Il flusso di energia nell'atmosfera deve essere bilanciato da un uguale flusso di energia in uscita dall'atmosfera e di ritorno nello spazio. Le misurazioni satellitari indicano che l'atmosfera irradia energia termica infrarossa equivalente al 59% dell'energia solare in entrata.

Nuvole, aerosol, vapore acqueo e ozono assorbono direttamente il 23% dell'energia solare in entrata. L'evaporazione e la convezione trasferiscono il 25 e il 5% dell'energia solare in entrata dalla superficie all'atmosfera. Questi tre processi trasferiscono nell'atmosfera l'equivalente del 53% dell'energia solare in entrata.

L'effetto serra naturale

I principali gas atmosferici (ossigeno e azoto) sono trasparenti alla luce solare in entrata e sono anche trasparenti all'infrarosso termico in uscita. Tuttavia, il vapore acqueo, l'anidride carbonica, il metano e altri gas traccia sono opachi a molte lunghezze d'onda dell'energia termica infrarossa. La superficie terrestre irradia l’equivalente del 17% dell’energia solare.

Della radiazione termica emessa dalla superficie terrestre, il 5-6% viene assorbita dalle molecole di gas serra.

L'atmosfera irradia nello spazio l'equivalente del 59% della luce solare in arrivo sotto forma di energia termica infrarossa o calore. Da dove prende l'energia l'atmosfera? L'atmosfera assorbe direttamente circa il 23% della luce solare in arrivo e l'energia rimanente viene trasferita dalla superficie terrestre per evaporazione (25%), convezione (5%) e radiazione termica infrarossa. La restante energia termica infrarossa dalla superficie (12%) passa attraverso l'atmosfera e fuoriesce nello spazio. Clicca sull’immagine per ingrandire

Semplificando, quando le molecole di gas serra assorbono l'energia termica infrarossa, la loro temperatura aumenta. Questa energia viene poi rilasciata in tutte le direzioni. Il calore irradiato verso l'alto continua a incontrare molecole di gas serra; quelle molecole assorbono il calore, la loro temperatura aumenta e, a loro volta, emettono l’energia che hanno assorbito.

Ad un'altitudine di circa 5-6 Km, la concentrazione di gas serra nell'atmosfera sovrastante è così piccola che il calore può irradiarsi liberamente nello spazio.

I satelliti rilevano le radiazioni infrarosse della Terra dallo spazio

Le radiazioni emesse dalla Terra si traducono in una linea irregolare con delle zone mancanti.

Radiazione infrarossa dalla terra osservata dal satellite. Parte di questa radiazione è stata assorbita dall'effetto serra. (fonte ESA) Clicca sull’immagine per ingrandire.

Dove è andata a finire quella parte dell'energia termica della terra? L'energia "mancante" è stata assorbita dall'anidride carbonica e da altri gas.

L'energia mancante dalle misurazioni satellitari è stata assorbita dall'atmosfera e sta aumentando la temperatura della terra. Il grafico è un'istantanea diretta della terra soggetta all'effetto serra.

Come già sottolineato, l’energia emessa dalle molecole presenti nell’atmosfera sono emesse in tutte le direzioni, quindi una parte di esso si diffonde verso il basso e alla fine torna a contatto con la superficie terrestre, dove viene assorbita.

La temperatura della superficie diventa più calda di quanto sarebbe se fosse riscaldata solo dal riscaldamento solare diretto. Questo riscaldamento supplementare della superficie terrestre da parte dell'atmosfera è l'effetto serra naturale.

L’effetto serra naturale provoca un riscaldamento della superficie terrestre maggiore rispetto a quello provocato dal sole diretto.

Effetto sulla temperatura superficiale

L'effetto serra naturale aumenta la temperatura della superficie terrestre in media di circa 15°C.

Senza l'effetto serra non ci sarebbe vita sulla Terra. Si può calcolare infatti che, se l'effetto serra non esistesse, la temperatura media della superficie terrestre sarebbe -19°C: il nostro pianeta sarebbe un deserto di ghiaccio.

L'equilibrio termico si stabilisce tra il sole, che emette circa 1370 W per ogni metro quadrato di superficie, e la terra (essendo una sfera), che riceve circa 342 W.

Gli scienziati sanno che la temperatura di un oggetto fluttuante nello spazio, come un satellite, sarà determinata dal calore emesso dal sole, dalla quantità di luce riflessa e dalla quantità di calore emessa.

Ad esempio sulla Luna il bilancio energetico è:

l’energia che proviene dal Sole, nell’anno e per ogni metro quadrato di superficie lunare, rilascia una potenza (la quantità di energia solare in arrivo ogni secondo) di 340 watt;

la Luna riflette, a causa del suo albedo, nello spazio 40 W/m², che è il 12% dei 340 W/m² che riceve dal Sole; di notte vediamo la Luna proprio grazie a questa luce riflessa;

i restanti 300 W/m² della potenza solare sono assorbiti dalla superficie lunare, che si riscalda e li riemette nello spazio come radiazione infrarossa, a frequenza più bassa rispetto alla luce visibile che ha ricevuto.

