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A. Cesana

SCAMBI DI ENERGIA ATTRAVERSO L’ATMOSFERA

L’atmosfera è attraversata in permanenza da due flussi di energia: quello in entrata dell’energia solare che

giunge sulla Terra e quello in uscita dell’energia che la Terra emette nello spazio.

La quantità di energia irraggiata dal Sole è enorme: per averne un’idea si può considerare che l’energia che

il Sole libera intorno a sé ogni secondo è maggiore dell’energia consumata dall’umanità nel corso della sua

storia.

Le onde elettromagnetiche si distinguono per le differenti lunghezze d’onda che le caratterizzano: l’insieme delle onde elettromagnetiche disposte in funzione della lunghezza d’onda crescente costituisce lo spettro elettromagnetico. La quantità di energia trasportata da un’onda elettromagnetica è tanto maggiore quanto minore è la lunghezza d’onda: i raggi gamma, che hanno le più piccole lunghezze d’onda, sono i più energetici, seguiti dai raggi X e dai raggi ultravioletti, che precedono la porzione dello spettro relativa alle radiazioni luminose.

Il Sole emette energia sotto forma di radiazioni luminose e di altro tipo, che si propagano nello spazio come

onde elettromagnetiche; la quasi totalità della radiazione solare ha lunghezza d’onda compresa tra 0,15

micron e 4 micron (1 micron = 10-6 m, cioè un milionesimo di metro): queste, che vengono chiamate “onde

corte”, sono costituite per quasi il 10% da raggi ultravioletti e per il resto da luce visibile e raggi infrarossi in

proporzioni circa uguali.

È stato calcolato che, di tutta l’energia irraggiata dal Sole, la Terra ne intercetta nell’alta atmosfera solo una

piccolissima frazione (circa mezzo miliardesimo); di questa, solo una parte raggiunge il suolo: le radiazioni

solari incidenti, cioè in arrivo sulla Terra, nell’attraversare l’involucro atmosferico, hanno una buona

probabilità di urtare contro molecole di gas, polveri o goccioline d’acqua e cristalli di ghiaccio delle nubi; in

seguito agli urti possono subire fenomeni di:

diffusione, cioè venire deviate in tutte le direzioni (in parte verso lo spazio, in parte verso la

superficie);

riflessione, cioè venire deviate direttamente verso lo spazio;

assorbimento, cioè interagire con le molecole dei gas e dei componenti delle nubi e venire riemesse

come raggi infrarossi con lunghezza maggiore di 0,8 micron, chiamate “onde lunghe”.

Focus QUANTA ENERGIA RICEVIAMO DAL SOLE

Quando il Sole è allo zenit, ogni metro quadrato di superficie terrestre riceve ogni secondo una quantità di

energia solare corrispondente alla potenza di circa 1 chilowatt (kw), pari a quella richiesta per il

funzionamento di un ferro da stiro o di uno scaldabagno elettrico. In un anno l’energia solare complessiva

ricevuta dalla superficie terrestre ammonta a quella che si potrebbe ricavare dalla combustione di circa

70.000 miliardi di tonnellate di combustibili fossili, sufficiente per alimentare per circa 8.000 anni gli attuali

consumi energetici mondiali soddisfatti dalle fonti fossili (carbone, petrolio e gas naturale).

A causa di questi fenomeni, solo all’incirca la metà delle radiazioni incidenti (51%) riesce a raggiungere la

superficie del nostro pianeta: dato che il 4% viene riflesso immediatamente dal suolo e dalle acque verso lo

spazio, solo il 47% delle radiazioni in arrivo viene alla fine assorbito dalla superficie terrestre; del restante

49%, il 18% viene assorbito dal vapore acqueo, dalle nubi, dall’ossigeno e dall’ozono della stratosfera e il

31% viene riflesso immediatamente nello spazio dalle nubi e dalle polveri.

La percentuale di radiazioni immediatamente

riflesse (dal suolo e dall’atmosfera) rispetto a

quelle incidenti rappresenta il potere riflettente

medio o albedo della Terra ed è pari al 35%.

Le radiazioni solari assorbite dalla superficie

terrestre sono quasi del tutto convertite in calore

(a parte una piccola frazione dell’1% circa,

utilizzata dalle piante nella fotosintesi) e quindi

riemesse nell’atmosfera come raggi infrarossi a

onda lunga, mantenendo in pareggio il bilancio tra

calore acquisito e calore disperso.

