|
ONORA IL PADRE E LA MADRE |
|||||||||||||
 |
Cap.3-Cosa è l’effetto Serra ? |
 |
|||||||||||
|
Le caratteristiche principali di una serra sono due : la prima è che essa è un ambiente chiuso e quindi non
permette lo scambio diretto di calore con l’esterno tramite i moti convettivi dell’aria, l’atro è che essa è costituita
totalmente di vetro, cioè di un materiale che lascia passare la luce visibile che viene dal sole e che viene in parte
riflessa dalla superficie terrestre riattraversando le superfici di vetro in senso opposto a quello di provenienza.
L’energia relativa alla parte di luce che viene assorbita viene a sua volta utilizzata in parte per la fotosintesi
ed in parte viene trasformata in energia termica a causa dei decadimenti non radiativi dai livelli elettronici eccitati
al momento dell’assorbimento.
L’energia termica accumulata all’interno della serra può a sua volta provocare l’eccitazione di solidi e molecole
ai livelli vibrazionali e rotazionali a più alta energia rispetto allo stato fondamentale con l’emissione di radiazione
infrarossa secondo la legge di emissione del corpo nero di Stephen e Boltzmann, emissione che viene a sua volta
riflessa dalle pareti di vetro della serra opache a radiazioni di questa lunghezza d’onda.
Questo modello fenomenologico è stato inappropriatamente applicato allo studio dell’effetto serra nel nostro
pianeta con tre fondamentali lacune che ne inficiano l’attendibilità e soprattutto le predizione negli sviluppi futuri.
La prima e più importante lacuna nella valutazione del bilancio energetico tra la energia assorbita dalla
radiazione solare e l’energia diffusa tramite irraggiamento è stata quella trascurare la fotosintesi cioè di
prescindere completamente dai processi di storage e di accumulo di energia chimica e biochimica.
Ipotizzando uno stato di equilibrio ideale collocato all’inizio della era industriale non si è tenuto conto dei
processi evolutivi della biosfera e della specie umana.
I fisici dell’atmosfera hanno trascurato la chimica e la biologia ed hanno
considerato il nostro pianeta alla stregua di tutti gli altri pianeti dell’universo.
La seconda lacuna è che in tutti i modelli messi a punto per la simulazione degli effetti generati dalla attività
antropica non vi è nessun riferimento ai processi di decadimento non radiativo da livelli elettronici, vibrazionali
e rotazionali eccitati. [Il sottoscritto ha passato gran parte della sua vita professionale di ricercatore a misurare
sperimentalmente i tempi di vita delle popolazioni vibrazionali tramite tecniche spettroscopiche risolte
nel tempo misure che hanno dimostrato l’importanza di questi meccanismi].
La terza lacuna che rende addirittura inappropriato il termine “ effetto serra” consite nel non aver adeguatamente
considerato il fatto che il nostro pianeta è un Sistema Termodinamico chiuso ma non isolato cioè non è un globo racchiuso
in una sfera di vetro come una serra, ma può irradiare energia elettromagnetica all’esterno attraverso il meccanismo del
corpo nero tramite le transizioni vibrorotazionali dei cosiddetti gas ad effetto serra (CO2 ed H2O) che sono tuttavia in
completo equilibrio termodinamico tra di loro e con gli altri gas dell’atmosfera e si scambiano energia termica tra di loro
emettondo radiazione solo dagli strati alti dell’atmosfera, cioè quando sono impossibili i decadimenti non radiativi.
I primi lavori in questo campo, motivati dalla constatazione di un progressivo scioglimento dei ghiacci della calotta
artica e dei ghiacciai terrestri, (in parte controbilanciati da un aumento dei ghiacci in antartide) e del parallelo espandersi
della desertificazione si sono focalizzati principalmente sulla determinazione dello sbilancio energetico
(EEI= Earth Energetic Imbalance) misurato al limite dell’atmosfera (TOA=Top Of Atmosfere) trascurando
completmente la presenza della Biosfera e delle sue implicazioni in campo energetico.
Scioglimento dei ghiacci e desertificazione venivano messi in relazione con il progressivo aumento,
a partire dalla era preindustriale, della concentrazione della CO2 che veniva indicata come la causa
principale dell’aumento della temperature terrestre.
