La fisica dell'atmosfera è un argomento complicato e a volte anche agli esperti sfuggono alcuni dettagli. Nella figura in alto, la caratteristica fondamentale che controlla la temperatura della Terra, il tasso di lassità termica. Da un articolo di Glenn Tamblyn
Ho trovato per caso un testo di Tamblyn estremamente ben scritto su Quora. Secondo la mia esperienza, anche le persone che si suppone siano esperte di cambiamenti climatici, a volte non colgono alcuni elementi fondamentali della fisica in questione. Vi suggerisco quindi di dare un'occhiata a questo testo: potreste imparare qualcosa che non sapevate. Io l'ho fatto. Per esempio, mi era sfuggito come le temperature superficiali di Venere, della Terra e di Marte siano correlate alle rispettive altezze di emissione effettiva. Incredibile! Vedi anche un documento più dettagliato di Tamblyn
Glenn Tamblyn non è nato come esperto di clima; è un ingegnere meccanico. Forse è la caratteristica di provenire da un campo diverso che lo rende capace di esprimere alcuni concetti in modo così chiaro. Fa parte, tra l'altro, dello Skeptical Science Team. Non sono riuscito a trovare la sua e-mail per chiedergli il permesso di riprodurre questo testo, ma dato che è stato pubblicato in un sito pubblico penso che non sia coperto da copyright e sono sicuro che non si opporrà a vederlo pubblicato qui. Se qualche lettore ha un contatto con lui, me lo faccia sapere nei commenti.
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Di Glenn Tamblyn
L'effetto serra (Greenhouse effect, GHE) dipende da tre fattori.
Bilancio radiativo e temperatura di radiazione richiesta.
Altitudine effettiva di emissione
Gradiente Termico verticale. (Lapse Rate)
Bilancio radiativo.
La Terra riceve energia dal Sole. Questa arriva all'orbita terrestre con un'intensità di 1361 watt/m^2 dell'area frontale terrestre. Circa il 30% della luce solare che arriva viene riflessa dalle nuvole, dalla superficie e dall'atmosfera. Questo non contribuisce al bilancio energetico del pianeta. Il resto viene assorbito. Se la Terra si limitasse ad assorbire questa energia e non potesse più liberarsene, il pianeta si riscalderebbe e basta. In modo radicale! È un calore sufficiente a far bollire gli oceani in meno di 1.000 anni se il pianeta non potesse liberarsene.
Ma se ne libera, irradiando l'energia nello spazio sotto forma di luce infrarossa. Se questi due flussi di calore si bilanciano, la quantità di calore qui sulla Terra non cambia e il clima è piuttosto stabile. Si tratta però di una stabilità dinamica: la quantità di calore che arriva dal sole varia nel corso dell'anno, il grado di riflessione della terra varia e la produzione solare varia leggermente nel corso di un ciclo di circa 11 anni. Ma sono tutti cicli e si bilanciano.
Per irradiare energia a sufficienza la Terra, o soprattutto la parte giusta di essa, deve essere alla giusta temperatura. Più è calda, più irradia. Quindi, se la Terra non è abbastanza calda, non irradia abbastanza, la situazione è sbilanciata e si riscalda fino a raggiungere l'equilibrio. Se invece è troppo calda, irradia troppo e si raffredda, vale il contrario. Con i cicli stagionali, quindi, si "cerca" sempre di tornare in equilibrio.
Quanto deve essere caldo? Poiché la radiazione proviene dall'intera superficie, la quantità che deve essere irradiata per m^2 è il rapporto tra l'area frontale del pianeta e la superficie totale - 1/4. Quindi deve irradiare 1361 m^2. Quindi deve irradiare 1361 *0,7/4 = 238 watt/m^2 da ogni metro quadrato della superficie, in media. Anche se le diverse parti della superficie hanno temperature diverse, la media sarà comunque 238.
Quindi, quale temperatura deve avere un oggetto per irradiare 238 watt/m^2? Possiamo ricavarlo da un'equazione della termodinamica, la legge di Stefan-Boltzmann - Wikipedia. Quando risolviamo questa equazione per calcolare la temperatura otteniamo 255 gradi Kelvin, o -18 Celsius.
La temperatura media dovrebbe essere di -18 C, ma in realtà la temperatura media della superficie è più di +15 C - 33 gradi più calda. Qualcosa sta mantenendo la Terra molto più calda di quanto dovrebbe essere. Si noti che ho inserito la parola "superficie". Questo è importante nella prossima parte.
