Cos’è l’effetto serra?

Il problema dei cambiamenti climatici e tutte le conseguenze ad essi connesse è ormai entrato prepotentemente nelle nostre vite. Siamo tempestati ogni giorno da notizie di ogni tipo, notizie che a volte infiammano addirittura il dibattito politico e influenzano le scelte economiche. Tuttavia, comprendere le cause profonde dei cambiamenti climatici, come agiscono i vari fattori ambientali e come tale situazione possa influenzare il futuro prossimo e remoto non è affatto semplice. Oggi proveremo a capire il funzionamento dei principali gas serra e come essi possano influenzare il clima.

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Composizione dell’atmosfera terrestre

Le quantità relative di gas nell’atmosfera terrestre sono generalmente costanti e i componenti più rappresentati sono:

• azoto, per il 78,08%;
• ossigeno, per il 20,95%;
• argon, per lo 0,93%;
• anidride carbonica, per lo 0,0378%.

L’atmosfera odierna è pertanto composta principalmente da azoto e ossigeno, che insieme comprendono circa il 99% della composizione totale. Il restante 1% è composto da gas minori come vapore acqueo (concentrazione variabile), argon e anidride carbonica^[1].

Che cos’è l’effetto serra?

La Terra non è una fredda roccia inospitale ma al contrario emette enormi quantità di energia (e quindi di calore). Tuttavia, la principale sorgente di energia che scalda il Pianeta è il Sole. Il Sole emette energia principalmente sotto forma di radiazione luminosa, che è solo una piccola frazione dello spettro elettromagnetico (che infatti comprende anche ad esempio i raggi X e le onde radio).

L’energia prodotta dal Sole viene in parte assorbita dalla superficie terrestre, che quindi si scalda. Ma come mai viene assorbita dalla superfice terrestre e non dalla sovrastante atmosfera? La luce, o radiazione luminosa, ha diverse lunghezze d’onda e la luce che noi vediamo (luce visibile) è solo una piccola parte dello spettro luminoso totale. L’atmosfera terrestre risulta relativamente trasparente rispetto alle lunghezza d’onda della radiazione luminosa prodotta dal Sole, che sono principalmente quelle dello spettro del visibile. L’energia prodotta dal Sole riesce quindi facilmente a oltrepassare la barriera fornita dall’atmosfera e a giungere sulla superficie terrestre.

A questo punto accade qualcosa di molto importante. Quando la radiazione luminosa emessa dal Sole colpisce la superficie terrestre, una parte di essa viene appunto assorbita mentre un’altra parte viene riemessa indietro: possiamo dire che una porzione di questa energia rimbalza sulla superficie terrestre. A seguito di questo rimbalzo, tuttavia, la radiazione luminosa acquisisce una lunghezza d’onda diversa, quella corrispondente all’infrarosso^[2], che il nostro occhio non è in grado di vedere. L’atmosfera terrestre, e in particolare i gas serra, risultano però opachi rispetto alla radiazione infrarossa e la trattengono, scaldandosi a loro volta e contribuendo quindi al riscaldamento dell’atmosfera.

Proprio per il fatto che l’atmosfera terrestre assorbe efficacemente la radiazione infrarossa, la superficie terrestre è molto più calda di quanto sarebbe in assenza di atmosfera. La facilità con la quale la radiazione solare penetra l’atmosfera e la difficoltà con cui la radiazione terrestre (quella che rimbalza) viene trasmessa attraverso l’atmosfera determina il cosiddetto effetto serra, un fenomeno che è quindi naturale nel nostro Pianeta e anzi ha permesso lo svilupparsi della vita^[3].

Come agiscono i gas serra?

I gas serra sono tutti quei gas che incidono sul bilancio energetico della Terra, ovvero tutti quei gas, presenti in atmosfera, che possono causare l’effetto serra. Il più noto gas serra è probabilmente l’anidride carbonica ma non è l’unico ne tantomeno il più efficace. Tra gli altri importanti gas serra ci sono anche il vapore acqueo e il metano, che è un gas serra molto più efficacie dell’anidride carbonica.

