Un gas serra è definito come un qualunque composto gassoso che ha la capacità di assorbire le radiazioni infrarosse, intrappolandole e trattenendo all'interno dell'atmosfera il calore da esse prodotto.

I gas serra sono responsabili del cosiddetto effetto serra, una delle principali cause del surriscaldamento globale.

Un gas serra è definito come un qualunque composto gassoso che ha la capacità di assorbire le radiazioni infrarosse, intrappolandole e trattenendo all'interno dell'atmosfera il calore da esse prodotto

Quali sono i gas presenti in atmosfera?

L'aria secca è composta da circa il 78% di azoto, il 21% di ossigeno e l'1% di argon. Nell'aria è anche presente vapore acqueo, che costituisce una percentuale compresa tra lo 0,1% e il 4% della troposfera. L'aria calda di solito contiene più vapore acqueo dell'aria fredda.

L'aria contiene anche quantità molto piccole di altri gas, detti gas traccia, comprendenti l'anidride carbonica e il metano. Le concentrazioni di tali gas minori nell'atmosfera sono di solito misurate in parti per milione (ppm).

Ci sono inoltre migliaia di altri gas e particelle (compresi fuliggine e metalli) emessi nell'atmosfera da fonti sia naturali che di origine antropica.

La composizione dell'aria nella troposfera varia continuamente. Alcune delle sostanze presenti nell'aria sono altamente reattive; in altre parole hanno una maggiore propensione ad interagire con altre sostanze per formarne di nuove. Quando alcune di queste sostanze reagiscono con altre, possono formare sostanze inquinanti secondarie nocive per la nostra salute e l'ambiente. Il calore – compreso quello solare – è di solito un catalizzatore che facilita o scatena processi di reazione chimica.

Un gas serra è definito come un qualunque composto gassoso che ha la capacità di assorbire le radiazioni infrarosse, intrappolandole e trattenendo all'interno dell'atmosfera il calore da esse prodotto. I gas serra sono responsabili del cosiddetto effetto serra, una delle principali cause del surriscaldamento globale.

L’emissione dei gas serra sono una preoccupazione in quanto sono in grado di assorbire la radiazione solare: fenomeno chiamato effetto serra.

Quando una molecola di gas assorbe energia, non ha spazio per immagazzinare quell'energia se non in qualche forma di movimento della molecola stessa.

Potere climalterante di alcuni gas serra espresso attraverso il fattore di conversione in CO_2eq

Quali sono le proprietà di un gas serra?

La temperatura è una misura dell'energia media del movimento molecolare in un campione di materia: traslazione avanti e indietro, vibrazione intramolecolare (e vibrazione reticolare nei solidi) e rotazione (sia molecole intere che porzioni intramolecolari). La somma delle energie di questi movimenti può essere descritta come “energia termica” del campione. L'energia termica e, quindi, la temperatura possono cambiare quando varie forme di energia, inclusa quella elettromagnetica (luce/fotoni), interagiscono con il campione e cambiano l'energia media del movimento.

Secondo la teoria cinetica della materia, le molecole sono costantemente in movimento.

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.

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.

Lo spettro elettromagnetico copre una gamma di lunghezze d'onda di circa 24 ordini di grandezza, dai raggi gamma più corti, più energetici, ad alta frequenza, alle onde radio più lunghe, a bassissima energia, a bassa frequenza). L'intervallo di interesse per la scienza del clima e il riscaldamento atmosferico include la regione visibile dello spettro (da 0,4 a 0,7 μm) e l'adiacente energia più alta vicino all'ultravioletto (UV) e l'energia più bassa infrarosso (IR), inclusa gran parte dell'"infrarosso termico". La radiazione solare in entrata si trova nella lunghezza d'onda più corta (energia più alta) di questo intervallo da UV a IR vicino, tra circa 0,1 e 4 μm. Le radiazioni emesse dalla Terra riscaldata è principalmente nella regione IR termica tra 4 e 30 μm.

Le vibrazioni molecolari e alcune rotazioni energetiche hanno spaziature di livello energetico che corrispondono alle energie nella regione IR dello spettro elettromagnetico. Pertanto la radiazione IR assorbita dalle molecole provoca un aumento delle vibrazioni. Le collisioni tra queste molecole energizzate e altre molecole possono provocare un trasferimento di energia aumentando l’energia termica media e, di conseguenza, aumenta la temperatura.

Al contrario, le molecole che emettono radiazioni IR perdono la loro energia vibrazionale e le loro collisioni con altre molecole diminuiscono l'energia termica media e abbassano la temperatura.

Affinché le vibrazioni molecolari assorbano l'energia IR, i movimenti vibrazionali devono modificare il momento di dipolo della molecola. Tutte le molecole con tre o più atomi soddisfano questo criterio e sono assorbitori IR. Mentre l'atmosfera terrestre (secca) è prevalentemente composta da assorbitori non IR, N₂ (78%), O₂ (21%) e Ar (~0,9%), lo 0,1% dei rimanenti gas traccia contiene molte specie che assorbono IR, tra questi CO₂, CH₄, N₂O e O₃.