Altitudine di emissione effettiva.
I gas serra assorbono la radiazione infrarossa (IR). Quindi gli infrarossi irradiati dalla superficie possono essere in parte assorbiti da questi gas nell'atmosfera. Quanto parzialmente? Circa il 90% dei raggi IR irradiati dalla superficie non arriva nello spazio, non direttamente. Questa energia viene assorbita e diffusa da tutte le molecole dell'atmosfera, viene termalizzata. Il 10% che esce è nelle lunghezze d'onda in cui le molecole di GH non sono attive.
Ma non finisce qui. Le molecole di GH possono irradiare IR e lo fanno. In modo casuale, in tutte le direzioni. Quindi solo una parte di queste radiazioni viene irradiata verso l'alto. E tutte le loro radiazioni sono nelle lunghezze d'onda che assorbono, quindi nessuna di queste radiazioni può arrivare nello spazio, viene riassorbita da altre molecole di GH o, se vicino al suolo, dalla superficie. Quindi non arriva allo spazio. Come si risolve quindi il bilancio radiativo?
Quando l'atmosfera è così, assorbendo praticamente tutto, si dice che è otticamente spessa. Tuttavia, man mano che si sale nell'atmosfera, la sua densità diminuisce, il numero di tutte le molecole in un volume d'aria è inferiore e anche il numero di molecole di GH è inferiore. Alla fine, ad un livello sufficientemente alto, il numero di molecole di GH è sceso abbastanza da far sì che alcune radiazioni non vengano più assorbite. La radiazione verso l'alto può ora iniziare a raggiungere lo spazio. A questa altitudine l'atmosfera diventa otticamente sottile. Tuttavia, l'altitudine a cui inizia la transizione varia in modo significativo per le diverse lunghezze d'onda dell'IR. Perché le molecole di GH hanno diverse probabilità di assorbire (e quindi anche di emettere) a diverse lunghezze d'onda.
Quindi, progressivamente, man mano che si sale, sempre più lunghezze d'onda iniziano a essere in grado di sfuggire allo spazio, fino a quando non ci riesce sostanzialmente tutto. Questo è il motivo per cui prima ho fatto riferimento alla superficie. La maggior parte degli IR verso lo spazio non proviene dalla superficie, ma da zone più alte dell'atmosfera. Sebbene l'altezza di questa transizione vari con l'altitudine, possiamo comunque parlare in modo significativo dell'altitudine media in cui si verificano le emissioni - l'altitudine di emissione effettiva. Sulla Terra si tratta di circa 5 km di altezza. Questa è determinata dalla concentrazione di gas GH nell'atmosfera. Con una maggiore quantità di gas GH, l'altitudine media è più alta.
Quindi, per l'equilibrio radiativo, poiché l'altezza media da cui provengono le emissioni è di 5 km e l'intensità delle emissioni dipende dalla temperatura, questa altitudine di 5 km deve essere alla giusta temperatura per mantenere l'equilibrio. Deve essere a -18 C. E lo è. La temperatura media della superficie è di +15 C e la temperatura dell'aria scende di 6,5 C per ogni km di altezza, quindi lo strato di 5 km è a 15 -(6,5 * 5) = -18, abbastanza vicino.
Quindi la Terra sta irradiando correttamente verso lo spazio. Sta irradiando come un corpo a -18 C. Solo che non proviene dalla superficie. È una coincidenza? No.
Gradiente Termico Verticale. (Lapse Rate)
L'atmosfera più bassa si raffredda man mano che si sale, a causa del gradiente termico verticale. Questo fenomeno è determinato dal movimento verticale dell'aria e dalla condensazione. L'atmosfera si raffredda a -6,5 C/km. Non solo al livello di 5 km, ma anche al di sopra. Si tratta di un processo di rimescolamento verticale attivo. Quindi sposta il calore verso l'alto e verso il basso per produrre un gradiente di 6,5/km E una temperatura a 5 km di -18 C perché il bilancio radiativo lo impone. Quindi questo processo di miscelazione spinge le temperature nel resto della colonna d'aria ad avere un valore relativo al livello di 5 km. Ciò significa che la temperatura superficiale è di 15 C e la temperatura a 10 km è di circa -51 C.
