L'effetto serra è un fenomeno naturale. Le prime teorie sull’effetto serra

L’effetto serra è un fenomeno naturale. Il significato di effetto serra. Le prime teorie che portarono alla definizione di effetto serra.

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La definizione di effetto serra.


L'effetto serra è un fenomeno naturale grazie al quale il nostro pianeta mantiene una temperatura che permette la presenza e lo sviluppo della vita sulla Terra. A causa dei gas emessi dalle attività umane, negli ultimi anni questo fenomeno ha portato a cambiamenti profondi dal punto di vista climatico e ambientale.


Come in una serra, la terra riceve energia dal sole e parte dell’energia viene trattenuta.

Alcuni gas, i gas serra, hanno la capacità di assorbire il calore.


Sono chiamati gas serra quei gas presenti nell'atmosfera che riescono a trattenere la radiazione solare che colpisce la Terra ed è emessa dalla superficie terrestre, dall'atmosfera e dalle nuvole. Tale proprietà causa il fenomeno noto come "effetto serra".


Il gas serra più famoso è l’anidride carbonica (CO2). 

E’ noto che un eccessivo aumento dei gas serra provoca un aumento della temperatura terrestre. Di conseguenza provoca un aumento della temperatura degli oceani, lo scioglimento dei ghiacciai, un aumento del livello dei mari, un aumento degli eventi estremi atmosferici.

Vivere sulla Terra e come vivere in una serra.

Per comprendere l’effetto serra è importante capire come funziona una serra.

In una serra la luce passa attraverso il vetro. All’interno di esse è possibile far crescere le piante anche nelle stagioni invernali.  Quindi la caratteristica di una serra è di essere calda anche quando fuori fa molto freddo.

Perché all’interno della serra fa così caldo?

L’energia proveniente dalla luce solare riscalda gli oggetti all’interno della serra. Gli oggetti riscaldati quindi irradiano nuovamente la luce infrarossa, che però non può passare attraverso il vetro.

In sostanza è un fenomeno che si presenta quando un certo mezzo (per es., il vetro con cui sono fatti i tetti delle serre) risulta trasparente ad alcune componenti dell’insieme delle radiazioni che costituiscono la luce solare ma è opaco rispetto a radiazioni di maggiore lunghezza d’onda come la radiazione infrarossa: un mezzo con queste caratteristiche trattiene la radiazione infrarossa emessa dai corpi riscaldati in seguito all’assorbimento della radiazione solare con un conseguente aumento della temperatura sottostante.

La luce del sole splende e riscalda le piante e l'aria all'interno della serra. Ma il calore, una volta entrato rimane  intrappolato e non può sfuggire. Così durante le ore di luce, Il sole riscalda la serra. A questo punto il calore intrappolato, che fa fatica ad uscire, mantiene la serra calda anche di notte.


Effetto serra, perché si chiama così?

Il termine deriva dall'errata analogia con quanto avviene nelle serre per la coltivazione: in questo caso l'aumento di temperatura è dovuto all'assenza di convezione (una modalità di trasferimento del calore) e non all'intrappolamento dell'energia radiante.


L’atmosfera terreste si comporta come una serra. Come una serra, la terra riceve energia dal sole ed in parte viene assorbita dall’atmosfera.

I gas presenti nell'atmosfera, quali l’anidride carbonica, si comportano da tetto. Durante il giorno, il sole splende attraverso l'atmosfera. La superficie terrestre si riscalda al sole. Di notte, la superficie della Terra si raffredda, rilasciando il calore nuovamente dentro l'aria. Ma una parte del calore viene intrappolato dai gas serra nell'atmosfera. Questo è ciò che mantiene la nostra Terra un ambiente caldo e accogliente. Quindi l’effetto serra è un fenomeno naturale grazie al quale l'atmosfera trattiene l'energia dal Sole.


L’effetto serra è un fenomeno naturale grazie al quale l'atmosfera trattiene l'energia dal Sole.


Il punto è, se l'effetto serra è troppo forte, la Terra diventa più calda. Questo è ciò che sta accadendo ora. Nell’atmosfera c’è troppa anidride carbonica e altri gas serra che provocano un aumento dell’effetto serra.

Effetto serra: "una scomoda verità" Al Gore presenta il cartone animato che spiega l'effetto serra ai più piccoli.

Fourier per primo teorizzò il concetto di effetto serra

Nei libri di storia della scienza si riporta che l’effetto serra è stato teorizzato per la prima volta nel 1822 da Jean Baptiste Joseph Fourier, matematico e fisico francese, nella pubblicazione “Teoria analitica del calore”.

Jean Baptiste Joseph Fourier (Auxerre, 21 marzo 1768 – Parigi, 16 maggio 1830) è stato un matematico e fisico francese, conosciuto soprattutto per le sue famose serie e trasformata e per la sua legge sulla conduzione del calore.

