Tutti sanno che il nostro clima sta cambiando. I cambiamenti osservati nel corso del 20° secolo includono aumenti della temperatura media globale dell'aria e dell'oceano, innalzamento del livello globale del mare, riduzione diffusa e sostenuta a lungo termine della copertura nevosa e di ghiaccio e cambiamenti nella circolazione atmosferica e oceanica e nei modelli meteorologici regionali, che influenzano le condizioni delle precipitazioni stagionali.

Questi cambiamenti sono causati dal calore extra nel sistema climatico dovuto all'aggiunta di gas serra nell'atmosfera. I gas serra aggiuntivi sono principalmente immessi da attività umane come la combustione di combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale), agricoltura e disboscamento. Queste attività aumentano la quantità di gas serra che intrappolano il calore nell'atmosfera. Il modello dei cambiamenti osservati nel sistema climatico è coerente con un maggiore effetto serra. Altre influenze climatiche come i vulcani, il sole e la variabilità naturale non possono da sole spiegare i tempi e l'entità dei cambiamenti osservati.

Che cos’è l’effetto serra in poche parole?

Che cos'è l'effetto serra in poche parole?

La superficie terrestre viene riscaldata dalla radiazione solare. La superficie terrestre riflette la radiazione incidente come radiazione che viene in parte assorbita dai gas serra atmosferici.

La scienza alla base del cambiamento climatico è supportata da un'ampia ricerca scientifica condotta e riportata in tutto il mondo. Le informazioni sul clima passato e presente vengono raccolte da osservazioni e misurazioni del nostro ambiente, inclusa l'aria intrappolata nel ghiaccio di migliaia di anni fa. I modelli climatici vengono utilizzati per comprendere le cause del cambiamento climatico e per proiettare i cambiamenti nel futuro.

Molti degli impatti dei cambiamenti climatici comportano rischi per i sistemi umani e naturali, sotto forma di ondate di calore più frequenti e gravi, inondazioni costiere dovute all'innalzamento del livello del mare, interruzioni delle piogge e altri effetti. Le analisi di una serie di scenari climatici indicano che i rischi più gravi del cambiamento climatico possono essere ampiamente mitigati se le emissioni di anidride carbonica vengono ridotte al punto in cui l'anidride carbonica non si accumula più nell'atmosfera.

Il meccanismo dell’effetto serra.

Il sole diffonde la sua energia all'interno del sistema solare, che per sua natura è piuttosto freddo. In pianeti privi di atmosfera e di effetto serra l'escursione termica tra giorno e notte è molto alta: su Marte il sole scalda la superficie fino a 36.7°C durante il giorno, ma la notte la temperatura può scendere fino a -122.8°C, mentre su Venere l'atmosfera intrappola a tal punto il calore del sole che la temperatura media è di 460°C.

Sul nostro pianeta l'atmosfera contiene dei gas che intrappolano il calore del sole, dandoci l'effetto serra.

Quando i raggi del sole colpiscono la terra, il 30% della luce visibile viene riflessa nello spazio, il 25% a causa delle nuvole, il 5% del ghiaccio; il 70% viene catturato da questi gas serra e dalla superficie terrestre.

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

I gas serra includono vapore acqueo, anidride carbonica, metano, protossido di azoto, ozono e alcuni prodotti chimici artificiali come i clorofluorocarburi (CFC).

L'energia assorbita riscalda l'atmosfera e la superficie della Terra. Questo processo mantiene la temperatura della Terra a circa 33°C più calda di quanto sarebbe altrimenti, consentendo alla vita sulla Terra di esistere.

Fase 1: la radiazione solare raggiunge l'atmosfera terrestre - parte di questa viene riflessa nello spazio.

Fase 2: il resto dell'energia solare viene assorbita dalla terra e dagli oceani, riscaldando la Terra.

Fase 3: il calore si irradia dalla Terra verso lo spazio.

Fase 4: parte di questo calore viene intrappolato dai gas serra nell'atmosfera, mantenendo la Terra abbastanza calda da sostenere la vita.

Fase 5: le attività umane come la combustione di combustibili fossili, l'agricoltura e il disboscamento stanno aumentando la quantità di gas serra rilasciati nell'atmosfera.

Passaggio 6: i gas serra intrappolano il calore extra che fa aumentare la temperatura della Terra.

Il bilancio energetico della Terra

La Terra è un sistema fisico con un bilancio energetico che comprende tutti i guadagni di energia in entrata e tutte le perdite di energia in uscita.

Il bilancio energetico della Terra è determinato misurando quanta energia arriva nel sistema Terra dal Sole, quanta energia viene persa nello spazio e tenendo conto del resto sulla Terra e la sua atmosfera. La radiazione solare è la principale fonte di energia nel sistema terrestre.

L'energia solare in arrivo può essere diffusa e riflessa da nuvole e aerosol o assorbita nell'atmosfera. La radiazione trasmessa viene quindi assorbita o riflessa sulla superficie terrestre.

L'albedo medio della Terra è di circa 0,3, il che significa che il 30% dell'energia solare incidente viene riflessa nello spazio, mentre il 70% viene assorbito dalla Terra.

L'albedo di una superficie è la frazione di luce o, più in generale, di radiazione solare incidente che viene riflessa in tutte le direzioni.

L'energia solare radiante viene trasformata in calore sensibile, energia latente (che coinvolge diversi stati dell'acqua), energia potenziale ed energia cinetica prima di essere emessa come radiazione infrarossa. Con una temperatura superficiale media della Terra di circa 15°C, il principale flusso di energia in uscita si trova nella parte infrarossa dello spettro.

