Thread by @f_ronchetti

1/ Il contributo dell’effetto serra su temperatura del pianeta si apprezza facendo il bilancio energetico della Terra espresso in W/m2. Dividiamo l’intensità I0=1370 W/m2 per 4/come se zone illuminate e ombra parziale e totale assorbissero una radiazione solare di 342 W/m2. 👇👇

2/ Dei 342 W/m2 di radiazione solare, 235 W sono effettivamente assorbiti mentre gli altri 107 sono riflessi nello spazio. Questa frazione, 107/342≈0.3, corrisponde all’albedo. L’atmosfera gioca un ruolo cruciale nel ridurre la quantità di radiazione che arriva alla superficie.

3/ 77 W/m2 (il 22%) sono riflessi nello spazio e non contribuiscono al riscaldamento della Terra che a sua volta emette 390 W/m2 di radiazione IR. Di questa 40 W/m2 sfuggono nello spazio e gli altri 350 vengono assorbiti o riflessi dalle nubi, aerosol e gas.

4/ Gas e nubi irradiano in tutte le direzioni: 155 W/m2 tornano sulla Terra (40% della emissione di superficie) e 195 vengono persi nello spazio. L’emissione totale di 235 W/m2 bilancia l’energia in entrata e la temperatura della Terra rimane circa costante.

5/ Quindi 155 W/m2 di ritorno sulla superficie rappresentano il cosiddetto effetto serra (cioè 40% della emissione di superficie torna indietro) che gioca un ruolo cruciale nel bilancio energetico. Quindi la temperatura dipende dall’emissione di superficie.

6/ Se l’effetto serra aumentasse improvvisamente dal 40% al 42% (supponendo l’albedo inalterato) l’energia assorbita sarebbe la stessa mentre energia emessa nello spazio diminuirebbe da 235 a 226 W/m2 osserverà un aumento di temperatura fino al nuovo punto di equilibrio.

7/ L’incremento di emissione corrisponde a un aumento di temperatura che dalla legge di #Stefan sarebbe pari a 290.7 K, corrispondente a un aumento di 2.7 C (avendo trascurato anche l’aumento di albedo dovuto alla nuova atmosfera, quindi l’aumento è sovrastimato)

8/ Quanto conta l’effetto serra sulle condizioni climatiche dei pianeti vicini? Venere, più vicino al Sole avrebbe una temperatura senza effetto serra di -39 C ma con un’atmosfera al 98% di CO2 ha una temperatura superficiale media di più di 460 C. Marte non ha effetto serra.

9/ I gas serra presenti nell’atmosfera terrestre sono: H2O, CO2, N2O, CH4, ozono O3, clorofluorocarburi CFC e particolati. Hanno diverse proprietà quindi ora cerchiamo di capire meglio i ruoli di questi composti nella fisica dell’atmosfera e per l’effetto serra. @RARohde

10/ Il vapore acqueo è il più importante dei gas serra, in quanto contribuisce per circa il 65% all’effetto totale. Dato che la Terra emette nella regione dell’infrarosso termico un gas atmosferico è “attivo” per l’effetto serra se le sue frequenze vibrazionali cadono nell’IR.

11/ Si vede che la molecola d’acqua assorbe tutte le lunghezze d’onda dell’IR termico tranne la finestra tra 7000 e 18000 nm. Sotto i 7000 nm l’assorbimento è dovuto alla flessione dell’angolo HOH e a lunghezze d’onda minori ai due moti di stiramento dei legami.

12/ Il momento di dipolo dell’H2O varia molto durante questi movimenti e le emissioni sono molto intense. Le bande di emissione rotazionali associate sono larghe e assorbono la radiazione IR a grande lunghezza d’onda (sopra i 18000 nm, ossia bassa energia).

