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Effetto serra, che cosa è, che cosa fa e perché avviene; i fati scientifici.

by Anton Bryan
effetto serra

Per capire semplicemente l’effetto serra, bisogna immaginarsi una macchina chiusa sotto il sole in estate (o nell’inverno).

Quando la apri il calore che arriva dal dentro è molto superiore al calore che c’è già fuori, tanto da non permetterci di salire a volte prima di raffreddarla. Se la macchina è bianca il calore che si accumula dentro ha una certa entità; se è nera il calore dentro la macchina, è ancora più alto.

Il colore nero (oppure opaco), attira il calore e non lo fa disperdere come il colore bianco (o comunque chiaro), che riflette i raggi solari in principio.

Ecco, nella macchina è avvenuto l’effetto serra.

I raggi del sole sono entrati nella macchina dai finestrini, hanno riscaldato l’abitacolo ma il calore non può uscire perché non ha passaggio fuori, fisicamente parlando.

Adesso immaginate la Terra come una macchina chiusa sotto il sole.

Fortunatamente non nera, ma che diventa sempre più opaca a mano a mano che i gas serra (il carbonio principalmente), viene rilasciato nell’atmosfera e quale fa da carrozzeria chiusa della Terra.

L’involucro che si crea intorno alla Terra produce l’effetto serra, perché fa passare alcuni raggi verso la Terra ma non fa disperder il calore emesso dalla Terra riscaldata.

Mentre altri pianeti nel sistema solare sono o molto roventi o freddi, la superficie terrestre ha temperature relativamente miti e stabili che agevolano la vita biologica.

La Terra gode di queste temperature a causa della sua atmosfera, che è il sottile strato di gas che avvolge e protegge il pianeta.

Tuttavia, il 97% dei climatologi concorda sul fatto che gli esseri umani hanno cambiato l’atmosfera terrestre in modo drammatico negli ultimi due secoli, provocando il riscaldamento globale.

Per capire il riscaldamento globale, però, è necessario prima familiarizzare con l’effetto serra.

Se la quantità di energia proveniente dal sole e la quantità di gas serra nell’atmosfera rimangono le stesse, allora anche la temperatura media sulla Terra sarà costante.

Ma questo non è più il caso.

La quantità di gas serra nella nostra atmosfera è la più alta negli ultimi 3 milioni di anni.

Questo fato sta creando l’effetto serra e sta rendendo la Terra più calda del normale, il che sta influenza i modelli meteorologici del pianeta, creando riscaldamento globale e cambiamenti climatici.

Energia in entrata, energia in uscita.

effetto serra

C’è un delicato atto di bilanciamento che si verifica ogni giorno su tutta la Terra, coinvolgendo la radiazione che il pianeta riceve dallo spazio e la radiazione riflessa nello spazio.

La Terra è costantemente bombardata da enormi quantità di radiazioni, principalmente dal sole.

Questa radiazione solare colpisce l’atmosfera terrestre sotto forma di luce visibile, oltre a raggi ultravioletti (UV), infrarossi (IR) e altri tipi di radiazioni invisibili all’occhio umano.

La radiazione UV ha una lunghezza d’onda più corta e un livello di energia più alto della luce visibile, mentre la radiazione IR ha una lunghezza d’onda più lunga e un livello di energia più debole.

Circa il 30 percento della radiazione che colpisce l’atmosfera terrestre, viene immediatamente riflessa nello spazio da nubi, ghiaccio, neve, sabbia e altre superfici riflettenti (la macchina bianca, ricordi?), secondo la NASA.

Il restante 70 percento della radiazione solare in arrivo viene assorbito dagli oceani, dalla terra e dall’atmosfera facendola riscaldare (la macchina nera, ricordi?).

Mentre si riscaldano, gli oceani, la terra e l’atmosfera rilasciano calore sotto forma di radiazione termica IR, che passa dall’atmosfera e si diffonde nello spazio.

È questo equilibrio delle radiazioni in entrata e in uscita che rende la Terra abitabile, con una temperatura media di circa 59°i Fahrenheit (15° Celsius), secondo la NASA.

Senza questo equilibrio atmosferico, la Terra sarebbe fredda e senza vita come la sua luna, o ardente come Venere.