I gas serra sono in grado di assorbire energia ad un lunghezza d’onda ben precisa dello spettro elettromagnetico, ossia quella dell’infrarosso. Essi trattengono quindi l’energia emessa dalla superficie terrestre e aumentano la temperatura media dell’atmosfera, determinando l’effetto serra.

Ma quali sono le caratteristiche chimico-fisiche che determinano tali proprietà? Facciamo un esempio. La CO2 è in grado di assorbire la radiazione elettromagnetica intorno alla lunghezza d’onda dei 15 micrometri (ossia la radiazione infrarossa, invisibile all’occhio umano), che è anche il picco di emissione del nostro Pianeta. In funzione del picco di assorbimento della CO2 e di tale picco di emissione della Terra, si capisce il motivo per cui la CO2 ha un effetto serra particolarmente efficacie.

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Le proprietà di assorbimento dei gas (compresa la CO2) è determinata dagli specifici movimenti vibrazionali (o oscillazioni) che ognuno di essi possiede. Tali vibrazioni sono caratterizzate dal fatto che le molecole possono avere solo valori discreti di energia: in altre parole, esse hanno sempre una frequenza ben definita, in relazione alle caratteristiche strutturali delle molecole del gas stesso.

Per passare da un livello energetico a quello successivo, quindi, le molecole devono assorbire una ben precisa quantità di energia che, per quanto riguarda i gas serra, sarà la stessa di quella dei fotoni della radiazione infrarossa. Quindi, quando un fotone dell’infrarosso colpisce una molecola di gas serra, esso verrà assorbito modificandone lo stato di oscillazione^[2].

A questo punto, una volta assorbito il fotone, le molecole passano ad uno stato cosiddetto eccitato, che corrisponde ad una maggiore ampiezza delle oscillazioni. Ciò si traduce in un livello energetico della molecola maggiore, ovvero più calore!

A questo punto si intuisce come può venire riscaldata l’atmosfera: l’energia proveniente dal Sole oltrepassa facilmente l’atmosfera, andando quindi colpire la superficie terrestre. Una parte di questa energia viene rimbalzata indietro e riemessa con una lunghezza d’onda diversa, questa volta facilmente assorbibile dai gas serra.

Conclusioni

Sebbene l’effetto serra sia un fenomeno naturale ed indispensabile per la vita sulla terra come la conosciamo, un suo eccesso diventa un grosso, enorme problema.

Inoltre è di fondamentale importanza sottolineare (al netto di complottismi e fake news) che non esiste alcun dibattito all’interno della comunità scientifica sul ruolo dei gas serra (e quindi dell’uomo che ne immette grandi quantità nell’atmosfera) nel riscaldamento climatico globale, in quanto la quasi totalità di scienziati e ricercatori ne riconosce la responsabilità. Stiamo infatti assistendo al più veloce aumento delle temperature medie della storia del pianeta.

La comprensione del funzionamento dell’effetto serra e dei gas serra è di fondamentale importanza per permettere alla ricerca scientifica di cercare possibili soluzioni al problema.

Articolo realizzato in collaborazione con Marisa Piras.

Referenze

1. Whiting, E. E., et al. (1973). Composition of the earth’s atmosphere by shock-layer radiometry during the PAET entry probe experiment. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 13(9), 837-IN2;
2. Isaksen, I. S., et al. (2009). Atmospheric composition change: climate–chemistry interactions. Atmospheric Environment, 43(33), 5138-5192;
3. Manara, V., et al. (2020). Comparison of Surface Solar Irradiance from Ground Observations and Satellite Data (1990–2016) over a Complex Orography Region (Piedmont—Northwest Italy). Remote Sensing, 12(23), 3882.

Immagine di copertina da pikist.com.