periodo è proprio quello sopra citato.

La Terra ha anche un suo albedo naturale, cioè la frazione di radiazione incidente riflessa in tutte le direzioni. È un valore adimensionale e nel caso del nostro pianeta è di circa 0.28 (anche qui è un valore medio, poiché ci sono enormi differenze tra oceani, deserti, calotte glaciali e foreste: ad esempio l’albedo della neve fresca è circa 0.85, mentre quello di una foresta di conifere appena 0.09).In altri termini la Terra assorbe circa il 72% della radiazione incidente. Ecco un'immagine didattica che indica l’albedo media planetaria nel mese di luglio: a essere realisti, essa varia anche da stagione a stagione, sebbene nel mio conto l’abbia presa costante: 


Albedo terrestre nel mese di Luglio

A questo punto devo fare una precisazione: chiamiamo radiazione a "onda corta" o Short Wave (abbreviato SW) la radiazione emessa dal sole che ha una banda di lunghezza d’onda inferiore ai 4 μm (4*10-6 metri), mentre a "onda lunga" o Long Wave (LW) quella emessa dalla Terra, il cui spettro ha una lunghezza d’onda superiore ai 4 μm.

Nella figura che apre l'articolo è disegnato lo spettro elettromagnetico: la luce visibile è compresa tra 400 e 700 nm. Il nostro occhio percepisce solo le SW, poiché le LW sono almeno un ordine di grandezza superiore. Per questo motivo riusciamo a vedere la luce solare, ma non la radiazione emessa dalla Terra.

Il nostro pianeta ha tanta energia entrante (proveniente dal sole, SW) quanta uscente (riemessa dalla Terra, LW), quindi è in equilibrio radiativo. Se considero la Terra come corpo nero (il perfetto emettitore e assorbitore di qualsiasi radiazione di ogni lunghezza d’onda in ogni direzione) allora posso applicare la legge di Stefan-Boltzmann P=σT4, ovvero la potenza irradiata da un corpo nero è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura (σ=5.67*10-8 W/(m2*K4), è la costante di proporzionalità).Considero, inoltre, un fascio di irradianza E che incide sulla Terra formando un’area πr (che prendiamo costante) e indico con S la superficie esterna del nostro pianeta che, con ottima approssimazione, è sferico (in realtà la Terra è un geoide, cioè ha una superficie perpendicolare in ogni punto alla direzione della forza di gravità, e la sua forma porta a uno schiacciamento ai poli rispetto all’equatore).Applicando il bilancio termodinamico (e indicando come 0.72 il valore di radiazione assorbita dalla Terra, poiché 0.28 è l’albedo medio) posso scrivere: 0.72*E*(πR)= S*(σT4). Svolgendo i conti, trovo che la temperatura media planetaria (o più precisamente temperatura equivalente di corpo nero) è T=255K, ovvero -18°C!


Notare che in codeste condizioni (ovvero se la Terra fosse un corpo nero e quindi non avesse alcun tipo di atmosfera) non esisterebbe la vita sul nostro pianeta! In realtà la temperatura media mondiale su lungo periodo (un anno) di tutte le stazioni presenti sulla Terra (escludendo lievissimi margini di errore) è di 15.6°C. Ma allora a cosa è dovuta questa discrepanza di ben 33°C? Semplice, all’effetto serra naturale che ho citato a inizio articolo. Se non ci fosse l’atmosfera non solo avremmo un pianeta estremamente freddo, ma avremmo sbalzi incredibili di temperatura tra giorno e notte (anche 150°C, come accade del resto sulla Luna!) e non avremmo protezione alcuna dal gran numero di asteroidi piccoli e medi che ogni giorno impattano negli strati alti atmosferici.

A cosa è dovuto, allora, l’effetto serra naturale?

In realtà ci sarebbe da fare un discorso estremamente approfondito e tecnico, ma si può semplificare così: l’atmosfera è trasparente per le SW entranti provenienti dal sole e discretamente opaca per le LW uscenti provenienti dalla Terra. Se consideriamo la profondità ottica come l’indice di trasparenza di un mezzo ottico (0 perfettamente opaco, 1 perfettamente trasparente) in una prima approssimazione le SW hanno un valore di 0.95, mentre le LW di 0.76. La discrepanza tra i due valori sta nel fatto che esistono i gas serra nella bassa atmosfera (biossido di carbonio (CO2), metano (CH4), Vapore Acqueo (H2O)) hanno un indice di trasparenza diverso a seconda della lunghezza d’onda della luce diffusa. Per non farla troppo tecnica, essi trattengono parte delle LW e di conseguenza anche del calore (l'ozono (O3) è un altro gas serra, ma in mesosfera). Ci sarebbe da fare un discorso molto ampio e tecnico circa gli indici di raffreddamento/riscaldamento radiativo ad onda corta e lunga, ma non lo tratterò qui. Un bellissimo articolo accademico e molto approfondito (a pagamento!) è www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022407311000926, da cui ho estratto la seguente immagine, che indica i diversi indici di riscaldamento delle SW e raffreddamento delle LW. Ovviamente c’è molto altro da dire, ma questi grafici rendono abbastanza bene l’idea (oltre all’articolo, che spiega questa parte molto meglio di me...).


Immagine presa dall’articolo sopra citato che indica i diversi indici di riscaldamento delle SW e raffreddamento delle LW

Esempio di bilancio radiativo


Quest'ultima immagine didattica è presa da www.plantsciences.ucdavis.edu.

In questo mio articolo ho semplicemente applicato cenni di trasferimento radiativo all’atmosfera.Un libro particolarmente approfondito (da cui ho preso spunto nella stesura del mio lavoro) è Wallace Hobbs – Atmospheric Science (cap. 4).

Davide Santini