I programmi di calcolo sviluppati si basavano sul seguente presupposto: l’equilibrio energetico
del Sistema terra viene preservato quando l’energia della radiazione visibile assorbita dall’atmosfera e
dalla superficie terrestre (oceani+terre emerse) è uguale alla energia infrarossa irradiata dal Sistema Terra
considerata come un corpo nero. Ogni sbilanciamento osservato al limite superiore dell’atmosfera (TOA)
era da attribuire esclusivamente alla presenza dei Gas serra (GHG = Green Haouse Gas) cioè sostanzialmente
CO2 ed H2O che assorbivano la radiazione infrarossa e la riemettevano in parte anche verso la superficie terrestre
causando l’innalzamento della temperatura. Siccome lo scopo della ricerca era esclusivamente quello di dimostrare
che l’unico reasponsabile dei cambiamenti climatici era l’incremento della CO2, veniva completamente trascurato il ruolo
dell’ H2O in questo bilancio energetico, trascurando parimenti l’energia assorbita dalla biosfera e l’energia prodotta nei processi
di combustione dei carburanti fossili a loro volta responsabili della immissione dei gas serra.
Il meccanismo ipotizzato era di questo tipo : Partiamo da una situazione di equilibrio perfetto tra energia assorbita
ed energia irradiata, se introduciamo una perturbazione aggiungendo CO2 nell’Atmosfera intercettiamo parte
della radiazione infrarossa emessa dalla superficie della terra per rifletterla indietro verso la superficie stessa.
Questo significa che istantaneamente la radiazione emessa al top dell’atmosfera diminuisce della stessa quantità
di quella intercettata. Il Sistema reagisce a questa perturbazione attraverso un aumento della temperatura della
superficie terrestre (determinate dal surplus di energia infrarossa ricevuta) e dal conseguente maggiore irraggiamento
della energia infrarossa fino a ristabilire l’equilibrio ai valori precedenti la perturbazione. Il risultato finale di questa operazione
è che la superficie terrestre si trova effettivamente ad una temperatura più elevata ma la quantità di emissione infrarossa al top
dell’atmosfera non cambia.
Questo tipo di impostazione di carattere semplificato viene messo in discussione dai dati sperimentali.
Nelle figure sottostanti sono riportati i risultati delle misurazioni fatte tra il 1985 ed il 2018 relative alla emission
infrarossa (OLR) alt top dell’atmosfera, alla concentrazione della CO2 ed all’innalzamento della temperature.
Si può vedere chiaramente che in tale periodo si è avuto un aumento di 2 W/m2 nella OLR [Fig. 4a] (outgoing longwave radiation)
[ Remote Sensing Devitte 2018]
a fronte di un aumento della concentrazione di CO2 di 70 ppmv [Fig. 4b] e di
circa 0,7 g C [Fig. 4c] di temperatura.
Il modello sopra adottato risulta quindi essere del tutto inadeguato a descrivere le cause e gli effetti del
riscaldamento terrestre. E’ stato fatto un tentative un po maldestro per giustificare l’aumento inaspettato
ed ingiustificabile della OLR registrato.
[ OLR enancement 2014]
Gli autori chiamano in causa un feedback positivo, cioè un processo di amplificazione in un sistema in equilibrio per cui una
diminuizione di OLR provoca un aumento della radiazione visibile assorbita anche da parte di aereosol
e quindi un aumento della temperatura e della evaporazione dell’acqua che si risolve in un aumento della
OLR superiore alla diminuizione che lo ha generato.
Questo tipo di amplificazione è impossibile in un sistema in equilibrio dove ad ogni azione corrisponde una
reazione uguale e contraria. Ci sono in natura effetti di amplificazione ma questi avvengono solo in sistemi fuori
dell’equilibrio come ad esempio nelle esplosioni atomiche in cui vengono accumulate grosse quantità di isotopi
radioattivi o nella amplificazione LASER in cui con un sistema di pompaggio si crea artificiosamente una inversione
di popolazione tra i livelli elettronici di una molecola che consente la successiva amplificazione della radiazione laser
in un ristretto range di frequenze a scapito di un enorme assorbimeto di energia ad altre frequenze.