La luna, che non ha quasi atmosfera, è a circa -243 F (-153° C) sul suo lato oscuro.

Venere, d’altra parte, ha un’atmosfera molto densa che intrappola la radiazione solare; la temperatura media di Venere è di circa +864 F ( +462° C).

Fa caldo qui, o sono solo io?

Potresti pensare che 15° Celsius sia piuttosto freddo.

Oppure potresti pensare che sia caldo.

Dipende da cosa sei abituato. Quella temperatura avrebbe sciolto comunque tutto il ghiaccio artico fosse stata constate all’Antartico o all’Antartide.

Sì, è più freddo di 15°C gradi in molti luoghi della terra e più caldo di 15°C gradi inaltri, ma 15°C è la media di tutti i luoghi.

Il punto è che, se l’effetto serra è troppo forte, la Terra diventa sempre più calda.

Questo è ciò che sta accadendo ora.

Troppa anidride carbonica e altri gas serra nell’aria stanno rendendo più forte l’effetto serra.

Perché non possiamo semplicemente piantare più alberi?

Potresti chiederti perché – dopo tutto se gli alberi, come tutte le piante – assorbono l’anidride carbonica e rilasciano ossigeno perché non si possano piantare abbastanza da pulire l’atmosfera?

Bene, questo potrebbe aiutare un po’ per la verità.

Ma se invece di piantare più foreste, alcuni paesi le stanno tagliando e bruciando per creare più terreni agricoli o per costruire, per nutrire la rapacità crescente della popolazione umana?

L’oceano assorbe molto carbonio, ma non tutto.

L’eccesso di anidride carbonica nell’aria sta aumentando e non si stabilizza più.

Sfortunatamente, l’aumento dell’anidride carbonica anche nell’oceano cambia l’acqua, rendendola e rendendola più acida.

Le creature oceaniche non amano l’acqua acida.

La barriera corallina sta morendo e molte specie sono a rischio.  La barriera corallina è di un’importanza vitale per tutto l’ecosistema terra.

Le nuvole non mantengono la Terra più fresca?

L’acqua nell’atmosfera funge anche da gas serra.

L’atmosfera contiene molta acqua. Quest’acqua può essere sotto forma di gas-vapore acqueo o sotto forma di nubi liquide.

Le nuvole sono vapore acqueo che si è raffreddato e condensato in minuscole goccioline di acqua liquida, e che non cadono a terra per via del loro peso e la gravità.

Tranne quando piove e questo avviene perché il peso della goccia d’acqua vince sulla gravità.

Le nuvole sono fate d’acqua.

L’acqua tra le nuvole trattiene parte del calore dalla superficie terrestre.

Ma le cime bianche e luminose delle nuvole riflettono anche parte della luce del sole nello spazio.

Quindi con le nuvole, una certa energia proveniente dal Sole non raggiunge mai la superficie terrestre.

Quanto le nuvole influenzano il riscaldamento o il raffreddamento della superficie terrestre è una di quelle domande difficili che diverse missioni della NASA stanno provando a rispondere.

Oppure, poiché più vapore acqueo significa più nuvole, le soffici nuvole bianche rifletteranno abbastanza luce solare nello spazio per compensare il riscaldamento?

Questo enigma delle nuvole ha messo un grosso dilemma agli scienziati che si grattano la testa e cercano di capire.

La NASA sta aiutando la ricerca scientifica con satelliti, che studiano il ciclo dell’acqua della Terra e le nuvole in 3-D.

L’effetto serra, approfondimenti.

effetto serra sulla terra

Lo scambio di radiazioni in entrata e in uscita che riscalda la Terra viene spesso definito come l’effetto serra perché una serra funziona allo stesso modo.

Le radiazioni UV in arrivo attraversano facilmente le pareti di vetro di una serra (o i finestrini della macchina chiusa), e vengono assorbite dalle piante e dalle superfici dure all’interno.

La radiazione IR più debole, tuttavia, ha difficoltà a passare attraverso le pareti di vetro ed è intrappolata all’interno, riscaldando così la serra.

Questo effetto consente alle piante tropicali di prosperare all’interno di una serra, anche durante un freddo inverno.

I gas nell’atmosfera possono riflettere o intrappolare l’energia termica, proprio come succede in una serra per le piante.

