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.

E’ noto che quando la materia assorbe energia, gli atomi e le molecole che compongono la materia si eccitano; si muovono più velocemente. L'aumento del movimento aumenta la temperatura del materiale.

La teoria cinetico-molecolare afferma che:

- tutta la materia è composta da particelle molto piccole chiamate atomi, ioni o molecole;

- tutte queste piccole particelle sono in costante movimento, anche se a temperatura più fredda di solo moto vibratorio o di traslazione;

- l'energia cinetica delle particelle è funzione dell'energia termica, diretta manifestazione della temperatura;

- maggiore è il numero di impatti tanto maggiore sarà la pressione e viceversa;

- quando queste particelle si scontrano, l'energia totale rimane uguale.

Quasi il 90% dell'energia ricevuta dal sole va negli oceani.

Può sembrare strano che con tutto quel calore, la temperatura degli oceani sia aumentata solo di 0,1°C negli ultimi decenni ma ci vuole un'enorme quantità di calore per cambiare la temperatura dell'oceano. Non solo il volume dell'acqua di mare è grande, ma l'acqua richiede anche più calore di molti altri materiali presenti sulla superficie della terra. Meno del 3% dell'energia in entrata va nel ghiaccio che si scioglie nei ghiacciai, nelle calotte glaciali della Groenlandia e nell'Antartico e nel ghiaccio marino artico.

Ripartizione dell'energia del Sole assorbita dalla Terra

Ripartizione dell'energia del Sole assorbita dalla Terra.

La capacità termica dei materiali

Si definisce capacità termica di un corpo (o più in generale di un qualunque sistema) il rapporto fra il calore scambiato tra il corpo e l'ambiente e la variazione di temperatura che ne consegue. Ossia indica la quantità di calore necessaria per innalzarne la temperatura di un kelvin (K) di una sostanza.

In base ai valori di capacità termica, è necessaria più energia termica per cambiare la temperatura di una data massa d'acqua che per cambiare la temperatura della roccia o dell'aria. L'energia luminosa assorbita dall'acqua cambierà la temperatura di quell'acqua di un numero inferiore di gradi rispetto a quella che cambierà la temperatura dell'aria. Con quasi il 70% della superficie terrestre coperta da oceani e laghi, l'acqua ha un'influenza moderata sulla temperatura.

Senza le vaste distese di oceani e laghi che coprono la superficie terrestre, l'aumento della temperatura dovuto all'effetto serra sarebbe molto più grave.

Il calore latente

L'energia termica può anche essere incorporata nella materia in modo da non modificarne la temperatura. Questa forma di trasferimento di calore è chiamata calore latente. Nel caso del ghiaccio, è la quantità di calore necessaria per fondere una data massa di materiale. Quando il ghiaccio o qualsiasi altro materiale si scioglie, assorbe il calore senza cambiare temperatura. Ciò significa che nella misura in cui il ghiaccio si scioglie, non vi è alcun aumento netto della temperatura anche se la terra assorbe più calore.

L’acqua, le calotte glaciali e i ghiacciai hanno un effetto moderatore sulla velocità con cui aumenta la temperatura della terra.

Se l'assorbimento della radiazione solare da parte della terra provoca lo scioglimento del ghiaccio, l'impatto completo sulla temperatura globale media della terra sarà ritardato fino allo scioglimento del ghiaccio.

Mentre una calotta glaciale si scioglie, il ghiaccio, l'acqua e l'aria immediatamente circostanti mantengono un equilibrio vicino al punto di fusione del ghiaccio, che è 0°C. Una volta che il ghiaccio si scioglie, l'energia termica in entrata non è più legata al calore latente del ghiaccio che si scioglie. A quel punto, qualsiasi ulteriore energia termica va a riscaldare l'acqua e l'aria.

Assorbimento della luce ultravioletta

La terra riceve anche della luce ultravioletta. Una parte, ma non tutta, di questa luce viene assorbita nella stratosfera dallo strato di ozono. Ciò si traduce in un assorbimento termico nella stratosfera che viene prontamente re-irradiato nello spazio.