In realtà il processo di evaporazione è un processo endotermico che attenua il riscaldamento dovuto alla CO2
ed il vapor acqueo aggiuntivo che si distribuisce parzialmente anche negli strati alti della atmosfera aumenta gli effetti di
irraggiamento nello spazio alle alte quote e soprattutto scherma, attraverso le nuvole, l’irraggiamento solare sia
nell’infrarosso che nel visibile sino a provocare la ricondensazione e le precipitazioni acquose.
Per poter rendere conto delle evidenze sperimentali è necessario prendere in considerazione le caratteristiche
chimico-fisiche delle due molecule ( CO2 ed H2O)
che sono considerate come le protagoniste del cosiddetto effetto serra
La molecola di CO2, che esiste in natura solo in fase gassosa è la base della Biosfera
e partecipa a tutti i processi vitali sulla terra, dalla formazione di molecole organiche, alla respirazione tramite
la produzione di Ossigeno, ha un peso molecolare di 44 uma ed ha una concentrazione in atmosfera di 410
ppm (0,0407% vol) [285 ppm in era preindustriale] . La molecola di CO2, tranne la molecola di ozono O3
che tuttavia è abbastanza rara nella troposfera, ha il peso molecolare più alto degli altri gas atmosferici e quindi in asssenza
di perturbazioni a causa della forza di gravità, occupa la regione più vicina alla superficie terrestre mentre la molecola
di acqua (p.m. 18 uma) ha la possibilità di popolare gli strati più alti della troposfera e agisce , con i suoi passaggi di stato,
alla termostatizzazione del pianeta.
Entrambe le molecole hanno bande di assorbimento contigue nella zona dello spettro infrarosso
caratteristica delle emissioni del corpo nero tra 286K e 213K che sono le temperature medie
della superficie terrestre e della tropopausa tuttavia hanno un comportamento diverso determinato
proprio dal loro diverso peso molecolare.
Esse vengono eccitate a livelli vibrorotazionali superiori allo stato fondamentale dalla energia elettromagnetica
emessa dal corpo nero ma decadono immediatamente attraverso processi non radiativi, cioè attraverso
urti con altre molecole di Azoto, Ossigeno ed anche di CO2 o H2O.
L’energia assorbita si trasforma in energia termica, cioè energia cinetica che determina la temperatura dell’atmosfera.
Allontanandoci dalla superficie terrestre l’atmosfera comincia a rarefarsi, per cui gli urti tra le molecole di gas diventamo
meno probabili, è a questo punto che i processi di emissione radiativa iniziano ad essere competitivi, sino a quando
diventano prepondernti ed esclusivi. L’irraggiamento trae origine quindi dalla zona alta della troposfera dove la concentrazione
della CO2 è praticamente nulla ed è attribuibile quasi esclusivamente alle molecole di H2O.
Le forti escursioni termiche fra il giorno e la notte che si osservano nel deserto del Sahara o nelle notti stellate autunnali o
invernali nelle zone temperate sono dovuti a questo processo di irraggiamento che provocano formazione
di nebbie di rugiade o di brine. (inversione termica)
A conclusioni analoghe nell’individuare la funzione preponderante dell’acqua nei processi di irraggiamento
infrarosso è giunta una ricerca di Koll e Cronin
[Earth’s outgoing longwave radiation linear due to H2O greenhouse effect
Daniel D. B. Koll and Timothy W. Cronin ]
che hanno analizzato l’emissione infrarossa (OLR) dalle varie zone della superficie terrestre in funzione delle
temperature in esse registrate. Essendo, secondo la teoria corrente, tali emissioni dovute alla radiazione
del corpo nero, si sarebbe dovuto trovare, come specificato dalla legge di Stephen-Boltzman una variazione
di intensità che dipende dalla quarta potenza della temperature assoluta. In realtà è stato trovato tra le temperature
di 200 e 320 K un andamento lineare che è stato interpretato come dovuto alla presenza nell’atmosfera del vapore
dell’acqua che è un gas condensabile (che agisce come attenuatore) e che tale andamento è indipendente dalla concentrazione di CO2
La variazione di OLR con la temperatura è espressa dalla seguente regression lineare
Koll e Cronin hanno calcolato il contributo dei due componenti dell’effetto serra che rendono il coefficente B
(valutato a 2,218 W/m2 K in condizioni di cielo limpido e privo di vapore) e che rendono l’andamento di OLR
lineare per oltre 60 K di escursione termica rilevando che la concentrazione di CO2
ha un effetto praticamente nullo nel determinare B in funzione di T.