Verso la fine del Settecento, Fourier inizia a studiare il calore e le sue modalità di trasferimento.
Nel 1816 finisce di scrivere un manoscritto intitolato Théorie analitique de la chaleur (Teoria analitica del calore) che verrà stampato nel 1822.

Tutto è iniziato quando Fourier si chiese come mai il pianeta non diventasse sempre più caldo fino a raggiungere la stessa temperatura del Sole, nonostante i raggi solari colpissero la superficie delle Terra ogni giorno riscaldandola. La risposta che si diede è la seguente: il calore assorbito deve essere successivamente disperso verso lo spazio per mezzo di alcune radiazioni invisibili, i raggi infrarossi. Per calcolare questo effetto di raffreddamento Fourier si servì della matematica, sviluppando la teoria di diffusione del calore attraverso le radiazioni. Il risultato ottenuto fu che la temperatura prevista sulla superficie della Terra avrebbe dovuto essere molto inferiore rispetto a quella reale. Fu così che Fourier ipotizzò che doveva esserci qualcosa che tratteneva il calore sulla superficie terrestre e l’unica possibile era l’atmosfera.


Scrive Fourier: “Così la temperatura della Terra viene aumentata dall’interposizione dell’atmosfera, perché il calore nello stato di luce trova meno resistenza nel penetrare l’aria che nel ripassare quando viene convertito in calore non luminoso”.


Fourier ritiene che la Terra è un solido freddo che riceve calore da tre fonti:

  • dal suo interno. La terra dispone di calore in profondità fin dalla sua origine, ma è stato dissipato in superficie ed ha esaurito la sua azione;
  • dal Sole;
  • dalle stelle.

Come gli altri pianeti del sistema solare la Terra è situata in una regione dell’Universo a temperatura costante e fredda.

E sarebbe, al pari fredda, se non ci fosse l’interposizione dell’aria, in grado di modificare gli effetti del calore solare sul globo.

Rifacendosi agli esperimenti di de Saussure con l’eliotermometro, Fourier dimostra che lastre di vetro separate da aria atmosferica trattengono il calore in modo molto più efficiente delle stessa lastre separate dal vuoto.

Scrive Fourier nell’opera citata: “Così la temperatura della Terra viene aumentata dall’interposizione dell’atmosfera, perché il calore nello stato di luce trova meno resistenza nel penetrare l’aria che nel ripassare quando viene convertito in calore non luminoso”.

Fourier, per primo, teorizza quello che verrà poi nominato effetto serra: la luce solare ha la capacità di attraversare le sostanze “diafane” (quasi trasparenti) quali l’aria, ma la perde quasi del tutto quando si trasforma in calore oscuro.

Nota. Nel 1759 Saussure si laurea con un lavoro che dimostra come i raggi solari sono meglio assorbiti dai corpi quanto più questi sono scuri. Il tema del calore diventa una costante della sua ricerca e per indagarlo costruisce uno strumento apposito: l’eliotermometro. Lo strumento era un recipiente coperto da una o più lastre di vetro separate da strati di aria con il fondo annerito e un termometro per misurare la temperatura interna. Lo scopo di questa apparecchiatura era misurare “l’effetto del calore solare sull’aria contenuta in involucri trasparenti”.

Nota. Calore luminoso e calore oscuro, una distinzione utilizzata da Fourier. Se Newton nel 1666 aveva scoperto che la luce solare è composta da una striscia di colori che vanno dal rosso al violetto, nel 1800 Willhelm Herschel aveva identificato raggi al di là dell’estremità rossa dello spettro, dando loro il nome di raggi infrarossi.

Siamo quindi a conoscenza dell’esistenza dell’effetto serra da circa 200 anni, anche se la sua formulazione fisica risale a molti anni dopo. La storia per decenni ci ha infatti narrato che l’effetto serra è stato dimostrato sperimentalmente per la prima volta nel 1859 dal fisico irlandese John Tyndall.
In realtà il merito della scoperta dell’effetto serra spetta a una donna, Eunice Newton Foote. È stata lei infatti a suggerire che l’anidride carbonica influenzasse la temperatura dell’atmosfera. Questa scoperta restò nel dimenticatoio per più di 150 anni perché il suo autore era una donna.

Affascinata dalla scienza, Eunice intraprende una serie di esperimenti sull’interazione della radiazione solare con i diversi gas atmosferici. A tal fine, prende due grandi cilindri di vetro dotati ciascuno di un termometro. Comprime l’aria in uno dei cilindri e crea il vuoto nell’altro, quindi li espone ai raggi del Sole. Scopre che il tubo pieno di aria si riscalda più velocemente di quello privo di aria. Riesce così a dimostrare che l’aria ha la capacità di trattenere l’energia derivante dalla radiazione solare.