Questo è il GHE in breve. Il bilancio radiativo determina la temperatura di emissione, le concentrazioni di gas GH determinano l'altitudine a cui si troverà quella temperatura e il motore di miscelazione del Lapse Rate determina le temperature nel resto della colonna d'aria.
Tutto questo è una media, ci sono ancora cicli, variazioni locali, il tasso di lapse varia da un luogo all'altro a seconda della quantità di condensazione che si verifica, e l'altitudine effettiva di emissione varia un po' da un luogo all'altro, in particolare a causa delle variazioni del contenuto di vapore acqueo nell'aria. Ma il quadro generale è questo.
Quindi, se aumentassimo la concentrazione dei gas GH in modo che l'altitudine media di transizione verso la lo strato otticamente sottile fosse ora di 5,5 km, cosa accadrebbe? 5,5 km è a -21,25 C, non abbastanza caldo per generare abbastanza radiazioni verso lo spazio. La Terra non è in equilibrio. Ora succede che il calore si accumula nel sistema. All'inizio gran parte di esso è destinato al riscaldamento degli oceani, ma alla fine il livello di 5,5 km deve riscaldarsi a -18 C per ripristinare l'equilibrio radiativo. Il motore del Lapse Rate regola il resto della colonna d'aria intorno a questo valore e la temperatura superficiale è ora di 18,25 C. Riscaldamento globale (ci sono altri dettagli che ho tralasciato, in particolare che la dimensione del Lapse Rate diminuisce perché in un mondo più caldo c'è più evaporazione e quindi più condensazione).
Il punto cruciale è che per avere un GHE è necessaria una differenza di altezza tra la superficie e l'altitudine effettiva di emissione. Sulla Terra è di 5 km. La Terra è quindi il primo caso di GHE.
Venere è il caso successivo. L'atmosfera di Venere è al 95% di CO2, con una massa di nubi in cima e 95 volte la massa dell'atmosfera terrestre: in superficie è tanto un liquido sottile quanto un gas denso. L'altitudine di emissione è quindi superiore a 50 km dalla superficie. E il suo Lapse Rate è più alto - 10,2 - 10,4 C/km - poiché non c'è acqua e non c'è condensazione. Quindi il GHE produce una differenza di temperatura in superficie di oltre 500 C. La temperatura superficiale è abbastanza calda da fondere il piombo, perché l'altitudine di emissione è così alta.
Poi c'è Marte, un altro caso. Anche se la sua atmosfera è quasi tutta di CO2, è così sottile che la sua altitudine di emissione è molto bassa. Marte ha un GHE di circa 6 C.
Poi c'è la luna di Saturno, Titano, che ha un GHE e un effetto anti-serra. Effetto anti-serra - Wikipedia. Si verifica quando la maggior parte della luce solare assorbita da un pianeta viene assorbita più in alto nell'atmosfera, ma l'altitudine di emissione è inferiore. Titano ha un elevato strato di foschia, quindi gas GH nella sua atmosfera. Il GHE aumenterebbe la temperatura superficiale di 21 C, ma l'anti-GHE la abbassa di 9 C, per cui la superficie è effettivamente più calda di 12 C. Il metano è il principale gas GH su Titano, ma in atmosfere fredde e ragionevolmente dense si possono verificare anche assorbimenti ed emissioni quando si scontrano molecole che normalmente non sono gas GH: in questo caso azoto e idrogeno.
Gli altri pianeti hanno atmosfere influenzate dai gradienti termici che sono universali se c'è un'atmosfera in cui può verificarsi una circolazione verticale mentre l'atmosfera è otticamente spessa. Al contrario, nelle atmosfere sottili che sono anche otticamente sottili, il mescolamento è più raro e la radiazione domina la formazione del profilo di temperatura.
Si prevede che i pianeti intorno ad altre stelle abbiano GHE se soddisfano le condizioni giuste. Atmosfere in cui le altitudini di emissione e di assorbimento differiscono e può verificarsi un mescolamento. Quindi l'universo dovrebbe avere miliardi di casi di GHE.
Chiaro e comprensibile anche per me, grazie prof.
Forse è sfuggito un segno - nella parte Gradiente termico verticale: “ ma alla fine il livello di 5,5 km deve riscaldarsi a 18 C per ripristinare l'equilibrio radiativo.” credo dovrebbe essere -18C
Cordiali saluti