Sulla Luna si ha una fortissima escursione termica: il suolo lunare esposto alla luce del Sole si riscalda fino a 130°C, ma quando è in ombra si raffredda rapidamente fino a -170°C.

Tutto questo accade perché la Luna non ha un’atmosfera, né masse d’acqua come gli oceani terrestri.

La Terra invece ha un’atmosfera, che funge da importante «cuscinetto» tra il momento in cui l’energia solare arriva sul pianeta e quello in cui viene riemessa nello spazio.

La presenza dell’atmosfera rende il bilancio energetico terrestre molto più articolato di quello lunare

In base alle proprietà termiche della Terra, un oggetto riflettente nella posizione orbitale terrestre dovrebbe avere una temperatura di -19°C.

La ragione per cui la terra non è una palla di fango inabitabile è a causa dell'effetto serra naturale.

Gli altri pianeti del nostro sistema solare hanno l’effetto serra?

Il nostro sistema solare offre l'opportunità di osservare come l'anidride carbonica presente nell'atmosfera di un pianeta può influenzare la sua temperatura. Mercurio è, in media, a 58 milioni di km dal sole e Venere è, in media, a 108 milioni di km dal sole. Mercurio riceve circa 3 volte e mezzo più radiazione solare di Venere. Basandoci sulla sola distanza, ci aspetteremmo che Mercurio abbia una temperatura superiore del 35% rispetto a Venere.

Risulta, tuttavia, che Venere, nonostante sia più lontana dal sole, è più calda di Mercurio. La temperatura media su Venere è di oltre 460°C, che è di gran lunga superiore ai 170°C trovati su Mercurio. Il motivo è che l'atmosfera di Venere è composta per il 95% di anidride carbonica, mentre l'atmosfera di Mercurio è molto sottile, con quantità trascurabili di anidride carbonica. Venere non rappresenta uno scenario realistico per quello che potrebbe accadere alla Terra, ma ci aiuta a sottolineare l'influenza che l'assorbimento in atmosfera può avere sulla temperatura.

L’atmosfera di Venere è piuttosto complessa. Il gas di gran lunga predominante nell'atmosfera è il biossido di carbonio (96-97% circa); si rilevano poi una discreta quantità di azoto e tracce di acidi (specialmente solforico) ad una quota compresa fra 48 km e 58 km. La presenza di una simile quantità di biossido di carbonio induce uno spaventoso effetto serra: il calore solare immagazzinato da Venere, seppur minore di quello ricevuto dalla Terra a causa dell'alto potere riflettente delle nubi venusiane, non è più in grado di superare la spessa atmosfera e rimane intrappolato sul pianeta, andandone ad accrescere la temperatura.

L’effetto serra della Terra

Nel 1958, Charles Keeling iniziò a monitorare i livelli di anidride carbonica nell'atmosfera. Scelse la posizione remota dell'Osservatorio Mauna Loa delle Hawaii per eliminare i possibili effetti dell'industria locale o dei cicli della vegetazione circostante. L'osservatorio si trovava a un'altitudine di 3,35 km sul livello del mare, che lo collocava a circa metà strada nella troposfera. Keeling scelse quel luogo perché credeva che avrebbe dato un'eccellente rappresentazione dell'intera Terra. Sviluppò un metodo per raccogliere campioni d'aria in fiale e quindi analizzarli in laboratorio con un livello di precisione di parti per milione (ppm).

Poiché l'anidride carbonica è stabile nell'atmosfera per lunghi periodi di tempo e poiché si mescola molto bene con altri gas atmosferici, Keeling considerava le misurazioni al di sopra del Pacifico di natura veramente globale. Quando Keeling iniziò a effettuare misurazioni nel 1959, il livello di anidride carbonica era di 316 ppm. Si trattava di circa il 13% in più rispetto ai livelli preindustriali.

Concentrazioni atmosferiche di CO₂ misurate all'Osservatorio di Mauna Loa : la curva di Keeling (fonte NOAA/ESRL)

Le misurazioni di Keeling mostrano un costante aumento del livello di anidride carbonica. Una sovrapposizione a dente di sega mostra un aumento e una diminuzione ciclici ricorrenti ogni anno in coincidenza con l'alternanza della stagione vegetativa e dell'inverno nell'emisfero settentrionale (che ha una presenza di piante molto più ampia rispetto all'emisfero meridionale). L'anidride carbonica è più alta durante l'inverno e più bassa in estate ogni anno.

Il grafico di Keeling dimostra il ruolo importante della fotosintesi nella rimozione dell'anidride carbonica dall'atmosfera durante i mesi più caldi. In autunno, foglie e altri resti del processo di crescita cadono a terra e si decompongono, rilasciando anidride carbonica nell'atmosfera. Nonostante i suoi alti e bassi, la caratteristica più significativa della curva di Keeling è che la tendenza generale è al rialzo.

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)