Thread by @f_ronchetti

1/ A parte una piccola quantità che arriva dall’attività geologica, l’energia ricevuta dalla superficie della Terra viene dal Sole trasportata dalla radiazione elettromagnetica composta per circa 43% di luce visibile, un 5% di ultravioletto e il resto (52%) infrarosso. 👇👇👇

2/ Alla distanza Terra-Sole l’energia che arriva è di circa 1370 W/m2 (costante solare I0). Questo valore non è costante e varia leggermente in relazione alle macchie solari. Le variazioni sono circa l’1 per mille per il visibile e nell’IR; con maggiori variazioni nell'UV.

3/ La quasi totale scomparsa delle macchie solari tra i secc. XVII- XVIII coincise con un periodo di clima più freddo del presente (Piccola Era Glaciale). Buona parte del flusso di energia attraversa l'alta atmosfera e viene assorbito negli strati più bassi e poi dal suolo.

4/ Escursioni termiche di 10/20 C da una stagione all’altra sono comuni ma il ciclo si ripete quasi identico ovunque ogni anno con media circa costante: negli ultimi cento anni, l'anno più caldo e quello più freddo differiscono di circa 1 C con una deriva verso un clima caldo.

5/ Quindi il bilancio energetico della Terra è in generale equilibrato: l’energia assorbita dalla Terra in un anno è praticamente uguale a quella ceduta nello spazio. La cessione di energia più importante è l’emissione di radiazione elettromagnetica nello spazio.

6/ Ora, tutti i corpi emettono una radiazione elettromagnetica proporzionale alla superficie e crescente con la temperatura. L'emissione avviene su tutte lunghezze d'onda, ma con diverse intensità: all’aumentare della temperatura diventa più intensa l’emissione ad alte energie.

7/ È legge di Planck, valida per il cosiddetto “corpo nero” che ha rappresentato il primo enorme successo della meccanica quantistica. Secondo questa legge l’energia emessa per secondo dalla superficie di un m2 per unità di lunghezza d’onda (flusso) ha un forma caratteristica.

8/ Anche il sole emette radiazione in accordo con legge di Planck la sua temperatura superficiale di 5870 K risulta essere molto più alta di quella terrestre e lo spettro è più ricco di radiazioni a bassa lunghezza d’onda.

9/ A causa delle differenti temperature superficiali gli spettri di emissione di Terra e Sole hanno forme diverse e la loro sovrapposizione piccola: La Terra emette a lunghezze d’onda maggiori del Sole in ragione della temperatura più bassa, in accordo con la legge di Planck.

10/ L'emissione solare viene di solito normalizzata per tener conto della distanza Terra-Sole, della dispersione sulla superficie sferica della Terra, e dell'albedo, ossia della frazione di radiazione solare riflessa dall’atmosfera e dalla superficie terrestre.

11/ La Terra riceve radiazioni di alta energia, le assorbe in parte e le riemette a lunghezze d’onda più alte (minore frequenza/energia). L’area sotto le curve rappresenta l’energia totale emessa per unità di tempo e di superficie. Perché la temperatura è -20C è spiegato dopo.

12/ Secondo la legge di #Stefan quest’area è proporzionale alla quarta potenza della temperatura per cui a parità di superficie un corpo più caldo emette energia elettromagnetica in misura maggiore rispetto a uno più freddo a parità di dimensioni.

13/ Il bilancio energetico della Terra consta di tre contributi: 1) la superficie assorbente della Terra, assimilata a un disco, 2) la superficie emittente, assimilata a una sfera e 3) poco meno di 1/3 della radiazione incidente viene riflessa nello spazio (fenomeno dell’albedo).

14/ Supponendo che la Terra assorba ed emetta la stessa quantità di energia, si ricava un’equazione di bilancio energetico dalla quale possiamo calcolare la temperatura superficiale media della Terra, che risulta essere 255K ossia -18 C! Quindi qualcosa non torna.

15/ Da misurazioni la temperatura media annuale della Terra risulta decisamente più alta: 288K ossia 15 C quindi una trentina di gradi in più. La discrepanza si spiega con la presenza nell’atmosfera di gas che assorbono parte della radiazione terrestre: il famoso “effetto serra”.

16/ Quindi la Terra emette energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Lo spettro di emissione consiste di luce infrarossa (IR) nell’intervallo tra 4000 e 50000 nm con un picco sui 10000 nm. Questa regione dello spettro viene definita infrarosso termico.

17/ Certi gas presenti in atmosfera sono in grado assorbire lunghezze d’onda entro questa regione dello spettro: ossia non tutta la radiazione emessa dalla superficie della Terra sfugge nello spazio ma viene riemessa con certi meccanismi e parte di essa torna sulla Terra.