Una ulteriore conferma al meccanismo sopra proposto viene dalla analisi degli spettri di emissione radiativa infrarossa registrati al culmine dell’atmosfera.
Nella Figura 6 sotto è riportato lo spettro di assorbimento infrarosso della CO2 e dell’H2O
presenti nell’atmosfera relativo alle vibrazioni roto-vibrazionali a bassa frequenza ricavato dal sito
[Introduction | Atmospheric Infrared Spectrum Atlas - EODG]
A sinistra [Fig.6a] viene riportato lo spettro di assorbimento dell’acqua (blu) e della CO2 nero nella concentrazione
analoga a quella osservata nell’atmosfera, a destra [Fig.6b] riportato lo spettro amplificato in cui la optical thictness massima è 1
cioè oltre tale valore non vi è transmissione di luce. Lo spettro di assorbimento di una molecola isolata ha una forma
molto stretta che viene chiamata forma lorentziana, se la molecola è circondata da molte altre molecule dello stesso tipo
o di tipo diverso la banda di assorbimento si allarga notevolmente a causa delle interazioni anarmoniche che modulano i
livelli vibrazionali della molecole che interagiscono ed assume una forma gaussiana, questo è quello che si osserva nello
spettro a destra sotto riportato. Inoltre siamo in condizioni di saturazione, poiché tutta la radiazione infrarossa in quella zona
è tutta assorbita ed un aumento della concentrazione di CO2 non può condurre ad un maggiore assorbimento.
L’Anidride Carbonica (spettro color nero) rappresenta una piccolissima parte delle molecule presenti nell’atmosfera
cioè lo 0,042% [nell’era preindustriale era lo 0,028%] e si trova, come detto, prevalentemente negli strati bassi dell’atmosfera.
Nonostante questo, come si vede nella figura 7 successiva, essa assorbe tutta la radiazione emessa dalla
superficie terrestre nella zona dello spettro infrarosso compreso tra circa 600 ed 800 cm-1 cioè nella zona
centrata approssimativamente attorno a 667 cm-1 che è la zona di assorbimento della vibrazione di bending della molecola di CO2.
Nella [Fig.7] si vede che lo spettro di emissione infrarossa da parte della superficie terrestre è composto da due parti,
una prima parte è lo spettro di emission dei gas che si trovano al di sotto della tropopausa che si comportano come
un unico corpo nero ad una temperature di 213 gradi kelvin, la seconda parte è dato dallo spettro di emission della superficie
che si trova a 286 gradi Kelvin, in questa parte l’assorbimento dell’acqua da origine allo spettro frastagliato che si vede.
Nella zona attorno ai 667 cm-1 che è la zona caratteristica della banda di assorbimento dell CO2 non si ha nessuna
emissione infrarossa ulteriore a quella del corpo nero a 213 K, indicando che vi è un completo assorbimento da parte di questa molecola.
L’unica piccola emissione si trova nella sottile banda che si osserva a 667 cm-1 che corrisponde alla frequenza della banda di bending della CO2.
L’Anidride Carbonica quindi non altera l’efficenza della emissione radiativa infrarossa da parte della superficie
terrestre, che avviene tramite le molecule di Acqua, e ne consegue che un aumento della sua concentrazione
nell’atmosfera non provoca di per se stesso un aumento della temperature globale.
Quello che può avvenire invece è una diversa distribuzione sulla superficie terrestre dei processi di decadimento
non radiativi con la conseguente variazione dei moti convettivi e traslazionali di enormi masse di gas atmosferico
e delle relative perturbazioni provocando quelli che vengono definiti attualmente “cambiamenti climatici”.
Il video seguente [Fig.8] pubblicato da NASA Goddard nel 2014 è estremamente significativo a proposito, esso mostra come la
CO2 venga distribuita dalle perturbazioni atmosferiche su tutta la superficie terrestre, si nota che la maggiore concentrazione
si osserva nell’emisfero boreale in cui vi è la maggiore superficie costituita dalle terre emerse e la maggior popolazione e che
tale concentrazione venga drasticamente diminuita nel periodo Primavera-Estate a causa della fotosintesi dimostrando che
una diminuizione della CO2 può compromettere la crescita della Biomassa necessaria a nutrire una popolazione mondiale sempre in espansione.
|