13/ Il vapore acqueo è variabile da zona a zona e la finestra di emissione verso lo spazio è grande in zone aride e stretta in zone umide. L'importanza degli altri gas serra dipenderà dalla collocazione delle loro bande di assorbimento rispetto alla finestra H2O. Via @RARohde

14/ Quindi un gas che assorbe in una regione coperta dall’acqua produce poco o zero effetto serra, mentre se assorbe dove l’acqua è “trasparente” darà un contributo significativo all’effetto serra anche perché “chiude” la finestra lasciata aperta dall’acqua verso lo spazio.

15/ Sotto i 7000 nm e sopra i 18000 la radiazione che sfugge all’atmosfera è poca, mentre nella finestra dell’acqua il contributo all’impedenza degli altri gas risulta importante, soprattutto quello del biossido di carbonio.

16/ Inoltre fuori dalla finestra 7000-18000 nm l’acqua assorbe radiazione termica con grande efficacia e osserviamo un fenomeno di saturazione ossia ulteriore aumento di concentrazione di H2O non provoca un aumento di assorbimento e quindi di effetto serra.

17/ Nella finestra lasciata libera dall’acqua quasi tutta la radiazione termica sfuggirebbe nello spazio se non fosse per la CO2 che assorbe gran parte della radiazione della superficie tra 14000 e 16000 nm (dati rilevati sul deserto del Sahara).

18/ Le attività antropiche, come la combustione, anche quella dell’idrogeno generano molta acqua. La concentrazione del vapore acqueo nell’aria è però determinata dall’evaporazione dell’acqua degli oceani, ovvero dal fatto che il vapore acqueo è a contatto con la fase liquida.

19/ La quantità di vapore acqueo dipende dalla temperatura globale. La tensione di vapore dell’acqua cresce fortemente con la temperatura, per cui a un riscaldamento del pianeta corrisponderà un aumento del vapore acqueo nell’atmosfera.

20/ Poiché l’acqua è un gas serra, l’effetto serra aumenta col risultato di un aumento di temperatura (feedback positivo). Le nubi però hanno anche un effetto opposto al riscaldamento, poiché aumenta la riflessione di parte della radiazione UV e visibile dal Sole (albedo).

21/ Interazione di effetti opposti (serra vs albedo) è complessa, il vapore acqueo tende a stazionare nella bassa atmosfera. Nubi su regioni tropicali hanno un effetto minore che a latitudini settentrionali dove albedo supera l’aumento di assorbimento della radiazione in uscita.

22/ Bruciare idrogeno (H2) produce vapore acqueo i cui effetti a causa della saturazione sono trascurabili ma ammesso che la temperatura globale rimanga costante. Ma sappiamo che la temperatura superficiale del pianeta aumenta.

23/ L’aumento della temperatura aumenta la capacità dell’atmosfera di incamerare vapore acqueo. Una transizione mondiale alla combustione di H2 ottenuto da fonti fossili non sarebbe probabilmente breve e accompagnata da una contemporanea diminuzione di CO2.

24/ Bruciare massicciamente H2 ottenuto da fossili e continuare a immettere CO2 nell’atmosfera (cosa probabile con un periodo di transizione di decine di anni) potrebbe alterare il ciclo di feedback del vapore acqueo e la dinamica della troposfera.

25/ Per esempio, la zona di convergenza intertropicale (ITCZ) è una cintura caratterizzata da bassa pressione dove gli alisei degli emisferi nord e sud si uniscono circondando la Terra. La ITCZ è la zona più umida al mondo (precipitazioni fino a 200 giorni/anno).

26/ l'ITCZ può alterare venti e i flussi di energia termica e umidità in diverse parti del pianeta e può interferire con le correnti oceaniche. Quindi l’immissione di quantità colossali di vapore acqueo di origine antropica in atmosfera potrebbe rivelarsi non del tutto innocua.

27/ La prossima volta analizzeremo il contributo all’effetto serra di N2O, metano (CH4), ozono (O3), clorofluorocarburi (CFC) e particolati. Vista la sua importanza, la CO2 sarà trattata separatamente in seguito.

Errata. Sul grafico a sinistra ho lasciato un 67 nel posto sbagliato. Qui la figura corretta.