18/ Infatti alcune molecole di gas sono in grado di assorbire la radiazione passando a uno stato eccitato. Quasi immediatamente la riemettono in ogni direzione e parte potrà ritornare verso la superficie della Terra ed essere assorbita contribuendo al riscaldamento del pianeta.

19/ I satelliti quindi vedono una radiazione corrispondente a una temperatura inferiore (-18C): la superficie della Terra emette a 288 K (+15C) ma i gas serra in aria schermano e i satelliti non misurano parte della radiazione che torna indietro e Terra appare loro più fredda.

20/ Senza effetto serra la Terra avrebbe una temperatura media di -15 C anziché di +15 C quindi entro certi limiti è necessario. Tuttavia i principali gas che compongono atmosfera terrestre N2 (azoto) e O2 (ossigeno) non sono in grado di assorbire radiazione IR.

21/ I gas responsabili dell’effetto serra sono altri e principalmente il vapore acqueo (H2O) per almeno il 65% e la famosa CO2 (biossido di carbonio) che costituisce il 25% del contributo. Altri gas come metano (CH4) e NO2 (ossido nitroso) contribuiscono per il 10%.

22/ L’azione vapore acqueo come gas serra si sperimenta nei deserti dove la grande aridità origina un piccolo l’effetto serra e durante la notte si arriva a temperature molto basse, proprio a grazie al fatto che la radiazione terrestre sfugge quasi completamente nello spazio.

23/ Nelle regioni temperate e umide le notti hanno escursioni termiche più basse. L’elevata umidità atmosferica cattura parte della radiazione in uscita e la riemette verso la superficie per cui la perdita di calore durante la notte è minore, soprattutto con cielo nuvoloso.

24/ In realtà, anche la luce solare è in piccola parte assorbita da questi e da altri gas, ma solo per una frazione delle sue componenti ultraviolette e infrarosse. Invece rispetto nello spettro elettromagnetico visibile, come sappiamo dall’esperienza, l'aria è trasparente.

25/ Nella molecola di H2O atomi di H stazionano a una certa distanza dall’atomo di O (circa 0.1 nm) e formano un angolo HOH di 104˚: questa è la geometria di equilibrio. Gli atomi non sono fermi nelle loro posizioni relative ma oscillano attorno alla loro posizione di equilibrio.

26/ Queste oscillazioni sono chiamate moti vibrazionali e hanno una frequenza ben definita che dipende dalla struttura della molecola, ossia dal tipo di legame chimico. Se la radiazione elettromagnetica che investe la molecola ha la frequenza giusta fa vibrare la molecola.

27/ I moti vibrazionali permettono a una molecola di assorbire energia da un’onda elettromagnetica se questa ha una frequenza molto vicina a uno dei moti permessi dalla struttura. Le frequenze in gioco sono dell’ordine di 1014 Hz, ossia nella regione dell’infrarosso (IR).

28/ Quando una molecola assorbe radiazione elettromagnetica di frequenza corrispondente a uno dei suoi moti vibrazionali, passa ad uno stato eccitato che corrisponde ad una maggiore ampiezza delle oscillazioni molecolari attorno alle posizioni di equilibrio.

29/ Lo stato eccitato non ha vita lunga perché l’eccesso di energia viene perso o emettendo un’ onda elettromagnetica (fotone) o per urto meccanico un’altra molecola a cui viene trasmessa parte della energia in eccesso che quindi si muoverà più velocemente, cioè sarà riscaldata.

30/ Affinché una molecola eccitarsi assorbendo un fotone è necessario che durante il moto vibrazionale il momento di dipolo cambi. Il momento di dipolo implica che la distribuzione di carica elettrica della molecola sia asimmetrica: è il caso di H2O e CO2 ma non di H2 e O2.

31/ Se i centri di carica + e - cadono sempre nelle stesse posizioni degli atomi il momento di dipolo è nullo. Per questa ragione le molecole biatomiche omo-nucleari, come N2 e O2, non possono assorbire fotoni infrarossi e quindi NON contribuiscono all’effetto serra.

32/ Dato che sono possibili anche moti rotazionali le molecole non assorbono solo la frequenze della radiazione identiche a quella vibrazionali, ma anche frequenze leggermente diverse: la probabilità di assorbimento in funzione della frequenza assume quindi una forma a “banda”.

33/ Nel prossimo thread passeremo in rassegna le proprietà delle diverse molecole (H2O, CO2, N2O, CH4, ozono O3, clorofluorocarburi CFC e particolati cercando di caprie meglio quali ruoli giocano questi composti nella fisica dell’atmosfera e per l’effetto serra.

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