L'assorbimento della radiazione luminosa nella stratosfera ha un effetto di raffreddamento complessivo sulla superficie terrestre poiché meno energia penetra a quel livello.

Il bilancio energetico sulla superficie terrestre

Affinché il bilancio energetico sulla superficie terrestre si equilibri, i processi sul terreno devono eliminare il 48% dell'energia solare in entrata che l'oceano e le superfici terrestri assorbono. L'energia lascia la superficie attraverso tre processi: evaporazione, convezione ed emissione di energia termica infrarossa.

La superficie assorbe circa il 48% della luce solare in entrata. Tre processi rimuovono una quantità equivalente di energia dalla superficie terrestre: evaporazione (25%), convezione (5%) e radiazione infrarossa termica o calore (17%)

Circa il 25% dell’energia solare assorbita dalla superficie terreste viene ceduta all’atmosfera attraverso l’evaporazione

Circa il 25% dell'energia solare in entrata lascia la superficie attraverso l'evaporazione.

Le molecole di acqua liquida assorbono l'energia solare in entrata e cambiano fase da liquida a gassosa. L'energia termica necessaria per far evaporare l'acqua è latente nei movimenti casuali delle molecole di vapore acqueo mentre si diffondono nell'atmosfera.

Per evaporazione si intende il passaggio di un corpo dallo stato liquido allo stato di vapore. Tale trasformazione avviene con acquisto di calore, ossia è un processo endotermico. In termodinamica, il calore latente (indicato col simbolo λ) è la quantità di energia scambiata (sotto forma di calore) durante lo svolgimento di una transizione di fase (o "passaggio di stato"), in questo caso il passaggio da liquido a vapore.

Quando le molecole di vapore acqueo si condensano nuovamente in pioggia, il calore latente viene rilasciato nell'atmosfera circostante. L'evaporazione dagli oceani tropicali e il successivo rilascio di calore latente sono i motori principali del motore termico atmosferico.

Un ulteriore 5% dell'energia solare in entrata lascia la superficie per convezione.

L'aria a diretto contatto con il suolo riscaldato dal sole diventa calda e vivace. In generale, l'atmosfera è più calda vicino alla superficie e più fredda ad altitudini più elevate, e in queste condizioni l'aria calda sale, allontanando il calore dalla superficie.

La trasmissione del calore (o scambio termico) è un fenomeno di trasporto in cui è coinvolta energia termica tra due sistemi termodinamici, che è causato da una differenza di temperatura tra i due sistemi, da quello caldo a quello freddo (Secondo principio della termodinamica).

Infine, circa il 17% dell'energia solare in entrata lascia la superficie come energia termica infrarossa (calore) irradiata da atomi e molecole sulla superficie.

La lunghezza d'onda di picco dell'energia che una superficie irradia è basata sulla sua temperatura. La radiazione di picco del Sole è alle lunghezze d'onda del visibile e del vicino infrarosso. La superficie terrestre è molto più fredda, solo circa 15°C in media. La radiazione di picco dalla superficie è a lunghezze d'onda dell'infrarosso termico di circa 12,5 micrometri.

La radiazione infrarossa (IR), in fisica, è la radiazione elettromagnetica con banda di frequenza dello spettro elettromagnetico inferiore a quella della luce visibile, ma maggiore di quella delle onde radio, ovvero lunghezza d'onda compresa tra 700 nm e 1 mm (banda infrarossa).

La radiazione infrarossa viene spesso associata ai concetti di "calore" e "radiazione termica", poiché ogni oggetto con temperatura superiore allo zero assoluto (in pratica qualsiasi oggetto reale) emette spontaneamente radiazione in questa banda (per la legge di Wien aumentando la temperatura il picco di emissione si sposta sempre più verso il visibile finché l'oggetto non diviene incandescente).

La radiazione di picco del Sole è alle lunghezze d'onda del visibile e del vicino infrarosso. La superficie terrestre è molto più fredda, solo circa 15°C in media. La radiazione di picco dalla superficie è a lunghezze d'onda dell'infrarosso termico di circa 12,5 mm.

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

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