I principali gas di forzatura dell’effetto serra sono:

Il biossido di carbonio, il metano, il protossido di azoto ei gas fluorurati sono tutti gas ben miscelati nell’atmosfera che non reagiscono alle variazioni di temperatura e pressione dell’aria, quindi i livelli di questi gas non sono influenzati dalla condensazione.

Il vapore acqueo dall’altra mano, è un componente altamente attivo del sistema climatico che risponde rapidamente ai cambiamenti delle condizioni sia condensando in pioggia o neve, o evaporando per tornare in atmosfera.

Pertanto l’impatto dell’effetto serra è principalmente diffuso attraverso il vapore acqueo e agisce come un rapido feedback.

Il biossido di carbonio e gli altri gas a effetto serra non condensanti sono i gas chiave all’interno dell’atmosfera terrestre che sostengono l’effetto serra e ne controllano la forza.

Il vapore acqueo è un feedback ad azione rapida, ma la sua concentrazione atmosferica è controllata dal forzante radiativo fornito dai gas a effetto serra non condensanti.

In effetti, l’effetto serra collasserebbe se non fosse per la presenza di biossido di carbonio e gli altri gas a effetto serra non condensanti.

Insieme, il feedback della condensazione e la forzatura dei gas non condensanti all’interno dell’atmosfera svolgono entrambi un ruolo importante nell’effetto serra.

Una serra è una casa fatta di vetro.

Ha pareti di vetro e un tetto di vetro.

Le persone coltivano pomodori e fiori e altre piante in loro.

Una serra rimane calda dentro, anche durante l’inverno.

La luce del sole illumina e riscalda le piante e l’aria all’interno.

Ma il calore è intrappolato dal vetro e non può sfuggire. Quindi durante le ore diurne, diventa più calda all’interno di una serra, e rimane abbastanza calda anche di notte.

Gas serra e riscaldamento globale.

“Le molecole di gas che assorbono le radiazioni infrarosse e termiche e che sono in quantità abbastanza significative, possono forzare il sistema climatico.

Questi tipi di molecole di gas sono chiamati gas a effetto serra.

L’anidride carbonica (CO2) e altri gas a effetto serra agiscono come una coperta, assorbendo le radiazioni IR e impedendole di fuggire nello spazio.

L’effetto netto è il riscaldamento graduale dell’atmosfera e della superficie terrestre, un processo noto come riscaldamento globale.

Questi gas serra includono vapore acqueo, CO2, metano, protossido di azoto (N2O) e altri gas, secondo l’Environmental Protection Agency (EPA).

Sin dagli albori della rivoluzione industriale agli inizi del 1800, la combustione di combustibili fossili come carbone, petrolio e benzina ha notevolmente aumentato la concentrazione di gas serra nell’atmosfera, in particolare CO2.

La deforestazione è la seconda fonte antropogenica di anidride carbonica nell’atmosfera compresa tra il 6% e il 17%.

I livelli di CO2 nell’atmosfera sono aumentati di oltre il 40 percento dall’inizio della rivoluzione industriale, da circa 280 parti per milione (ppm) nel 1800 a 400 ppm oggi.

L’ultima volta che i livelli atmosferici di CO2 della Terra hanno raggiunto i 400 ppm è stato durante l’Epoca del Pliocene, tra 5 e 3 milioni di anni fa, secondo l’Università della California, Scripps Institution of Oceanography di San Diego.

Si prevede che l’effetto serra, combinato con l’aumento dei livelli di gas serra e il conseguente riscaldamento globale, avrà implicazioni profonde, secondo il consenso quasi universale degli scienziati.

Se il riscaldamento globale continua incontrollato, cioè l’emissione di carbonio non si ferma, questo fato causerà significativi cambiamenti climatici come sarebbe l’innalzamento del livello del mare, l’aumento dell’acidificazione degli oceani, eventi meteorologici estremi come uragani, alluvioni e incendi.

Altri gravi impatti naturali e sociali, secondo la NASA, l’EPA e altri organismi scientifici e governativi che hanno avvisato già da tempo sulle implicazioni negative dell’effetto serra.

Ci sono quelli che dicono che i gas non sono la causa del riscaldamento globale, anche se ciò va contro l’opinione della comunità scientifica globale.