A quel punto si chiese se tutti i gas producessero esattamente lo stesso effetto. Decise così di prendere i suoi due cilindri e di riempirli ogni volta con un gas diverso (ossigeno, idrogeno, anidride carbonica, ecc) e in differenti condizioni di umidità. Di tutti i gas testati, Eunice Newton Foote osservò che la CO2 intrappolava la maggior quantità di calore.


Eunice Newton Foote  concluse il suo lavoro con l’affermazione:
Un’atmosfera di questo gas darebbe alla nostra Terra una temperatura elevata; e se, come qualcuno suppone, in un periodo della sua storia, l’aria ha contenuto una percentuale maggiore di quella attuale, deve necessariamente aver determinato una temperatura più alta […]


 

Eunice Newton aveva appena descritto quello che oggi conosciamo come effetto serra.
I risultati di Eunice Newton Foote furono presentati all’8° meeting annuale dell’Associazione Americana per l’Avanzamento della Scienza (AAAS) l’8 agosto del 1856. Ma poiché era una donna non le fu permesso parlare davanti all’assemblea e per questo non è mai comparsa in alcun atto del convegno. 

Gli esperimenti di Eunice Newton Foote precedettero di tre anni quelli di John Tyndall, considerato fino al 2011 come il primo scienziato ad aver studiato il riscaldamento causato da alcuni gas atmosferici e il loro possibile ruolo nelle variazioni del clima del nostro pianeta. Sembra che, quando iniziò i suoi esperimenti, Tyndall non fosse a conoscenza dei risultati del lavoro di Eunice.

Il fisico britannico John Tyndall, lavorando nel 1860, studiò l'assorbimento della luce da parte di diversi gas, tra cui gas di carbone, anidride carbonica e vapore acqueo. Tyndall dimostrò che la luce visibile passa abbastanza bene attraverso l'anidride carbonica, ma che la luce infrarossa veniva assorbita intuendo che questo effetto era causa dell’aumento di temperatura.

I due gas che costituiscono la maggior parte della nostra atmosfera, ossigeno e azoto, non assorbono molta luce né nel visibile né nell'infrarosso. L'anidride carbonica e altri gas che assorbono gli infrarossi lasciano passare la luce visibile ma intrappolano la luce infrarossa provocando un aumento della temperatura della atmosfera terrestre.

Nel 1896, il chimico svedese vincitore del premio Nobel Svante Arrhenius rivolse la sua attenzione alla comprensione di cosa potesse aver causato le ere glaciali che si sono succedute nel passato geologico della terra. Basandosi sulle scoperte di Tyndall e Fourier, Arrhenius propose che l'anidride carbonica rilasciata dagli antichi vulcani facesse aumentare la temperatura della terra di 20–30°C a causa dell'effetto serra. Teorizzò che la diminuzione dell'anidride carbonica nell'atmosfera tra i periodi di attività vulcanica provocarono i periodi di raffreddamento che portarono alle ere glaciali.

Arrhenius stimò che dimezzando la quantità di anidride carbonica (e tenendo conto della riduzione del vapore acqueo nell'aria a quella temperatura più bassa) causerebbe un calo delle temperature globali di 4-5°C. Allo stesso modo, raddoppiando il livello di anidride carbonica aumenterebbe la temperatura della Terra di 5-6°C.

Rispetto ai modelli climatici più sofisticati utilizzati oggi, le stime di Arrhenius sono un po' al di là delle proiezioni più pessimistiche di oggi.


Arrenhius riuscì a identificare la relazione tra anidride carbonica e riscaldamento globale che è alla base di quello che viene chiamato effetto serra.


Sebbene non fosse corretto nel fornire una spiegazione per la causa delle ere glaciali, gettò le basi per lo sviluppo di un modello quantitativo per determinare come un cambiamento nella concentrazione di anidride carbonica potesse influenzare la temperatura atmosferica. 

Nel 1938, Guy Stewart Callendar, un ingegnere britannico del carbone, analizzò le misurazioni della temperatura prese dalle stazioni meteorologiche e concluse che la temperatura media dell'atmosfera stava aumentando, attribuendo questo aumento all'accumulo di anidride carbonica nell'atmosfera a causa della combustione di combustibili fossili.

 

Bibliografia

Effetto serra: la vera storia della sua scoperta

Global Warming And Climate Change Demystified Jerry Silver(Mcgraw-Hill 2008 306S)

Treccani, effetto serra


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Il meccanismo dell’effetto serra: la radiazione solare raggiunge l'atmosfera

Perché l’effetto serra è un fenomeno naturale? La radiazione solare raggiunge l'atmosfera terrestre - parte di questa viene riflessa nello spazio.




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