La coperta di Gaia. La temperatura della Terra spiegata
06 LUG 2024
La Dea dorme felice, protetta dal calore dell'atmosfera terrestre. (immagine creata con Bing)
Ho spesso trovato che i non specialisti riescono a spiegare questioni complesse in modo più chiaro degli specialisti. Ecco quindi il mio punto di vista da non specialista sugli elementi di base della regolazione della temperatura terrestre. Non prendetela come qualcosa di più di una spiegazione di "livello zero", ma ho pensato che potesse essere utile per coloro che non hanno il tempo di addentrarsi nei dettagli oscuri della fisica atmosferica, uno dei campi della scienza più complessi che potreste incontrare. Ho adottato un approccio un po' diverso dal solito, che spero troverete utile.
Cominciamo con qualcosa che sicuramente conoscete tutti se siete terrestri: più salite in alto, più l'aria diventa fredda. È una di quelle cose che tutti sanno ma pochi sanno spiegare. Ma è la chiave per comprendere il clima della Terra. Lasciate che provi a spiegare la storia il meglio che posso.
Immaginiamoci di guardare la Terra dallo spazio. Siamo tutti familiari con le immagini satellitari della “palla blu” che mostrano mari, continenti e nuvole. Possiamo vedere queste caratteristiche in superficie perché l'atmosfera è per lo più trasparente alla luce solare, che è la gamma di lunghezze d'onda in cui una stella gialla, come il sole, emette la maggior parte della luce. Ciò che vediamo qui è luce riflessa direttamente nello spazio dalla Terra.
Ora, c'è una regola che dice, più o meno, che ciò che entra, deve uscire. La Terra riceve energia dal Sole e deve irradiarne la stessa quantità. Altrimenti, si riscalderebbe per sempre, e questo non è possibile. Ma l'emissione di luce dalla Terra è solo in parte luce visibile riflessa. A causa di un principio termodinamico molto basilare, la Terra emetterà l'energia che riceve in una forma "degradata", cioè a temperature molto più basse del sole (fortunatamente, dal nostro punto di vista).
Ora, sicuramente avete sentito parlare di radiazione del "corpo nero". È un'astrazione di come un corpo senza caratteristiche a una certa temperatura emetterebbe calore. La figura mostra come dovrebbe apparire lo spettro se la Terra fosse un corpo nero (linee tratteggiate), insieme a come risulta dalle misurazioni effettive (linea continua). La scala è in micrometri (μm), milionesimi di metro. La parte visibile dello spettro è fuori dalla figura, sulla destra. Ciò che stiamo vedendo è l'intera banda chiamata "infrarosso".
È chiaro che la Terra non è un corpo nero, anche se segue approssimativamente lo spettro previsto per una temperatura di circa 290 K (17 °C), che è vicina alla temperatura media della superficie misurata dai termometri, circa 15 °C.
Ma cosa sono questi grandi "buchi" nello spettro? Sono "bande" di assorbimento, parte dello spettro in cui la luce viene assorbita da molecole "attive nell'infrarosso". Guardate questa immagine, la "radianza" (radiazione emessa) misurata dallo spazio. (fonte).
Come si vede, lo spettro è dominato da un grande "buco" a circa 15-16 μm, che corrisponde all'assorbimento del CO2. È enorme e spesso le persone si sorprendono perché sanno che la concentrazione di CO2 nell'atmosfera è solo dello 0,04%. Come può una quantità così piccola generare un effetto così grande?
È possibile. Perché ciò che conta non è la concentrazione, ma la quantità assoluta. Un fotone infrarosso emesso dalla superficie terrestre non "vede" le molecole di ossigeno o azoto che compongono la maggior parte dell'atmosfera. Vede solo le molecole attive all'infrarosso, la CO2, l'acqua e poche altre. In media, non andrà più lontano di qualche metro prima di essere assorbito (si chiama "percorso libero medio"). Quindi, la sua probabilità di sfuggire nello spazio è praticamente nulla.
Ne consegue che se si osservasse la Terra nelle lunghezze d'onda in cui la CO2 assorbe così tanto, si vedrebbe solo una sfera priva di caratteristiche, nessuna traccia delle caratteristiche della superficie, dei continenti e simili (**), solo i fotoni infrarossi emessi dallo strato superiore dell'atmosfera, tipicamente più alto di circa 5 km. Lì, l'atmosfera è abbastanza rarefatta da permettere a un fotone infrarosso di avere una discreta possibilità di sfuggire allo spazio.
Possiamo chiamare la fascia di CO2 una "coperta" (se volete, potete dire "coperta di Gaia"). Penso che sia meglio che usare il termine "serra", che non è sbagliato, ma è stato spesso frainteso.
Naturalmente, una coperta non è la stessa cosa dell'atmosfera. Una coperta è uno strato uniforme che rallenta il flusso di calore da una fonte calda a una fonte fredda. L'atmosfera, invece, è un'entità incredibilmente complessa che diventa meno densa con l'altitudine. Agisce come un motore termico, trasformando il calore in energia meccanica (si chiama "vento") e anche come un condizionatore d'aria, spostando il calore da un'altezza all'altra attraverso l'evaporazione e la condensazione dell'acqua (il risultato si chiama "nuvole"). E molto altro ancora. Ma il termine "coperta" sottolinea che la CO2 fa esattamente quello che fa una coperta. Assorbe parte del calore emesso da una superficie calda e lo rimanda all'emittente, la superficie terrestre, riscaldandola.
