Bassa Atmosfera

Approfondimento

Il bilancio della radiazione della Terra e l'effetto serra

Il sistema climatico è governato dall'energia solare. Solo una certa frazione di questa energia raggiunge la superficie terrestre causandone il riscaldamento. Il resto dell'energia solare è riflessa indietro nello spazio o assorbita dall'atmosfera. In questa sezione osserviamo come funzione il bilancio radiativo della Terra.

a) Quando osserviamo il bilancio radiativo della Terra, possiamo dividere il sistema in 3 parti:
1) lo spazio esterno
2) la nostra atmosfera
3) la superfice terrestre
In ogni parte del sistema la quantità di energia in entrata equivale a quella in uscita. Se così non fosse, col passare del tempo una parte del sistema diventerebbe o più calda o più fredda e questo non sta succedendo. Perciò il sistema è in equilibrio.

b) I gas serra non producono energia. Aiutano a generare uno stato di equilibrio in cui lo strato superficiale dell'atmosfera è insolitamente caldo.

La realtà è un po' più complicata in quanto gli oceani reagiscono molto lentamente ai cambiamenti di temperatura. Perciò se la temperatura aumenta come conseguenza del riscaldamento globale, la temperatura atmosferica aumenta rapidamente ma gli oceani impiegano molto più tempo a riscaldarsi. Un ricambio completo dell'acqua dell'oceano impiega circa 1000 anni. Questo significa che finché gli oceani non si saranno scaldati completamente, la Terra si troverà in uno stato di disequilibrio. Perciò il bilancio della radiazione mostrato sopra ha un'incertezza del 10 - 20%. Nelle seguenti sezioni ipotizziamo che la situazione di equilibrio sia stata raggiunta e che il sistema della Terra sia in equilibrio.

Il ruolo dei gas serra

Quando fa freddo indossiamo una felpa per tenerci caldi. Tuttavia, la felpa non rende l'aria più calda o non fa produrre più energia al nostro corpo e non produce energia da sola! Semplicemente rimanda parte dell'energia che proviene dal nostro corpo verso la nostra pelle creando un uno strato di aria calda tra la felpa e noi stessi. Questo è esattamente quello che fanno i gas serra. Un aumento dell’effetto serra non significa che arriva più energia dal Sole ma che una grande frazione dell'energia che proviene dalla Terra è rispedita indietro verso la superficie permettendo a più energia di accumularsi prima di essere rimandata nello spazio. 

Capire il bilancio energetico

Misuriamo l'energia trasmessa in, o emessa da, una parte del sistema in watt per metro quadrato (W m^-2). Prima di tutto, controlliamo che la stessa quantità di energia entri ed esca dal sistema (qui semplifichiamo tralasciando l'effetto ritardante degli oceani):

342 W m^-2 di energia penetrano la nostra atmosfera direttamente dal Sole. Circa il 30% di questa energia solare (107 W m^-2) è direttamente riflessa nello spazio dalle nuvole o dalla superfice terrestre. Questa frazione di luce solare riflessa direttamente indietro nello spazio è conosciuta come l'albedo della Terra. La Terra ha un'albedo media di 0.3. Le nuvole e le calotte di ghiaccio polare sono i più efficienti riflettori della radiazione solare direttamente nello spazio.

Definizione di albedo: Il rapporto tra la luce riflessa da un corpo e la luce da esso ricevuta. I valori dell'albedo vanno da 0 (buio pesto) a 1 (riflettore perfetto).

I restanti 235 W m^-2 di energia provenienti dal Sole interagiscono o con l'atmosfera o con la superfice terrestre. Ritornano poi nello spazio sotto forma di radiazione infrarossa a onda lunga.

Quando osserviamo il bilancio radiativo, vediamo che la superficie terrestre assorbe più energia (492 W m^-2) della quantità totale di energia che deriva dal Sole. Se il sistema è in equilibrio questo non dovrebbe essere possibile! Perciò perché accade ciò? L'atmosfera può reimmettere l'energia che ha assorbito indietro nello spazio o rispedirla verso la superficie terrestre. La presenza di gas serra nell'atmosfera permette all'energia di essere riflessa indietro verso la terra facendo sembrare il sistema sbilanciato.

La finestra atmosferica

La superficie terrestre emette direttamente nello spazio come radiazione solo 40 W m^-2. 

Solo una piccola quantità della radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre può uscire direttamente nello spazio. La maggior parte è assorbita dai gas serra presenti nell'atmosfera. Ci sono alcuni vuoti nello spettri di assorbimento sovrapposti di acqua (che assorbe circa il 60%), anidride carbonica, metano, ossido di azoto, ozono e gli altri gas serra, dove la radiazione infrarossa non può essere assorbita. I più importanti vuoti sono conosciuti come finestre atmosferiche. Semplificando, la radiazione infrarossa può scomparire nello spazio come fa il calore attraverso una finestra nel tetto di una serra.

L'analogia dei gas serra con il vetro di una serra non è perfetta. I gas interagiscono con la luce, mentre il vetro è una barriera solida che impedisce anche la convezione trattenendo così il calore.

6. Dove assorbono i gas?
Solo una piccola frazione della radiazione terrestre calcolata teoricamente  può essere emessa direttamente nello spazio. Il resto è assorbito dai gas serra. Ognuno di questi gas copre con il suo assorbimento diverse lunghezze d'onda (ed energie) nello spettro elettromagnetico della luce visibile e invisibile (UV, infrarossa).
Animazione: Anja Kaiser © ESPERE

7. Che quantità di radiazione attraversa l'atmosfera, e a quale lunghezza d'onda? L'interazione di onde elettromagnetiche con l'atmosfera dimostra che questa è opaca (non trasparente) in certe aree dello spettro elettromagnetico. Nell'immagine sopra, queste parti sono mostrate in marrone. Di particolare interesse è la radiazione vicina all'ultravioletto (1), la luce visibile (2) e la radiazione vicina all'infrarosso (3). L'ozono assorbe nella regione (1) e rende l'atmosfera opaca alla pericolosa radiazione UV-B proveniente dal sole. Poi, la luce visibile (2) raggiunge il suolo e illumina le nostre giornate e riscalda la superficie terrestre. La radiazione infrarossa (3) proveniente dalla Terra (vedi immagine sopra) può ritornare indietro nello spazio, ma solo nelle aree che non sono bloccate. Prima l'acqua e poi l'anidride carbonica rendono alcune parti della regione infrarossa opaca per la radiazione proveniente dalla terra (effetto serra). Altri gas (O₃, CH₄, N₂O) assorbono nella rimanente 'finestra atmosferica' (vedi spettri sopra), sono quindi gas serra molto efficienti.

A proposito di questa pagina:

Versione italiana: Laura Dini (traduttore) e Michela Maione (revisione linguistica)
autore: Dr. Elmar Uherek - MPI for Chemistry, Mainz
revisione scientifica:  Dr. Benedikt Steil - MPI for Chemistry, Mainz - 2004-05-16
revisione didattica: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
ultimo controllo e pubblicazione: 2008-11-20