“Penso che misurare con precisione l’attività umana sul clima sia qualcosa di molto impegnativo da fare, e c’è un tremendo disaccordo sul grado d’impatto che l’industrializzazione abbia avuto sull’effetto serra, quindi non sono d’accordo sul fatto che l’uomo sia un contributore primario al riscaldamento globale che vediamo”, ha detto il direttore EPA Scott Pruitt ha dichiarato al notiziario mattutino della CNBC “Squawk Box”, 9 marzo 2017.

L’effetto serra può essere invertito?

Molti scienziati concordano sul fatto che il danno all’atmosfera e al clima della Terra ha passato al punto di non ritorno o che il danno è irrevocabile qualsiasi cosa si facesse.

“Sono d’accordo sul fatto che abbiamo superato il punto dove potevamo ancora evitare i cambiamenti climatici”, ha detto a Live Science Josef Werne, professore associato presso il dipartimento di geologia e scienze planetarie dell’Università di Pittsburgh.

Secondo Werne, ci sono tre opzioni da questo punto in avanti:

  1. Non fare nulla e vivere con le conseguenze,
  2. Adeguarsi al clima che cambia (che include cose come l’innalzamento del livello del mare e le relative inondazioni),
  3. Mitigare l’impatto dei cambiamenti climatici attuando in modo aggressivo le politiche che effettivamente riducono la concentrazione di CO2 nell’atmosfera (cosa abbastanza utopica da realizzare sopratutto nell’America di Trump).

Keith Peterman, professore di chimica alla York College of Pennsylvania, e Gregory Foy, professore associato di chimica alla York College of Pennsylvania, pensano che il danno non sia ancora arrivato a quel punto, e che accordi e azioni internazionali possano ancora salvare l’atmosfera del pianeta.

Attualmente, alcuni scienziati stanno studiando come riprogettare l’atmosfera per invertire il riscaldamento globale.

Ad esempio, le teorie pubblicate sulla rivista Science nel luglio 2017 da lrike Lohmann e Blaž Gasparini, ricercatori dell’Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima presso l’ETH di Zurigo in Svizzera, hanno proposto di ridurre i cirri (un tipo di nuvole), che intrappolano il calore.

“Se i cirri si comportano come una coperta attorno alla Terra, stai cercando di liberarti di quella coperta”, ha detto Lohmann, professore di fisica atmosferica sperimentale all’ETH di Zurig

Raffreddare il pianeta con l’ingegneria?

La Geoingegneria è più facile da fare che da dire!

Togliere il vapore acqueo, rimuovere l’umidità e prevenire la normale formazione di nuvole di cirri con l’ingegneria è fattibile ma non attuabile”, ha detto Lohmann.

Nel 1827, Joseph Fourier, un matematico e fisico francese, si chiese perché la temperatura media della Terra fosse di circa 15° C (59° F).

Ha ragionato che ci deve essere un qualche tipo di equilibrio tra l’energia in entrata e l’energia in uscita per mantenere questa temperatura abbastanza costante.

I suoi calcoli indicavano che la Terra dovrebbe essere molto più fredda (-18° C o 0° F).

Per avere una temperatura media di 15° C, Fourier sapeva che doveva esserci un altro processo nell’atmosfera – qualcosa di simile al modo in cui una serra trattiene il calore.

Poiché i due processi sono simili, il nome “effetto serra” è stato coniato per descrivere la spiegazione di Fourier.

Tuttavia, parte del calore di una serra deriva dalla barriera fisica del vetro, che impedisce all’aria più calda di scorrere verso l’esterno.

Quindi, nonostante il fato che l’effetto serra atmosferico abbia alcuni processi in comune con una serra reale, i meccanismi generali che guidano l’effetto serra sono diversi e più complessi.

Gas a effetto serra.

L’atmosfera della Terra è composta principalmente da azoto e ossigeno.

Questi gas sono trasparenti alle radiazioni solari in arrivo. Sono anche trasparenti alla radiazione infrarossa in uscita, il che significa che non assorbono o emettono radiazioni solari o infrarosse in autonomia.

Tuttavia, nell’atmosfera terrestre ci sono altri gas che assorbono la radiazione infrarossa.

Questi gas sono noti come gas serra. Di seguito sono riportati i gas serra più importanti che influenzano il sistema climatico della Terra.