Si potrebbe definire l’efficacia di una coperta misurando la differenza di temperatura tra la parte interna e quella esterna. Naturalmente, la parte a contatto con la superficie calda deve essere più calda. Notate anche che, se il sistema deve essere stabile, la superficie esterna della coperta deve irradiare verso l'ambiente esattamente la stessa quantità di calore generata dalla sorgente. Ciò significa che deve trovarsi alla stessa temperatura a cui si troverebbe la sorgente senza la coperta.
Potremmo chiamare "Lapse Rate" il rapporto tra la differenza di temperatura tra l'esterno e l'interno della coperta diviso per lo spessore della coperta (considerato positivo quando la parte superiore è più fredda di quella inferiore). Quanto più alto è il lapse rate, tanto più isolante è la coperta. Se il lapse rate è pari a zero, la parte superiore è alla stessa temperatura di quella inferiore. La coperta non isola nulla.
Le stesse considerazioni valgono per l'atmosfera. Ecco un'immagine del lapse rate (da Science Direct):
Si vede che l'atmosfera funziona come una coperta fino a circa 12-13 km, il limite della troposfera, la regione in cui il moto dell'aria è turbolento. Poi, la tendenza si inverte: la stratosfera (moto laminare) NON è assolutamente una coperta. Questo perché la concentrazione di CO2 per unità di volume è così bassa che non ferma più in modo significativo la radiazione infrarossa. La stratosfera si riscalda con un meccanismo completamente diverso che prevede l'assorbimento delle radiazioni ultraviolette da parte dell'ossigeno e dell'ozono.
Abbiamo quindi trovato la risposta al perché le montagne sono più fredde delle pianure. È a causa del lapse rate positivo della troposfera. Il valore sperimentale del lapse rate è di circa 6,4 C/km, il che spiega perché basta salire di poche centinaia di metri per notare un raffreddamento significativo. Si noti anche che nessuna montagna è così alta da emergere nella stratosfera; altrimenti, diventerebbe più calda con l'altezza!
Ora, un'ultima domanda: cosa causa il riscaldamento globale?
Si ha un riscaldamento globale quando si aggiunge CO2 all'atmosfera (in prima approssimazione possiamo trascurare altri gas). Per quanto riguarda la metafora della "coperta", possiamo dire che il risultato è che la coperta diventa più spessa. E si sa che se si aggiunge una coperta quando si sente freddo, funziona esattamente così.
Entrando un po' più nei dettagli, quando si aggiunge CO2 all'atmosfera, questa si distribuisce in modo uniforme in base al modo in cui la pressione diminuisce con l'altezza. Ciò significa che ci sarà più CO2 alle altezze in cui l'atmosfera è abbastanza sottile da far sfuggire allo spazio un po' di radiazione infrarossa, e le emissioni inizieranno ora dalle altezze più elevate. Ma a causa del lapse rate positivo, a quelle altezze farà più freddo e la potenza emessa sarà inferiore. Di conseguenza, l'intero insieme di superficie e atmosfera dovrà riscaldarsi un po' per compensare.
Un po' difficile da digerire, lo so, ma non preoccupatevi. Basta ricordare che una coperta più spessa fa più caldo! Questa è l'essenza del riscaldamento globale.
Se siete riusciti a trovare il tempo per leggere fino a qui, complimenti! Ora avete un livello base di comprensione di ciò che determina la temperatura superficiale della Terra.
Ho fatto del mio meglio adottando un approccio alla questione un po' diverso da quelli tipici che si trovano sul web. L'ho fatto soprattutto per uno sforzo personale di comprensione di questa materia e anche per cercare di trasmettere qualcosa di quanto sia incredibilmente complessa e affascinante la fisica dell'atmosfera. Per me, ogni volta che torno a studiare uno dei suoi aspetti, imparo qualcosa di nuovo. Potete provarci anche voi, è una storia incredibilmente bella. Il tipo di bellezza che può uccidere, purtroppo per noi.
L'immagine qui sotto non è stata scattata da un satellite della NASA, ma chi lo sa? Un giorno potremmo trovare la giusta lunghezza d'onda per vedere la Dea Gaia!
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(*) Ecco un esempio di immagine ripresa nella "finestra dell'infrarosso" (dall'ESA). L'immagine è stata pesantemente elaborata per rimuovere le nuvole e gli oceani, ma mostra che tipo di misurazioni si possono effettuare utilizzando diverse lunghezze d'onda.
(**) Nei database della NASA si cercherebbe invano un'immagine globale delle emissioni della Terra a 16 micron. Non esiste per due motivi: il primo è che non è interessante scansionare l'intero globo in una lunghezza d'onda in cui non si vede nulla di interessante. Il secondo è che l'emissione proviene da una regione in cui le temperature sono di circa -70 C, ed è così debole che i sensori fanno fatica a registrarla. Il meglio che si può trovare sono immagini a una lunghezza d'onda di 13,6 micron, sulla "spalla" della banda della CO2. Si chiama "ABI-16", dove ABI sta per "Advanced Baseline Image" e "16" indica il 16° canale dello strumento. Viene utilizzata per misurare le concentrazioni di CO2 in diverse regioni. Si noti che ci sono molte immagini globali in giro etichettate come "immagini IR della Terra" senza alcuna indicazione sulla gamma IR misurata. Per gli specialisti è ovvio, ma non per noi, povera gente che cerca di capire. Ecco le immagini di tutti i 16 canali ABI (link)