Lo spettro della luce. Lo spettro in fisica è la figura di diffrazione creata dalla scomposizione della luce o, più in generale, da quella delle radiazioni elettromagnetiche proveniente da una sorgente in funzione della lunghezza d'onda. Clicca sull’immagine per ingrandire.

Il clima della Terra è in gran parte determinato dal bilancio energetico del pianeta, ad esempio dall'equilibrio delle radiazioni in entrata e in uscita. Viene misurato dai satelliti e mostrato in W/m². (Credit. NASA). Clicca sull’immagine per ingrandire.

Le radiazioni assorbite sono distribuite in modo non uniforme sul pianeta, perché il Sole riscalda le regioni equatoriali più delle regioni polari. L'atmosfera e l'oceano lavorano senza sosta per compensare gli squilibri del riscaldamento solare attraverso l'evaporazione dell'acqua di superficie, la convezione, le precipitazioni, i venti e la circolazione oceanica.

Il bilancio energetico Sole-Terra rappresenta l'equilibrio tra l'energia che la Terra riceve dal Sole e l'energia che la Terra irradia nello spazio esterno dopo essere stata distribuita in tutti e cinque i componenti del sistema climatico terrestre e aver così alimentato il cosiddetto motore termico terrestre. Questo sistema è composto da acqua della terra, ghiaccio, atmosfera, crosta rocciosa e tutti gli esseri viventi.

A livello globale, nel corso dell'anno, il sistema Terra (terre emerse, oceani e atmosfera) assorbe e poi irradia nello spazio una media di circa 340 watt di energia solare per metro quadrato. Qualsiasi cosa che aumenti o diminuisca la quantità di energia in entrata o in uscita modificherà di conseguenza le temperature globali

La radiazione solare raggiunge l'atmosfera terrestre - parte di questa viene riflessa nello spazio.

Il Sole non riscalda la Terra in modo uniforme. Poiché la Terra è una sfera, il Sole riscalda le regioni equatoriali più delle regioni polari. L'atmosfera e l'oceano lavorano senza sosta per bilanciare gli squilibri del riscaldamento solare attraverso l'evaporazione dell'acqua superficiale, la convezione, le precipitazioni, i venti e la circolazione oceanica.

La Terra non si riscalda all'infinito in quanto la superficie e l'atmosfera irradiano contemporaneamente calore nello spazio.

La superficie del Sole ha una temperatura di circa 5.500°C. A quella temperatura, la maggior parte delle radiazioni che il Sole irradia si trovano nel visibile e nel vicino infrarosso.

Alla distanza media della Terra dal Sole (circa 150 milioni di chilometri), l'intensità media dell'energia solare che raggiunge la sommità dell'atmosfera direttamente rivolta verso il Sole è di circa 1.360 W/m². Questa quantità di potenza è nota come irraggiamento solare totale.

L'irraggiamento solare totale è la massima potenza possibile che il Sole può fornire a un pianeta alla distanza media della Terra dal Sole

Mediata sull'intero pianeta, la quantità di luce solare che arriva nella parte superiore dell'atmosfera terrestre è solo un quarto dell'irraggiamento solare totale, ovvero circa 340 watt per metro quadrato.

L'energia della luce solare non è distribuita uniformemente sulla Terra. Un emisfero è sempre buio e non riceve alcuna radiazione solare. Sul lato luce diurna, solo il punto direttamente sotto il Sole riceve la radiazione solare a piena intensità. Dall'equatore ai poli, i raggi del Sole incontrano la Terra ad angoli sempre più piccoli e la luce si diffonde su aree di superficie sempre più grandi (linee rosse). (Illustrazione della NASA di Robert Simmon.)

Come si misura la quantità di energia che raggiunge la superficie terrestre? Sono delle stime che provengono da osservazioni satellitari, osservazioni da terra e modelli meteorologici numerici.

Circa il 29% dell'energia solare che arriva nella parte superiore dell'atmosfera viene riflessa nello spazio da nuvole, particelle atmosferiche o superfici luminose del suolo come il ghiaccio marino e la neve. Questa energia non ha alcun ruolo nel sistema climatico terrestre. Circa il 23% dell'energia solare in entrata viene assorbita nell'atmosfera da vapore acqueo, polvere e ozono, e il 48% passa attraverso l'atmosfera e viene assorbito dalla superficie terrestre. Pertanto, circa il 71 percento dell'energia solare totale in entrata viene assorbita dal sistema Terra.

Dei 340 watt per metro quadrato di energia solare che cadono sulla Terra, il 29% viene riflesso nello spazio, principalmente dalle nuvole, ma anche da altre superfici luminose e dall'atmosfera stessa. Circa il 23% dell'energia in entrata viene assorbita nell'atmosfera da gas atmosferici, polvere e altre particelle. Il restante 48% viene assorbito in superficie. (Illustrazione della NASA di Robert Simmon)

L'atmosfera e la superficie della Terra insieme assorbono il 71% della radiazione solare in arrivo, quindi insieme devono irradiare quella stessa energia nello spazio affinché la temperatura media del pianeta rimanga stabile.

Bibliografia

Effetto serra: la vera storia della sua scoperta

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

Treccani, effetto serra

IPCC AR5 WG1 Glossary, 2013

Rebecca Lindsay, Climate and Earth’s Energy Budget