L’atmosfera viene così riscaldata dal basso, dalla

superficie terrestre, che agisce come una sorta di

“piastra riscaldante”; la Terra trasferisce calore

all’atmosfera in tre modi: per circa il 75% per

irraggiamento termico, per circa il 10% per

conduzione e convezione (l’aria riscaldata per

contatto diretto si espande, sale e richiama aria fredda alla base) e per circa il 15% per evaporazione e

condensazione (l’acqua per evaporare dagli oceani assorbe dall’ambiente calore, che poi viene restituito dal

vapore quando condensa allo stato liquido o solido nelle parti superiori dell’atmosfera).

L’EFFETTO SERRA

L’energia emessa come calore dalla superficie terrestre non si disperde tutta istantaneamente nello spazio,

perché il suo flusso di ritorno viene rallentato dall’atmosfera: questa è una fortuna per noi, perché nelle ore

notturne l’aria conserva ancora un sensibile tepore.

La maggior parte del calore viene infatti intercettata e rinviata alla superficie da alcuni gas atmosferici,

come il diossido di carbonio, il vapore acqueo e altri, che hanno la caratteristica di assorbire e riflettere

indietro le radiazioni infrarosse a onde lunghe. In questo modo la superficie terrestre recupera buona parte

del calore destinato a essere smaltito. L’atmosfera, in altre parole, intrappola temporaneamente calore,

agendo come le pareti di vetro di una serra, che si lasciano attraversare dalla radiazione solare, mentre

ostacolano la dispersione del calore emesso dagli oggetti contenuti al loro interno: per questo motivo il

fenomeno è chiamato effetto serra.

Grazie a questa capacità dell’atmosfera di trattenere più

a lungo il calore emesso dalla superficie, la temperatura

media annua dell’aria in prossimità del suolo, riferita

all’intero pianeta, si mantiene a un valore medio di circa

15 °C; in assenza dell’effetto serra, la dispersione di

calore nelle zone non illuminate dal Sole sarebbe molto

veloce e la temperatura media si abbasserebbe a valori

di circa -20 °C, proibitivi per la vita.

L’attività umana, in seguito all’emissione di diossido di

carbonio, prodotto nei processi di combustione, e di altri

gas ha causato un aumento della loro concentrazione

atmosferica e ciò sta determinando un rafforzamento dell’effetto serra, con conseguente rischio di

innalzamento della temperatura media della Terra, che potrebbe determinare allarmanti alterazioni

climatiche globali.

IL BILANCIO ENERGETICO

Se si effettua il bilancio energetico globale della Terra, dato dalla differenza tra l’energia solare assorbita e

l’energia emessa come calore dalla superficie, esso è nel complesso in pareggio; tuttavia sussistono

differenze tra regioni situate a latitudini diverse.

Le zone intertropicali presentano un bilancio energetico positivo, perché ricevono più energia di quanta ne

riemettono, al contrario delle zone circumpolari, che hanno un bilancio energetico negativo, in quanto

l’energia ricevuta è inferiore a quella riemessa; ci si potrebbe attendere quindi un progressivo

riscaldamento delle zone intertropicali e un progressivo raffreddamento delle zone circumpolari: di fatto, il

divario termico tra le due zone si mantiene stabile nel tempo, grazie a un meccanismo di compensazione

dovuto alla circolazione dei venti e delle correnti oceaniche che trasferisce calore dalle regioni con

“surplus” a quelle con “deficit” di energia; perciò il bilancio energetico chiude in pareggio.

GUIDA ALLO STUDIO 1. Perché solo una parte della radiazione solare diretta verso la Terra ne raggiunge effettivamente la

superficie?

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2. Quale frazione delle radiazioni solari raggiunge la superficie della Terra e quale frazione viene

assorbita?

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3. Che cos’è l’albedo?

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4. Grazie a quale meccanismo nella troposfera si produce l’effetto serra?

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5. Quale vantaggio comporta l’effetto serra per l’ambiente?

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6. Che cosa si intende per bilancio energetico della Terra?

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COMPLETA LA SINTESI CON I TERMINI MANCANTI

Attraverso _______________ avvengono scambi di _______________, costituiti dal flusso in

_______________ di radiazione solare a onde corte, di cui una parte (47%) è assorbito dalla

_______________ e dal flusso in _______________ di calore (radiazioni infrarosse a onde lunghe) emesso

dalla superficie verso lo_______________.

Una elevata frazione del calore liberato dalla superficie terrestre viene intrappolato da alcuni

_______________ atmosferici e questo fenomeno, detto_______________, mantiene la temperatura

_______________ della Terra intono a valori _______________alla vita.

[superficie terrestre | uscita | effetto serra |spazio esterno | favorevoli | energia |l’atmosfera |entrata | gas | media]