L'atmosfera può contenere diverse percentuali di vapore acqueo, nonché acqua liquida e solida nelle nuvole, dal ciclo naturale dell'acqua (evaporazione-condensazione-precipitazione). Il vapore acqueo ha anche forti assorbimenti nell'IR. La maggior parte del riscaldamento atmosferico è dovuta a questi assorbimenti da parte del vapore acqueo che si verificano alle due estremità della regione IR termica.

Le vibrazioni delle molecole

Le molecole di gas presenti nell'atmosfera possono assorbire l'energia che passa attraverso l'atmosfera sotto forma di luce visibile (dal sole) o onde elettromagnetiche invisibili (dalla terra). Alcune molecole sono in grado di muoversi in più modi di altre, consentendo loro di assorbire meglio determinati tipi di energia luminosa (o elettromagnetica).

Se osserviamo la struttura chimica di alcuni gas presenti nell'atmosfera, possiamo capire meglio come assorbono l'energia luminosa che passa attraverso l'atmosfera.

Ad esempio l'azoto, presente nell’atmosfera per il 78%.

Le molecole di gas azoto hanno ciascuna due atomi dell'elemento azoto legati insieme per formare una molecola di gas azoto che ha la formula N₂ (che significa due atomi di azoto).

Le molecole di gas azoto hanno ciascuna due atomi dell'elemento azoto legati insieme (con un triplo legame) per formare una molecola di azoto (N₂).

Poiché la molecola di azoto è semplice, non può fare molto con l'energia luminosa che assorbe. Può ruotare o vibrare solo leggermente. L'ossigeno (O₂) agisce più o meno allo stesso modo.

Il vapore acqueo, tuttavia, è una storia diversa. L'acqua (H₂O) ha due atomi di idrogeno legati a un singolo atomo di ossigeno. Gli atomi di ossigeno vengono piegati per formare un angolo di 105 gradi.

La molecola d'acqua può torcere, girare, ruotare, piegare, flettere. Poiché l'acqua ha più modi di muoversi, è in grado di assorbire meglio l'energia luminosa.

Il vapore acqueo nell'atmosfera assorbe determinati colori della luce visibile ed assorbe anche parte dell'energia termica sotto forma di luce infrarossa emessa dalla terra. Per questo motivo l'acqua, un gas serra naturale, contribuisce all'assorbimento del calore nell'atmosfera. Purtroppo, come conseguenza del riscaldamento globale, aumenta il vapore acqueo nell'atmosfera e questo, a sua volta, assorbe ancora più calore.

Il sole fornisce il riscaldamento del pianeta Terra attraverso la radiazione solare in varie lunghezze d’onda. L’energia viene re-irradiata dalla superficie terrestre verso lo spazio esterno. La radiazione entrante del Sole è compresa nell’intervallo di lunghezze d’onda visibili e vicine all’infrarosso. La radiazione uscente della Terra si trova nello spettro di lunghezza d’onda medio e lungo dell’infrarosso.

I gas a effetto serra forniscono l’effetto serra inibendo il raffreddamento riducendo la radiazione infrarossa in uscita. La radiazione di lunghezza d’onda più corta passa relativamente senza ostacoli dai gas serra per riscaldare la Terra. La Terra re-irradia l’energia nelle radiazioni a onda più lunga che viene assorbita e riattivata dai gas serra, causando il riscaldamento atmosferico.

La molecola dell'anidride carbonica, come la molecola dell'acqua, ha tre atomi. Questi atomi, invece di essere piegati, sono disposti in linea retta.

Molecola di anidride carbonica con i due principali modi vibrazionali che assorbono l'energia infrarossa.

A causa della sua struttura molecolare, l'anidride carbonica sembra essere particolarmente adatta ad assorbire determinate lunghezze d'onda (principalmente la radiazione infrarossa invisibile emessa dalla terra).

L'anidride carbonica lascia passare la luce solare nell'atmosfera ma non fa tornare nello spazio l'energia emessa dalla terra. In questo modo, l'anidride carbonica agisce come un gas serra.

Il metano ha quattro atomi di idrogeno legati a un atomo di carbonio centrale.

Il metano ha diversi modi per vibrare e assorbire le radiazioni. Per questo motivo il metano è una “spugna energetica” che assorbe la luce solare 20 volte rispetto all'anidride carbonica.

Il metano ha diversi modi per vibrare e assorbire le radiazioni. Per questo motivo il metano è una “spugna energetica” che assorbe la luce solare 20 volte rispetto all'anidride carbonica.

I gas serra impediscono l'irradiazione del calore a onde lunghe nello spazio, assorbendola e rilasciandola a loro volta in tutte le direzioni, anche verso la Terra. In questo modo la superficie terrestre e gli strati inferiori dell'atmosfera si riscaldano.

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)