Il vapore acqueo (H2O) è il gas serra più forte.

La concentrazione di questo gas è ampiamente controllata dalla temperatura dell’atmosfera.

Quando l’aria diventa più calda, può contenere più umidità o vapore acqueo.

Quando l’aria diventa satura (o tiene tanta umidità quanto l’aria può a quella temperatura), l’umidità in eccesso si condensa in goccioline di nuvola.

E se queste gocce sono abbastanza grandi, cadranno come precipitazione.

Il biossido di carbonio (CO2) è anch’esso un importante gas serra.

Ha una lunga vita nell’atmosfera terrestre.

L’anidride carbonica assorbe fortemente l’energia con una lunghezza d’onda di 15 μm (micrometri).

Ciò rende il biossido di carbonio un buon assorbitore delle lunghezze d’onda che cadono nello spettro di radiazione infrarossa.

L’anidride carbonica si muove costantemente dentro e fuori l’atmosfera attraverso quattro processi principali: fotosintesi, respirazione, decomposizione organica o decadimento, combustione o combustione di materiale organico.

Il metano (CH4) è 30 volte più forte del biossido di carbonio come assorbitore della radiazione infrarossa.

Il metano, tuttavia, è presente in concentrazioni più piccole del biossido di carbonio, quindi il suo contributo netto all’effetto serra non è così grande.

Il metano è anche relativamente di breve durata (le molecole di metano durano circa 8 anni), nell’atmosfera.

Il metano viene prodotto quando i batteri decompongono la materia organica e la materia animale in luoghi come le zone umide (ad esempio, paludi, piane fangose, campi di riso allagati), impianti di trattamento delle acque reflue, discariche e budella di bovini e termiti.

Gli scienziati sono preoccupati per la concentrazione di metano in aumento nelle regioni in cui il permafrost artico e alpino si sta sciogliendo e rilasciando metano mentre si scalda.

Gli alocarburi sono composti da carbonio, cloro, fluoro e idrogeno.

Includono i clorofluorocarburi (CFC), che sono gas artificiali comunemente utilizzati nei frigoriferi e nei condizionatori d’aria.

Le concentrazioni di gas CFC nell’atmosfera sono le più alte di tutti gli alocarburi e possono assorbire più radiazioni infrarosse rispetto a qualsiasi altro gas a effetto serra.

L’impatto di 1 molecola di un gas CFC equivale a 10.000 molecole di anidride carbonica.

L’ossido di azoto (N2O), un gas relativamente longevo, è aumentato nella concentrazione atmosferica principalmente a causa dell’agricoltura.

Nitrato (NO3-) e ammoniaca (NH4 +) sono usati come fertilizzanti.

I batteri convertono una piccola quantità di questo nitrato e ammoniaca nella forma di protossido di azoto. I motori a combustione interna producono anch’essi protossido di azoto.

L’ozono (O3) è anch’esso un gas serra relativamente minore perché si trova in concentrazioni relativamente basse nella troposfera (lo strato più basso dell’atmosfera).

Nella troposfera, è prodotto da una combinazione di sostanze inquinanti – principalmente composti d’idrocarburi e ossidi di azoto.

Jhon Tyndall

Nel 1860, John Tyndall, uno scienziato irlandese affascinato dalla crescita e dalla formazione dei ghiacciai, volle testare le sue idee spiegando come la Terra mantenesse una temperatura abbastanza costante.

Ha iniziato una serie di esperimenti per misurare la quantità di calore radiante (radiazione infrarossa) che alcuni gas potrebbero assorbire e trasmettere.

Tyndall ha scoperto che il vapore acqueo e l’anidride carbonica erano buoni assorbitori ed emettitori di radiazione infrarossa.

L’importanza relativa di un gas a effetto serra dipende dalla sua abbondanza nell’atmosfera terrestre e da quanto il gas può assorbire le specifiche lunghezze d’onda di energia.

Un efficace assorbitore di radiazione infrarossa ha un profilo di assorbimento più ampio, il che significa che può assorbire uno spettro più ampio di lunghezze d’onda.

Il vapore acqueo e il biossido di carbonio possono assorbire le lunghezze d’onda della radiazione nell’intervallo compreso tra 4 μm e 80 μm, ad eccezione di quelle comprese tra 8 μm e 12 μm.

L’ozono può assorbire lunghezze d’onda tra 9 μm e 10 μm, ma come hai appreso, si trova in basse concentrazioni.

Le lunghezze d’onda dell’ultravioletto del sole sono fortemente assorbite dall’ozono nella stratosfera.

Spettro di assorbimento dei gas serra.

Le lunghezze d’onda visibili della radiazione del sole passano facilmente attraverso l’atmosfera e raggiungono la Terra.

Approssimativamente il 51% di questa luce solare viene assorbita dalla superficie terrestre dalla terra, dall’acqua e dalla vegetazione.

Parte di questa energia viene emessa dalla superficie terrestre sotto forma di radiazione infrarossa.

Il vapore acqueo, l’anidride carbonica, il metano e altri gas traccia nell’atmosfera terrestre assorbono le lunghezze d’onda più lunghe delle radiazioni infrarosse in uscita dalla superficie terrestre.

Questi gas emettono quindi la radiazione infrarossa in tutte le direzioni, sia verso l’esterno sia verso il basso verso la Terra.

Questo processo crea una seconda fonte di radiazioni che riscalda la superficie – radiazione visibile dal sole e radiazione infrarossa dall’atmosfera – che fa sì che la Terra sia più calda di quanto sarebbe altrimenti.

Questo processo è noto come l’effetto serra naturale e mantiene la temperatura globale media della Terra a circa 15° C (59° F).

L’effetto serra naturale

Le lunghezze d’onda visibili del sole della radiazione passano facilmente attraverso l’atmosfera e raggiungono la Terra.

Approssimativamente il 51% di questa luce solare viene assorbita dalla superficie terrestre dalla terra, dall’acqua e dalla vegetazione.

Se la concentrazione di gas serra aumenta, allora più radiazioni infrarosse saranno assorbite ed emesse verso la superficie terrestre, creando un effetto serra potenziato o amplificato.

Effetto serra naturale o amplificato

Una volta mediata nel corso di un anno, la quantità di radiazione solare ricevuta dal sole ha bilanciato la quantità di energia in uscita emessa dalla Terra.

Questo equilibrio è chiamato energia terrestre o equilibrio radiante.

Cambiamenti relativamente piccoli nella quantità di gas serra nell’atmosfera terrestre possono alterare notevolmente l’equilibrio tra le radiazioni in entrata e quelle in uscita.

La Terra quindi si riscalda o si raffredda per ripristinare l’equilibrio radiativo nella parte superiore dell’atmosfera.

L’equilibrio tra l’energia in arrivo dal sole e l’energia in uscita dalla Terra determina in definitiva il clima della Terra.

Questo è in realtà spiegato dalla prima legge della termodinamica (o dalla legge di conservazione dell’energia).

L’energia solare ricevuta dal sole consiste principalmente in lunghezze d’onda d’energia più corte, principalmente nella parte visibile dello spettro elettromagnetico.

Per bilanciare l’energia in entrata assorbita, la Terra deve, in media, emettere la stessa quantità di radiazione nello spazio.

Poiché la Terra è più fredda del sole, emette radiazioni a lunghezze d’onda molto più lunghe (nella parte infrarossa dello spettro).

I gas serra nell’atmosfera terrestre assorbono parte di questa radiazione infrarossa, che viene poi re-immessa di nuovo verso la superficie terrestre per mantenere una temperatura globale media di circa 15° C (59° F).

La legge di Stefan-Boltzman spiega che se l’energia in entrata e in uscita non è bilanciata, un pianeta si raffredda o riscalda.

Uno squilibrio nel bilancio energetico globale può risultare all’aumentare della concentrazione di gas serra.

I gas serra assorbono ed emettono la radiazione infrarossa sulla Terra.

Il saldo del bilancio energetico può essere ripristinato se la temperatura globale media della Terra è aumentata.

La civiltà umana è progredita e si è diffusa in tutto il pianeta durante un brevissimo periodo di recente storia geologica.

Durante questo periodo, la temperatura globale media della Terra è cambiata molto poco.

Invece sta cambiando rapidamente adesso come effetto della spietatezza umana che se della Terra e guarda solo al profitto in br

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